Ультразвуковой контроль (УК)

Ультразвуковой контроль (УК)
По сравнению с другими методами НК ультразвуковой позволяет выявлять дефекты разнообразной формы и ориентации независимо от их залегания, обладает высокой производительностью, низкой стоимостью, возможностью контроля изделия при одностороннем доступе. Недостатками являются трудности контроля крупнозернистых материалов (например, аустенитных сталей), а также тонкостенных изделий с толщиной 4 мм и меньше. Контроль изделий сложной формы требует разработки специальных методик или технологических инструкций.

Акустические колебания представляют собой механические колебания частиц упругой среды и характеризуются частотой, интенсивностью и видом. Процессы распространения этих колебаний в среде называют акустическими волнами. Виды колебаний в основном определяются свойствами упругой среды и способом их создания. В жидкостях и газах, обладающих упругостью объема, акустические колебания распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях. В телах, характеризуемых помимо упругости объема еще и упругостью формы (сдвиговой упругостью) и различием деформаций растяжение – сжатие в зависимости от направления (для анизотропных тел), закономерности распространения акустических волн значительно сложнее.


Колебания с частотой до 16...20 Гц называют инфразвуковыми. Колебания с частотой от 16...20 до (15…20)∙103 составляют диапазон слышимости, воспринимаемый человеческим ухом. При увеличении частоты колебаний звука более 20 кГц он переходит в ультразвук. При неразрушающем контроле металлических материалов используются частоты ультразвуков диапазона 0,5...25 МГц.


Распространение акустической ультразвуковой волны в материале происходит с определенной постоянной скоростью , определяемой свойствами среды (следует отличать скорость ультразвуковой волны от скорости колебания упругих частиц , которая зависит от фазы колебаний). Распространение волны сопровождается образованием в материале зон, в которых частицы находятся в одинаковом колебательном состоянии (фазе). Минимальное расстояние между такими зонами называют длиной волны . Величина λ (м) связана со скоростью распространения C (м/с) (константа материала) и частотой колебаний f (Гц) выражением:

.

3.

Длина волны определяет чувствительность ультразвукового контроля: при УЗД могут быть выявлены несплошности с размером превышающим удвоенное значение длины волны. При этом необходимо учитывать, что уменьшение длины волны (увеличение частоты колебаний) приводит к увеличению затухания ультразвуковых волн. Изменить длину ультразвуковой волны в конкретном материале можно только путем изменения частоты возбуждаемых колебаний. Направление колебаний частицы в твердых телах может быть различным по отношению к направлению распространения волны. По характеру смещения частиц и распространению колебаний волны бывают нескольких типов.

Важное значение в дефектоскопии имеет такой параметр ультразвуковых колебаний как амплитуда A, м – наибольшее отклонение колеблющейся частицы от положения равновесия. В твердом теле амплитуда колебательного движения частиц в среде пропорциональна градиенту давления относительно среднего давления в среде. Энергию, переносимую волной через некоторую поверхность за единицу времени, называют плотностью энергии [15]:

W=Р2ρ∙c=Р2z=(V∙z)2z=V2 ∙z

3.

где:
ρ, кгм3 – плотность среды;
Р=V∙z, Па – давление колеблющейся среды;
z=ρ∙c, кгм2∙с – акустический импеданс среды;
V=dudt, мс – скорость движения колеблющейся частицы;
u=A∙sin2πТ∙t, мм – смещение частиц среды;

Т=1f, с – период колебаний – промежуток времени, за который совершается одно колебание.

Среднюю плотность потока энергии или интенсивность звука I определяют как энергию, переносимую волной за период колебаний через единичную площадку, распложенную нормально к направлению распространения волны.

I=W2=12∙V2 ∙z=12∙z∙A∙2πT2=12∙z∙A2∙2πf2,

3.

В практике ультразвуковой дефектоскопии интенсивность измеряют не в абсолютных величинах (Вт/см), а в относительных (дБ):

N=10∙lgI1I2,

3.

По мере удаления волны ее интенсивность падает в связи с процессами рассеяния (отражения от границ зерен) и поглощения (трансформация механической энергии в тепловую) ультразвука. Уменьшение интенсивности при прохождении волной отрезка r может быть выражено формулой [153]:

I=I0∙e-δr,

3.

