Характеристики дефектов и способы их измерения.

Многолетний опыт применения дефектоскопии показал, что при оценке допустимости дефектов к оптимальному близок следующий набор измеряемых характеристик дефектов:

- координаты дефектов по сечению и длине шва;

- эквивалентная площадь дефекта;

- условные протяженность и высота дефекта;

- количество дефектов на длине шва;

- характер дефекта.

Оценка дефектов по условным размерам. К таким характеристикам относят условные протяженность и высоту (ширину) дефекта. Их определяют путем сканирования ПЭП как вдоль, так и перпендикулярно оси шва. При этом измеряют расстояние между положениями ПЭП, в которых при заданном уровне чувствительности дефектоскопа эхо-импульс от дефекта исчезает с экрана. Координаты крайних точек можно определить двумя способами: относительным (способ а) и абсолютным (способ б) (рис.5.7).

Рис. 5.7. Схема измерения условных размеров относительным (а) и абсолютным (б) способами.

При способе 1 за крайние принимают такие положения (5.8. а), при которых амплитуда эхо-сигнала достигает значения Аmin, составляющего определенную часть N от своего максимального значения Аmax, т.е. Аmin = N ∙ Аmax. При всех измерениях N = const и обычно N = 0,5 (6 отр. дБ).

На практике условные размеры по способу 1 измеряют следующим образом. Определяют положение преобразователя, соответствующее максимальной амплитуде эхо-сигнала Аmax от дефекта (см. рис. 5.8, положение1). Блоком чувствительности повышают чувствительность дефектоскопа на N, т.е. увеличивают усиление на 6 дБ. При этом амплитуда и вершина эхо-сигнала на экране существенно превышают маркерную линию и чаще выходят на экран дефектоскопа. Затем, не меняя чувствительности дефектоскопа, перемещают преобразователь по поверхности изделия и за крайние принимают такие положения, при которых эхо-сигнал снижается до маркерной линии (рис.5.7, положение 2,3).

При способе 2 за крайние положения преобразователя принимают такие, при которых амплитуда эхо-сигнала достигает некоторого заданного значения Amin, не зависящего от максимальной амплитуды эхо-сигнала, т.е. N = var. Измерения в этом случае проводят следующим образом. После установки амплитуды сигналы от контрольного (опорного) отражателя (чаще всего это контрольный уровень чувствительности) преобразователь сканируют по поверхности изделия. За крайние считают положения, при которых фиксируются появление и исчезновение сигнала на экране дефектоскопа. Сравнение двух способов показывает, что процедура измерений способом 2 гораздо проще, однако при способе 1, когда b > a условный размер дефекта больше соответствует истинном, возможно получение дополнительной информации о конфигурации дефекта.

Информацию о характере (типе) дефекта можно получить путем анализа индикатрисы рассеяния дефекта, т.е. анализа распределения амплитудно-временных и амплитудно-частотных характеристик рассеянного поля дефекта.

В зависимости от вида измеряемых параметров и методов их получения условно можно выделить следующие основные группы распознавания дефектов:

1) по анализу отраженных сигналов;

2) по анализу дифрагированных и трансформированных сигналов;

3) по анализу амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик отраженных сигналов (спектральный метод);

4) на основе визуализации акустических полей (томография и голография).

Весьма эффективным является метод, основанный на сравнении амплитуд сигналов, отраженных от дефекта и дна (рис.5.8)

, (30)

где ∆Адон – разность амплитуд данного сигнала при отсутствии и наличии дефекта.

Физический смысл этого коэффициента заключается в следующем. При наличии плоскостного дефекта наблюдается ослабление данного сигнала вследствие образования на ее берегах головных и порождаемых ими боковых волн, уносящих энергию данного эхо-сигнала. При наличии объемного дефекта ∆Адон изменяется незначительно, тогда как величина ∆Aэхо увеличивается.

На основе расчетно-экспериментальных данных установлено, что при Кд = 16…27 дБ дефекты объемные; при Кд = 31…36 – объемно-плоскостные и при Кд = 36…55 дБ – плоскостные.

Рис.5.8. Схемы измерения формы дефектов дифракционными методами: а – основанный на трансформации падающей на дефект поперечной волны в продольную; б – основанный на сравнении амплитуд сигналов; в - называемый дельта-способом.

Другим весьма эффективным методом обнаружения и распознавания типа дефекта является так называемый дельта-способ. В основе способа лежат особенности формирования индикатрис рассеяния (ИР) продольных и поперечных волн дефектов различного типа.

