книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

ПРЭ весьма перспективны для решения самых разнообразных проблем в дефектоскопии (рис. 4.25). В частности^ можно созда­ вать сканирующие системы, обеспечивающие последовательно построчное прозвучивание поковок, листов, сварных соединений. Такие системы позволяют формировать бегающий луч (скани­ рующий) со скоростью до нескольких метров в секунду при ста­ бильном акустическом контакте.

Поскольку диаграмма направленности определяется распре­ делением колебательной скорости в апертуре, интересна возмож­ ность синтезирования или варьирования диаграмм путем измене­ ния конфигурации разнесенного электрода. ПРЭ могут найти применение при контроле крупнозернистых и анизотропных ма­ териалов.

Несколько типов акустических блоков со сканирующим ПРЭ для контроля сварных швов и листовых конструкций разработано в ЦНИИТМАШе.

Г ЛАВ А 5

НАСТРОЙКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДЕФЕКТОСКОПА

5.1.Виды ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Настройка чувствительности дефектоскопа преследует две задачи: проверку работоспособности всего электрического тракта и регламентацию (жесткое задание) его чувствительности по опорному акустическому сигналу, полученному от какого-либо стандартизованного отражателя определенных геометрических размеров.

Контроль на произвольном уровне чувствительности дефек­ тоскопа может привести либо к тому, что необоснованно будет забраковано изделие вследствие регистрации эхо-сигналов от мелких неопасных дефектов или даже структурных неоднородно­ стей, либо к пропуску опасных дефектов.

Чувствительность дефектоскопа, определяемая в общем слу­ чае как возможность при контроле выявлять отражатели заданно­ го размера, является важнейшим параметром, определяющим достоверность и воспроизводимость результатов контроля. По­ этому обнаружение дефектов, оценка их величины и степени до­ пустимости для данного изделия должны производиться на стро­ го определенных уровнях чувствительности.

Различают несколько видов чувствительности: реальную, аб­ солютную, предельную, браковочную, поисковую и условную.

Реальная чувствительность определяется минимальными размерами реальных дефектов, которые могут быть обнаружены в сварных соединениях данного вида при выбранной настройке дефектоскопа. В силу различных отражающих свойств реальная чувствительность к трещинам будет отличаться от реальной чув-

ствительности к включениям и т.д. Численное выражение реаль­ ной чувствительности устанавливается на основании статистиче­ ского анализа дефектов сварных соединений, проконтролирован­ ных ультразвуком и подвергшихся металлографическим испыта­ ниям.

Абсолютная чувствительность характеризует максимально достижимую чувствительность электроакустического и электри­ ческого трактов дефектоскопа к акустическим сигналам и зависит от коэффициента усиления усилителя, мощности зондирующего импульса и двойного коэффициента преобразования пьезоэле­ мента. Она определяется отношением минимального акустиче­ ского сигнала РиУШ, который регистрируется дефектоскопом, к

амплитуде акустического зондирующего импульса Р0 (Pmin/P0)

и выражается в озрицательных децибелах.

Практически абсолютная чувствительность определяется на образце с искусственным отражателем и выражается в виде соот­ ношения:

Гтт - Ъ =(Г'-Ро)+*М ,дБ,

где Р' - рассчитывается по формулам акустического тракта с учетом параметров ПЭП, глубины и размеров данного отражателя; AM - запас чувствительности, определяемый разностью между показаниями аттенюатора, соответствующими максимуму амплитуды эхо-сигнала от отражателя, и амплитудой структурных шумов, фиксируемых на том же уровне экрана дефектоскопа.

Значения абсолютной чувствительности у современных де­ фектоскопов составляют 90... 110 дБ. Эта характеристика необхо­ дима для оценки потенциальных возможностей дефектоскопа с данным преобразователем, метрологического сравнения дефекто­ скопов различного типа между собой и т.д.

Предельная чувствительность определяется наименьшей эквивалентной площадью дефекта, расположенного на данной глубине в испытательном образце данного вида и уверенно выяв­ ляемого при заданной настройке регуляторов дефектоскопа. Час­ то этот уровень чувствительности называют контрольной чувст­ вительностью, а плоскодонное отверстие, по которому настраи­ вается этот уровень, - контрольным отражателем. Предельная чувствительность является основным параметром контроля и обычно регламентируется соответствующими нормативными документами.

Браковочная чувствительность характеризуется макси­ мальной величиной эквивалентной площади дефекта, предельно допустимого подействующим техническим условиям для данно­ го изделия. Обычно ее уровень несколько ниже, чем уровень пре­ дельной чувствительности.

Поисковая чувствительность определяет уровень усиления дефектоскопа при поиске дефектов. Необходимость ее введения обусловлена тем, что предельная чувствительность дефектоскопа в процессе сканирования значительно ниже, чем при неподвиж­ ном положении преобразователя. Величина поисковой чувстви­ тельности не должна строго регламентироваться в методиках и инструкциях. Обычно она на 6 дБ превышает уровень предельной чувствительности.

