книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

ция о максимальном значении амплитуды сигнала от дефектов. Кроме того, статистические методы выделения сигналов разрабо­ таны и опробованы на крупноструктурных материалах с равноос­ ными зернами.

Отношение полезный сигнал/помеха зависит также и от час­ тоты ультразвуковых колебаний. Однако рекомендации по выбо­ ру оптимальных значений частоты не обеспечивают требуемой помехоустойчивости, поскольку эти рекомендации справедливы

при X » D В то же время экспериментально за счет плавного

изменения частоты можно выбрать оптимальное ее значение, при котором наблюдается минимальный уровень структурных помех. На этой основе разработаны переменно-частотный способ, спе­ циальные преобразователи и аппаратура. Существенным недос­ татком этого способа является необходимость специальной аппа­ ратуры и выбора частоты не только для конкретного шва, но и для отдельного участка этого шва.

Во всех перечисленных способах контроля аустенитных сварных швов наплавленный металл рассматривается как акусти­ чески изотропный в виде крупнозернистой структуры, образо­ ванной равноосными зернами.

За общей совокупностью сигналов структурных помех при УЗ-контроле аустенитных швов можно выделить такие, у кото­ рых огибающие последовательностей эхо-сигналов аналогичны огибающим от дефектов: амплитуда сигналов таких помех ос­ циллирует с изменением частоты ультразвука, зависит от угла ввода луча [29]. Помехи названы помехами второго типа, а при­ чина их образования связана с отражением УЗ-волн от «слоистых отражателей», образованных наиболее крупными кристаллитами. При расчете амплитуд сигналов таких помех сварной шов рас­ сматривали в виде акустически изотропной среды, в которой хао­ тично расположены «слоистые отражатели», ориентированные произвольным образом. Для контроля такой модели швов были предложены многочастотный (двухчастотный), многолучевой и вариимпульсный способы. Промышленную апробацию прошел двухчастотный способ, который оказался эффективным для швов, в которых основным видом структурных помех являются помехи второго типа с ярко выраженной огибающей. Однако известно [46, 113, 135], что во многих аустенитных швах сигналы струк­ турных помех случайным образом распределены на экране де­ фектоскопа и не имеют четко выраженной огибающей - это так

называемые реверберационные помехи, не учитываемые при двухчастотном способе.

Снижение уровня структурных помех может быть обеспечено за счет использования раздельного излучения и приема УЗ-волн. В работе В.Д. Коряченко показано, что для металла, состоящего из крупных равноосных зерен, минимум интенсивности струк­

турных помех имеет место при углах 20...45° между направле­ ниями излучения и приема УЗ-волн. Эксперименты, выполнен­ ные в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 1972 г, показали возможность УЗ -контроля аустенитных сварных швов наклонными раздельносовмещенными ПЭП типа «дуэт» продольными волнами, которые обеспечивают отношение полезный сигнап/шум 10...20 дБ.

Эффективность применения ПЭП подобного рода подтвер­ ждена работами ВТИ им. Дзержинского, ЦНИИТМАШа и зару­ бежных исследователей.

Среди большого многообразия рекомендаций и подходов по повышению помехоустойчивости при УЗ-контроле аустенитных сварных швов нет единого мнения о решении указанной пробле­ мы. На наш взгляд, этот недостаток обусловлен прежде всего тем, что исследователи в малой степени уделяли внимание главному вопросу - изучению реальной структуры аустенитных швов.

Строение структуры аустенитного шва. Во многих работах прямо или косвенно, а В.Г Щербинским прямыми эксперимен­ тами показано, что именно структура обуславливает направление распространения упругой волны в металле шва, которая форми­ руется в результате кристаллизации жидкого металла и часто на­ зывается первичной кристаллизацией.

В сварочной ванне всегда существует готовая поверхность раздела между жидкой и твердой фазами - частично оплавленные дугой зерна основного металла или столбчатые кристаллиты ни­ жележащего сварного шва. Кристаллит - это совокупность кри­ сталлов, оси которых параллельны. Первые кристаллиты, прорас­ тающие от линии сплавления вглубь ванны, имеют ориентацию оплавленных рекристаллизованных зерен околошовной зоны. Число кристаллитов сварного шва на линии сплавления равно числу оплавленных зерен. Кроме того, вблизи от края ванны об­ разуется слой новых кристаллитов в результате термического или концентрационного переохлаждения, которые определяются ус­ ловиями и режимами сварки. Первоначально, т.е. до момента столкновения, все кристаллиты растут хаотично. Направлением

преимущественного роста кристаллитов феррита (объемноцентрированная кубическая решетка) и аустенита (гранецентри­ рованная кубическая решетка) является одно из кристаллографи­ ческих направлений: [100], [010] или [001] (рис. 7.49). Это приво­ дит к тому, что те кристаллиты, у которых направление [100]

близко или совпадает с направлением теплового потока, разрас­ таются за счет соседних. Оси кристаллитов представляют собой пространственные кривые, что обусловлено изменением формы сварочной'ванны и перемещением теплового поля в направлении сварки.

