Произодство и продажа бетона, пескобетона, кладочного раствора

  • ПРОДАЖА И ДОСТАВКА БЕТОНА

    Бетон | Москва | Щапово

  • ПЕСКОБЕТОН

    Пескобетон | Москва | Щапово

  • ЩЕБЕНЬ

    Продажа щебня в Московской области (Щапово)

  • ПЕСОК

    Продажа песка в Московской области (Щапово)

  • КЛАДОЧНЫЙ РАСТВОР

    Кладочный раствор в Подмосковье (Щапово)

+7(926)381-13-78
+7(985)999-71-40

+7(916)213-50-95

  КРУГЛОСУТОЧНО

­

Ультразвуковая дефектоскопия это


Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия – способ неразрушающего контроля, основанный на исследовании процесса распространения в контролируемом изделии ультразвуковых волн с частотой 0,5-25 МГц.

Дефекты в металле, возникающие при сварке и литье, как правило, представляют собой газовые включения. Так как газ имеет акустическое сопротивление на 5 порядков меньше чем у металла, то ультразвуковая волна практически полностью отражается от дефекта при условии, что размер дефекта больше половины длины волны. При размерах дефекта меньше половины длины волны ультразвуковая волна огибает дефект, то есть наблюдается дифракция. Разрешающая способность ультразвуковой дефектоскопии, то есть минимальный размер дефекта, который может быть выявлен с помощью этого метода, определяется длиной волны. Для повышения разрешающей способности стараются увеличить частоту используемых при контроле колебаний. Недостатком является то, что с увеличением частоты снижается проникающая способность ультразвука. В связи с этим выбор частоты колебаний требует нахождения определенного компромисса между разрешающей способностью и проникающей способностью.

Наиболее распространенным способом возбуждения ультразвуковых волн в контролируемом объекте и приема волн, прошедших через объект, является использование пьезоэлектрических преобразователей. Для возбуждения волн используется обратный пьезоэлектрический эффект, а для их приема – прямой пьезоэлектрический эффект. Для возбуждения и приема волн могут использоваться два раздельных преобразователя, либо может использоваться совмещенный преобразователь, выполняющий функции излучателя и приемника. Между объектом и преобразователем обычно необходимо создание прослойки контактной жидкости, так как при наличии между ними слоя воздуха эффективность излучения и приема волн будет резко снижаться из-за существенного различия акустического сопротивления воздуха и контролируемого материала (материала преобразователя).

Существующие методы ультразвукового контроля можно разделить на активные и пассивные. Активные методы требуют возбуждения в контролируемом объекте ультразвуковых волн, в то время как в пассивных методах источником волн является сам объект и производится только их регистрация.

Активные методы можно разделить на следующие группы:

1) методы отражения;

2) методы прохождения;

3) комбинированные методы (прохождение + отражение);

4) импедансный метод;

5) методы собственных колебаний.

Методы отражения в свою очередь включают в себя:

1) эхо-метод (эхо-импульсный метод);

2) зеркальный метод (эхо-зеркальный метод);

3) дифракционно-временной метод;

4) реверберационный метод.

В эхо-импульсном методе преобразователь излучает в контролируемый объект короткий ультразвуковой импульс и регистрирует импульсы, отраженные от дефектов. Задержка времени между зондирующим импульсом и эхо-импульсами дает информацию о глубине залегания дефектов.

Рисунок 1 – Эхо-импульсный метод контроля, эхо-импульс наблюдается только в случае наличия в сварном шве дефекта

В эхо-зеркальном методе используются два преобразователя, расположенных, как правило, с одной стороны изделия. Один из преобразователей служит источником волн, а второй регистрирует волны, отраженные от дефекта и донной поверхности изделия.

Рисунок 2 – Эхо-зеркальный метод контроля

Эхо-зеркальный метод используется для выявления вертикально расположенных дефектов. При этом преобразователи перемещают таким образом, чтобы сумма расстояний L1 и L2 между первым и вторым преобразователями и плоскостью дефекта принимала постоянное значение, равное 2H·tg(α), где H – толщина изделия, α – угол между плоскостью дефекта и направлением ввода колебаний.

В дифракционно-временном методе используются два преобразователя (излучатель и приемник), расположенных с одной стороны изделия. Если дефект имеет острые кромки, что характерно для трещин, то волны от излучателя дифрагируют на краях дефекта, отражаясь во все стороны, в том числе в сторону приемника. Приемник регистрирует время прихода импульсов от обоих краев дефекта, что позволяет определить размеры дефекта.

Рисунок 3 – Дифракционно-временной метод контроля

В реверберационном методе используется явление реверберации – это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях. Метод используется для контроля качества сцепления слоев в многослойных конструкциях. В случае контроля двухслойной конструкции при качественном соединении слоев ультразвуковая волна будет проходить из первого слоя во второй. В случае некачественного соединения будут наблюдаться многократные отражения от второго слоя, так называемый «лес».

Рисунок 4 – Реверберационный метод

Методы прохождения включают в себя:

1) теневой (амплитудный) метод;

2) временной теневой метод;

3) велосиметрический метод.

В теневом методе (рисунок 5а) приемник регистрирует ослабление амплитуды прошедшей через изделие волны от излучателя (сквозного сигнала) в результате взаимодействия с дефектом.

1 – генератор, 2 – излучатель, 3 – контролируемый объект, 4 – приемник, 5 – усилитель, 6 – измеритель амплитуды, 7 – измеритель времени пробега, 8 – измеритель фазы

Рисунок 5 – Методы прохождения: а) теневой; б) временной теневой; в) велосиметрический

Во временном теневом методе (рисунок 5б) регистрируется запаздывание импульсов, вызванное огибанием дефекта.

Велосиметрический метод (рисунок 5в) основан на регистрации изменения скорости распространения ультразвуковых волн в зоне дефекта. В этом методе обычно используют преобразователи с сухим точечным контактом. Могут использоваться импульсные и непрерывные волны. В первом случае регистрируется время пробега импульса, а во втором случае – сдвиг фазы прошедшей через объект волны. Существуют варианты метода с односторонним и двусторонним доступом. В первом случае при распространении в тонком изделии изгибных волн (антисимметричных волн Лэмба нулевого порядка) наличие расслоения приводит к снижению скорости распространения волны. Во втором случае при отсутствии дефекта энергия передается от излучателя к приемнику в виде продольной волны, а при наличии дефекта – в виде антисимметричной волны Лэмба нулевого порядка, которая проходит больший путь и распространяется с меньшей скоростью.

Импедансный метод основан на анализе изменения механического импеданса участка поверхности контролируемого объекта, с которым взаимодействует преобразователь в виде колеблющегося стержня. Между преобразователем и объектом создается сухой точечный контакт. При наличии в объекте подповерхностного дефекта в виде расслоения механический импеданс снижается, так как расположенный над дефектом участок становится более податливым. Это приводит к изменению режима колебаний стержня, в результате чего уменьшаются механические напряжения на приемнике.

1 – генератор, 2 – излучатель, 3 – объект контроля, 4 – приемник, 5 – усилитель, 6 – индикатор

Рисунок 6 – Импедансный метод контроля

Также может использоваться схема, не содержащая приемника. В этом случае о наличии дефекта судят по изменению режима работы (электрического импеданса) генератора, подключенного к излучателю.

Импедансный метод используется в ультразвуковых твердомерах, в которых изменение импеданса происходит в результате изменения площади контакта индентора с контролируемым материалом.

Методы собственных колебаний включают в себя:

1) метод свободных колебаний;

2) метод вынужденных колебаний.

