Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Методы ультразвукового контроля
Принципиальные схемы. Для сварных соединений наибольшее применение находят пять основных методов УЗ-контроля. Первый из них — импульсный эхо-метод (или просто эхо-метод). Он основан (рис. 4.4, а) на отражении УЗ-колебаний от несплошности (отражателя), причем амплитуда эхо-сигнала пропорциональна площади этого отражателя. Рис.4.4. Схемы использования основных методов УЗ-контроля сварных швов и варианты включения УЗ-преобразователей
Следующими по распространенности можно считать теневой и зеркаль но-теневой методы. Оба они основаны на уменьшении амплитуды УЗ-колебаний вследствие наличия несплошности на их пути (рис. 4.6, б, в). Чем крупнее дефект, тем слабее прошедший к приемнику сигнал. В теневом методе (рис. 4.6, б) УЗ-луч идет прямо от генератора к приемнику через контролируемый стык. Зеркально-теневой метод отличается от теневого тем, что регистрирует уменьшение УЗ-колебаний, отраженных от нижней поверхности листа (рис. 4.6, в). Сравнительно недавно был предложен эхо-зеркальный метод (рис. 4.6, г). Он основан на сравнении амплитуд обратно-отраженного (А00) и зеркально-отраженного (А30) сигналов от дефекта. Изредка используют также эхо-теневой метод, когда о наличии дефекта судят одновременно по эхо-импульсу от несплошности и по ослаблению однажды отраженного сигнала (рис. 4.6, д, е). Термины и определения акустических методов регламентированы ГОСТ 23829-79. Схемы соединения искателей обусловлены как методом УЗ-контроля, так и видом соединений. Широко используют при эхо-методе совмещенную схему (ИП), когда один пьезоэлемент служит сначала излучателем зондирующего импульса, а потом приемником (см. рис. 4.6, а) отраженного от дефекта сигнала. В теневом и зеркальном методах (см. рис. 4.6, б, в) применяется раздельная схема соединения искателей: один из них служит излучателем энергии (от генератора), а другой принимает прошедший через контролируемое соединение импульс. Наконец, для эхо-зеркального и эхо-теневого методов используют раздельно-совмещенную схему соединения двух искателей, когда каждый из них может поочередно быть либо излучателем, либо приемником (см. рис. 4.6, г, д, е). Применение. Импульсный эхо-метод широко используют для основных видов сварных соединений — стыковых, угловых и тавровых с толщиной листов от 4 до 2000 мм (и более). Чувствительность эхо-метода высокая: она достигает 0, 5 мм2 на глубине 100 мм. К преимуществам следует также отнести возможность использовать односторонний доступ к зоне шва, поскольку достаточен только один преобразователь и для излучения и для приема УЗ-сигналов. Недостатки эхо-метода - это сравнительно низкая помехоустойчивость и резкое изменение амплитуды отраженного сигнала от ориентации дефекта (угла θ между УЗ-лучом и плоскостью отражателя). В отличие от эхо-метода теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и слабую зависимость амплитуды от угла θ ориентации дефекта. Однако имеются серьезные недостатки: необходимость двустороннего доступа и малая точность оценки координат дефектов. Зеркально-теневой метод, как видно из схемы, не требует двустороннего доступа к соединению. Он позволяет также более достоверно определять наличие корневых дефектов в стыковых швах. Оба теневых метода используют обычно для соединений небольшой толщины с грубообработанной поверхностью. Например, их успешно применили для контроля стыков арматуры периодического профиля. Замена разрушающих испытаний этих стыков УЗ-контролем позволила сэкономить по стране миллионы рублей и тысячи тонн стали. Основное преимущество эхо-зеркального метода — высокая выявля-емость плоскостных дефектов и возможность оценки их формы по специальному коэффициенту. Ограничения: применяемость только для соединений больших толщин (более 400 