книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

m

П2

2

Рис. 7.58. Отклонение лучей от волновой нормали:

п- волновой вектор; Л - вектор Умова (луч); Д*- угол между лучом н волновой нормалью; <р - угол между волновым вектором и осью кристаллита

В работе [III] на основе анализа направлений переноса энер­ гии волн получены соотношения, связывающие отклонение лучей с упругими постоянными монокристалла аустенита и направле­ нием волнового вектора:

y4sin20^cos2 0-O.75sin2 0)

(0) = arctg^

2Си - y4(cos4 0 + 2sin2 0)/2

sin 20(sin2 0 -0 .7 5 cos2 ©J

Ду(0) = arctg

[2C44+7^sin220)/8]

(7.6)

Asm2Q

A/i(0) = arctg

8C44 +2As\n2Q,

где 0 - угол между волновым вектором и осью кристаллита; См и С« - упругие постоянные монокристалла аустенита; Л = Си + Сп - 2 С«; индексы г, v и А отно­ сятся к продольной, вертикально-поляризованной и горизонтально-поляризо­ ванной поперечным волнам соответственно.

Расчеты углов Д* представлены на рис 7.59. Видно, что наи­ большее отклонение волнового вектора от направления переноса

энергии (до 33°) наблюдается у вертикально-поляризованной

поперечной волны при углах падения на кристаллиты 30е и 60*

Максимальное отклонение продольной волны - 10° горизо»

тально-поляризованной поперечной волны - 12е Углы Ак могут

быть как положительными, так и отрицательными. При положи­ тельном значении угла Дивектор Умова (луч) отклоняется от вол­ нового вектора в сторону уменьшения угла с осью кристаллита.

Рис. 7.59. О тклонение акустической оси от волновой нормали в металле аустенитного сварного ш ва в зависимости от направления падения

на кристаллит

Отклонение луча от волновой нормали приводит к деформа­ ции звукового пучка. В результате при прохождении сварного шва может наблюдаться фокусировка и расфокусировка звуково­ го пучка. Наиболее сильно это проявляется при прохождении поперечной волны с вертикальной поляризацией (рис. 7.60).

Рис. 7.60. Прохождение ультразвуковы х пучков волн SV-типа через модель аустенитного сварного ш ва [IV]

Нашими исследованиями не подтвердилась гипотеза о волноводном характере распространения улругих волн в металле ау­ стенитного шва [104]. Имеется искривление лучей (аномальное

распространение ультразвука) как в поперечном сечении шва (см. рис. 7.58), так и вдоль продольной оси шва (рис. 7.61).

Рис. 7.61. Зависимость отклонения Л* центрального луча от прямолинейного распространения вдоль продольной оси шва от толщины сварного соединения:

/ - дефект; 2 - ПЭП в положении, соответствующем максимуму амплитуды эхо-сигнала от дефекта; Т- поперечная волна; L- продольная волна

Эти эффекты необходимо учитывать при проведении ультра­ звукового контроля аустенитных сварных швов. Игнорирование аномального распространения ультразвука может привести к ошибкам в определении координат дефектов и их размеров.

Образование помех. Рассеяние ультразвуковых волн в аусте­

нитном сварном соединении, помимо ослабления интенсивности полезного сигнала, приводит к возникновению структурных по­ мех, затрудняющих проведение ультразвукового контроля. При отношении интенсивностей полезного сигнала и шума менее 1,5...2 обнаружение дефекта крайне затруднено. В результате достоверность контроля снижается. Используя выражения рассе­ янных полей, мы получили зависимость интенсивности струк­ турных помех /шот полярного угла у между направлением излу­ чения ультразвуковой волны и направлением наблюдения:

'ш (У )/С “ = cos2 у.

(7.7)

Зависимость выведена применительно к задачам ультразву­ ковой дефектоскопии сварных швов, когда излучающий и прием­ ный преобразователи находятся с одной стороны изделия в одной точке (совмещенная схема) или в близко расположенных точках

(раздельно-совмещенная схема). Углы ввода излучателя и прием­ ника одинаковы. Выражение справедливо для любого типа пло­ ских упругих волн. Анализ (7.7) показывает, что интенсивность структурных помех максимальна при у = 0 (обратное рассеяние) и

7 = 180“ При углах наблюдения 70... 110° с направлением излу­ чения наблюдается минимум интенсивности структурных помех (значение / ш(у )/1™™ не превышает 0,1).

