Ответы неразрушающий контроль. Ответы по неразрушающему контролю Неразрушающий контроль. Виды и типы дефектов
 Скачать 84 Kb.
|
|
Ответы по неразрушающему контролю Неразрушающий контроль. Виды и типы дефектов. Неразрушающий контроль – это сплошной контроль качества объектов, после которого они могут быть использованы по прямому назначению. Надежность контроля обеспечивается тремя основными факторами: - организацией процесса контроля; техническими средствами; человеческим фактором. При этом эффективные системы контроля должны обеспечиваться на каждом из этапов: изготовление – эксплуатация – ремонт. Высокую достоверность и надежность контроля можно обеспечить только путем его автоматизации, включая обработку информации с использованием вычислительной техники и выдачей документа с заключением о качестве объекта. На сегодняшний день идет активное обновление парка дефектоскопов. Дефекты могут быть разного типа и определять его технологическую характеристику, например: - несплошность, структурная неоднородность, отклонение размеров от номинальных и т.д. Независимо от типа дефекты разделяют на три вида, который определяет его эксплуатационную характеристику: критический (недопустимый, остродефектный) – использовать продукцию невозможно, недопустимо или небезопасно; значительный – существенно влияющий на эксплуатационную характеристику объекта, но допустимый дефект; малозначительный. Ультразвук. Типы УЗК волн. Характеристики УЗК волн Ультразвук представляет собой процесс распространения механических колебаний частиц среды с частотой от 20 кГц до 1000 МГц, сопровождающийся переносом энергии и не сопровождающийся переносом вещества. Отдельные частицы вещества при этом совершают колебания с некоторой амплитудой А (максимальное отклонение от положения равновесия) около своих положений равновесия. Время, за которое совершается полный цикл колебаний называется периодом (Т). Колебательное движение отдельных частиц передается и вызываетультразвуковые (акустические) волны, благодаря наличию упругих связей между соседними частицами.Упругость – свойство частиц среды возвращаться к первоначальному положению. Волну, в которой колебания отдельных частиц происходят в том же направлении, в котором распространяется волна, называют продольной. Продольная волна характеризуется тем, что в среде чередуются области сжатия и разрежения, повышенного и пониженного давления. Продольные волны могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах, то есть в любых средах. В жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны. Волну, в которой колебания отдельных частиц происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения, называют поперечнойили сдвиговой. Поперечные волны могут распространяться только в твердых средах. Основными характеристиками ультразвука являются скорость распространения (С), длина волны (), интенсивность (I), частота (f) и тип волны. Частота это величина обратная периоду (Т) и она показывает, сколько колебаний совершается в единицу времени (секунду). Скорость ультразвуковой волны зависит от физических свойств среды, в которой она распространяется и различна для разных типов волн. Для металлов скорость продольной ультразвуковой волны примерно в два раза больше скорости поперечной ультразвуковой волны. Интенсивность ультразвука. Затухание ультразвука. При распространении ультразвуковая волна в направлении своего движения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое волной за единицу времени через единичную площадку перпендикулярную к направлению ее распространения, называютинтенсивностью волны (I). Интенсивность волны I пропорциональна квадрату амплитуды колебаний частиц (IА2). На практике измеряют отношение амплитуд электрических сигналов преобразователей (будем обозначать буквами U1и U2), которые в свою очередь пропорциональны амплитудам колебания частиц А1 и А2. Единицей измерения в этом случае является децибел. По мере распространения волны, даже в строго определенном направлении без какого-либо расхождения, интенсивность ее падает. Уменьшение интенсивности волны называется затуханием ультразвука. Затухание волны происходит по экспоненциальному закону. Затухание ультразвуковых колебаний обусловлено двумя физическими процессами: поглощением и рассеянием. Поэтому коэффициент затухания можно записать: = погл. + расс . При поглощении механическая энергия колебаний частиц переходит в тепловую. Это происходит за счет внутреннего трения и теплопроводности среды. Поглощение наиболее сильно проявляется в жидкостях, газах