Применение ультразвука при контроле сварных соединений
АКУСТИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Акустический контроль основан на анализе упругих колебаний, которые распространяются в твердом теле. Существует много разновидностей акустического контроля, главные из которых представлены в табл. 1.1. Упругие колебания могут самопроизвольно возникать в теле (например , при распространении трещин) , в этом случае контроль называется пассивным (эмиссионный метод в табл. 1.1). В других случаях колебания специально возбуждают в теле, тогда контроль называют активным ( все остальные методы акустического контроля в табл. 1.1)
Упругие колебания среды – это звук, соответственно этот вид контроля иногда называют звуковым. В зависимости от частотного диапазона различают собственно слышимый звук ( частоты от 16 Гц до 20 КГц), инфразвук (частоты менее 16 Гц) и ультразвук (частоты более 20 КГц) Наиболее широко для неразрушающего контроля используется ультразвук, причем на частотах порядка 1 -5 МГц. На этих частотах становится возможным обнаруживать дефекты размером около 1 мм. Разрешающая способность метода связана с длиной звуковой волны: чем она короче - тем мельче дефекты, которые можно обнаружить. Если скорость звука в металле V= 5 км/с, а частота f = 5 МГц, то длина волны λ= 1 мм.
3.1 ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ И АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СРЕДЫ
В твердом теле могут распространяться два типа волн – продольные и поперечные. Схематично перемещение атомов тела при этом показано на рис 3.1
|
|
|
Рис 3.1 Упругие волны в твердом теле:
а) – продольная волна, б) –поперечная волна
Продольные волны называют волнами сжатия – разряжения, а поперечные –волнами сдвига. В продольных волнах направление смещений частиц среды ( А на рис3.1) совпадает с направлением распространения волны, а поперечные волны распространяются в плоскости, перпендикулярной смещениям частиц Скорость распространения продольных волн сl выше, чем поперечных сt. В жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны. Скорость звука в разных средах разная – в металлах она значительно выше чем в воздухе и равна нескольким километрам в секунду. На границах сред звуковые волны, как и свет, испытывают отражение и преломление. Распространение упругих волн в твердом теле определяется параметрами среды, из которых основными являются : плотность, упругость и структура. Скорость звука некоторых твердых тел представлена в таблице 3.1
Таблица 3.1
| Материал | Скорость продольной волны(сl), м\с | Скорость поперечной волны (сt.) м\с |
| Железо | 5900 | 3230 |
| Медь | 4700 | 2260 |
| Алюминий | 6260 | 3080 |
| Кварц | 5970 | 3762 |
| Стекло | 3760 - 4800 | 2380 -2560 |
| Полистирол | 2350 | 1120 |
|
|
|
Скорость звука прямо пропорциональна модулю упругости и обратно пропорциональна плотности тела. От структуры тела в значительной степени зависит затухание
Затухание – это ослабление амплитуды А звуковой волны по мере ее продвижения в твердом теле:
Рис 3.2 Затухание звуковой волны в твердых телах с различным коэффициентом затухания (δ2 > δ1 )
А= Аое 
Где Ао – амплитуда волны на поверхности тела
Х расстояние от поверхности
δ – коэффициент затухания
Коэффициент затухания состоит из двух компонент – коэффициента поглощения δп и коэффициента рассеяния δр :
δ = δп + δр
Поглощение – это явление перехода звуковой энергии в тепловую вследствие несовершенной упругости тела и наличия теплопроводности.
Рассеяние – уход звуковой энергии из направления волны, при этом энергия остается в звуковой форме. Рассеяние связано с акустическими неоднородностями среды (структурными неоднородностями). Такой структурной неоднородностью является, например, зерно металла , потому что зерно – кристалл, ориентированный случайным образом в пространстве и когда волна переходит из одного зерна в другое – ее скорость меняется, происходит преломление и отражение звуковой волны
|
|
|
Преломление и отражениек звуковых волн на границе раздела сред подчиняются тем же законам, чо и световые волны:
3.2. ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
Наиболее распространенный метод излучения и приема акустических волн основан на использовании пьезоэлектрического эффекта.