мм); сравнительно большой пороговый размер выявляемости дефектов (диаметр не менее 3 мм) и малый угол их наклона (θ = 10-15°), при котором выявляемость дефектов высокая. Эхо-теневой метод применяют при механизированном контроле стыков труб. Он дает большую вероятность обнаружения дефектов и возможность оценки их характера и позволяет также вести контроль за качеством акустического контакта. Недостатки — наличие сложной многоканальной аппаратуры, а в ряде случаев и необходимость двустороннего доступа. Метод акустической эмиссии. Это скорее метод технической диагностики, а не дефектоскопии. Он основан на регистрации акустических волн, излучаемых дефектом при нагружении конструкции. Причиной образования упругих волн служат: пластическая деформация, процессы движения дислокаций кристаллов, возникновение и развитие трещин. Метод применим для ответственных высоконагруженных соединений: сосудов высокого давления, трубопроводов, деталей летательных аппаратов. При регистрации акустической эмиссии требуется высокочувствительная аппаратура, работающая в широком диапазоне частот от килогерц до мегагерц. Весьма важной проблемой является отстройка от помех. Резонансный метод основан на определении резонансных частот, при которых в исследуемом участке изделия (по толщине листа или трубы) укладывается целое число полуволн УЗК. Исчезновение резонансов - сигнал наличия дефекта или изменения толщины. Метод акустического импеданса заключается в регистрации УЗ-колебаний стержня, опирающегося на поверхность изделия. Подповерхностные дефекты изменяют акустический импеданс данного участка изделия, что отражается на амплитуде и частоте собственных колебаний стержня. Велосимметрический метод связан с регистрацией изменения скорости УЗ-колебаний. Такое изменение имеет место в слоистых конструкциях при изменении толщины слоя или наличии расслоений. Метод свободных колебаний основан на анализе частот или прослушивании тока акустических колебаний изделия, вибрирующих, на собственной частоте. Этот метод в очень простом, но надежном варианте применяют, простукивая молотком бандажи колес железнодорожных вагонов или оценивая по звону посуды наличие в ней трещин. В последних двух примерах анализируют на слух звук в слышимом диапазоне и поэтому метод правильнее назвать акустическим, а не УЗ-методом. АППАРАТУРА Аппаратура для УЗ-контроля обычно включает: ультразвуковые импульсные дефектоскопы с искателями, комплект стандартных образцов (эталонов), испытательные (тест-) образцы, вспомогательные приспособления или устройства для соблюдения параметров контроля и сканирования. 4.2.1. Ультразвуковые дефектоскопы [ 1, 4] Ультразвуковой дефектоскоп предназаначен для: излучения УЗ-ко-лебаний, приема эхо-сигналов, оценки наличия и установления размеров выявленных несплошностей и определения их координат. Находят применение УЗ-дефектоскопы лабораторного типа марок УД-2-12, УД-2-12/1, УД-2-70, УД 2-102, УД3-1-103«ПЕЛЕНГ», А1212, EPOCH-1Y и д. Дальнейшее изложение относится к дефектоскопу УД-2-12, как наиболее распространенному и серийно выпускаемому прибору (рис. 4.9, а)
Рис.4.5. Функциональная блок-схема ультразвукового дефектоскопа
Основные блоки современного импульсного УЗ-дефектоскопа работают следующим образом (рис. 4.5). Генератор синхронизирующих импульсов ГСИ, " сердце" дефектоскопа, управляет работой всех его узлов. Блок ГСИ, его часто называют синхронизатором, задает частоту " посылок", запускает генератор радиоимпульсов ГРИ к генератор пилообразного напряжения развертки ГНР. Частота задающих импульсов отрицательной полярности (до 400 В) — посылок регулируется потенциометром в пределах f п — 200 - 1000 Гц. Формируемые ГРИ зондирующие радиоимпульсы ЗИ поступают на преобразователь (искатель) П. Пьезоэлемент преобразователя преобразует кратковременные τ = 0, 4 