книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

в среднем на 12 дБ выше и поэтому полезный сигнал от дефек­ та, находящегося в непосредственной близости от границы на­ плавки, будет лучше разрешаться на фоне помех.

И наоборот, при прозвучивании изнутри трубы через наплав­ ку лучшую помехоустойчивость обеспечивают ПЭП на частоту 2 МГц.

Технология контроля сварных швов трубопроводов с наплав­ кой регламентируется руководящим документом Госатомнадзора РФ ПН АЭГ-7-030 -9 1 .

7.2.4.Контроль сварных швов труб, выполненных на подкладных кольцах

Характерной особенностью таких швов в трубах с Н - - 4...20 мм является получение весьма стабильного сигнала от

подкладки (или уса), в сварных швах большой толщины этот сигнал легко различим от дефектов и даже полезен, т.к. позво­ ляет контролировать качество акустического контакта. Для об­ легчения дешифровки целесообразно в месте появления этого сигнала на экране дефектоскопа нанести метку тушью или стек­ лографом.

При контроле малых толщин это различие затруднено. Су­ ществует ряд приемов, позволяющих распознавать эхо-сигналы от подкладки и дефекта при прозвучивании швов толщиной 7...20 мм.

Дефекты, располагающиеся под корневым слоем, могут быть выявлены двояким способом: прямым или однократно отражен­ ным лучом (рис. 7.28). В последнем случае время приходов сиг­ налов от подкладки и дефекта может быть одинаковым.

Различить эти сигналы можно, измерив линейкой расстояние от точки ввода луча (или от передней грани преобразователя) до середины усиления шва на СОП. Сигнал от подкладки появляется при меньшем расстоянии Х к между швом и ПЭП, чем сигнал от дефектов, расположенных выше корня шва X. В процессе контро­

ля следует периодически сравнивать эти расстояния с измерен­ ными на образце.

С помощью прямого ПЭП предварительно сравнивают тол­ щину стенки каждого из стыкуемых элементов с толщиной об­ разца и вносят соответствующую поправку в настройку скорости развертки. Если стыкуемый элемент имеет толщину большую,

чем СОП, то при контроле шва со стороны этого элемента сигнал от подкладки смещается вправо по сравнению с тем же сигналом, полученным от тест-образца.

в

Рис. 7.28. Прозвучнванне стыка, сваренного на подкладном кольце:

а- эхо-сигнал от кольца Ах, 6 - эхо-сигнал опт надкорневого дефекта А|, обнаруженного прямым лучом; в- однажды отраженным лучом А%

Для того чтобы определить к какой из кромок стыкуемых элементов ближе распложен дефект в корне шва, руководствуют­ ся следующими признаками:

а) если дефект в корне шва расположен ближе к линии сплавления с тем элементом, со стороны которого ведется кон­ троль, то при медленном приближении искателя к шву на экране дефектоскопа первым появляется сигнал от дефекта, а затем, ко­ гда УЗ-лучи пройдут над дефектом, частично экранирующим подкладку, на экране появляется сигнал от подкладки;

6) при контроле этого участка шва со стороны второго эле­ мента на экране первым появляется сигнал от подкладки, а затем - от дефекта. Возможно также повременное появление сигналов.

Существует ряд косвенных признаков, позволяющих судить о характере некоторых дефектов в сварных швах Н =7...20, вы­

полненных на подкладках.

Трещины и несплавления по кромкам в корне шва обычно начинаются от зазора, образованного кромкой стыкуемого эле­ мента и подкладки. Распространяясь по наплавленному метал­ лу, пройдя первый или второй слой, они выходят на середину шва. В связи с этим отличительным признаком трещин в корне шва является то, что они частично или полностью экранируют отражение от подкладки только при контроле со стороны того из стыкуемых элементов, у кромки которого они берут свое на­ чало. При контроле шва с противоположной стороны трещина не экранирует подкладки и ультразвуковые лучи свободно про­ ходят в подкладку. На экране дефектоскопа возникают два сиг­ нала: от подкладки и от трещины. Сигнал от подкладки имеет примерно ту же амплитуду и пробег на экране, как и на участ­ ках, где дефект отсутствует. Трещины с этой стороны выявля­ ются значительно хуже, а при небольшой высоте могут совсем не выявляться.

