Акустические методы контроля

Акустические методы контроля

Различают пассивные и активные акустические методы контроля сварных соединений. Пассивные методы основаны на исследовании упругих волн, возникающих в контролируемом изделии во время или по окончании технологического процесса, или при нагружении, в частности в момент образования или развития несплошностей. К ним относятся методы контроля, использующие акустическую эмиссию, а также шумо- и вибродиагностика. Активные методы основаны на исследовании распространения колебаний специально вводимых в контролируемое изделие.

Акустические колебания — это механические колебания среды. При акустическом контроле обычно используют колебания с частотой 0,5…25 МГц, т. е. ультразвуковые. Поэтому большинство акустических методов являются ультразвуковыми, хотя известны случаи использования и колебаний звуковой частоты, в частности импедансный метод контроля, используемый при контроле паяных, клееных или сваренных контактной сваркой конструкций.

Для возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический эффект: некоторые материалы (кварц, титанат бария, титанат-цирконат свинца и др.) под действием переменного электрического поля меняют свои размеры с частотой изменения поля. Пьезоэлектрическую пластину помещают в специальном устройстве-пьезопреобразователе (искателе). Материалы, используемые в пьезопреобразователях: плексиглас, капролон, фторопласт, полистирол, — способствуют гашению отраженной волны, так как имеют большие коэффициенты затухания ультразвуковых колебаний и малую скорость их распространения.

Пьезопреобразователи, предназначенные для ввода волны в направлении, перпендикулярном поверхности, называют прямыми, или нормальными, а для ввода под некоторым углом — наклонными, или призматическими. Пьезопреобразователи включаются по раздельной, совмещенной или раздельно-совмещенной схемам. В последнем случае в одном корпусе размещаются два пьезопреобразователя, разделенных между собой экраном. При падении ультразвуковой волны на поверхность раздела двух сред, в частности на границу дефекта, часть энергии отражается, что и используется при контроле. Для анализа распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии используют три основных метода: теневой, зеркально-теневой и эхо-метод.

При теневом методе признаком обнаружения дефекта служит уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, прошедшей от излучающего пьезопреобразователя к приемному (рис. 180, а). Недостатки метода — необходимость двустороннего доступа к изделию и малая точность оценки координат дефектов, достоинство — высокая помехоустойчивость. Метод может применяться для изделий с грубо обработанной поверхностью.

При зеркально-теневом методе признаком обнаружения дефекта является уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, отраженной от противоположной поверхности изделия (рис. 180, б). Отраженный сигнал называется донным. Метод не требует двустороннего доступа к контролируемому изделию, позволяет более достоверно выявлять корневые дефекты в стыковых швах, помехоустойчив, применяется для изделий небольшой толщины с грубо обработанной поверхностью. Однако точность определения координат дефекта и при этом методе невысока.

При эхо-методе признаком обнаружения дефекта является прием эхо-сигнала, отраженного от> дефекта (рис. 180, в). При зеркально-теневом и эхо-методе возможно использование одного пьезопреобразователя в качестве излучателя и приемника (при эхо-методе, как правило, так и делается), однако сигнал при этом должен подаваться импульсами. Если дефект расположен слишком близко к поверхности, то сигнал от него приходит раньше, чем закончится зондирующий импульс, и этот сигнал не будет заметен на фоне зондирующего импульса — дефект не обнаруживается. Слой материала, непосредственно прилегающий к пьезопреобразователю, в котором дефект не обнаруживается, называется мертвой зоной. Эхо-метод по сравнению с ранее рассмотренными позволяет достаточно точно определить не только наличие дефекта, но и его характеристики. Если длина волны ультразвуковых колебаний больше размера дефекта, то будет происходить его огибание и дефект не обнаружится. При большой величине зерен металла происходит значительное затухание колебаний. Так как длина волны обратно пропорциональна частоте колебаний, то с увеличением частоты повышается чувствительность к более мелким дефектам, но возрастают структурные помехи. Это необходимо учитывать при выборе частоты. При контроле сварных соединений обычно используются частоты от 0,5 до 10 МГц. Ультразвуковой контроль (УЗК) крупнозернистых материалов (чугуна, меди, аустенитных сталей) затруднен. Возможно существенное ослабление колебаний в околошовной зоне сварного соединения. Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют в ультразвуковых структурных анализаторах.

Рис. 180. Методы ультразвукового контроля:
а — теневой; б — зеркально-теневой; в — эхо-метод; И — излучатель; П — приемник

Перед УЗК производят подготовку: выбирают основные параметры контроля, настраивают дефектоскоп, очищают поверхности, по которым должен перемещаться искатель, от отслаивающейся окалины, брызг, грязи, пыли, покрывают их слоем контактной жидкости (минеральное масло, глицерин и др.) для осуществления акустического контакта. Для контроля вертикальных и потолочных швов на участки, по которым будет перемещаться пьезопреобразователь, перед нанесением жидкости накатывают полиэтиленовую пленку толщиной около 0,1 мм. Затем ведут поиск дефектов, после чего определяют их характеристики: максимальную амплитуду эхо-сигнала, его координаты, условные размеры, конфигурацию и ориентацию. Для определения условных размеров дефекта перемещают пьезопреобразователь вдоль (для определения длины) и поперек (для определения ширины) шва до исчезновения сигнала либо до заданного уровня его уменьшения. Условную высоту определяют по разности времени между зондирующим и эхо-импульсом при крайних положениях пьезопреобразователя, при которых измерялась условная ширина дефекта (рис. 181). Для оценки конфигурации и ориентации дефекта применяют специальные методики, включающие прозвучивание под различными углами и в различных направлениях и вращение пьезопреобразователя.

Стыковые и тавровые соединения контролируют, как правило, эхо-методом, совмещенным пьезопреобразователем с углом ввода Р = 30…40°, реже 50°. При толщине изделия свыше 150 мм прозвучивание ведут с двух его противоположных поверхностей. Нахлесточные соединения контролируют однократно отраженным лучом со стороны основного листа, пьезопреобразователь включают по совмещенной схеме. Таким образом выявляют трещины, непровары вертикальной кромки и корня шва. Для обнаружения горизонтального непровара лучше применять зеркально-теневой метод, включая пьезопреобразователь по раздельной схеме.

При контроле точечной контактной сварки можно использовать зеркально-теневой метод: если соединение качественное, колебания проникают сквозь шов в нижний лист и не попадают на приемник. При отсутствии сварки имеется донный сигнал от первого листа. Однако дефекты типа слипания выявляются плохо, так как они практически не отражают ультразвук.

Преимущества УЗК: возможность контроля большой толщины (для толщины свыше 80 мм это наиболее надежный способ), меньшие затраты по сравнению о радиографией, безопасность, выявление дефектов малого раскрытия. Это перспективный метод, постепенно вытесняющий радиационные методы. Однако он имеет и ряд недостатков: объемные дефекты выявляются хуже, чем плоские, не выявляются дефекты, имеющие в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны, размер меньше длины волны, сложнее по сравнению с радиационными методами определить вид дефекта, из-за большого уровня структурных помех некоторые материалы нельзя контролировать. Основной недостаток УЗК — субъективность: зависимость результатов от квалификации и внимательности оператора. Для устранения этого недостатка механизируют перемещение пьезопреобразователя относительно изделия, создают приборы, в которых с помощью ЭВМ сигналы в процессе сканирования запоминаются, а по его окончании — анализируются и выдаются в наглядной форме.