7.5.2. Обоснование методики ультразвукового контроля

Все ранее сказанное приводит к заключению о целесообраз­ ности применения продольных волн для контроля аустенитных сварных швов. Так, проведенные нами исследования [2, 104] по оценке помехоустойчивости УЗ-контроля сварных швов из стали

12Х18Н10Т толщиной 20...50 мм при показали, что от­

ношение полезный сигнал/помеха при использовании совмещен­ ных преобразователей для продольных волн составляло в сред­ нем 12 дБ, Для наклонных РС-ПЭП в случае использования про­ дольных волн отношение сигнал/помеха составляло 18...20 дБ, в случае использования поперечных волн - от 6 до 20 дБ. Углы

ввода изменялись от 40 до 68е, углы между направлением излу­ чения и приема (угол разворота) - от 20 до 60° Максимальные значения отношения сигнал/помеха для поперечных волн наблю­ дались для вполне конкретных значений углов ввода а и углов

разворота А. Минимум имеет место при а = 64°, Д = 20° Для увеличения значения отношения полезный сигнал/помеха реко­ мендуют вводить продольные волны так, чтобы волновой вектор

составлял с осью кристаллита угол		ф = 45°. Действительно, в
этом направлении угол Д* = 0	и при	20“ < ф < 60“	наблюдается
фокусировка УЗ-пучка [113].	При изменении угла		ф от 30 до

60° изменение скорости продольных волн не превышает 5 % их максимального значения при ф = 45° Следовательно, высокое значение отношения сигнал/помеха отмечается не только при

Ф = 45°,.но и в широком диапазоне углов падения продольной

волны на кристаллиты.

Анализ литературных источников и результаты, полученные в МГТУ им. Н.Э. Баумана, показывают, что для УЗ-контроля ау­ стенитных швов целесообразно использовать наклонные раз­ дельно-совмещенные преобразователи (РСП). При контроле про­ дольными волнами параметры РСП следует выбирать исходя из обеспечения равномерности чувствительности по толщине шва.

При этом углы ввода необходимо изменять от 40° до 70° при

изменении углов разворота от 20° до 60° Углом разворота мы называем проекцию угла между направлением излучения и прие­ ма на горизонтальную плоскость. Для того чтобы ввести в металл наклонный пучок продольных волн, применяют призмы с углами, меньшими 1-го критического. В результате в металле будут од­ новременно присутствовать и продольные и поперечные волны. При контроле швов толщиной свыше 20 мм сигналы поперечных волн практически не мешают селекции полезных сигналов от дефектов, выявленных продольными волнами. При контроле швов толщиной менее 20 мм источником сигналов помех явля­ ются не только структурно-реверберационные помехи, но и по­ мехи, возникающие вследствие отражения и трансформации по­ перечных и продольных волн на донной поверхности, на валике усиления шва, на линии сплавления. Причем уровень последних существенно выше уровня структурных помех. Поэтому с целью уменьшения уровня помех в металл необходимо вводить только лишь один тип волны. Это возможно, если контроль проводится на чисто поперечных волнах.

При использовании горизонтально-поляризованных (SH) от­ носительно поверхности контролируемого изделия волн можно добиться минимального уровня структурных помех. Но ввести в

изделие SH-волну технически достаточно сложно. На практике обычно имеют дело с поперечными волнами SV-типа. Для этого типа волн максимальное отношение сигнал/помеха наблюдается при углах волнового вектора с осями кристаллитов, близкими к

45° Действительно (см. рис. 7.56), при изменении угла ф от 38°

до 52° изменение скорости SV-волн не превышает 5 % их макси­

мального значения. Угол Д*(см. рис. 7.59) при этом близок к ну­ лю, а диапазон углов ф лежит в интервале 5... 10° Проведенные

нами эксперименты подтвердили вышесказанное предположение и показали, что высокая помехоустойчивость (до отношения сиг­ нал/помеха ~ 20 дБ) обеспечивается в достаточно узком диапазо-

не углов ввода и разворота, когда направление излучения и прие­

ма составляет с осями кристаллитов угол ср, близкий к 45°

Для однопроходных сварных швов из сталей типа 18-8 тол­ щиной 6...20 мм получено аналитическое выражение, связываю­ щее режимы сварки и параметры наклонных РС-ПЭП [104]:

tg2a(sin2 А + cos2 Acos 2у)+ 2tg a cos Asin 2y - 2 cos у = 0, (7.8)

где a - угол ввода; 2Д - угол разворота; у - функция, зависящая от режимов сварки.