4- 0, 6 мкс электрические колебания с амплитудой до 150 В в акустические затухающие колебания той же частоты (f = 1 - 10 МГц) и посылает их в изделие. В искателях происходит также обратное преобразование принятых эхо-сигналов. Причем наиболее часто применяют совмещенную схему, когда передача и прием импульсов проводится одним и тем же пьезоэлементом. Возможна работа по раздельной схеме, когда функции передачи и приема осуществляют разные преобразователи (см. выше рис. 4.6). Принимаемые эхо-сигналы обычно в миллионы раз слабее посланных, поэтому их усиливают первоначально в усилителе высокой частоты УВЧ. Затем в детекторе Д оставляют только однополярную часть импульса, что более удобно для наблюдения на экране. Предусмотрен блок регулируемой отсечки шумов ОТ. На видеоусилителе (ВУ) низкой частоты сигнал сглаживается, а его яркость возрастает, так как огибающая видеоимпульса во много раз короче, чем его первоначальный периметр. При этом, однако, теряется значительная доля информации об отражателе, содержащаяся в микроструктуре эхо-сигнала. Анализ этой информации составляет задачу так называемого спектрального метода УЗ-контроля. Видеосигнал подается на вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Генератор развертки, формируя пилообразное напряжение, обеспечивает горизонтальное перемещение луча по экрану ЭЛТ. Это дает возможность получать раздельные изображения сигналов, поступающих в разное время. Задающий генератор (или ГНР) обеспечивает подсветку ЭЛС во время прямого хода луча и гашение при обратном ходе. Характерная картина на экране ЭЛТ при контактном вводе УЗ-колебаний включает слева зондирующий импульс (ЗИ), а справа — отражение от противоположной стенки изделия — донный сигнал (ДС). Между ними — эхо-импульс от дефекта (Д). Глубиномер ГЛМ измеряет интервал времени между начальным и эхо-сигналами, а следовательно, позволяет оценить глубину залегания несплошностей и толщину изделия. Расстояние измеряют, совмещая метку глубиномера с передним фронтом эхо-сигнала. Движок потенциометра одновременно перемещает визир вдоль координатной шкалы глубиномера. Погрешность измерений наклонным искателем обычно не более 2 мм. Имеется набор сменных шкал под все стандартные искатели. Глубиномер, так же как и ГНР, запускается положительным тактовым импульсом от синхронизатора. Блок временной регулировки чувствительности ВРЧ вырабатывает регулируемый потенциометром по амплитуде и длительности импульс экспоненциальной формы. Блок ВРЧ должен запирать усилитель в начале развертки, а далее компенсировать убывание амплитуды эхо-сигналов от дефектов с увеличением глубины их залегания. ВРЧ позволяет избавиться вблизи зондирующего импульса от помех, возникающих из-за объемной реверберации УЗК в теле призмы. Однако использовать блок ВРЧ надо осторожно, так как излишнее ослабление чувствительности в начале развертки может привести к пропуску дефектов. Что касается компенсации затухания УЗК в материале, то эту функцию в ДУК-66ПМ реализовать удалось и чувствительность по толщине должным образом выравнена. Динамический диапазон усилителя дефектоскопов УД-2-12 составляет 9—12 дБ. Это означает, что одновременно можно наблюдать на экране ЭЛТ сигналы, отличающиеся по амплитуде в 3—4 раза. Для ранее выпускаемых приборов динамический диапазон был всего 3—4 дБ, а лучшие приборы в настоящее время имеют его в пределах до 30—40 дБ, что дает отличие сигналов до 100 раз. Аттенюатор АТ, стоящий на входе УВЧ, служит для измерения отношений амплитуд эхо-сигналов. В УД-2-12 аттенюатор с ручкой " чувствительность" в дБ (АЗВ) позволяет ослабить входной сигнал ступенями: грубо через 10 дБ до 70 дБ и точно через 1 дБ до 9 дБ, с погрешностью И-5 дБ. Автоматический сигнализатор дефектов (АСД) предназначен для звуковой дополнительной индикации дефектов. Блок АСД включает