Методы собственных колебаний также можно разделить на интегральные и локальные. В интегральных методах анализируют собственные частоты изделия, колеблющегося как единое целое, а в локальных методах – колебания отдельных участков изделия.

В интегральном методе вынужденных колебаний (рисунок 7а) излучатель подключается к генератору регулируемой частоты. При совпадении частоты генератора с собственной частотой колебаний изделия приемник регистрирует резкое возрастание амплитуды колебаний (резонанс).

1 – генератор, 2 – излучатель, 3 – объект контроля, 4 – приемник, 5 – усилитель, 6 – индикатор резонанса, 7 – модулятор частоты, 8 – индикатор, 9 – анализатор спектра, 10 – ударный вибратор, 11 – блок обработки информации

Рисунок 7 – Методы собственных колебаний: а) интегральный метод вынужденных колебаний; б) локальный метод вынужденных колебаний; в) интегральный метод свободных колебаний; г) локальный метод свободных колебаний

Локальный метод вынужденных колебаний (рисунок 7б) используют в основном в ультразвуковых толщиномерах. Излучатель возбуждает в изделии колебания непрерывно меняющейся частоты и фиксируются частоты резонанса системы «преобразователь – изделие». По резонансным частотам определяют толщину изделия и наличие в нем дефектов. Дефекты, параллельные поверхности, приводят к кажущемуся изменению толщины, а наклонные дефекты приводят к исчезновению резонансов.

В методе свободных колебаний (рисунки 7в и 7г) колебания объекта возбуждаются путем кратковременного ударного воздействия, например, с помощью молотка. Отклик объекта регистрируется с помощью микрофона, а частоты резонанса определяются с помощью анализатора спектра.

Пассивные методы ультразвуковой дефектоскопии можно разделить на следующие группы:

1) акустико-эмиссионный метод;

2) вибрационно-диагностический метод;

3) шумодиагностический метод.

Акустико-эмиссионный метод основан на явлении акустической эмиссии – излучение упругих волн материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры (возникновение и развитие трещин, движение дислокаций и т.п.).

3 – объект контроля, 4 – приемники, 5 – усилители, 6 – блок обработки информации с индикатором

Рисунок 8 – Акустико-эмиссионный метод дефектоскопии

В вибрационно-диагностическом методе анализируют параметры вибрации какой-либо детали или узла (ротора, подшипников, лопатки турбины и т.п.) с помощью приемников контактного типа, а в шумодиагностическом методе изучают спектр шумов работающего механизма с помощью микрофонных приемников.

На рисунке 9 представлены схемы конструкции различных типов пьезоэлектрических преобразователей.

1 – пьезоэлемент, 2 – демпфер, 3 – протектор, 4 – слой контактной жидкости, 5 – контролируемый объект, 6 – корпус, 7 – электрические выводы, 8 – призма, 9 – акустический экран

Рисунок 9 – Схемы конструкции пьезоэлектрических преобразователей:

а) прямой совмещенный; б) наклонный; в) раздельно-совмещенный

Прямые совмещенные преобразователи служат для излучения и приема продольных ультразвуковых волн. При этом обе функции выполняет один пьезоэлемент.

В раздельно-совмещенных преобразователях для излучения и приема продольных волн используют разные пьезоэлементы, смонтированные в общем корпусе. Применяют также раздельные преобразователи, один из которых только излучает, а второй только принимает ультразвуковые волны.

Для контроля с помощью поперечных и поверхностных волн, а также волн Лэмба используют наклонные преобразователи. Волны необходимого типа возбуждаются в контролируемом изделии путем трансформации продольных волн, падающих на границу раздела «преобразователь – изделие» под определенным углом β. Например, при βкр1 < β < βкр2, где βкр1 и βкр2 – первый и второй критические углы, в контролируемое изделие проходят только поперечные волны. При приеме происходит обратная трансформация.

В качестве материала пьезоэлементов обычно используют керамику типа ЦТС (цирконат-титанат свинца) или ТБ (титанат бария).

С целью гашения свободных колебаний пьезоэлемента, уменьшения длительности зондирующего импульса и расширения полосы пропускания с нерабочей стороны пьезоэлемента приклеивают демпфер. Материал демпфера должен обладать волновым сопротивлением, близким к волновому сопротивлению пьезоэлемента, и большим коэффициентом затухания. Демпферы обычно изготавливают из композиционных материалов, состоящих из связующего материала и рассеивателей. В качестве связующего материала обычно используют эпоксидные смолы, а в качестве рассеивателей – порошки тяжелых металлов, например, вольфрама.

Для защиты пьезоэлемента от истирания и повреждения с рабочей стороны к нему приклеивают или припаивают протектор, который должен обладать высокой износостойкостью, иметь толщину λ/4 и волновое сопротивление Z = (Z1Z2)1/2, где Z1 – волновое сопротивление пьезоэлемента, Z2 – волновое сопротивление контактной жидкости.

Для получения так называемых B-эхограмм, то есть изображений дефектов в определенном сечении изделия используют фазированные решетки. Фазированные решетки позволяют производить угловое отклонение (сканирование) ультразвукового пучка и его фокусировку на различных глубинах без механического перемещения преобразователя и использования специальных фокусирующих элементов.

Рисунок 10 – Исследование образца с искусственными дефектами (отверстиями) с помощью фазированной решетки и его B-эхограмма

Перспективными являются бесконтактные способы возбуждения и приема ультразвуковых волн, к которым относятся лазерные методы и электромагнитные методы.

Для возбуждения ультразвука с помощью лазерного метода используются лазеры с большой мощностью в импульсе и малой длительностью импульсов (от десятков наносекунд до фемтосекунд – 10-15 с), например, твердотельный Nd:ИАГ-лазер, работающий в режиме модуляции добротности, CO2-лазер или эксимерные лазеры.

В основу метода модуляции добротности положено намеренное «ухудшение» свойств оптического резонатора во время накачки, не дающее лазеру излучать. Последующее быстрое «улучшение» свойств резонатора приводит к излучению накопленной энергии в виде короткого, мощного импульса. Существуют следующие способы модуляции добротности:

1) С помощью зеркал. Одно из зеркал резонатора делают вращающимся вокруг оси, перпендикулярной оси лазера. Резонатор будет обладать высокой добротностью только в положении вращающегося зеркала, параллельном неподвижному зеркалу.

2) С использованием акустооптического модулятора (дефлектора). Луч попадает на зеркало резонатора только при включенном дефлекторе. Поэтому включенное состояние дефлектора соответствует высокой добротности, а выключенное – низкой.

3) С использованием поляризаторов. Между зеркалами резонатора устанавливают поляризатор и ячейку Керра или Поккельса, которые позволяют управлять преломлением поляризованного луча с помощью электрического поля.

Большинство эксимерных лазеров основано на использовании галоидов благородных газов и применительно к ним использование термина «эксимер» (возбужденный димер) является некорректным, так как димер – это молекула, состоящая из двух идентичных или сходных частей. Более корректным (но редко употребляемым) термином является эксиплексный лазер (exciplex, возбужденный комплекс). В эксимерных лазерах используется смесь благородного газа (аргон, криптон или ксенон) с реактивным газом (фтор, хлор или бром). При электрическом возбуждении и высоком давлении в смеси возникают псевдомолекулы, называемые эксиплексами, которые могут существовать только в возбужденном энергетическом состоянии и при распаде создают ультрафиолетовое лазерное излучение.

Возбуждение упругих волн происходит в результате теплового расширения (термоупругий режим) или абляции. Частотный спектр генерируемого ультразвука частично определяется частотным спектром лазерных импульсов с увеличением частот при сокращении длительности импульсов.

