АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКИЙ ИНСТИТУТ МОНТАЖНОЙ ТЕХНОЛОГИИ – АТОМСТРОЙ» (АО «НИКИМТ-Атомстрой») НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ Часть 4 УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ Учебно-методическое пособие Москва-2024 1 УДК 621.791.052 (075.32); 662.691.4.053, 681.2 Структурное подразделение: учебно-методический отдел АО «НИКИМТ-Атомстрой» Составители: главный специалист, к.т.н., доцент Наталенко В.С. Рецензенты: Заведующий кафедрой робототехники и технической механики РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, докт техн. наук, профессор А.А. Антонов Доктор технических наук, профессор кафедры «Оборудование и технологии сварочного производства» ФГАОУ ВО «Московский Политехнический университет» Р.А. Латыпов Главный технолог НПЦ АТО ФГУП ВНИИА им. Духова ГК Росатом А.Г. Лобанов Начальник отдела технического контроля НПЦ АТО ФГУП ВНИИА им. Духова ГК Росатом А.Н. Кудаев Начальник сварочного участка НПЦ АТО ФГУП ВНИИА им. Духова ГК Росатом В.Н. Медведев Учебно-методическое пособие предназначено для квалифицированных рабочих и специалистов, обучающихся по профессии «Специалист по неразрушающему контролю» (Профессиональный стандарт 40.108, утв. приказом Министерства труда и социальной защиты РФ от 3 декабря 2015 г. N 976н). Цель настоящего учебного пособия заключается в расширении у будущего специалиста по неразрушающему контролю необходимого комплекса знаний по особенностям применения методов НК при оценке качества сварных швов и соединений. В пособии кратко рассмотрены технологические особенности термических разновидностей сварки, влияющие на качество сварного шва и соединения. Пособие может быть использовано специалистами других специальностей, применяющих в своих разработках отдельные вопросы по теории и практике проектирования, производства и монтажа объектов, создаваемых с применением сварочных технологий. Пособие предназначено также для подготовки специалистов по НК рамках чемпионатов по стандартам WorldSkills. 2 РАЗДЕЛ 4. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ Тема 4.1 Краткая теория УЗК Ультразвуковой контроль (УЗК) - метод неразрушающего контроля, использующий ультразвуковые волны для выявления дефектов. С помощью УЗК можно обнаруживать поверхностные и внутренние дефекты, представляющие собой нарушение сплошности, неоднородность структуры, зоны поражения межкристаллитной коррозией, дефекты сварки, пайки и т.п. Ультразвуковой метод позволяет измерять геометрические параметры, например, толщину при одностороннем доступе к изделию, а также физико-механические свойства материалов без их разрушения. Преимущества УЗК изделий: - высокая чувствительность, позволяющая выявлять мелкие дефекты; - большая проникающая способность, позволяющая обнаруживать внутренние дефекты в крупногабаритных изделиях; - возможность определения места и размеров дефекта; - мгновенная индикация дефектов, позволяющая автоматизировать контроль; - возможность контроля при одностороннем доступе к изделию; - простота и высокая производительность контроля; - полная безопасность работы оператора и окружающего персонала. ТУ УЗК-1-19 распространяются на ультразвуковой метод контроля сварных соединений и основного металла, и устанавливают область применения, общие требования к оборудованию, технологической последовательности выполнения операций, оценке качества, обработке и оформлению результатов контроля и требования безопасности в рамках чемпионатов по стандартам WorldSkills. 