Прямой пьезоэффект связан с тем, что механическое воздействие, (например, сжатие) на особого рода кристаллы ( пьезокристаллы) вызывает их поляризацию: одна грань заряжается положительно другая отрицательно, при растяжении знак меняется на обратный.
Обратный пьезоэффект: если кристалл поляризовать (прикладывать к граням электрическое напряжение ), то он либо сжимается либо растягивается соответственно поляризации.. Пьезоэлектрический эффект связан с тем, что молекулы кристалла полярны, то-есть представляют собой диполи. При отсутствии механического воздействия, эта система нейтральна. Приложение механической нагрузки приводит к тому, что диполи слегка поворачиваются, нарушается электрическая нейтральность и наблюдается поляризация (возникает заряд на гранях кристалла).
|
|
|
Монокристаллы некоторых диэлектриков обладают значительным пьезоэффектом. Таким веществом является ,например, кварц. Кристалл кварца состоит из молекул SiO2, а не из отдельных атомов и поэтому способен поляризоваться. Наибольшим пьезоэффектом обладают пластины кварца, вырезанные вдоль определенного кристаллографического направления, как показано на рис 3.3(а)
Рис 3,3 Основные разновидности пьезоэлектрических материалов: кристаллы (а)и керамика (б)
Сейчас для изготовления пьезоэлектрических преобразователей ,в основном ,применяют специальную керамику (продукт спекания мелких частичек). Широко применяется керамика ЦТС (цирконат-титанат свинца).
Изготовление керамических пьезопреобразователей состоит из следующих основных операций: исходное вещество (например, ЦТС,) размалывают, прессуют в форме таблетки и спекают, причем спекание должно производиться при наложении электрического поля. В этом случае происходит ориентировка диполей и возникает сильный пьезоэффект. Затем у спеченной «таблетки» серебрят торцы ( для электрического контакта). Толщина «таблетки» определяет собственную резонансную частоту полученного излучателя –приемника и, тем самым, определяет рабочий диапазон частот изделия(чем тоньше пластинка, тем выше резонансная частота) .
Рис 3.4 Схема ультразвукового излучателя – приемника
На рис 3.4 показано устройство ультразвукового пьезоэлектрического излучателя-приемника..Здесь 1 – пластинка-пьезопреобразователь с посеребренными торцами 3 для присоединения электродов, 2 – это демпфер – резиноподобное вещество, которое гасит паразитные колебания, 4 – протектор –это защитный слой, предохраняющий пьезопластинку 1 от истирания, 5 – слой жидкости для улучшения контакта с объектом контроля.
Для того чтобы ввести ультразвуковые колебания в тело необходим хороший акустический контакт. Нарис 3.5 показаны различные варианты прохождения ультразвука из одного тела (излучателя) в другое (объект контроля). На рис 3.5 а показано, что наличие шероховатости ухудшает акустический контакт, вызывая отражение на границе. Присутствие на границе тонкой жидкостной пленки значительно улучшает акустический контакт (рис 3.5. б ) Чаще всего для создания такой пленки используют масло или глицерин. . Хороший контакт возникает, когда оба тела помещены в ванну с
Рис 3.5 Варианты акустического контакта:
1 –излучатель УЗ волн, 2 – объект контроля
жидкостью Этот метод акустического контакта называется иммерсионным
. Создание хорошего акустического контакта представляет определенную трудность. В ряде случаев требуется специальная подготовка поверхности под ультразвуковой контроль – протачивание или шлифование с доведением шероховатости поверхности до оптимальных значений.
3.3 АКТИВНЫЕ МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
Основные методы акустической дефектоскопии – теневой и эхо-метод.:
Теневой метод связан с прохождением ультразвукового сигнала через объект контроля и и улавливанием его на противоположной стороне.
Рис 3.6 Схема теневого метода ультразвукового контроля
Генератор 1- вырабатывает электрические импульсы, которые в излучателе 5 превращаются в импульсы упругих колебаний и через поверхность ввода 6 поступают в объект контроля 8. Приемник 7 улавливает механические колебания, прошедшие сквозь тело и преобразует их в электрические сигналы. Эти сигналы очень слабы, поэтому необходим усилитель электрический колебаний 2. Усиленный сигнал поступает на измеритель амплитуды электрических колебаний. Если в теле встречаются дефекты ( 9 ) то амплитуда прошедших импульсов уменьшается. Таким образом, сканируя поверхность, мы определяем в каких областях находятся дефекты.