Для регистрации ультразвука с помощью лазерного метода используются интерферометры. В случае если поверхность исследуемого объекта является зеркальной, она может выполнять функцию одного из зеркал оптического резонатора интерферометра, например, интерферометра Майкельсона (рисунок 11).

Рисунок 11 – Регистрация ультразвука с помощью интерферометра Майкельсона

В случае шероховатых поверхностей используют интерферометр с конфокальным резонатором Фабри-Перо (P. Gregorčič. Ultrasound detection with Fabry-Perot interferometer: Seminar. University of Ljubljana. 2005).

(c)

Рисунок 12 – Конфокальный резонатор Фабри-Перо (a), зависимость коэффициента пропускания от частоты (b), зависимость коэффициента пропускания и его производной от расстояния между зеркалами (c)

Резонатор состоит из двух полупрозрачных сферических зеркал, расстояние между которыми примерно равняется радиусу кривизны. Лазерное излучение, рассеянное поверхностью контролируемого объекта, входит в резонатор в точке 1. Интенсивность излучения, выходящего из точек 1 и 2, анализируется при использовании резонатора в режиме пропускания, а интенсивность излучения, выходящего из точек 3 и 4, – при использовании резонатора в режиме отражения. В результате многократных отражений луча в резонаторе интенсивность излучения, выходящего из любой из точек резонатора, будет определяться как результат сложения смещенных по фазе волн с убывающей интенсивностью, соответствующих последовательным прохождениям лучей через рассматриваемую точку. Зависимость интенсивности от частоты и расстояния между зеркалами будет иметь периодический резонансный характер. В результате эффекта Доплера при отражении лазерного излучения от колеблющейся поверхности будет изменяться его частота, что будет приводить к изменению коэффициента пропускания (отражения) излучения в резонаторе. При заданной частоте излучения (длине волны лазера) максимальная чувствительность резонатора достигается при расстоянии между зеркалами, соответствующем максимальному наклону (точке перегиба) резонансной кривой. Регулировка чувствительности резонатора может осуществляться путем смещения одного из зеркал с помощью пьезоэлемента.

Достоинством лазерного метода генерации ультразвука является возможность генерации очень высоких частот (свыше 100 МГц). Ультразвук с такими частотами имеет малую проникающую способность, но обеспечивает высокое разрешение. Существуют фазированные решетки, основанные на лазерной генерации ультразвука. Такие решетки основаны либо на сканировании лазерного луча с помощью зеркала по поверхности объекта (в этом случае получается виртуальная фазированная решетка, так как в роли элементов решетки выступает подвижный фокус), либо на использовании в качестве элементов решетки оптических волокон (рисунок 13).

Рисунок 13 – Фазированная решетка, основанная на лазерной генерации ультразвука

В изображенной на рисунке 3-хэлементной фазированной решетке пучок оптических волокон, по которому распространяется лазерное излучение, делится на три линии, имеющие длины, различающиеся на 50 м, что обеспечивает фазовое смещение (оптические линии задержки). На конце каждой из линий волокна располагаются линейным образом, в результате чего создаются три линейных источника ультразвука, сложение волн от которых дает плоский волновой фронт, распространяющийся по отношению к поверхности объекта контроля под углом, определяемым разностью оптических длин линий.

Принцип действия электромагнитных акустических преобразователей (ЭМАП) основан на генерации в материалах с высокой электропроводностью вихревых токов с помощью переменного магнитного поля и воздействии на эти токи сил Лоренца со стороны постоянного магнитного поля (подмагничивающего поля). Основными элементами конструкции преобразователя являются катушка для создания переменного магнитного поля и постоянный магнит для создания подмагничивающего поля. Плотность f сил, действующих на элемент объема материала, определяется выражением

f = J × B,

где J – плотность вихревого тока, B – индукция подмагничивающего поля.

Векторы f, J и B являются попарно ортогональными. В связи с этим, если индукция подмагничивающего поля направлена перпендикулярно поверхности, то генерируются поперечные волны, направление распространения которых перпендикулярно поверхности, а направление колебательных смещений параллельно поверхности и перпендикулярно вектору плотности вихревого тока. Если индукция подмагничивающего поля направлена параллельно поверхности и перпендикулярно вектору плотности вихревого тока, то генерируются продольные волны, направление распространения которых перпендикулярно поверхности и совпадает с направлением колебательных смещений.

Преимуществами ЭМАП являются:

1) Отсутствие необходимости в контактной жидкости. Делает возможным применение преобразователей при температурах ниже точки замерзания и выше точки кипения контактных жидкостей.

2) Меньшая (по сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями) чувствительность к состоянию поверхности. Пьезоэлектрические преобразователи требуют низкой шероховатости поверхности.

Недостатками являются:

1) Возможность использования только для материалов с высокой электропроводностью.

2) Низкая (по сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями) эффективность преобразования.

3) Большие размеры.

Для создания сильного подмагничивающего поля используются редкоземельные самарий-кобальтовые и неодимовые магниты или импульсные электромагниты.

В зависимости от схемы подмагничивания возможно возбуждение как продольных, так и поперечных волн (рисунок 14).

Рисунок 14 – Различные схемы подмагничивания в ЭМАП

Регистрация ультразвука с помощью ЭМАП основана на факте, что при движении в постоянном магнитном поле B элемента объема dV проводящего объекта контроля в этом элементе будет протекать вихревой ток, который будет индуцировать в наложенной на объект приемной катушке ЭДС. Как и при излучении, путем выбора схемы подмагничивания можно добиться приема как продольных, так и поперечных волн.

Вихретоковая дефектоскопия. Принцип действия вихретоковых дефектоскопов основан на возбуждении в контролируемом объекте вихревых токов с помощью переменного магнитного поля, создаваемого катушкой, по которой протекает переменный электрический ток.

Рисунок 15 – Принцип действия вихретокового дефектоскопа

Вихревые токи создают собственное переменное магнитное поле, которое может быть зарегистрировано с помощью второй катушки, либо по изменению импеданса возбуждающей катушки в результате взаимоиндукции (исследуемый материал можно представить себе как проводник с током, изменение которого индуцирует ЭДС в контуре возбуждающей катушки). Для вихревых токов характерен скин-эффект, то есть они проникают в материал лишь на небольшую глубину, определяемую выражением

δ = (πfμσ)-1/2,

где f – частота магнитного поля, μ – абсолютная магнитная проницаемость материала, σ – удельная электропроводность материала.

В связи с этим вихретоковый метод эффективен лишь при выявлении поверхностных дефектов. Диапазон используемых частот составляет от нескольких кГц до нескольких МГц в зависимости от требуемой глубины проникновения. Наличие дефектов приводит к изменению амплитуды и фазы магнитного поля вихревых токов. Помимо выявления дефектов вихретоковый метод может использоваться для контроля электрических и магнитных свойств материалов, а также для измерения толщины неэлектропроводных покрытий на электропроводных материалах.

(Интересный факт: Вихревые токи используются в торговых автоматах, управляемых с помощью монет, для идентификации подлинности монет. При падении монеты стационарный постоянный магнит индуцирует в ней вихревые токи, взаимодействие поля которых с полем постоянного магнита замедляет скорость падения. При этом степень замедления будет зависеть от электропроводности материала монеты, которая будет различаться у подлинных и фальшивых монет)

Достоинствами вихретоковой дефектоскопии являются:

1) Отсутствие необходимости контакта между датчиком и изделием.