3 4.1.1 Физические основы ультразвуковой дефектоскопии Ультразвуковая дефектоскопия основана на использовании упругих колебаний ультразвукового диапазона частот. Ультразвуковые колебания - механические колебания упругой среды с частотой более 20 кГц. Для УЗК применяют колебания частотой 0,5...25 МГц. В качестве излучателей и приемников ультразвука используют пластины из пьезоэлектрического материала — керамики или кварца (пьезопреобразователи). При сжатии - растяжении пластины на ее поверхности вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются электрические заряды, величина которых может быть измерена (рисунок 4.1, а). Пъезопластина работает как приемник. Рисунок 4.1. Работа пьезопластины: а - воздействие внешних сил; б - подача напряжения на пъезокристалл 1. При подаче на пъезокристалл 1 электрического напряжения он изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта (рисунок 4.1, б). Если напряжение знакопеременно, то кристалл колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пъезопластина работает как излучатель. Распространение ультразвука в пространстве - волновой процесс. Граница, отделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, еще не начавших колебаться, носит название фронта волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения, длиной и частотой. Длина волны (X) - расстояние между ближайшими частицами, которые колеблются одинаковым образом (в одной и той же одинаковой фазе). Число волн, проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту волны. Длина волны λ связана со скоростью ее распространения и частотой колебаний соотношением: 4 = C f (4.1) где: С - скоростью распространения волны; f - частота колебаний. В зависимости от направления колебаний частиц среды различают: продольные и поперечные волны. Если частицы колеблются вдоль направления распространения волн, то такие волны (рис. 5.2, а) называются продольными (волнами сжатия), а если перпендикулярно направлению распространения, то волны (рисунок 4.2, б) называются поперечными (волнами сдвига). Рисунок 4.2 - Продольная (а) и поперечная (б) волна: 1 - направление движения частиц среды; 2 - направление распространения волны; λ - длина волны. Поперечные волны возникают только в среде, обладающей сопротивлением сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах образуются только продольные волны. В твердой среде могут возникать как продольные, так и поперечные волны. Скорость распространения поперечной волны в металлах составляет примерно 0,55 скорости продольной волны. Акустическими (упругими) волнами называют механические возмущения (деформации) распространяющиеся в упругом теле. При этом, частицы среды не переносятся, а лишь совершают колебания относительно точек равновесия. Если с помощью источника волн в детали возбудить колебание, то оно начнет распространяться в металле от частицы к частице со скоростью распространения волны. 5 На свободной поверхности твердого тела можно возбудить поверхностные волны, или волны Рэлея, которые являются комбинацией поперечных и продольных волн (рисунок 4.3, а). Амплитуда колебаний частиц по мере удаления от свободной поверхности убывает по экспоненте, поэтому волна локализована в тонком поверхностном слое толщиной 1-1,5 λ. В плоских телах и телах постоянной толщины (листах, тонких пластинах, проволоке) можно возбудить нормальные волны, или волны Лэмба (рисунок 4.3, б, в). В симметричных волнах вертикальные смещения 5 частиц пластины имеют противоположные знаки (происходят симметрично относительно плоскости симметрии пластины). В антисимметричных волнах вертикальные смещения 5 частиц пластины имеют одинаковые знаки. Рисунок 4.3 - Поверхностная (а)и нормальная (б, в) волна: 1 – направление распространения волны 2; 3, 5 - горизонтальное и вертикальное смещение частиц пластины; 4 - плоскость симметрии пластины. Закономерности распространения акустических вол 6 В ультразвуковом контроле в большинстве практических задач принимается прямолинейный закон распространения акустических волн. Для описания акустического поля волны применяют понятия: фронт и луч (рисунок 4.4). Рисунок 4.4 - Акустическое поле волны Луч волны – прямая линия, вдоль которой распространяется волна, фронт волны – поверхность все точки которой колеблются в одной фазе. В процессе распространения волны лучи расходятся, площадь фронта увеличивается, но количество энергии остается постоянным, следовательно, амплитуда уменьшается. Понятия луч и фронт широко применяются для построения схем прозвучивания объектов контроля. На рисунке 4.5 приведена схема прозвучивания сварного шва наклонным преобразователем 1. Акустическая волна показана центральным лучом 5. Контроль шва проводится в двух положениях преобразователя: контроль верхней части шва отраженным от донной поверхности лучом4 и контроль нижней части шва прямым лучом 2. 