основы_1. ndt[Основы УЗК]. Неразрушающий контроль материалов с помощью
 Скачать 4.97 Mb.
|
|
Неразрушающий контроль материалов с помощью ультразвука Основные понятия и принципы Содержание 1. Почему используют ультразвук для неразрушающего контроля? . . . . . . . . . . . 2 2. Задачи ультразвукового контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3. Обнаружение несплошностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4. Методика контроля и техническое обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4.1 Ультразвуковой дефектоскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4.2 Проблема обнаружения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.3 Преобразователь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4.4 Преломление и преобразование моды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.5 Характеристики наклонных преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.6 Раздельно-совмещенный преобразователь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5. Определение местоположения несплошностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 5.1 Калибровка инструмента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 5.2 Определение дефектов с наклонным преобразователем . . . . . . . . . . . . . . 19 6. Оценка несплошностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 6.1 Метод сканирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 6.2 Оценка малых несплошностей: АРД метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6.3 Затухание звука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.4 Метод эталонных блоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.4.1 Сравнение амплитуд эхо-сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.4.2 Кривая амплитуда-расстояние (АРК) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2 1. Почему используют ультразвук для неразрушающего контроля? Принцип ультразвукового метода контроля основан на том факте, что твердые материалы являются хорошими проводниками звуковых волн. Посредством чего, волны отражаются не только от граничных поверхностей, но и внутренних дефектов (трещины, различные включения и т.п.). Эффект взаимодействия звуковых волн с материалом усиливается по мере уменьшения длины их волн (и, соответственно, увеличения частоты колебаний). f c = λ , где с - скорость звука [км/с]; f - частота [MГц]; λ - длина волны [мм]. Это означает, что ультразвуковые волны могут наиболее эффективно использоваться в диапазоне частот от 0.5 МГц до 25МГц. С более низкими частотами, эффект взаимодействия волн с внутренними дефектами снижается, и обнаружение дефектов в металлических структурах уже становится проблематичным (т.е. волны с большой длиной уже огибают дефекты). Два наиболее часто используемых метода контроля внутренней структуры материала: рентгенография и ультразвуковые исследования частично перекрывают области применения друг друга и частично расширяют их. Таким образом, многие задачи контроля можно решать более экономичным и безопасным ультразвуковым методом, а в ряде специальных проблем, как прежде, использовать рентген. В случаях, где предъявляются наиболее высокие требования безопасности (атомные электростанции, космическая промышленность) используются оба метода. 2. Задачи ультразвукового контроля Если ограничить использование ультразвукового метода только обнаружением внутренних недостатков материала, то классификация задач оператора следующая: 1. Обнаружение отражателей 2. Определение их расположения 3. Оценка размеров отражателей 4. Определение свойств отражателей (тип, ориентация и т.п.). Вместо использования слова “отражатель”, специалисты часто используют термин “несплошность”. Данный термин определяется как «неправильность в структуре объекта контроля, предположительно являющаяся дефектом». В действительности, только после определения местоположения, анализа и оценки, можно определить, действительно ли имеется недостаток, который влияет на работоспособность объекта контроля. Поэтому всегда используется термин "несплошность", пока нет уверенности, что выявленный отражатель, означает недопустимую неисправность, т.е. является «дефектом». 