2.6. Методы ультразвуковой дефектоскопии Классификация методов ультразвукового контроля

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

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 ΔL.

2.3. Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на посылке в изделие коротких ультразвуковых сигналов (зондирующих импульсов) и регистрации сигналов (эхо-сигналов), отраженных от выявляемых дефектов. Схемы его реализации прямым (а) и наклонным (б) преобразователями приведены на рис. 2.4.

При контроле прямым преобразователем наряду с эхо-сигналом от дефекта на экране может присутствовать донный сигнал. Возможен контроль лучом, отраженным от противоположной поверхности (рис 2.4 в) а также многократно отраженными лучами.

Признаком дефекта при эхо-методе контроля является появление в зоне контроля эхо-сигнала с амплитудой выше порога срабатывания АСД при заданной чувствительности дефектоскопа.

Эхо-метод контроля прямым ПЭП при наличии донной поверхности обычно совмещают с зеркально-теневым методом, т.е. анализируют как пропадание или уменьшение донного сигнала, так и появление эхо-сигналов от дефектов.

Эхо-методом с использованием поверхностных волн или поперечными волнами, падающими на поверхность со стоны изделия, надежно выявляются трещины выходящие на поверхность (рис. 2.4 г, в).

К достоинства эхо- метода можно отнести: односторонний доступ к контролируемому изделию, достаточно высокую чувствительность к дефектам и высокая точность определения координат дефектов.

Недостатками его являются: низкая помехоустойчивость к поверхностным отражателям и зависимость амплитуды эхо-сигнала от ориентации отражающей поверхности дефекта по отношению к акустической оси ПЭП.

2.4. Зеркальный метод

В некоторых случаях (например, трещина с зеркальной поверхностью, ориентированная под углом отличным от нуля к акустической оси преобразователя) эхо-метод может вообще не обнаружить даже сильно развитый дефект. Однако, если известно куда будет направлен отраженный от дефекта сигнал, приемник можно установить на его пути и зарегистрировать этот сигнал (рис. 2.5). Такой метод контроля называется зеркальным.

а б

Рис. 2.5. Схемы реализации зеркального метода контроля с одним отражением от дефекта (а) и с отражением от дефекта и конструктивного элемента изделия (б)

Признаком дефекта в этом случае является появление эхо сигнала выше порога срабатывания АСД в зоне контроля зеркально отраженного от дефекта (рис. 2.5,а) или эхо сигнала отраженного от дефекта и конструктивного элемента изделия (рис. 2.5, б).

Достоинство метода – позволяет обнаружить дефекты с зеркальной поверхностью, неблагоприятно ориентированной для эхо-метода. В тоже время надо точно знать ориентацию трещин, чтобы правильно установить приемный ПЭП.

2.5. Обобщенная функциональная схема электронного блока современных микропроцессорных дефектоскопов

Обобщенная функциональная (структурная) схема электронного блока современных микропроцессорных дефектоскопов с жидкокристаллическим (ЖКД) или электро-люминесцентным (ЭЛД) дисплеем приведена на рис. 2.6. Блок управления и индикации обеспечивающей работу дефектоскопа во всех режимах и состоит из жидкокристаллического (ЖКД) или электролюминесцентного (ЭЛД) дисплея и кнопочной панели управления. Мембранная кнопочная панель управления служит для задания или изменения параметров настройки, режимов работы, выводимых на экран ЖКД. В некоторых приборах для управления используются энкодеры. Устройство обработки включает в себя главный микропроцессор, а также энергонезависимую и оперативную память (ПЗУ и ОЗУ). Устройство цифрового интерфейса согласует работу составляющих частей дефектоскопа и преобразует аналоговые сигналы в цифровые (АЦП) и цифровые в аналоговые (ЦАП). Назначение остальных блоков ясно из их названия.

к ПЭП

генератор ЗИ

приемник

цифровой интерфейс

преобразователь напряжений

ко всем блокам

сетевой адаптер

встроенный

аккумулятор

Рис. 2.6. Обобщенная функциональная (структурная) схема электронного блока современных микропроцессорных дефектоскопов

2. Эхо-импульсный метод ультразвуковой дефектоскопии.

Как видно, существует огромное количество методов ультразвуковой дефектоскопии, но один из наиболее распространённых методов является эхо-импульстный метод ультразвукового неразрушающего контроля. Это объясняется тем, что этот метод – в отличии от других – применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, и при этом позволяет определить размеры дефекта, его координаты, характер.

В эхо-импульсном методе ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) используются те же принципы, что и в радио — и акустической локации.

Современный эхо-метод УЗД основан на излучении в контролируемое изделие коротких импульсов упругих колебаний (длительностью 0,5 – 10 мксек) и регистрации интенсивности (амплитуды) и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов отражателей.