7 Рисунок 4.5 - Схема прозвучивания сварного шва наклонным пьезоэлектрическим преобразователем: 1 - пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП); 2 – прямой луч; 3 – сварной шов; 4 – отраженный луч; 5 – центральный луч. Различают фронты волны: плоский, цилиндрический и сферический. У волны с плоским фронтом (поверхностные или волны в пластинах, стержнях) ультразвуковые лучи параллельны, площадь фронта не увеличивается, поэтому амплитуда волны остается постоянной. У волн с цилиндрическим и сферическим фронтами (поперечные волны массивных образцах) лучи расходятся, фронт увеличивается, поэтому амплитуда волны при распространении волны уменьшается. Расхождение волны от источника приводит к уменьшению амплитуды эхоимпульсов, отраженных от дефектов. При этом, чем дальше от преобразователя расположен дефект, тем меньше регистрируемая дефектоскопом амплитуда эхоимпульса. Рассмотрим процесс прохождения короткого (зондирующего) импульса ультразвуковых колебаний в среде. Вблизи от излучателя, в области, называемой ближней зоной, ультразвуковой пучок почти не расходится и имеет цилиндрическую форму. Далее начинается постепенное расхождение ультразвуковой волны, и пучок приобретает форму усеченного конуса. Распределение энергии в поперечном сечении этого конуса неравномерно: максимальная интенсивность излучения соответствует оси пучка, а минимальная — периферии конуса. Распределение интенсивности излучения в дальней зоне, представленное в виде графика в полярных координатах, называют диаграммой направленности ультразвукового поля. По мере удаления от источника интенсивность излучения падает в результате расхождения пучка и затухания колебаний. 8 По оси пучка ультразвуковые колебания затухают по экспоненциальному закону: A = A0 e−x (4.2) где: А — амплитуда колебаний на расстоянии х от излучателя; A0— амплитуда зондирующего импульса; δ — коэффициент затухания. Коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения δп и рассеяния δр. При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии энергия остается звуковой, но уходит из направленно распространяющейся волны. Поглощение обусловлено вязкостью, упругим гистерезисом (т. е. различной упругой зависимостью при расширении и сжатии) и теплопроводностью. Последний механизм поглощения связан с тем, что процесс распространения акустической волны считают адиабатическим. Расширение или сжатие элементарного объема сопровождается изменением температуры, но они настолько кратковременны, что процесс выравнивания температуры можно не учитывать. В действительности теплопроводность существует и способствует потере энергии колебаний. Рассеяние происходит из-за наличия в среде неоднородностей (с отличным от среды волновым сопротивлением), размеры которых соизмеримы с длиной волны. Различие в волновых сопротивлениях приводит к отражению волн. Для одной и той же среды поглощение поперечных волн при меньше, чем продольных. Это обусловлено тем, что поперечные колебания не связаны с изменением объема и потери на теплопроводность отсутствуют. Рассеяние отсутствует в однородных аморфных твердых материалах типа стекла, пластмассы. Слабое рассеяние в них может возникать под влиянием внутренних напряжений, вызывающих изменение скорости звука и преломление (отклонение) упругих волн. В гетерогенных материалах (чугун, гранит, бетон) рассеяние достаточно велико. Большое рассеяние наблюдают также в большинстве металлов даже при высокой степени их однородности. В металлах коэффициент затухания зависит в основном от соотношения между средним размером (D) зерен и длиной волны (λ) ультразвука. Если λ > 10D то затухание мало и можно контролировать сварные соединения деталей толщиной до 10 мм. Если зерна металла соизмеримы с длиной волны или их размеры превосходят λ, то ультразвуковой контроль осуществлять затруднительно или даже невозможно из-за значительного затухания ультразвука. 