Технология контроля узк дефектоскопии. Ультразвуковой контроль металла. Виды УЗК сварочных швов

Методика ультразвукового контроля сварных швов во многом обусловливается типом и размерами соединений. Однако при этом существует ряд общих положений ло прозвучиванию сварных швов, определению размеров и конфигурации дефектов, а также по оценке качества сварных соединении и сочетанию метода ультразвуковой дефектоскопии с другими методами контроля.

Прозвучивание металла шва

При контроле качества сварных соединений необходимо обеспечивать тщательное прозвучивание металла шва. Ультразвуковые колебания вводятся в металл шва через основной металл,с помощью наклонных искателей. Различают способы прозвучивания прямым, однократно, двукратно и многократно отраженными лучами (рис. 14).

Тип искателя, способ прозвучивания и метод перемещения искателя определяются типом и размерами сварного соединения, а также характером встречаемых в нем дефектов. Угол ввода колебаний выбирают таким, чтобы расстояние от искателя до шва было как можно меньшим, а направление луча - возможно близким к нормали к такому сечению, в котором площадь ожидаемых дефектов максимальна. Поэтому двукратно и многократно отраженным лучом контролируют в том случае, если размеры валика усиления шва не позволяют прозвучивать шов прямым или однократно отра-.женным лучом при оптимальном угле ввода луча.

Рис. 14. Способы прозвучивания металла шва лучом: а - прямым; б - однократно отраженным; в - двукратно отраженным; г - многократно отраженным.

Особое внимание должно быть уделено тем дефектам, отражение от которых можно получить лишь тогда, когда их поверхность перпендикулярна акустической оси искателя.

Контроль сварных швов, как правило, осуществляют эхо-методом с включением искателя по совмещенной схеме. Раздельную и раздельно-совмещенную схемы включения искателей применяют, если контроль по совмещенной схеме не обеспечивает достаточную надежность и достоверность.

Рис. 15. Выявление дефекта при различных углах ввода луча α 1: 1 и 2 - поверхности соединения; 3 и 4 - стороны соединения

Надежность прозвучивания во многом определяется качеством акустического контакта между изделием и искателем. С целью обеспечения акустического контакта производят соответствующую подготовку поверхности металла и смачивание ее слоем контактирующей среды. В случае применения призматических искателей подготовка поверхности сводится лишь к удалению выпуклостей и брызг металла, отслаивающейся ржавчины и грязи.

Во избежание быстрого износа призмы в процессе прозвучивания нажим на искатель должен быть минимальным, лишь обеспечивающим плотное прилегание призмы к поверхности металла.

Эффективным средством снижения интенсивности износа призм является применение полиэтиленовых прокладок, через которые вводятся ультразвуковые колебания в металл.

Качество акустического контакта зависит также от формы рабочей поверхности искателя и конфигурации изделия. При прозвучивании поперечных сварных соединений металла цилиндрической формы с радиусом кривизны свыше 100 мм применяют искатели с плоской поверхностью. При малых радиусах цилиндрических поверхностей для улучшения акустического контакта рабочую поверхность искателя притирают к цилиндрической поверхности изделия. Если прозвучивание шва производят в направлении, перпендикулярном к образующей цилиндрической поверхности, то искатели с плоской поверхностью можно использовать лишь при радиусе кривизны более 300 мм. Продольные швы в конструкциях цилиндрической формы с радиусом кривизны менее 300 мм ультразвуком не контролируют, так как достичь при этом удовлетворительного контакта даже путем притирки искателей не удается.

Прозвучивание всего объема наплавленного металла, как правило, обеспечивается за счет продольно-поперечного сканирования искателем (рис. 16). Шаг поперечного сканирования должен быть меньше размеров сечении ультразвукового пучка на уровне 0,8 диаграммы направленности и практически составляет 2-4 мм. Для повышения надежности контроля в процессе сканирования осуществляют непрерывные вращательные движения искателя на угол |φ|~10-15° от положения, при котором ось луча нормальна к продольной оси шва (рис. 16).

Рис. 16. Схемы сканирования шва: 1 - продольное; 2 - поперечное; 3 - вращательное, 4 - поворотное.

Для выявления ориентированных различным образом дефектов сварной шов при возможности прозвучивают с двух сторон. Прозвучивание соединений вначале осуществляют при поисковой чувствительности, превышающей оптимальную. На вход приемного тракта дефектоскопа, кроме полезных эхо-сигналов, могут поступать помехи. Если частота ультразвука выбрана верно, то, как правило, главным видом помех являются ложные эхо-сигналы от подрезов допустимых размеров и от неровностей на поверхности валика усиления.

Сигналы помех в отдельности ничем не отличаются от полезных сигналов, отраженных от дефектов. Их появление не может быть предугадано и в этом отношении они являются случайными. Однако при контроле соединений заданного типоразмера можно предопределить вероятные области временного сдвига помех по отношению к зондирующему импульсу.

Стыковые сварные соединения

Контроль стыковых сварных соединений осуществляют эхо-методом по совмещенной схеме (рис. 17, а, б, в, г, д). Значительно реже применяют теневой метод (рис 17, е).

Вводить ультразвуковые колебания с помощью прямых искателей непосредственно в наплавленный металл нельзя, так как между грубой неплоской поверхностью усиления и искателем не удается создать удовлетворительный акустический контакт. Поэтому прозвучивание швов ведут с помощью призматических искателей, зигзагообразно перемещаемых в определенных пределах вдоль шва (рис. 17, а); шаг продольного перемещения составляет 2-5 мм. Для выявления дефектов, различным образом ориентированных в металле, шов следует прозвучивать с двух сторон усиления. При этом исключается также пропуск рядом расположенных дефектов, который может быть вызван интерференцией отраженных от них колебаний.

Швы толщиной более 150 мм прозвучивают прямым лучом с двух противоположных поверхностей металла (при возможности доступа к обеим поверхностям).

Проконтролировать весь объем наплавленного металла с одной поверхности не удается, так как для прозвучивания таких швов однократно отраженным лучом чувствительность дефектоскопа оказывается недостаточной.

При прозвучивании шва с одной поверхности прямым лучом (рис. 17, б) остается непроконтролированной мертвая зона, высота l min которой связана с шириной усиления b соотношением

где b - ширина усиления;

d - стрела искателя;

а - угол ввода луча.

Рис. 17. Схемы прозвучивания стыковых сварных швов

Величина мертвой зоны при контроле шва может быть легко определена по шкале глубиномера дефектоскопа или по координатной линейке. Значение мертвой зоны определяется цифрой по шп Н для d+b/2 на соответствующей шкале L.

Для обеспечения большей чувствительности и уменьшения мертвой зоны каждый шов контролируют искателями с различными углами ввода луча. Прозвучивание шва этими искателями ведут послойно, увеличивая чувсвительность и уменьшая угол ввода с увеличением глубины расположения слоя (рис. 18).

Швы толщиной 25 - 150 мм могут быть прозвучены с одной поверхности основного металла прямым и однократно отраженным лучом (рис. 1, в). При этом yгол ввода а обычно выбирают таким, чтобы ось луча в одном из положений искателя пересекла ось симметрии шва толщиной δ на глубине 0,5δ. Величина угла α определяется уравнениями:

при прозвучивании прямым лучом

при прозвучивании однократно отраженным лучом

Рис. 18. Схема контроля стыковых сварных швов толщиной более 150 мм.