δ, Дбм – коэффициент затухания;

I0, I, Дб – начальная и конечная интенсивности соответственно.

Ультразвуковой контроль разделяется на методы:

  • отражения;

  • прохождения;

  • комбинированные (использующие как отражение, так и прохождение);

  • собственных частот и импедансные.

В методах отражения анализируют отражения импульсов упругих волн от неоднородностей или границ объекта контроля (ОК), в методах прохождения – влияние параметров ОК на характеристики прошедших через него волн. Комбинированные методы используют влияние параметров ОК как на отражение, так и на прохождение упругих волн. В методах собственных частот о свойствах ОК судят по параметрам собственных или вынужденных колебаний (их частотам и величине потерь) всего ОК или его части. В импедансных методах информативным параметром служит механический импеданс ОК в зоне его контакта с преобразователем. Пассивные методы НК классифицируют по характеру анализируемых сигналов.


Методы отражения используют информацию, получаемую по отражению акустических волн в ОК. На рис. 3. приведены схемы различных методов отражения [14].

Рис. 3.. Методы отражения: эхометод (а), эхозеркальный (б), дельта-метод (в), реверберационный (г), дифракционно-временной (д)

Эхо-метод (рис. 3. а) основан на регистрации эхосигналов от дефектов – несплошностей. Он похож на радио- и гидролокацию. Другие методы отражения применяют для поиска дефектов, плохо выявляемых эхометодом, и для исследования параметров дефектов.


Эхозеркальный метод (рис. 3. б) основан на анализе акустических импульсов, зеркально отраженных от донной поверхности ОК С и дефекта В, т. е. прошедшие путь ABCD. Вариант этого метода, рассчитанный на выявление вертикальных дефектов, называют методом тандем. Для его реализации при перемещении преобразователей 1 и 3 поддерживают постоянным значение lA + lD = 2Htgα, где Н  толщина ОК. Тогда будут выявляться дефекты в сечении EF. Для получения максимального (зеркального) отражения от невертикальных дефектов значение lA + lD варьируют. Другой вариант эхо-зеркального метода предусматривает перемещение преобразователей 2 и 3 с разных сторон ОК. Его иногда называют методом тандем-дуэт. При этом сохраняется принцип зеркального отражения от вертикального дефекта и донной поверхности. Применение метода тандем-дуэт целесообразно в случаях, когда при контроле методом тандем преобразователи 2 и 3 слишком сближаются и мешают друг другу.

Еще один вариант эхозеркального метода — с трансформацией типов волн на дефекте (Т-тандем). Преобразователь 2 излучает поперечную волну под углом ввода а большим 57 ° (для стали). Угол падения на вертикальный дефект 90°–α будет меньше критического, поэтому произойдет частичная трансформация поперечной волны в продольную, направленную в сторону дна ОК. Отраженную поперечную волну в дальнейшем не используют, а отраженная от дефекта продольная волна (показана штриховыми линиями) далее отразится от дна ОК и принимается другим преобразователем в точке G. Для реализации этого варианта эхозеркального метода требуется меньшее расстояние от преобразователей до оси сварного шва.


Дельта-метод (рис. 3. в) основан на использовании дифракции волн на дефекте. Часть падающей на дефект поперечной волны от излучателя 2 рассеивается во все стороны на краях дефекта В, причем частично превращается в продольную волну. Часть этих волн принимается приемником 3 продольных волн, расположенным над дефектом, а часть отражается от донной поверхности и также поступает на приемник. Варианты этого метода предполагают возможность перемещения приемника 3 по поверхности, изменения типов излучаемых и принимаемых волн.


Реверберационный метод (рис. 3. г) основан на анализе времени объемной реверберации, то есть процесса постепенного затухания звука в некотором объеме – контролируемом объекте. При контроле используется один совмещенный преобразователь 2, 3. При контроле двухслойной конструкции в случае некачественного соединения слоев время реверберации в слое 1, с которым контактирует преобразователь, будет больше, а в случае доброкачественного соединения слоев – меньше, так как часть энергии будет переходить в другой слой. Данный метод получил широкое распространение при контроле контактной сварки. На рис. 3. показан характер изменения эхо-сигналов при многократном отражении от донной поверхности сварного соединения в зависимости от наличия (отсутствия) дефектов.




