Ультразвуковая дефектоскопия

 

Содержание

 

Введение

1. Природа ультразвука.
2. Генерирование ультразвуковых волн
3. Ультразвуковая дефектоскопия
4. Методы ультразвуковой дефектоскопии.
5. Импульсный эхо-метод
6. Преимущества и недостатки
7. Библиографический список

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Современные технологические  процессы изготовления продукции машиностроения во многих случаях сопровождаются промежуточным контролем качества изделий. В связи с этим важное значение приобретают неразрушающие методы контроля качества, которые позволяют не только обнаруживать дефекты на поверхности или в толще изделия, но и определять их форму и размеры, а также пространственное положение. Каждый из этих методов обладает определенными преимуществами, что позволяет с большей точностью выявлять те или иные типы дефектов.

Процессы образования  и роста дефектов ставят под угрозу возможность безаварийной эксплуатации подвижного состава. Обеспечение безопасности движения за счет своевременного обнаружения заводских и усталостных дефектов в ответственных элементах пути и подвижного состава приносит огромный экономический эффект и служит сохранению человеческих жизней. Решение этой проблемы достигается современными физическими методами неразрушающего контроля.

В настоящее время  неразрушающий контроль представляет собой самостоятельную интенсивно развивающуюся на стыке физического материаловедения и технологии отрасль науки и техники, которая находит широкое применение в различных сферах производства и особенно на транспорте.

Практика показывает, что  правильная организация контроля, а  также умелое использование того или иного метода контроля, разумное сочетание этих методов позволяют с большой надежностью оценить наличие дефектов контролируемых изделий.

 

 

1. Природа ультразвука

Ультразвук – это упругие колебания и волны высокочастотной части спектра акустических волн. Как известно, в зависимости от частоты упругие волны подразделяют на инфразвуковые (с частотой до 20 Гц), звуковые (от 20 до 2×10⁴ Гц), ультразвуковые (от 2×10⁴ до 10⁹ Гц) и гиперзвуковые (свыше 10⁹ Гц). Акустические (упругие) волны – распространяющиеся в упругой среде механические возмущения (деформации). Упругие волны могут возникать в любой среде – твердой, жидкой и газообразной. Возмущения от источника передаются частицам среды, которые также начинают колебаться относительно своей точки равновесия. Эти колебания передаются соседним частицам, которые также начинают колебаться, затем колебания передаются все новым и новым частицам и в среде возникает упругая волна. Пространство, в котором распространяются упругие волны, – звуковое или акустическое поле. Упругие волны характеризуются следующими параметрами: длиной l, частотой f и скоростью распространения c, которые связаны зависимостью: l = c/f .        (1.1)

Приближенно скорость распространения продольной волны  определяется по формуле: ,  (1.2)

где Е - модуль упругости;

р — плотность среды, подверженной колебаниям.

Скорость распространения  поперечной волны определяется по формуле:

,   (1.3)

где G - модуль поперечной упругости, ,     (1.4)

-коэффициент поперечного сокращения  Пуассона, для стали  - 0,3.

Основной способ обнаружения  дефектов в ультразвуковой дефектоскопии  основан на фиксировании сигналов, отраженных от дефектов. Если размер дефекта  больше длины волны, то от него волна  отражается, а значит, дефект может  быть обнаружен. Поэтому от длины  волны зависит минимальный размер обнаруживаемых дефектов.

В твердых телах также  могут быть возбуждены и поверхностные  волны. Эти волны распространяются вдоль поверхности, проникая в глубину 1,5 λ. Скорость их примерно равна 0,93. В дефектоскопии деталей вагонов и локомотивов в настоящее время используются продольные, поперечные и поверхностные волны.

Ультразвуковая волна  в направлении своего движения несет  определенную энергию. Количество энергии, перенесенной волной за 1с через 1 площади, перпендикулярной к направлению распространения, называют интенсивностью волны.

По мере распространения  волны даже в строго определенном направлении без какого-либо расхождения, интенсивность ее падает. В таком  случае ослабление интенсивности (затухание  волн) может быть связано с поглощением, при котором механическая энергия  колебаний частиц переходит в  тепловую, и с рассеянием ультразвуковой волны на неоднородностях среды. Рассеяние зависит от соотношения длины волны и среднего диаметра неоднородности. Затухание ультразвуковых колебаний определяется, в основном, рассеянием ультразвука на границах зерен и практически тем больше, чем крупнее структура металла. Это свойство ультразвука используется для определения структуры металла осей. В осях с крупнозернистой структурой ультразвук затухает быстрее, и такие оси в эксплуатацию не допускаются. Интенсивность ультразвука снижается при затухании по экспоненциальному закону.

 ,    (1.5)

где- интенсивность ультразвука на расстоянии r от места, где интенсивность равна, е – основание натурального логарифма.

Коэффициент затухания при  дефектоскопии металлов быстро растет с повышением частоты.