и стеклах. Коэффициент затухания для данного материала растет с увеличением частоты ультразвука и температуры. Объясняется это тем, что доля энергии, переходящая в тепло за счет сил внутреннего трения, одинакова в пределах одного цикла колебаний. Поскольку с повышением частоты УЗК увеличивается количество циклов колебаний в единицу времени, то это ведет к росту потерь на переход энергии УЗК в тепло. Рассеяние ультразвука может быть вызвано наличием в материале зерен различных компонентов (например, феррит, графит), различной ориентацией кристаллических зерен, а также наличием пор или инородных включений. Увеличение рассеяния УЗ происходит в сварных стыках, структура которых изменена нагревом. Это затрудняет их контроль зеркально-теневым методом Нормальное падение УЗ волн на границу раздела сред. Коэффициенты отражения и прозрачности. При нормальном падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред часть энергии волны отражается от поверхности раздела, а другая часть проходит сквозь нее. Распределение энергии отраженной и прошедшей волн зависят от механических характеристик граничащих материалов: скоростей волны и плотностей сред. Интенсивность отраженной волны отр определяется коэффициентом отражения R=отр /пад,где пад– интенсивность падающей волны. Коэффициент отражения зависит от характеристик сред R=(1С1–2С2 / 1С1+2С2)2.Аналогично, интенсивность прошедшей волны прош тоже является долей интенсивности падающей волны и величину этой доли можно определить с помощью коэффициента D – коэффициента прозрачности (прохождения) D =прош /пад .При этом R+ D=1или R+ D=100%. Как видно из формулы, чем больше разница между акустическими сопротивлениями сред, тем больше коэффициент отражения R и меньше, соответственно, коэффициент прозрачности D. Например, граница сталь-воздух имеет большую разницу удельных акустических сопротивлений (СТАЛИ = 45, ВОЗД = 0,00075) и, как следствие, коэффициент отражения R практически равен 1 (отражается 100% энергии волны), а коэффициент прозрачности соответственно будет равен нулю: D 0. Поэтому при падении ультразвуковой волны из стали или другого материала на границу с воздухом волна не сможет пройти сквозь нее, а будет полностью отражаться. Для прохождения ультразвуковых колебаний из пьезопреобразователя в контролируемое изделие и обратно необходимо между ними обязательно вводить жидкостную прослойку, которая вытесняет воздух и т. о. исчезает граница воздух-материал. С другой стороны, свойство ультразвуковых волн отражаться от границ сред с различными акустическими характеристиками используется для обнаружения дефектов типа нарушение сплошности: поры, трещины, заполненные газом (R = 1) или шлаковые и другие включения (0 R 1). Наклонное падение УЗ волн на границу раздела двух сред, закон Снеллиуса. Критические углы. В случае наклонного падения, на границе раздела двух сред с различными скоростями ультразвуковых волн могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волны. Отражениемназывают явление, при котором волна, упавшая на границу раздела двух сред изменяет свое направление распространения в той же среде. Преломление – это изменение направления распространения ультразвуковой волны при прохождении через границу раздела двух сред.Трансформациейназывают преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела сред. Трансформация может происходить как при отражении волны, так и при ее преломлении. Из закона отражения и преломления следует, что угол отражения волны того же типа, что и падающая, всегда равен углу падения волны. При прохождении границы раздела сред, имеющих одинаковые скорости, так же угол преломления будет равен углу падения. Для других случаев углы преломления и отражения волн всегда будут тем больше, чем выше скорости распространения этих волн. Если угол падения находится в пределах от 0º … 10º, то интенсивность преломленной поперечной волны (Ct2) незначительна, и таким образом, в контролируемое изделие можно ввести практически только продольную волну. Например, для ввода в изделие продольной волны под углом l2 = 18º угол падения = 8º, а в прямых раздельно-совмещенных преобразователях угол падения составляет 0º … 4º. При увеличения угла падения значения всех остальных углов также увеличиваются. Угол падения, при котором угол преломления или отражения какой-либо волны становится равным 90 называют критическим углом. Так при некотором его значении = КР1 угол преломления продольной волны l2 приближается к 900, и она начинает скользить по границе раздела сред. Наименьший угол падения продольной волны, при котором продольная волна не проникает во вторую среду называется первым критическим углом КР1.