Функция у определяет наклон кристаллитов, обусловленный условиями сварки. Зависимость позволяет выбирать углы ввода и разворота РСП на поперечные волны при условии, что направле­

ние излучения и ввода составляет с осью кристаллитов угол 45° Таким образом, можно констатировать, что У3-контроль ау­

стенитных швов толщиной менее 20 мм целесообразно проводить наклонными РС-ПЭП на поперечные волны, швов толщиной бо­ лее 20 мм (до 50...60 мм) - наклонными РС-ПЭП на продольные волны.

Методика контроля наклонными РС-ПЭП практически мало отличается от традиционной методики с использованием совме­ щенных ПЭП. Для настройки чувствительности, установки рабо­ чей зоны развертки, настройки глубиномера следует применять СОП обязательно со сварными швами, по своим акустическим свойствам, шероховатости поверхности, толщине и форме шва, ширине усиления шва практически тождественные штатным сварным соединениям. В качестве контрольных отражателей применены боковые отверстия и вертикальное сверление, выпол­ ненные в металле сварного шва (рис. 7.62).

Контроль продольными волнами следует проводить прямым лучом по возможности с четырех сторон. Контроль поперечными волнами можно проводить прямым и однократно отраженным лучами с двух сторон. Учитывая анизотропию акустических свойств металла швов, настройку чувствительности следует про­ водить так: при контроле с двух (четырех) сторон определить значения амплитуд эхо-сигналов от боковых отверстий с каждой стороны и минимальное из них принять за браковочную. На­ стройку глубиномера и установку рабочей зоны экрана ЭЛТ так­ же следует производить по боковым отверстиям с каждой сторо­ ны шва. Для того чтобы исключить возможные ошибки при оп­ ределении положения дефекта в направлении продольной оси шва в СОП предусмотрены вертикальные отверстия. Определе­

ние поправки LA (см. рис. 7.62) проводят, перемещая ПЭП так,

чтобы получить максимальную амплитуду эхо-сигнала от верти­ кального отверстия. Если максимум эхо-сигнала соответствует положению, при котором ось ПЭП находится напротив оси свер­ ления, то поправку вводить не требуется. Если максимум эхосигнала соответствует положению, в котором ось ПЭП не пересе­ кает ось сверления, то при определении местоположения дефекта следует вводить поправку, значение которой равно расстоянию между осью ПЭП и осью сверления. Поправка берется со знаком «+», если ПЭП смещен относительно сверления в направлении сварки, или со знаком «-», если ПЭП смещен в противополож­ ную сторону.

Рис. 7.62. СОП для настройки чувствительности и скорости развертки:

/ - 5 - п о л о ж е н и я П Э П п р и н а с т р о й к е ч у в с т в и т е л ь н о с т и и с к о р о с т и р а з в е р т к и ;

Ую - условный угол ввода РСН-ПЭП

При определении координат дефектов желательно сопостав­ лять результаты, полученные при контроле с разных сторон шва на штатном изделии и на образце.

Опробование разработанной совместно с ЦНИИ «Прометей» методики УЗ-контроля в производственных условиях показало, что достоверность обнаружения плоскостных дефектов составля­ ет 98 %, а объемных 90 %.

7.6.Контроль сварных соединений

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ И СТРУКТУРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

7.6.1. Обоснование методики УЗ-контроля сварных стыков арматуры

Сварные стыки арматуры железобетонных конструкций изго­ товляют в основном двумя способами: I) ванной сваркой в съем­ ных инвентарных формах; 2) ванно-шовной сваркой с остающи­ мися стальными накладками.

При разработке способа УЗ-контроля стыков арматуры наи­ большие трудности были связаны с наличием неровностей пе­ риодического профиля, которые являются источниками ложных помех и существенным образом приводят к потере энергии на границе искатель - изделие. При применении обычных наклон­ ных совмещенных и РС-ПЭП трудно селектировать сигналы от дефектов, которые по своей величине и времени прихода соизме­ римы с помехой. Кроме того, в этом случае плоскостные дефек­ ты, ориентированные перпендикулярно к оси стержня, не выяв­ ляются вследствие зеркального отражения падающей на них УЗволны. В случае с прямым РС-ПЭП происходит огибание УЗволной указанных выше дефектов, следствием чего является их пропуск.