2) Возможность контроля изделий сложной геометрической формы.

3) Минимальные требования к подготовке поверхности.

Недостатками являются:

1) Возможность контроля только для электропроводных материалов.

2) Возможность нечувствительности к дефектам, расположенным параллельно направлению вихревых токов (рисунок 16).

3) Малая глубина проникновения.

Рисунок 16 – Взаимодействие вихревых токов с дефектами различных направлений

Одним из методов отображения данных в вихретоковой дефектоскопии является метод импедансной плоскости, в котором изменение импеданса возбуждающей катушки при приближении к поверхности изображается в виде кривой на плоскости R-XL (рисунок 17).

Рисунок 17

При контроле немагнитных материалов, например, алюминия, меди и титана, при приближении катушки к поверхности активное сопротивление возрастает (так как энергия от катушки расходуется на возбуждение вихревых токов), а индуктивность – уменьшается (так как вихревые токи создают магнитное поле, противоположное по направлению магнитному полю катушки). При контроле магнитных материалов, например, стали, активное сопротивление катушки также возрастает, но в отличие от случая немагнитных материалов наблюдается рост индуктивности. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость материала концентрирует магнитное поле катушки и эффект концентрации оказывается намного сильнее эффекта роста магнитного поля вихревых токов. При наличии дефектов активное сопротивление будет снижаться, так как дефекты будут препятствовать формированию вихревых токов.

При внешнем контроле труб и стержней возбуждающая катушка наматывается вокруг контролируемого изделия (рисунок 18). При внутреннем контроле труб катушка наматывается на стрежень, вводимый в трубу.

Рисунок 18

Для контроля труб и стержней также могут использоваться катушки с радиальным расположением оси. В этом случае катушка должна вращаться и перемещаться в осевом направлении относительно изделия (рисунок 19).

Рисунок 19

Катушки с подковообразным сердечником возбуждают вихревые токи в плоскости, перпендикулярной поверхности изделия, и чувствительны к расслоениям (рисунок 20).

Рисунок 20

Датчики для вихретокового контроля могут включаться по абсолютной и дифференциальной схемам (рисунок 21).

Рисунок 21

При использовании абсолютной схемы возможно обнаружение протяженных дефектов и медленных размерных изменений в трубах и стержнях, невозможное при использовании дифференциальной схемы из-за близкого взаимного расположения датчиков. Дифференциальная схема позволяет выявлять очень малые дефекты.

Включение датчиков для вихретокового контроля может осуществляться в сбалансированный мост (2 активных сопротивления + 2 индуктивности), несбалансированный мост (3 активных сопротивления + 1 индуктивность) или цепь из последовательно включенных активного сопротивления и индуктивности.

В импульсном вихретоковом методе через катушку возбуждения пропускается не синусоидальный ток, а ток в виде прямоугольных, треугольных или пилообразных импульсов. Такие импульсы имеют широкий частотный спектр. При этом каждой частоте соответствует определенная глубина проникновения, что позволяет по спектру регистрируемого сигнала определять глубину расположения дефектов.

Метод рассеяния магнитного потока – метод НРК, используемый для обнаружения коррозии и питтинга (коррозионные углубления (ямы) на поверхности металла) в стальных конструкциях, чаще всего трубопроводах и цистернах. Образец локально или полностью намагничивается и, если материал не имеет дефектов, то магнитный поток проходит главным образом внутри материала. При наличии дефектов магнитное поле искажается, приводя к рассеянию магнитного потока (его выходу из материала образца) вблизи дефектов.

Рисунок 18

Силовые линии намагничивающего поля должны располагаться под большим углом к предполагаемому направлению дефектов. Поэтому для выявления дефектов различных направлений обычно проводят последовательный контроль при различных (например, взаимно перпендикулярных) направлениях намагничивающего поля. Намагничивающее поле может создаваться с помощью постоянных магнитов, а также электромагнитов, питаемых постоянным или переменным током. Также может использоваться намагничивание путем прямого пропускания электрического тока через образец. В качестве примера на рисунке 19 приведена схема контроля труб на наличие продольных и поперечных дефектов с намагничиванием с помощью электромагнитов.

а) б)

Рисунок 19

При поиске продольных дефектов (рисунок 19а) используется электромагнит с круговым магнитопроводом и радиальными полюсными наконечниками, который создает в стенке трубы круговое магнитное поле. Электромагнит с датчиком магнитного поля рассеяния вращается и перемещается в осевом направлении относительно трубы. При поиске поперечных дефектов (рисунок 19б) используются две катушки, намотанные вокруг трубы и создающие в стенке трубы продольное магнитное поле. При этом в качестве магнитопровода выступает сама труба. Датчики магнитного поля рассеяния, расположенные в виде круговой матрицы, перемещаются в осевом направлении относительно трубы.

В контроле с помощью магнитных частиц (магнитопорошковом контроле) также используется рассеяние магнитного потока дефектами. Магнитное поле рассеяния притягивает к себе магнитные частицы, наносимые на поверхность изделия. В случае дефектов, выходящих на поверхность изделия, магнитные частицы проникают в дефекты, улучшая их видимость. В качестве магнитных частиц обычно используется порошок оксида железа.

Рисунок 20 – Коррозионные трещины в трубе, выявленные с помощью магнитных частиц; для повышения контрастности труба предварительно покрыта белой фоновой краской

Рисунок 21 – Магнитопорошковый контроль сварного шва с использованием аэрозоля; подмагничивание производится ручным электромагнитом

Частицы могут наноситься в сухом состоянии путем распыления, в виде волной или масляной суспензии или в виде аэрозоля. Частицы, наносимые в виде суспензий, могут иметь флуоресцентные покрытия, дающие в ультрафиолетовом свете зеленую или желтую флуоресценцию. Частицы наносятся в момент действия намагничивающего поля. Нанесение суспензии после прекращения действия поля приводит к смыванию индикаторов дефектов. Для повышения контрастности индикаторов перед контролем на изделие может наноситься белая фоновая краска. После выполнения контроля изделие подвергается размагничиванию.

Феррозондовые датчики (fluxgate sensors) состоят из двух катушек (катушки возбуждения и чувствительной катушки), намотанных на сердечник из магнитно-мягкого материала. Катушка возбуждения питается переменным напряжением, а в чувствительной катушке при наличии внешнего поля индуцируется ЭДС, амплитуда четных гармоник которой дает информацию о напряженности поля.

Для удобства описания кольцевой сердечник представлен состоящим из двух половин, в одной из которых катушка возбуждения создает магнитное поле с напряженностью того же направления, что и внешнее поле Hext, а во второй – магнитное поле с напряженностью противоположного направления (так как магнитное поле, создаваемое катушкой возбуждения, является переменным, то ориентация этого магнитного поля относительно внешнего магнитного поля для каждой из половин сердечника может изменяться во времени). Катушка возбуждения питается напряжением, пример которого показан на рисунке …а.

Передний и задний фронты в действительности имеют меньшую длительность и удлинены для более наглядного представления изменения индукции поля B в половинах сердечника. При отсутствии внешнего магнитного поля (рисунок …б) правая и левая половины сердечника приходят в насыщение одновременно и поля B, создаваемые ими, компенсируют друг друга. Сигнал в чувствительной катушке при этом отсутствует. При наличии внешнего магнитного поля (рисунок …в) половина сердечника, в которой катушка возбуждения создает магнитное поле, противоположное по направлению по отношению к внешнему магнитному полю, выходит из насыщения быстрее второй половины, для которой направления внешнего магнитного поля и поля катушки возбуждения совпадают. В связи с этим на интервале времени между моментами выхода из насыщения обеих половин сердечника будет наблюдаться изменение суммарной индукции магнитного поля и в чувствительной катушке будет возникать ЭДС (рисунок …г). На каждый период напряжения питания будет приходиться 4 импульса в чувствительной катушке, то есть частота сигнала будет в два раза больше частоты напряжения питания.

