Особенности распространения ультразвуковых волн.

Волновое поле ультразвукового излучателя разделяют на две зоны:

1) Ближняя зону (зона Френеля) - поле сильно неоднородно с наличием максимумов и минимумов интенсивности акустических колебаний, обусловленных явлениями интерференции. Имеет длину порядка нескольких сотен длин волн.

2) Дальняя зона (зона Фраунгофера) – поле однородно. Эта зона используется в ультразвуковом контроле.

Рис. Акустическое поле пьезопластины.

1 - ближняя зона (зона Френеля); 2 - дальняя зона (зона Фраунгофера)

где l - длина волны.

Распространение в твердых телах одновременно продольных и поперечных волн усложняет регистрацию отраженных от дефектов акустических волн. Поэтому необходимо использовать либо продольные, либо поперечные волны.

Как тут быть? Берут источник акустических волн и прикладывают его к материалу. Так как материал имеет неровную поверхность, то между источником и материалом будет прослойка воздуха. Это приведет к значительному отражению, и акустические волны практически не будут проникать в материал. Поэтому применяют жидкую масляную прослойку. В жидкостях и газах распространяются только продольные колебания. Таким образом мы выделили только продольную волну и обеспечили хороший акустический контакт.

Рис. Отражение и преломление продольной или поперечной волны

на границе раздела двух фаз.

I, II – 1 и 2 фаза соответственно; 1 – падающая продольная или поперечная волна;

2 – отраженная продольная волна; 3 – отраженная поперечная волна;

4 – прошедшая продольная волна; 5 – прошедшая поперечная волна

Рассмотрим, возможно, ли выделить в твердом теле только поперечную волну.

Различают два случая прохождения упругих волн через границу сред:

1) Перпендикулярное падение продольной или поперечной волны на поверхность границы раздела сред. Отраженные и прошедшие волны не преломляются (угол падения равен углу отражения и углу прохождения).

2) Падение продольной или поперечной волны под углом к поверхности границы раздела сред. Отраженные и прошедшие волны преломляются (угол падения не равен углу отражения и углу прохождения) и трансформируются (переходят в другой вид – продольная в поперечную, поперечная в продольную). Вместо одной продольной или поперечной волны появляются и продольная и поперечная волны, направленные под разными углами к падающей волне и друг к другу. По мере увеличения угла падения b происходят следующие явления:

- При углах меньших первого критического угла b_кр1 – из падающей продольной волны возникают отраженные продольная и поперечная волны и прошедшие продольная и поперечная волны.

- При углах больших первого критического угла b_кр1 и меньших второго критического угла b_кр2 – из падающей продольной волны возникают отраженные продольная и поперечная волны и прошедшие только поперечная волна (продольная волна полностью трансформируется в поперечную). Продольная прошедшая волна скользит по поверхности границы раздела сред.

- При углах больших второго критического угла b_кр2 и меньших третьего критического угла b_кр3 – из падающей продольной волны возникают только отраженные продольная и поперечная волны. Продольная и поперечные прошедшие волны скользят по поверхности границы раздела сред.

- При углах больших третьего критического угла b_кр3 – из падающей продольной волны возникает только отраженная поперечная волна (продольная волна полностью трансформируется в поперечную). Продольная и поперечные прошедшие волны скользят по поверхности границы раздела сред.

Если разместить источник акустических волн на призме из оргстекла и выбрать угол b в пределах 30-55 градусов, то в стальном изделии будет распространяться только одна поперечная волна.

Если шероховатость поверхности превышает (0, 05-0, 1)× l, то происходит диффузионное отражение и прохождение упругих волн. То есть искажение звукового поля отраженных и прошедших волн (хаотическое изменение направления волн).

Эхо-импульсная ультразвуковая дефектоскопия

Наибольшее применение получил эхо-импульсный метод.

а1)

а2)

б1)

б2)

Рис. Принцип работы эхо-импульсной ультразвуковой дефектоскопии.

а – материал без дефекта; б – материал с дефектом; 1 – генератор; 2 -

При отсутствии дефекта в контролируемом изделии импульс дойдет до нижней поверхности изделия, отразится от нее и возвратится в пьезопреобразователь. В нем упругие колебания ультразвуковой частоты снова преобразуются в высокочастотные электрические колебания, усиливаются в приемном усилителе и подаются на экран дефектоскопа. При этом на экране возникает пик донного импульса (как бы отраженного от дна изделия). Если на пути прохождения ультразвука встретится дефект, то часть волн отразится от него раньше, чем донный сигнал достигнет пьезопреобразователя. Эта часть волн усиливается приемным усилителем, подается на экран дефектоскопа и на экране между начальным и донным импульсами возникнет пик импульса от дефекта. Расстояние между импульсами на экране характеризует глубину расположения дефекта. Расположив на экране масштабные метки времени, можно сравнительно точно определить глубину залегания дефекта.

