Ультразвуковой контроль сварных соединений

Цель работы - ознакомиться с УЗ-контролем контактным эхо-методом, изучить принцип действия дефектоскопа ДУК-13ИМ и оценить с его помощью качество сварных соединений.

 

Основные сведения

Ультразвуковую дефектоскопию применяют для обнаружения дефекта (трещин, раковин и др.) в материалах без разрушения.

По физической природе ультразвук представляет собой упругие волны с частотами от (1,5...2) 10⁴ Гц и до 10⁹ Гц. Ввиду малой длины волны ультразвука характер его распространения определяется в первую очередь, молекулярной структурой среды, поэтому воздействуя на вещество, можно судить о его молекулярных свойствах. Ультразвуковая дефектоскопия основана на способности ультразвуковых колебаний распространяться в твердых веществах на большую глубину без заметного ослабления и отражаться от границы раздела двух веществ.

Для анализа процесса распространения ультразвуковых колебаний в контролируемых изделиях и соединениях используют три основных метода различающихся между собой по признаку обнаружения дефекта: теневой, зеркально-теневой и эхо-метод.

При теневом методе признаком обнаружения дефекта служит умень-шение интенсивности (амплитуды) прошедшей через изделие ультразвуковой волны от излучающего искателя к приемному. Излучатели располагают на противоположных сторонах изделия, что позволяет применять этот метод только при наличии двустороннего доступа к изделию.

При зеркально-теневом методе дефект обнаруживают по уменьшению интенсивности отраженной от противоположной поверхности изделия уль-тразвуковой волны.

При эхо-методе признаком обнаружения дефекта является прием искателем эхо-импульса, отраженного от самого дефекта.

Если о наличии дефекта судят по появлению эхо-импульса от дефекта и по уменьшению импульса от противоположной (донной) поверхности, это значит, что контроль ведется одновременно двумя методами: эхо-методом и зеркально-теневым; такое сочетание методов для краткости называют эхо-теневым методом.

При любом методе контроля возможно использование двух искателей, один из которых выполняет функции излучателя (И), а другой - приемника (П). Такая схема включения искателей называется раздельной. В то же время возможно для зеркально-теневого и эхо-метода использование одного искателя и как излучателя импульсов ультразвука, и как приемника эхо-сигналов. Такая схема включения искателей называется совмещенной.

Основной метод ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений - эхо-метод. Ультразвуковые волны от искателя излучаются в контроли-руемое изделие непрерывно или в виде импульсов заданной длительности. Длительность импульсов, применяемых в дефектоскопии сварных соедине-ний, составляет несколько микросекунд. Импульсы ультразвуковых коле-баний, излучаемые в контролируемое изделие, принято называть зондирующими импульсами.

Для получения информации о выявленных дефектах используют сле-дующие основные измеряемые характеристики дефекта: максимальную амплитуду эхо-сигнала от дефекта, координаты расположения дефекта в шве, условные размеры дефекта, количество дефектов на определенной длине шва.

Амплитуда эхо-сигнала - наиболее простая измеряемая характеристи-ка, которая зависит от размеров, ориентации и конфигурации отражающей поверхности, глубины ее расположения и шероховатости. Волна того же или иного типа, что и падающая, отражается только под углом, равным углу падения, если неровности отражающей поверхности много меньше длины волны. Такая поверхность называется зеркальной, а отражение от нее - зеркальным. Если поверхность раздела двух сред имеет неровности, размеры которых соизмеримы с длиной ультразвуковой волны, наблюдается диффузионное отражение, при котором лучи рассеива­ются в разные стороны под различными углами.

Большинство несплошностей, встречающихся в сварных соединениях, имеют поверхности, вызывающие диффузионное отражение ультразвуковых волн. Амплитуда эхо-сигнала, отражающегося от неровной поверхности, меньше, чем амплитуда эхо-сигнала от зеркальной при падении ультразвуковой волны перпендикулярно к границе раздела сред. В то же время при падении ультразвуковой волны под некоторым углом к границе раздела энергия волны отражений в направлении к излучателю, тем больше, чем значительнее неровности отражающей поверхности.

Ультразвуковые колебания получают с помощью пьезоэлемента-пластины, вырезанной из монокристалла кварца (или кристаллов титана ба-рия). Сущность пьезоэффекта заключается в том, что при подаче на пластину переменного напряжения она изменяет свою толщину с частотой приложенного напряжения.

Для ввода ультразвука в изделие применяются специальные устройства - искательные головки. Искательные головки могут быть прямыми или призматическими в зависимости от характера ввода УЗК в изделие.

Современные ультразвуковые дефектоскопы работают с импульсным излучением ультразвука. Одновременно с посылкой импульса начинается пробег луча по экрану электронно-лучевой трубки дефектоскопа. Скорость пробега луча по экрану ЭЛГ в определенном масштабе соответствует скорости распространения ультразвукового импульса в изделии. Если в изделии есть дефект, то часть энергии ультразвука, отражаясь от границ дефекта, устанавливается искательной головкой, преобразуется, благодаря пьезоэффекту, в электрическую энергию, усиливается и подается на вертикально-отклоняющие пластины трубки. На экране ЭЛГ появляется импульс. Расстояние на экране между постоянными и отраженными импульсами в определенном масштабе соответствует расстоянию от пьезоэлемента до дефекта.

Для выявления дефектов в сварных швах ультразвуковые колебания вводятся в поверхность основного металла под определенным углом. Такой ввод ультразвука возможен при использовании призматической (наклонной) головки.

Схема ввода ультразвука наклонной головкой представлена на рис.1. УЗ-волна не может быть введена в контролируемое изделие, если между ним и искателем имеется прослойка воздуха, т.е. если отсутствует акустический контакт. Акустический контакт обеспечивается путем заполнения контактирующей средой (минеральное масло, солидол, технический глицерин, вода, спирт и т.р.) пространства между плоскостью искателя и поверхностью изделия.

К основным параметрам УЗ-контроля относятся мертвая зона, длины волны (частота),чувствительность, точность измерения координат, раз-решающая способность.

Часть УЗ-энергии после отражения может вернуться на искатель в виде эхо-импульсов, эхо-сигналов. Если дефект расположен в зоне под поверхностью изделия так, что эхо-сигнал от него возвращается ранее чем окончилось излучение зондирующего импульса, то дефект не будет обнаружен. Зону под поверхностью, на которой установлен искатель и дефекты в которой не могут быть выявлены эхо-методами, называют мертвой зоной.

Мертвая зона определяется конструкцией искателя, характеристиками приемно-излучающего тракта дефектоскопа, акустическими характерис-тиками материала и эквивалентной площадью отражателей (дефектов). Чем больше угол призмы наклонного искателя, чем выше частота и больше размеры призмы наклонного искателя, тем меньше мертвая зона.