Условная чувствительность. В ряде случаев, например, при арбитражном контроле, предельную или браковочную чувстви­ тельность удобно фиксировать с помощью какого-либо СО, об­ ладающего строго заданными и постоянными акустическими свойствами. Для этой цели в ГОСТ 14782-86 предусмотрен стандартный образец (СО) № 1 из оргстекла, позволяющий пере­ вести соответствующую чувствительность в условную. Мерой условной чувствительности является глубина отверстия, эхосигнал от которого эквивалентен по амплитуде предельной или браковочной чувствительности.

Эталонирование чувствительности можно выполнять двумя способами: прямым - с помощью испытательных образцов и кос­ венным - по АРД-диаграммам. При прямом способе эталониро­ вание производится по СО или контрольному образцу или непо­ средственно по штатному изделию, в котором выполнено плос­ кодонное отверстие или другой отражатель равной ему эквива­ лентной площади, величина которого регламентируется соответ­ ствующими нормативными документами.

Прямым способом можно эталонировать чувствительность дефектоскопа любой конструкции. Этот способ наиболее прост и автоматически учитывает многие параметры акустического трак­ та. Но он весьма дорог, так как требует изготовления большого набора тест-образцов с различными отражателями.

Способ настройки по АРД-диаграммам состоит в том, что предельную чувствительность, выраженную через эквивалент­

ную площадь отражателя, устанавливают как долю от опорного эхо-сигнала, полученного от двугранного угла, бесконечной пло­ ской или цилиндрической поверхности и т.п.

5.2. Н а с т р о й к а п о к о н т р о л ь н ы м о б р а зц а м

Этот способ является основным при контроле сварных швов

металлических конструкций. Образец изготовляют из материала той же марки, такой же номинальной толщины и кривизны, что и контролируемое изделие. Обязательным условием является соот­ ветствие качества поверхности испытательного образца качеству поверхности контролируемого изделия и проведение термообра­ ботки, если она предусмотрена для штатного изделия.

На образце на расстоянии не менее 20 мм от одного из краев изготовляются искусственные эталонные отражатели, соответст­ вующие по эквивалентной площади требуемым значениям пре­ дельной или браковочной чувствительности. Производить на­ стройку чувствительности по контрольным образцам с реальны­ ми дефектами нельзя. Это объясняется невозможностью точного измерения величины и формы реальных дефектов и воспроизве­

дения их при тиражировании образцов.

При проработке контрольных образцов у разработчика мето­ дики У3-контроля обычно возникают следующие вопросы: а) какой тип контрольного отражателя выбрать? б) на какой глу­ бине его расположить? в) необходимо ли делать тест-образец со швом или без него?

Выбор типа отражателя определяется его отражательными свойствами, технологичностью и воспроизводимостью изготов­ ления.

ГОСТ 14782 - 86 предусматривает применение следующих видов отражателей: плоскодонное отверстие, боковой цилиндри­ ческий отражатель, угловой (зарубка) и сегментный (рис. 5.1).

Плоскодонное отверстие высверливают в контрольном об­ разце таким образом, чтобы его ось совпадала с преломленной осью ультразвукового пучка (рис. 5.1а). При настройке РС-ПЭП ось отверстия должка быть перпендикулярна к поверхности об­ разца. Сначала обычным сверлом заданного диаметра просвер­ ливают отверстие глубиной на 1,5...2 мм меньше, чем по черте­

жу. Затем на наждачном камне торцуют режущую кромку свер­ ла. Доводку торцевой части выполняют на абразивной шкурке. Качество торцовки проверяют с помощью инструментального угольника на просвет. Затем этим сверлом доводят отверстие до заданной глубины. Качество отражающей поверхности (наличие рисок) проверяют путем прощупывания тонкой иголкой или булавкой.

Рис. 5.1. Испытательные образцы для эталонирования чувствительности со стандартными отражателями по ГОСТ 14782 - 86:

а - плоскодонным; б - боковым цилиндрическим; в - плоским угловым (зарубкой); г - сегментным

У эталонного отражателя в виде плоскодонного отверстия имеется существенное достоинство - крутая монотонная зависи­ мость приращения амплитуды эхо-сигнала с увеличением диа­ метра отражателя. Но этот отражатель весьма трудно изготовить под заданным углом к поверхности образца. Кроме того, не все­ гда удается выполнить плоской и гладкой его отражающую по­ верхность.

Боковое отверстие - наиболее технологичный тип отража­ теля.

Рис. 5.2. Испытательные образцы с нестандартными отражателями: цилиндрический угловой (сверление) - а\ паз, риска - б; вогнутая цилиндрическая поверхность, СО-3 - в; V-2 - г

Радиус бокового цилиндрического отражателя Ьи бесконеч­

ной длины, расположенного на расстоянии г , эхо-сигнал от ко­

торого равен эхо-сигналу от плоскодонного отверстия радиусом

Ьп на том же расстоянии, может быть найден из табл. 3.1 или

рис. 5.3.