Магнитометры с оптической накачкой основаны на взаимодействии паров щелочных металлов (Cs, Rb, K) с оптическим излучением. Атом цезия имеет во внешней электронной оболочке один неспаренный электрон, который обладает магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле вектор магнитного момента электрона может принимать только строго определенные (квантованные) ориентации относительно направления магнитного поля. При этом различным ориентациям соответствуют различные значения энергии. В связи с этим энергетические уровни электрона расщепляются на подуровни (эффект Зеемана). При поглощении света определенной длины волны, в качестве источника которого используется электроразрядная цезиевая лампа, электроны могут переходить с зеемановских подуровней основного энергетического состояния в возбужденное энергетическое состояние. Так как возбужденное энергетическое состояние является неустойчивым, то электроны возвращаются из него на подуровни основного энергетического состояния, что сопровождается испусканием света. Так как испускаемый свет по направлению не совпадает с поглощенным светом, то сигнал на фотодетекторе, регистрирующем свет, прошедший через ячейку от источника, будет слабым («непрозрачное» состояние ячейки). Спустя некоторое время все электроны скапливаются на нижнем подуровне основного энергетического состояния, что делает невозможным поглощение, и ячейка переходит в «прозрачное» состояние с сильным сигналом н

Дата добавления: 2017-01-16; просмотров: 6499; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Похожие статьи:

poznayka.org

Ультразвуковая дефектоскопия

  • Главная
  • Поддержка
  • Статьи
  • Ультразвуковая дефектоскопия

21.06.2017

Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться, позволило применить ультразвуковые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.

Ультразвуковая дефектоскопия — метод, позволяющий осуществлять поиск дефектов в материале ОК (объекта контроля) путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, отраженных от внутренних несплошностей (дефектов), и дальнейшего анализа времени их прихода, амплитуды, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — ультразвуковых дефектоскопов. Сейчас УЗ дефектоскопия, наряду с радиографическим контролем, является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Первые попытки осуществить неразрушающий контроль ультразвуковой волной предпринимались с 1930 года. А уже спустя 20 лет ультразвуковой контроль качества сварных соединений приобрел наибольшую популярность по сравнению с другими методами контроля качества сварки. Кроме того, для некоторых изделий он стал обязательным.

Наиболее распространенным способом возбуждения ультразвуковых волн в контролируемом объекте и приема волн, прошедших через объект, является использование пьезоэлектрических преобразователей. Для возбуждения волн используется обратный пьезоэлектрический эффект, а для их приема – прямой пьезоэлектрический эффект. Для возбуждения и приема волн могут использоваться два раздельных преобразователя, либо может использоваться совмещенный преобразователь, выполняющий функции излучателя и приемника. Между объектом и преобразователем обычно необходимо создание прослойки контактной жидкости, так как при наличии между ними слоя воздуха эффективность излучения и приема волн будет резко снижаться из-за существенного различия акустического сопротивления воздуха и контролируемого материала (материала преобразователя).

Ультразвуковая дефектоскопия сварных швов

Сварные швы являются самой массовой областью применения ультразвуковой дефектоскопии. Это достигается за счёт мобильности ультразвуковой установки, высокой производительности контроля, высокой точности, высокой чувствительности к любым внутренним (объёмным — поры, металлические и неметаллические включения; плоскостным — непровары, трещины), а также внешним, то есть поверхностным дефектам сварных швов (подрезы, обнижения валика усиления и т. п.). Ультразвуковой контроль сварных соединений и материалов основывается на возможности ультразвука распространяться в контролируемом изделии, отражаясь от границ материалов и внутренних дефектов. Звуковые волны в однородном материале при ультразвуковом контроле не изменяют траектории движения. Дефекты в металле, возникающие при сварке и литье, как правило, представляют собой газовые включения. Так как газ имеет акустическое сопротивление на 5 порядков меньше, чем металл, то ультразвуковая волна практически полностью отражается от дефекта (при условии, что размер дефекта больше половины длины волны). При размерах дефекта меньше половины длины волны ультразвуковая волна огибает дефект, то есть наблюдается дифракция. Разрешающая способность ультразвуковой дефектоскопии, то есть минимальный размер дефекта, который может быть выявлен с помощью этого метода, определяется длиной волны. Для повышения разрешающей способности стараются увеличить частоту используемых при контроле колебаний. Недостатком является то, что с увеличением частоты снижается проникающая способность ультразвука. В связи с этим выбор частоты колебаний требует нахождения определенного компромисса между разрешающей способностью и проникающей способностью. При ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений используется, в основном, эхо-импульсный метод контроля. Реже применяется теневой метод и другие. 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. 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. 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. 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. 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. К списку статей

alfatest.ru

Ультразвуковая дефектоскопия - это... Что такое Ультразвуковая дефектоскопия?

Ультразвукова́я дефектоскопи́я — метод основанный С.Я. Соколовым, позволяющий осуществлять поиск дефектов в материале изделия путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, отраженных от внутренних несплошностей (дефектов), и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа. Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Принцип работы

Звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале. Отражение акустических волн происходит от раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. Чем больше различаются акустические сопротивления, тем большая часть звуковых волн отражается от границы раздела сред. Так как включения в металле часто содержат воздух, имеющий на несколько порядков большее удельное акустическое сопротивление, чем сам металл, то отражение будет практически полное.

Разрешающая способность акустического исследования определяется длиной используемой звуковой волны. Это ограничение накладывается тем фактом, что при размере препятствия меньше четверти длины волны, волна от него практически не отражается. Это определяет использование высокочастотных колебаний — ультразвука. С другой стороны, при повышении частоты колебаний быстро растет их затухание, что ограничивает доступную глубину контроля. Для контроля металла наиболее часто используются частоты от 0.5 до 10 МГц.

Возбуждение и прием ультразвука

Существует несколько методов возбуждения ультразвуковых волн в исследуемом объекте. Наиболее распространенным является использование пьезоэлектрического эффекта. В этом случае излучение ультразвука производится с помощью преобразователя, который преобразует электрические колебания в акустические с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Отраженные сигналы попавшие на пьезопластину из-за прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуются в электрические, которые и регистрируются измерительными цепями.

Также используются электромагнитно-акустический (ЭМА) метод, основанный на приложении сильных переменных магнитных полей к металлу. КПД этого метода гораздо ниже, чем у пьезоэлектрического, но зато может работать через воздушный зазор и не предъявляет особых требований к качеству поверхности.

Классификация методов исследования

Существующие акустические методы неразрушающего контроля подразделяют на две большие группы - активные и пассивные.

Активные

Активные методы контроля подразумевают под собой излучение и приём акустических волн.

