Введение

Ультразвуковая дефектоскопия - это метод предложенный С.Я. Соколовым в 1928 году и основанный на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотой 0,5-25 МГц и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик в контролируемых изделиях с помощью специального оборудования - ультразвукового дефектоскопа. Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.
Ультразвуковой контроль занимает главенствующее положение, на его долю приходит 32% объема контроля всех изделий. Несмотря на высокий уровень автоматизации труда в развитых странах, доля ручного ультразвукового контроля остается наибольшей. Это связано с тем, что большие объемы работ проводятся на объектах, находящихся в эксплуатации: атомные электростанции, трубопроводы различного назначения, транспортные средства и т.д. Характерной чертой указанных объектов является большое разнообразие конструкций, и следовательно, методик ультразвукового контроля, поэтому работы по контролю плохо поддаются автоматизации.
Ультразвуковой метод неразрушающего контроля основан на введении в тестируемый объект высокочастотной волны для получения информации о его состоянии. Существует два основных принципа использования ультразвука. Первый основан на измерении времени пробега ультразвука в изделии, второй - на измерении амплитуды отраженного сигнала.

1. Основы ультразвукового контроля

1.1	Виды акустических волн

Упругие акустические волны - волны, осуществляющие перенос энергии без переноса вещества. Акустические волны используют в различных отраслях производства.
Акустические волны могут возникать в любой среде:
. В твердом теле (металл, оргстекло);
. В жидкой среде (вода, спирт, масло);
. В газообразной среде (воздух и другие газы).
В зависимости от частоты колебаний акустические волны делятся на 4 вида:
. Акустические волны с частотой менее 20 Гц называют инфразвуком. Инфразвук возникает в море - «голос моря». Ярким примером проявления инфразвука является побег крыс с корабля перед штормом. В Японии был изготовлен первый генератор инфразвука, который в настоящее время используется во многих странах для удаления грызунов из подвалов домов.
. Акустические волны с частотой от 20 Гц до 20 кГц называют звуком. Звук может быть услышан слуховым аппаратом человека и используется для передачи речевых и музыкальных сигналов.
. Акустические волны с частотой от 20 кГц до 1000 МГц называют ультразвуком.
Ультразвук используют для неразрушающего контроля бетонных блоков строительных конструкций, сварных швов магистральных трубопроводов конструкций, сварных швов магистральных трубопроводов, наличия дефектов в рельсах и других областях контроля. Широко ультразвук применяют в медицине для обнаружения изменений в организме человека.
. Акустические волны с частотой более 1000 МГц называют гиперзвуком.
1.2	
Акустические характеристики материалов

Одной из основных характеристик упругих волн является длина волны λ. Она пропорциональна размеру выявляемого дефекта и определяется по формуле.

λ = С / f (1)

где λ - длина волны (м);
С - скорость распространения ультразвука в материале (м/с);- частота колебаний волны (Гц).
волна ультразвуковой контроль материал
1.3	Типы ультразвуковых волн

В ультразвуковом контроле рельсов чаще всего используют продольные и поперечные волны. Реже - поверхностные.
Продольными называются волны, распространение которых совпадает с направлением колебания частиц контролируемой среды. Продольная волна может быть возбуждена: в твердом теле, в жидкой и газообразной средах. Скорость распространения продольной волны в рельсовой стали составляет Сℓ = 5850 м/с.
Поперечными называются волны, которые распространяются в направлении перпендикулярном направлению колебания частиц контролируемой среды.
Поперечная волна может быть возбуждена только в твердом теле. Скорость распространения поперечной волны в рельсовой стали составляет Ct = 3230 м/с, то есть в 1,8 раз меньше чем скорость распространения продольной волны.