Неудобство этого метода в том, что он требует доступа к ОК с двух сторон.
Этого недостатка лишен эхо-метод или метод отражения. В данном методе в отличие от теневого, излучатель и приемник совмещены.
Рис 3.7 Схема эхо-метода ультразвукового контроля
В данном случае генератор импульсов 1 вырабатывает электрические импульсы, они преобразуются в механические в излучателе, и попадают внутрь объекта контроля. Проходя сквозь объект, они отражаются от дефекта или от дна и снова возвращаются в излучатель, который выступает теперь как приемник. Он преобразует механические импульсы колебаний в электрические. Далее через усилитель 2 отраженный сигнал попадает в измерительный блок 3, где измеряется не только амплитуда, но и время прохождения импульса через объект контроля. На рис 3.8 представлено отображение импульсов на экране измерительного блока
Рис 3.8 Схема прохождения импульса через объект контроля и его отображение на экране электронно-лучевой трубки
. Если в объекте контроля нет дефектов, на экране видны только первичный импульс N и донный импульс D (то-есть импульс, отраженный от дна ) Если перед донным импульсом появляется еще импульс (в данном случае - В) - он указывает на наличие дефекта. а расстояние на экране между импульсами N и В пропорционально глубине его залегания от поверхности .(В теневом методе мы не знаем, на какой глубине находится дефект). . Амплитуда импульса (высота ) говорит о величине дефекта (о его размерах).
Вариантом этого метода является эхо-зеркальный метод. В этом случае приемник и излучатель разнесены и УЗ сигнал вводится в объект контроля не вертикально, а под углом
.Рис.3.9 Схема эхо-зеркального метода: 1 – излучатель, 2 – приемник
Этот метод широко используется при контроле сварных швов
Рис 3.10 Схема ультразвукового контроля сварных швов при однократном (а) и многократном ( б,,в) отражении импульсов
Какие дефекты могут быть выявлены УЗ методом? Минимальный размер дефекта, который можно обнаружить, определяется разрешающей способностью метода, которая, в свою очередь, зависит от длины волны ультразвука. На частоте 2 МГц длина волны в стали примерно 2,5 мм - такого порядка дефекты могут быть выявлены. Таким образом, чем выше частота ультразвука, тем более мелкие дефекты можно выявить. Но на высоких частотах (более 5- 10 МГц) резко возрастает затухание ультразвука. Максимальная глубина залегания дефекта, на которой он может быть обнаружен (глубина прозвучивания), зависит от степени затухания ультразвуковых импульсов в объекте контроля (ОК). Затухание, как уже было установлено, определяется структурными особенностями объекта контроля, в частности акустической однородностью. Глубина прозвучивания может достигать 0,5 м и более.. Однако у самой поверхности ОК есть так называемая «мертвая зона» - область, где дефекты не выявляются. Ее глубина достигает нескольких миллиметров. Причина ее возникновения - протяженность во времени УЗ импульса - пока не закончится излучение одного импульса, невозможен прием другого.
3. 2.1.. АКУСТИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Контроль поковок и литья : обнаруживаются усадочные раковины, инородные включения, окисные плены, ликвационные скопления, трещины, флокены. Контроль поковок осуществляется после термообработки, но до механической обработки ( без выточек, пазов и отверстий УЗ контроль вести проще). Частота прозвучивания –обычно 2 МГц, не допускаются дефекты площадью более 7 кв.мм. Особо ответственные поковки (например для атомной промышленности) прозвучиваются в 3-х взаимно перпендикулярных направлениях.. Контроль литья ведется на пониженной частоте (из-за крупнозернистой структуры). На поверхности слитка зачищают площадку для улучшения УЗ контакта.