Импульсный эхо-метод позволяет решать следующие задачи дефектоскопии:

1. Обнаружение и определение координат дефектов, представляющих собой нарушения сплошности и расположенных как на поверхности, так и внутри металлических и неметаллических изделиях и в сварных соединениях.

2. Определение размеров дефектов и изделий.

3. Обнаружение зон крупнозернистости в металлических изделиях и заготовках.

Аппаратура, реализующая данный метод, позволяет определить характер дефектов, идентифицировать их по размерам, формам, ориентации.

2.1 Характеристики

К основным характеристикам метода относятся: чувствительность, максимальная глубина прозвучивания, минимальная глубина («мертвая» зона), разрешающая способность, точность измерения расстояния, производительность контроля[4].

Под чувствительностьюпонимают минимальный размер дефекта, находящийся на максимальной глубине и четко регистрируемый прибором. Количественно ее определяют порогом чувствительности. Для эхо-метода – это минимальная площадь искусственного дефекта типа плоскодонного отверстия, который обнаруживается при контроле. Ее можно определить по отражателям другого типа, выполняя пересчет на площадь плоскодонного отверстия по формулам акустического тракта. Порог чувствительности ограничивается двумя главными факторами: чувствительностью аппаратуры и уровнем помех. В зависимости от структуры материала будет и изменяться порог чувствительности.

Максимальная глубина прозвучивания определяется максимальным расстоянием от дефекта (отражателя) заданного размера, на котором он уверенно выявляется. Она ограничивается условием, чтобы сигнал от дефекта был больше минимального сигнала, регистрируемого прибором и уровня помех. Она также определяется параметрами аппаратуры. В технических характеристиках прибора в качестве максимальной глубины прозвучивания указывают максимальную длительность развертки дефектоскопа. Достижение максимальной глубины прозвучивания ограничивается теми же факторами, которые препятствуют повышению чувствительности.

Минимальная глубина или «мертвая» зона— минимальное расстояние от преобразователя или от поверхности изделия до дефекта, на котором он четко выявляется не сливаясь с зондирующим импульсом или импульсом от поверхности ввода ультразвука.

Разрешающая способность — минимальное расстояние между двумя одинаковыми дефектами, при котором они регистрируются раздельно. Различают лучевую и фронтальную разрешающую способности метода.

Лучевая разрешающая способность— минимальное расстояние в лучевом направлении, при котором сигналы от дефектов видны на экране как два раздельных импульса.

Фронтальная разрешающая способность по перемещению— минимальное расстояние между дефектами в направлении перпендикулярном лучевому.

Точность измерения расстояния до дефекта определяется погрешностью в % от измеряемой величины.

Производительность контроля определяется шагом и скоростью сканирования (перемещения) преобразователя. При оценке времени контроля учитывается и время на исследование дефекта.

В практике контроля рельсов получили распространение теневой, зеркально-теневой и эхо-методы ультразвуковой дефектоскопии.

Физические основы ультразвуковой дефектоскопии.

Распространение упругих волн.Ультразвуковые колебания так же, каки звуковые, представляют собой механические колебания частиц упругой среды. Ультразвуковыми называются упругие колебания, частота которых больше 20 кГц, т. е. выше частоты слышимого человеком звука. Упругие колебания могут быть возбуждены в газообразной, жидкой и твердойсредах. Колебательное движение возбужденных частиц благодаря наличию упругих связей вызывает ультрозвуковые волны.

Для получения ультразвука частот (1-5 мГц)применяют пьезоэлектрические, магнито-стрикционные, электромагнитно-акустические и другие преобразователи. Наибольшее распространение получи­ли пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), в кото­рых активными являются пьезоэлементы, изготовленные из монокристалла кварца или пьезокерамических мате­риалов — титаната бария, цирконат титаната свинца и др. Для изготовления преобразователей (вставок, резо­наторов) рельсовых дефектоскопов чаще всего исполь­зуют ПЭП из цирконат титаната свинца марки 19 (ЦТС-19). На плоские поверхности пьезоэлементов наносят тон­кие слои серебра, служащие электродами. При подведе­нии к электродам знакопеременного электрического на­пряжения пьезоэлемент совершает вынужденные меха­нические колебания (растягивается и сжимается, как это показано на рис. 9.4) с частотой подаваемого электри­ческого напряжения. Данное явление называется обрат­ным пьезоэффектом.

Рис. 9.4. Иллюстрация обратного пьезоэффекта.

При воздействии на пьезоэлемент упругих механи­ческих колебаний на его электродах возникает знакопе­ременное электрическое напряжение, величина которого пропорциональна прилагаемому к пьезоэлементу усилию (рис. 9.5). Это явление носит название прямой пьезоэффект.