Скорость ее распространения и характер смещения частиц аналогичны характеристикам продольной волны, но эта волна быстро затухает вследствие отщепления от нее поперечной волны под углом 34º. Совокупность распространяющихся в этом случае волн называют головной волной. При дальнейшем увеличении угла падения наступает момент, когда угол преломления поперечной волны t2 приближается к 900 и она не проникает во вторую среду, а скользит вдоль поверхности раздела. Наименьший угол падения продольной волны, при котором поперечная волна не будет проникать во вторую среду называется вторым критическим углом КР2. Значения первого и второго критических углов можно рассчитать по соответствующим выражениям: sinКР1 = Cl1/Cl2,sinКР2= Cl1/Ct2 .Так для границы раздела оргстекло–сталь КР127º, КР255º и незначительно отклоняется от этих значений в зависимости от марки стали и температуры окружающей среды. Таким образом, при углах падения продольной волны на границу раздела под углами КР1 КР2 в объем твердого тела будет входить только поперечная волна, а при углах падения КР2 объемные волны во второй среде возбуждаться не будут. Для того чтобы возбудить в контролируемом изделии только поперечную волну – угол падения надо выбирать КР1 КР2. Излучение и прием ультразвука. Материалы, используемые для изготовления пьезопластин. Характеристики пьезопластин. В настоящее время наибольшее применение для излучения и приема ультразвука в дефектоскопии находит пьезоэлектрический эффект. Эффект заключается в том, что деформация кристаллов некоторых материалов (пъзоэлектриков) вызывает появление на его гранях электрических зарядов. Если на пластинку из такого материала нанести электроды и с помощью проводников подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластины между электродами возникает электрическое напряжение определенной величины и знака. При растяжении пластины также возникает напряжение, но противоположного знака. Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластины при ее деформации называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Существует также обратное явление, заключающееся в том, что если к электродам пластины подвести электрическое напряжение, размеры ее уменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности приложенного напряжения. При изменении с определенной частотой знака приложенного напряжения пластина сжимается и растягивается с такой же частотой. Это явление изменения размеров пластины под действием электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффектом. Таким образом, оказывается возможным при помощи пьезопластины преобразовывать электрические колебания в ультразвуковые (обратный пьезоэффект – для излучения ультразвука) и, наоборот, ультразвуковые в электрические (прямой пьезоэффект – для приема ультразвуковых колебаний). При этом еще раз важно отметить, что амплитуда электрического сигнала на электродах (при прямом и обратном пьезоэффекте) пропорциональна амплитуде механических колебаний частиц, что и позволяет измерять (сравнивать) интенсивности ультразвука. Для возбуждения и регистрации (излучения и приема) ультразвуковых колебаний применяют пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) в которых активными являются пьезоэлементы – пластины, выполненные из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами с нанесенными на их поверхности металлическими электродами. Пьезоэлементы для ультразвуковой дефектоскопии чаще всего изготавливают из пьезокерамики: цирконата титаната свинца (ЦТС-19) и титаната бария (ТБК). Пластины из пьезокерамики дешевле и обладают большим коэффициентом преобразования по сравнению с природными кристаллами типа кварца. Температура, при нагреве выше которой пластины теряют свои пьезоэлектрические свойства, называется температурой (точкой) Кюри. Пластины из ЦТС-19 теряют пьезоэлектрические свойства при температуре 2900С, а из ТБК при температуре 1200С. Основные эксплуатационные характеристики преобразователей:собственная резонансная частота, добротность, длина ближней зоны, угол аскрытия, диаграмма направленности определяются геометрическими размерами и формой пластины. Собственная резонансная (рабочая) частота тонкой пьезопластины определяется скоростью звука в пьезоматериале и ее толщиной. Конструкция прямых, наклонных, РС и комбинированных преобразователей. Структура их условного обозначения. Для излучения и приема ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП). Основные элементы ПЭП: 1 – пьзоэлемент, 2 – демпфер и заливная масса, 3 – подводящие провода, 4 – разъем, 5 – корпус, 6 – протектор, 7 – призма, 8 – контролируемый объект, 9 – электроакустический экран. Пьезоэлемент (1) служит для преобразования электрических колебаний в акустические при возбуждении ультразвука и (или) обратно при его приеме. У прямого ПЭП (и в некоторых конструкциях раздельно-совмещенных (РС)) ПЭП он отделен от контролируемого изделия (8) протектором (6), который служит для защиты пьзоэлемента от истирания и механических повреждений. В наклонных и некоторых конструкциях РС ПЭП роль протектора выполняет призма (7), которая одновременно задает угол падения, то есть определяет угол ввода ультразвука в изделие. Пьезоэлемент соединен с разъемом (4) подводящими проводами (3). Демпфер (2) служит для создания коротких импульсов. Кроме того, вместе с заливной массой он придает преобразователю дополнительную механическую прочность. Все элементы ПЭП обычно помещаются в корпус (5). Прямые ПЭП служат для ввода в изделие продольных волн, а наклонные как продольных (при углах призмы до первого критического), но чаще поперечных или поверхностных волн. В комбинированных ПЭП имеется более двух пьезоэлементов с различными углами ввода УЗ. Маркируется пьезопреобразователь буквой П и набором цифр, например П 121-2,5-50. При этом первая цифра показывает способ ввода ультразвука в изделие и может быть: 1– контактный, 2 – иммерсионный, 3 – контактно-иммерсионный, 4 – бесконтактный. Вторая цифра относится к конструкции ПЭП и может быть: 1 – прямой, 2 – наклонный, 3 – комбинированный. Третья цифра показывает способ подключения ПЭП к дефектоскопу и может быть: 1 – совмещенная схема, 2 – раздельно-совмещенная, 3 – раздельная. Далее следует значение рабочей частоты в мегагерцах, угол ввода (для прямых может не указываться) и дополнительная информация изготовителя об особенностях конструкции, применяемых материалах, номере модели. На любом ПЭП обязательно указывается заводской номер Понятие ближней и дальней зоны. Диаграммы направленности УЗ излучателей. Энергия ультразвуковой волны излучается не равномерно во все стороны, а в пределах узкого, слегка расходящегося пучка. Вблизи от излучателя волна распространяется без расхождения, эту зону называют ближней зоной или зоной Френеля. За пределами ближней зоны начинается дальняя зона или зона Фраунгофера. В этой зоне ультразвуковое поле, формируемое пластиной круглого сечения, можно представить в виде усеченного конуса. При увеличении частоты ультразвука угол 2р, характеризующий раскрытие основного лепестка диаграммы направленности излучателя данного диаметра, будет уменьшаться. При частоте ультразвука 2,5 МГц и диаметре излучателя 2а = 12 мм, протяженность ближней зоны в стали составляет приблизительно 15 мм, а половина угла раскрытия р не превышает 14º. В ближней зоне интенсивность ультразвукового поля, как вдоль пучка, так и по его сечению распределена неравномерно и меняется от точки к точке. В дальней зоне –интенсивность плавно падает, как вдоль луча, так и по его сечению. Геометрическое место точек максимальной интенсивности поля в дальней зоне излучателя и его продолжение в ближней зоне называютакустической осью преобразователя.Направленность поля, или изменение интенсивности УЗК в дальней зоне в зависимости от угла р между направлением данного луча и акустической осью на постоянном расстоянии от излучателя можно отобразить с помощью так называемой диаграммы направленности. Если пьезоэлемент имеет форму диска, то форма основного лепестка диаграммы направленности прямого ПЭП симметрична относительно оси и имеет вид «булавы». Центральную часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда поля уменьшается от единицы до нуля, называют основным лепестком. В пределах основного лепестка сосредоточено около 85% энергии поля излучения. Вне основного лепестка диаграмма направленности может иметь боковые лепестки Методы УЗ дефектоскопии: импульсный эхо-метод, теневой, зеркально-теневой и зеркальный методы. Большинство ультразвуковых дефектоскопов являются импульсными. Принцип действия их основан на посылке ультразвуковых импульсов в изделие и приеме их отражений от несплошностей или конструктивных элементов изделий. Теневой метод контроля предполагает доступ к изделию с двух сторон (рис. 2.2) и реализуется при раздельной схеме включения ПЭП. В этом случае ультразвук излучается одним ПЭП (И), проходит через контролируемое изделие и принимается