книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Значительный объем информации о дефекте может быть по­ лучен при измерении условной высоты АН и условной ширины АХ дефекта по обратному и зеркальному сигналам и сравнению

полученных численных значений между собой. Измерение этих информативных признаков производится по принципам, изло­ женным в ГОСТ 14782 - 86.

В случае небольших размеров дефектов (b < а) измерение

крайних сигналов может быть выполнено как при одновременном перемещении искателей, так и при одном неподвижном искателе (обычно первом). Для дефектов значительных поперечных разме­

ров (Ь>а) измерения АН и АХ должны производиться при

построчном сканировании по асимметричной или симметричной схеме.

Ширину огибающей последовательности зеркальных' сигна­ лов измеряют на экране дефектоскопа при постоянном уровне чувствительности, установленном при эталонировании (Аут=const), либо на определенном уровне от максимальной

амплитуды измеряемого сигнала (обычно принимают =

= 0,5А^ max ). Иногда полезно за опорный уровень принимать уро­

вень максимального обратного сигнала.

При измерении первым способом условный размер пропор­ ционален амплитуде зеркального сигнала и соответственно будет уменьшаться с увеличением глубины залегания дефекта. При из­ мерении вторым способом условный размер не зависит от 4, и, следовательно, от глубины залегания. В этом случае он несет ин­ формацию о размерах дефекта по сечению.

Соотношение условных размеров по А ^ и А^ позволяет су­

дить о типе дефекта и ориентации плоскостных дефектов в вер­ тикальной плоскости.

6.4.Временные способы определения

ВЕЛИЧИНЫ ДЕФЕКТОВ

Временные способы подразделяются на собственно времен­ ные, когда регистрируется временная задержка прихода послан­ ной волны, обусловленная ее обеганием по поверхности дефекта,

идифракционно-временные, основанные на явлениях дифракции

итрансформации объемных и поверхностных волн на трещинах.

При наличии трещины на поверхности контролируемого из­ делия, вдоль которой распространяется поверхностная волна, часть энергии отражается от границы раздела плоскость - трещи­ на и нижней части трещины; часть, дифрагируя, распространяет­ ся вокруг трещины и часть трансформируется в объемные попе­ речные и продольные волны. Измеряя с помощью двух ПЭП вре­ мя распространения поверхностной волны вокруг трещины и по­ лагая, что на всем пути скорость неизменна, определяют ее глу­ бину.

Этот метод наиболее эффективен при контроле трещин в из­ делиях, в которых действует растягивающее напряжение. При отсутствии таких напряжений трещины имеют небольшое рас­ крытие и большая часть энергии проходит через нее.

В работе [30] предложены временные способы измерения глубины трещин, основанные на регистрации дифрагированной продольной или поперечной волны. При этом о глубине трещи­ ны hf судят по времени запаздывания дифрагированной волны

(рис. 6.10) [22, 23]. Преимуществом данного метода является то, что амплитуда регистрируемого сигнала практически не зависит от наклона трещины и состояния поверхностей изделия и тре­ щины. Таким методом можно измерять глубину трещин в изде­ лиях с неэквидистантными поверхностями. Точность метода, как и методов, основанных на использовании поверхностных волн, в основномопределяется точностью измерения времен­ ных интервалов.

Амплитуда дифрагированного луча зависит от углов и типов волн падающего луча, а также от степени раскрытия трещины. Стянутая трещина прозрачна для падающего луча и на ней ди­ фракции не возникает. Амплитуда дифрагированного луча, реги­ стрируемого приемником, тем больше, чем больше угол между падающим и дифрагированными лучами.

Временное разрешение максимально, когда в треугольнике дифракции, стороны которого составляют лучи (опорный, па­ дающий и дифрагированный), угол 2у = 140°. С этой же целью целесообразно применение поперечных волн.

