книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

подтвердила наличие технологических непроваров без надрывов или других следов трещин. Такая же картина часто наблюдается, когда после ремонта одного дефектного участка обнаруживаются недопустимые дефекты рядом, ранее не обнаруженные.

Рис. 8.25. Зависимость амплитуды отраженного сигнала А от окисленной (/) н неокисленной (2) трещ ины при изменении статической нагрузки Р |118)

Локальный нагрев ремонтируемых зон увеличивает раскры­ тие тонкого дефекта и увеличивает его отражательную способ­ ность. В работе [48] показано, что такой же эффект наблюдается для шлаков. После термообработки шлаки охрупчиваются, адге­ зия к металлу резко уменьшается, и эквивалентная площадь де­ фекта увеличивается. С учетом того, что при производстве биме­ таллических сосудов путем нанесения антикоррозионной наплав­ ки этот эффект носит массовый характер, были разработаны спе­ циальные производственные рекомендации о проведении ремон­ та только после 3-й термообработки.

8.3.5. Ориентация вектора поляризации волны

Поперечные волны, излучаемые наклонными ПЭП, практиче­ ски линейно поляризованы в плоскости падения (SVполяризация). Их коэффициент поляризации составляет 0,95...0,98 [102]. В зависимости от конструкции сварного соеди­ нения, типа акустической системы и ориентации плоскостного дефекта ориентация вектора поляризации относительно плоско-

стного дефекта 0 может быть различной. Амплитуда отраженного сигнала при прочих равных условиях зависит от угла падения фронта волны на дефект <рд и ориентации вектора поляризации (в случае поперечных волн) относительно дефекта.

Неортогональная ориентация плоскости, в которой лежит вектор поляризации относительно плоскости падения на отража­ тель (0), обусловливает изменение коэффициента трансформации поперечных волн в продольные, вращение плоскости поляриза­ ции и, как следствие, изменяет коэффициент отражения от дефек­ тов RM.

На рис. 8.26 представлены графики относительной амплиту­ ды, характеризующей коэффициенты отражения SV- и SH-волн от свободной поверхности дюралюминия и искусственных отра­ жателей. За опорный принимают сигнал, отраженный от свобод­ ной поверхности при <рд= 0. В области 3-го критического угла для SV-волн виден минимум [102].

Рис. 8.26. Зависимость от угла паденйя амплитуды отраженных SH-волн при их падении:

/ - на плоскость; 3 - полосу; 5 - плоскодонное отверстие; 7 - цилиндрическое отверстие (вектор поляризации параллелен образующей). Зависимость амплитуды отраженных SV-волн при падении SV-волн: 2 - на плоскость; 4 - полосу;

6 - плоскодонное отверстие; 8 - цилиндрическое отверстие (плоскость поляриза­ ции нормальна образующей)

На практике 0 = 0° реализуется при хордовом прозвучивании РС-ПЭП сварных соединений труб малого диаметра [44, $6], а 0 = 90° соответствует схеме контроля одним ПЭП.

Для произвольного значения 0 коэффициент отражения попе­ речной волны

Д i(9. Фд) = (sin2 9 + Rm °°s2 6)l/2

Практически этот вариант наблюдается при озвучивании сферических сосудов или применении акустических систем «тан­ дем» и «стредл», когда плоскости излучения и приема разведены

впространстве [84].

Вслучае реальных плоскостных дефектов со статистически шероховатой поверхностью аналитические выражения для про­

извольных 0 и фд отсутствуют. Автором исследована зависимость

. R, (0, фд) от шероховатости отражателя на специальных образцах

с различной шероховатостью с помощью преобразователя с пье­ зопластиной кварца Y-среза (/ = 2,0 МГц). Установлено, что ори­ ентация 0 вектора поляризации относительно поверхности отра­ жателя существенно влияет на R,. В частности, коэффициент об­

ратного (к ПЭП) отражения SH-волн в 1,7... 1,8 раза больше, чем SV-волн. Для зеркального же отражения ( А3) характерна обрат­

ная картина - коэффициент отражения SH-волн в 1,7...2,5 раза меньше, чем для SV-волн.

Коэффициенты вариации v( А3) < v( Ао6р), что свидетельст­

вует о меньшей погрешности измерения 8Э по А3 при одном

ПЭП; большая достоверность обнаружения и точность измерения 1$э трещин обеспечивается SH-волнами, а в случае применения

«тандема» - SV-волнами.