Контроль проката: листы часто контролируют теневым методом, акустический контакт осуществляется иммерсионным способом (см. рис 3.5 в). За один проход проверяется полоса шириной 400-700 мм. Производительность современных установок – десятки метров в минуту. При использовании струйного контакта передающие и приемные искатели располагаются в ряд на расстоянии 100 мм один от другого. Сигнал о наличии дефекта передается на цифропечатающее устройство. Трубы так же контролируют на автоматических установках с применением жидкостного контакта. Выявляются дефекты, составляющие 4 -5% от толщины стенки трубы. Установки типа «РОТ» снабжены искателями. вращающимися вокруг трубы
Рис 3.11 Схема УЗ контроля труб
Контроль рельсов осуществляют в технологическом потоке на металлургическом заводе и в процессе эксплуатации – с помощью вагонов-дефектоскопов с несколькими искателями. Скорость контроля – до 40 км/час
Применение ультразвука при контроле сварных соединений
Широко применяется УЗ контроль при сварке. Выявляются почти все дефекты, основные варианты – эхо метод и эхо-зеркальный
. Все исследования сварных швов на основе ультразвука проводятся в диапазоне от 0,5 МГц до 10 МГц. В некоторых случаях возможно проведение работ с использованием ультразвуковых волн, имеющих частоту 20 МГц. Анализ сварного соединения посредством ультразвука должен обязательно сопровождаться проведением целого комплекса подготовительных мер, таких как очистка исследуемого шва или поверхности, нанесение на контролируемый участок специфических контактных жидкостей (гели специального назначения, глицерин, масло машинное). Все это делается для обеспечения надлежащего стабильного акустического контакта, который в итоге обеспечивает получение необходимой картинки на приборе Ультразвуковой контроль нерационально применять для обследования сварочных соединений металлов, имеющих крупнозернистую структуру (например, чугуна или же аустенитного шва с толщиной более 60 миллиметров). потому, что в таких случаях происходит достаточно большое рассеивание и сильное затухание ультразвука.
В большинстве случаев применяют наклонные пьезопреобразователи, которые, как уже говорилось, генерируют поперечные волны.
Рис Контроль сварного шва прямым лучом (а), однократно отраженным (б, в)
1- искательная головка, 2- пьзопреобразователь, 3- УЗ-луч, 4- объект контроля, 5 – дефект сварного шва
Для повышения достоверности контроля и облегчения работы оператора на экран УЗ-дефектоскопа выводится строб- горизонтальная черта, которая выполняет две функции:
1 – протяженность на экране этого отрезка определяет зону контроля, то-есть область, в которой следует искать дефекты. В случае сварного шва это – ширина шва.
2 – высота расположения строба определяет браковочный уровень - то значение амплитуды импульса от дефекта, ниже которой данный дефект считается малозначительным. Этот уровень определяют нормативные документы.
Рис Определение зоны контроля и браковочного уровня с помощью строба на экране дефектоскопа : а)- положения искательной головки относительно сварного шва, б) – соответствующая этим положениям картина импульсов на экране дефектоскопа
На рис импульсы I и II определяю границы зоны контроля. Положение этих импульсов определяет границы строба. Имульс III находится в зоне контроля и его амплитуда превышает строб, значит дефект Д является опасным.
На Рис показано, как перемещается искательная головка относительно шва при контроле. Границы зоны перемещения в направлении перпендикулярном шву определяются шириной зоны контроля. В направлении параллельном шву шаг составляет 5 – 10 мм.
Рис Схема перемещения искательной головки относительно сварного шва
Автоматизированный комплекс УЗ-контроля
Рис Контроль прямым лучом (а), однократно отраженным (б, в)
Рис Методика контроля стыковых соединений
3.5 ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИН С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКА
В эхо-методе УЗ контроля измерение времени прохождения донного импульса дает возможность определить толщину изделия.
Ультразвуковые толщиномеры получили широкое распространение, благодаря тому, что становится возможным непрерывный контроль геометрических размеров изделий в технологическом потоке при одностороннем доступе ( контроль толщины листа, труб и т.д.) Чаще всего этот метод используется при технической диагностике сосудов, работающих под давлением, резервуаров, содержащих химические вещества и нефтегазопроводов.. Погрешность измерения в диапазоне толщин от 6 до 300 мм составляет 0,1 мм. Современные ультразвуковые толщиномеры являются цифровыми устройствами. На рис 3.11 –а представлен один из таких приборов
Рис 3.11-а. Ультразвуковой измеритель толщины TIME TT100
Характеристики прибора:
Частота УЗ-колебаний ………………..5 МГц
Диапазон измеряемых толщин………..1,2 – 200 мм
Точность измерений …………………± 1%
Вес прибора …………………………….170 г.