Высота внутренних трещин (не выходящих на поверхность) определяется путем измерения времени задержки At между ди­

фрагированными сигналами от верхней и нижней вершины де­ фекта. Применяя раздельные излучающий и приемный ПЭП с углами ввода а } и а 2, вначале находят максимум сигнала, ди­

фрагированного на верхнем конце трещины, и измеряют время его прихода, а затем раздвигают ПЭП и измеряют время прихода дифрагированного сигнала на нижнем конце трещины при его максимальной амплитуде.

Рис. 6.10. Измерение величины трещины по времени задержки дифрагированных сигналов:

а - при прозвучиваиии двумя П Э П с Двух сторон дефекта; 6 - при прозвучивании одним П Э П и оценке ДЛР по задержке между импульсами в двойном сигнале

Высоту трещины определяют из выражения hf = cAf/(seca, + seca2).

Чтобы оптимизировать параметры акустической системы, це­ лесообразно использовать выражение, определяющее условие получения максимального дифрагированного сигнала Адф;

- V 4 > = f ^ e x p { - 8 , 5 10-3( 150 - аэ)2} ^ ® ,

где В - постоянная, зависящая от размеров пьезоэлемента и величины зерна.

Для продольных волн оптимальный угол ввода а = 65°, для

поперечных оц = 40°. В тонкостенных изделиях для измерения высоты трещины наиболее целесообразно применять продольные волны (с*) = 60...70°), а в толстостенных - поперечные волны

(а, = 37...47°).

Метод имеет тенденцию к занижению истинного размера на 1,5 мм. Абсолютная ошибка в определении размеров дефектов по сечению шва составляет ±1,5 мм.

6.5.Измерение дефектов типа «цепочек»

При разбраковке очень важной является возможность распо­ знавания сплошного непрерывного дефекта, например непровара, от цепочки дефектов типа шлаковых включений и пор.

Возможность разрешения двух рядом находящиеся отражате­ лей характеризуется фронтальной разрешающей способностью ПЭП. Она определяется минимальным расстоянием между дефек­ тами Lp , залегающими в плоскости, перпендикулярной акустиче­

ской оси пучка, при котором эти дефекты в процессе перемещения ПЭП по поверхностиизделия регистрируются раздельно.

Если перемещать ПЭП по поверхности изделия в плоскости, в которой находятся оба дефекта, то суммарная амплитуда эхосигнала А в зависимости от расстояния между дефектами Lp бу­

дет изменяться, как показано на графиках рис. 6.11. Максимальный сигнал имеет место, когда преобразователь

расположен над одним из дефектов. Если преобразователь распо­ ложен между дефектами, то при небольших расстояниях эхосигнал, пришедший от более дальнего дефекта, интерферирует с эхо-сигналом от ближнего дефекта и в зависимости от фазовых соотношений или усиливает, или ослабляет суммарный эхосигнал. Этим объясняется довольно сложный характер графика. Когда преобразователь расположен посередине, между дефекта­ ми, разность фаз от двух дефектов равна нулю.

Можно считать, что два дефекта выявляются раздельно, если минимальный и максимальный эхо-сигналы отличаются по вели­

умноженное на отношение длины волны ультразвука к радиусу пьезоэлемента

Рис. 6.12. Изменение уровня разрешения М. =Ат„ -А^ь» дБ» от расстоянии между плоскодонными отражателями (lb =2 мм) в горизонтальной плоскости:

г = 85 мм; / - ПЭП;/= 1,8 МГц; 2а = 18 мм; р = 40°; 2 - ПЭП;/= 2,5 МГц; 2а= 12 мм; р = 40°

При контроле реальных изделий вследствие естественных на­ рушений рассмотренной геометрии прозвучивания и неидектичности дефектов эти соотношения не будут точно соблюдаться. Поэтому фронтальная разрешающая способность в реальных ус­ ловиях будет выше, чем для моделей дефектов (т.е. Lp - мень­

ше). Если при перемещении преобразователя на расстояние меньше фронтальной разрешающей способности появляется не­ сколько эхо-сигналов, это не означает, что в шве имеется столько же дефектов.