Отражения
Эхо-импульсный метод контроля сварного соединения без дефекта (сверху) и с дефектом (снизу). В правой части изображения представлен экран дефектоскопа с изображённым на нём зондирующим импульсом (сверху) и импульсом от дефекта (снизу).
  • Эхо-метод или эхо-импульсный метод — наиболее распространенный: преобразователь генерирует колебания (т.е. выступает в роли генератора) и он же принимает отражённые от дефектов эхо-сигналы (приёмник). Данный способ получил широкое распространение за счёт своей простоты, т.к. для проведения контроля требуется только один преобразователь, следовательно при ручном контроле отсутствует необходимость в специальный приспособлениях для его фиксации (как, например, в дифракционно-временном методе) и совмещении акустических осей при использовании двух преобразователей. Кроме того, это один из немногих методов ультразвуковой дефектоскопии, позволяющий достаточно точно определить координаты дефекта, такие как глубину залегания и положение в исследуемом объекте (относительно преобразователя).
  • Зеркальный или Эхо-зеркальный метод — используются два преобразователя с одной стороны детали: сгенерированные колебания отражаются от дефекта в сторону приемника. На практике используется для поиска дефектов расположенных перпендикулярно поверхности контроля, например трещин.
  • Дифракционно-временной метод — используется два преобразователя с одной стороны детали, расположенные друг напротив друга. Если дефект имеет острые кромки (как, например, трещины) то колебания дифрагируют на концах дефекта и отражаются во все стороны, в том числе и в сторону приёмника. Дефектоскоп регистрирует время прихода обоих импульсов при их достаточной амплитуде. На экране дефектоскопа одновременно отображаются оба сигнала от верхней и от нижней границ дефекта, тем самым можно достаточно точно определить условную высоту дефекта. Способ достаточно универсален, позволяет производить ультразвуковой контроль на швах любой сложности, но требует специального оборудования для фиксации преобразователей, а также дефектоскоп, способный работать в таком режиме. Кроме того, дифрагированные сигналы достаточно слабые.
  • Дельта-метод — разновидность зеркального метода — отличаются механизм отражения волны от дефекта и способ принятия. На практике не используется.
Ревербационный метод контроля двухслойной конструкции.
  • Ревербационный метод - основан на постепенном затухании сигнала в объекте контроля. При контроле двухслойной конструкции, в случае качественного соединения слоёв, часть энергии из первого слоя будет уходить во второй, поэтому ревербация будет меньше. В обратном случае будут наблюдаться многократные отражения от первого слоя, так называемый лес. Метод используется для контроля сцепления различных видов наплавок, например баббитовой наплавки с чугунным основанием. Основным недостатком данного метода является регистрация дефектоскопом эхо-сигналов от границы соединения двух слоёв. Причиной этих эхо-сигналов является разница скоростей упругих колебаний в материалах соединения и их различное удельное акустическое сопротивление. Например на границе баббит-сталь возникает постоянный эхо-сигнал даже в местах качественного сцепления. В силу конструкционных особенностей некоторых изделий, контроль качества соединения материалов ревербационным методом может быть невозможен именно из-за наличия на экране дефектоскопа эхо-сигналов от границы соединения.
  • Акустическая микроскопия благодаря повышенной частоте ввода ультразвукового пучка и применению его фокусировки, позволяет обнаруживать дефекты, размеры которых не превышают десятых долей миллиметра.
  • Когерентный метод - помимо двух основных параметров эхо-сигнала, таких как амплитуда и время прихода, используется дополнительно фаза эхо-сигнала. Использование когерентного метода, а точнее нескольких идентичных преобразователей, работающих синфазно, позволяет получить изображение дефекта, близкое к реальному. При использовании специальных преобразователей, таких как преобразователь бегущей волны или его современный аналог - преобразователь с фазированной решёткой, метод позволяет значительно уменьшить время, затрачиваемое на контроль изделия.
Прохождения

Методы прохождения подразумевают под собой наблюдение за изменением параметров ультразвуковых колебаний, прошедших через объект контроля, так называемых сквозных колебаний. Изначально для контроля применялось непрерывное излучение, а изменение его амплитуды сквозных колебаний расценивалось как наличие дефекта в контролируемом объекте, так называемой звуковой тени. Отсюда появилось название теневой метод. Со временем непрерывное излучение сменилось импульсным, а к фиксируемым параметрам помимо амплитуды добавились также фаза, спектр и время прихода импульса и появились другие методы прохождения. Термин теневой потерял свой первоначальный смысл и стал означать один из методов прохождения. В англоязычной литературе метод прохождения называется through transmission technique или through transmission method, что полностью соответствует его российскому названию. Термин теневой в англоязычной литературе не применяется.

  • Теневой — используются два преобразователя, которые находятся по две стороны от исследуемой детали на одной акустической оси. В данном случае один из преобразователей генерирует колебания (генератор), а второй принимает их (приёмник). Признаком наличия дефекта будет являться значительное уменьшение амплитуды принятого сигнала, или его пропадание (дефект создает акустическую тень).
  • Зеркально-теневой — используется для контроля деталей с двумя параллельными сторонами, развитие теневого метода: анализируются отражения от противоположной грани детали. Признаком дефекта, как и при теневом методе, будет считаться пропадание отраженных колебаний. Основное достоинство этого метода в отличие от теневого заключается в доступе к детали с одной стороны.
Вертикально ориентированная трещина, выявляемая зеркальным методом.
  • Временной теневой основан на запаздывании импульса во времени, затраченного на огибание дефекта. Используется для контроля бетона или огнеупорного кирпича.
  • Метод многократной тени аналогичен теневому, с тем исключением, что ультразвуковая волна несколько раз проходит через параллельные поверхности изделия.
  • При эхо-сквозном методе используют два преобразователя, расположенные по разные стороны объекта контроля друг напротив друга. В случае отсутствия дефекта, на экране дефектоскопа наблюдают сквозной сигнал и сигнал, двукратно отражённый от стенок объекта контроля. При наличии полупрозрачного дефекта, также наблюдают отражённые сквозные сигналы от дефекта.
Эхо-сквозной метод контроля. При отсутствии дефекта на экране дефектоскопа наблюдаются только 1 и 2 импульсы. При наличии полупрозрачного дефекта, дополнительно 3 и 4-й. На рисунке для наглядности отражения ультразвуковых волн, неверно показаны направления их распространения. Ультразвуковые волны распространяются вдоль акустической оси передатчика (верхнего преобразователя).
  • Ревербационно-сквозной метод включает в себя элементы ревербационного метода и метода многократной тени. На небольшом расстоянии друг от друга, как правило с одной стороны изделия, устанавливают два преобразователя - передатчик и приёмник. Ультразвуковые волны, посылаемые в объект контроля после многократных отражений, в конечном счете попадают на приёмник. Отсутствие дефекта позволяет наблюдать стабильные отраженные сигналы. При наличии дефекта изменяется распространение ультразвуковых волн - изменяется амплитуда и спектр принятых импульсов. Метод применяется для контроля многослойных конструкций и полимерных композитных материалов.
  • Велосиметрический метод основан на регистрации изменения скорости упругих волн в зоне дефекта. Применяется для контроля многослойных конструкций и для изделий из полимерных композиционных материалов.
Собственных колебаний
Вынужденных колебаний
  • Интегральный
  • Локальный
  • Акустико-топографический
Свободных колебаний
Импендансные
  • Изгибных волн
  • Продольных волн
  • Контактного импенданса

Пассивные

Пассивные методы контроля заключаются в приёме волн, источником которых является сам объект контроля.

  • Акустико-эмиссионный
  • 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.

Преимущества

Ультразвуковой контроль изделий в ГДР, 1977 год

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). Ввиду большого акустического сопротивления воздуха, малейший воздушный зазор может стать неодолимой преградой для ультразвуковых колебаний. 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)[1][2] из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука. Кроме того, затруднителен контроль малых деталей или деталей со сложной формой.