Очевидно, прозвучить все сечение стыкового шва можно двумя искателями, у одного из которых угол ввода луча имеет величину, определяемую из предыдущих выражений. При этом необходимо, чтобы выполнялось условие

где
и
- углы ввода луча искателей при прозвучивании прямым и отраженным лучом соответственно.

Чем меньше толщина основного металла, тем больший угол ввода луча необходим для контроля шва, так как с уменьшением толщины δ ширина b усиления падает незначительно. При этом для прозвучивания шва прямым лучом всегда требуется больший угол ввода луча, чем для прозвучивания того же шва лучом, отраженным от противоположной поверхности основного металла. Поэтому шов может быть прозвучен одним искателем, угол ввода луча которого рассчитан по выражению (2). Удовлетворительные результаты при контроле дают искатели с углами ввода луча меньше 80°. В связи с этим искателями типовой конструкции оказывается возможным прозвучивать прямым лучом стыковые швы металла толщиной более 20 - 25 мм. Швы металла меньшей толщины могут быть прозвучены с помощью этих искателей только лучом, претерпевшим одно или несколько отражений в основном металле.

Швы толщиной 10-25 мм контролируют искателем с углом ввода луча α=65-70°. При этом нижняя часть шва прозвучивается прямым или двукратно отраженным лучом, а верхняя - однократно отраженным (см. рис. 17, г).

Швы листов толщиной менее 10 мм могут быть прозвучены с помощью типовых искателей лучом, претерпевшим многократные отражения в основном металле (рис 17, д). Минимальное число отражений n, претерпеваемых ультразвуковым лучом в основном металле до входа в шов составляет

Для обеспечения высокой достоверности контроля швов малой толщины целесообразно использовать специальные искатели с уменьшенной стрелой, позволяющие прозвучивать нижнюю часть шва прямым лучом

При контроле стыковых швов любой толщины угол ввода луча и способ прозвучивания определяют собой зону перемещения искателя.

При прозвучивании шва прямым лучом искатель перемещают от валика усиления на расстояние (см. рис. 17, б, в)

Особенности контроля стыковых, соединений большой толщины

Опыт контроля сварных соединений большой толщины (100 мм и более) показал, что ультразвуковая дефектоскопия является наиболее надежным средством их проверки. Швы толщиной 100 - 200 мм доступны гаммаграфированию, но чувствительность и производительность при этом оказываются весьма низкими. С помощью бетатрона можно контролировать швы толщиной до 500 мм, но реализация этого способа проверки затрудняется дороговизной аппаратуры и необходимостью строительства специально оборудованного помещения.

Трудности, возникающие при ультразвуковом контроле сварных соединений большой толщины, прежде всего связаны с необходимостью обеспечения высокой чувствительности контроля. Предельная толщина доступных проверке сварных соединений определяется величиной зерна металла, поэтому вопросы контроля соединений большой толщины и крупнозернистых швов целесообразно рассматривать совместно.

Сварные соединения толщиной до 150 - 200 мм из сталей перлитного класса, выполненные многослойной сваркой или электрошлаковой с последующей нормализацией, могут быть проконтролированы с помощью серийных ультразвуковых дефектоскопов При прозвучивании обычно применяют искатели с углом призмы 30 или 40°. Часто для большей надежности контроля производят последовательное прозвучивание обоими искателями. Искатель с углом призмы 50° используют для выявления дефектов в мертвой зоне шва, которая не могла быть прозвучена искателями с меньшим углом призмы. В связи со значительным уменьшением чувствительности при возрастании толщины контроль рекомендуется вести, как правило, прямым лучом с обеих поверхностей изделия. Лишь при толщине швов не более 100 - 150 мм (в зависимости от структуры металла) допустим контроль однократно отраженным лучом с одной поверхности соединения, если нет доступа к противоположной поверхности.

По этой же причине при контроле сварных соединений толщиной более 200 - 250 мм возникает необходимость в увеличении чувствительности по мере углубления ультразвукового импульса в толщу металла шва. Обычно пределов временной регулировки чувствительности серийных дефектоскопов оказывается недостаточно для выравнивания чувствительности по глубине. В этом случае приходится прибегать к послойному способу контроля, при котором сначала на пониженной чувствительности контролируется верхняя часть металла шва, а затем при переходе к контролю более глубоких слоев чувствительность увеличивается. Для контроля послойным способом сварных соединений толщиной до 700 мм разработаны специальные дефектоскопы, в которых с помощью переключателя одновременно меняется задержка развертки и чувствительность (например дефектоскоп УДЦ-13).

Возможность ультразвукового контроля сварных соединений особо большой толщины и сварных соединений из материала с крупнозернистой структурой, в частности, из аустенитных сталей, в большой степени зависит от технологии сварки и термообработки. Поэтому при возникновении трудностей в проведении контроля методика дефектоскопии отрабатывается на образцах с моделями дефектов, расположенных на разной глубине. В начале исследования пытаются обнаружить близкие дефекты, а затем - более глубоко залегающие. Если при выявлении искусственных дефектов никаких сигналов на экране не наблюдается при максимальной чувствительности дефектоскопа, то рекомендуется использовать искатель с уменьшенным углом призмы, увеличенным диаметром пьезопластины и пониженной рабочей частотой. Не следует применять очень низкие частоты, так как при этом ухудшается отношение сигнал-шум. При большом уровне структурных помех для увеличения отношения сигнал-шум необходимо уменьшить угол призмы искателя и длительность, но не амплитуду зондирующего импульса, увеличить диаметр пластины и применить фокусировку ультразвука (только для выявления дефектов в ближней зоне).

Для оценки качества швов большой толщины по данным ультразвуковой дефектоскопии необходимо изучить технологию сварки данного соединения, характер возникающих в нем дефектов при возможных нарушениях нормального режима сварки, а также особенности выявления этих дефектов при озвучивании их с разных сторон.

В большинстве случаев в результате предварительных исследований удается разработать достаточно четкую методику определения качества швов больших толщин с помощью ультразвуковой дефектоскопии.

В настоящее время ультразвуковая дефектоскопия применяется для проверки качества многих стыковых сварных соединений толщиной до 700 мм, например, для контроля электрошлаковой сварки корпусов доменных печей, станин гидравлических прессов, корпусов атомных реакторов и т.п. Однако в некоторых случаях нельзя добиться выявления дефектов в сварных соединениях. Это обычно имеет место при контроле аустенитных сталей с размером зерна порядка 1 мм и более, а также перлитных сталей с крупной видманштедтовой структурой, особенно при значительной толщине их. Таким образом, существует класс сварных соединений, не проверяемых ультразвуком при современном состоянии этого метода дефектоскопии.

Особенности контроля стыковых швов малой толщины

Основная трудность, возникающая при контроле сварных швов малой толщины (менее 10 - 15 мм), состоит в том, что ложные сигналы, отраженные от валика усиления или подкладной планки, почти совпадают во времени с ожидаемыми сигналами от дефектов.

Для повышения разрешающей способности следует стремиться, чтобы средняя часть или корень шва, где наиболее вероятно появление непроваров и шлаков, контролировалась прямым лучом. Это достигается при больших углах призмы и малой стреле искателя. Верхняя часть шва контролируется однократно отраженным лучом.

Чем меньше толщина сварного шва, тем больше должен быть угол призмы искателя. При углах 55 - 57° появляется довольно интенсивная поверхностная волна, что ограничивает дальнейшее увеличение угла призмы. При возрастании угла призмы необходимо увеличить стрелу искателя, чтобы не возникало отражения ультразвука от переднего угла призмы. Избежать это можно, размещая пьезопластину ближе к контактной поверхности призмы, а также придавая пьезопластине полукруглую или прямоугольную формы и уменьшая ее размеры. При этом для сохранения достаточно высокой направленности излучения необходимо повышать частоту. Высокая частота в то же время способствует дальнейшему повышению лучевой разрешающей способности за счет уменьшения длительности зондирующего импульса.

