Ультразвуковая дефектоскопия

- Вибрационно-диагностический

- Шумодиагностический

Современные дефектоскопы точно замеряют время, прошедшее от момента излучения до приёма эхо-сигнала, тем самым измеряя расстояние до отражателя. Это позволяет добиться высокого лучевого разрешения исследования. Компьютеризированные системы позволяют провести анализ большого числа импульсов и получить трёхмерную визуализацию отражателей в металле.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Эхо – метод ультразвукового контроля

Импульсный эхо-метод основан на посылке в контролируемое изделие кратковременных зондирующих импульсов ультразвуковых колебаний и регистрации отражений этих импульсов от выявляемых дефектов. Для получения информации о выявленном дефекте измеряют его основные характеристики. К ним относятся:

-максимальная амплитуда  U эхо-сигнала;

- координаты расположения  дефекта;

- условные размеры дефекта.

К недостаткам эхо –  метода можно отнести: зависимость  амплитуды от отраженного сигнала  от ряда факторов (размера, координат, ориентации, типа дефектов и отражающей способности поверхностей отражателей); низкую помехоустойчивость к поверхностным  дефектам; невозможность контроля качества акустического контакта при сканировании ПЭП(пьезоэлектрического преобразователя). Излучаемые в изделие через определенные промежутки времени импульсы ультразвуковых волн (их называют зондирующими) отражаются от противоположной (донной) поверхности изделия и, возвращаясь, попадают на пьезопластину ПЭП. На экране ЭЛТ возникает донный сигнал через время t=2H/C (H - толщина контролируемого изделия). Если в изделии на глубине h имеется дефект, то между зондирующим импульсом и донным через время появится эхо-сигнал от дефекта. При контроле тонких изделий с плоскопараллельными поверхностями получают серию донных сигналов с постепенно убывающей амплитудой, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга. Донные сигналы могут отсутствовать на экране ЭЛТ в тех случаях, когда дефект имеет значительный размер и плотность перекрывает ультразвуковой пучок, если донная поверхность не параллельна поверхности ввода ультразвуковых колебаний, когда толщина детали H настолько велика, что вследствие затуханий ультразвуковых колебаний амплитуда эхо-сигнала от противоположной поверхности очень мала.

При наклонном вводе ультразвуковых колебаний временной интервал между  зондирующим импульсом и эхо  – сигналом от дефекта определится  из соотношения 

  (5.1)

где r – расстояние от точки ввода ультразвуковых колебаний до дефекта;

 – скорость поперечных ультразвуковых колебаний в изделии;

- угол ввода ультразвуковых  колебаний.

Глубина залегания дефекта  определяется следующим образом: при  выявлении дефекта прямым () преобразователем

        ;        (5.2)

при обнаружении дефекта  наклонным преобразователем

        ,  (5.3),

а расстояние L между точкой ввода ультразвуковых колебаний и проекцией дефекта на поверхность сканирования

       ,    (5.4).

Конструктивно между пьезоэлементом прямого ПЭП и поверхностью изделия  находится протектор. При прохождении  ультразвуковых колебаний через  протектор толщиной затрачивается время , которое следует учитывать при точном определении глубины залегания дефекта

       .   (5.5)

Так как толщина протектора ПЭП, работающих в совмещенном режиме, не превышает 2,0 мм, то время  составляет не более 1 мкс и им можно пренебречь.

В наклонных ПЭП пьезопластину  помещают в специальную призму из органического стекла. В этом случае путь ультразвуковых колебаний складывается из пути в призме rп и пути r в контролируемом изделию причем путь в призме составляет в зависимости от угла призмы от 4 до 9 мм, а двойное время распространения ультразвуковых колебаний по призме от 3 до 8 мкс. Этим временем при определении координат дефектов пренебречь нельзя. В этом случае глубина залегания дефекта

         .    (5.6)

Основными первичными измеряемыми  характеристиками сигналов о дефектов при эхо – импульсном методе акустического  контроля являются:

- максимальная амплитуда  эхо - сигнала;

- временной сдвиг сигнала  относительно зондирующего импульса.

Эти параметры измеряют в  точке, соответствующей максимальной амплитуде эхо – сигнала.

Если дефект имеет протяженность, то его границы, определенные этим методом, также могут отличаться от истинных.

В ультразвуковой дефектоскопии  используют понятия условных размеров дефекта:

условной ширины

условной высоты

условной длины 

Условный размер характеризуется длиной зоны перемещения ПЭП(мм), в пределах которого формируется сигнал от дефекта при заданной условной чувствительности дефектоскопа.

Условная ширина (мм) измеряется по длине зоны между крайними положениями ПЭП, перемещаемого вдоль контролируемого изделия.

Условная высота дефекта – разность показаний дефектоскопа в положениях, соответствующих измерению условного размера

Крайними положениями  ПЭП при измерениях считают положения, при которых амплитуда эхо – сигнала от выявленного дефекта уменьшается до уровня срабатывания автоматического сигнализатора дефектов АСД

Амплитуда эхо-сигнала –  наиболее простая измеряемая характеристика дефекта, но в то же время недостаточно объективная, поскольку она зависит как от размера дефекта, так и глубины его залегания, конфигурации, ориентации, и шероховатости отражающей поверхности дефекта.