Принципиально возможно применение двух способов кон­ троля: а) теневого - для соединений, выполненных ванной свар­ кой (рис. 7.63а и б) зеркально-теневого - для соединений, выпол­ ненных ванно-шовной сваркой (рис. 7.636). Необходимость при­ менения второго способа контроля вызвана сложностью прозвучивания всего сечения шва из-за ограниченного накладками дос­ тупа для перемещения системы ПЭП вдоль оси стержня, а также низкой выявляемостью теневым способом дефектов в нижней части шва, характерных для подобных соединений. Следует ого­ вориться, что применение существующих теорий акустического тракта для обоснования и выбора оптимальных параметров кон­ троля исследуемых конструкций представляет значительные трудности, поэтому обоснование параметров выполнено в основ­ ном экспериментально-расчетным путем.

б	б
Рис. 7.63. Контроль стыков арматуры:	Рис. 7.64. Расчет размера
а - теневым методом; б - зеркально-	пьезоэлемеита (а) и частоты (б)
теневым	при падении плоской волны
	на профиль

В первую очередь исследовалось прохождение УЗ-волн через профиль. Полагаем, что на решетку с периодическими выступами и впадинами падает плоская волна под некоторым углом (3 (рис. 7.64). Лучи, падающие на впадину и выступ, входят в стер­

жень с определенной разностью хода Д г, равной Дг = Ав sin в,

где Иъ - высота выступа; 9 = 90° - р. Разность хода лучей опре­

деляет и разность хода фаз:
Дф = (2яД )Д г = (2я/А.)Лв5 т 9 .	(7.9)

При Дф = п произойдет гашение части лучей, следовательно, для полного прохождения лучей должно быть Дф < п , а это возмож­

но при X >Ав sin 0 .
После преобразования получим
/ = С2/Авcosp.	(7.10)

Это выражение для выбора частоты УЗ-контроля стержней арматуры достаточно хорошо согласуется с результатами экспе­ риментов.

Вследствие шероховатости поверхности нестабильность аку­

стического контакта на частоте 1,8 МГц составляет 3...4 дБ и

несколько больше при 2,5 МГц (4...6 дБ).

Принимая во внимание, что периодический профиль пред­ ставляет собой акустическую решетку, пропускающую звук только через впадины профиля, для обеспечения ввода в стер­ жень постоянного количества энергии, не зависящего от ПЭП на профиле, размер пьезоэлемента 2а излучателя и приемника дол­

жен быть связан с шагом		профиля t соотношением (см.
рис. 7.63):
	a> /co sP .		(7.11)
Ослабление сигнала при вводе в стержень, согласно лучевым
приближениям, составляет
	Pl/Pl>= [l-{ 2 R ,-b .)]/t,		(7.12)
где t , Rh, bB -	параметры профиля. Например, для стержня диа­
метром 40 мм	P\/PQ =0,25;	А А = 12 дБ. При приеме	картина

будет, очевидно, аналогичная. Поэтому общее ослабление сигна­ ла, прошедшего через стержень периодического профиля, по сравнению с гладким стержнем, составит 24 дБ. Эксперимен­ тальная проверка полученных соотношений была выполнена на образцах диаметром 40 мм из одного и того же материала. Пер­

вый выполнен гладким, второй - профиль с одной стороны стержня, третий - натурный образец из арматуры. На каждом

образце были сняты серии замеров (рис. 7.65) при перемещении системы ПЭП вдоль стержня так, чтобы точки ввода оказывались на разных участках профиля. Из графиков видно:

а) изменение положения ПЭП с размерами пьезоэлемента

2а = 18 мм относительно профиля не приводит к изменению ам­

плитуды сигнала. Разброс показателей носит чисто случайный характер;

б) суммарное ослабление амплитуды сигнала при прохожде­

нии УЗ-волны от излучателя к приемнику составляет 20 дБ. По­ лученные значения ниже расчетных, потому что (7.12) не учиты­ вает потери в призме и в контактном слое. Аналогичные исследо­ вания были проведены для зеркально-теневого способа (рис. 7.66). Суммарное ослабление сигнала составило 30 дБ.