Определение дефектов, ориентированных вертикально к поверхности, с которой ведется контроль осуществляют при помощи эхо-зеркального метода.

Рис. Схема эхо-зеркального метода

Для этого наклонные искатели располагают на разных сторонах изделия А и С (К-метод) или на одной стороне изделия А и В, используя отражение от нижней поверхности.

Основным элементом пьезопреобразователя является пьезоэлемент в виде диска или прямоугольной пластины, толщиной, равной половине длины волны излучаемых колебаний.

Преобразователи делят на три основных типа (рис. 51):

1) Прямые - излучают в объект продольную волну перпендикулярно контактной поверхности. Демпфер изготавливают, например, из эпоксидной смолы с наполнителем.

2) Наклонные - излучают в объект поперечную волну под углом к контактной поверхности.

3) Раздельно-совмещенные - излучают в объект преимущественно продольную волну под углом 5-10° к плоскости, перпендикулярной контактной поверхности.

Размеры контактных поверхностей преобразователей лежат в пределах от 10´ 10 до 20´ 20 мм. Протектор служит для защиты преобразователя. Это слой толщиной 0, 1-0, 5 мм из кварца, эпоксидной смолы с наполнителем и т. д.

Рис. Типы пьезопреобразователей.

а – прямые; б – наклонные; в – раздельно-совмещенные; 1 – пьезопластина; 2 – протектор; 3 – демпфер; 4 – корпус; 5 – призма; 6 – высокочастотный кабель; 8 – экран

Ультразвуковые дефектоскопы:

1) Без автоматизации обработки результатов и записи в память - УД-11ПУ,, УД-12, ДУК-66П, УД-24, УД-10П.

2) При автоматизации обработки результатов и записи в память – УД 2-12, УД-2-70, УД-2-102, УД-3-103, А-1212.

Технологический процесс эхо-импульсной ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений (ГОСТ 14782-86):

1) Внешний осмотр. Объект перед просвечиванием должно быть тщательно осмотрен и при необходимости очищен. Сварные детали необходимо очистить от шлака, земли и других загрязнений. Изделия и детали, смазанные маслом, должны быть очищены для предохранения бумажных кассет с пленкой от порчи. При наружном осмотре изделий, подлежащих просвечиванию, необходимо обращать особое внимание на возможное наличие поверхностных трещин, так как при просвечивании эти трещины не всегда выявляются.

2) Выбор схемы контроля: типа волн, места ввода волн, угла ввода.

3) Выбор способа сканирования и его параметров исходя из размеров объекта контроля и особенностей сварного шва. Различают поперечно-продольный и продольно-поперечный способы сканирования. Область сканирования разбивается на строки определенной длины с определенным шагом между строками.

Рис. Схема сканирования

4) Настройка дефектоскопа по стандартным образцам. В стандартных образцах созданы искусственно различные внутренние дефекты – отверстия, канавки. Различают: универсальные стандартные образцы СО (для настройки правильной работы дефектоскопа), а также стандартные образцы предприятия СОП для каждого вида изделия разрабатывается свой стандартный образец наиболее характерными дефектами (для точного определения дефектов). На стандартные образцы устанавливаются преобразователи через слой контактной смазки и осуществляется прозвучивание.

5) Очистка поверхности сканирования. Шероховатость должна быть менее R_z 40 (зачистка шкуркой).

6) Нанесение контактной смазки на всю площадь сканирования (масла – автол марок 6, 10, 18, компрессорное, трансформаторное или машинное; глицерин; солидол; вода).

7) Поиск дефектов. Устанавливают преобразователи на поверхность и начинают перемещать преобразователи по поверхности, сканируя тем самым объект. Сканирование осуществляют обычно с шагом 2-4 мм, одновременно поворачивая искатель на 10-15°, чтобы лучше выявлять различно ориентированные дефекты. Так как степень выявления дефектов зависит от настройки дефектоскопа (коэффициента усиления) поиск дефектов проводят в два этапа: при поисковой (повышенная чувствительность) и браковочной чувствительности (настраивается по СОП). При поисковой режиме просвечивают весь образец и при этом возникает множество ложных сигналов. Определив место предполагаемого дефекта, осуществляет настройку браковочной чувствительности и тщательно сканируют участок с предполагаемым дефектом.

8) Зафиксировав место расположения искателя при получении сигнала от дефекта производят измерение его размера, формы и расположения в изделии. Это осуществляется незначительным изменением расположения искателя.

9) Принятие решения о качестве проконтролированного изделия и выдача заключения о годности изделия. При этом импульс от дефекта в сварном шве сравнивается с импульсом от дефекта в СОП. Если величина импульса больше – объект забраковывается. Заключение выдается на основании критериев в технической документации на контроль данного изделия.