Лекция 9 – Классификация методов контроля

Известно много акустических методов неразрушающего контроля. Классификация акустических методов представлена на рисунке 38. Акустические методы делят на две большие группы: активные и пассивныеметоды.

Активные методы основаны на формировании волн и последующем приеме отраженных, прошедших или дифрагированных сигналов.

Пассивные методы основаны только на приеме волн, возникших в объекте контроля. Пассивные методы в УЗД рельсов не применяются.

Рисунок 76 – Классификация акустических методов контроля

Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие в себе элементы прохождения и отражения).

Методы прохождения. Эти методы, чаще называемые теневыми, основаны на наблюдении изменения параметров прошедшего через ОК акустического сигнала (сквозного сигнала). На начальном этапе развития использовали непрерывное излучение, а признаком дефекта было уменьшение амплитуды сквозного сигнала, вызванное образуемой дефектом звуковой тенью. Поэтому термин "теневой" адекватно отражал содержание метода. Однако в дальнейшем области применения рассматриваемых методов расширились.

Методы начали применять для определения физико-механических свойств материалов, когда контролируемые параметры (упругие постоянные, коэффициент затухания, плотность и т.п.) не связаны с образующими звуковую тень нарушениями сплошности. При этом в большинстве случаев непрерывное излучение было заменено импульсным. Существенно расширено также число информативных параметров сквозного сигнала, к которым кроме амплитуды добавились фаза, время прихода и спектр.

Т.о., теневой метод можно рассматривать как частный случай более общего понятия "метод прохождения". Кстати, в англоязычной литературе последний называется through transmission technique, что полностью соответствует русскому термину "метод прохождения". Понятие "теневой метод" в английском языке не применяется.

При контроле методами прохождения излучающий и приемный преобразователи располагают по разные стороны от ОК или контролируемого его участка (рисунок 77). В некоторых методах прохождения преобразователи размещают с одной стороны от ОК на определенном расстоянии друг от друга (рисунок 78). Информацию получают, измеряя параметры прошедшего от излучателя к приемнику сквозного сигнала.

К методам прохождения относят: амплитудный теневой, временной теневой, велосиметрический. Амплитудный теневой метод основан на регистрации уменьшения амплитуды сквозного сигнала под влиянием дефекта, затрудняющего прохождение сигнала и создающего звуковую тень. Временной теневой метод, основанный на регистрации запаздывания импульса, вызванного увеличением его пути в изделии при огибании дефекта. Велосиметрический метод связан с регистрацией изменения скорости ультразвуковых колебаний и применяется для контроля слоистых конструкций для измерения изменения толщины или обнаружения расслоений в них. Ни один из этих методов в УЗД рельсов не применяются.

Тем не менее, самый первый дефектоскоп, разработанный Соколовым С. Я. в 1928 году, реализовывал только амплитудный теневой метод УЗ-контроля, при этом дефектоскоп работал в непрерывном режиме излучения упругих колебаний.

Сергей Яковлевич Соколов – российский физик, специалист по ультразвуковой дефектоскопии. Сфера научных интересов – акустика, в частности явление ультразвука. Показал способность ультразвука проходить через металлы без заметного поглощения (1927 г.). Применил это явление для обнаружения дефектов в металлах (1928 г.), положив начало ультразвуковой дефектоскопии. Разработал различные конструкции ультразвуковых дефектоскопов. Выдвинул идею исследования структуры твердых тел и фазовых переходов ультразвуковым методом. В 1942 г. за изобретение метода ультразвуковой дефектоскопии удостоен Сталинской премии. Пионерские работы в области звуковидения. Предложил (1935 г.) методы преобразования звуковых изображений в видимые (поверхностного рельефа, механического сканирования, с помощью электронно-акустической трубки-преобразователя) и создал аппаратуру звуковидения, названную им ультразвуковым микроскопом. Разработал первый кварцевый анализатор звука. Исследовал дифракцию света на ультразвуке. Выдвинул идею использования дифракции света в ультразвуковом поле в твердых и жидких средах для модуляции светового пучка.

а)

Теневой метод основан на посылке в контролируемое изделие упругих колебаний и регистрации изменения их интенсивности после однократного прохождения через контролируемый объект.

Рисунок 77 – Теневой метод

в)

б)

Преобразователь, излучающий колебания, находится по одну сторону контроли­руемого изделия или его участка, приемный пре­образо-ватель находится с другой его стороны соосно с излучателем (рисунок 77).

При отсутствии на­рушений сплошности материала приемный преобразователь регис­трирует определенную амплитуду сигнала, прошедшего через из­делие (рисунок 77, в). При постоянной толщине изделия, одно­родном материале, одинаковой шероховатости поверхности изделия и параллельности верхней и нижней поверхностей амплитуда прошедших упругих волн будет изме­няться в небольших пределах.