 

 

Рис. 9.5 Иллюстрация прямого пьезоэффекта.

Эхо- метод ультразвукового контроля.

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на излучении в контролируемое изделие коротких зондиру­ющих импульсов ирегистрации 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 акустического контакта в процессе перемещения ПЭП, так как при от­сутствии дефектов на выходе отсутствуют какие-либо сигналы.

Несмотря на указанные недостатки, эхо-метод яв­ляется наиболее распространенным методом ультра­звуковой дефектоскопии изделий. С помощью этого метода обнаруживают более 90%дефектов в железно­дорожных рельсах.

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 эxo-сигналов как от дефекта, так и от противоположной поверхности (Рис.9.6). Причем временное положение Эхо-сигнала от дефекта относительно зондирующего им­пульса пропорционально глубине h егозалегания

t= 2h/c,

где с — скорость распространения ультразвуковых колебаний в изделии.

 

 

Рис. 9.6. Формирование эхо- и донного сигналов.

 

Для обнаруженного эхо-импульсным методом дефекта можно измерить три условных размера: условную ширину ΔХ, условную высоту ΔН и условный размер по длине рельса ΔL.

Условный размер ΔL по длине рельсахарактеризу­ется длиной, зоны в миллиметрах перемещения ПЭП вдоль рельса, в пределах которого формируется сигнал отдефекта (рис. 9.7) при заданной условной чувстви­тельности дефектоскопа.

Условная высота ΔНдефекта – это разность пока­заний дефектоскопа, снятых при тех же положениях ПЭП, при которых измерялся условный размер ΔL (рис. 9.7).

 

Рис. 9.7. Измерение условного размера ΔL и условной высоты ΔНдефекта

 

Условная ширина ΔХдефекта (мм) измеряется по длине зоны между крайними положениями ПЭП, пере­мещаемого вдоль контролируемого сечения (рис. 9.8).

 

Рис. 9.8. Измерение условной ширины ΔХ дефекта в головке рельса

Крайними положениями ПЭП при измерениях ус­ловных размеров ΔL, ΔН и ΔХ считают положения, при которых амплитуда эхо-сигнала от выявленного дефекта уменьшается до уровня срабатывания автома­тического сигнализатора дефектоскопа, настроенного в соответствии с требованиями нормативной докумен­тации на контроль конкретного изделия.

 

Теневой метод ультразвукового контроля

Теневой метод одним из первых стал применяться для ультразвукового контроля металлоизделий. Излучатель ультразвуковых волн И, изделие и приемник П образуют «акустический тракт». Решение о состоянии проверяемого изделия выносится по уровню принятого сигнала U (на электродах приемного ПЭП П). Если на пути ультразвуковых волн от излучателя до приемника нет несплошностей, отражающих или рассеивающих ультразвуковые волны, то уровень принятого сигнала максимален. Этот уровень резко уменьшается или падает до нуля, если в изделии есть несплошность Д (рис 2.9.).

Рис 2.9. Теневой метод ультразвукового контроля

В отличие от эхо-метода, теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и слабую зависимость амплитуды от угла ориентации дефекта. Недостатком метода является требование двухстороннего доступа к изделию. Кроме того, серьезным недостатком теневого метода является наличие значительных погрешностей показаний прибора, регистрирующего уровень прошедшего сигнала (из-за нестабильности акустического контакта обоих преобразователей с контролируемой деталью). Теневой метод не дает информации о координатах дефекта. По этим причинам данный метод в дефектоскопии деталей железнодорожного транспорта имеет ограничение применение.

Зеркальный метод ультразвукового контроля

При поиске дефектов, ориентированных перпендикулярно к поверхности сканирования, например, некоторых контактно-усталостных трещин, контроль одним наклонным преобразователем не всегда дает достаточно надежные показания. Это связано с тем, что ультразвуковой луч, падая на дефект, в основном зеркально отражается от его плоскости практически не возвращается на излучаемый ПЭП. Для повышения эффективности обнаружения вертикально ориентированных поперечных трещин рекомендуется дополнить эхо-метод ультразвукового контроля зеркальным методом. Он реализуется при прозвучивании изделия двумя ПЭП, которые размещены на поверхности сканирования так: образом, чтобы фиксировать одним ПЭП сигнал, излучаемый другим ПЭП. Сигнал переотражаясь от противоположной поверхности изделий от плоскости дефекта, поступает на приемную пьезопластину. (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Зеркальный метод ультразвукового контроля

В простейшем случае в дополнение к первому ПЭП, работающемув обычном режиме «излучение-прием», на определенном расстоянии В от него устанавливают второй ПЭП, который может работать только в режиме приема зеркально отраженных от плоскости дефекта сигналов (рис. 2.11). Расстояние В между двумя ПЭП выбирают, исходя из условия наилучшего озвучивания зоны вероятного обнаружения дефектов.