Р и с . 7 . 4 9 . Р а с п о л о ж е н и е к р и с т а л л о г р а ф и ч е с к и х н а п р а в л е н и й \100\, \010\,

[001\и п л о с к о с т е й (100), (010), (001), (110)

Следовательно, главной особенностью макроструктуры ау­ стенитных швов является их столбчатое, транскристаллитное строение. Металл сварного шва можно рассматривать в виде со­ вокупности столбчатых кристаллитов аустенита. Ориентация столбчатых кристаллитов зависит от режимов сварки, направле­ ния теплоотвода, скорости охлаждения и кристаллизации, объема сварочной ванны и пр. Поэтому существующее в технике огром­ ное разнообразие типоразмеров аустенитных швов приводит к множеству вариантов их макроструктуры. Но столбчатая мак­ роструктура швов является их характерной особенностью (рис. 7.50) [ИЗ, 135].

Р и с . 7 . 5 1 . А н и з о т р о п и я м о д у л я у п р у г о с т и в з а в и с и м о с т и о т н а п р а в л е н и я о с и к р и с т а л л а п о д а н н ы м ( б 0 |:

J- м н о г о с л о й н а я ф е р р и т н а я н а п л а в к а т и п а Х 2 6 ; 2- м н о г о с л о й н ы й а у с т е н и т н ы й ш о в т и п а 1 8 - 2 2 ; 3 - м н о г о с л о й н а я а у с т е н и т н а я н а п л а в к а т и п а 1 8 - 2 2 ;

4- м о н о к р и с т а л л а у с т е н и т а ( р а с ч е т )

Отмеченные результаты позволяют сказать, что металл шва можно представить в виде совокупности нескольких областей, в каждой из которых оси кристаллитов параллельны.

Для аустенитных швов характерна анизотропия акустических свойств [113, 135]. Так как аустенитный шов представляет собой совокупность отдельных кристаллитов, то его акустические свой­ ства будут определяться акустическими свойствами кристаллитов [135]. Особенностями акустических свойств кристаллитов куби­ ческой сингонии, к которой относят кристаллиты аустенита, яв­ ляются следующие [121, 125]:

1) по произвольному направлению в кристаллите могут рас­ пространяться три волны, векторы смещения которых взаимно перпендикулярны между собой;

2)в общем случае фазовые скорости этих трех волн не равны между собой;

3)вектор Умова, определяющий направление переноса энер­ гии волной, в общем случае не совпадает с направлением волно­ вого вектора;

4)ослабление упругих волн зависит от направления их рас­ пространения относительно оси кристаллита.

Изучение причин образования помех и ослабления. Значитель­

ное ослабление ультразвуковых волн является одной из основных проблем ультразвукового контроля аустенитных сварных швов.

В МГТУ им. Н.Э. Баумана были изучены основные факторы, ко* торые необходимо учитывать при расчете ослабления ультразву­ ковых волн в аустенитном сварном соединении:

•затухание (поглощение и рассеяние) в зоне термического влияния и в сварном шве;

•преломление на границе сплавления и прозрачность гра­ ницы сплавления;

•отклонение направления распространения луча от волно­ вой нормали в металле шва и деформация звукового пучка.

Затухание. В общем случае коэффициент затухания, скла­

дывается из коэффициентов поглощения и рассеяния. Погло­ щение обусловлено внутренним трением и теплопроводностью среды. Эти процессы определяют затухание в монокристаллах. В металле, имеющем поликристаллическое строение, опреде­ ляющим фактором является рассеяние. Поглощение усиливается, как правило, пропорционально частоте, т.е. намного медленнее, чем рассеяние. Поглощение легко компенсировать, усилив при­ нятый сигнал или увеличив мощность излучения. Компенси­ ровать рассеяние такими простыми приемами невозможно, т.к. при этом будет увеличиваться уровень шума. Учитывая изложен­ ное и ввиду сложности получения аналитического выражения коэффициента поглощения, при расчете затухания учитывалось только рассеяние ультразвуковых волн. Нами были получены аналитические выражения коэффициентов рассеяния для металла сварного шва, являющегося трансверсально-изотропной средой, и для зоны термического воздействия, являющейся равноосной поликристаллической средой. Особенно простой вид, характер­