Применение

Ультразвуковой дефектоскоп для контроля железнодорожных рельс

Применяется для поиска дефектов материала (поры, волосовины, различные включения, неоднородная структура и пр.) и контроля качества проведения работ — сварка, пайка, склейка и пр. Ультразвуковой контроль является обязательной процедурой при изготовлении и эксплуатации многих ответственных изделий, таких как части авиационных двигателей, трубопроводы атомных реакторов или железнодорожные рельсы.

Ультразвуковой контроль сварных швов

Сварные швы являются самой массовой областью применения ультразвуковой дефектоскопии. Это достигается за счёт мобильности ультразвуковой установки, высокой производительности контроля, высокой точности, высокой чувствительности к любым внутренним (объёмным - поры, металлические и неметаллические включения; плоскостным - непровары, трещины), а также внешним, т.е. поверхностным дефектам сварных швов (подрезы, обнижения валика усиления и т.п.).

Многие ведомственные документы подразумевают обязательный ультразвуковой контроль сварных швов, либо альтернативный выбор ультразвукового или радиационного контроля, либо контроль обоими методами.

Основным документом в России по ультразвуковому контролю сварных швов является ГОСТ 14782-86, в котором рассмотрены в полном объёме методы контроля стыковых, тавровых, нахлесточных и угловых сварных швов, выполненных различными способами сварки. Также в нём подробно описаны стандартные образцы (эталоны) СО-1, СО-2 (СО-2А), СО-3 и СО-4 и стандартные образцы предприятия, необходимые для настройки дефектоскопа, а также их параметры для их изготовления.

Объёмы контроля и нормы оценки качества сварного соединения устанавливаются различными нормативными документами в соответствии с требованиями прочности к конкретной сварной конструкции. На предприятиях, изготавливающих особо ответственные изделия, а также различными надзорными органами могут выпускаться собственные методические материалы для оценки качества сварных швов. Примером может служить РД РОСЭК-001-96, разработанный Ростехнадзором для оценки качества сварных соединений для грузоподъёмных машин.

Литература и нормативно-техническая документация

Литература

  • Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Том 3.: Справочник. В 7-и книгах / Под ред. Клюева В.В. — М. Машиностроение 2004
  • Гурвич А. К., Ермолов И. Н. Ультразвуковая дефектоскопия сварных швов — Киев: Техшка, 1972
  • Выборнов Б. И. Ультразвуковая дефектоскопия - М.: Металлургия, 1985

Нормативно-техническая документация

  • ГОСТ 14782-86 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.
  • ГОСТ 24507-80 Контроль неразрушающий. Поковки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуковой дефектоскопии.
  • ГОСТ 22727-88 Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля.
  • ГОСТ 21120-75 Прутки и заготовки круглого и прямоугольного сечения. Методы ультразвуковой дефектоскопии.
  • РД РОСЭК-001-96 Машины грузоподъемные. Конструкции металлические. Контроль ультразвуковой. Основные положения.
  • ОП 501 ЦД-97 Энергетическое оборудование. Сосуды давления. Трубопроводы пара, воды.
  • ПНАЭ Г-7-010-89 Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля.
  • ПНАЭ Г-10-032-92 Правила контроля сварных соединений элементов локализующих систем безопасности атомных станций.
  • ПНАЭ Г-7-032-91 Унифицированные методики контроля основных материалов полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Ультразвуковой контроль. Часть IV. Контроль сварных соединений из сталей аустенитного класса.

См. также

Примечания

  1. ↑ ПНАЭ Г-7-032-91 Ультразвуковой контроль. Часть IV. Контроль сварных соединений из сталей аустенитного класса. П.1.4.
  2. ↑ Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Том 3. П.5.1.3.1.

dic.academic.ru

Ультразвуковая дефектоскопия

Цель работы – выработать навыки использования ультразвуковой дефектоскопии в авторемонтном производстве.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

изучить сущность способа ультразвуковой дефектоскопии деталей;

ознакомиться с устройством и работой импульсного ультразвукового дефектоскопа 9024;

освоить методику выявления скрытых дефектов в деталях ультразвуковых дефектоскопом 9024.

Общая характеристика ультразвуковой дефектоскопии и применяемое оборудование

Ультразвуковая дефектоскопия основана на выявлении распространения в металле ультразвуковых колебаний и отражения их от дефектов, нарушающих оплошность металла (трещин, раковин и др.).

В ультразвуковой дефектоскопии применяется продольные, поперечные и поверхностные волны.

Поперечные волны – это волны, траектории которых перпендикулярны направлению волны.

Продольные волны – траектории совпадают с направлением распространения волны (или волны сжатия).

В дефектоскопии могут быть иногда применены также поверхностные волны, которые распространяются на поверхности тела, не проникая внутрь его, подобно волнам на поверхности воды.

В практике ультразвуковой дефектоскопии металлов применяются ультразвуковые колебания частотой более 500.000 Гц, т.е. 0,05 МГц.

Для получения ультразвука частотой более 0,5 МГц используются генераторы, состоящие из источника переменного электрического тока и пьезоэлектрического преобразователя.

Пьезоэлектрический преобразователь основан на использовании пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрическим эффектом называется явление появления электрических зарядов на гранях пластинки, изготовленной из определенного материала, подвергнутой сжатию или растяжению.

Пьезоэлектрический эффект – явление обратимое, т.к. под влиянием электрического поля пластинка деформируется. Явление возникновения электрических зарядов на гранях пластинки при ее деформации носит название прямого пьезоэлектрического эффекта. Деформация пластинки, помещенной в электрическом поле, носит название обратного пьезоэлектрического эффекта. Частота колебания пьезоэлемента равна частоте колебания электрического поля.

При ультразвуковой дефектоскопии применяется как прямой, так и обратный пьезоэлектрический эффект.

Устройства, служащие при дефектоскопии для получения и ввода ультразвуковых волн в контролируемое изделие, называется излучающими искательными головками, а устройства преобразующие ультразвуки в переменный ток – приемными искательными головками.

Ультразвуковые волны могут распространяться в любой материальной среде: газообразной, жидкой и твердой. В газообразной среде распространяются только продольные волны, а в жидкой кроме того, и поверхностные. Поперечные волны в этих средах распространятся не могут, т.к. газ и жидкость не обладают упругостью формы.

В твердых телах, в частности в металлах, возможно распространение различных типов волны.

В дефектоскопии нашли применение продольные, поперечные и поверхностные волны.

Преимущества и недостатки ультразвуковой дефектации

Номенклатура контролируемых деталей

С помощью ультразвуковой дефектоскопии в заготовках и изделиях, изготовленных практически из любых материалов, можно: производить контроль сплошности, толщины, структуры, физико-механических свойств изучение кинетики разрушения.

К преимуществам ультразвуковой дефектоскопии относятся:

1. Высокая чувствительность, позволяющая выявить мелкие дефекты;

2. Большая проникающая способность, позволяющая обнаружить внутренние дефекты в крупногабаритных изделиях;

3. Возможность определения места и размеров дефекта;

4. Практически мгновенная индикация дефектов, позволяющая мотивировать контроль;

5. Возможность контроля при одностороннем доступе в изделия;

6. Простота и высокая производительность контроля;

7. Полная безопасность работы оператора и окружающего персонала.

К недостаткам дефектоскопии относится необходимость разработки специальных методик контроля отдельных типов деталей, необходимость сравнительно высокой чистоты обработки поверхности контролируемых объектов и наличие мертвых зон‚ снижающих эффективность контроля.

Ультразвуковой дефектоскопией контролируется следующие детали (на примере деталей автомобиля ЗИЛ-130): коленчатый вал, полуось, цапфа, шкворень, рычаг поворотной цапфы, (левый и правый), гайка шариковая рулевого механизма, сошла рулевая с пальцем в сборе, винт рулевого механизма, валик насоса гидроусилителя и т. д.

