Лекция 10 – эхо-импульсный метод контроля

Одним из наиболее распространённых методов ультразвукового контроля является эхо-импульсный метод. Это объясняется тем, что этот метод – в отличие от других – применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, и при этом позволяет определить с высокой точностью координаты дефекта.

Эхо-метод основан на излучении в контролируемое изделие коротких импульсов упругих колебаний и регистрации интенсивности (амплитуды) и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов. Временной интервал между зондирующим импульсом и эхоимпульсом пропорционален глубине залегания дефекта, а амплитуда – отражающей способности дефекта.

Импульсный эхо-метод позволяет решать следующие задачи дефектоскопии: обнаружение и определение координат дефектов; определение размеров дефектов и изделий; обнаружение зон крупнозернистости в изделиях и заготовках.

Отличительной особенностью эхо-метода является то, что при контроле изделий регистрируются и анализируются практически все сигналы, приходящие из изделия после излучения зондирующих колебаний.

При контроле эхо-методом ультразвуковой дефектоскопии материалов и изделий наблюдаются помехи. Их делят на несколько видов:

– помехи усилителя дефектоскопа. Эти помехи препятствуют беспредельному увеличению коэффициента усиления приемного тракта дефектоскопа и определяют граничное значение регистрируемого прибором сигнала. На экране дефектоскопа при большом усилении видны как увеличение толщины или размытие линии развертки;

– шумы преобразователя, возникающие при его работе по совмещенной схеме (многократные отражения в протекторе, призме ПЭП). Непосредственно после излучения зондирующего импульса чувствительность усилителя резко ослабляется в связи с сильным динамическим воздействием на него мощного сигнала генератора зондирующих импульсов. Вследствие этого в ближней к зондирующему сигналу зоне видны следующие за зондирующим импульсы. При контакте ПЭП с каким-нибудь изделием или пальцем дефектоскописта помехи ПЭП изменяют свою амплитуду, но сохраняют свое положение на линии развертки. Амплитуда помех очень высокая, полезный сигнал на фоне этих помех можно различить, используя то, что он перемещается по линии развертки во время передвижения преобразователя. Эти помехи уменьшают, совершенствуя конструкцию преобразователя. Например, для РС ПЭП эти помехи минимальны;

– ложные сигналы, возникающие в результате отражения от выступов или выточек и других неровностей поверхности. Эти помехи мешают выявлению дефектов на отдельных участках объекта контроля. Уровень ложных сигналов уменьшают, изменяя схему контроля, например, увеличивая угол ввода ПЭП. Помехи от ложных сигналов отличают от полезных сигналов, точно измеряя координаты залегания отражателя;

– помехи, связанные с рассеянием ультразвука на структурных неоднородностях, зернах материала, т.е. помехи, связанные со структурной реверберацией. Сигналы от неоднородностей в зависимости от фазы ослабляют или усиливают друг друга. На экране они изображаются в виде большого числа импульсов, беспорядочно изменяющихся по амплитуде и положению на линии развертки при движении ПЭП. Материалы, состоящие из большого числа крупных зерен, сильно отражающих ультразвук, дают сигналы, похожие на сигналы от дефектов. Такие материалы не подлежат контролю ультразвуком.

Таким образом, к преимуществам эхо-метода относятся:

– односторонний доступ к изделию;

– относительно большая чувствительность к внутренним дефектам;

– высокая точность определения координат дефектов.

К недостаткам эхо-метода относятся:

– низкая помехоустойчивость к поверхностным отражателям;

– резкая зависимость амплитуды эхо-сигнала от ориентации дефекта;

– невозможность контроля качества акустического контакта в процессе перемещения ПЭП, так как при отсутствии дефектов на выходе отсутствуют какие-либо сигналы.

1 Особенности распространения УЗВ в контролируемом объекте при эхо-методе

Так как выше упоминалось, что эхо-метод очень чувствителен, то при контроле изделий возможен не только прием эхо-сигналов от дефектов, но и от противоположной вводу ультразвука стенки, от конструктивных отражателей, вдавленных маркерных знаков, технологических отверстий и т.д.

При контроле прямым ПЭП, включенным по эхо-методу, изделий с плоскопараллельными поверхностями возможен одновременный прием эхосигналов как от дефекта, так и от противоположной вводу поверхности (рисунок 90). Причем положение на линии развертки эхосигналов от отражателей относительно зондирующего импульса пропорционально времени пробега импульса до данного отражателя.

Рисунок 90 – Формирование эхо- и донного сигналов

Сигнал от противоположной поверхности изделия при контроле прямым ПЭП может отсутствовать в следующих ситуациях:

– донная поверхность не параллельна поверхности ввода УЗК (рисунок 91, а);

– дефект имеет значительный размер, полностью перекрывающий УЗ-пучок в данном сечении (рисунок 91, б);

а) б)

Рисунок 91 – Особенности распространения УЗВ в контролируемом изделии при работе с прямым ПЭП в эхо-методе

– высота (толщина) изделия настолько велика, что вследствие затухания ультразвуковых колебаний амплитуда эхо-сигнала от противоположной поверхности имеет очень малую величину (рисунок 92, а). Затухание в этом случае зависит от рассеивания УЗК на зернах структуры металла, а также с расхождением пучка лучей с удалением от точки возбуждения. Для того, чтобы рассеивание УЗК на зернах не искажало результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь λ˃(10…100 D). Если это условие выполняется по верхнему пределу (λ≥100 D), то можно обычно контролировать металл на глубину вплоть до 8–10 м и даже более. Затухание УЗВ за счет расхождения пучка лучей компенсируется путем введения в дальней зоне дополнительного усиления регулировкой ВРЧ, повышающей общее усиление в этой зоне на определенную величину;

– при контроле изделий небольших толщин прямым ПЭП можно получить целую серию многократно переотраженных от плоскопараллельных стенок изделия эхо-сигналов (рисунок 92, б). Вследствие затухания ультразвуковых колебаний многократные отражения последовательно уменьшаются по амплитуде. Расстояние между отдельными отражениями – величина постоянная, зависящая от толщины изделия. Это свойство используется при настройке точности работы глубиномера дефектоскопа с прямым преобразователем.

а) б)

Рисунок 92 – Особенности распространения УЗВ в контролируемом изделии при работе с прямым ПЭП в эхо-методе

При контроле наклонным ПЭП практически никогда не бывает отражения от поверхности, противоположной поверхности ввода объекта, так как обычно данная поверхность зеркальная (рисунок 93, а). Согласно законам геометрической оптики, которые справедливы для гладких поверхностей, происходит переотражение УЗВ от этой поверхности с изменением направления распространения УЗВ. Такая волна назад на искатель не возвращается. При отражении УЗВ от шероховатых поверхностей, происходит диффузное отражение, сопровождающееся рассеянием части энергии в разные стороны. Естественно, в этом случае часть энергии УЗВ возвращается на искатель, а значит, на линии развертки появляется импульс, временное положение которого относительно зондирующего импульса пропорционально расстоянию до отражающей поверхности (рисунок 93, б). Исходя из этих примеров, можно сделать вывод, что при контроле по эхо-методу (особенно, с наклонным искателем) слежение за акустическим контактом затруднено.