книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Рис. 3.5. Измерение диаграммы направленности в плоскости падения: а - в стандартном образце СО-3; б - с помощью специального образца (прием

наклонным П Э П ) ; в - по способу Ц Н И И Т М А Ш в секущей плоскости; г - по стандартному образцу СО-2

Наиболее доступный метод измерения ДН на практике бази­ руется на использовании образца СО-2 или любого другого с не­ направленным отражателем (ГОСТ 23702 - 90), рис. 3.5г. В этом случае при перемещении ПЭП по грани образца СО-2 последова­ тельно с заданный шагом измеряют амплитуду эхо-сигнала от отражателя. Затем производят нормировку амплитуд сигналов с целью учета ослабления пучка вследствие дифракционного рас­ хождения и затухания. ДН излучения - приема строят в полярных или прямоугольных координатах.

В диапазоне значений углов ввода а = 50±10° Ф( ак sin 0) = Ф2 (ак sin 0).

Однако, как показано И.Н. Ермоловым, Л.В. Басацкой и В.А. Воронковым, это соотношение несправедливо при больших значениях углов падения и вблизи критических углов в связи с различными коэффициентами прозрачности границы призмаобразец при прохождении ультразвука в прямом D и обратном D' направлениях.

Поэтому необходимо учитывать общий коэффициент про­ зрачности по энергии D = DD' Кроме того, необходимо учиты­

вать, что ДН в наклонном ПЭП формируется мнимым излучате­ лем, размеры которого

acosa/cosp.

В.Г. Щербинским предложено производить с помощью устройст­ ва, схематично показанного на рис. 3.66. В этом случае обеспечи­ вается равенство расстояний между ПЭП и отражателем при лю­ бом угловом положении ПЭП на дуге сканирования.

б

Рис. 3.6. Измерение диаграммы направленности

вдополнительной (азимутальной) плоскости:

а- по способу, рекомендованному ГОСТ 23702 - 90, и по вертикальному сверле­ нию (ненаправленному угловому отражателю); б - по способу с постоянным R

3.2.Акустический тракт совмещенного

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Формулы акустического тракта определяют ослабление ам­ плитуды сигнала в зависимости от формы и размеров пьезоэле­ мента, размеров и формы дефектов, расстояния между ними, час­ тоты ультразвука, акустических свойств материала. Для упроще­ ния математических расчетов рассмотрим акустический тракт для жидкой среды и затем введем поправки, характерные для твердо­ го тела. Ранее был приведен расчет звукового поля круглого из­ лучателя. Следующий этап состоит в расчете отражения падаю­ щего поля от дефекта. Реальные дефекты могут иметь самую раз­ личную форму, ориентацию и акустические свойства, которые заранее не известны, поэтому формулы акустического тракта вы­ водят обычно для моделей дефектов, имеющих простую геомет­ рическую форму. В качестве отражателя примем отверстие с пло­ ским дном как наиболее удобное для расчета.

Отраженное поле для такого отражателя, точно так же как поле излучения, полностью описывается интегралом Кирхгофа. Поле отражения можно представить как результат излучения не­ которыми вторичными (мнимыми) источниками на поверхности отражателя с амплитудой, равной амплитуде падающей волны, умноженной на коэффициент отражения R для полого диска при нормальном падении на него волны R = 1.

С учетом сказанного для плоскостного отражателя размером 2b ослабление сигнала Рь на пути г2 до приемника описывается

формулой (3.6) с заменой подстрочных индексов а на Ъ:

При е=о, ф, = 1 и pb/p 0 - s b/ \ r .

Эти формулы справедливы при нормальном падении волны на отражатель. В общем случае волна падает на отражатель под углом р. При этом отраженное поле формируется эквивалентной апертурой, представляющей проекцию площади отражателя на плоскость, перпендикулярную оси отраженного поля. Апертура дискообразного отражателя представляет собой площадь эллипса с полуосями b и 6cosP . Следовательно, в (3.7) вместо Sh следу­

ет подставлять nb2cosP = Sbcos(3 , где р - угол падения на де­

фект.

Отраженное поле объемных отражателей с криволинейной формой поверхности может быть также рассчитано на основе формулы Кирхгофа. При этом интегрирование производится по той части поверхности отражателя, которая одновременно «ос­ вещается» из центров излучателя и приемника,

Ослабление сигнала вследствие затухания происходит по за­ кону е~2Ъг Причем значение г представляет суммарный путь

ультразвука от преобразователя до дефекта.