9 Важной характеристикой среды, в которой распространяются ультразвуковые колебания, является ее акустическое сопротивление Z. Z = C (4.3) где: ρ — плотность среды. При прохождении ультразвука через две среды с разным акустическим сопротивлением происходит отражение части энергии волны от границы раздела сред. Коэффициенты отражения (R) и прохождения (Т) ультразвука. Чем больше разница акустических сопротивлений, тем больше R. Поэтому, чтобы увеличить коэффициент прохождения ультразвука, на поверхность контролируемого сварного соединения наносят контактную жидкость (вода, масло, глицерин и др.), акустическое сопротивление которой значительно больше, чем у металла соединения и материала призмы пьезопреобразователя. При наличии воздушного зазора между преобразователем и поверхностью соединения ультразвук практически не проходит в металл. Если размеры дефекта меньше поперечных размеров пучка и соизмеримы с длиной волны, то возникает дифракция (явление огибания волной препятствия) и доля энергии, отраженной дефектом, уменьшается. Наличие дифракции ультразвуковых волн приводит к тому, что округлые дефекты небольших размеров (поры) выявляются плохо. Углы падения Ѳ ультразвука, при которых исчезают те или иные типы волн в процессе его преломления и отражения, называют критическими. По мере увеличения угла Ѳ начиная с некоторого значения Ѳкр1, называемого первым критическим углом, исчезает преломленная продольная волна. При дальнейшем увеличении угла Ѳ наступает момент, когда исчезает и поперечная волна. Это явление соответствует второму критическому углу Ѳкр2. При углах падения меньших, чем второй критический угол, и больших, чем первый, во второй среде возникает лишь поперечная волна. Для системы оргстекло — сталь расчетные критические углы равны соответственно 27 и 56°. данное свойство имеет важное практическое значение. В частности, если разместить излучатель на призме из оргстекла и выбрать угол Ѳ в пределах 30...55°, то в сварном соединении из стали будет распространяться только поперечная волна, что существенно упростит дешифровку результатов контроля. Настоящие технические условия распространяются на ультразвуковой метод контроля сварных соединений и основного металла, и устанавливают область применения, общие требования к оборудованию, технологической последовательности выполнения операций, 10 оценке качества, обработке и оформлению результатов контроля и требования безопасности в рамках чемпионатов по стандартам WorldSkills. Ультразвуковой метод контроля основан на прохождении ультразвуковых волн сквозь контролируемую поверхность и регистрацию их отражений от внутренних дефектов. Настоящие технические условия содержат методики контроля сварных соединений деталей, выполненные с полным проплавлением сварного шва (без конструктивных непроваров). Контроль по настоящим ТУ обеспечивает обнаружение и оценку допустимости несплошностей с эквивалентной площадью не менее величин, указанных в Приложении 1. Характер и действительные размеры несплошностей сварных соединений не определяются. Для проведения контроля необходимо использовать: • ультразвуковой дефектоскоп с преобразователем (преобразователями) • настроечный образец СОП толщиной, равной контролируемой (допускается погрешность ±0,5 мм) с угловым отражателем (отражателями), эквивалентной площадью соответствующей максимально допустимой/минимально фиксируемой эквивалентной площади (допускается погрешность ±0,1 мм2) • калибровочный образец V2, либо образцы СО-2 и СО-3 • измерительную металлическую линейку или рулетку • средства оценки шероховатости поверхности (образцы шероховатости) • контактную жидкость (гель, масло и т.д.) Тема 4.2 Оборудование и материалы, настроечные и контрольные образцы. Способы настройки чувствительности. 