.4	
Взаимодействие волны с границей раздела двух сред

Если на пути распространения ультразвуковой волны встречается инородная среда, то часть энергии волны проходит во вторую среду, а часть отражается в первую. Инородной средой является такая среда, акустическое сопротивление которой отличается от акустического сопротивления среды, в которой распространяется волна.
При падении волны перпендикулярно на границу раздела двух сред как отраженная, так и прошедшая волны будут того же типа, что и падающая.
При падении ультразвуковой волны Сℓ на границу раздела твердых сред под углом, неравным прямому углу, то есть углу 90^о, то отраженные и прошедшие волны преломляются и трансформируются. Так переход падающей продольной волны из оргстекла в сталь при падении волны под углом β, на границу раздела двух сред сопровождается в общем случае возникновением четырех волн: двух отраженных (продольной Сℓ1 и поперечной Сt1) и двух прошедших (продольной Сℓ2 и поперечной Сt2).
При этом следует помнить, что Сℓ1 ≠ Сℓ2, Сt1 ≠ Сt2, Сℓ1 > Сt1. Сℓ2 > Сt2.

Рис. 1. Взаимодействие продольной волны с границей раздела двух твердых сред

Угол β называется углом падения продольной волны, угол βℓ - угол отражения продольной волны Сℓ1, угол βt - угол отражения поперечной волны Сt1, угол άℓ2 - угол преломления прошедшей продольной волныСℓ2, угол ά - угол преломления прошедшей поперечной волныСt2. (углы άℓ2 и ά являются так же углами ввода волн, соответственно прошедшей продольной Сℓ2 и поперечной волны Сt2).
Углы падения, отражения и преломления всегда отсчитываются от нормали (перпендикуляра) границы раздела двух сред.
Для удобства восприятия на рисунке 1 показан только один луч из пучка ультразвуковых волн.

1.5	Свойства ультразвуковых волн

Ультразвуковые волны обладают следующими свойствами:
. Затухание ультразвуковых колебаний, проявляется поглощением и рассеянием;
. Отражение ультразвуковых колебаний (при нормальном падении волн);
. Преломление ультразвуковых колебаний (при наклонном падении волн);
. Трансформация ультразвуковых колебаний.
Затухание ультразвуковых колебаний. По мере удаления от излучателя амплитуда колебаний частиц постепенно убывает. Это обусловлено геометрическим расхождением лучей, что приводит к увеличению ширины ультразвукового пучка, а также потерями в металле рельса, приводящими к постепенному затуханию колебаний при их распространении.
Поглощение - переход акустической энергии волны в тепловую энергию за счет внутреннего трения между частицами вещества контролируемого изделия.
Рассеяние - изменение направления распространения части энергии акустической волны вследствие неоднородности материала изделия.
В углеродистой стали затухание ультразвука невелико, поэтому ультразвуковые колебания с частотой 2,5 МГц распространяются в ней на длину до 5 метров.
Отражение ультразвуковых колебаний. Если на пути распространения ультразвуковой волны встречается среда с другими акустическими свойствами, то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая часть - отражается в первую, возвращается в обратном направлении. Распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами, определяется соотношением их акустических свойств.
На отражении упругих волн от несплошностей, основана выявляемость дефектов при эхо - методе, т.к. по своим акустическим свойствам несплошности (трещины, поры, шлаковые включения и др.) отличаются от основного материала.
Преломление и трансформация ультразвуковых колебаний. При наклонном падении продольной волны из твердой среды 1 в твердую среду 2, на границе этих двух сред происходит: отражение, преломление и трансформация (расщепление) волны.
Если продольная упругая волна с определенной скоростью попадает на границу раздела этих двух твердых сред под углом, отличным от прямого, то отраженная и прошедшая волна преломляются и трансформируются на продольные и поперечные волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами.
На практике для обеспечения падения продольных волн под углом используют наклонные пьезоэлектрические преобразователи.