Наличие несплошностей материала на пути волны приведет к уменьшению амплитуды принятого сигнала, так как за дефектом образуется акустическая тень (рисунок 77, б). Это уменьшение регистрируется индикатором дефектоскопа и является признаком наличия дефекта в зоне контроля. О величине дефекта можно судить по степени ослабления про­шедшего сигнала.

Перед проведением контроля теневым методом требуется настройка усилителя принятых сигналов, которую выполняют предварительно на бездефектном образце. При этом показание регистрирующего прибора принимается за 100 %. Излучение ультразвуковых волн может проводиться в непрерывном или импульсном режимах.

Рисунок 78 –Теневой метод наклонными ПЭП поперечных волн (а) и поверхностных волн (б)

Серьезными недостатками теневого метода являются необходимость двустороннего доступа к изделию, значительная погрешность показаний регистрирующего прибора (амплитуды сигнала)из-за нестабильности акустического контакта обоих преобразователей с контролируемой деталью. Кроме того, теневой метод не дает информации о располо-жении (координатах) и виде обнаруженного дефекта.

К преимуществам следует отнести низкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта, высокую помехоустойчивость и отсутствие мертвой зоны. Благодаря первому преимуществу этим методом уверенно обнаруживаются наклонные дефекты, не дающие прямого отражения при эхо-методе. Теневой метод применяют для контроля изделий с большим уровнем структурной реверберации, т.е. шумов, связанных с отражением ультразвука от неоднородностей, крупных зерен, дефектоскопии многослойных конструкций. Сквозной сигнал попадает на приемник раньше, чем структурные реверберации, что позволяет его зарегистрировать на фоне шумов.

К методам отражения относят эхо-метод, эхо-зеркальный, дельта-метод, дифракционно-временной, реверберационный. Методы отражения предназначены для регистрации и анализа сигналов, отраженных от раздела двух сред с разными акустическими свойствами.

Эхо-метод – один из наиболее распространённых методов ультразвукового неразрушающего контроля. Так как при использовании этого метода дефектоскоп работает в импульсном режиме, этот метод часто называют эхо-импульсным. С помощью этого метода обнаруживают более 90 % дефектов в рельсах. Его преимущества состоят в том, что этот метод – в отличие от других – применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, имеет большую чувствительность к внутренним дефектам и при этом позволяет определить с высокой точностью координаты залегания дефектов.

Эхо-метод основан на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов через определенные интервалы времени и регистрации эхо-сигналов, отраженных от дефектов. При реализации эхо-метода прямым ПЭП зондирующий импульс отражается от противоположной (донной) повер­хности изделия и, возвращаясь, частично попадает на приемный преобра­зователь. На экране дефектоскопа возникает донный сигнал. При наличии несплошности (дефекта) импульс отразится от него раньше, чем от донной поверхности. Между зондирующим (на рисунке не показан) и донным сигналами возникает проме­жуточный сигнал – от несплошности, который и является признаком нали­чия дефекта в этом методе в случае превышения данным сигналом порогового уровня (рисунок 79).

Рисунок 79 – Схема контроля эхо-методом прямым ПЭП

При реализации эхо-метода наклонным ПЭП зондирующий импульс отражается от дефекта или конструктивных отражателей и возвращается на приемный преобра­зователь. На экране дефектоскопа возникает сигнал от дефекта или конструктивного отражателя. В случае, если в зоне излучения УЗК нет конструктивных отражателей и дефекта, зондирующие импульсы в рельсе затухают, не вызывая на экране дефектоскопа отраженных сигналов (рисунок 80).

Рисунок 80 – Схема контроля эхо-методом наклонным ПЭП

Время прихода отраженных импульсов пропорционально глубине залегания дефекта, а амплитуда – отражающей способности дефекта.

Таким образом, признаком обнаружения дефекта при контроле эхо-методом является превышение амплитуды эхо-сигнала, отраженного от дефекта, порогового уровня.

При реализации эхо-метода может использоваться ПЭП, включенный по совмещенной, раздельно-совмещенной схеме или два ПЭП, включенные по раздельной схеме. Чаще всего используется ПЭП, включенный по совмещенной схеме, когда ПЭП является и излучателем и приемником ультразвуковых колебаний.

Эхо-метод обладает рядом преимуществ перед теневым. Чувствительность эхо-метода значительно выше теневого. При теневом методе ослабление УЗК на 5% трудно зарегистрировать, а при эхо-методе отражение даже 1% энергии очень хорошо не только обнаруживается, но и измеряется. Кроме того, эхо-метод позволяет определить, на какой глубине находится дефект. Если при работе с прямым ПЭП временное расстояние между зондирующим и отраженным от противоположной поверхности детали (донным импульсом) принять за контролируемую толщину детали, то время между посылаемым импульсом и моментом прихода отраженного от дефекта импульса дает глубину залегания дефекта.