6 .6 . С п о с о б ы р а с п о зн а в а н и я т и п а д е ф е к т о в

Информация о типе дефекта может быть получена путем ана­ лиза индикатрисы рассеяния, т.е. анализа распределения ампли­ тудно-частотных и амплитудно-временных характеристик рас­ сеяния на дефекте поля. В зависимости от вида измеряемых па­ раметров, метода их получения и обработки можно провести ус­ ловную классификацию информативных признаков:

1) анализ пространственного распределения амплитуд эхосигналов на одной частоте и, в частности, по выбранным фикси­ рованным направлениям: в. вертикальной и горизонтальной плос­ костях;

2) амплитудно- и фазочастотный анализ эхо-сигналов в од­ ном или нескольких направлениях (спектральный метод);

3)анализ временных характеристик дифрагированных и трансформированных на дефектах волн;

4)анализ характеристик поляризации отраженных от де­ фектов линейно-поляризованных сдвиговых волн;

5)методы ультразвуковой голографии и томографии. Оценка допустимости обнаруженного в сварном шве дефекта

должна максимально полно и точно отражать степень потенци­ альной опасности дефекта для эксплуатационной прочности шва.

Потенциальная опасность дефекта определяется его формой. Элементы тонкой структуры несплошности, по которым произ­ водятся ее идентификация и оценка степени опасности, в частно­ сти, остро га края дефекта, измеряются десятыми и сотыми доля­ ми миллиметра, что не позволяет производить оценку этого па­ раметра в применяемом для дефектоскопии частотном диапазоне ультразвуковых волн. При контроле возможно распознавание элементов структуры, больших длины волны акустического из­ лучения А.,т.е. больше0,4...0,5 мм.

По этой причине возможности ультразвукового контроля в идентификации дефектов принципиально ограничены.

Сопоставление результатов выполненных автором исследо­ ваний морфологических (профиль поверхности) и отражательных характеристик дефектов позволило сформулировать количест­ венные признаки плоскостных и объемных дефектов [92].

Трещиноподобные и объемные дефекты имеют резко отлич­ ные числовые выражения морфологических и отражательных характеристик у различных типов и в то же время достаточно тесно коррелированы между собой в пределах одного типа (табл. 6.1). При этом средние значения отражательных характе­ ристик реальных дефектов различных типов приняты за эталоны классов в системе распознавания.

На уровне значимости 0,1 плоскостным предлагается считать

дефект, у которого djL <0,1, a tg26/, <0,12 (или 5 ^ <2,3 мм2).

Для того чтобы обеспечить достоверную идентификацию де­ фектов, проводимую при штатном контроле на производстве, к информативным признакам предъявляются следующие требова­ ния:

•возможность представления информации о типе дефекта в виде количественного критерия (числового выражения);

•высокий уровень распознавания, определяемый расстояни­ ем Х 0 между эталонами классов в пространстве признака.

Правильный выбор информативных признаков описания де­ фектов, т.е. таких признаков, в которых сосредоточена наиболее существенная для распознавания информация, является одной из важнейших и необходимых предпосылок успешного решения задачи распознавания в целом.

Выполненные исследования характеристик дефектов позво­ лили предложить информативные признаки, удовлетворяющие этим требованиям, установить их числовые значения и границы измерения.

Коэффициент формы дефектов Кф, предложенный

В.Г. Щербинским и В.Е. Белым, определяется в виде отноше­ ния амплитуд сигналов - отраженного от дефекта обратно к искателю А^6р и испытавшего двойное зеркальное отражение

от дефекта и внутренней поверхности изделия при прозву-

чивании дефекта двумя однотипными наклонными ПЭП (рис. 6.13а).

в

Рис. 6.13. Измерение коэффициента К+ объемного (1) н плоскостного (2) дефектов:

а - в толстостенных соединениях; б - в прутках, валах; в - в тонкостенных свар­ ных швах; Лавр.; А%- амплитуды эхо-сигналов, принятых первым и вторым ПЭП