3 3. Обнаружение несплошностей Рис.1a Прямой преобразователь Рис.1б Наклонный преобразователь Пьезоэлемент, возбуждаемый очень коротким электрическим импульсом, излучает ультразвуковой сигнал. Этот же элемент генерирует электрический сигнал при приеме ультразвуковых волн, вызывающих его колебания. Преобразователь контактирует с поверхностью объекта контроля с использованием специальной жидкости, либо пасты, для передачи ультразвуковых колебаний в объект контроля. Далее оператор сканирует объект контроля, т.е. плавно перемещает датчик по его поверхности. Во время этой процедуры, он внимательно наблюдает за дисплеем прибора для выявления сигналов, отраженных от несплошности, рис.2а+б. рис. 2a Обнаружение дефекта прямым излучением Рис. 2б Обнаружение дефекта при угловом излучении Каждый датчик имеет некоторую направленность, т.е. ультразвуковые колебания охватывают только некоторую часть объекта исследований. Область, эффективная для ультразвукового контроля называется «звуковым лучом», который является характеристикой датчика и материала, в котором проходят звуковые волны. Звуковой луч может быть грубо разделен на сходящуюся (фокусную) область, ближнюю зону, и расходящуюся область, дальнюю зону, рис.3. Длина N ближней зоны и угол расхождения зависят от диаметра излучающего элемента , его эффективной частоты и скорости звука в материале объекта контроля. корпус демпфер пьезоэлемент разъем согласующий элемент протектор корпус призма разъем пьезоэлемент 4 длина ближней зоны угол расхождения ближняя зона дальняя зона акустическая ось (центральный луч) рис. 3 Звуковая зона Центральный луч также называют акустической осью. Форма звукового луча играет важную роль в выборе преобразователя для решения поставленной задачи. Часто бывает достаточно построить акустическую ось, чтобы показать, как будет выглядеть решение проблемы. Объемная несплошность (полое пространство, инородный материал) отражает звуковые волны в различных направлениях, рис. 4а+б. Рис. 4а объемная несплошность - прямой преобразователь Рис. 4б Объемная неоднородность - датчик углового излучения Часть звуковой волны, которая возвращается назад к преобразователю, после отражения от несплошности, главным образом зависит от направления самой звуковой волны, т.е. не имеет значения, проведено ли измерение прямым или наклонным Рис. 5 Объемный дефект - обнаружение с различных поверхностей преобразователем либо выполнено на различных поверхностях объекта контроля. Если полученная часть отраженной звуковой волны является достаточной, тогда определение наличия объемной неоднородности не является проблематичным, т.е. оператор способен обнаружить ее при сканировании различных поверхностей объекта контроля. 5 Плоская несплошность (разрыв материала, трещина) отражает ультразвуковые волны в определенном направлении, рис. 6. Рис. 6 Отражение от угловой, плоской несплошности трещина Рис. 7 Явное искажение звукового луча на боковой поверхности Если отраженная часть звукового луча не получена преобразователем, тогда маловероятно, что несплошность будет обнаружена. Возможность обнаружения возрастает только при перпендикулярном попадании звукового луча. При плоских несплошностях на открытой поверхности, таких как вертикальная трещина идущая с поверхности вглубь объекта, вертикальное сканирование не всегда приводит к желаемым результатам. В этом случае наблюдается перекрытие волн (интерференция) со звуковой волной отраженной от боковой поверхности объекта, в результате чего, звуковая волна отходит от боковой поверхности, рис. 7. В подобных случаях, возможность обнаружения трещины весьма велика при применении эффекта углового отражения, рис. 8а. Под углом 90 ° между трещиной и поверхностью объекта испытаний, звуковые волны отражаются назад "внутрь себя" из-за двойного отражения, рис. 8б. Использование эффекта углового отражения возможно даже тогда, когда плоская неоднородность, расположенная вертикально к поверхности, на саму поверхность не выходит. При условии, конечно, что отраженная о несплошность и о поверхность звуковая волна получена преобразователем, рис.9. трещина Рис. 8а Определение трещины при сканировании под углом 45 ° 6 Рис. 8б Эффект углового отражения Рис. 9 Плоский, вертикальный отражатель близко с поверхностью. Часто в толстостенных объектах, в которых имеются вертикальные несплошности, это условие не может быть выполнено, так как волны, отраженные от несплошности и поверхности не возвращаются к