.6	
Пьезоэлектрические преобразователи. Виды и принципы работы

Пьезоэлектрические преобразователи предназначены для возбуждения и приёма ультразвуковых волн (колебаний) частотой от 1 до 5 МГц. Пьезоэлектрические преобразователи изготовляют по ГОСТ 26266 - 84. В технической литературе и нормативно - технической документации пьезоэлектрические преобразователи могут обозначаться аббревиатурой ПЭП.
В настоящее время используют пьезоэлектрические преобразователи трех видов:
. Совмещенные - состоят из одного пьезоэлемента, который в один момент времени выполняет роль источника, а в следующий момент времени - роль приёмника ультразвука;
. Раздельно - совмещенные - состоят из двух пьезоэлементов (один - источник, а другой - приёмник ультразвука) расположенных в одном корпусе и разделенных защитным акустическим экраном;
. Раздельные - пьезоэлемент в преобразователе выполняет роль только источника или только приёмника ультразвука.
Принцип работы пьезоэлектрических преобразователей
Для изготовления преобразователей (вставок резонаторов) рельсовых дефектоскопов чаще всего используют пьезоэлементы в виде пластины, изготовленные из монокристаллов цирконата - титаната свинца марки ЦТС-19 или ЦТС-22. На плоские поверхности пьезоэлементов наносят тонкие слои серебра, служащие электродами и проводящие электрическое напряжение.
Таким образом, оказывается возможным при помощи пьезоэлемента преобразовать электрические колебания в ультразвуковые (обратный пьезоэффект) и, наоборот, ультразвуковые колебания в электрические (прямой пьезоэффект).
Наибольший эффект преобразования достигается тогда, когда собственная резонансная частота пьезоэлемента соответствует частоте прикладываемого электрического напряжения или частоте воздействующих УЗ колебаний.
Маркировка пьезоэлектрических преобразователей
Общая маркировка пьезоэлектрических преобразователей обычно состоит из буквы П и последующих трёх цифр, указываемых без пробелов.
Буква П обозначает - преобразователь пьезоэлектрический; Первая цифра после буквы П обозначает способ ввода ультразвука: 1-контактный; 2-иммерсионный; 3-контактно - иммерсионный; 4-бесконтактный.
Вторая цифра указывает расположение пьезопластины в преобразователе: 1 - прямой; 2 - наклонный; 3 - комбинированный.
Третья цифра указывает принцип действия пьезопластины: 1 - совмещённый; 2 - раздельно - совмещённый; 3 - раздельный.
Пример маркировки: П121 - 2,5 - 50 - контактный наклонный совмещенный преобразователь с номинальной частотой ультразвука 2,5 МГц и углом наклона пьезоэлемента 50^0.

2. Методы ультразвукового контроля

В настоящее время существует классификация методов ультразвукового контроля:
- эхо метод.
- зеркально-теневой метод.
- зеркальный метод.
- теневой метод.
- дельта метод.

2.1 Эхо - импульсный метод

Эхо - импульсный метод ультразвукового контроля основан на излучении в объект контроля зондирующих импульсов и регистрации эхо
сигнала, отраженного от дефекта.
Временной интервал между зондирующими импульсами и эхо - импульсами пропорционален глубине залегания дефекта, а, амплитуда сигнала - размеру дефекта. Метод является самым распространенным.
К преимуществам эхо - метода относятся:
. Односторонний доступ к изделию;
. Относительно большая чувствительность к внутренним дефектам;
. Высокая точность определения координат дефектов;
К недостаткам эхо - метода можно отнести:
. Низкую помехоустойчивость к поверхностным отражателям;
. Резкую зависимость амплитуды эхо - сигнала от ориентации дефекта;
. Невозможность контроля акустического контакта в процессе перемещения ПЭП по объекту контроля ввиду отсутствия эхо - сигналов на бездефектных участках.
Несмотря на указанные недостатки эхо - метод является наиболее распространенным при контроле и имеет определенные достоинства.
При контроле рельсов эхо - методом регистрируются и анализируются практически все сигналы, приходящие из изделия после излучения зондирующих импульсов, поэтому при контроле изделий с плоскопараллельными поверхностями возможен одновременный прием эхо - сигналов как от дефекта, так и от противоположной поверхности. Сигнал от противоположной поверхности при контроле рельсов может отсутствовать в том случае, если дефект имеет значительный размер, полностью перекрывающий ультразвуковой пучок.
Глубину залегания дефекта можно легко определить, зная скорость и время распространения ультразвука в направлении до дефекта и обратно.
Реализация метода возможна несколькими способами:
. Прямым лучом;
. Прямым и однократно отраженным лучом;
. Многократно отраженным лучом;
. По слоям.
Прозвучивание прямым лучом является основным видом выявления дефектов. Такая схема прозвучивания является наиболее помехоустойчивой, так как имеет минимум сложных эхо - сигналов со стороны неровностей.
Недостатком его является наличие мертвой зоны - не просматривается верхняя часть контролируемого изделия глубиной от 3 до 6 мм. Верхнюю часть рельса целесообразно прозвучивать искателями с углом ввода луча 58^о или 70^о.
Контроль прямым или однократно отраженным лучом осуществляется при перемещении искателя между определенными точками. При применении этого способа мертвая зона отсутствует. Недостатком способа является сложность расшифровки эхо - сигналов, выявляемых отраженным лучом, особенно при изношенной поверхности катания головки рельса.
Контроль по слоям означает, что эхо - сигналы фиксируют только для определенного места (точки) прозвучивания. Он наиболее устойчив к помехам, применяется для изделий толщиной более 50 мм.