Чем больше размер дефекта (в), тем больше амплитуда, но до тех пор, пока размер дефекта не превысит ширину ультразвукового луча(D), далее амплитуда перестает расти. При размере дефекта меньше длины волны ультразвуковые колебания от дефекта не отражаются, а огибают его, поэтому амплитуда эхо-сигнала равна 0 (рис. 5.1).

Рис. 5.1 Зависимость амплитуды эхо – сигнала от размера дефекта

 

Амплитуда эхо-сигналов от дефекта  одного и того же размера падает по мере увеличения расстояния r от преобразователя до дефекта (рис. 5.2).

Рис. 5.2 Зависимость амплитуды  эхо- сигналов от расстояния между дефектом и ПЭП

 

 

При одной и той же глубине  залегания дефекта амплитуда  эхо-сигнала в значительной степени  определяется конфигурацией дефекта  и шероховатостью отражающей поверхности. Существуют  случаи, когда амплитуда  эхо-сигнала от дефекта больших  размеров с зеркальной поверхностью значительно меньше амплитуды эхо-сигнала  от дефекта малых размеров с диффузно-отражающей поверхностью (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Зависимость амплитуды  эхо – сигнала от отражающих свойств  дефекта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Преимущества и недостатки

Преимущества:

Ультразвуковое исследование не разрушает и не повреждает исследуемый  образец, что является его главным  преимуществом. Возможно проводить контроль изделий из разнообразных материалов, как металлов, так и неметаллов. Кроме того можно выделить высокую скорость исследования при низкой стоимости и опасности для человека (по сравнению с рентгеновской дефектоскопией) и высокую мобильность ультразвукового дефектоскопа.

Недостатки:

Использование пъезоэлектрических преобразователей требует подготовки поверхности  для ввода ультразвука в металл, в частности создания шероховатости  поверхности не ниже класса 5, в случае со сварными соединениям ещё и направления шероховатости (перпендикулярно шву). Малейший воздушный зазор может стать неодолимой преградой. Для устранения воздушного зазора, на контролируемый участок изделия предварительно наносят контактные жидкости, такие как вода, масло, клейстер. При контроле вертикальных или сильно наклоненных поверхностей необходимо применять густые контактные жидкости с целью предотвращения их быстрого стекания.

Для контроля изделий с внешним  диаметром менее 200мм, необходимо использовать преобразователи, с радиусом кривизны подошвы R, равным 0,9-1,1R радиуса контролируемого  объекта, так называемые притертые преобразователи, которые в таком виде непригодны для контроля изделий с плоскими поверхностями. Например для контроля цилиндрической поковки, необходимо производить перемещение преобразователя в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что подразумевает под собой использование двух притёртых преобразователей - по одному для каждого из направлений.

Как правило, ультразвуковая дефектоскопия не может дать ответ на вопрос о реальных размерах дефекта, лишь о его отражательной способности в направлении приемника. Эти величины коррелируют, но не для всех типов дефектов. Кроме того, некоторые дефекты практически невозможно выявить ультразвуковым методом в силу их характера, формы или расположения в объекте контроля.

Практически невозможно производить  достоверный ультразвуковой контроль металлов с крупнозернистой структурой, таких как чугун или аустенитный сварной шов (толщиной свыше 60 мм)  из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука. Кроме того, затруднителен контроль малых деталей или деталей со сложной формой.

Существует несколько  методов ультразвуковой дефектоскопии. В дефектоскопии деталей вагонов  и локомотивов нашел широкое  применение импульсный эхо-метод. Зеркально-теневой  метод используют для определения  структуры металла осей и обнаружения  дефектов в осях гораздо больших  ширин ультразвукового луча.

При эхо -методе признаком обнаружения дефекта является прием преобразователем ИП эхо- импульса, отраженного от данного дефекта.

При зеркально-теневом методе(ЗТМ) признаком обнаружения дефекта является уменьшение интенсивности отраженной от противоположной поверхности изделия ультразвуковой волны, излучаемой и принимаемой пьезопреобразователем ИП.

Противоположную поверхность, зеркально отражающую ультразвук, называют донной поверхностью, а отраженный от нее импульс – донным импульсом (ДИ).

При рассмотрении методом  в каждом случае использовались совмещенные  искатели ИП, где одна пьезопластина  выполняет функции излучения  зондирующих импульсов и приема отраженных сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Библиографический список
1. Контроль качества изделий методами неразрушающего контроля. М.Ф. Капустьян, В.А.Рыбник.
2. Современные методы технической диагностики и неразрушаемого контроля деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта. В.Ф. Криворудченко, Р.А. Ахмеджанов.
3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В. В. Клюева.
4. Физические основы ультразвуковой дефектоскопии и технология ультразвукового контроля деталей подвижного состава. Ж.В. Душина.
5. Дефектоскопирование деталей и узлов вагонных конструкций. А.Н. Лобанов.