3.6 ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ
Акустические методы контроля структуры материалов и изделий широко применяются в настоящее время и имеют перспективы дальнейшего развития. Так, например, размер зерна металла можно с достаточной степенью точности определить без изготовления шлифа - методом структурного ультразвукового анализа. Этот метод основан на том, что затухание ультразвуковых волн на определенных частотах существенно зависит от размера зерна металла. На Рис 3.12 показана эта связь
Рис 3.12 Затухание ультразвука в стали У12 со средним размером зерна:
1 – 0,16, 2 – 0,06, 3 – 0,03
Для углеродистых сталей наиболее приемлемый диапазон частот в этом случае 5 – 10 МГц. Затухание ультразвуковой волны в металле в значительной степени связано с рассеянием на границах зерен, которое объясняется прежде всего анизотропией кристаллической структуры зерен
Наиболее широкое распространение при анализе структуры металлов нашел метод, основанный на сравнении амплитуд донных эхо-импульсов с различной частотой заполнения. Отношение
Кі = Аі / А1
где і = f2, f3, f4- - последовательный ряд выбранных частот,
Аі. — соответствующая им амплитуда донного эхо-импульса,
называют структурным коэффициентом.
При работе по этому методу из исследуемого материала предварительно изготовляют контрольные образцы с различной термообработкой и по ним определяют структурные коэффициенты. Затем проводят металлографический анализ и сопоставляют значения структурных коэффициентов с размерами зерен. Как показала практика, чувствительность метода достаточна для разбраковки сталей с точностью до одного балла шкалы ГОСТа.
По этому принципу работают многие ультразвуковые структуроскопы. С их помощью осуществляется контроль зерна листов, труб и других изделий и полуфабрикатов.
Свойства серых и высокопрочных чугунов в значительной мере определяются формой и размерами графитовых включений, присутствие которых можно контролировать путем измерения затухания или скорости распространения упругих волн. В таблице 3.2 представлены соответствующие данные
Таблица 3.2
Коэффициенты затухания и скорости распространения ультразвуковых волн в высокопрочных чугунах
| Форма графита в чугуне | Коэффициент затухания дБ/м | Скорость УЗ волны, м/с | |
| 2,5 МГц | 5 МГц | ||
| Сфероидальная | 100 | 130 | 5600 |
| Смешанная | 150 | 190 | 5030 |
| Пластинчатая | 180 | 220 | 4800 |
| Крупнопластинчатая | 200 | 250 | 4540 |
3.7 ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Акустические методы позволяют контролировать некоторые механические характеристики металлов, в частности , твердость. На рис 3.13 представлена схема акустического измерителя твердости
Рис 3.13 Структурная схема акустического измерителя твердости «Сонодур»: 1 –алмазный индентер, 2 – магнитострикционный никелевый стержень. 3 – катушка ,4 – стальное тело, 5 – корпус,, 6 – преобразователь, 7 – усилитель, 8 – преобразователь часты, 9 – индикатор твердости, 10 – испытуемая деталь
Принцип этого метода измерения твердости в том, что измеряется собственная частота колебательной системы, приведенной в контакт с контролируемым материалом. Колебательная система состоит из никелевого стержня 2 диаметром 2,25 и длиной 75 мм, на одном конце которого вмонтирована алмазная пирамида 1 , а на другом — массивный стальной цилиндр 4 с пьезопреобразователем 6 . При измерениях индентер прижимается к контролируемой детали с постоянной силой. При возбуждении колебаний индентера в зоне контакта возникает дополнительная переменная сила, которая приводит к некоторому погружению индентера 1 в испытуемое тело 10. При этом собственная частота колебательной системы становится существенно зависящей от глубины этого погружения, а следовательно, от твердости измеряемого объекта. В приборе пьезопреобразователь включен в цепь измерительной части прибора, которая преобразует механические колебания в электрический сигнал, по которому судят о твердости материала. Пределы измерений НRC 20—70. Точность прибора зависит от точности измерения частоты.