4.2.1 Расчет акустического тракта Акустический тракт - путь ультразвукового сигнала от излучателя до дефекта или отражателя и далее к приемнику колебаний (излучатель — протектор — жидкость — объект контроля — дефект — объект контроля — жидкость — протектор — приемная пъезопластина). В акустическом тракте возникают следующие эффекты: ослабление в протекторе, отражение, преломление, трансформация на границе объекта контроля и на дефекте, затухание (поглощение, рассеяние) при распространении ультразвука в контролируемой среде. 11 Рассчитать акустический тракт — это значит определить амплитуду полезного сигнала в зависимости от формы, размера дефекта, размера преобразователя, глубины залегания дефекта, акустических свойств материала и частоты колебаний. Расчет акустического тракта в дальней зоне. В таблице 1 приведены расчетные формулы для нескольких наиболее часто встречающихся моделей отражателей простой геометрической формы в акустическом тракте прямого преобразователя. Чтобы применить данные формулы к дефектам (отражателям) более сложной формы, вводят понятие эквивалентного размера дефекта. Таблица 1 Расчетные формулы для модельных отражателей Модельный отражатель А/Ао А S s = 2 2 e−2 r Дисковый Ао λ r Цилиндрический (боковое сверление) А S d −2 r = e А о 2λ r 3 Плоская поверхность А S −2 r = e А о 2λ r Цилиндрическая вогнутая поверхность А S −2 r = e Ао 2λ r Примечание - А – амплитуда зондирующего сигнала; Ао – амплитуда отраженного сигнала; λ – длина волны; S – площадь излучателя; s – площадь дефекта (дискового отражателя); r – расстояние от ПЭП до дефекта (отражателя); δ – коэффициент затухания в среде; d – диаметр цилиндрического отражателя. Расчет акустического тракта в ближней зоне. Так как при расчете акустического тракта в ближней зоне необходимо в формулы, приведенные в табл. 5.3. вводить коэффициент 1 …4, который зависит от длительности импульса, то амплитуду отражения в ближней зоне можно оценить только приближенно. Расчет акустического тракта для наклонного ПЭП При контроле наклонным ПЭП используют искусственные отражатели, подобные применяемым при контроле прямым преобразователем. При этом плоские отражатели располагаются так, чтобы плоскость была ориентирована перпендикулярно акустической оси. Кроме этого, используют также отражатели, дающие большие эхосигналы благодаря угловому эффекту, т. е. двукратному отражению акустических волн от поверхности отражателя и перпендикулярно расположенной к нему поверхности 12 объекта контроля (двугранный угол, зарубку, угловое цилиндрическое отверстие). В таблице 2 приведены принципиальные схемы и расчетные формулы для наиболее часто встречающихся моделей отражателей в акустическом тракте наклонного преобразователя, Таблица 2 Принципиальные схемы и расчетные формулы для наиболее часто встречающихся моделей отражателей. Модельный отражатель Схема отражателя А/Ао Дисковый А S s cos α −2( r и + r1 пр ) =D 2 e 2 Ао λ (r + x) cos Сегментный А S s cos α −2( r и + r1 пр ) =D 2 e 2 Ао λ (r + x) cos Цилиндрический (боковое сверление) А S cos α d −2( r и + r1 пр ) =D e 3 Ао 2λ cos 2(r + x1 ) Плоскость (донная поверхность) А S d cos α −2( r и + r1 пр ) =D e Ао 4λ(r + x1 ) cos Цилиндрическая вогнутая поверхность А S cos α −2( r и + r1 пр ) =D e Ао 2λ(r + x 1 ) cos c1пр cos пр Примечание - x1 = r1 изд ; r1 – длина акустической оси в призме; c1 - скорость c1 cos изд продольных волн в призме; c1 - скорость поперечных волн в изделии; α – угол ввода луча; β – угол призмы; D – коэффициент прозрачности; s – площадь дискового или сегментного отражателя; S – площадь излучателя; αи и αпр - коэффициенты затухания в изделии и призме; d – диаметр цилиндрического отражателя. 