книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Таким образом, на экране дефектоскопа можно наблюдать серию последовательных сигналов, соответствующих переходу энергии волн типа Lq в Т2 (и обратно) и пробегу этих волн от

одной поверхности образца к другой.

Установлено, что амплитуда головной волны быстро затухает

по закону г~3/2, поэтому она распространяется вдоль поверхно­ сти образца на расстояние до 300 мм.

При распространении продольной волны вдоль трещины (рис. 2.9) часть энергии продольной волны в результате взаимо­ действия с берегами трещины переходит в две головные волны, которые, в свою очередь, излучают по обе стороны от трещины боковые волны под углом (для стали 33,5° к нормали трещины). При обратном ходе продольной волны вновь излучаются дифрак­ ционные волны, которые могут быть приняты приемным преоб­

разователем /, но уже под углом а = 90” -33,5° = 56,5° к нормали

поверхности. Поскольку головные волны не реагируют на валики усиления шва и другие неровности, то благодаря этому их ус­ пешно применяют при контроле подповерхностных дефектов, расположенных на глубине (3.. .4) X .

Рис. 2.9. Схема образовании н распространения головных н боковых волн на трещине:

1 , 2 - приемники; 3 - излучатель

Значения скоростей волн основных типов применяемых в де­ фектоскопии сварных швов приведены в табл. 2.1. Помимо этого, при определенных условиях в твердом теле могут распростра­ няться волны Стоунли, Порхгамера и др.

’ В табл. 2.2. приведены акустические характеристики некото­ рых материалов.

СО

+

ратурного отжига, ведущего к полному уравновешиванию струк­ туры.

Так, относительное изменение скорости ультразвука в спла­ вах, в зависимости от их структурного состояния и внешних воз­ действий, составляет не менее 3 %. Это необходимо учитывать при выборе параметров контроля и идентификации дефектов.

Вчастности, на практике большие проблемы возникают при контроле нетермообработанных сварных швов. В этих швах не только значительное затухание, но и существенные вариации в скорости ультразвука.

Втабл. 2.3 приведены данные по скорости ультразвуковых продольных волн в различных сталях в зависимости от режимов

термообработки, полученные В.А. Щукиным.

2.2.Основные способы возбуждения

ультразвуковых колебаний

Пьезоэлектрический. В ультразвуковой дефектоскопии в качестве излучателей и приемников ультразвука чаще всего ис­ пользуют круглые, прямоугольные или квадратные пьезопласти­ ны из пьезокерамики типа ЦТС-19 или пьезокварца. При подаче на пьезопдастину электрического напряжения она изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектриче­ ского эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт с этими изменениями, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излу­ чатель (рис. 2.10аг). И наоборот, если пьезоэлектрическая пласти­ на воспримет импульс давления (отраженная ультразвуковая волна), то на ее обкладках вследствие прямого пьезоэлектриче­ ского эффекта появятся электрические заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приемник (рис. 2.10б). Для приложения и съема электрического

поля на противоположных поверхностях пьезопластины нанесе­ ны серебряные электроды.

К преимуществам этого способа относятся высокая чувстви­ тельность и малогабаритность пьезопреобразователей. Основным недостатком, существенно ограничивающим применение данного способа, является необходимость жидкой контактирующей среды для передачи ультразвуковых колебаний от преобразователя к изделию и обратно. Кроме того, наличие тонкой жидкой про­ слойки (меньше X) приводит к нестабильности акустического

тельное движение частиц среды в магнитном поле и приводит к возникновению вихревых токов. Электромагнитное поле этих токов» пересекая высокочастотную катушку, будет наводить в ней переменную ЭДС, которая преобразовывается в электриче­ ский сигнал, усиливается и регистрируется индикатором.

S I

Рис. 2.11. Схема возбуждения ультразвука ЭМА-методом:

I - контролируемое изделие. 2 - постоянный магнит; 3 - высокочастотная катуш­ ка; 4 - контур вихревого тока; S- электродинамическая сила, действующая

на частицы металла; 6 - возбужденная поперечная волна

Описанный электродинамический эффект позволяет возбуж­ дать как поперечные, так и продольные волны в любых токопро­ водящих материалах. В ферромагнитных материалах эффектив­ ность возбуждения продольных волн хуже в сравнении с попе­ речными, вследствие большой магнитной проницаемости этих материалов. Для возбуждения волн под углом к поверхности, волн Рэлея и Лэмба применяют катушки с противоположным направлением тока, в которых проводники расположены на рас­ стоянии Ср / 2/ , где Ср - фазовая скорость.