А
Б
В
Г
РИС. 3.. ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ЭХО-СИГНАЛОВ ПРИ КОНТРОЛЕ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ: А – КАЧЕСТВЕННОГО СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ, Б – СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ С НЕПРОВАРОМ, В – СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ С МАЛЫМ ДИАМЕТРОМ ЛИТОЙ ЗОНЫ, Г – СОЕДИНЕНИЕ БЕЗ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛНОЦЕННОЙ ЛИТОЙ ЗОНЫ
Рис. 3.. Характер изменения эхо-сигналов при контроле точечной сварки: а – качественного сварного соединения, б – сварного соединения с непроваром, в – сварного соединения с малым диаметром литой зоны, г – соединение без образования полноценной литой зоны

Дифракционно-временной метод (ToFD - Time of Flight Diffraction) (рис. 3. д) основан на приеме волн, рассеянных на концах дефекта, причем могут излучаться и приниматься как продольные, так и поперечные волны. На рис. 3. д представлен случай, когда излучаются поперечные волны, а принимаются продольные. Практическое применение, однако, получил вариант, при котором излучаются и принимаются продольные волны (рис. 3.), поскольку они первыми приходят на приемник и по этому признаку их легко отличить от трансформированных волн. Основными информационными характеристиками ToFD являются:

  • время прихода сигнала, зная которое можно определить реальный размер несплошности;

  • фаза первой полуволны сигнала от дифракции на краях несплошности, благодаря которой можно установить тип несплошности.

Рис. 3.. Принцип ToFD

При методе ToFD используются два ПЭП, работающие в раздельном режиме, при этом сканирование осуществляют путем линейного перемещения пары преобразователей, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, вдоль участка контроля (рис. 3.) [323].

Рис. 3.. Реализация ToFD: а – сканирование сварного шва, б – ToFD-сканы (Б-скан) для поперечной поверхностной трещины (1), поперечной трещины в сечении (2), внутреннего непровара (3), скопления пор (4)

Наиболее существенные преимущества ToFD при контроле сварных швов по сравнению со стандартным эхо-методом заключаются в следующем:

  • возможность достижения более высокой точности при проведении измерений, как правило, ±1мм, а при повторном обследовании ±0,3 мм;

  • почти полная независимость вероятности обнаружения дефекта от его ориентации;

  • при калибровке аппаратуры учитываются только временные характеристики;

  • высокая производительность контроля, так как сканирование проводится вдоль путем продольного перемещения акустического блока вдоль шва;

  • документирование и хранение результатов контроля;

  • полная воспроизводимость результатов контроля.

Среди недостатков ToFD-метода следует отметить:

  • отсутствие критерия для классификации несплошностей по опасности (степени влияния на качество);

  • подповерхностные несплошности, расположенные близко к поверхности контролируемого изделия, могут быть скрыты головной волной, в связи с чем снижается вероятность их обнаружения [287].

Акустическая микроскопия отличается от эхометода повышением на один-два порядка частоты УЗ, использованием острой фокусировки и автоматическим или механизированным сканированием объектов небольшого размера. В результате удается зафиксировать небольшие по размеру изменения акустических свойств в ОК. Метод позволяет достичь разрешающей способности в сотые доли миллиметра. Возможна акустическая микроскопия с использованием прохождения волн.


Когерентные методы отличается от других методов отражения тем, что в качестве информационного параметра помимо амплитуды и времени прихода импульсов используется также фаза сигнала. Благодаря этому повышается на порядок разрешающая способность методов отражения и появляется возможность наблюдать изображения дефектов, близкие к реальным. Наиболее эффективным когерентным методом является компьютерная акустическая голография.


Методы прохождения в России чаще называемые теневыми, основаны на наблюдении изменения параметров прошедшего через ОК акустического сигнала (сквозного сигнала) и имеют следующие разновидности:

  • амплитудный метод прохождения;

  • временной метод прохождения;

  • метод многократной тени;

  • акустическая микроскопия;

  • ультразвуковая томография.

