книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Для снижения уровня акустических помех в РС-ПЭП необхо­ димо стремиться использовать высокочастотные пьезоэлементы возможно большей площади со скругленными периферийными кромками, узкополосный усилитель дефектоскопа для фильтра­ ции сигналов помех, а сканирование осуществлять при совпаде­ нии линии, соединяющей центры пьезоэлементов, с направлени­ ем рисок от механообработки.

В РС-ПЭП наиболее предпочтительно использование прямо­ угольных пьезоэлементов, поскольку варьирование геометриче­ ских размеров пьезоэлементов в них позволяет легче синтезиро­ вать акустическое поле излучения - приема с заданными пара­ метрами.

4.2.3. Преобразователи с механизированным сканированием

При больших объемах контроля, особенно однотипных швов, очень важную роль играет малая механизация. Приспособления и устройства малой механизации повышают производительность контроля и его достоверность, т.к. разгружают оператора от мо­ нотонных утомительных операций, угнетающе действующих на психику. К сожалению, малая механизация при контроле сварных швов практически отсутствует. Создание таких средств связано с большими трудностями, т.к. они должны удовлетворять многим противоречивым требованиям: быть просты по конструкции и в эксплуатации, иметь малые габариты и массу и в то же время обеспечивать сложные задачи контроля.

Одной из попыток в этом отношении является устройство ти­ па «Сканер-1» ЦНИИТМАШ.-На шасси с магнитными колесами навешиваются наклонные ПЭП для контроля швов в поперечном и продольном направлениях. Ширина захвата за один проход со­ ставляет 80... 100 мм. Оригинальное шасси обеспечивает легкое управление траекторией сканирования и надежно фиксируется даже на неровных поверхностях.

В НИИмостов ЛИИЖТа разработаны устройства малой ме­ ханизации контроля короткомерных сварных швов ПС-6ИМ, ПС7ИМ, ПС-9ИМ. Они многофункциональны, просты в эксплуата­ ции, существенно облегчают труд оператора и хорошо зареко­ мендовали себя при контроле в полевых условиях при понижен­ ных температурах. К сожалению, они не выпускаются серийно нашей промышленностью.

В аппаратуре ИДЦ-17 предложена принципиально новая аку­ стическая система поиска дефектов по способу «тандем» (рис. 4.16) В ней использован пьезоэлемент 3 длиной 120 мм, ши­

риной 20 мм. Локальное возбуждение пьезопластины произво­ дится подвижным электродом 4, выполненным в виде двух

встречных витков широкой полоски, нанесенной на вращающий­ ся барабан 5 развертки. Внутри пустотелого барабана развертки вмонтирован малогабаритный асинхронный электродвигатель в герметичном исполнении. Угол ввода - регулируемый и состав­ ляет 0...650. Это позволяет контролировать эхо-зеркальным мето­ дом сварные швы толщиной 30... 120 мм. Скорость сканирования поперек шва 0,6 м/с [101].

Для того чтобы повысить достоверность обнаружения раз­ лично ориентированных дефектов, предложены конструкции ПЭП с автоматическим сканированием по углу.

На Белоярской АЭС им. Курчатова разработан ПЭП типа ГИБ-7, обеспечивающий автоматическое электромеханическое качание ультразвукового луча с частотой 0...25 Гц и максималь­ ным отклонением от номинального ±10°. Качание луча произво­ дится с помощью электромагнитного привода; благодаря поворо­ ту блока излучателя на призме задается качание луча как в плос­ кости падения, так игпо азимуту.

Постоянство чувствительности дефектоскопа при изменении угла ввода обеспечивается либо соответствующей регулировкой параметров электронного блока дефектоскопа, либо путем диа­ фрагмирования пучка. При малых углах падения, соответствую­

щих максимуму коэффициента прохождения В> площадь попе­

речного сечения вводимого пучка уменьшается* а при больших - увеличивается. Проще всего это реализовать за счет специальных форм и размеров контактной поверхности ПЭП, играющей роль диафрагмы, в частности, путем заострения «пятки» ПЭП. Такая форма контактной поверхности обеспечивает в пределах а =

=39...65° неравномерность чувствительности не более 3 дБ.

4.2.4.Специализированные преобразователи

и контактные смазки для контроля по грубой поверхности

Качество акустического контакта (или акустическая прозрач­ ность зазора между ПЭП и- поверхностью изделия) во многом определяет чувствительность дефектоскопа к дефектам, степень ее стабильности на разных участках изделия и зависит от сле­ дующих факторов:

а) толщины контактного слоя и коэффициента затухания в нем;

б) акустического согласования акустических сопротивлений всех контактирующих сред;

в) качества обработки поверхности; г) характеристиками смачиваемости рабочих поверхностей

контактной жидкостью; д) сплошности контактного слоя "(т.е. полнотой заполнения

зазора контактной средой).