13 Наиболее широкое применение нашел искусственный дефект типа плоскодонного отверстия. Он удовлетворительно имитирует небольшие расслоения, трещины. Боковое цилиндрическое отверстие имитирует протяженные шлаковые включения, цепочки пор. Протяженная плоскость соответствует донному сигналу, по которому удобно выполнять настройку. Кроме того, она имитирует протяженные расслоения. Цилиндрическую вогнутую поверхность используют в стандартных образцах для получения максимального эхосигнала и определения точки ввода ПЭП При контроле наклонными преобразователями используют искусственные отражатели, подобные применяемым при контроле прямым преобразователем. При этом плоские отражатели располагаются так, чтобы плоскость была ориентирована перпендикулярно акустической оси. Кроме того, используют отражатели, дающие большие эхосигналы благодаря угловому эффекту, т. е. двукратному отражению акустических волн от поверхности отражателя и перпендикулярно расположенной к нему поверхности контролируемого объекта. К таким отражателям относят двугранный угол, зарубку, цилиндрическое отверстие. Моделирование дефекта зарубкой для наклонного преобразователя. В качестве модельного отражателя для настройки чувствительности дефектоскопа часто используется зарубка (плоский угловой отражатель) (рисунок 4.6). Рисунок 4.6 - Моделирование дефекта зарубкой для наклонного ПЭП. Зарубкой моделируются дефекты типа вертикальной трещины. Эквивалентный размер дефекта: b×h. Для проведения контроля и выполнения точных расчетов потребуем выполнения условия: b×h > λ. 14 При падении зондирующего луча на вершину зарубки возможно наблюдение углового эффекта, т. е. увеличения амплитуды принимаемого сигнала за счет отражения от отражателя и двугранного угла (рисунок 4.7). Чем больше угол падения, тем больше угловой эффект в данном случае. Усиление сигнала за счет углового эффекта определяется с помощью коэффициента G. Зависимость коэффициента G от угла падения g представлена на рисунке 5.30. Угловой эффект нужно учитывать для больших значений g. Рисунок 4.7 - Зависимость коэффициента G от угла падения g Модельные отражатели типа зарубок применяют для тонкостенных изделий. Коэффициент G учитывается при настройке чувствительности прибора. Калибровка дефектоскопа При подготовке к проведению УЗК вначале необходимо выполнить калибровку глубиномера дефектоскопа и чувствительности его приёмно-усилительного тракта, а также установить строб-импульс зоны контроля. При проведении УЗК используются следующие уровни чувствительности: - браковочный - уровень, на котором проводится оценка допустимости обнаруженного дефекта по амплитуде эхоимпульса; - регистрируемый - уровень, на котором проводится регистрация дефектов, подлежащих дальнейшей оценке по протяженности, удельному количеству, форме и ориентации; - поисковый - уровень, на котором проводится поиск дефектов. Наименьшим уровнем чувствительности является браковочный, регистрируемый уровень больше него на 6 дБ, а поисковый - на 12 дБ. Все необходимые калибровки достаточно подробно описываются в руководствах по эксплуатации конкретных дефектоскопах, применяемых для контроля. Необходимые исходные данные: материал объекта контроля; скорость звука в нём, толщина его стенки и время задержки в призмах ультразвукового преобразователя. 15 Результаты калибровки должны гарантировать, что: - на экране дефектоскопа отображаются эхоимпульсы от отражателей, залегающих на любых глубинах зоны контроля прямым и однократно отражённым УЗ лучами; - все дефекты выявляются и отображаются на экране; - расстояние до дефекта может быть оценено или по горизонтальной шкале экрана дефектоскопа, или отображаться на нём в цифровой форме. Для калибровки необходим образец с параллельными, плоскими или криволинейными, поверхностями ввода и донной с толщиной, близкой к толщине стенок. Для объектов с толщиной стенок до 30 мм подходящими образцами будут стандартные образцы "СО" или стандартные образцы предприятия "СОП". Стандартный образец СО‑1 (рисунок 4.8, а) изготавливают из органического стекла с коэффициентом затухания 0,26–0,34 Нп/см на частоте 2,5 МГц. Для удобства работы он имеет металлическую стенку с оцифровкой. 