ный для рэлеевского рассеяния 8 ~ а3/ 4, имеют коэффициенты рассеяния в зоне термического влияния. Металл сварного шва, в отличие от зоны термического влияния сварки, не является рав­ ноосной средой. Длина рассеивателя превышает длину ультра­ звуковой волны. Рассеяние в этой области не подчиняется зако­ номерностям, характерным для равноосных поликристаллических сред. Расчет показал, что в диапазоне частот, для которых отношение длины волны к поперечному размеру кристаллита превышает п, коэффициент рассеяния в металле аустенитного

шва приближенно подчиняется закону 85 ~ а2/ 3 (рис. 7.53) и зависит от направления падения волны и ее поляризации (рис. 7.52). Для всех типов волн коэффициенты рассеяния об­

ращаются в ноль в случаях, если направление распространения волны или (и) ее поляризация параллельны большой оси кри­ сталлита. Для продольной и горизонтально-поляризованной поперечной волны коэффициенты рассеяния максимальны, если волна распространяется перпендикулярно длинной оси кристал­ литов. Максимум рассеяния поперечной волны вертикальной поляризации наблюдается при угле падения на кристаллиты 45°

8, дБ/мм

Р и с . 7 . 5 2 . И з м е н е н и е к о э ф ф и ц и е н т о в

р а с с е я н и я у л ь т р а з в у к о в ы х в о л н в з а в и с и м о с т и о т у г л а п а д е н и я н а к р и с т а л л и т ы ( ч а с т о т а / = 2 , 5 М Г ц , п о п е р е ч н ы й р а з м е р к р и с т а л л и т а :

а- 1 0 0 м к м , д л и н а Ь- 4 м м )

Р и с . 7 . 5 3 . З а в и с и м о с т ь к о э ф ф и ц и ­ е н т а р а с с е я н и я п о п е р е ч н о й в о л н ы

S V - т и п а о т ч а с т о т ы ( р а з м е р ы		к р и ­
с т а л л и т а а=	1 0 0 м к м , b= 4 м м , у г о л
п а д е н и я н а	к р и с т а л л и т ы 0 =	4 5 ° )

Прозрачность границы сплавления. В ультразвуковом кон­

троле аустенитных сварных соединений задача о прохождении границы сплавления имеет существенное значение, т.к. установ­ ление направлений и определение интенсивностей, трансформи­ рованных на границе волн, необходимо для правильной интер­ претации результатов контроля.

Эффекты отражения и преломления волн на границе сплав­ ления аустенитного сварного шва исследованы в работе [I]. При допущении изотропности граничных сред получены расчетные зависимости коэффициентов отражения и прохождения ультра­ звуковых волн различных поляризаций от угла падения на грани­ цу сплавления. Установлено, что при углах падения более

37°...4Г для поперечных волн с вертикальной поляризацией волна полностью отражается от границы сплавления (рис 7.54).

Р и с . 7 . 5 4 . К о э ф ф и ц и е н т ы п р о з р а ч н о с т и п о э н е р г и и г р а н и ц ы с п л а в л е н и я п р и п а д е н и и н а н е е п р о д о л ь н о й ( L ) п п о п е р е ч н ы х ( S V и S 1 I ) п о т е н | 1 |

					Р.
					град
О 10	20	30	40	50 60	70 80 90

Р и с . 7 . 5 5 . К о э ф ф и ц и е н т ы п р о з р а ч н о с т и п о э н е р г и и

г р а н и ц ы с п л а в л е н и я а у с т е н и т н о г о ш в а

Учитывая, что граничные среды отличаются не только скоро­ стями волн, но и кристаллической структурой, в МГТУ им. Н.Э. Баумана рассчитаны коэффициенты прозрачности гра­ ницы изотропной (зона термического влияния) и трансверсально­ изотропной (металл аустенитного шва) сред (рис. 7.55). Для вол­ ны SH-типа получено аналитическое выражение для коэффици­ ента прозрачности:

DH(р) ss 2 *V0• cos |3/{У0 + К(а) • cos а ],

(7.4)

г д е D / / ( P ) - к о э ф ф и ц и е н т , п р о з р а ч н о с т и п о а м п л и т у д е ; VD- с к о р о с т ь п о п е р е ч н о й в о л н ы в з о н е т е р м и ч е с к о г о в л и я н и я ; Г ( а ) - с к о р о с т ь г о р и з о н т а л ь н о - п о л я р и з о ­

в а н н о й в о л н ы в м е т а л л е с в а р н о г о ш в а ; р - у г о л п а д е н и я в о л н ы н а г р а н и ц у ;

а - у г о л п р е л о м л е н и я в с в а р н о й ш о в .