А, дБ

Рис. 5.3. Зависимость амплитуды сигнала от диаметра отражателей: Л 2 - боковых; 3 , 4 - плоскодонных, расположенных на глубине 50 и 100 мм

Боковое отверстие необходимо сверлить на расстоянии не менее 8 ..Л0 мм от нижней поверхности образца. Если это усло­ вие не соблюдается, то на прямой эхо-сигнал от отверстия накла­ дывается эхо-сигнал, отраженный от поверхности и дефекта, и результирующий эхо-сигнал осциллирует с размахом по ампли­ туде до 8...9 дБ.

Существенный недостаток боковых отверстий - влияние бо­ ковой грани образца. При настройке максимум эхо-сигнала от отверстия можно фиксировать, направляя преобразователь пер­ пендикулярно к оси отверстия, что правильно, или на угол, обра­ зованный отверстием и боковой гранью образца. В последнем случае амплитуда сигнала в 1,5...2,5' раза может быть выше. На­ стройка в таком положении преобразователя приведет к зани­ женному уровню предельной чувствительности.

Основными преимуществами бокового отверстия являются легкость изготовления, хорошая воспроизводимость и возмож­ ность использования для любых типов преобразователей.

Угловой отражатель («зарубка») (см. рис. 5.1в) хорошо ими­ тирует выходящие на поверхность трещины и непровары и явля­ ется весьма удобной заменой плоскодонного отверстия.

Рассеяние ультразвука на поверхностных и подповерхност­ ных отражателях имеет сложный интерференционный характер, поэтому обычные методы лучевой акустики для расчета полей здесь неприемлемы.

При отражении поперечных волн от свободной поверхности твердого тела при углах ввода, больших 3-го критического (для металла 45°>а>33°), происходит вырождение отраженной про­ дольной волны в неоднородную. Вследствие интерференции ее с отраженным пучком происходит быстрое изменение фазы коле­ баний в последнем, что эквивалентно его смещению А вдоль поверхности (незеркальное отражение).

Таким образом, наличие смещения приводит к кажущемуся увеличению размеров отражателя. В этой области (при а < 45°)

В области углов a > 50е волна падает на отражатель под уг­ лами, близкими к 3-му критическому, и отраженное от зарубки поле складывается из двух дифрагированных на ребрах (действи­ тельном и мнимом) волн.

В области углов ввода а > 60° волна падает уже на отража­ тель вблизи 3-го критического угла. В этом случае происходит трансформация поперечных волн в объемную продольную волну и образование двух краевых волн, расходящихся от ребер (дейст­ вительного и мнимого) отражателя. Поверхность отражателя в рассеянии фактически не участвует. Все это приводит к резкому уменьшению амплитуды отраженной поперечной волны. Поэто­ му для сопоставления размеров равносигнальных отражателей различного типа (плоскодонных отверстий и зарубок и т.п.) нель­ зя использовать приближенные расчетные методы, а, учитывая сложность выполнения строгих расчетов, целесообразно исполь­ зовать экспериментальные данные (рис. 5.4). Если ширина Ь3 и

высота из зарубки больше длины поперечной ультразвуковой волны, а отношение 4 > h^/b^ > 0,5, то, как и плоскодонное от­

верстие, зарубка обладает крутой и линейной зависимостью ам­ плитуды эхо-сигнала от ее площади. При меньших размерах за­ рубки эхо-сигнал от нее осциллирует по амплитуде. Для перерас­ чета предельной чувствительности от плоскодонного отверстия к зарубке можно применить экспериментально найденное соотно­ шение 53 = Sn/ N Коэффициент N определяют по графику

N =q>(L) (рис. 5.5). Как видно, он практически не зависит от

материала.

площадь зарубки, мм2

Рис. 5.4. Сопоставление размеров рявноснталы1ых цилиндрических угловых отражателей диаметром d и зарубок. Отражатели выполнены в стальных пластинах толщиной б и 14 мм (!) и в образцах труб диаметром 32 мм, толщиной б мм (2) (40]

Отражатели типа зарубок выдавливают в тисках или на гид­ равлическом прессе специально заточенным инструментом - бойком. Конец бойка должен быть заточен и установлен таким образом, чтобы плоская передняя грань углубления была перпен­ дикулярна поверхности образца. Валик вытесненного металла удаляют. Глубину зарубки измеряют индикатором с игольчатым нутромером или остро заточенным глубиномером штангенмаузера Если в зоне зарубки обнаружена трещина, то использо­ вать последнюю нельзя.

Рис. 5.5. Усредненная кривая х - титан; • - сталь, по ГОСТ 14782 - 86;

Д - алюминий

Зарубка как эталонный отражатель имеет одно преимущество - она может изготовляться непосредственно на контролируемом изделии (естественно, если оно имеет плюсовой допуск по тол­ щине).

В химическом машиностроении для настройки чувствитель­ ности дефектоскопа широкое распространение получил сег­ ментный отражатель (см. рис. 5Лг). Его выполняют с помощью

фрезы на поверхности образца Отражающая поверхность сег­ мента площадью iSc должна быть перпендикулярна к прелом­

ленной акустической оси ПЭП. Теоретически и эксперимен­

тально показано, что для а = 50 ±5° <SC=Sn . Для других значе­

ний а это соотношение нарушается. Чтобы уменьшить по­ грешность, сегментные отражатели целесообразно выполнять на