Кроме того, по амплитуде отраженного сигнала можно судить о размерах дефекта, а изучая спектральный состав отраженного импульса, можно получить информацию о типе и форме дефекта.

Главный недостаток эхо-метода – наличие мертвой зоны под искателем. Наличие мертвой зоны связано с тем, что при близко расположенном дефекте от поверхности ввод в момент прихода эхо-сигнала от него еще продолжается излучение зондирующего импульса. Для уменьшения мертвой зоны повышают частоту УЗК, что позволяет уменьшить длительность зондирующего импульса.

Длительность импульса определяет и разрешающую способность метода, т.е. минимальное расстояние между дефектами по глубине, при котором их эхосигналы воспринимаются раздельно. Очевидно, разрешающая способность эхо-метода по глубине равна длительности зондирующего импульса.

Повышение частоты с целью увеличения разрешения ограниченно сверху тем, что короткие волны начинают отражаться от границ кристаллических зерен металла, что вызывает появление помех. Кроме того, с увеличением частоты возрастает затухание УЗК.

Зеркальный метод основан на анализе сигналов, испытавших зеркальное отражение от донной поверхности изделия и от дефекта. Предназначен для выявления вертикальных сильно развитых трещин контактно-усталостного происхождения в головке рельса 21.1-2. Такие трещины превышают половину площади сечения головки (50 % и более) и имеют «зеркальную» поверхность для ультразвуковой волны частотой 2,5 МГц. Контроль одним наклонным преобразователем не всегда дает достаточно надежные показания.

Это связано с тем, что основной поток ультразвуковых колебаний, падая на дефект, в основном зеркально переотражается от его плоскости и практически не возвращается на ПЭП. Только незначительная часть упругих колебании, диффузно рассеиваясь на краях трещины, может вернуться к излучаемому ПЭП. Такие трещины могут быть пропущены оператором, т.к. амплитуда эхо-сигнала, диффузно отраженного от края трещины, будет достаточно мала для срабатывания индикаторов дефектоскопа в случае возврата части акустических колебаний на ПЭП (рисунок 81).

Рисунок 81 – Зеркальное отражение УЗК от развитой поперечной трещины с гладкой поверхностью при применении эхо-метода

В зеркальном методе используются сигналы, возникающие в результате зер­кального отражения ультразвука от дефекта и поверхности, противоположной поверхности ввода УЗК. Существует несколько вариантов этого метода: тандем, косой тандем, Т-тандем, К-метод.

Рисунок 82 – Зеркальный метод: тандем и К -метод

Рисунок 82 – Зеркальный метод: тандем и К -метод

Для выявления дефектов с вертикальной ориентацией применяют вариант, называемый способом «тандем». Его особенностью является постоянство суммы х₁ + х₂ = =2 Н tgα = const, вследствие чего при одинаковой толщине изделия эхо-импульс от дефекта всегда появляется на од­ном и том же месте горизонталь­ной развертки – на расстоянии 2 Н /cosα (рисунок 82).

РИС. 5.4. Вариант зеркального эхо-метода - способ «тандем»

Для получения зеркального отражения от дефектов с ориента­цией, отличающейся от вертикаль­ной, x₁ + х₂ варьируют. При реали­зации способа «тандем» возможно размещение излучателя и приемника как на одной поверхности изделия (приемник в точке В на рисунке 82), так и на двух поверхностях (приемник показан пунктиром в точке Д). Такой вариант называют К -методом.

Способ тандем реализуется при прозвучивании изделия двумя наклонными ПЭП, которые размещены на поверхности сканирования таким образом, чтобы сигнал, излучаемый одним ПЭП, фиксировать вторым преобразователем. Сигнал, переотражаясь от противоположной поверхности изделия и от плоскости дефекта, поступает на приемный ПЭП (рисунок 82, 83). В дополнение к первому ПЭП, работающему в режиме излучения-приема, на расстоянии В от него устанавливают второй ПЭП, который может работать только в режиме приема зеркально отраженных от плос­кости дефекта сигналов. В общем случае каж­дый из ПЭП может работать в режиме излучения и в режиме приема. При этом амплитуда принятых вторым ПЭП эхо-сигналов намного выше, чем амплиту­да сигналов, диффузно рассеянных на краях трещины и принятых первым ПЭП. На рисунке 83 показана схема реализации вариантом эхо-зеркального метода – способом тандем.

Рисунок 84 – К -метод

К-метод предусматривает расположение преобразователей по разные стороны изделия (рисунок 84). Например, при контроле головки рельса преобразователь, служащий излучателем И устанавливается вначале на расстоянии около 10 мм от контролируемого сечения с одной стороны головки, а преобразователь, служащий приемником П перемещается в зоне 50–80 мм по противоположной стороне, затем излучатель устанавливается на расстоянии 30 мм от контролируемого сечения, а приемник перемещается в зоне 10–50 мм по противоположной стороне. Свое название К -метод получил из-за того, что дефект с лу чами УЗВ, падающим и отраженным, представляют букву К.

