книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Рис. 3 .1 1 .1C выбору параметров симметричных РСН-ПЭП:

Итак, выбирать параметры PC-преобразователей необходимо следующим образом:

1) выбрать угол ввода (в зависимости от толщины изделия, частоты колебаний);

2)определить необходимый уровень отношение SH- и SVкомпонент в падающей волне (например, 15 дБ, как было в рас­ смотренном примере - горизонтальная штриховка на рис. 3.116);

3)найти максимально допустимое значение угла А как

рис. 3.11а, определить угол падения колебаний на полость. Для выбранного уровня /V = 20lg Ан /А у = 15 дБ, оптимальные значе­

этого угла во всех случаях 10° При этом исключается фокуси­ ровка дифрагированных волн.

Аналогично можно рассмотреть схему «дуэт», использую­ щую сигнал, отраженный от дна. На рис. З.Юв иллюстрируются направления распространения лучей. Штриховкой показаны плоскости поляризации источника и приемника, а светлый тре­ угольник определяет плоскость падения - отражения. В этом случае для обеспечения ввода преимущественно горизонтально поляризованных относительно отражателя колебаний необходи­ мо увеличить угол разворота 2Д. Расчетные формулы для углов падения и наклона плоскости поляризации относительно плоско-

сти падения могут быть получены аналогично (3.10). Они имеют вид:

cos( 0/2) = cos Asin а;

Результаты расчета по этим формулам приведены на рис. 3.12. «Идеально» отвечающие изложенным соображениям параметры

зовать лишь ситуацию, когда a = 65°, Д » 60°. Дальнейшему уве­ личению угла А препятствует геометрия сварного соединения. Кроме того, при А > 60° лучи падают на поверхность отражателя под углом 0/2 > 60°, а это ухудшает выявляемость дефектов.

Рис. 3.12. К вы бору парам етров сим м етричны х РС Н -П Э П :

Акустический тракт наклонного ПЭП, когда отражателем яв­ ляется вертикальный дефект (например, трещина), перпендикуляр­ ный донной поверхности, имеет свои особенности. Это связано с двойным отражением от поверхностей изделия и дефекта, в ре­ зультате чего лучи возвращаются к тому же ПЭП, работающему как приемник (угловой эффект). Такие отражатели называют угло­ выми. Виды угловых отражателей и формулы для расчета макси­ мальных эхо-сигналов от них, полученные И.Н. Ермоловым, при­ ведены в табл. 3.2.

плоскости падения и дополнительной плоскости, р и a —углы паде­ ния и преломления для акустической оси. Для круглой пластины мнимый пьезоэлемент - эллиптический с размерами Dcosa/cosP в основной и D в дополнительной плоскостях. В формулы, отме­ ченные *, вместо L и U вводят 2Dhz и 2Dcosa/( rccosp)

В г входит путь в изделии г' и дополнительный путь г\ от

мнимой пластины до точки выхода. Обычно он не превышает 10 мм, и при больших расстояниях г' им пренебрегают. Во все формулы для эхосигналов необходимо ввести множитель е~2Ь'

для учета затухания в изделии, 8 - коэффициент затухания попе­ речных волн. Множитель, учитывающий затухание в призме, и коэффициент прозрачности не введены, поскольку использована приближенная часть формулы (5.9).

Втабл. 3.2 отражатели разделены на три группы: компактные (зарубка, засверловка), протяженные в одном направлении (рис­ ка, вертикальное цилиндрическое отверстие) и протяженный в двух направлениях (двугранный, угол). Формула для полуцилиндрического образца дана для сопоставления. Диапазон вариации численных коэффициентов в формулах для ближней зоны уменьшен, поскольку немонотонности изменения эхосигналов здесь сглажены. Для расчетов в переходной зоне используют ко­ эффициент вида дефекта А.

Вформулы введен коэффициент G, который учитывает гео­

метрию отражения, явления незеркального отражения и транс­

формации волн. G зависит от угла падения на поверхность ср и

от глубины зарубки, засверловки или риски А, которая должна быть на 20 % больше длины поперечной волны (А > 1,2 X). Для

изделий с плоскопараллельными поверхностями ср = а - угол

ввода. Для изделий с непараллельными или искривленными по­ верхностями (р Ф а.

В области углов около 60° экспериментально наблюдаемый

угол ф меньше расчетного на 6...8° В формулах для засверловки и вертикального цилиндрического отверстия угол ф должен быть бо­

льше 30°. Для поперечных волн это обычно выполняется, поскольку угол призмы преобразователя больше первого критического.

Продолж ение табл. 3.2

Существенное повышение информативности ультразвукового контроля достигается при применении бинарной акустической

системы (БС).

Бинарная акустическая система (БС) состоит из двух наклон­ ных ПЭП, установленных с одной стороны сварного соединения, у которой фокус, т.е. точка пересечения прямого и зеркально­ отраженного от донной поверхности лучей, осуществляет скани­ рование заданного поперечного сечения соединения по траекто­

графе) - приемник постоянно ( t = const). Последнее обстоятель­

ство позволяет называть такие акустические системы изохрон­ ными.

Параметры БС (расположение ПЭП относительно друг друга

и оси шва: углы ввода otj и а2 ) определяются конструкцией со­

единения, статистикой дефектности и задачами контроля.