16 Рисунок 4.8 - Стандартные образцы СО-1 (а); СО-2 (б) и СО-3 (в) для калибровки дефектоскопа С помощью СО‑1 определяют лучевую разрешающую способность. ВСО‑1 предусмотрены отражатели в виде ступенчатого паза и фигурного отверстия, имеющего три разных диаметра. Ступенчатый паз используют при контроле прямым преобразователем. На экране должны наблюдаться три отдельных сигнала: донный, от ступенек глубиной 5 мм и 2,5 мм. При оценке разрешающей способности в изделии принимают во внимание разную скорость звука в оргстекле cорг и материале изделия cизд . Величину Δr при известном размере ступеньки Δrорг рассчитывают по формуле c r = изд rорг cорг (5.5) 17 Фигурное отверстие используют для проверки разрешающей способности при контроле наклонным преобразователем. Разница между радиусами отверстий, т. е. размер ступеньки Δr, также равна 5 мм и 2,5 мм. Часто СО‑1 используют для настройки чувствительности. Стандартный образец СО‑2 (рисунок 4.8, в). Образец изготовляют из малоуглеродистой стали с мелкозернистой структурой. Минимальную глубину прозвучивания, или мертвую зону, оценивают с помощью боковых отверстий диаметром 2 мм на расстоянии 3 и 8 мм от поверхности (отверстие на расстоянии 8 мм — для проверки мертвой зоны прямых преобразователей; 3 мм — для наклонных преобразователей). Угол ввода определяют по шкалам СО‑2 при максимальной амплитуде эхосигнала от отверстия диаметром 6 мм. Стандартный образец СО‑2А идентичен СО‑2, но его изготовляют из контролируемого материала, если этот материал существенно отличается от стали по акустическим свойствам. Стандартный образец СО‑3 (рисунок 4.8, в) изготовляют из малоуглеродистой стали с мелкозернистой структурой. С помощью образца СО‑3 оценивают точность определения координат дефектов. Для наклонного преобразователя положение точки ввода определяют по максимуму отражения от вогнутой цилиндрической поверхности образца. Точка располагается над осью цилиндра. Оценку точки ввода по СО‑3 выполняют дважды при развороте преобразователя на 90 0, чтобы проверить направление акустической оси в двух плоскостях. Стандартные образцы предприятия (рисунок 4.9) не нумеруются, к ним предъявляются следующие требования: - изготовляются из материала, из которого выполнен контролируемый объект; - все акустические и физико-механические свойства такого образца совпадают с акустическими и физико-механическими свойствами контролируемого изделия; - в качестве отражателей используются различные модели реальных дефектов. 18 Рисунок 4.9 - Стандартные образцы предприятия для калибровки дефектоскопа. Физическая реализация некоторых моделей дефектов представляет большие технологические трудности. Поэтому при экспериментах и производственном контроле модели дефектов заменяют искусственными отражателями: диск — плоскодонным отверстием; сферу — отверстием со сферическим дном и т. д. Искусственные отражатели, используемые в СОП, можно разделить на три группы: точечные, или непротяженные (сфера, небольшой диск и короткий цилиндр), протяженные в одном направлении (бесконечный цилиндр и полоса), протяженные в двух направлениях (бесконечная плоскость). Подготовка объекта к контролю Подготовка объекта к контролю заключается в устранении наружных дефектов, очистке поверхности от пыли, грязи, окалины, неровностей, краски, масляных пятен, брызг от расплавленного металла и других загрязнений. Для проведения ручного УЗК поверхность ввода должна быть обработана до шероховатости не более 6,3 мкм, волнистость (отношение максимальной стрелы прогиба к периоду волнистости) поверхности ввода - не более 15 мкм. 19 Допускается проведение УЗК по поверхности с большей шероховатостью или по необработанной поверхности проката при условии достижения заданной чувствительности (контрольного уровня) и стабильности акустического контакта. Донные поверхности ОК, параллельные или концентричные поверхности ввода, должны иметь параметры шероховатости не более 40 мкм, если они доступны механической обработке. Пригодность поверхности для УЗК прямым ПЭП необходимо проверять по стабильности амплитуды донного сигнала. При перемещении ПЭП изменение амплитуды допускается в пределах ± 2 дБ. Подготовленную непосредственно перед контролем поверхность тщательно протирают ветошью и покрывают слоем контактной жидкости (минеральные и компрессорные масла, автолы, солидолы). Марка применяемого масла определяется температурой изделия, его геометрической формой, а также пространственным положением контролируемого изделия. При повышенных температурах или большой кривизне