Один из вариантов метода, называемый косой тандем, предусматривает расположение и приемника не в одной плоскости, а в разных плоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от дефекта (рисунок 85).

Рисунок 85 – Косой тандем

Рисунок 86 – Т -тандем

Т-тандем – вариант зеркального метода с трансформацией типов волн на дефекте.

Преобразователь И излучает поперечную под углом ввода α, большим 58˚ (для стали). Угол падения на вертикальный дефект (b=90˚–α) будет меньше третьего критического, поэтому произойдет частичная трансформация поперечной волны в продольную, направленную в сторону дна ОК. Продольная волна далее отразится от дна ОК и будет принята преобразователем П (рисунок 86).

Ограничения зеркального метода: применение для металла больших толщин (более 40 мм); сравнительно большой пороговый размер выявляемости дефектов округлой формы (диаметр не менее 3 мм).

Рисунок 87– Дельта-метод

Дельта-метод основан на приеме преобразователем продольных волн, расположенным над дефектом, рассеянных на дефекте волн, излученных преобразователем для поперечных волн. Часть падающей на дефект Д поперечной волны от наклонного излучателя поперечных волн И отражается от плоскости дефекта зеркально, часть рассеивается на краях дефекта, причем частично трансформируется в продольную волну. Трансформированная продольная волна распространяется нормально к нижней поверхности, отражается от нее и улавливается прямым ПЭП. Этим же ПЭП будет улавливаться компонента продольной дифрагированной волны, срывающейся с верхнего кончика трещины и распространяющейся вертикально вверх. К недостаткам метода следует отнести сложность расшифровки принятых сигналов при контроле изделий толщиной 15 мм и менее, трудности при настройке чувствительности и оценке величины дефектов (рисунок 87).

В комбинированных методах используют как прохождение, так и отражение упругих волн.

Зеркально-теневой метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. Сигнал, принятый от поверхности, противоположной поверхности ввода, (т.е. дна изделия), называют донным. Измеряют ослабление дефектом сигнала, дважды прошедшего изделие. Признаком обнаружения наличия дефекта при ЗТМ является уменьшение амплитуды донного сигнала за счет рассеивания на дефекте. Чем больше размеры дефекта, тем сильнее ослабляется донный сигнал. Выявляются в основном дефекты, ориентированные параллельно поверхности, по которой перемещают преобразователь (рисунок 88).

Рисунок 88 – Зеркально-теневой метод

Зеркально-теневой метод часто применяют совместно с эхо-методом. Одновременно наблюдают за появлением эхосигналов и за возможным ослаблением донного сигнала. Такая схема реализована в съемных двухниточных дефектоскопах РДМ-2, 22, где на базе раздельно-совмещенного прямого преобразователя реализованы два канала контроля: эхо-канал и ЗТМ. В случае дефекта в рельсе в зоне эхо-канала возникает эхо-импульс, а в зоне ЗТМ – донный сигнал уменьшается или пропадает совсем.

Из большого многообразия методов ультразвукового контроля для дефектоскопии рельсов используются в основном только два метода: эхо-метод и ЗТМ. Дефектоскоп РДМ-22 позволяет реализовывать зеркальные схемы контроля в ручном канале (пока практически не используются). В дефектоскопах АВИКОН в сочетании с эхо-методом применен зеркальный метод ультразвукового контроля (рисунок 89).

Рисунок 89 – Методы ультразвукового контроля

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На какие две большие группы подразделяются акустические методы?

2. Классификация активных методов? Пассивных?

3. На какие группы подразделяются активные методы?

4. Какие методы входят в группу методов прохождения?

5. Объясните принцип реализации теневого метода? Его достоинства и недостатки? Применение?

6. Что является признаком обнаружения дефекта в теневом методе?

7. Какие методы входят в группу отражения? Какие из них применяются чаще всего для контроля металлоизделий?

8. Объясните принцип реализации эхо-метода? Его достоинства и недостатки? Применение?

9. Что является признаком обнаружения дефекта в эхо-методе?

10. Зеркальный метод, принцип его реализации?

11. Какие варианты эхо-зеркального метода вы знаете? Перечислите их?

12. В чем заключается сущность косого тандема, К -метода, Т -тандема?

13. Что представляет собой дельта-метод? Опишите его?

14. Какие комбинированные методы Вы знаете? Перечислите их?

15. Зеркально-теневой метод, его сущность, преимущества и недостатки?

16. Что является признаком обнаружения дефекта в зеркально-теневом методе?

17. Какая комбинация эхо и ЗТМ применяется в дефектоскопах сплошного контроля РДМ-2, 22? Назначение?