8.3.6. Качество акустического контакта

Чувствительность УЗ-дефектоскопа и степень ее стабильно­ сти на различных участках испытуемого изделия при заданных режимах контроля во многом определяются качеством акустиче­ ского контакта между ПЭП и изделием. В изделиях машино­ строительной продукции встречаются поверхности со следую­ щим типом неровностей.

1). Статистически шероховатая (изотропная или анизотроп­ ная) поверхность, образованная вследствие горячей обработки (прокат, штамповка, ковка) или после обработки абразивным ин­ струментом.

2). Регулярная шероховатость — детерминированная перио­ дическая, вызванная автоколебаниями, связанными с процессами

резания. Высота R. и период Smнеровностей меньше длины ультрзавуковой волны Л.. Параметры неровности Rz, Sm < X.

3). Композиционная шероховатость, представляющая собой регулярную основу с наложенной на нее случайной компонентой.

4). Периодические неровности, определенные геометрией из* делия. Например, арматурные стержни строительных конструк­ ций с периодическим прямоугольным профилем или резьбовая

часть крупноразмерных шпилек. Здесь A, S,„ > X.

Поскольку необходимость создания акустического контакта является одним из самых слабых мест УЗ-дефектоскопии, вопро­ сам влияния типа неровностей, их величины, геометрии, типа акустической связи на достоверность контроля посвящено гро­ мадное число теоретических и экспериментальных работ (см. напр., [1, 31, 34, 36, 45, 57, 59, 64, 68, 72, 75, 91, 93, 95, 96, 116, 119, 122]). Многие результаты этих исследований уже давно используются в НТД различного ранга. Анализ этих работ требу­ ет специального рассмотрения. Здесь же представляется возмож­ ным выделить лишь наиболее характерные обобщения.

Установлено, что для обеспечения выявления и правильной идентификации дефекта заданной величины требуется опреде­ ленный уровень качества подготовки поверхности, обусловлен­ ный скоростью сканирования, типом контактной смазки и т.д., снижать который нельзя без уменьшения достоверности контро­ ля. Чаще всего этому уровню на практике соответствует значение Rz 40 мкм. При увеличении толщины контактного слоя больше

указанных значений достоверность контроля существенно сни­ жается вследствие целого ряда физических эффектов. Наиболее характерны из них следующие.

При увеличении толщины контактного слоя чувствитель­ ность дефектоскопа в статике осциллирует. Размах осциллирую­ щей функции и ее длительность зависят от волновой толщины контактного слоя, угла падения, кривизны контактных поверхно­ стей изделия и ПЭП, коэффициента затухания в контактной жид­ кости, параметров шероховатости поверхности. В частности, для воды при р = 30...500 размах осцилляций доходит до 12...20 дБ, масла - до 6...9 дБ, резинового протектора и масла - до 6 дБ [105]. Для некоторых неудачных по конструкции прямых ПЭП эти осцилляции могут доходить до 40 дБ.

Размах амплитудных экстремумов тем больше, чем больше длительность переднего фронта зондирующего импульса, а ско-

рость убывания амплитуд с ростом толщины слоя тем сильнее, чем меньше длительность переднего фронта импульса. Для уменьшения осцилляций весьма перспективно использование жидкостного клина, угол которого в плоскости падения наклон­ ных ПЭП должен составлять 2° и больше. Это может быть реа­ лизовано при использовании в качестве контактной ферромаг­ нитной жидкости и пьезоэлектрического преобразователя с маг­ нитным удержанием ее [91].

Статистически неровной изотропной поверхности при высоте шероховатости И и пространственном периоде Sm, меньшем дли­ ны волны ультразвука X в контактном слое R, Sm « X, соответст­

вует расширение диаграммы направленности, уменьшение ам­ плитудного максимума.