На рис. 7.29 показана схема выявления корневой трещины высотой более 3 мм. Непровар, расположенный выше корневых слоев сварного шва, мало или совсем не экранирует отражение от подкладки. На экране при контроле с одной из сторон возникают сигналы от подкладки и дефекта (рис. 7.29а). При установке ПЭП с противоположной стороны (рис. 7.296) сигнал от подкладки может не возникать. Расстояние между этими сигналами не­ сколько больше, чем при дефектах, расположенных в корне шва. В некоторых случаях от дефекта и подкладки на экране наблюда­ ется нескрлько сигналов.

Характерной особенностью обнаружения шлаковых включе­ ний или пор является наличие на экране дефектоскопа импуль­ сов, быстро исчезающих и появляющихся вновь при незначи­ тельных перемещениях преобразователя в продольном или попе­ речном направлении. Скопления мелких шлаковых включений или пор в наплавленном металле дают на экране один сигнал или группу близко расположенных сигналов.

Рис. 7.29. Схема обнаружения трещины в корне шва с подкладным кольцом: Д - эхо-сигнал от дефекта; К - эхо-сигнал от кольца

Повысить информативность данных о качестве стыковых сварных соединений толщиной 2...5 мм в конструкциях с остаю­ щимся подкладным кольцом можно при раздельной регистрации импульсов, отраженных от дефектов в свариваемом стыке и от стенок подкладного кольца. Если происходит сплавление под­ кладного кольца со свариваемым стыком, то ультразвуковые им­ пульсы проникают в подкладное кольцо и, отражаясь от его сте­ нок, формируют эхо-сигнал, амплитуда которого зависит от ши­ рины провара подкладного кольца. Ширина провара корреляци­ онно связана с глубиной проплавления подкладного кольца. Та­ ким образом, по амплитуде сигналов, отраженных от непровара в стыке и от стенок кольца, можно судить о качестве сварного со­ единения, поскольку при отсутствии сплавления подкладного кольца сигнала от кольца нет.

Учитывая малые размера шва и необходимость во временном разрешении этих сигналов на развертке всего в 0,5... 1,0 мкс, для их селектирования В.Т. Пронякиным с сотрудниками предложено использование вспомогательного датчика, служащего для изме­ рения расстояния до поверхности контролируемого изделия в иммерсионной ванне. Был использован фокусирующий раздель­ но-совмещенный преобразователь из пьезокерамики в виде части сферы. Излучающая и приемные части преобразователя являются составными частями одного пьезоэлемента сферической формы толщиной 0,36 мм (рабочая частота 5 МГц), разрезаемого попо­ лам после его припаивания к корпусу. Это позволяет точно со­ вместить фокальные пятна излучающей и приемной частей и по­ высить разрешающую способность ПЭП.

7.3. Ко н т р о л ь с т ы к о в ы х с в а р н ы х с о е д и н е н и й

листовых КОНСТРУКЦИЙ

Контроль, сварных соединений листовых конструкций про­ изводится наклонными ПЭП прямым или прямым и однократно отраженным лучом с одной поверхности изделия. Каждый шов контролируется с двух боковых сторон.

Так же как и при контроле труб, особенности акустического тракта и, следовательно, параметры контроля и возможности идентификации сигналов прежде всего определяются толщиной сварного соединения.

Оптимальные параметры наклонных ПЭП для контроля за­ данной толщины шва могут быть определены из графиков на рис. 7.2, а корректировка уровня чувствительности при много­ кратном отражении ультразвука от поверхностей листа —по АРДдиаграмме на рис. 6,8.