Рассмотрим степень их влияния на надежность контроля. При неподвижном положении ПЭП, характеризующимся оп­

ределенной толщиной слоя </ж, сложные интерференционные

процессы в слое находятся в динамическом равновесии и опреде­ ляют параметры, электроакустического тракта дефектоскопа, час­ тотную характеристику и коэффициент преобразования электри­ ческой энергии в механическую. Малейшее нарушение этого равновесия из-за изменения толщины контактного слоя приводит к изменениям параметров тракта и, следовательно, к изменению чувствительности дефектоскопа. Поэтому относительная ста­ бильность чувствительности ПЭП контактного типа при сканиро­ вании по грубой поверхности весьма мала.

Расчеты показывают, что при контроле стальных изделий на­ клонными и PC-ПЭП наилучшее акустическое согласование и, следовательно, наименьшая амплитуда осцилляций будет для

акустических задержек, выполненных из оргстекла, полистирола и других пластмасс, т.е. материалов с небольшим акустическим сопротивлением Z ,. На амплитуду осцилляций коэффициента

прозрачности существенное влияние оказывает затухание ультра­ звука в контактном слое. Использование в качестве контактных слоев материалов с большим затуханием ультразвука хотя и при­ водит к уменьшению коэффициента прозрачности, но зато резко уменьшает амплитуду осцилляций, что повышает стабильность

уровня чувствительности. Для слоя с 8 = 9 см"1 (резина) ампли­ туда осцилляций в области =0,1...0,12 см не превышает 1 дБ.

Выше рассматривался контактный слой как плоско­ параллельный. Реальные поверхности имеют локальные неровно­ сти, которые вносят существенный вклад в флуктуацию чувстви­ тельности дефектоскопа.

АЛ, дБ

Рис. 4.17. Относительное изменение амплитудыдонного сигнала взависимости оттолщинылиста н шероховатости его поверхности (РС-ПЭП,/- 2,5 МГц)

Н.П. Алешин исследовал влияние статистически-шерохо- ватой поверхности на потери чувствительности дефектоскопа при контроле РС-ПЭП. Установлена весьма важная для практики воз­ растающая зависимость между толщиной контролируемого листа и средней высотой неровностей (рис. 4.9), обусловленная чисто технологическими причинами. Обычно тонкий лист прокатывают через новые вальцы, имеющие шлифованную поверхность. По мере износа поверхности вальцов их используют для прокатки все более и более толстых листов. Аналогичные результаты по­ лучены для листового проката толщиной 10...50 мм.

Как показала практика, контроль по статистически-шерохо- ватой поверхности с малой волнистостью не вызывает больших затруднений.

При падении объемной волны на периодически шероховатую поверхность также происходит возбуждение поверхностной вол­ ны рэлеевского типа. Распространение этой волны по поверхно­ сти сопровождается трансформацией рэлеевской волны в объем­ ную, приводящей к возникновению рассеянного поля и появле­ нию ложных сигналов.

При станочной обработке поверхности с известным профи­ лем неровности потери чувствительности могут быть учтены ко­ эффициентом шероховатости, числовое выражение которого ле­ жит в пределах 0,03... 1.

На поверхностях с крупными регулярными неровностями, например в арматурных стержнях, потери чувствительности весьма значительны. В МГТУ им. Баумана изучено это явление и разработаны рекомендации по оптимизации параметров де­ фектоскопа.

Влияние качества акустического контакта на чувствитель­ ность дефектоскопа рассматривалось при неподвижном ПЭП в предположении сплошности контактного слоя.

При сканировании в контактном варианте ПЭП и контроли­ руемое изделие составляют кинематическую пару, трущиеся по­ верхности которой разделены контактной смазкой. Акустический контакт носит динамический характер и поэтому качество его определяется не только параметрами электроакустического трак­ та, но и в значительной степени физико-химическими процесса­ ми, определяющими толщину и сплошность жидкой пленки при перемещении ПЭП.