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 применение рассматриваемых методов расширилось. 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. Таким образом, теневой метод может рассматриваться как частный случай более общего понятия «метод прохождения». При контроле методами прохождения излучающий и приемный преобразователи располагают по разные стороны ОК или контролируемого его участка. В некоторых методах прохождения преобразователи располагают с одной стороны ОК на определенном расстоянии друг от друга. Информацию получают, измеряя параметры прошедшего от излучателя к приемнику сквозного сигнала.


Амплитудный метод прохождения (или амплитудный теневой метод) основан на регистрации уменьшения амплитуды сквозного сигнала под влиянием дефекта, затрудняющего прохождение сигнала и создающего звуковую тень. Для контроля этим методом можно использовать тот же импульсный дефектоскоп, который включают по раздельной схеме, причем излучающий и приемный преобразователи располагают по разные стороны ОК. Иногда применяют специализированные более простые по схеме приборы.

Временной метод прохождения (временной теневой метод) основан на измерении запаздывания импульса, вызванного огибанием дефекта. Информационным параметром служит время прихода сквозного сигнала. Метод эффективен при контроле материалов с большим рассеянием УЗ, например, бетона, огнеупорного кирпича и т.п.


Метод многократной тени аналогичен амплитудному методу прохождения (теневому), но о наличии дефекта судят по амплитуде сквозного сигнала (теневого импульса) многократно (обычно двукратно) прошедшего между параллельными поверхностями изделия. Метод более чувствителен, чем теневой или зеркально-теневой, т. к. волны проходят через дефектную зону несколько раз, но менее помехоустойчив.


Термин "ультразвуковая томография" часто применяют к различным системам визуализации дефектов эхо и теневым методами. Между тем этот термин первоначально применялся к ультразвуковым системам, в которых пытались реализовать подход, повторяющий рентгеновскую томографию, то есть сквозное прозвучивание ОК по разным направлениям с выделением особенностей ОК, полученных при разных направлениях лучей.


Активные комбинированные методы содержат признаки, как методов отражения, так и методов прохождения и бывают следующих видов:

  • зеркально-теневой;

  • эхо-теневой.

Зеркально-теневой (ЗТ) метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. По технике выполнения (фиксируется эхосигнал) это метод отражения, а по физической сущности (измеряют ослабление дефектом сигнала, дважды прошедшего ОК) он близок к теневому методу, поэтому его относят не к методам прохождения, а к комбинированным методам. ЗТ метод часто применяют совместно с эхо-методом. Наблюдают одновременно за появлением эхосигналов и за возможным ослаблением донного сигнала дефектами, которые не дают четких эхосигналов и плохо выявляются эхо-методом. Это может быть скопление очень мелких дефектов или дефект, расположенный так, что отраженный от него сигнал уходит в сторону и не попадает на приемный преобразователь.


Эхо-теневой метод основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн.

Существуют также другие активные методы, находящие ограниченное применение для контроля металлов. Это, например, эхо-сквозной метод, методы собственных колебаний, импедансные методы, велосиметрический метод.


Для контроля ультразвукового контроля применяют импульсный дефектоскоп, упрощенная блок-схема которого показана на рис. 3..


Генератор зондирующих импульсов 7 возбуждает короткие электрические импульсы. В преобразователе 3 они преобразуются в импульсы УЗ колебаний, которые распространяются в ОК 4, отражаются от несплошности 6 и противоположной поверхности (дна) ОК, принимаются тем же (совмещенная схема включения) или другим (раздельная схема включения) преобразователем 2. Преобразователь превращает сигналы из УЗ в электрические. От него сигнал поступает на усилитель 1, а затем на экран 5 дефектоскопа.

Рис. 3.. Структурная схема эхо-дефектоскопа

Одновременно (а иногда спустя некоторый интервал времени) с запуском генератора импульсов начинает работать генератор развертки 9. Правильную последовательность включения их, а также других узлов дефектоскопа, не показанных на упрощенной схеме, обеспечивает синхронизатор 8.


Сигналы от генератора развертки вызывают горизонтальное отклонение светящейся точки на экране, а от усилителя  вертикальное отклонение. В результате экран УЗ эходефектоскопа отображает информацию двух видов: по горизонтальной линии развертки определяют длину пути импульса, а по вертикальной шкале оценивают его амплитуду Такое изображение называют разверткой типа А (А-разверткой, А-сканом).


