Ультразвуковая дефектоскопия.

Применение звука для контроля детали—один из наиболее давно применяемых способов контроля без разрушения. Несколько тысяч лет назад, продавая свои изделия, гончар ударял слегка о сосуд и по звуку демонстрировал покупателю отсутствие в нем трещин. Сосуд с трещиной издает дребезжащий звук. Обходчик, ударяя молотком по ободу колеса железнодорожного вагона, также по звуку судит об отсутствии в нем трещин.

Однако человеческое ухо воспринимает механические колебания, имеющие частоту лишь от 16 до 20000 гц (т. е. от 16 до 20000 колебаний в секунду). Эти колебания называют звуковыми. Колебания с частотой менее 16 гц называют инфразвуковыми, а более 20000 гц— ультразвуковыми.

Ультразвуковая дефектоскопия основана на свойстве ультразвуковых волн распространяться в однородном твердом теле на большие расстояния в виде направленного пучка и отражаться от границ между двумя различными веществами, имеющими разные акустические свойства. Ультразвуковые колебания, распространяясь в металлических деталях, отражаются от несплошностей (трещин, раковин и т. п.).

Если к поверхности детали приложить так называемую излучающую искательную головку, то часть ультразвука войдет в деталь и будет распространяться в ней. При встрече ультразвукового луча с несплошностью, часть ультразвуковой энергии отразится от нее. Отраженный ультразвук будет распространяться в сторону излучения, а за дефектом образуется ультразвуковая тень.

На практике наиболее часто встречаются несплошности меньше 6 и больше 0,6 мм. Для их выявления необходимо применять ультразвуковые колебания с частотой более 500000 гц (или 0,5 Мгц). Наиболее часто пользуются частотами 1—2,5 Мгц (1 мегагерц=10⁶ гц).

В зависимости от физической сущности, различают теневые методы, эхо-методы и резонансные методы кон-тропя. В теневых методах при помощи излучающей искательной головки 2 (фиг. 20,а) ультразвук, полученный за счет преобразования высокочастотного тока, поступившего «из генератора высокой частоты 1, вводят в деталь 3. С противоположной стороны помещают устройство для приема ультразвука—приемную искательную головку 4. Принятую искателем ультразвуковую энергию преобразуют в электрическую, усиливают в усилителе 5 и затем измеряют вольтметром 6. Вольтметр позволяет судить об интенсивности ультразвука, поступающего в приемный искатель. Искатели перемещают вдоль и поперек детали, сохраняя их соосность. О наличии в детали нарушения сплошности (фиг. 20,6) судят по ослаблению интенсивности ультразвукового луча в дефектном месте, т. е. по ультразвуковой тени.

В отличие от теневых методов в эхо-методе излучающую и приемную искательные головки помещают с одной стороны, а о нарушениях сплошности судят по интенсивности отраженного сигнала, т. е. по ультразвуковому эхо.

Работа этих дефектоскопов основана на известном явлении—эхо. По звуковому эхо можно судить о наличии преграды, от которой отразился сигнал, и о расстоянии до нее. Для этого нужно заметить время прохождения звуковой волны туда и обратно. Умножив это время на скорость звука в воздухе, равную примерно 335 м/сек, легко подсчитать длину пути, проходимого волной, половина которого и есть расстояние до препятствия.

Измерение толщины изделий

Для контроля толщины изделий применяют эхо- и резонансный методы. Толщину изделия эхо-методом измеряют двумя способами: по длительности прохождения ультразвукового импульса и частоте повторения многократных отражений ультрозвуковых колебаний (УЗК).

8.1.1 Измерение толщины изделия эхо-методом по первому способу (по длительности прохождения ультразвукового импульса).

Для измерения толщины эхо-методом по первому способу установим прямои преобразователь на контролируемую деталь. Импульс УЗК, распространяясь в металле с определенной скоростью. многократно отражается от противоположных поверхностей изделия воздействуя на пьезоэлемент (при обратном ходе), отдает ему часть энергии. При этом каждый последующии отраженный импульс несет меньшую энергию (из-за поглощения и рассеяния УЗК) и воздействует на пьезоэлемент с меньшей силой. На экране ЭЛТ возникает последовательный ряд сигналов, равноотстояших друг от друга и убывающих по амплитуде (рис.). Интервал времени между двумя любыми соседними сигналами прямо пропорционален измеряемой толщине.

Минимальная контролируемая толщина при заданной частоте зависит от длительности ультразвукового импульса интервала. При малых толщинах интервал может стать равным длительности ультразвукового импульса, многократные отражения на экране дефектоскопа сольются и контроль станет невозможным. Для того чтобы можно было контролировать еще более тонкие стенки необходимо уменьшить длительность излучаемых импульсов (например, увеличив частоту прозвучивания). На практике для измерения толщины тонких стенок применяют частоты 5—10 МГц и более. При этом высокий коэффициент затухания, например, в жаропрочных сплавах не является препятствием для высокочастотных УЗК, так как толщину в 1—2 мм они «пробивают» свободно. В этом случае лишь уменьшается количество многократных отражений на экране ЭЛТ.

Максимальная измеряемая толщина зависит от мощности импульсного генератора, его чувствительности, частоты УЗК и структуры металла. На практике точное определение больших толщин требуется редко. Как правило, диапазон измеряемых толщин колеблется от двух до нескольких десятков миллиметров.

Погрешность эхо-импульсных толщиномеров при измерении изделий с хорошо обработанными и параллельными поверхностями не превышает 0,1 мм, а минимальная измеряемая толщина плоских образцов—0,25—0,3 мм. При измерении изделий с грубообработанными, коррелированными и непараллельными поверхностями погрешность измерений возрастает до 0,2—0,3 мм, а минимальная измеряемая толщина до 1,2—1,5 мм.