Швы толщиной 3,5... 15 мм. Для сварных швов листовых конструкций, выполненных односторонней электродуговой свар­ кой или в среде защитных газов, так же как и для трубопроводов, характерно наличие непроваров, провисаний металла и смещения кромок.

В ряде случаев по существующим техническим условиям не­ провар определенной высоты допускается. Эхо-метод позволяет определять высоту непровара по экспериментально полученным кривым, как, например, приведенным на рис. 6.9.

Для УЗ-контроля сварных швов малых толщин наиболее эф­ фективны PC-ПЭП с большими углами в призме ((3 = 53...55°) и малой стрелой. Рабочая частота 4...5 МГц.

Важной проблемой при контроле односторонних швов явля­ ется отстройка от ложных сигналов.

При падении УЗ-волны на провисание возникают как волны, отраженные в точке, удовлетворяющей условию нормального падения луча на поверхность провисания, так и волны, расходя­ щиеся от изломов поверхности. Это обусловливает появление на экране дефектоскопа ложных эхо-сигналов от этих дефектов при контроле прямым лучом, совпадающих по времени с эхосигналами, отраженными от надкорневых дефектов, обнаружен­ ных однократно отраженным лучом. Так как эффективный диа­ метр УЗ-луча соизмерим с толщиной стенки, то отражатель не удается идентифицировать по местоположению ПЭП относи­ тельно валика усиления шва.

Для повышения помехоустойчивости контроля швов с прови­ санием и контроля пересечений швов В.Т. Власовым предложено использовать прозвучивание акустической системой, состоящей из двух жесткосвязанных наклонных ПЭП, ось которой ориенти­ рована перпендикулярно оси шва. Углы схождения ПЭП 20опт выбираются исходя из условия

\	,
arcsin	< 0 ОПТ< arcsin (— ctg a),
cvsinot,	п

где b и И, мм - соответственно ширина усиления и номинальная толщина шва.

При таком прозвучивании на дефект, лежащий в плоскости акустической системы, волны падают под углом, близким к 3-му критическому, и возникают дифрагированные волны, принимае­ мые обоими ПЭП. Эквивалентная площадь торцов трещин в швах толщиной 10 мм составляет 1,8...2,5 мм2, что позволяет уверенно их выявлять. По соотношению амплитуд сигналов к одному и другому ПЭП можно судить о типе дефекта: плоскостной или объемный.

Двусторонние швы с гладкими и пологими валиками усиле­ ния можно контролировать при многократном отражении УЗлуча, что в известной степени упрощает методику контроля. В этом случае распространение УЗ-луча в листе носит уже волноводный характер, что способствует выявлению непроваров.

Швы толщиной 16...40 мм. В швах, выполненных односто­ ронней сваркой, также велико влияние ложных сигналов от про­ висания в корне.

Если технология сварки такова, что провисания не образуют­ ся или они очень малы, то контроль производится одним ПЭП прямым и однократно отраженным лучом за один прием. Наибо­

лее эффективно здесь применение стандартного ПЭП Р = 50°,

/ = 2,5 МГц. Если же ложные сигналы от провисаний велики, то

для повышения помехоустойчивости контроль целесообразно проводить раздельно в корневой и остальной частях шва. При этом верхнюю часть шва предпочтительнее контролировать пре­ образователями р = 40°.

Односторонняя сварка без подварки листовых конструкций имеет весьма неудовлетворительное качество. При ней в корне шва образуются провисания и мениски значительной величины (3...5 мм). Контроль корневой зоны таких швов возможен только после удаления всех неровностей шлифмашинкой.