Полученные формулы позволяют рассчитать акустический тракт. Например, для случая контроля в дальней зоне прямым совмещенным преобразователем в контактном варианте форму­ ла акустического тракта для диска будет:

Коэффициенты R и D для данного случая равны 1. Из (3.8)

видно, что амплитуда отраженного сигнала от плоскодонного отражателя пропорциональна его площади.

При выводе уравнения акустического тракта наклонного пре­ образователя применяют теорию мнимого излучателя, предло­ женную И.Н. Ермоловым. Эта теория исходит из предположения,

что в области угла падения < Р < р^з ультразвуковое поле

формируется в однородной упругой среде от мнимого излучате­ ля, размеры которого можно принять 2a cosa0/cos{3 в плоскости

падения. С учетом сказанного акустический тракт наклонного совмещенного преобразователя будет

где г, - средний путь ультразвука в призме; г - расстояние от точки вывода до дефекта;

. Q, cosa Д/* = я —'■--------

С, cosp

- приведенный путь в призме искателя; б( , 62 - коэффициенты затухания в

призме искателя и в изделии соответственно; D, - коэффициент прохождения через границу.

Формулы акустического тракта наклонного искателя для

наиболее распространенных искусственных отражателей приве­ дены в [67].

На рис. 3.8 приведены АРД-, AVG-диаграммы и результаты расчетов амплитуды сигнала от диска в твердом теле с учетом огибания его ультразвуком [3]. При r/r6 > 1 наблюдается хоро­

шее совпадение результатов расчетов в твердотельном прибли­ жении и экспериментальных данных, в то же время заметно раз­ личие эксперимента и жидкостного приближения при г/гб <5.

Следовательно, при построении рабочих АРД-диаграмм целесо­ образно применять расчеты в твердотельном приближении, обес­ печивающем более высокую точность. Эти диаграммы можно использовать при настройке чувствительности, измерении экви­ валентной площади дефектов и затухания, что позволяет отка­ заться от сложных и дорогостоящих испытательных образцов с искусственными дефектами.

Рис. 3.8. Сравнительные АРД- и AVG-диаграммы для прямого ПЭП (2а = 8 м м ,/* 5 МГц):

/ - приближенная формула [7], 2 - уточненная формула [7]; 3 - эксперименталь­ ные данные [7]; 4 - экспериментальные данные [68]; 5 - расчетная зависимость с учетом дифракции ультразвука

Если размер дефекта 2Ь < к, то приближение Кирхгофа,

примененное для расчета, неверно. В этом случае необходимо использовать поправки к коротковолновому приближению, взя­ тые из точных расчетов полей рассеяния малых дефектов. Суще­ ствующее мнение о невыявляемости дефектов, у которых 2Ь<к,

недостаточно обосновано. Такие дефекты отражают ультразвук, но гораздо слабее, и для их выявления требуется повышать чув­ ствительность. Например, для обнаружения дефектов размером 2Ь/к = 0,1 требуется увеличить чувствительность по отношению

к дефекту 2Ь/к = 3 не менее чем на 10 дБ.

3.3.Анализ акустического тракта наклонного

РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТИПА «ДУЭТ»

В общем случае при УЗ-контроле наклонными РСпреобразователями, плоскости излучения - приема которых раз­ вернуты под углом друг к другу, возможны различные схемы контроля. Часто используют схему, при которой один преобразо­ ватель излучает, а второй принимает отраженные от дефекта ко­ лебания, достигающие как дефекта, так и приемника без отраже­ ния от внутренней поверхности. Такие преобразователи называ­ ют симметричными (рис. 3.9). Достаточно широко применяют несимметричные PC-преобразователи; в них один преобразова­ тель озвучивает дефект прямым лучом, а второй принимает от­ раженные от дефекта колебания, которые на пути отражаются от внутренней поверхности (рис. ЗЛО). Предпочтительна последняя схема, обеспечивающая более уверенное обнаружение плоскост­ ных и объемных дефектов.

Рис. 3.9. Расположение ПЭП «дуэт» (отражение от дна не используется); а - вид сбоку; б - вид сверху; в - ориентация в металле УЗ-лучей и плоскостей поляризации и падения на отражатель

Наклонные PC-преобразователи, как будет показано далее, применяют при контроле конструкций различных видов и типо­ размеров, и поэтому углы призм используемых преобразователей колеблются в интервале 20...53°. Расчет уравнения акустического тракта выполнен с применением разработанного Д.Б. Диановым