Волнистая компонента профиля h, Sm » X приводит к более

существенной деформации диаграммы направленности, прецес­ сии акустической оси относительно номинального значения угла ввода а, что обусловливает значительные ошибки в измерении величины и координат дефекта. Например, если параметры вол­ нистости И= 0,5 мм, Sm = 60 мм, изменение Д а = 3,8°

Регулярные неровности (h, S,„ « Я.) вызывают появление ди­

фрагированных спектров, уменьшение амплитудного максимума и снижение помехоустойчивости. При высоте неровностей до 80 мкм потенциалы преломленной и отраженной от дефекта волн слабо (в пределах до 20...30 %) зависят от высоты неровностей и практически не зависят от их формы. Для h > 80 мкм указанные

потенциалы имеют существенные немонотонности, достигающие экстремумов, когда период неровностей кратен Х12. Наличие этих

экстремумов связано с явлением резонанса в слое толщиной, рав­ ной разности высот выступов и впадин, и с наличием боковых спектров в зондирующем импульсе. Длительность последнего увеличивается на 30...40 % для иммерсионного и на 100...200 % для контактного вариантов контроля [95].

Статистически шероховатая поверхность, имеющая значи­ тельную волнистость (период, который меньше 3...4 базовых размеров ПЭП), а также регулярная контактная поверхность представляют собой практически дифракционную решетку, на которой происходят существенная деформация диаграммы на­ правленности и появление в металле интенсивных боковых лепе­ стков (величиной до 30 % основного максимума). Как показано

Я.Ю. Самедовым, Л.В. Басацкой и автором [99], на шероховатой поверхности происходит также частичная трансформация вводи­ мых в металл продольных волн в поперечные, степень которой пропорциональна волновым размерам ПЭП и неровностей (рис. 8.27). Трансформированные поперечные волны эллиптиче­ ски поляризованы, причем ось эллипса ортогональна бороздкам на поверхности. Этот фактор также увеличивает осцилляции чув­ ствительности дефектоскопа.

Рис. 8.27. Коэффициент трансформации Ац Продольной волны о поперечную на регулярной шероховатой контактной поверхности:

7 - 1 , 3 М Г ц ; 2 - 2 , 3 ; 3 - 4 , 3 [ 9 9 ]

Увеличение параметров неровностей приводит к монотонно­ му уменьшению амплитуды и существенному увеличению дли­ тельности принимаемых сигналов. Так, например, при Rz 80 (V3) длительность сигнала возрастает на 10%, а при Rz 320 (V1) на

100.. .200%. «Мертвая зона» увеличивается в последнем случае на 200...200% в контактном варианте, а в иммерсионном - на 20.. .30 %.

Скорость УЗ-поверхностных волн на регулярной поверхности зависит от направления прозвучивания и существенно ниже при распространении звука поперек бороздок [99]. Эти явления пред­ ложено использовать для количественного измерения высоты неровностей.

Установлено [95], что для измерения скорости ультразвука с погрешностью, не превышающей 1 %, высота неровностей кон­ тактной поверхности не должна превышать 40 мкм, донной - 160 мкм; для измерения отношения сигнал/шум с погрешностью, не превышающей 6 %, высота неровностей контактной поверхно­ сти не должна превышать 20 мкм, донной - 240 мкм.

В работе [60] показано, что при наклонном прохождении ог­ раниченного пучка через контактный слой на криволинейной поверхности с периодическим профилем прошедший импульс представляет собой конечную сумму многократно отраженных от границ слоя импульсов. Каждый из импульсов имеет амплитуд­ ный коэффициент, зависящий от отношения диаметра пучка к толщине слоя, и тем меньше, чем больше число отражений. Ко­ эффициент прохождения убывает с ростом диаметра изделия в диапазоне 20...60 мм.

Чувствительность в статике (при неподвижном положении ПЭП)*существенно выше чувствительности в процессе сканиро­ вания. Поэтому прямой перенос ее числовых выражений, полу­ ченных в одних условиях, на другие некорректен (см. 4.2.4).

Стабильность динамического акустического контакта коли­ чественно оценивается вероятностью фиксации одиночного эхосигнала или их пачки заданной величины [91], дисперсией ам­ плитуды эхо-сигнала [64] и др.