3.8 МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Сущность этого метода неразрушающего контроля состоит в улавливании и анализе очень слабых упругих колебаний, которые возникают в твердом теле при развитии в нем дефектов типа трещин. Таким образом, метод акустической эмиссии (АЭ) является пассивным ( в отличие от эхо-метода УЗ-контроля, при котором упругие колебания вводятся в объект контроля извне) При продвижении трещины в металле ( керамике, стекле) происходит высвобождение упругой энергии и в теле возникают волны упругих колебаний. Эти колебания можно уловить, например, с помощью пьезоэлектрических датчиков и получить важную информацию о местоположении трещины в детали или конструкции, ее размере и следить за ее развитием. На Рис 3.14 представлены формы единичных импульсов АЭ от растущих трещин различного размера. Важной характеристикой является амплитуда импульса – она характеризует степень опасности дефекта. Кроме того, регистрируется суммарное число импульсов и скорость счета.
Рис 3.14 Экспериментально зарегистрированные формы единичных импульсов акустической эмиссии
Расположение нескольких датчиков на объекте контроля позволяет точно определить координаты дефекта, излучающего упругие волны ( по разности времени прихода сигнала на разные датчики). На рис 3.15 представлена картина распределения индикаций источников АЭ на мониторе аппаратуры контроля. Здесь крупные точки с цифрами 1,2,3,4 - датчики приема сигналов АЭ, мелкие точки – отдельные импульсы АЭ, возникающие в процессе повышения давления в испытуемом сосуде. Скопление индикаций в средней части сосуда говорит о наличии серьезного дефекта
Достоинства метода АЭ:
1. Метод акустической эмиссии обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов. В результате этим методом обнаруживаются наиболее опасные дефекты – те, которые растут под действием напряжений и могут привести к разрушению. В то же время, дефекты, которые не развиваются ( в том числе, крупные по размерам) этим методом не обнаруживаются. Такое свойство метода АЭ повышает надежность отбраковки изделий при неразрушающем контроле
2. Метод АЭ обладает высокой чувствительностью к растущим дефектам. Его чувствительность значительно превосходит чувствительность других методов. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры составляет 1*10 
мм², что соответствует выявлению скачка трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм
Рис 3.15 Картина распределения индикаций источников АЭ при испытании сосуда высокого давления
3. Метод АЭ обладает свойством интегральности, заключающимся в том, что, используя один или несколько преобразователей АЭ, установленных неподвижно на поверхности объекта, можно контролировать весь объект. Координаты дефектов определяются без сканирования поверхности объекта преобразователями ( как это необходимо, например, в эхо-методе). Соответственно, состояние поверхности объекта контроля не влияет на результаты контроля. Свойство интегральности особенно полезно в случае, если доступ к поверхности контролируемого объекта затруднен или невозможен ( например, в случае контроля теплоизолированных трубопроводов, атомных реакторов и т.д.).
4. Дистанционность метода АЭ проявляется в том, что контроль можно проводить при удалении оператора от контролируемого объекта. Поэтому контролю доступны такие протяженные объекты, как магистральные трубопроводы
5. Метод АЭ имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой конструкционных материалов, чем другие методы НК. Например, метод АЭ используется для контроля композиционных материалов, для которых применение других методов НК затруднено или невозможно.
Применение метода АЭ ограничивается в ряде случаев из-за трудностей выделения сигналов АЭ на фоне помех
Фазированные решетки
Во многих случаях традиционный УЗ-контроль в промышленности не удовлетворяет современным требованиям по чувствительности к дефектам материалов и изделий, достоверности их обнаружения, производительности контроля и другим показателям Ультразвуковой контроль фазированными решетками имеет преимущества перед обычным УЗК. Можно изменять угол наклона луча и фокусировку. Различные углы ввода управляемого многоэлементного датчика увеличивают вероятность обнаружения дефектов. Регулируемая геометрия эхо-сигналов минимизирует ложные индикации. Фазированные решетки позволяют обследовать геометрически сложные детали без необходимости перемещения объекта или датчика. Обеспечивается быстрое получение реальных изображений положения и размеров обнаруженных дефектов.