Контактный слой смазки обладает анизотропией механиче­ ских свойств: высоким сопротивлением сжатию и весьма малым сопротивлением сдвигу между отдельными молекулярными слоями. Последний как раз возникает при движении ПЭП, что вызывает истирание слоя смазки на выступах и появление ло­ кальных разрывов контактного слоя. Быстрота истирания зави­ сит от типа смазки, толщины слоя, природы трущихся поверх­ ностей, величины давления и скорости скольжения. Восстанов­ ление может происходить за счет поступления смазки из впа­ дин. Высокая кинетическая скорость смачивания способствует стабилизации акустического контакта. Поэтому при контроле предпочтительнее использовать жидкие смазки (типа автолов). При контроле происходит выдавливание избытка смазки из-под ПЭП, Поскольку при движении контактная жидкость поступает от передней кромки ПЭП, то в противоположной по ходу части

ПЭП ее не хватает. Это, в свою очередь, нарушает сплошность контактного слоя.

В качестве упрощенного объективного критерия количест­ венной оценки акустического контакта при контроле прямым ПЭП автором предложено использование коэффициента динами­ ческого акустического контакта Ка, который определяется от­

ношением числа зарегистрированных донных сигналов т в про­

цессе перемещения ПЭП по поверхности образца с плоскопараллейьнымн гранями к общему числу посланных за это время зон­ дирующих импульсов N на заданном уровне чувствительности

дефектоскопа [91]. При исследовании контакта призматическими искателями в качестве опорного сигнала принимается эхо-сигнал от двугранного угла. По существу, коэффициент Кй характери­

зует статистическую вероятность регистрации одиночного сигна­ ла Кл = Р(А) и может быть легко определен экспериментально.

Исследования коэффициента динамического контакта Ка в

зависимости от электроакустических параметров прямых ПЭП позволили установить значительную зависимость Ка от диамет­

ра и резонансной частоты пьезоэлемента. Максимальное значе­ ние Ка достигается при а/ = 20...25 мм-МГц..

Изучались также условия прохождения ультразвуковых коле­ баний через контактный слой из минерального масла в зависимо­ сти от физических свойств материала акустической задержки величиной I >(ст/2) (рис. 4.18).

Сопоставление результатов экспериментов с физико­ химическими и акустическими константами материалов позволи­ ло выделить физико-химические свойства,-в наибольшей степени определяющие стабильность динамического акустического кон­ такта - акустическое согласование, краевой угол смачивания, адсорбционную способность материала, коэффициент трения и величину трибоэлектрического потенциала, и дало возможность проводить априорную оценку применимости того или иного ма­ териала для изготовления призмы или протектора. Наибольшее значение Кл достигается у ПЭП с призмами или протекторами

из диэлектриков (оргстекло, капрон, фторопласт, ЭД-6 с напол­ нителями), что, несмотря на малый служебный ресурс вследствие истирания, определяет целесообразность применения этих мате­ риалов для контроля ответственной продукции.

ПЭП с металлическими и керамическими протекторами (на­ пример, из ситалла) обладают малым значением Ка и не могут

быть рекомендованы для контроля такой продукции.

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

а

Рис. 4.18. Зависимость коэффициента динамического акустического контакта Кл (функция выявлясмостн) от материала задержки

прямого ПЭП и уровня донного сигнала А, дБ, на стальном образце:

а - & 20; б - прокат; 1 - органическое стекло; 2 - фторопласт; 3 - сталь; 4 - дюралюминий; 5 - латунь; 6 - чугун; 7- резиновый скользящий протектор

У протекторов из диэлектриков акустический контакт улуч­ шается за счет эффекта возникновения при трении трибоэлектри­ ческого потенциала и образования двойного электрического слоя на контактной поверхности, что способствует электростатиче­ скому притяжению жидкости к протектору и увеличивает толщи­ ну и прочность контактного слоя. Этим, в частности, объясняется

то, что слабая смачиваемость протектора из фторопласта компен­ сируется высоким значением трибоэлектрического потенциала (800 В), что обеспечивает значение КА такое же, как у оргстекла.

Все изложенное обусловливает важность учета потерь чувст­ вительности в контактном слое. Для этого необходимо соблюде­ ние следующих требований:

1)качество поверхности контролируемого изделия должно строго регламентироваться. Для большинства сварных соедине­ ний толщиной до 20 мм допустимо вести контроль по катаной поверхности, очищенной от брызг расплавленного металла и ока­ лины. Околошовная зона швов толщиной более 20 мм должна зачищаться механическим путем и соответствовать обработке не ниже, чем 4-му классу чистоты по ГОСТ 2789 - 73 с изм.;

2)качество поверхностей испытательного образца, по кото­ рому производится настройка чувствительности, и контролируе­ мого изделия должно быть идентично;

3) оптимальное давление на ПЭП при сканировании - 15 Н. Рассмотрим некоторые конструкции ПЭП, применяющихся

для контроля сварных швов по грубой поверхности (рис. 4.19). Широкое применение нашли контактно-иммерсионные ПЭП

с герметизированной с помощью эластичной мембраны иммерси­ онной локальной ванной, внутри которой размещен пьезоэле­ мент. Ванна может быть выполнена в виде ролика или верти­ кального цилиндра. В первом случае зазор между мембраной и изделием отсутствует, во втором - составляет доли миллиметра.