Коэффициенты прозрачности границы сплавления при про­ хождении продольной и вертикально-поляризованной попереч­ ной волн рассчитаны численно.

При проведении расчета коэффициентов прозрачности гра­ ницы сплавления были исследованы зависимости изменения-ско­ ростей упругих воли от направления их распространения. Мате­ риал сварного шва, представленный в виде совокупности разориентированных кристаллитов, характеризуется упругими постоян­ ными гексагональной системы. Решение уравнения Кристоффеля для волн, распространяющихся в плоскости, проходящей через ось шестого порядка кристаллов гексагональной системы, дает значения скоростей трех волн [II]. Однако формулы расчета ско­ ростей квазнпродольной и квазипоперечной волн для инженерно­ го приложения довольно сложны. Используя координатную сис­ тему, привязанную к волновому вектору, получены достаточно простые выражения для определения скоростей продольной КДа) и вертикально-поляризованной поперечной Vv (а) волн в

трансверсально-изотропной среде.

Vr(a) = J c u -0 ,2 5 -Л [sin4 a + 2-sin2(2-a)] - U ,

				VP	(7.5)
Vy(a) =	44 •vf ■sin2(2 • a) •			,
			н С,ц -	VP
г д е a - у г о л п а д е н и я н а	к р и с т а л л и т ы ;	С’ц		у п р у г и е п о с т о я н н ы е м о н о к р и ­
с т а л л а а у с т е н и т а ; А = С11 +	Си - 2Cu ; р	-	п л о т н о с т ь .

Скорости волн, рассчитанные по полученным формулам, приведены на рис. 7.56. Для сравнения приведены графики, по­ лученные при решении уравнения Кристоффеля.

Vr, м / с

Vv, м / с

Р и с . 7 . 5 6 . З а в и с и м о с т и с к о р о с т е й п р о д о л ь н о й ( ? ) н п о п е р е ч н о й S V - в о л н ( б )

о т у г л а п а д е н и я н а к р и с т а л л и т ы ( г е к с а г о н а л ь н а я с и с т е м а ) : ----------------		р а с ч е т
п о ф о р м у л а м | П | ; --------------- р а с ч е т п о ф о р м у л а м ( 7 . 5 ) ; ............	- м н о г о с л о й н ы й
а у с т е н и т н ы й ш о в т и п а 1 8 - 1 2 п о д а н н ы м i n [ 1 0 4 ]

Результаты расчета и эксперимента изменения скоростей уп­ ругих волн показывают, что характер изменения скорости про­ дольной волны соответствует характеру изменения модуля Юнга

(см. рис. 7.51) и имеет максимум около 45°, а скорость попереч­ ной волны вертикальной поляризации при направлении падения

на кристаллиты 9 = 45° минимальна.

На рис. 7.57 показаны расчетные зависимости углов прелом­ ления упругих волн от углов падения на границу сплавления. Расчет выполнен путем совместного решения закона Снеллиуса и уравнений фазовой скорости (7.5). Из графиков видно, что при падении поперечной волны вертикальной поляризации на грани­

цу под углами 60...70° преломленных волн будет две. Угол паде­ ния на кристаллиты шва второй преломленной волны составляет

70... 90е, отклонение групповой скорости от фазовой до 30е [111], перенос энергии будет направлен в сторону основного металла и, Следовательно, волна будет соответствовать отраженной волне.

Отклонение направления распространения луча от волновой нормали и деформация пучка. В анизотропных материалах на­

правление распространения энергии не совпадает с направлением ультразвуковой волны. Это приводит к отклонению ультразвуко­ вого луча от волновой нормали. В направлении вектора Умова наблюдаются максимальные амплитуды смещений частиц в вол­ не, которые и регистрируются преобразователями (рис. 7.58).

Угол падения на границу, рад

Рис. 7.57. Зависимости углов преломления упругих волн от углов падения на границу сплавления