каскад совпадений, на который подается импульс глубиномера и видеоимпульс, запускающий ждущий мультивибратор. Далее вырабатывается усиленный длительный импульс, поступающий на микрофон. Генератор селектирующий (строб-) сигналов (ГСС) предназначен для их временной селекции. Необходимо, чтобы на индикаторы АСД не проникали: зондирующий импульс, эхо-сигналы от неровностей шва и от несплошностей вне контролируемого слоя. Временная селекция состоит в том, что видеоусилитель-каскад совпадений обычно закрыт и открывается строб-импульсом лишь на время, когда ожидают эхо-сигналы от возможных дефектов в контролируемом слое. В дефектоскопах возможны два режима работы ГНР: " от поверхности" и " по слоям". В режиме " от поверхности" ГНР запускают импульсом синхронизатора через линию задержки (ЛЗ). Время задержки, около 8 мкс, зависит от конструкции искателя и необходимо для того, )Чтобы на индикаторы не попал зондирующий импульс. В режиме " по слоям" ГНР запускают, используя глубиномер, с задержкой, определяемой глубиной верхней границы контролируемого слоя. Такой режим развертки называют также " лупой времени". При этом разрешающая способность может быть установлена максимально возможной, что особенно важно при контроле стыка отраженным лучом. Пьезопреобразователи Для излучения и приема УЗ-колебаний используют пьезопреобразо-ватели-искатели (датчики). Основным чувствительным элементом в них служат пластины из пьезоэлектрических материалов: кварца, цирконата титаната свинца-ЦТС, титаната бария и др. Пьезоматериалы имеют свойство деформироваться под действием электрического поля (пьезо-эффект) и возбуждать электрическое поле при механической деформации. УЗ-колебания возбуждаются обычно по толщине d пластины. Эту толщину выбирают такой, чтобы собственная частота fо пластины соответствовала требуемой частоте f УЗ-колебаний: f = f 0 = k 0,, где к0 = 2, 5 или 1, 88 МГц • мм, соответственно, для титаната бария или для ЦТС. Радиус пьезоэлемента, как выше отмечалось, выбирают из соотношения аf= 10- 15 мм МГц. Различают два основных типа искателей: прямые (нормальные) и наклонные (призматические) (рис. 4.7). Рис.4.7. Схемы и конструкции УЗ-искателей Пэ – пьезоэлемент; Д – демпфер; Пт – протектор; К – корпус; Эп соединяющие проводники; Пр – призма; Э - экран Прямые искатели предназначены для ввода УЗ-волн перпендикулярно к поверхности изделия. Обычно — это продольные волны. Наклонные преобразователи служат для ввода поперечных УЗ-волн под некоторым углом (3, который называют углом призмы. Призмы изготовляют обычно из оргстекла. По выполняемой функции преобразователи могут быть совмещенные, раздельно-совмещенные (РС-преобразователи) и раздельные. Конструкция преобразователей обеспечивает защиту пьезоэлемента от повреждении и износа. Пьезоэлемент обычно приклеивают к демпферу, который гасит свободные колебания пьезопластины. Демпфер изготовляют из материала с большим затуханием УЗ-волн, чтобы отраженная от верхней грани демпфера волна не возвращалась к пьезоэлементу и не вызывала помех. Чтобы излучаемую волну ввести из искателя в изделие, между ними нужен акустический контакт. Его обеспечивают заполнением контактирующей средой зазора dж между плоскостью искателя и поверхностью изделия. Для этого используют минеральные масла, солидол, глицерин, спирт, воду, мягкие пластмассы, а также специальный магнитный смазочный материал. Различают два основных вида акустического контакта: контактный и иммерсионный (погруженный). Принято считать иммерсионным такой способ, когда толщина слоя dж жидкости контактирующей среды КС более половины длины волнового пакета УЗ-импульса: dж > 0, 5Сжτ , где Сж - скорость УЗК в КС, а τ - длительность зондирующего импульса. |
Последнее изменение этой страницы: 2019-05-18; Просмотров: 720; Нарушение авторского права страницы