Устройство для измерения расстояния до дефекта, дна ОК или другого отражателя – глубиномер – измеряет время пробега импульса до отражателя и обратно, а это время пересчитывают в расстояние с учетом скорости распространения ультразвука в ОК. Глубиномер предварительно настраивают на скорость распространения используемого типа волн в материале изделия и исключают время пробега в протекторе или призме преобразователя. При контроле наклонным преобразователем глубиномер позволяет измерять две координаты дефекта: глубину залегания его под поверхностью и расстояние от преобразователя до дефекта вдоль поверхности изделия. Для этого нужно предварительно настроить глубиномер на измерение указанных величин с учетом угла ввода преобразователя, скорости УЗ и времени пробега УЗ в акустической задержке.


С целью компенсации влияния затухания на амплитуду эхо-сигналов от одинаковых отражателей, расположенных на различной глубине, в дефектоскопе предусмотрено наличие блока временной регулировки чувствительности. Этот блок вырабатывает импульс экспоненциальной формы, за счет которого изменяется коэффициент усиления в зависимости от времени прихода сигнала.

Наибольшее распространение в акустических методах НК и диагностики получили пьезоэлектрические преобразователи. Они являются обратимыми, то есть используются как для излучения, так и для приема упругих колебаний и волн. Активным элементом преобразователя служит пьезоэлемент [269]. В общем случае преобразователь может содержать один или несколько пьезоэлементов различной формы. Преобразователь, как самостоятельный функциональный узел прибора, обычно соединяют с электронным блоком гибким коаксиальным кабелем. В простейшем случае используют один пьезоэлемент, выполняемый в виде пластины из пьезоэлектрического материала. Для излучения упругих волн пьезоэлемент возбуждают электрическим напряжением генератора. Электрические сигналы, появляющиеся на пьезоэлементе при приеме упругих колебаний, подают на вход усилителя прибора. Обычно при УЗ контроле применяют пьезопреобразователи с пьезоэлементом в форме пластины (пьезопластины). Она имеет токопроводящие электроды на больших поверхностях. На электроды подают напряжение от генератора электрических колебаний или снимают сигналы, подаваемые на усилитель. Чтобы возбудить поперечные волны, можно заставить поверхности специально изготовленной пьезопластины колебаться в направлениях, перпендикулярных ее толщине, т. е. совершать сдвиговые колебания. Но такие колебания трудно передать в ОК: поверхность пластины будет проскальзывать относительно поверхности ОК и обычная контактная жидкость передать колебания не поможет.

Преобразователь с такой пластиной приклеивают к поверхности ОК или используют очень вязкую контактную жидкость.


В УЗ дефектоскопии применяют более удобный способ возбуждения поперечных волн. Продольную волну возбуждают в промежуточной среде – призме (чаще всего из плексигласа) и направляют на поверхность ОК наклонно. Угол падения таким, чтобы после трансформации на поверхности раздела сред в объект контроля попадала только поперечная волна. В результате в изделии распространяется наклонная к поверхности вертикально поляризованная поперечная волна. Такой преобразователь называют наклонным. Именно тот тип преобразователя используют при контроле сварных соединений, т.к. он позволяет осуществлять ввод ультразвуковых колебаний без снятия усиления.


Из пьезоматериалов наибольшее применение получил цирконат-титанат свинца [289]. Существуют различные марки ЦТС, отличающиеся химическим составом и свойствами. ЦТС это синтетическая, спеченная из массы определенного химического состава, пьезокерамика. На поверхности изготовленных таким образом пластин наносят (краской, вжиганием или напылением) металлические (обычно серебряные) электроды. Далее пластины выдерживают длительное время под большим постоянным напряжением (поляризуют), чтобы материал приобрел пьезосвойства. Если температура пьезопластины из ЦТС-19 поднимется выше 290 °С (точка Кюри) пластина располяризуется, ее приходится поляризовать повторно. ЦТС обладает высоким коэффициентом электромеханической связи, но у него очень большая электрическая емкость. Это уменьшает чувствительность при приеме колебаний. Серийно изготовленные пьезопластины иногда имеют неравномерные свойства по всей поверхности.