Опыт применений изохронных БС показывает, что они обла­ дают высокой помехоустойчивостью от электрических и акусти­ ческих помех (ложных сигналов) и позволяют существенно по­ высить разрешающую способность контроля. Эти качества осо-. бенно существенны в режиме обнаружения дефектов, что позво­ ляет использовать широконаправленные ПЭП с веерной диа­ граммой направленности без уменьшения помехоустойчивости.

В наиболее широко распространенной акустической системе «тандем» (рис. 3.13а) использованы обычные остронаправленные наклонные ПЭП с углом ввода а, = а 2 = const, размещенные в

одной плоскости (плоскости чертежа) и осуществляющие воз­ вратно-поступательное перемещение в зоне сканирования сим­ метрично относительно оси 0 0 ' Поверхность сканирования

представляет собой часть эллиптического цилиндра, определяе­ мую шириной диаграммы направленности с переменным радиу­ сом кривизны в азимутальной плоскости, зависящим от расстоя­ ния до ПЭП. Годограф сканирования в вертикальной плоскости является вертикальной линией.

( t = var ). В такой БС могут также использоваться ПЭП с качаю­

щимся лучом.

Недостаток обоих вариантов - наличие зоны непрозвучивания, примыкающей к донной поверхности, из-за невозможности сближения ПЭП друг с другом вблизи оси ОО' Избежать этого

можно, применив вариант БС (рис. 3.1Зв) с озвучиванием дефек­ тов периферийной частью пучка. Поскольку в этом случае зона равной чувствительности на поверхности сканирования сложным образом перемещается в зависимости от пространственного по­ ложения ПЭП, необходимо стремиться, чтобы / было минималь­ ным. Для уменьшения зоны сканирования (и соответственно уменьшения объема зачистки) целесообразно использовать вари­ ант БС (рис. 3.1 Зг), в котором один ПЭП неподвижен. Годограф сканирования представляет часть эллипса (2 а = г[+г2).

Для упрощения конструкции механизмов сканирования авто­ ром предложены БС с ПЭП с переменным углом ввода, установ­ ленные на фиксированном расстоянии а относительно шва. При этом С] = с 2 = const (рис. 3.13d). Углы ввода а ( и а 2 выбирают­

ся между 1-ми 2-м критическими и связаны между собой соот­ ношениями:

- при прозвучивании прямым и отраженным лучами.

Уравнение годографа в вертикальной плоскости представляет эллипс, в фокусах которого и ¥г находятся ПЭП:

соответственно при прозвучивании прямым и отраженным луча­ ми. В последнем случае второй фокус F2 является мнимым.

Для того чтобы обеспечить озвучивание всего поперечного сечения шва, необходимо перемещать акустический блок при сохранении с\+с2 - const. Этого можно избежать, если использо­

вать широконаправленные ПЭП и «бегающий» строб-импульс.

Такая система максимально проста по конструкции, весьма поме­ хоустойчива и позволяет эффективно обнаруживать объемные дефекты, что подтверждается [130]. Анализ показал, что для за­ данной толщины соединения Я всегда могут быть найдены такие параметры БС, которые обеспечивают почти равновероятное об­ наружение реальных плоскостных дефектов по всему сечению соединения.

При автоматизированном УЗ-контроле весьма эффективно применение предложенного В.В. Гребенниковым и Н.Е. Лебедевым метода, при котором озвучивание производится при угле ввода а «57° (фд -33°), а приемником регистрируется трансформирован­ ная на дефекте и зеркально переотраженная от дна продольная вол­ на. Этот метод позволяет уменьшить ширину зоны сканирования, однако затрудняет селектирование сигналов от дефектов на разной глубине вследствие различного времени их прихода (рис. 3.1Зв).

Вряде случаев, особенно при контроле на поперечные тре­ щины, нашел применение так называемый стредл-метод, при ко­ тором ПЭП разнесены в азимутальной плоскости и регистрирует­ ся поперечная волна или трансформированная продольная.

Впоследнее время все чаще находит применение так назы­ ваемый модифицированный способ: «тандем» с трансформацией волн. Существо способа иллюстрируется рисунком 3.14в. Излу­ чатель И возбуждает продольную волну, которая, отразившись от донной поверхности, попадает на дефект. При переотражении продольной волны от дефекта происходит ее трансформация. При этом поперечная волна попадает на приемник П. Этот способ существенно сокращает ширину зоны сканирования (и соответст­ венно зоны зачистки). Однако способ может быть рекомендован только для швов относительно небольшой толщины или для вы­ явления висячих дефектов (трещин) вблизи донной поверхности.

Для этой же цели может быть рекомендован так называемый

«корневой тандем», предложенный О.Н. Щербаковым и В.А. Воронковым (ЦНИИТМАШ). В отличие от вышеописанно­ го, в одном корпусе РС-ПЭП имеются два пьезоэлемента с мини­ мальным расстоянием между ними под одним углом наклона. Угол ввода зависит от толщины шва. Такой ПЭП позволяет с большей точностью измерять высоту малых вертикально­ ориентированных трещин и эффективно применяется при кон­ троле сварных роторов, конструкция которых предусматривает минимальную ширину околошовной зоны.

а

в

Рис. 3.14. Схемы бинарных акустических систем («тандем»): а-симметричной; б - асимметричной; в - модифицированной