преобразователю. В этом случае используется второй преобразователь для получения отраженных частей звуковой волны, делая, таким образом, возможным обнаружение дефекта. При таком типе исследований, тандемной технике, один из преобразователей используется в качестве передатчика, а второй как приемник. Оба движутся по поверхности объекта контроля со смещением на некоторое фиксированное расстояние. Сканирование проводится для вертикально расположенных несплошностей на различной глубине объекта контроля, зависящей от интервала датчика, рис. 10а, 10б и 10в. Хотя, при наклонном сканировании в тонких объектах, существует возможность, что плоская несплошность может не попасть вертикально в волну (рис. 11а), чувствительность процесса намного лучше, особенно при предварительном подборе угла сканирования и частоты волны. Рис. 10а Тандемный контроль в верхней зоне Рис. 10б Тандемный контроль в центральной зоне Рис. 10в Тандемный контроль в нижней зоне Рис. 11а Сканирование под углом 70 ° - неудачный выбор угла 7 Рис. 11б Сканирование под углом 45 ° - правильный подбор угла. Обнаруженный дефект Звуковой луч Отраженные звуковые волны Рис. 11в Сканирование под углом 70 ° с частотой 2МГц; обнаружение с помощью большого расхождения звукового луча. Обычно подобный метод применяют для контроля сварных швов толщиной до 30мм. Без сомнения, возможность обнаружения несплошностей, которые вертикально не попадают в луч - меньше. Однако, подобные трудности обычно компенсируются дополнительным контролем с другим углом падения (рис. 11б), или с помощью использования датчика с пониженной частотой (рис. 11в). Типичную процедуру контроля можно найти в соответствующей литературе по контролю сварных швов. 4. Методика контроля и техническое обеспечение. 4.1 Ультразвуковой дефектоскоп Прежде, чем перейти к дальнейшим задачам контроля и их решениям, необходимо в общих чертах ознакомиться с принципами работы ультразвуковой техники. Для примера, выбран упрощенный до примитива алгоритм работы аналогового дефектоскопа. Современная цифровая техника, конечно же, работает по-другому, однако принцип передачи и приема ультразвуковых колебаний остается неизменным. Основываясь на том, что уже было сказано относительно местоположения несплошностей, мы должны передать короткие звуковые импульсы в контролируемый объект, чтобы измерить время прохождения звукового импульса от преобразователя до отражающей поверхности и назад. Это возможно только тогда, когда имеется четко определенное стартовое время и конечное время. Если скорость звука в объекте контроля известна, тогда, используя простые вычисления, можно определить расстояние до отражающей поверхности и таким образом точное положение несплошности в объекте контроля, рис. 12. Рис. 12 Принцип измерения времени и пути импульса 8 Звуковые отражения в слышимом диапазоне называются эхом. Таким образом, возникло и имя метода, который применяется в большинстве областей контроля материалов с помощью ультразвука - Импульсный Эхо Метод (рис. 13) , стартовый сигнал (импульс) выходной сигнал (эхо) датчик измерение времени передачи объект путь звуковой волны передатчик Рис. 13 Блок диаграмма импульсного эхо-метода таймер Измерение времени начинается с подачей электрического импульса передачи - импульса возбуждения. Это очень короткий электрический разряд, вызывающий звуковой импульс в пьезоэлементе преобразователя. Звуковой импульс проходит через материал и при отражении от несплошности или противоположной поверхности материала возвращается назад к преобразователю. Полученные колебания преобразуются в электрический импульс, останавливающий измерение времени. Расстояние до отражающей поверхности можно тогда рассчитать по следующей формуле: , где s - путь, звукового импульса [мм]; с - скорость звука в материале [км/с]; t - время прохождения импульса [c]. Если теперь время прохождения и амплитуду импульса отобразить в графическом виде, получится упрощенная модель универсального Ультразвукового Дефектоскопа. Чтобы оценить параметры визуальных эхо - сигналов на экране расположена сетка. Регулируемая шкала с горизонтальными рисками называется шкалой дисплея, Рис. 14. Рис. 14 Шкала дисплея Используя шкалу, оператор может измерить параметры отраженного сигнала на экране. Как это делается? Как уже упоминалось, электрический импульс