Таблица 1

Скорость, длина  волны и коэффициент затухания  для частоты ультразвука 2,5 МГц  в некоторых средах

Среда	Плотность среды, г/см^3	Скорость волны, м/с			Длина волны, мм при f=2,5 МГц			Коэффициент  затухания  продольной волны, 1/см, f=2,5 МГц
Воздух	0,0012	330	-	-	0,13	-	-	1,0
Вода	1,0	1450	-	-	0,58	-	-	0,00004
Плексиглаз	1,18	2670	1121	1043	1,06	0,45	0,42	0,5
Сталь	7,8	5900	3260	3032	2,36	1,3	1,21	0,02

 

 

 

 

2.  Генерирование ультразвуковых волн

В практике ультразвуковой дефектоскопии металлов применяются  ультразвуковые колебания (УЗК) частотой от 0.5-0.8 до 10.0 МГц. Для получения ультразвука  таких частот используются пьезоэлектрические, электромагнитно-акустические и другие преобразователи. Если пьезоэлектрическую пластину подвергать сжатию или растяжению, то на ее поверхностях появляются электрические заряды. Знак заряда определяется характером деформации, а величина – приложенной силой. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, в которых активным элементом являются пьезоэлементы, изготовленные из монокристалла кварца или пьезокерамических материалов – титаната бария, цирконат-титаната свинца и других (ГОСТ 13927-74). На  поверхности пьезоэлементов наносят слои серебра, служащие электродами. При подведении к электродам переменного электрического напряжения пьезоэлемент совершает вынужденные механические колебания (растягивается и сжимается) с частотой электрического напряжения (обратный пьезоэффект). При воздействии на пьезоэффект упругих механических колебаний на его электродах возникает переменное электрическое напряжение с частотой воздействующих механических колебаний (прямой пьезоэффект). Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного напряжения и собственной частоты колебаний пьезоэлемента будет при резонансе, когда собственная частота его колебаний совпадает с частотой возбуждающего переменного напряжения.

Подавая на пьезоэлемент переменное напряжение с частотой, отличной от собственной частоты колебаний, можно получить вынужденные колебания  пьезоэлемента с любой частотой. Однако в этом случае излучаемая энергия  будет меньше, чем при резонансной  частоте.

Таким образом, оказывается  возможным при помощи пьезоэлектрической пластины преобразовать электрические  колебания в ультразвуковые и, наоборот, ультразвуковые в электрические. Наибольший эффект преобразования удается получить в том случае, когда собственная резонансная частота пластины соответствует частоте прикладываемого электрического напряжения или частоте воздействующих ультразвуковых колебаний.

Собственная частота пластины зависит от толщины пластины d и может быть вычислена по формуле:

,   (2.1)

где k – коэффициент колебаний, зависящий от материала пьезоэлектрической пластины.

При контроле деталей вагонов  и локомотивов обычно используют пьезоэлектрические пластины из керамики цирконата титаната свинца или титаната бария. Коэффициент колебаний для  ЦТС k=1,51,9 МГц*мм.

Пластины изготавливают  искусственным путем, смешивая компоненты, и запекают в специальных формах. После этого пластины поляризуют. Для поляризации пластину выдерживают в течение 4 ч под воздействием постоянного выполняется в специальных условиях. При нагреве до определенной температуры пластины теряют свои пьезоэлектрические свойства. Восстановить их можно повторной поляризацией.

Пластины из ЦТС теряют пьезоэлектрические свойства при температуре 290 градусов, из ТБК – при температуре 120 градусов.

Пластины могут использоваться различной формы, размеров и толщины. Форма может быть круглая, квадратная, усеченная и т.д.

Размер пластины обозначается a, мм – это половинный размер пластины. От толщины пластины зависит ее резонансная частота. Чем больше толщина пластины, тем меньше ее собственная частота. Пластины из ЦТС – 19 имеют резонанс на частоте 2,5 МГц при толщине примерно 0,72 мм, из ТБК – при толщине 1 мм.

В настоящее время в  вагонной и локомотивной дефектоскопии  используются пластины круглой формы  с размером а = 6мм.

Если между пьезоэлектрической пластиной, подключенной к генератору переменного электрического напряжения, и материалом создать акустический контакт, то в материале будет  возбуждена продольная ультразвуковая волна с частотой колебания частиц среды, равной частоте приложенного электрического напряжения.

Вблизи излучателя в зоне поля, называемой ближней зоной (зона Френеля), волна будет распространяться без расхождения.

Протяженность ближней зоны:

 ,   (2.2)

 a – радиус излучателя.

В дальней зоне поля(зоне Фраунгофера), отстоящей от излучателя на расстоянии, равном примерно, начинается постепенное расхождение лучей. Поле приобретает форму усеченного конуса, половина угла раскрытия равна:

.    (2.3)

При частоте ультразвука 2,5 МГц и диаметре излучателя 12 мм протяженность ближней зоны в  стали составляет приблизительно 15 мм, а угол расхождения не превышает  .

В ближней зоне интенсивность  ультразвукового поля как вдоль пучка, так и по его сечению распределена неравномерно и меняется от точки к точке; в дальней зоне – интенсивность плавно падает при смещении по сечению от оси излучателя и вследствие расхождения ультразвукового пучка обратно пропорционально квадрату расстояния r от него.

Геометрическое место  точек максимальной интенсивности  поля в дальней зоне излучателя и  его геометрическое продолжение  в ближней зоне называют акустической осью преобразователя.

Таким образом, ультразвуковые колебания распространяются в виде незначительно расходящегося пучка, называемого ультразвуковым лучом. Графически ультразвуковой луч принято  условно обозначать прямой линией со стрелкой, совпадающей с акустической осью.

При дефектоскопии в некоторых  случаях возникает необходимость  вводить ультразвуковую волну под  углом к поверхности контролируемого  изделия. Для этого между пьезоэлектрической пластиной и контролируемым изделием располагают призму с углом , обычно изготовленную из плексиглаза или капролона. Если угол призмы выбрать между первым и вторым критическими углами, то в контролируемую среду будет вводиться только поперечная волна.

 

 

 

 

 

 

3.  Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия — это поиск дефектов в материале изделия ультразвуковым методом, то есть путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и пр. с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа.

Аппаратура ультразвукового (УЗ) контроля.

Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех трактах дефектоскопа:

- электроакустический  тракт, где электрические колебания  преобразуются в ультразвуковые и обратно, состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора;