44 Типы ультразвуковых волн

Колебания, возникнув в одной точке среды, за счет упругого взаимодействия частиц распространяются с некоторой скорость с. Процесс распространения колебаний в среде называют волновым. Линию, указывающую направление распространения волны, называют лучом, а границу, отделяющую колеблющиеся частицы от частиц среды, еще не начавших колебаться,— фронтом волны.

В зависимости от направления колебаний частиц относительно луча различают несколько типов волн. Если частицы среды колеблются вдоль луча, то в среде возникают и распространяются деформации сжатия — растяжения и волну называют продольной (рис. 13.1, а). Если колебания происходят перпендикулярно лучу, то возникает и распространяется деформация сдвига и такую волну называют поперечной, или сдвиговой. Рис. Б.

Для контроля сварных соединений в большинстве случаев используют поперечные волны. Продольные волны возникают во всех средах, поперечные – только в твёрдых средах, обладающих сдвиговой упругостью.

В чистом виде продольные и поперечные волны, которые называют объемными, существуют только в изделиях, размеры которых значительно больше поперечных размеров фронта плоской волны.

На свободных поверхностях твёрдых тел могут возникать поверхностные волны. Они являются комбинацией продольных и поперечных волн. В поверхностной волне колебания частиц среды происходят по эллиптической кривой, при этом большая ось эллипса перпендикулярна поверхности, применение этих волн эффективно для обнаружения поверхностных дефектов (царапин, трещин).

В зависимости от вида поверхности фронта волны различают плоские (нерасходящиеся), сферические и цилиндрические (расходящиеся) волны. Если внешняя сила, приложенная к неограниченной среде, изменяется гармонически, то вызванную ею волну называют гармонической, или синусоидальной.

45. УЛЬТРАЗВУК -упругие волны с частотами прибл. от (1,5-2)·10⁴ Гц (15-20 кГц) до 10⁹ Гц (1 ГГц); область частот упругих волн от 10 до 10¹²-10¹³ Гц принято называть гиперзвуком .По частоте У. удобно подразделять на 3 диапазона: У. низких частот (1,5·10⁴-10⁵ Гц), У. средних частот (10⁵-10⁷ Гц), область высоких частот У. (10⁷ - 10⁹ Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфич. особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

Свойства ультразвука и особенности ею распространения. По физ. природе У. представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн (так, длины волн У. высоких частот в воздухе составляют 3,4·10^-3-3,4·10^-5см, в воде-1,5·10^-2-1,5·10^-4см, в стали - 5·10^-2- 5·10^-4см) имеет место ряд особенностей распространения У.

Малая длина УЗ-волн позволяет в ряде случаев исследовать их распространение методами геометрической акустики. Это даёт возможность рассматривать отражение, преломление, а также фокусировку с помощью лучевой картины. 

Ввиду малой длины волны У. характер его распространения определяется в первую очередь молекулярной структурой среды, поэтому, измеряя скорость с и коэф. затухания а, можно судить о молекулярных свойствах вещества.Характерная особенность распространения У. в многоатомных газах и во MH. жидкостях-существование областей дисперсии звука, сопровождающейся сильным возрастанием его поглощения. Эти эффекты объясняются процессами релаксации. У. в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим.Жидкости и твёрдые тела (особенно монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники У., затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования У. средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только У. низких частот.

Др. особенность У.- возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, т. к. при данной амплитуде плотность потока энергии пропорц. квадрату частоты. УЗ-волны большой интенсивности сопровождаются рядом нелинейных эффектов. Так, для интенсивных плоских УЗ-волн при малом поглощении среды (особенно в жидкостях, твёрдых телах) синусоидальная у излучателя волна превращается по мере её распространения в слабую периодич. ударную волну (пилообразной формы); поглощение таких волн оказывается значительно больше (т. н. нелинейное поглощение), чем волн малой амплитуды. Распространению УЗ-волн в газах и жидкостях сопутствует движение среды, т. н. а к у с т и ч е с к о е т е ч е н и е, скорость к-рого зависит от вязкости среды, интенсивности У. и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет долю % от скорости У. К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится акустич. кавитация. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости и степени её чистоты, частоты звука, темп-ры и др. факторов; в водопроводной воде, содержащей пузырьки воздуха, на частоте 20 кГц она составляет доли Вт/см². На частотах диапазона У. средних частот в УЗ-поле с интенсивностью начиная с неск. Вт/см² могут возникнуть фонтанирование жидкости и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Акустич. кавитация широко применяется в технол. процессах; при этом пользуются У. низких частот.

46. Для анализа процесса распространения ультразвуковых коле­баний в контролируемых изделиях и соединениях используют три основных метода, различающихся один от другого по признаку обна­ружения дефекта: теневой, зеркально-теневой и эхо-метод (рис. 4.2). При теневом методе признаком обнаружения дефекта служит уменьшение интенсивности (амплитуды) прошедшей через изделие ультразвуковой волны от излучающего искателя к приемному. Искатели располагают на противоположных поверхностях изделия, что позволяет применять этот метод только при наличии двустороннего доступа к изделию.

При зеркально-теневом методе дефект обнаруживают по уменьшению интенсивности (амплитуды)отраженной от противоположной поверхности изделия ультразвуковой волны. П ротивоположную поверхность, зеркально отражающую ультразвук, называют донной поверхностью, а отраженный от неё импульс — донным импульсом. При эхо-методе признаком обнаружения дефекта является прием искателем эхо-импульса, отраженного от самого дефекта. Если о наличии дефекта судят по появлению эхо-импульса от дефекта и по уменьшению донного импульса, то это значит, что контроль ведут одновременно по двум методам: эхо-методу и зеркально-теневому; такое сочетание методов при контроле сварных соединений для краткости называют эхо-теневым методом.При любом методе контроля возможно использование двух искателей, один из которых выполняет функции излучения (И), а другой-приема (П). Такая схема включения искателей называется раздельной. В то же время при импульсном излучении для зеркально-теневого и эхо-методов возможно применение одного искателя (ИП), включенного по совмещенной схеме, при котором один и тот же искатель выполняет функции излучения зондирующих импульсов и приема эхо-сигналов.

47. Координаты дефекта при знании технологии сварки контролируемых соединений и особенно при наличии статистических данных о распределении дефектов различного вида по сечению шва позволяют с определенной вероятностью предполагать вид (характер) выявленного дефекта. Кроме того, координаты дефекта необходимы для ремонта забракованного участка.

При контроле изделий прямым искателем измерению подлежит лишь глубина Н расположения отражающей поверхности , где t-время прохождения ультразвукового импульса от поверхности, на которой установлен искатель, до дефекта и обратно.

О пределение координат залегания отражающей поверхности (глубины Н и расстояния L от центра излучения искателя) при прозвучивании наклонным искателем основывается на измерении времени t, проходимого импульсом в металле, и последующем пересчете этой величины в координаты Н и L по известному углу ввода луча α {альфа}.

где Т - интервал времени между моментом излучения зондирующего и моментом приема отраженного импульса; время прохождения ультразвука через призму искателя.

48 Для возбуждения и приема ультрозвуковых колебаний используют Эл. акустические преобразователи: прямые и наклонные. По конструкции совмещенные(1-н пьезоэлемент служит излучателем и приемником) и раздельно-совмещенные(2 элемента в 1-м корпусе).

Пьезопластины изготавливают из керамики.

Поверхности пьезоэл-та металлизированы и являются электродами.

В раздельно-совмещенных преобразователях пьезопластину приклеивают к акустической задержке- призме, изготовляемой из оргстекла. Призма необходима для падения продольных волн под углом к поверхности изделия.

Недостатком является необходимость создания жидкоснгого акустического контакта между преобразователем и контролируемым изделием. Контактом служит вода, масло, суспензии.

49 Бесконтактные методы возбуждения ультрозвуковых волн расширяют возможности контроля при больших скоростях, температурах, вибрациях, когда по задонной технологии применение контактных жидкостей недопустимо. Наиболее эффективны для этой цели электромагнитно-аккустические преобразователи(ЭМА), возбуждающие продольные или поперечные волны. Состоит из плоской катушки, расположенной параллельно поверхности с небольшим зазором и мощного электромагнита, при пропускании переменного высокочастотного тока возникает электродинамическая сила определяющая смещение частиц среды.

ЭМА-преобразователи успешно используют для толщинометрии и дефектоскапии листа и рельсов. Для контроля сварных швов их чувствительность мала.

50. Тест-образцы, эталоны и координатные линейки входят в комплект аппаратуры для контроля сварных соединений и предназначены для настройки приборов, выбора параметров прозвучивания и определения месторасположения выявленных дефектов. Тест-образцы представляют собой образцы сварных соединений, в которых выполнены искусственные отражатели. Тест-образцы могут быть изготовлены и из основного металла при условии, что его акустические свойства близки к акустическим свойствам металла шва. Как правило, качество поверхности тест-образцов должно соответствовать качеству поверхности основного металла соединений, подлежащих контролю. В ряде случаев тест-образцы подвергают механической обработке. Чистота обработки тест-образцов, предназначаемых для работы с наклонными искателями, должна соответствовать классу . При такой поверхности, когда на ней видны следы скоростной чистовой обработки, величина усилия прижатия наклонного искателя к образцу в меньшей степени влияет на коэффициент прозрачности призма—металл, т. е. на результаты исследований, чем при обработке по классу и выше.

В отличие от тест-образцов эталоны изготовляют из материала со строго регламентированными свойствами и по чертежам, утвержденным отраслевыми или государственными стандартами. В Советском Союзе в соответствии с ГОСТ 14784—69 применяют комплект из трех эталонов, предназначаемых для измерения основных параметров контроля.

Координатные линейки, по конструкции напоминающие логарифмические, применяют тогда, когда шкалы глубиномера не проградуированы в координатах Н и L для искателя с используемым углом ввода луча. Универсальные координатные линейки позволяют выбирать тип искателя и пределы его перемещения для контроля соединений заданного типоразмера и определять координаты выявленных дефектов, если известно время между зондирующим импульсом и эхо-сигналом от дефекта.

К вспомогательным приспособлениям, необходимым при контроле сварных соединений, относятся: шабер, металлическая щетка и ветошь для очистки поверхности от грязи и брызг металла; метр для измерения параметров шва и координат выявленных дефектов; мел для отметки дефектных участков; карандаш и бумага для регистрации результатов контроля; приспособления для перемещения искателя в заданных пределах (держатель или магнитная линейка).

51. Задача капиллярной (пенетрационной) дефектоскопии заключается в обнаружении поверхностных дефектов при использовании средств, позволяющих изменить светоотдачу дефектных участков. Тем самым искусственно изменяют контрастность дефектного и неповрежденного мест. Методы капиллярной дефектоскопии используют главным образом для контроля соединений из жаропрочных неферромагнитных сплавов, а также неметаллических материалов, применяемых при изготовлении деталей энергетического, транспортного и специального машиностроения, керамических и металлокерамических деталей радиоэлектронных устройств.

Капиллярная дефектоскопия базируется в основном на следующих явлениях: капиллярном проникновении, сорбции и диффузии, световом и цветовом контрастах. Заполнение дефектных полостей, открытых с поверхности, специальными свето- и цветоконтрастными индикаторными веществами — первый этап капиллярной дефектоскопии. Микроскопическое сечение и макроскопическая протяженность поверхностных дефектов уподобляют их капиллярным сосудам, обладающим своеобразной особенностью всасывать смачивающие их жидкости под действием капиллярных сил.

В качестве жидкостей-пенетрантов, смачивающих полости дефектов, используют растворы органических люминифоров и красителей в смесях с необходимыми добавками. Избыток окрашенных жидкостей удаляют с помощью специализированных очищающих составов различными способами. После этого при освещении детали ультрафиолетовым светом можно четко выявить поверхностный дефект по яркому свечению следов заполняющего его люминесцирующего раствора (люминесцентный метод).

Для красителей, не обладающих способностью люминесцировать, характерно избирательное отражение части видимого спектра. Освещение детали с дефектом, заполненным красителем, позволяет выявить дефект также косвенно по наличию цветной полосы в зоне дефекта (цветной метод).

Для надежного отыскания дефекта следует возможно большее количество люминофора или красителя извлечь из микрополости дефекта на поверхность. В этом состоит второй этап контроля -проявление. Эффект регистрации дефектов усиливается при помощи средств, способствующих наиболее полному проявлению индикаторного вещества (люминесцирующего или цветного), в связи с чем такие средства называют проявляющими. Извлечение и локализация индикаторных веществ у кромок дефекта достигаются диффузионными и сорбционными силами проявителей.

По свето-колористическим особенностям индикаторных следов дефектов различают три метода капиллярной дефектоскопии, люми несцентный (Л), цветной (Ц), люминесцентно-цветной (Л—Ц).

По принципам образования индикаторных следов дефектов в методах капиллярной дефектоскопии различают три способа проявления.

1. Сорбционный — мокрый и сухой.

2. Растворяющий (диффузионный) с использованием пигментированного или бесцветного лака.

3. Без проявления: а) беспорошковый, б) самопроявляющий.

Люминесцентный метод. Развивается в трех вариантах проявления: сорбционном, диффузионном и без проявления.

Сорбционный вариант люминесцентного метода — старый и наиболее распространенный (но не наиболее эффективный). На деталь, очищенную от излишков индикаторной жидкости и следов очищающего состава, наносят сорбент в виде порошка («сухой» способ) или в виде суспензии порошкообразного сорбента в жидкости («мокрый» способ). Сорбент выдерживают на контролируемой поверхности заданное время для извлечения следов индикаторного раствора, сохранившегося в дефектах. Время проявления для случая сухого сорбента отсчитывают от момента нанесения, а для случая мокрого сорбента — от момента испарения дисперсионной (жидкой) среды.

Затем контролируемую поверхность осматривают при облучении ультрафиолетовым светом. Люминесценция индикаторного раствора, поглощенного сорбентом, дает четкую и контрастную картину расположения дефектов. Сорбционный вариант метода повышает чувствительность контроля не только за счет свечения участка дефектной поверхности, но и за счет искусственного «расширения» устья дефекта в результате скопления массы частиц сорбента. Это приводит к образованию люминесцирующей индикаторной полосы значительно большей ширины, чем истинная ширина дефекта у поверхности.

Растворяющий или диффузионный способ проявления использует диффузию люминесцирующего раствора в слой специального лакового покрытия, не обладающего собственной люминесценцией. Этот способ люминесцентной дефектоскопии обеспечивает наибольшую чувствительность к мельчайшим дефектам.

Люминесцентный метод без проявления м.б. в беспорошковом (погружение в раствор органических кристаллов люминофора в летучем растворителе!) и самопроявляющемся (вместо пропитки нагревают, жидкость выходит на пов-сть дефекта и затвердевает, потом светится в УФ-свете) вариантах.

Цветной метод. В кач-ве проявителей применяют порошкообразные сорбенты и белые проявляющиеся лаки.

Люминесценто-цветной представляет собой сочетание люминесцентного и цветного в диффузионном варианте.

52. При капиллярном методе используют комплекты материалов, включающие в полном наборе или частично индикаторный пенетрант, очиститель, гаситель, проявитель.

Индикаторные пенетранты разделяют: по признаку состояния — на растворы и суспензии; по признаку колористических свойств — на цветные и ахроматические, люминесцентные и люминесцентно-цветные; по технологическому признаку — на удаляемые растворением органическими растворителями (группа 1), на водосмываемые (группа 2), на водосмываемые после воздействия очистителя (группа 3).

Очиститель — состав, предназначенный для удаления индикаторного пенетранта с поверхности объекта самостоятельно или в паре с растворителем.

Гаситель — состав, предназначенный для гашения видимой люминесценции остатков соответствующих индикаторных пенетрантов на контролируемой поверхности.

Проявитель — состав, предназначенный для извлечения из полости дефекта индикаторного пенетранта с целью образования индикаторного следа и создания фона, облегчающего визуальное восприятие изображения дефектов.

Подробные рецепты материалов здесь не приведены, так как они даны в производственных инструкциях.

Из стационарных дефектоскопов рекомендуются для использования малый дефектоскоп ЛД-4 и большой дефектоскоп ЛДА-3. В качестве переносного комплекта для цветной (красочной) дефектоскопии — набор ДМК-4.

53. Важнейшим эксплуатационным требованием для сварных соединений замкнутых объемов, сосудов и других изделий является сохранение непроницаемости или герметичности.

Герметичность — это способность сварного соединения сохранять в рабочих условиях начальное количество содержащегося в изделии вещества. Степень герметичности обычно измеряют величиной течи (утечки) в единицу времени. Наиболее распространенная причина потери герметичности сварных соединений — сквозные дефекты. Они обычно имеют вид поровых каналов, трещин, непроваров и других пороков. По своему происхождению эти дефекты мгут быть первичными и вторичными. Ко вторичным относятся холодные и усталостные трещины, сквозные поры и свищи, образованные под действием агрессивной среды, вибрационной нагрузки и т. п. Обнаружение вторичных дефектов затруднено тем, что при контроле в процессе производства они не выявляются.

Характер движения жидкости или газа через течи зависит от размеров течи, состава среды и перепада давления. Он может быть вязкостным, молекулярно-вязкостным и молекулярным. Каждый из этих режимов течения описывается своими расчетными зависимостями.

Кроме перечисленных видов возможны также диффузионные течи, появление которых обычно связано с дефектами структуры металла (рыхлость и т. п.). Например, при сварке изделий из сплава АМг-6 в околошовной зоне вследствие высокого градиента температур происходит частичное локальное изменение структуры. Это изменение приводит к появлению диффузионных течей типа межкристаллитной коррозии.

В зависимости от конкретных условий эксплуатации и рабочей среды потеря работоспособности может наступить не из-за разрушения, а вследствие чрезмерной течи в соединениях. С учетом этих условий следует выбирать рабочее тело для испытаний на герметичность— газ или жидкость.

Выбор метода контроля течеисканием зависит от класса герметичности, устанавливаемого проектантами. В некоторых отраслях принято три или пять таких классов. Наиболее жесткие требования существуют сейчас в атомной энергетике, где для ответственных соединений допустимая утечка не должна превышать 10~⁷—10~⁸ л мкм/о или до 4-10-⁴ см³ ат/год. Такую чувствительность контроля обеспечивают современные гелиевые течеискатели ПТИ-6, ПТИ-7. Другие методы течеискания дают меньшую чувствительность, но соответственно выбирают и области их применения.

54. Эти испытания обычно проводят с целью проверки как плотности, так и прочности сварных швов. Они менее опасны, чем пневматические испытания, так как жидкость мало сжимаема и течь ведет сразу к падению давления без взрыва. Способ гидравлических испытаний, время выдержки, величина необходимого давления и допустимые утечки устанавливаются ТУ на данное изделие.

Испытания проводят с полным или частичным заливом водой, с полным заливом и дополнительным давлением от напорной трубки, с полным заливом и созданием давления около 1,5—2 от рабочего (и более). Изделие выдерживают требуемое время, затем обстукивают молотком и осматривают. Течи выявляются в виде струек и потений.

Открытые сосуды и корпуса можно испытывать, обливая их струей воды из брандспойта с достаточным давлением. При этом обнаруживаются неплотности диаметром около 10~³ мм. Чувствительность около 2000 см³-ат/год.

Для повышения чувствительности контроля используют водные растворы, обладающие повышенной проникающей способностью, а также растворы с радиоактивными добавками. В последнем случае радиационные индикаторы позволяют выявить мелкие течи.