Для контроля сварных соединений труб, выполненных односторонней сваркой, применяют искатели, контактная поверхность которых соответствует форме трубы. Если диаметр трубы менее 25 мм, необходимо применять искатели с фокусирующим протектором, предотвращающим расхождение лучей в стенке трубы. Использование фокусирующего протектора полезно также при контроле труб большего диаметра (25 - 60 мм).

Настройка аппаратуры при контроле труб также выполняется по угловому отражателю, хорошо имитирующему основной тип дефекта - непровар в корне шва. Размеры угловых отражателей определяются толщиной контролируемого соединения и типом искателя. Так, например, для искателя с углом призмы β=53° при контроле швов толщиной 7 - 15 мм размеры углового отражателя составляют 5 мм 2 (глубина 2 мм, ширина 2,5 мм). Бракуются соединения с дефектами, эхо-сигнал от которых превосходит сигнал от углового отражателя по амплитуде и условной высоте. Дефекты типа отдельных пор диаметром 1 мм и менее при такой чувствительности практически не выявляются

Контроль стыковых сварных швов в конструкциях железнодорожного транспорта

Метод ультразвуковой дефектоскопии стыко вых сварных соединений толщиной от 10 до 50 мм широко используется при изготовлении, ремонте и эксплуатации пролетных строений железнодорожных мостов локомотивов и вагонов.

При обнаружении недопустимых пороков в шве произ водят ремонт дефектного участка с последующим повторным контролем.

В случае обнаружения включений, расположение v размеры которых по данным ультразвуковой дефектоскопии не позволяют забраковать шов, сомнительный участок шва подвергают рентгенографированию с целью уточнения характера включений.

Контроль стыковых соединений в паропроводах и котлах

Сварные соединения труб паропроводов диаметром 130 мм и более с толщиной стенок 15-60 мм выполняют чаще всего на подкладных кольцах (рис. 19), хотя в последнее время используют способ сварки без подкладных колеи с проплавлением корня шва.

Рис. 19. Схема контроля сварного соединения паропровода.

В настоящее время ультразвуковую дефектоскопию применяют как обязательный способ проверки качества этих соединений, а просвечивание проникающими излучениями - как дополнительный способ. Для контроля применяют дефектоскопы с рабочей частотой 1,8 МГц и призматические искатели с углом β=40°. При угле β=40° можно контролировать чувствительность по отражению от подкладного кольца и по положению на экране дефектоскопа легко отличать эти отражения от сигналов, связанных с дефектами.

Верхнюю часть сварного шва с толщиной стенки до 40 мм контролируют однократно отраженным лучом (рис. 19, положение Б), а нижнюю часть - двукратно отраженным лучом (положение В). Контроль производится в один прием, т е. верхняя и нижняя часть шва проверяются за одно движение искателя. Сварные швы толщиной более 40 мм контролируют в два приема: сначала проверяют корневую часть шва прямым лучом (положение А), а затем - верхнюю часть однократно отраженным лучом.

Настройка чувствительности производится по угловому отражателю площадью 5 мм 2 в тест-образце. Если проверка ведется за один проход искателя, отражатель выполняется только на внутренней стороне тест-образца, а если за два прохода, - то на внутренней и на внешней поверхностях. При поиске дефектов чувствительность увеличивается в 1,5 - 2 раза, а при исследовании дефектов чувствительность восстанавливается.

Сварные соединения, в которых не обнаружены дефекты с амплитудой эхо-сигнала больше, чем от отражателя площадью 5 мм 2 , считают годными и оценивают баллом 3. В дальнейшем учитывают дефекты только с сигналами большей амплитуды.

Сварные соединения бракуют (оценивают баллом 1) в следующих случаях:

обнаружен хотя бы один дефект на расстоянии более 5 мм от поверхности сварного соединения Такие дефекты выявляются труднее дефектов, расположенных у поверхности;

обнаружен дефект в корне шва, от которого амплитуда импульса или пробег его по экрану больше, чем от отражателя площадью 7 мм 2 ;

в корне шва обнаружен одиночный дефект, условная протяженность которого превышает 10%, или ряд дефектов, суммарная условная протяженность которых превышает 20% от периметра шва.

Сварные соединения с дефектами в корне шва, амплитуда эxo-сигнала от которых больше чем от отражателя площадью 5 мм 2 , но допустимые с точки зрения изложенных выше требований, оцениваются баллом 2 и допускаются к эксплуатации, если характер отражения от них ее имеет типичных признаков отражений от трещин.

Аналогично проверяют кольцевые сварные соединения донышек с камерами коллекторов паровых котлов.

Многолетняя практика ультразвукового контроля сварных швов паропроводов и коллекторов показала надежное выявление опасных дефектов типа трещин и непроваров, поэтому контроль ведут без дублирования просвечиванием.

Ультразвуковой контроль без дублирования просвечиванием также применяют при оценке качества швов котлов паровозов при их ремонте. Прозвучиванию подвергают всю длину швов, имеющих иногда протяженность до 15 м. Внутреннюю часть шва толщиной 18 мм прозвучивают прямым лучом, а наружную часть - однократно отраженным, излучаемым искателем с углом призмы β=50°. Участки швов, в которых по данным ультразвукового контроля обнаружены дефекты с условной протяженностью 5 мм и более, подлежат вырубке, последующей заварке и контролю.

Угловые сварные соединения

Угловые швы сварных соединений долгое время контролировали в основном внешним осмотром и промером. Более надежные методы контроля в промышленности почти не применяли.

Вместе с тем, в угловых швах могут быть не обнаруживаемые внешним осмотром внутренние дефекты в виде пор, шлаковых включений, непроваров и трещин, которые снижают прочность соединений, особенно при воздействии вибрационных нагрузок.

Разработанные в 1957 г. аппаратура и методика позволили применить для контроля качества угловых швов метод импульсной ультразвуковой дефектоскопии.

В настоящее время ультразвуковая дефектоскопия является единственным методом, выявляющим в угловых швах тавровых и крестовых соединений трещины с раскрытием менее 0,2 мм и тонкие непровары в корне шва.

На рис. 20 приведены схемы прозвучивания угловых швов тавровых соединений, которые могут быть использованы для выявления внутренних дефектов.

Рис. 20. Схемы прозвучивания угловых швов при выявлении: а - непровара в корне шва, б - продольных трещин; в - пор и шлака, г - поперечных трещин

Наиболее эффективным является метод ввода ультразвукового луча в шов через основной металл привариваемого листа (схема 3), так как он позволяет выявить все виды внутренних дефектов в угловых швах тавровых и крестовых соединений и наиболее прост. При этом угол ввода колебаний должен быть таким, чтобы направление луча было приблизительно перпендикулярным к сечению, в котором площадь дефектов максимальна.

Анализ геометрии распространения луча показывает, что прозвучивание наплавленного металла шва с катетами K 1 и К 2 при толщине привариваемого листа δ может быть осуществлено одним искателем с углом ввода луча α 1 или последовательно двумя искателями с углами ввода луча α 1 и α 2 (рис. 2). Угол ввода луча α 1 определяется равенством

Так как K 1 ≈К 2 =K, то α 1 =45°. Искателем с углом ввода луча α 1 =45° полностью прозвучивается угловой шов, для которого справедливо соотношение

Это соотношение обычно имеет место при δ>30 мм. При толщинах δ≤30 мм искателем с углом ввода луча α 1 =45° прозвучивается лишь часть шва, заштрихованная на рис. 2 сплошными линиями.