2.2 Зеркальный метод

Зеркальный метод ультразвукового контроля основан на анализе параметров акустических импульсов, отраженных от дефектов и донной поверхности объекта.
При распространении ультразвуковой волны в объекте контроля и попадании её на отражающую поверхность, отражение волны может происходить по двум механизмам. В первом случае отражение акустических импульсов от дефектов происходит под различными углами, отличными от угла падения волны. Это явление возникает, если неровности поверхности дефекта соизмеримы с длиной волны. Такая поверхность называется диффузной.
Во втором случае отражение акустических импульсов от дефектов происходит под углом, равным углу падения, если неровности отражающей поверхности много меньше длины волны среды, из которой падает волна. Такая поверхность названа зеркальной, а отражение зеркальным. Именно в этих случаях и применяется зеркальный метод.
Зеркальный метод реализуется при прозвучивании изделия двумя преобразователями, которые размещены на поверхности сканирования, таким образом, чтобы фиксировать одним преобразователем сигнал, излучаемый другим. Сигнал отражается от донной поверхности и от плоскости дефекта, поступая на приемник.

Рис. 2. Схема прозвучивания и А - развертка зеркального метода

На заданном расстоянии от первого преобразователя (ИП), работающего в режиме излучения-приема устанавливают второй, который работает только в режиме приема (П) - принимает зеркально отраженные от поверхности дефекта сигналы, как показано на рисунке 3.
Расстояние между преобразователями выбирают, исходя из условия наилучшего прозвучивания зоны вероятного местоположения дефектов. Схема расположения преобразователей на прямой, параллельной направлению их перемещения, называется «тандем». Схема расположения преобразователей на прямой, перпендикулярной направлению их перемещения, называется «дуэт».
Зеркальный метод рекомендуется использовать в качестве дополнения к эхо - методу, т.к. при этом эффективнее выявляются вертикальные поперечные трещины. Недостатком метода является необходимость периодически изменять расстояние между преобразователями, особенно при контроле толстостенных изделий.

2.3 Теневой метод

Теневой метод ультразвукового контроля основан на анализе уменьшения амплитуды прошедшей волны, обусловленного наличием дефекта.
Теневой метод реализуется излучением ультразвукового сигнала преобразователем - источником (И), расположенным на поверхности сканирования, и принятием излучаемого сигнала преобразователем - приемником (П), расположенным на обратной поверхности объекта контроля. Если на пути ультразвуковых волн нет препятствий, отражающих или рассеивающих ультразвуковые волны, то уровень принятого сигнала максимален. Этот уровень резко уменьшается, если в изделии есть дефект.

Рис. 4. Схема прозвучивания и А - развертка теневого метода

В отличие от эхо - метода теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и слабую зависимость амплитуды принятого сигнала от ориентации дефекта.
Недостатками метода являются: необходимость двухстороннего доступа к объекту контроля, отсутствие информации о координатах дефекта, погрешность показании прибора, регистрирующего уровень принятого.

Библиографический список

1 Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник под редакцией проф. Клюева В.В.М.: «Машиностроение», 1995. -488 с.