Суть метода заключается в следующем (рис.5.8 в). В контролируемое изделие продольные волны вводят прямым преобразователем. Наклонным преобразователем принимают два импульса трансформированных поперечных боковых волн под углом α = 56°30'. Первый импульс соответствует отражению ближайшей к преобразователю точке дефекта, второй – дифракции данного сигнала на противоположной точке дефекта. В случае объемного дефекта амплитуда первого импульса Alt значительно больше амплитуды второго Al't' по нескольким причинам.

В случае плоскостного дефекта амплитуда сигнала, дифрагированного на верхнем кончике, будет существенно меньше амплитуды данного сигнала, составляющего комбинацию головная-боковая, Кk = Alt/Al't'« 1. Существует несколько разновидностей дельта-способа.

Известен способ идентификации дефектов, основанный на измерении амплитуд сигналов, дифрагированных на верхнем и нижнем краях дефекта,

, (31)

где А1 и А2 – амплитуды сигналов, измеренные на верхнем и нижнем краях дефекта; ∆t – время задержки этих сигналов; f - частота колебаний.

Это соотношение справедливо для дефектов, радиус кривизны R которых находится в интервале 10 < kR < 40, где . Установлено, что для плоскостных дефектов , а для объемных .

Ультразвуковая томография

Промышленная ультразвуковая (УЗ) томография – это качественно новый уровень УЗ дефектоскопии. Визуализация внутренней структуры объекта контроля (ОК) с возможностью измерения реальных размеров дефектов материала – вот главные преимущества УЗ томографа перед традиционным дефектоскопом.

УЗ томографы основаны на методах отражения. В них для излучения и приёма УЗ волн используются решётки пьезоэлементов, конструктивно объединённые в едином корпусе и называемые фазированными антенными решётками (ФАР).

Физический принцип работы томографа заключается в электронном управлении функцией направленности акустического поля антенной решётки для сбора информации об относительной отражающей способности точек внутренней структуры материала ОК и в визуализации сечения этого объекта путём преобразования полученной информации в цветояркостное изображение (томограмму).

Рис. 5.9. УЗ томограммы сварного шва листов углеродистой стали толщиной 20 мм, полученные с помощью антенной решётки поперечных волн: а – область без дефектов; б – область с дефектом типа непровар.

Решётки с непосредственной акустической связью состоят из набора пьезоэлементов, установленных непосредственно на общий тонкий, в сравнении с длиной волны, протектор и покрытых специальным материалом, демпфирующим их собственные акустические колебания. Пьезоэлементы в них параллельны поверхности ОК и работают аналогично прямым УЗ преобразователям. Поэтому такие решётки можно по аналогии с прямыми преобразователями также назвать прямыми. Их обычно применяют для контроля на продольных УЗ волнах в диапазоне углов ввода от нуля до 50 - 60 градусов.

Призматические ФАР отличаются от прямых решёток тем, что в них пьезоэлементы установлены на призму из материала с низкой скоростью ультразвука, меньшей, чем у металлов. Поэтому на границе призма – ОК происходит преломление УЗ лучей. Эти решётки, аналогично наклонным призматическим УЗ преобразователям, применяют чаще всего для контроля на поперечных УЗ волнах в диапазоне углов ввода от 20 до 70 градусов.

Наибольшее распространение в практике промышленной УЗ томографии получили одномерные ФАР, как прямые, так и призматические. Одномерные решётки обеспечивают решение большинства задач томографического контроля, но в то же время они конструктивно и технологически намного проще двумерных матричных ФАР. И аппаратура, работающая совместно с одномерными ФАР, как правило, менее сложная и дорогая, чем аппаратура на основе двумерных решёток.

Рис. 5.10 Схема антенной решётки и матрица взаимодействий её элементов при работе. N – общее количество возможных пар элементов.

На рис. 5.10 показана схема антенной решётки. Стрелки на схеме символизируют распространение УЗ сигналов от излучающего элемента к приёмному в процессе её работы. При количестве элементов решётки равном n общее количество принятых реализаций УЗ сигналов при полном переборе всех возможных комбинаций излучатель – приёмник равно

(32)

По окончании каждого цикла комбинационного зондирования результат накопления в памяти суммарных откликов для каждой точки визуализируемого сечения ОК представляется на экране томографа в цветояркостной форме как томограмма.

ЛЕКЦИЯ №6. ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ. ПОДГОТОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ К КОНТРОЛЮ. СХЕМЫ КОНТРОЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