поверхности следует использовать жидкости более густой консистенции. Очень хорошие эксплуатационные качества у ингибиторной легко смывающейся контактной жидкости, в состав которой входит технический нитрит натрия (NaNO2), крахмал, глицерин, кальцинированная сода. Преимущества этой жидкости заключается в том, что она обеспечивает хороший контакт, а после высыхания образует на изделии тонкую пленку, не мешающую последующим технологическим операциям. Тема 4.3 Выбор ПЭП в зависимости от объекта контроля 4.3.1 Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) Пьезоэлектрический преобразователь - устройство, предназначенное для преобразования акустического сигнала в электрический и обратно, основанное на применении прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов и применяемое для работы в составе средств неразрушающего контроля. ПЭП предназначается для излучения упругих колебаний, которые проникают в объект, отражаются от внутренних несплошностей, фиксируются эти же или другим ПЭП, и регистрируются ультразвуковым дефектоскопом. Так из отдельных сигналов на экране прибора формируется развёртка (скан), по которой можно судить о координатах, глубине залегания и размерах дефектов. 20 В классическом виде ПЭП представляет собой устройство из следующих частей (рис. 4.10, а). Рисунок 4.10 - Пьезоэлектрические датчики: прямой разделенный: а – схема; б – общий вид; наклонный разделенный: в – схема; г – общий вид; раздельн-совмещенный: д – схема; е – общий вид; ж - разделенный, притертый; 1 – протектор; 2 – пьезоэлемент; 3 – демпфер; 4 – корпус; 5 – электрод; 6 – контактная жидкость; 7 – объект контроля; 8 – призма; 9 - электроакустический экран; α – угол призмы; β - угол ввода. Пьезоэлемент 2 - отвечает за преобразование электрической энергии в упругую, и наоборот. Обычно представляет собой пластину из пьезокерамики, которая изготавливается из порошковых материалов – цирконата титаната свинца, титаната бария, ниобата свинца и т.д. Низкочастотные ПЭП оснащаются многослойными пьезоэлементами, состоящими из нескольких склеенных между собой пьезопластин. Размеры в поперечных направлениях выбирают такими, чтобы интервалы времени пробега продольных УЗ-волн по толщине и длине пьезоэлемента значительно различались. Поперечные размеры пьезоэлемента должны быть во много раз больше его толщины. 21 Электроды 5 напаянные на поверхности пьезопластины. Чаще всего изготавливаются из никеля или серебра в виде наплавляемого электропроводящего слоя толщиной до нескольких микрометров. Электроды нужны для того, чтобы электрический сигнал распределялся по пьезоэлементу равномерно. За подведение и снятие электрического напряжения с электродов отвечают проводники. Протектор 1 («подошва») – защищает прямой ПЭП от изнашивания, дополнительная – обеспечение стабильного акустического контакта с объектом. Это сменный элемент. Толщина протектора обычно выбирается четвертьволновой для обеспечения качественного акустического контакта. Для протекторов выбирают материалы, характеризующиеся высокой износостойкостью, малым затуханием УЗК и высокой скоростью звука. Самый распространённый материал для протекторов – керамика. Менее долговечный вариант – эпоксидная смола с ферровольфрамом. Также встречаются полиуретановые и даже резиновые протекторы. Есть модели и с металлизированным протектором – например, прямой низкочастотный П111-0,08-М26 от НПЦ «Кропус» для теневого режима. Также встречаются сменные накладки из эластичных пластмасс и полиуретана - если нет высоких требований к соотношению сигнал/шум. Демпфер 3 подавляет инерционные свойства пьезопластины. Выполняется из композитов, в которых есть рассеиватели (порошки тяжёлых металлов и их окислов) и связующий компонент (эпоксидная смола или компаунд). Акустические сопротивления материалов, из которых изготовлены демпфер и пьезоэлемент, должны быть взаимосогласованными. На обратной стороне демпфера делаются специальные вырезы, выдерживается тонкая воздушная прослойка между наполнителем и корпусом, что способствует уменьшению мёртвой зоны при контроле. 22