другим ПЭП (П) на другой стороне. Признаком дефекта при теневом методе является уменьшение ниже порогового уровня или пропадание сигнала прошедшего через контролируемое изделие. Метод обладает высокой чувствительностью, но не дает информации о глубине залегания дефекта. О величине дефекта можно судить по степени ослабления прошедшего сигнала. На уменьшение амплитуды сигнала при теневом прозвучивании влияют кроме того и другие факторы: шероховатость поверхности, затухание ультразвука, расхождение пучка, нарушение соосности преобразователей. При зеркально-теневом методе (ЗТМ) излучатель и приемник расположены на одной стороне (контактной). Зеркально- теневой метод можно реализовать либо одним прямым, либо двумя наклонными преобразователями. При работе по первой схеме в рельсовой дефектоскопии чаще используются раздельно-совмещенный преобразователь. Приемник регистрирует сигнал, отраженный от противоположной стороны (донной), который называют «донным» сигналом. Ультразвук проходит изделие два раза, что повышает чувствительность контроля. Можно работать также по второму и последующим донным сигналам, причем чувствительность при этом будет увеличиваться. В отличие от теневого метода ЗТМ не требует двухстороннего доступа к изделию, но необходимо наличие двух плоско-параллельных поверхностей. При использовании прямых ПЭП также не дает информации о глубине залегания дефекта. Признаком дефекта при ЗТМ контроля является пропадание донного сигнала или его ослабление ниже порогового уровня. О величине дефекта можно судить по степени ослабления донного сигнала. Выявляемость дефекта не сильно зависит от его ориентации по отношению к акустической оси. Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на посылке в изделие коротких ультразвуковых сигналов (зондирующих импульсов) и регистрации сигналов (эхо-сигналов), отраженных от выявляемых дефектов.При контроле прямым преобразователем наряду с эхо-сигналом от дефекта на экране может присутствовать донный сигнал. Возможен контроль лучом, отраженным от противоположной поверхности (рис 2.4 в) а также многократно отраженными лучами. Признаком дефекта при эхо-методе контроля является появление в зоне контроля эхо-сигнала с амплитудой выше порога срабатывания АСД при заданной чувствительности дефектоскопа. В некоторых случаях (например, трещина с зеркальной поверхностью, ориентированная под углом отличным от нуля к акустической оси преобразователя) эхо-метод может вообще не обнаружить даже сильно развитый дефект. Однако, если известно куда будет направлен отраженный от дефекта сигнал, приемник можно установить на его пути и зарегистрировать этот сигнал. Такой метод контроля называется зеркальным Основные измеряемые характеристики дефекта при импульсном эхо методе: координаты дефекта, условные размеры дефекта. Виды поверхностей, отражающих ультразвук. Принцип измерения координат отражателя при эхо-методе УЗК заключается в измерении времени прихода эхо-сигнала – t после зондирующего импульса и пересчете его в соответствующую координату. При работе с прямым ПЭП определяется только глубина залегания отражающей поверхности дефекта – Н. Она рассчитывается по времени tприхода эхо-сигнала. Для наклонного ПЭП определяют две координаты: H – глубину залегания отражающей поверхности дефекта и L– расстояние от точки выхода луча до проекции отражающей поверхности дефекта на поверхность изделия, по которой производится сканирование. Значение глубины залегания Н и расстояние Lопределяются при положении ПЭП, в котором эхо-сигнал имеет наибольшее значение. При обнаружении дефекта с помощью ультразвуковых методов контроля нельзя измерить его истинные размеры, но можно их ориентировочно оценить. Такие размеры дефекта назвали условными, они, как правило, больше истинных и зависят от многих факторов: конфигурации, ориентации, глубины залегания дефекта, способа измерения, чувствительности дефектоскопа, а также диаграммы направленности ПЭП. Знание условных размеров помогает оценить опасность дефекта и принять решение о возможности дальнейшей эксплуатации объекта. К условным линейным размерам дефекта относятся: условная протяженность –ΔL; условная высота – ΔН; условная ширина – ΔX. В рельсовой дефектоскопии используется также понятие условной протяженности дефекта по длине рельса. При работе наклонными ПЭП можно измерять все три условных размера. Понятие о развертках типа А и В. Конструкция и назначение стандартного образца СО-3Р. Основные параметры контроля рельсов при импульсном эхо-методе. Порядок их настройки. |