С помощью ЭМА-метода удается возбудить нормальные по­ перечные волны, что крайне трудно сделать другими способами. Одним из важных достоинств метода является стабильность ам­ плитуды сигнала при наличии неровностей поверхности, окалины или краски. К достоинствам метода следует также отнести воз­ можность контроля при высоких температурах (до 1300° С), из­ бирательную возможность приема того типа волн, который нас особенно интересует. Последний фактор особенно важен при изучении типа волн от источников акустической эмиссии. Недос­ татками следует считать громоздкость преобразователей и резкое

Помимо термомеханического эффекта для изделий неболь­ ших размеров (диски диаметром 10,.30 мм и Н - 1 мм) появление

акустических волн обусловлено импульсом отдачи, возникаю­ щим при выбросе части материала с поверхности образца. Аку­ стический импульс может возбудиться также вследствие эффекта светового давления. Однако интенсивность возбуждаемых коле­ баний от этого воздействия крайне низка и их трудно зарегистри­ ровать обычной аппаратурой.

Одна из сложных задач при данном способе возбуждения связана с приемом ультразвуковых колебаний, например, приме­ нение интерферометров (рис. 2.13). Луч от гелиевого лазера рас­ щепляется полупрозрачным стеклом на два луча. Один из них проходит на колеблющееся от ультразвуковой волны изделие, а второй в интерферометр. Отраженный от изделия луч также по­ ступает в интерферометр, сравнивается с опорным, усиливается и поступает на осциллограф. Диапазон частот принимаемых^сиг­ налов 0,05... 10 МГц.

Рис. 2.13. Схема возбуждения ультразвука лазером:

1 - твердотельный лазер; 2 - объект контроля; 3 - полупрозрачное стекло; 4 - интерферометр; 5 - усилитель; 6 - регистратор; 7 - гелиевый лазер

Однако интерферометры обладают рядом недостатков, глав­ ные из которых - наличие шумов фотоумножителя, чувствитель­ ность к вибрациям, сложность и громоздкость. Чувствительность приведенной схемы контроля значительно ниже по сравнению с обычным способом контроля. Основные причины, сдерживаю­ щие применение лазерного возбуждения, - это нерешенная про­ блема приема сигналов и отсутствие твердотельных лазеров, от­ вечающих необходимым требованиям по частоте посылаемых импульсов и их надежности. Тем не менее лазерный способ воз­ буждения ультразвуковых колебаний весьма перспективен, учи­ тывая большую амплитуду.(в 500... 1000 раз больше, чем пьезо­

преобразователем), малую длительность (единицы нс) зонди­ рующего импульса, практически отсутствие мертвой зоны.

Радиационное возбуждение. При облучении твердого тела потоками частиц-ускорителей (электронными пучками) в нем генерируются акустические волны вследствие термомеханиче­ ских напряжений, динамического удара и черенковского излуче­ ния заряженных частиц. Причем доминирующий вклад вносит термомеханический эффект. При достаточно коротких импульсах потока электронов генерируются весьма короткие акустические импульсы.

В настоящее время в качестве источника электронов исполь­ зуют установку типа МИРА-2Д с двухэлектродной трубкой ИМАЗ-150Э с холодным катодом (рис. 2.14). Вывод электронно­ го пучка в атмосферу осуществляют через тонкое бериллиево окно толщиной 0,1...0,2 мм, которое обеспечивает надежную гер­

метизацию, пропускание электронов с малым поглощением и высокую температуру плавления.

Рис. 2.14. Схема возбуждения ультразвука пучком электронов:

1- ускоритель электронов; 2 - мишень; 3 - объект контроля; 4 - ЭМА-преобразователь; 5 - усилитель; б - осциллограф

В сильноточном пучке при большой концентрации ионов средняя плотность потока электронов в пучке остается практиче­ ски постоянной на значительном расстоянии от источника. При малых концентрациях ионов расходимость пучка очень сильная. Установлено, что максимальное расстояние, на котором хорошо возбуждаются УЗ-импульсы, равно к 60 мм.

Длительность УЗ-импульса незначительна и составляет 25...30 нс, а амплитуда 20 мВ, акустическое давление, возни­ кающее в образце, примерно такое же, как и при лазерном воз­

буждении, и составляет 5-107 Па. При лазерном и радиацион­