Рис. 21. Схема перемещения искателя при контроле углового шва: 1 – полка; 2 – стенка (привариваемый лист)

Остальная часть шва (заштрихована пунктирными линиями) может быть прозвучена искателем с углом вода луча α 2 > α 1 . Минимальная величина угла α 2 , обеспечивающая надежный контроль объема шва, заштрихованного пунктирными линиями, определяется из равенства

Следует отметить, что для повышения надежности выявления дефектов, расположенных у поверхности шва, целесообразно применять искатели с углом α 1 несколько меньшим 45°.

При контроле искатель перемещают в пределах, определяемых минимальным L min и максимальным L max расстояниями его от полки (рис. 21). Эти расстояния могут быть определены по следующим формулам:

Расстояние от искателя до полки, при котором прямой ультразвуковой луч проходит через ось симметрии таврового соединения, составляет

Очевидно, что корень шва может быть прозвучен прямым лучом, если
. При невыполнении данного неравенства прозвучивание ведут однократно отраженным лучом, перемещая искатель на расстоянии

Расстояния A min , A m ax и L cp определяют по шкалам глубиномера или координатной линейки так же, как при контроле стыковых швов.

В процессе прозвучивания швов выбоины на поверхности металла иногда вызывают отражение ультразвука, что усложняет контроль и может привести к ложному представлению о наличии дефектов, в действительности отсутствующих в шве. Для того чтобы индикаторы не реагировали на ложные эхо-сигналы, прозвучивание углового шва следует вести дефектоскопом в режиме «Контроль по слоям». В этом случае на экране дефектоскопа «просматривается» участок пути ультразвукового луча через наплавленный металл шва и индикаторы реагируют на импульсы, отраженные от дефектов шва. Ложные эхо-сигналы достаточно легко можно отличить от импульсов, вызванных дефектом, путем измерения координат расположения отражающей поверхности. При этом прежде всего следует измерить расстояние L от искателя до отражающей поверхности. Для выявления поперечных трещин следует дополнительно прозвучивать каждый шов соединения наклонным искателем по схеме 1 или 3 (рис. 20, г).

В некоторых тавровых соединениях допускается технологический непровар, не превышающий заданной величины.

Контроль угловых швов соединений со сквозным проплавлением

В ответственных тавровых и крестовых соединениях сварных металлоконструкций, как правило, предусматривается полный провар в корне шва. Толщина привариваемых листов (стенки) обычно составляет 8 - 20 мм.

Качество швов таких соединений может быть проконтролировано методом ультразвуковой дефектоскопии путем прозвучивания наплавленного металла однократно отраженным лучом. При этом непровар в корне шва наиболее устойчиво выявляется искателем с углом призмы β≈50°, а трещины, поры, шлаковые включения и непровары по кромке - искателем с углом β≈40°.

Поскольку наиболее вероятным дефектом является непровар в корне шва, контроль целесообразно начинать с прозвучивания соединения искателем с углом призмы β≈50°. При этом искатель следует перемещать на расстоянии от полки, равном L cp ±5 мм; величина L cp может быть определена по соотношениям (5, 6), по глубиномеру дефектоскопа или по координатной линейке.

Участки швов, в которых не обнаружен непровар в корне шва, прозвучивают искателем с углом призмы β≈40°, перемещаемым в пределах, определяемых расстояниями L min и L max от полки соединения (см. рис. 21).

Контроль угловых швов соединений с технологическим непроваром

Угловые швы крестовых соединений, в которых не предусмотрен полный технологический провар, могут быть проконтролированы, если толщина стенки превышает 20 мм Их прозвучивают прямым лучом, излучаемым искателем, расположенным на поверхности стенки. При этом недопустимые дефекты в шве или непроверенный угол стенки вызывают эхо-сигнал большой амплитуды При контроле качественного шва отраженный от технологического непровара сигнал будет значительно слабее, так как торец стенки в месте предусмотренного непровара имеет достаточно плоскую и гладкую поверхность Очевидно, что аналогично можно проконтролировать угловые швы тавровых соединений с толщиной стенки более 20 мм При меньшей толщине швы не могут быть прозвучены прямым лучом. Попытки контролировать их однократно отраженным лучом не дали положительных результатов, так как возникающие при этом эхо-сигналы от технологического непровара не удавалось отличать от эхо-сигналов, обусловленных недопустимыми дефектами Поэтому угловые швы тавровых соединений с технологическим непроваром и толщиной стенки менее 20 мм следует прозвучивать лучом, вводимым через наружную плоскость полки (см. схему 1 и 2 на рис. 20, а).

При изготовлении некоторых конструкций требуется, чтобы технологический непровар в тавровых соединениях не превышал определенной допустимой величины.

Рис. 22. Тавровое соединение: 1 - полка; 2-непровар в корне шва; 3 - стенка; 4 - полный провар

При ультразвуковом контроле ширина b непровара в корне шва таврового соединения (рис. 22) может быть определена двумя методами: сравнением амплитуд эхо-сигналов от непровара и моделей непровара, выполненных в тест-образце; сравнением амплитуд эхо-сигналов от непровара и бесконечной плоскости (безэталонный метод).

При обоих методах используют наклонные искатели, включенные по раздельной схеме; для удобства контроля они могут быть выполнены в общем корпусе.

Нахлесточные сварные соединения

Швы соединений внахлестку целесообразно прозвучивать со стороны основного листа однократно отраженным лучом с помощью искателя, включенного по совмещенной схеме (рис. 23).

Угол ввода луча определяется соотношением горизонтального K 1 и вертикального К 2 катетов и может быть рассчитан по выражению (1) (см. раздел «Ультразвуковая дефектоскопия угловых сварных швов»). Причем,
.

Рис. 23. Схема контроля соединений внахлестку однократно отраженным лучом искателя, включенного по совмещенной схеме, при выявлении: а – трещин; б – пор и шлаковых включений; в – непроваров по вертикальной кромке

В процессе контроля искатель перемещают по плоскости основного листа толщиной δ 1 в пределах:

отсчитываемых от торца привариваемого листа.

При этом обеспечивается выявление трещин, непроваров вертикальной кромки и корня шва, а также одиночных включений и их скоплений. В то же время обнаружение непроваров горизонтальной кромки (рис. 24) не гарантируется. Объясняется это тем, что ультразвуковой луч, попадая на горизонтальный плоский дефект, отражается под тем же углом и не возвращается на иcкатель.

Горизонтальные непровары могут быть выявлены зеркально-теневым методом при включении искателей по раздельной схеме (рис. 24). Ультразвуковой импульс, проходя от передающего искателя через бездефектный шов, принимается приемным искателем. При этом на экране появляется импульс на расстоянии от зондирующего, соответствующем глубине залегания отражателя (рис. 24, а)

При обнаружении в шве горизонтального непровара или другого крупного дефекта, расположенного в наплавленном металле шва, амплитуда импульса на экране падает (рис. 24, б).

Рис. 24. Схема контроля соединений внахлестку зеркально-теневым методом искателями, включенными по раздельной схеме.

При контроле необходимо строго соблюдать расстояние между точками ввода искателей

Чтобы обеспечить прозвучивание всего сечения наплавленного металла шва, необходимо перемещать искатели примерно на длину, соответствующую величине горизонтального катета К 1 . При отсутствии дефектов импульс на экране трубки должен оставаться примерно постоянным по амплитуде и исчезать на концах зоны перемещения.