Кварц  это кристалл, природный материал. Из него под определенными углами к оптическим осям вырезают пластины, способные деформироваться различным образом. Для возбуждения продольных волн применяют пластины -среза, совершающей колебания по толщине. Для возбуждения поперечных волн иногда применяют пластины -среза. Кварц имеет небольшой коэффициент электромеханической связи, однако обладает очень высокой добротностью и стабильностью свойств. Поэтому его применяют в случаях, когда надо обеспечить высокостабильные измерения с постоянными свойствами по всей поверхности пластины.

Классификация пьезопреобразователей (ПЭП) дана ниже по назначению и другим признакам.
Основные типы преобразователей (рис. 3.):
  • прямые (а);

  • наклонные (б);

  • раздельно-совмещенные (в).

Рис. 3.. Основные типы преобразователей

Их основные конструктивные элементы: 1 – пьезопластина; 2 – демпфер, к которому приклеивается неизлучающая в ОК сторона пьезопластины и который способствует гашению (демпфированию) колебаний для получения короткого импульса; 3 – протектор, предохраняющий пьезопластину от повреждений; 4 – преломляющая призма; 5, 6 – призмы раздельно-совмещенного преобразователя, 7 – электроакустический экран.


Совмещенные преобразователи, в которых пьезоэлемент соединен одновременно с генератором и усилителем прибора, служат как для излучения, так и для приема УЗ. В раздельно-совмещенных преобразователях излучают и принимают ультразвук разные элементы, соединенные один с генератором, а другой с усилителем прибора.


Прямые преобразователи излучают под прямым углом, а наклонные – наклонно к поверхности ввода ОК. На корпусе преобразователя отмечают точку выхода луча с максимальной амплитудой (стрела преобразователя). Прямые преобразователи излучают, как правило, продольные волны, наклонные – все типы волн в зависимости от угла наклона: поперечные, продольные (редко), релеевские, головные (для последних, как правило, применяют раздельно-совмещенные преобразователи), нормальные волны в пластинах и стержнях. Наклонный преобразователь с углом призмы между первым и вторым критическими значениями излучает в основном вертикально поляризованную поперечную волну.


В качестве примера конструктивного исполнения ПЭП на рис. 3. показаны некоторые образцы выпускаемые под торговой маркой «Panametrics-NDT».

Рис. 3.. Пьезопреобразователи торговой марки «Panametrics-NDT»

Оценка качества по результатам ультразвукового контроля проводится по следующим критериям:

  • величина отраженного от несплошности сигнала;

  • условная протяженность несплошности;

  • тип несплошности.

Предварительно чувствительность дефектоскопа и зону контроля настраивают с использованием стандартных образцов предприятия, геометрические размеры (кривизна, толщина), материал и качество подготовки поверхности которых соответствуют ОК. В стандартном образце предприятия выполнен искусственный отражатель, тип и размеры которого определяются требованиями нормативной документации на конкретное изделие. Амплитуда эхо-сигнала от искусственного отражателя выравнивается по глубине при помощи временной регулировки чувствительности (ВРЧ) и принимается за браковочный уровень (рис. 3.). Если при контроле реального объекта амплитуда эхо-сигнала от несплошности превысит браковочный уровень, то такая несплошность считается недопустимой.

Рис. 3.. Настройка браковочного уровня чувствительности дефектоскопа и зоны контроля

Поиск несплошностей осуществляется, как правило, на уровне фиксации, который на 6 дБ выше браковочного (т.е. чувствительность на уровне фиксации в два раза выше). Условную протяженность дефектов вдоль шва, измеряют как расстояние между крайними положениями преобразователя, перемещаемого вдоль шва и ориентированного перпендикулярно к нему. При этом крайними положениями преобразователя считают те, при которых амплитуда эхо-сигнала от несплошности уменьшается до уровня фиксации. Максимально допустимая условная протяженность несплошности задается нормативной документацией на объект контроля.

Тип несплошности определяют исходя из ее условной протяженности, глубины залегания и формы эхо-сигнала (один пик или несколько). В большинстве нормативных документов несплошности классифицируют на следующие типы:

  • протяженные (в сечении и в корне шва);

  • непротяженные;

  • скопления и цепочки.