Фазированные решетки представляют собой набор нескольких пьезоэлементов, конструктивно объединенных в одном корпусе преобразователя. Физический принцип работы фазированных решеток в составе УЗ-дефектоскопа заключается в генерации УЗ-волн всеми пьезоэлементами, которые в комплексе формируют УЗ-пучок.
Рис 1 Генерация луча с определенным углом ввода
На Рис1 показана фазированная решетка из восьми пьезоэлементов. Зондирующие импульсы от генераторов (Г1 – Г8) поступают на пьезоэлементы не одновременно, а с определенной задержкой относительно соседних, как показано на рисунке. В результате фронт распространяющейся в объекте контроля волны будет направлен под определенным углом к поверхности ввода, зависящим от величины времени задержки. Изменяя время задержки (иными словами, изменяя сдвиг сигналов по фазе), можно изменять направление ультразвукового луча ,то есть, изменять угол ввода, При этом можно также фокусировать луч в определенной точке в объекте контроля
Рис2 Схема формирования фазированной решеткой результирующей волны с необходимым углом ввода
Рис3 Возможности фокусировки ФАР
Электронное управление углом ввода УЗ-пучка и анализ отраженных эхосигналов позволяют в режиме реального времени формировать на экране дефектоскопа S-скан, в виде двумерного изображения сечения. S-скан не только предоставляет оператору наглядную информацию о расположении и координатах дефектов, но и позволяет во многих случаях измерять их реальные размеры.
Рис 4 Изображение зоны контроля на экране дефектоскопа виде S-скана
УЗ-пучок от преобразователя типа фазированной решетки может быть направлен под различными углами и сфокусирован на любой глубине, что значительно повышает достоверность обнаружения разно расположенных дефектов. Все это, а также подробная визуализация и скорость контроля являются ключевыми преимуществами данной технологии перед традиционным УЗ-контролем.
Методика контроля сварных швов дефектоскопом с фазированными решетками и S-сканом более проста в сравнении с традиционными методиками (рис. 2). Например, при контроле сварного шва совсем не обязательно сканировать преобразователем возвратно-поступательно от шва и обратно к шву. Обычный наклонный УЗ-преобразователь излучает узконаправленный луч в сторону шва и принимает отраженные импульсы также с очень острой диаграммой направленности. Поэтому для поиска дефектов оператор вынужден перемещать преобразователь так, чтобы по возможности «просветить» все сечение шва. При этом используется как прямой луч, так и отраженный от донной поверхности. И задача оператора усложняется необходимостью ясно представлять траекторию распространения УЗ-импульсов в объекте контроля при всех положениях преобразователя. При контроле преобразователем с фазированной решеткой за счет широкого УЗ-пучка он способен покрыть все сечение шва из одного положения.
Рис 5 Прозвучивание сварного шва фозированной решеткой
На рисунке 5 показано, как меняя угол ввода , можно из одного положения излучателя проконтролировать все зоны сварного шва
Рис 6 Схема перемещения излучателя относительносварного шва в случае традиционного ПЭП ( справа) и фазированной решетки (слева)
Перемещение преобразователя к шву и от него приводит только к смещению изображения на экране прибора. Поэтому достаточно просто установить преобразователь по возможности как можно ближе к валику усиления (для более полного облучения обследуемого сечения шва) и анализировать полученные данные на S-скане. А затем уже перемещать преобразователь вдоль шва и анализировать соседнее сечение.) Информация о контролируемом объекте, кроме S-скана, также предоставляется и в виде классической амплитуды колебаний. Поэтому браковочные критерии при проведении контроля фазированными решетками аналогичны критериям традиционной УЗ-дефектоскопии.
Рис Фазированная решетка из 16 элементов на частоту 3,5 МГц
Аналогичные решетки используются в гидролокации
Рис Гидроакустическая фазированная решетка
Дата добавления: 2021-04-15; просмотров: 91; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!