При наличии дефекта ширина участка перемещения, на котором наблюдается импульс от передающего искателя, существенно сокращается.

Исследования показали, что надежность выявления дефектов в швах соединений внахлестку методом ультразвуковой дефектоскопии значительно выше, чем при методах просвечивания.

Из большого многообразия методов акустического контроля (ГОСТ 23829-85) для дефектоскопирования наибольшее распространение получили (Рис 2.7.):

Эхо-метод;

Зеркальный;

• Зеркально-теневой;

  Дельта-метод.

Рис 2.7. Методы ультразвуковой дефектоскопии

Эхо-метод ультразвукового контроля

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов и регистрации эхо-сигнала, отраженного от дефекта. Временной интервал между зондирующим и эхо-импульсами пропорционален глубине залегания дефекта, а амплитуда, в определенных пределах, отражающей способности (размеру) дефекта.

К преимуществам эхо-метода относятся :

односторонний доступ к изделию;

относительно большая чувствительность к внутренним дефектам;

высокая точность определения координат дефектов.

К недостаткам эхо-метода можно отнести :

низкую помехоустойчивость к поверхностным отражателям;

резкую зависимость амплитуды эхо-сигнала от ориентации дефекта;

невозможность контроля качества акустическог контакта в процессе перемещения ПЭП, так как при о сутствии дефектов на выходе отсутствуют какие-либо сигналы.

Несмотря на указанные недостатки, эхо-метод является наиболее распространенным методом ультразвуковой дефектоскопии деталей подвижного состава. С помощью этого метода обнаруживают более 90% дефектов.

Отличительной особенностью метода является то, что при контроле изделий регистрируются и анализируются практически все сигналы, приходящие из изделия после излучения зондирующих колебаний.

Поэтому при контроле изделий с плоскопараллельными поверхностями возможен одновременный прием эхо-сигналов как от дефекта, так и от противоположной поверхности (рис. 2.8.). Причем временное положение эхо-сигнала от дефекта относительно зондирующего импульса пропорционально глубине h его залегания

где с – скорость распространения ультразвуковых колебаний в изделии

Рис. 2.8. Формирование эхо- и донного сигналов

Амплитуда эхо-импульса сложным образом зависит от величины дефекта, свойств его поверхности и его ориентации, а также затухания ультразвуковой волны в изделии и расстояния до дефекта

Естественно, интервал времени между зондирующим импульсом и эхо-сигналом от противоположной (донной) поверхности пропорционален высоте Н изделия.

Сигнал от противоположной поверхности может отсутствовать при следующих ситуациях:

донная поверхность не параллельна поверхность ввода ультразвуковых колебаний;

дефект имеет значительный размер, полностью перекрывающий звуковой пучок

высота (толщина) изделия настолько велика, что вследствие затухания ультразвуковых колебаний амплтуда эхо-сигнала от противоположной поверхности имеет очень малую величину.

Если дефект имеет протяженность, то его границы, определенные эхо-импульсным методом, также могут отличаться от истинных. В связи с этим в ультразвуковой дефектоскопии используют понятие условный размер дефекта.

Для обнаруженного эхо-импульсным методом дефекта можно измерить три условных размера:

условную ширину ΔХ ;

условную высоту ΔН ;

условный размер по длине изделия Δ L .

Наиболее существенные преимущества ToFD при контроле сварных швов по сравнению со стандартным эхо-методом заключаются в следующем:

возможность достижения более высокой точности при проведении измерений, как правило, ±1мм, а при повторном обследовании ±0,3 мм;

почти полная независимость вероятности обнаружения дефекта от его ориентации;

при калибровке аппаратуры учитываются только временные характеристики;

высокая производительность контроля, так как сканирование проводится вдоль путем продольного перемещения акустического блока вдоль шва;

документирование и хранение результатов контроля;

полная воспроизводимость результатов контроля.

Среди недостатков ToFD-метода следует отметить:

отсутствие критерия для классификации несплошностей по опасности (степени влияния на качество);

подповерхностные несплошности, расположенные близко к поверхности контролируемого изделия, могут быть скрыты головной волной, в связи с чем снижается вероятность их обнаружения .

Акустическая микроскопия отличается от эхометода повышением на один-два порядка частоты УЗ, использованием острой фокусировки и автоматическим или механизированным сканированием объектов небольшого размера. В результате удается зафиксировать небольшие по размеру изменения акустических свойств в ОК. Метод позволяет достичь разрешающей способности в сотые доли миллиметра. Возможна акустическая микроскопия с использованием прохождения волн.

Когерентные методы отличается от других методов отражения тем, что в качестве информационного параметра помимо амплитуды и времени прихода импульсов используется также фаза сигнала. Благодаря этому повышается на порядок разрешающая способность методов отражения и появляется возможность наблюдать изображения дефектов, близкие к реальным. Наиболее эффективным когерентным методом является компьютерная акустическая голография.

Методы прохождения в России чаще называемые теневыми, основаны на наблюдении изменения параметров прошедшего через ОК акустического сигнала (сквозного сигнала) и имеют следующие разновидности:

амплитудный метод прохождения;

временной метод прохождения;

метод многократной тени;

акустическая микроскопия;

ультразвуковая томография.

На начальном этапе развития использовали непрерывное излучение, а признаком дефекта было уменьшение амплитуды сквозного сигнала, вызванное образуемой дефектом звуковой тенью. Поэтому термин «теневой» адекватно отражал содержание метода. Однако в дальнейшем применение рассматриваемых методов расширилось. Методы начали применять для определения физико-механических свойств материалов, когда контролируемые параметры (упругие постоянные, коэффициент затухания, плотность и т.п.) не связаны с образующими звуковую тень нарушениями сплошности. При этом в большинстве случаев непрерывное излучение было заменено импульсным. Существенно расширено также число информативных параметров сквозного сигнала, к которым, кроме амплитуды, добавились фаза, время прихода и спектр. Таким образом, теневой метод может рассматриваться как частный случай более общего понятия «метод прохождения». При контроле методами прохождения излучающий и приемный преобразователи располагают по разные стороны ОК или контролируемого его участка. В некоторых методах прохождения преобразователи располагают с одной стороны ОК на определенном расстоянии друг от друга. Информацию получают, измеряя параметры прошедшего от излучателя к приемнику сквозного сигнала.

Амплитудный метод прохождения (или амплитудный теневой метод) основан на регистрации уменьшения амплитуды сквозного сигнала под влиянием дефекта, затрудняющего прохождение сигнала и создающего звуковую тень. Для контроля этим методом можно использовать тот же импульсный дефектоскоп, который включают по раздельной схеме, причем излучающий и приемный преобразователи располагают по разные стороны ОК. Иногда применяют специализированные более простые по схеме приборы.

Временной метод прохождения (временной теневой метод) основан на измерении запаздывания импульса, вызванного огибанием дефекта. Информационным параметром служит время прихода сквозного сигнала. Метод эффективен при контроле материалов с большим рассеянием УЗ, например, бетона, огнеупорного кирпича и т.п.

Метод многократной тени аналогичен амплитудному методу прохождения (теневому), но о наличии дефекта судят по амплитуде сквозного сигнала (теневого импульса) многократно (обычно двукратно) прошедшего между параллельными поверхностями изделия. Метод более чувствителен, чем теневой или зеркально-теневой, т. к. волны проходят через дефектную зону несколько раз, но менее помехоустойчив.