Рис 2.11. Процесс формирования сигналов при зеркальном методе ультразвукового контроля

Зеркально-теневой метод ультразвукового контроля

Зеркально-теневой метод, как видно из рис. 2.11, не требует двухстороннего доступа к изделию. При этом признаком обнаружения дефекта служит ослабление амплитуды сигнала, отраженного от противоположной поверхности.

Как видно из рис. 2.12, зеркально-теневой метод (ЗТМ) ультразвукового контроля реализуется, если перенести приемный пьезоэлектрический преобразователь, реализующий теневой метод, с донной поверхности на поверхность сканирования изделия и наблюдать за амплитудой дважды прошедшего через изделие сигнала (от поверхности ввода до донной поверхности и обратно).

Естественно, временное положение донного сигнала относительно зондирующего импульса в два раза превышает временное положение прошедшего сигнала при теневом методе.

Рис. 2.12 Зеркально-теневой метод ультразвукового контроля

2.9.1. Проверка и настройка основных параметров контроля при работе с наклонными пэп

Для определения точки выхода луча наклонный ПЭП необходимо установить на поверхность стандартного образца СО-3Р СО-3) так, чтобы сигнал от цилиндрической поверхности имел максимальное значение (рис. 2.13). Положение метки на корпусе ПЭП не должно отличаться от положения нулевой отметки на стандартном образце более чем на 1 мм. В противном случае следует стереть старую метку и нанести новую, соответствующую истинному положению точки выхода луча. Если на ПЭП нанесено несколько меток, пометить, напротив которой из них находится нулевая отметка на стандартном образце.

Рис. 2.13. Положение ПЭП на СО-3Р при проверке точки выхода луча и настройке времени распространения УЗ в призме

Время распространения УЗ в призме определяется в этом же положении ПЭП на стандартном образе. Суть способа заключается в том, что из суммарного времени распространения УЗ в призме и стандартном образце вычитается последнее, которое определяется по известному радиусу цилиндрической поверхности СО-3Р и скорости УЗ в стали.

Для проверки угла ввода и точности работы глубиномера необходимо установить ПЭП на поверхность стандартного образца СО-3Р (СО-2) так, чтобы сигнал от бокового цилиндрического отверстия  6 мм на глубине 44 мм имел максимальное значение (рис. 2.14) и, изменяя усиление установить амплитуду сигнала в пределах экрана дефектоскопа. Считать значение угла ввода со шкалы СО-3Р (СО-2) напротив метки, соответствующей точке выхода луча на ПЭП. Отклонения угла ввода не должно превышать 2º (3º для ПЭП с углом ввода больше 65º). Уточненное значение угла ввода можно занести в соответствующую настройку дефектоскопов. Убедиться, что показания глубиномера прибора Н (Y) соответствует 422 мм.

Рис. 2.14 Положение ПЭП при проверке угла ввода и точности работы глубиномера

Определение опорного уровня (пороговой чувствительности) для настройки прибора на заданную условную чувствительность производится в том же положении ПЭП на СО-3Р (СО-2). Для этого необходимо, совершая небольшие перемещения ПЭП, убедиться, что сигнал от бокового цилиндрического отверстия  6 мм на глубине 44 мм имеет максимальное значение и, изменяя усиление дефектоскопа установить эхо-сигнал на порог срабатывания АСД. Усиление дефектоскопа, при котором эхо-сигнал находится на пороге срабатывания АСД, является опорным уровнем (пороговой чувствительностью).

Условную чувствительность при эхо-методе контроля по стандартному образцуОСО-3Р или (СО-2) выражают разностью в децибелах между показанием усиления при данной настройке дефектоскопа и показанием, усиления при котором эхо-сигнал от цилиндрического отверстия диаметром 6 мм на глубине 44 мм фиксируется на пороге АСД. То есть для проведения контроля условную чувствительность добавляют к пороговой.

Проверка мертвой зоны и установка временной регулировки чувствительности (ВРЧ) производится в таком положении ПЭП на поверхности стандартного образца СО-3Р, при котором наблюдается эхо-сигнал от бокового цилиндрического отверстия  2 мм на глубине, соответствующей мертвой зоне настраиваемого преобразователя в соответствии с инструкцией на контроль (рис. 2.15, а). Значение ВРЧ необходимо установить таким, чтобы сигнал от отверстия не сливался с задним фронтом зондирующего импульса, и находился несколько выше порога срабатывания дефектоскопа (рис. 2.15, б).

а б

Рис. 2.15. Положение ПЭП при установке ВРЧ и проверке мертвой зоны