возбуждает звуковой импульс в преобразователе. В тоже время этот импульс напряжения подается на вход усилителя, и максимальная амплитуда определяет вертикальное отклонение развертки дисплея - данный импульс называют зондирующим, рис. 15а. С данным зондирующим импульсом, горизонтальная развертка начинается в левом нижнем углу экрана синхронно с началом звуковых колебаний в объекте контроля, и движется вдоль базовой линии вправо с постоянной скоростью, рис.15б. 9 передатчик звуковая волна датчик светящаяся точка импульс передачи объект контроля Рис. 15а Зондирующий импульс = начало передатчик звуковая волна датчик объект светящаяся точка Рис. 15б После 10 мкс передатчик датчик объект Рис. 15в Точка луча после 4-х делений шкалы Скорость импульса зависит от материала объекта контроля (скорость звука - это константа материала). Скорость развертки дисплея прибора может изменяться в широких пределах. Таким образом, скорость развертки может быть точно согласована со скоростью звука. В нашем примере электронный луч достигает 4-го деления шкалы, когда импульс отражается от противоположной грани объекта, тогда ему, разумеется, необходимо некоторое время чтобы вернуться, т.е. точка на экране будет на 8м делении шкалы (рис. 16). Часть звукового импульса, прошедшая через объект контроля и вернувшаяся к преобразователю, генерирует в кристалле (пьезопластине) небольшой электрический сигнал, который, после усиления, определяет вертикальное отклонение точки луча - эхо сигнал от донной поверхности (рис. 17). Отклонение происходит быстро, т.к. звуковой импульс короткий, и поэтому, может возбудить лишь короткий импульс напряжения в кристалле преобразователя. 10 Электронный луч возвращается быстро назад на базовую линию и продолжает идти вправо, пока большая часть импульса отражается от поверхности и проходит по объекту второй раз. передатчик датчик объект Рис. 16 Точка луча на 8 делении шкалы передатчик датчик эхо сигнал объект Рис. 17 Эхо сигнал на 8 делении шкалы Индикация дисплея может быть выражена теперь в двух величинах: 1. Горизонтальная позиция - Левый фланг эхо сигнала на 8 делении шкалы дисплея; 2. Вертикальная позиция - 70 % высоты экрана. В настоящее время это о многом нам не говорит, однако, позже мы увидим, что почти все необходимые результаты, которые мы получаем от ультразвукового контроля, основаны на этих двух показаниях. Давайте теперь рассмотрим процессы, происходящие в начальный момент времени: Зондирующий импульс начинается cлева перед нулевой точкой шкалы. Возрастающий фронт импульса соответствует времени, когда электрический сигнал подается в кристалл и вызывает звуковые колебания. Однако, прежде, чем импульс пройдет через поверхность объекта контроля, он должен преодолеть протектор преобразователя (задержку преобразователя). Хотя он относительно невелик, тем не менее, на это требуется некий период времени (рис. 18a). электрический ноль (зондирующий импульс) механический ноль (поверхность) датчик кристалл протектор Рис. 19а Прямой преобразователь - задержка зондирующего импульса В наклонных преобразователях звуковой импульс проходит гораздо больший путь задержки (например, сквозь призму из оргстекла) до передачи колебаний в объект контроля. В зависимости от типа преобразователя, задержка может быть так велика, что 11 зондирующий импульс не появляется на экране, рис. 18б. электрический ноль (зондирующий импульс) механический ноль (поверхность) датчик задержка (призма) объект звуковая волна Рис. 18б Наклонный преобразователь - задержка зондирующего импульса Мы уже ранее рассматривали эхо на 8м делении шкалы: если сигнал отражается от противоположной поверхности это - донное эхо. Теперь нетрудно догадаться, как будет выглядеть экран дисплея, в случае если внутри объекта контроля есть другой отражатель, например, разрыв материала: дефект датчик эхо от донной поверхности эхо от дефекта объект Рис. 19 Контроль объекта с несплошностью - эхо-сигнал от дефекта между зондирующим импульсом и эхо- сигналом от граничной поверхности возникнет дополнительный эхо-сигнал (промежуточное эхо), вызванный частичным отражением звуковой волны от несплошности, Рис 19. На рис 20а,б: промежуточное эхо ведет себя по отношению к донному эхо так же как и несплошность по отношению к противоположной поверхности объекта. датчик дефект |