Рис. 7.30. Гистограмма плотности распределения максимальны х сигналов от дефектов по азимуту в (а) и вертикальны х трещ ин по углу <р относительно нормали к поверхности стыкового соединения (6):

I - электрошлаковая сварка; 2 - ручная и автоматическая дуговая сварка

Швы толщиной 41...120 мм. Эти швы выполняются двусто­ ронней сваркой или односторонней сваркой с подваркой корня. Обычно контролируются двумя наклонными ПЭП корневая часть с р = 40° и верхняя часть с р = 50° на частоту 1,8 и 2,5 МГи толь­

ко прямыми лучами. Помимо наклонных эти швы также контро­ лируются прямым ПЭП, если в технологии предусмотрено уда­ ление усиления шва, или головными волнами при наличии уси­ ления.

Контроль через антикоррозионную наплавку, если она имеет­ ся, не допускается. Особенно важное требование при контроле толстостенных швов - проведение сдаточного контроля только после термообработки. Статистика показывает, что в этих швах 20...25 % плоскостных дефектов (из них трещин 5...7 %). В ряде сталей, особенно если соединения выполнены электрошлаковой сваркой, по границе сплавления появляются мелкие поперечные трещины. В этом случае должен быть предусмотрен контроль на эти трещины.

Наиболее опасные дефекты - стянутые непровары в корне шва и трещины - ориентированы преимущественно в вертикаль­ ной плоскости (рис. 7.30). Такие дефекты, расположенные в сече­ нии шва (см. гл. 6), плохо выявляются при контроле одним ПЭП. В этом случае рекомендуется завышать чувствительность. Но наиболее эффективно применение эхо-зеркального или дельта­ метода. Примеры эффективности эхо-зеркального метода приве­ дены в гл. 6.

Индикатрисы рассеяния дифрагированных продольных волн при падении поперечных волн на несплавление высотой 3 мм [83] приведены на рис. 7.31. Обращает внимание наличие интенсив­ ной дифрагированной компоненты вверх, что позволяет исполь­ зовать различные варианты дельта-метода для обнаружения де­ фектов.

Такие же результаты получены в [122], а также на моделях дефектов в виде эллиптических цилиндров [81].

Оказалось, что дельта-метод менее чувствителен к азиму­ тальной ориентации дефекта, чем прозвучивание одним ПЭП. Так, для несплавлений высотой 2 и 11 мм соотношение амплитуд сигналов при прозвучивании по схеме на рис. 1.5ж ортогонально

плоскости дефекта А0 и под азимутальным углом 0= 10 и 15° (>4)0 и А ]5) в случае обратного отражения поперечных волн к

Рис. 7.32. Устройство для контроля дельта-методом:

1- наклонный ПЭП; 2 —ограничитель; 3 - кронштейн; 4 - приемник продольных волн; 5 - магнитное кольцо

Для исключения неоправданной браковки необходимо ис­ пользовать количественные информативные признаки. Однако существенно может помочь оператору в правильной дешифровке качества шва знание качественных информативных признаков.

Односторонний непровар характеризуется появлением оди­ ночного отраженного сигнала с координатами, соответствую­ щими расположению его по одной из границ линий сплавления с различной условной высотой. Со стороны наплавленного ме­ талла (положение А преобразователя на рис. 7.33) непровар ха­

рактеризуется значительными неровностями, что способствует формированию эхо-сигнала большой амплитуды. При прозвучивании со стороны основного металла (положение В) механи­

чески обработанная и несплавившаяся кромка листа почти зер­ кально отражает ультразвук. Эхо-сигнал может появиться лишь от отдельных оплавленных неровных участков. Односторонний непровар вблизи одной из поверхностей изделия наиболее уве­ ренно выявляется при контроле с противоположной стороны изделия (положение С). В этом случае амплитуда сигнала и его пробег на экране больше, т.к. имеет место угловой эффект.

Двусторонний непровар характеризуется тем, что в положе­ нии преобразователя А на экране дефектоскопа могут появляться

одновременно два сигнала, соответствующие отражению ультра­ звука от его границ по обеим кромкам сварного шва. В положе­ нии искателя В ультразвук отражается только от ближней кромки

сварного шва, т.к. условия выявления дефекта обычные для одно­ стороннего непровара.