Рис. 8.28. Изменение амплитуды прошедшего сигнала продольных волн А\lA-t в зависимости от глубины неровностей при/ = 1,8 М Гц:

1 - магний; 2 - алюминий; 3 - оргстекло

При грубой поверхности иммерсионный контроль обеспечива­ ет более высокую чувствительность и меньший размах осцилля­ ций. Хотя, как показано на рис. 8.28, также наблюдается осцилли­ рующая зависимость коэффициента прохождения А А 2 , где Л 2

поручено на образце с чистотой поверхности Rz 10 мкм [95], Уста-

новлено, что требования к чистоте обработки поверхности ввода увеличиваются с ростом скорости УЗ-колебаний в материале. М.П. Уральским определены критические значения высоты не­ ровностей, обеспечивающие заданную достоверность обнаруже­ ния: для бериллия - 0,07^., алюминия - 0,16А., магния - 0,24А,, оргстекла - 0,74А.. Изменения периода неровностей не оказывают существенного влияния на. величину амплитудного максимума, но в соответствии с выводами работы [57] приводят к появлению дифракционных спектров, угловое положение которых зависит от величины периода неровностей длины волны в металле и угла падения УЗ-колебаний.

8.3.7. Кривизна донной поверхности

Кривизна контактной поверхности является фактором, кото­ рый оператор может и должен учитывать при настройке дефекто­ скопа [53, 72]. Влияние же противоположной (донной) поверхно­ сти часто не учитывается или не может быть количественно уч­ тено. Это вызвано тем, что при любом сканировании оператор не может, а в большинстве случаев и не должен фиксировать ПЭП строго ортогонально оси шва. Всегда имеют место некоторые вариации азимутального угла.

При переотражении от внутренней стенки цилиндрического изделия (трубы, сосуда) характер деформации пучка и, следова­ тельно, амплитуда сигнала зависят от ориентации плоскости па­ дения относительно оси изделия, кривизны стенки, ее шерохова­ тости и наличия в изделии жидкой среды.

При сканировании вдоль образующей полого цилиндра (тру­ бы) внутренним диаметром Dy расширяется диаграмма направ­

ленности в плоскости, ортогональной плоскости падения, и ам­ плитуда отраженного сигнала меньше, чем при отражении от плоской поверхности. Для сухой гладкой внутренней поверхно­ сти это уменьшение коэффициента отражения R u^A JA ^ (в дБ)

определяется по графику рис. 8.29 или по аналитическому выра­ жению

Г-il/2

D,

, Dv

8г2(1н— —)

2г

где Sa- площадь пьезоэлемента; X - длина волны; г - путь УЗ-колебанир в металле.

Сканирование в радиальной плоскости приводит к деформа­ ции диаграммы направленности в плоскости падения. При этом расширяется пучок и изменяется ракурс озвучивания (см. 6.3.1).

Рис. 8.29. П оправка па потери чувствительности при контроле

отраж енны м лучем ш вов труб:

кривые 1- а = 40.. .50°; 2 —прямой ПЭП; 3 - «тандем»

Если угол падения поперечных волн на внутреннюю поверх­ ность меньше третьего критического, то эффект трансформации приводит к еще большему уменьшению коэффициента отражения.

При контроле сварных швов двумя ПЭП, плоскости излуче­ ния и приема которых развернуты под углом друг к другу, могут быть реализованы схемы прозвучивания, приведенные на рис. 8.30 [56,58].

В МГТУ имени Н.Э. Баумана найдены аналитические выра­ жения, подтвержденные экспериментально, связывающие поло­ жение амплитудных максимумов с координатами дефекта, излу­ чателя и приемника ПЭП и с угловыми величинами (углами па­ дения, ввода и разворота относительно образующей или оси из­ делия), и построены графики (рис. 8.31) [58, 80], на которых хо­ рошо прослеживается тенденция к увеличению разности углов между направлениями излучения и приема при уменьшении угла излучения и увеличении смещения £.

Рис. 8.30. Схемы прозвучивания сварны х соединений трубопроводов:

а - прямыми лучами; б - однократно отраженными; в - схема «дуэт»

Рис. 8 3 1 . Зависимость направления приема Дп от направления излучения Д* н положения точки отраж ения %-x/R для макснмумя сигналя:

-----------р асчет для осевого луча, то ч ки - эксперим ент [801

Из полученных данных следует, что при смещениях Е, < 0,08 при R = 20...500 мм коэффициент отражения практически не за­

висит от угла разворота излучателя Л относительно образующей цилиндра. Для смещения %> 0,08 коэффициенты отражения име­

ют экстремальные значения, как показано, например, на поляр­ ной диаграмме рис. 8.32 [80]. Неучет изменения амплитуды в зависимости от смещения £ может привести к ошибкам в измере-