Термин "ультразвуковая томография" часто применяют к различным системам визуализации дефектов эхо и теневым методами. Между тем этот термин первоначально применялся к ультразвуковым системам, в которых пытались реализовать подход, повторяющий рентгеновскую томографию, то есть сквозное прозвучивание ОК по разным направлениям с выделением особенностей ОК, полученных при разных направлениях лучей.

Активные комбинированные методы содержат признаки, как методов отражения, так и методов прохождения и бывают следующих видов:

зеркально-теневой;

эхо-теневой.

Зеркально-теневой (ЗТ) метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. По технике выполнения (фиксируется эхосигнал) это метод отражения, а по физической сущности (измеряют ослабление дефектом сигнала, дважды прошедшего ОК) он близок к теневому методу, поэтому его относят не к методам прохождения, а к комбинированным методам. ЗТ метод часто применяют совместно с эхо-методом. Наблюдают одновременно за появлением эхосигналов и за возможным ослаблением донного сигнала дефектами, которые не дают четких эхосигналов и плохо выявляются эхо-методом. Это может быть скопление очень мелких дефектов или дефект, расположенный так, что отраженный от него сигнал уходит в сторону и не попадает на приемный преобразователь.

Эхо-теневой метод основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн.

Существуют также другие активные методы, находящие ограниченное применение для контроля металлов. Это, например, эхо-сквозной метод, методы собственных колебаний, импедансные методы, велосиметрический метод.

Для контроля ультразвукового контроля применяют импульсный дефектоскоп, упрощенная блок-схема которого показана на рис. 3..

Генератор зондирующих импульсов 7 возбуждает короткие электрические импульсы. В преобразователе 3 они преобразуются в импульсы УЗ колебаний, которые распространяются в ОК 4, отражаются от несплошности 6 и противоположной поверхности (дна) ОК, принимаются тем же (совмещенная схема включения) или другим (раздельная схема включения) преобразователем 2. Преобразователь превращает сигналы из УЗ в электрические. От него сигнал поступает на усилитель 1, а затем на экран 5 дефектоскопа.

Ультразвуковые колебания, называемые также акустическими волнами с частотой, превышающей 20кГц. Они представляют собой механические колебания, которые способны распространяться в упругих средах. В дефектоскопии используется диапазон частот 0,5-10МГц.

При распространении упругих волн в металле частицы металла колеблются относительно точки равновесия. Расстояние между двумя частицами металла, колеблющимися в одинаковой фазе, будет являться длиной ультразвуковой волны. Длина волны L связана со скоростью её распространения c и с частотой колебаний f. Эта зависимость выражается формулой: L=c/f.

Скорость распространения акустической волны зависит от физических свойств среды и от типа волны. Скорость продольной волны примерно в 2 раза выше, чем скорость поперечной.

Углы направления ультразвуковых колебаний

При наклонном падении продольной акустической волны на границу раздела двух сред 1 и 2 (см. рисунок ниже), вместе с отражением возникает явление преломления и трансформации ультразвуковой волны. Проявляются преломлённые и отражённые продольные волны, а также сдвиговые поперечные волны.

На схеме а) показано, что падающая под углом β волна С l1 разделяется на преломлённую С l2 и сдвиговую С t2 , которые распространяются в металле. Отражённая волна на рисунке не показана. При определённом критическом значении угла падения β= β кр1 , преломлённая продольная волна перестанет проникать вглубь металла и будет распространяться только по её поверхности (схема б) на рисунке выше). Дальнейшее увеличение угла падения до β кр2 . приведёт к тому, что сдвиговая волна будет распространяться только на поверхности металла (схема в) на рисунке). Такое явление широко используется на практике при ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений для генерирования в контролируемых сварных швах акустических волн определённого типа.

Существует несколько методов ультразвукового контроля: эхо-импульсный, эхо-зеркальный, эхо-сквозной, дельта-метод (разновидность эхо-зеркального), когерентный метод (разновидность эхо-импульсного), теневой, зеркально теневой. Рассмотрим кратко наиболее распространенные из них, см. рисунок:

1. Эхо-импульсный метод . Он заключается в направлении акустической волны на сварное соединение и регистрации отражённой волны от дефекта. При таком методе источником и приёмником волн выступает один преобразователь (схема а) на рисунке).

2. Теневой метод . Такой метод ультразвуковой дефектоскопии заключается в использовании двух преобразователей, установленных на разные стороны сварного соединения. При таком методе один из преобразователей генерирует акустические волны (излучатель), а второй их регистрирует (приёмник). При этом приёмник должен быть расположен строго по направлению движения волны, переданной излучателем. При таком методе признаком дефекта является пропадание ультразвуковых колебаний. В потоке ультразвука получается "глухая область", это означает, что волна на этом участке не преодолела сварной дефект (схема б) на рисунке).

3. Эхо-зеркальный метод . Он также заключается в использовании двух преобразователей, но располагаются они с одной стороны сварного соединения. Сгенерированные приёмником ультразвуковые колебания отражаются от дефекта и регистрируются приёмником. На практике такой метод получил широкое распространение для поиска дефектов, расположенных перпендикулярно поверхности сварного соединения, например, сварных трещин (схема в) на рисунке).

4. Зеркально-теневой метод . По своей сути представляет собой теневой метод, но преобразователи располагаются не на противоположных поверхностях сварного соединения, а на одной. При этом регистрируются не прямой поток ультразвуковых волн, а поток, отражённый от второй поверхности сварного соединения. Признаком дефекта является пропадание отражённых колебаний (схема г) на рисунке).

При ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений используется, в основном, эхо-импульсный метод контроля. Реже применяется теневой метод и другие.

Сущность процесса ультразвуковой дефектоскопии

Принцип ультразвукового контроля

Ультразвуковой контроль сварных соединений относится к неразрушающим методам контроля варки и является одним из наиболее применяемых методов. Акустические ультразвуковые волны способны распространяться внутри твёрдого тела на значительную глубину. Волны отражаются от границ или от нарушений сплошности, т.к. они обладают другими акустическими свойствами.

Направляя ультразвуковые волны на сварное соединение с помощью специальных приборов - ультразвуковых дефектоскопов и улавливая отражённые сигналы, на экране дефектоскопа отображаются импульсы излученной и отражённой волн. По расположению этих импульсов и по их интенсивности, можно судить о расположении дефектов, их величине и определить характер сварного дефекта.

При контроле сварных швов необходимо тщательно выполнить прозвучивание всего металла сварного шва. Существуют способы прозвучивания прямой и отражённой волной. Прямой волной прозвучивают нижнюю часть шва, а отражённой волной - верхнюю, как это показано на рисунке справа.

Параметры оценки дефектов при ультразвуковом контроле

Чувствительность ультразвукового контроля определяется наименьшим размером дефекта (или эталонного отражателя), который возможно выявить. Роль эталонных отражателей часто играют плоскодонные отверстия, расположенные перпендикулярно направлению прозвучивания, а также боковые отверстия или зарубки, см. рисунок:

Разрешающая способность эхо-метода определяется минимальным расстоянием между двумя дефектами, при котором их можно определить, как раздельные дефекты, а не как один.

При ультразвуковом контроле, выявленный дефект оценивают, исходя из следующих параметров: амплитуды ультразвуковой волны, условной протяжённости, высоты и ширины дефекта, и его формы.

Условную длину сварного дефекта определяют длиной перемещения излучателя вдоль соединения, на протяжении которой фиксируется эхо-сигнал, исходящий от дефекта. Таким же образом, при перемещении излучателя по нормали к сварному соединению, можно определить условную ширину дефекта.