Оборудование и методы ультразвуковой дефектоскопии

В настоящее время в промышленности применяются сотни конструктивно отличающихся дефектоскопов.

По характеру ультразвуковых колебаний все дефектоскопы могут быть разделены на приборы с непрерывным излучением, импульсные и резонансные. Эта классификация отражает принципиальные особенности электронных схем ультразвуковых дефектов.

Дефектоскопы с непрерывным и импульсным излучением ультразвука применяются для контроля деталей различными методами.

В зависимости от способа приема сигнала различают теневые и эхо-методы. В теневых методах излучающая и приемная головки помещаются преимущественно с противоположных сторон изделия на одной оси. Головки перемещают вдоль и поперек изделия сохраняя их соосность. О наличии в изделии дефекта судят по ослаблению ультра звукового луча в этом месте, т.е по ультразвуковой тени.

В отличии от теневых методов в эхо-методе излучающая и приемная головки перемещаются с одной стороны, а о наличии дефекта судят по интенсивности отраженного сигнала.

По способу акустического контакта головки с изделием различают два метода: контактный и иммерсионный.

При контактном методе на поверхность изделия наносится тонкий слой жидкости, а головки прижимают непосредственно к поверхности изделия.

При иммерсионном методе изделие помещают в бак с жидкостью. В тот же бак на некотором расстоянии изделия помещают излучатель и приемник ультразвука. Перед тем как попасть в изделие, ультразвук от излучающей головки проходит толстый слой жидкости.

О наличии нарушения сплошности изделия в ряде дефектоскопов судят по появлению всплесков не экране электронно-лучевого осциллографа.

Такие методы контроля называются методами косвенной оценки.

Классификация методов дефектоскопии с непрерывными излучениями аналогично классификации методов с импульсным излучением.

Устройство и работа импульсного дефектоскопа 9024

Ультразвуковой дефектоскоп 9024 относится к классу импульсных дефектоскопов.

Прибор позволяет определить глубину залегания дефекта и примерную ее величину. При употреблении различных головок можно исследовать глубину 5 мм до 5 м.

Головка в этом случае действует как передатчик и как приемник.

Напряжение сети для питания ультразвукового дефектоскопа 9024 220/127 вольт переменного тока.

Ультразвуковой дефектоскоп состоит из следующих основных узлов или блоков (рис. 9): синхронизирующего генератора, генератора высокой частоты, искательных головок, приемно-усилительного тракта, осциллографа (электронно-лучевой трубки), генератора развертки, источника питания.

Рис. 9. Блоксхема ультразвукового дефектоскопа 9024

Для запуска генератора импульсов и других блоков дефектоскопа служит синхронизирующий генератор, который периодически (каждые 0,02-0,0010 сек) вырабатывает синхронизирующий сигнал.

По сигналу синхронизирующего генератора происходит запуск генератора высокой частоты, генератора развертки и других блоков дефектоскопа.

При получении синхронизирующего сигнала генератор высокой частоты вырабатывает импульс и подает его на головку, где электрические колебания в результате обратного пьезоэффекта преобразуются в механические.

Механические колебания высокой частоты (ультразвук) начинает распространяться в детали. В этот же момент времени начинает работать генератор развертки, создавая полеобразное напряжение на пластинах горизонтального отклонения электронно-лучевой трубки, линейно изменяющейся во времени. Изменение потенциала на горизонтальной оси.

Если на пути ультразвука встречаются нарушение сплошности, то ультразвук отразится от него и частично попадает в приемную пьезопластину.

Благодаря прямому пьезоэффекту, пластина превратит этот механический импульс в электрический. Далее электрический импульс после усиления в приемно-усилитедьном тракте попадает на пластины вертикального отклонения электроннолучевой трубки. К этому времени электронный луч на экране трубки успеет пройти весь путь а — б, образуя т.о. выброс на линии развертки (рис.2.9).

Высота всплеска зависят от величины нарушения сплошности.

Головки вводящие ультразвук перпендикулярно поверхности детали, называются прямыми. При контроле прямыми головками у поверхности детали и ее дна существует мертвые зоны, в которых нарушения сплошности не выявляются, Величина этих мертвых зон зависит от целого ряда факторов.

Для уменьшения или устранения мертвых зон, применяются наклонные и преломляющиеся головки. В этих головках ультра звуковой луч вводится под некоторым углом к поверхности. Отраженный от дна сигнал, как правило, не возвращается в искательную головку, из-за чего на экране электронно-лучевой трубки данный всплеск отсутствует, а следовательно, отсутствует и мертвая зона у дна детали.

Искательные головки

При ультразвуковых дефектоскопах применяется большое количество

различных конструкций искательных головок. Эти головки могут быть разбиты на три основные группы:

1. прямые - вводящие ультразвуковой луч перпендикулярно поверхности;

2. наклонные - направляющие луч под углом без преломления;

3. преломляющиеся (призматические), вводящие в металл как произвольные, так и поперечные волны под углом 900.

Выпускается два типа прямых искательных головок:

1. головки с открытым вибратором (открытые);

2. головки с закрытым вибратором (закрытые).

Открытые головки употребляются для прозвучивания объектов испытания с электрической проводимостью и сравнительно ровной поверхностью.

Закрытые искательные головка применяются для прозвучиваиия неметаллических объектов испытания и металлических деталей с нервной поверхностью.

Частоты ультразвукового импульса определяются головкой и обозначается последней цифрой в номере типа головки.

Вертикальные головки поставляются с частотами 0,5; 1,2,4. и 6 МГц.

Данные длины волны позволяют прозвучивать объекты испытания разводной структуры

1. Выбор головки зависит от соответствующей кристаллической структуры испытываемой детали (табл. 4).

2. Наклонные испытательные головки посылают звуковой импульс в испытуемый объект под углом 450, 600, 700.

Соответствующий угол, размер, тип, материал пьезоэлемента и излучаемая частоты колебаний выгравированы на корпусе головки.

Например, искательные головки 9802, материал вибратора кварц Ø 25 мм, вертикальная искательная головка открытого типа частота 2 МГц.

Определение размера дефекта

Ультразвуковым дефектоскопом 9024 выявляется:

1. наличие дефекта,

2. характер и размер дефекта,

3. координаты дефекта.

Наличие дефекта в детали определяется по появлению всплеска между излучаемым сигналом и отраженным (точка «б» рис.9).

Определение дефекта осуществляется по эквивалентной площади. Под эквивалентной площадью понимается, площадь контрольного отражателя на эквивалентном эталоне, дающего величину всплеска, одинаковую с всплеском от дефекта. Диаметр этого отражателя называется эквивалентным диаметром.

Приближенно считают зависимость высоты всплеска от эквивалентной площади при постоянной глубине залегания дефекта линейной.

В практической работе для определения размера дефекта используют графические зависимости. По этим графикам, зная высоту всплеска, определяют размер дефекта.

Опыт показывает, что по высоте всплеска можно оценить небольшие размеры дефектов. Для определения дефектов больших размеров удобнее пользоваться условной протяженностью дефекта.

Условная протяженность определяется путем оконтурирования искателем зоны на поверхности изделия, внутри наблюдается появление всплеска от нарушений сплошности.

Максимальный линейный размер этой площади назовем условной протяженностью. Геометрические построения показывают, что вследствие расхождения ультразвукового луча определенная таким образом площадь будет больше нарушения сплошности.

Таблица 4

studfiles.net


Смотрите также