Однако этим ПЭП присущи следующие недостатки: большие габариты, относительно высокий уровень реверберационных шу­ мов, нестабильный угол ввода ультразвука в контролируемое изделие, необходимость частой замены эластичной (резиновой) мембраны из-за проколов.

Эти недостатки отсутствуют у призматических ПЭП, на ра­ бочую поверхность которых наклеена резина. Однако ПЭП такой конструкции весьма недолговечны.

Для устранения этих недостатков в ЦНИИТМАШе автором разработан и внедрен в промышленность ПЭП со свободно скользящим трубчатым протектором типа ИЦ-15. В качестве ма­ териала протектора выбрана маслостойкая резина, в которой де­ лается большое число проколов или сверлений. При перемеще­ нии ПЭП по изделию эластичный протектор вращается, облегает неровности контролируемого металла, что способствует улучше­ нию акустического контакта. В зазор между телом ПЭП и про­ тектором вводится масло. Для того чтобы исключить запипание

протектора вследствие трибоэлектрического заряда, обечайка

Рис. 4.19. ПЭП для контроля по грубой поверхности:

а- с эластичной диафрагмой И Ц - 31; б - с эластичным скользящим протектором

ИЦ - 15; в - с локальной ванной и стабилизацией уровня воды;

г - с капиллярными каналами конструкции УООРГРЭС; д - с мнкролокапьной ванной И Ц И - 2; / - пьезоэлемент; 2- вода; 3 - резиновая диафрагма;

4 - контролируемое изделие; 5 - призма; б- протектор; 7 - герметичная емкость; 8 - капиллярный канал; 9 - накладка; 10 - контактная жидкость

При разработке конструкции ПЭП для каких-либо специаль­ ных целей надо стремиться к тому, чтобы результаты контроля таким ПЭП как можно меньше зависели от квалификации и тех­ ники ручного сканирования операторов. Количественная оценка этих факторов может быть произведена путем измерения

данным ПЭЛ операторами различной квалификации на одном и том же образце с грубой поверхностью.

В ЦНИИТМАШе предложены ПЭП с иммерсионной локаль­ ной ванной и менискового типа. Эти ПЭП фактически не требуют специальной подготовки поверхности. Конструкция первого ясна из рис. 4Л9в. При работе в бачке создается небольшое разреже­

ние, которое удерживает воду внутри кожуха, и тем самым созда­ ется стабильный акустический контакт даже на весьма грубой поверхности ft, 300...400. Такая конструкция обеспечивает ни­

чтожный расход воды, но допускает возможность работы лишь в нижнем положении.

Разновидностью ПЭП с иммерсионной ванной является ме­ нисковый. Вода в мениск подается из небольшого бачка по тон­ кой трубке, поэтому расход воды весьма мал. Стабильность аку­ стического контакта практически не зависит от пространственно­ го положения ПЭП, что является его важным достоинством.

Весьма хорошие результаты по повышению стабильности чувствительности УЗ-дефектоскопа достигнуты при использова­ нии капиллярных эффектов. Здесь возможны различные конст­ руктивные решения.

Во-первых, саму акустическую задержку (призму) можно вы­ полнить из капиллярных слоистых материалов наподобие таких, которые используются в сердечниках фломастеров. Во-вторых, непосредственно на рабочую поверхность обычной призмы из оргстекла можно нанести слой капиллярно-пористого протектора небольшой толщины (например, FeW + ЭД - 6). В-третьих, в призме по ее периферии можно выполнить капиллярные каналы (сверления или фрезеровки). Во всех конструкциях капилляры служат аккумуляторами контактной жидкости и обеспечивают автоматическую подпитку контактного зазора, что способствует ускорению восстановления сплошности контактного слоя.

При контроле по очень грубой поверхности можно покрывать поверхности металла шпатлевкой, пластилином или укладывать «сэндвич», состоящий из 1...3 слоев рентгеновской пленки, каж­ дый из которых покрыт маслом. Можно также порекомендовать