Условную высоту оценивают, исходя из разности интервалов времени между излучённой и отражённой от дефекта волной при крайних положениях излучателя.

Определить истинную величину сварного дефекта при ультразвуковом контроле очень часто оказывается затруднительно. Поэтому, чаще всего стремятся вычислить его эквивалентные величины (площадь или диаметр). Эквивалентной площадью сварного дефекта принято считать, к примеру, площадь плоскодонного отверстия в образце, амплитуда отражённой волны от которого равна амплитуде отражённой волны в проверяемом шве. Почти во всех случаях вычисленная эквивалентная площадь дефекта меньше его настоящей площади.

Форму сварного дефекта (плоскостной или объёмный) устанавливают, используя специальную методику, исходя из формы эхо-сигнала, отображаемого на экране дефектоскопа.

На точность данных, полученных при ультразвуковом контроле, влияют несколько факторов. Основные из них - это:

1. Уровень квалификации оператора
2. Внимательность оператора при работе и тщательность проведения контроля
3. Соответствие измеряемых показателей тем, которые предусмотрены инструкцией

Технология проведения ультразвукового контроля

Технология акустического контроля сварки зависит от типа сварного соединения и от требований, предъявляемых к качеству изделия. Технологию проведения акустического контроля можно условно разделить на несколько основных этапов:

1. Контроль сварного соединения внешним осмотром
2. Выбор метода контроля и типа преобразователя
3. Определение границ перемещения преобразователя
4. Подготовка поверхности сварного соединения для контроля
5. Размещение, включение, проверку работоспособности приборов и оборудования для контроля, их настройка
6. Прозвучивание металла сварного шва и зоны термического влияния
7. Оформление данных, полученных при контроле
8. Определение качества сварки, исходя из результатов контроля
9. Оценка качества сварки на соответствие требованиям, предъявляемым к металлоконструкции.

При внешнем осмотре сварного соединения устанавливают толщину свариваемого металла, тип соединения, размеры сварного шва (величину усиления или размер катета) и устанавливают наличие или отсутствие внешних сварных дефектов. Недопустимые дефекты необходимо устранить.

Контролируя сварное соединение, преобразователем совершают продольно-поперечные движения вдоль сварного шва, а также, одновременно с этим, вращательные движения, см. рисунок слева.

Видео на тему: "Ультразвуковой контроль сварных соединений"

Преимущества и недостатки ультразвуковой дефектоскопии

Преимуществами данного метода контроля являются:

1. Высокая чувствительность приборов
2. Компактность оборудования и приборов
3. Информацию о качестве сварного соединения можно получить достаточно быстро
4. Возможность контроля соединений большой толщины
5. Низкая стоимость дефектоскопии, т.к. затраты при её проведении минимальны
6. Безопасен для здоровья человека (по сравнению, например, с методом рентгеновской дефектоскопии, или методом радиационной дефектоскопии)
7. Этим методом можно выявить почти все известные сварные дефекты
8. Данный метод контроля не разрушает сварное соединение
9. Возможность проводить проверку в "полевых" условиях, благодаря наличию переносных дефектоскопов.

К недостаткам ультразвуковой дефектоскопии можно отнести:

1. Необходима подготовка поверхности соединения
2. Если дефект расположен перпендикулярно движению волны, его можно пропустить при проверке
3. Если размер дефекта меньше длины волны, то дефект остаётся "невидимым", т.к. он не отражает волну. А если увеличивать длину волны, то глубина проверки снижается.
4. Данные о дефекте часто оказывается ограниченными. Могут возникнуть трудности с определением и его формы.
5. Сложность контроля сварки материалов с крупнозернистой структурой. Например, при , или (аустенитной, или перлитной), т.к. акустические волны в такой структуре быстро затухают.

Ультразвуковой дефектоскоп и другое оборудование, приборы для контроля

Комплект оборудования для ультразвукового контроля можно условно разделить на основные группы:

1. Дефектоскопы и преобразователи. Подробнее о них рассказано на странице: "Дефектоскопы для ультразвукового контроля сварных соединений".
2. Комплекты образцов и эталонов, необходимых для настройки и поверки приборов
3. Координатные линейки и шаблоны для определения места расположения дефектов
4. Вспомогательные приспособления

Нет практически ни одной отрасли промышленности, где бы не осуществлялись сварочные работы. Подавляющее большинство металлоконструкций монтируются и соединяются между собой посредством Само собой, от качества проведения такого рода работ в перспективе зависит не только надёжность возводимого здания, сооружения, машины или какого-либо агрегата, но и безопасность людей, которые будут каким-то образом взаимодействовать с этими конструкциями. Поэтому для обеспечения надлежащего уровня выполнения подобных операций применяется ультразвуковой контроль сварочных швов, благодаря которому можно выявить наличие или же отсутствие различных дефектов в месте соединения металлических изделий. О данном передовом методе контроля и пойдет речь в нашей статье.

История возникновения

Ультразвуковая дефектоскопия как таковая была разработана в 30-х годах. Однако первый реально работающий прибор появился на свет лишь в 1945 году благодаря компании Sperry Products. На протяжении последующих двух десятилетий новейшая технология контроля получила всемирное признание, резко возросло количество производителей подобной техники.

Цена которого на сегодняшний день начинается от 100000 -130000 тысяч рублей, изначально в своей основе содержал вакуумные трубки. Такие приборы отличались громоздкостью и большим весом. Работали они исключительно от источников питания с переменным током. Но уже в 60-х годах, с появлением полупроводниковых схем, дефектоскопы значительно уменьшились в размерах и получили возможность работать от батарей, что позволило в итоге применять устройства даже в полевых условиях.

Шаг в цифровую реальность

На ранних этапах описываемые приборы применяли аналоговую обработку сигналов, за счет чего, как и многие другие подобные устройства, были подвержены дрейфу в момент калибровки. Но уже в 1984 году компания Panametrics дала путевку в жизнь первому портативному цифровому дефектоскопу под названием EPOCH 2002. С этого момента цифровые агрегаты стали высоконадежным оборудованием, идеально обеспечивающим необходимую стабильность калибровки и измерений. Ультразвуковой дефектоскоп, цена которого напрямую зависит от его технических характеристик и марки предприятия-изготовителя, получил также функцию регистрации данных и возможность передачи показаний на персональный компьютер.

В современных условиях все больше и больше вызывают интерес системы с фазированными решетками, в которых используется сложная технология на базе многоэлементных пьезоэлектрических элементов, генерирующих направленные лучи и создающих поперечные изображения, схожие с медицинской ультразвуковой визуализацией.

Сфера применения

Ультразвуковой метод контроля применяется в любом направлении промышленности. Применение его показало, что он может быть одинаково эффективно использован для проверки почти всех типов сварных соединений в строительстве, которые имеют толщину свариваемого основного металла более 4 миллиметров. Кроме того, метод активно используется для проверки соединения стыков газо- и нефтепроводов, различных гидравлических и водопроводных систем. А в таких случаях, как контроль швов большой толщины, полученных в результате ультразвуковая дефектоскопия - единственно приемлемый метод осуществления контроля.

Окончательное решение о том, годна ли деталь или сварочный шов к эксплуатации принимается на основе трех основополагающих показателей (критериев) - амплитуды, координат, условны размеров.

В целом же ультразвуковой контроль - именно тот метод, который является самым плодотворным с точки зрения формирования изображений в процессе изучения шва (детали).