Тип несплосности определяет критерии допустимости по условной протяженности и суммарной условной протяженности на оценочном участке (как правило, 300 мм).

Перемещение преобразователя осуществляют по поверхности околошовной зоны, зачищенной от брызг расплавленного металла и имеющей шероховатость на хуже Rz40. Сканирование проводят параллельно сварному шву с одновременным возвратно-поступательным движением в направлении, перпендикулярном ему. В процессе перемещения преобразователя ось ультразвукового луча поворачивают относительно линии поперечного перемещения на 10-15 (рис. 3.). Перемещение ПЭП производят в зоне, ограниченной с одной стороны краем валика усиления, с другой – расстоянием Lmax, где [2]:

Lmax=2∙s∙tgα – n + ЗТВ,

3.

где:

s, мм – толщина стенки объекта контроля;

α,  - угол ввода;

n, мм - стрела преобразователя;

ЗТВ, мм – ширина зоны термического влияния.

Рис. 3.. Сканирование сварного соединения

При сканировании важно следить за наличием акустического контакта. При появлении эхо-сигнала на уровне фиксации необходимо определить ее условную протяженность и максимальную глубину залегания. Оценку по амплитудному критерию (величина отраженного сигнала относительно браковочного уровня) необходимо производить, установив преобразователь в положение, при котором достигается максимум эхо-сигнала. Так как ориентация несплошности может повлиять на величину отраженного сигнала и на ее условную протяженность, контроль необходимо производить с двух сторон шва.


Одним из вариантов эхо-метода, применяемым для контроля стальных и полиэтиленовых труб малой толщины и диаметра, является контроль раздельно-совмещенными наклонными преобразователями «хордового» типа с эластичным протектором (рис. 3. а).

Рис. 3.. Ультразвуковой контроль преобразователями «хордового» типа: а – пример использования, б – схема контроля

Схема контроля, приведенная на рис. 3. б, позволяет проводить контроль, перемещая преобразователь только вдоль шва. Оценка несплошностей проводится по амплитудному критерию и условной протяженности, глубина залегания несплошности не определяется. Несплошности выявляются с одинаковой чувствительностью независимо от глубины залегания. Эластичный протектор обеспечивает поглощение поверхностной волны и плотное прилегание преобразователя к поверхности трубы [182].


В последние годы широкое применение в промышленности находят дефектоскопы, реализующие принцип фазированных антенных решеток (ФАР). Сущность метода ФАР заключается в том, что фронт излучаемой преобразователем волны формируется за счет согласованной подачи электрических сигналов на каждый пьезоэлектрический элемент, входящий в антенную решетку (рис. 3.).

Рис. 3.. Конструкция преобразователя с антенными решетками: 1 – призма, 2 – корпус, 3 – демпфер, 4, 7 – протектор, 5 – пьезоэлементы, 6 – пьезокомпозит, 8 – соединительные провода, 9 – высокочастотный коаксиальный кабель

Применение дефектоскопов с ФАР позволяет излучать в объект контроля качающийся в плоскости падения ультразвуковой волны луч и фокусировать его (рис. 3.) [75].

Рис. 3.. Принципы формирования фронта волны при использовании ФАР: а – качающийся луч, б – фокусировка луча

В результате контроля дефектоскопами с ФАР электронным сканированием формируется растровая секторная развертка области сканирования (изображение S-типа), на которой амплитуда эхо-сигнала от отражателя кодируется цветом (рис. 3.).

Рис. 3.. Пример отображения информации в режиме сканирования с использованием ФАР

Применение ФАР в процессе ультразвукового контроля качества сварных соединений позволяет сократить время сканирования за счет замены серии П-образных перемещений преобразователя при сканировании одной операцией, а также дает возможность визуализации несплошностей в сечении сварного шва.


Факторы, сдерживающие внедрение данной технологии в промышленность, следующие:

  • трудность в обеспечении преемственности при переходе от традиционного эхо-метода ультразвукового контроля к ФАР, в том числе в части выравнивания чувствительности во всем объеме сканирования;
  • отсутствие однозначных подходов при проведении оценки отражательной способности несплошности по цвету ее образа на экране дефектоскопа с ФАР [59].