Причины востребованности

Описываемый метод контроля с применением ультразвука хорош тем, что он обладает гораздо более высокой чувствительностью и достоверностью показаний в процессе обнаружения дефектов в виде трещин, меньшей стоимостью и высокой безопасностью в процессе использования по сравнению с классическими методами радиографического контроля. На сегодняшний день ультразвуковой контроль сварных соединений применяется в 70-80% случаев проверок.

Ультразвуковые преобразователи

Без применения этих устройств неразрушающий контроль ультразвуковой просто немыслим. Приспособления служат для формирования возбуждения, а также приема колебаний ультразвука.

Агрегаты бывают различными и подлежат классификации по:

• Способу создания контакта с исследуемым изделием.
• Способу подключения пьезоэлементов в электросхему самого дефектоскопа и дислокации электрода относительно пьезоэлемента.
• Ориентации акустической относительно поверхности.
• Числу пьезоэлементов (одно-, двух-, многоэлементные).
• Ширине полосы рабочих частот (узкополосные - полоса менее одной октавы, широкополосные - полоса пропускания превышает одну октаву).

Измеряемые характеристики дефектов

В мире техники и промышленности всем руководит ГОСТ. Ультразвуковой контроль (ГОСТ 14782-86) в этом вопросе также не является исключением. Стандарт регламентирует, что дефекты измеряются по следующим параметрам:

• Эквивалентной площади дефекта.
• Амплитуде эхосигнала, которую определяют с учетом расстояния до дефекта.
• Координатам дефекта в точке сваривания.
• Условным размерам.
• Условному расстоянию между дефектами.
• Количеству дефектов на выделенной длине сварного шва или соединения.

Эксплуатация дефектоскопа

Неразрушающий контроль, коим является ультразвуковой, имеет собственную методику использования, которая гласит, что основной измеряемый параметр - амплитуда эхосигнала, полученная непосредственно от дефекта. Для дифференциации эхосигналов по величине амплитуды фиксируется так называемый браковочный уровень чувствительности. Он, в свою очередь, настраивается при помощи стандартного образца предприятия (СОП).

Начало эксплуатации дефектоскопа сопровождается его настройкой. Для этого выставляется браковочная чувствительность. После этого в процессе проводимых ультразвуковых исследований осуществляется сравнение полученного эхосигнала от обнаруженного дефекта с зафиксированным браковочным уровнем. В случае, если измеренная амплитуда будет превышать браковочный уровень, специалисты принимают решение, что такой дефект является недопустимым. Тогда шов или изделие бракуется и отправляется на доработку.

Наиболее часто встречающимися дефектами свариваемых поверхностей являются: непровар, неполное проплавление, растрескивание, пористость, шлаковые включения. Именно эти нарушения эффективно выявляет дефектоскопия с использованием ультразвука.

Варианты исследований ультразвуком

С течением времени процесс проверки получил несколько действенных методов изучения сварочных соединений. Ультразвуковой контроль предусматривает довольно большое количество вариантов акустического исследования рассматриваемых металлоконструкций, однако наибольшую популярность получили:

• Эхо-метод.
• Теневой.
• Зеркально-теневой метод.
• Эхо-зеркальный.
• Дельта-метод.

Метод номер один

Чаще всего в промышленности и железнодорожном транспорте применяется эхо-импульсный метод. Именно благодаря ему диагностируется более 90% всех дефектов, что становится возможным за счет регистрации и анализа почти всех сигналов, отраженных от поверхности дефекта.

Сам по себе данный метод основывается на прозвучивании металлического изделия импульсами ультразвуковых колебаний с последующей их регистрацией.

Достоинствами метода являются:

Возможность одностороннего доступа к изделию;

Довольно высокая чувствительность к внутренним дефектам;

Высочайшая точность определения координат обнаруженного дефекта.

Однако имеются и недостатки, в числе которых:

Невысокая устойчивость к помехам поверхностных отражателей;

Сильная зависимость амплитуды сигнала от расположения дефекта.

Описываемая дефектоскопия подразумевает под собой посылку в изделие искателем ультразвуковых импульсов. Прием ответного сигнала происходит им же или же вторым искателем. При этом сигнал может отражаться как непосредственно от дефектов, так и от противоположной поверхности детали, изделия (шва).

Теневой метод

Он основывается на подробном анализе амплитуды ультразвуковых колебаний, передающихся от излучателя к приемнику. В случае, когда происходит уменьшение данного показателя, это сигнализирует о наличии дефекта. При этом чем больше размеры самого дефекта, тем будет меньше амплитуда получаемого приемником сигнала. Для получения достоверной информации следует располагать излучатель и приемник соосно на противоположных сторонах исследуемого объекта. Недостатками данной технологии можно считать низкую чувствительность в сравнении с эхо-методом и сложность ориентирования ПЭП (пьезоэлектрических преобразователей) относительно центральных лучей диаграммы направленности. Однако есть и достоинства, которые заключаются в высокой устойчивости к помехам, малой зависимости амплитуды сигнала от расположения дефекта, отсутствии мёртвой зоны.

Зеркально-теневой метод

Данный ультразвуковой контроль качества чаще всего используется для контроля сваренных между собой стыков арматуры. Основной признак того, что дефект обнаружен, заключается в ослаблении амплитуды сигнала, который отражается от расположенной напротив поверхности (чаще всего ее называет донной). Главное достоинство метода - чёткое обнаружение разнообразных дефектов, дислокацией которых является корень шва. Также метод характеризуется возможностью одностороннего доступа ко шву или детали.

Эхо-зеркальный метод

Самый эффективный вариант обнаружения вертикально расположенных дефектов. Проверка осуществляется с помощью двух ПЭП, которые перемещают по поверхности возле шва с одной стороны от него. При этом их движение производят таким образом, чтобы зафиксировать одним ПЭП сигнал, излучаемый от другого ПЭП и дважды отразившийся от имеющегося дефекта.

Главное преимущество метода: с его помощью можно оценить форму дефектов, величина которых превышает 3 мм и которые отклоняются в вертикальной плоскости более чем на 10 градусов. Самое главное - использовать ПЭП с одинаковой чувствительностью. Такой вариант активно применяется для проверки толстостенных изделий и их сварочных швов.

Дельта-метод

Указанный ультразвуковой контроль сварных швов использует ультразвуковую энергию, переизлученную дефектом. Поперечная волна, которая падает на дефект, отражается частично зеркально, частично преобразовывается в продольную, а также переизлучает дифрагированную волну. В итоге происходит улавливание требуемых волн ПЭП. Недостатком метода можно считать зачистку шва, довольно высокую сложность расшифровки полученных сигналов во время контроля сваренных соединений толщиной до 15 миллиметров.

Преимущества ультразвука и тонкости его применения

Исследования сварных соединений с помощью звука высокой частоты - это, по сути, неразрушающий контроль, ведь такой метод не способен нанести каких-либо повреждений исследуемому участку изделия, но при этом довольно точно определяет наличие дефектов. Также особого внимания заслуживает низкая стоимость проводимых работ и их высокая скорость выполнения. Немаловажно и то, что метод абсолютно безопасен для здоровья человека. Все исследования металлов и 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.

Невозможность использования и недостатки

Ультразвуковой контроль абсолютно нерационально применять для обследования сварочных соединений металлов, имеющих крупнозернистую структуру (например, чугуна или же аустенитного шва с толщиной более 60 миллиметров). А все потому, что в таких случаях происходит достаточно большое рассеивание и сильное затухание ультразвука.

Также не представляется возможным однозначно полноценно охарактеризовать обнаруженный дефект (вольфрамовое включение, шлаковое включение и др.).