В статье приведены основные методы ультразвукового контроля дефектов: дана краткая характеристика каждого метода и приведены схемы принципиального действия.
Ключевые слова: ультразвук, дефект, ультразвуковая диагностика, теневой метод, эхо-метод, эхо-зеркальный, зеркально-теневой.
Ультразвуковая дефектоскопия — это метод неразрушающего контроля. Он позволяет находить дефекты благодаря отраженным от препятствий волнам.
Задачами ультразвуковой дефектоскопии являются:
– Обнаружение дефектов (несплошностей);
– Определение их расположения;
– Оценка размеров дефектов;
– Определение свойств дефектов (тип, ориентация).
Ультразвук распространяется в пространстве волнами. Фронт волны — это граница, разделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, ещё не начавших колебаться. Волновые поверхности непрерывно перемещаются в среде и при этом деформируются. В однородной и изотропной среде скорость каждой точки волновой поверхности направлена по нормали к поверхности и численно равна скорости с, называемой фазовой скоростью волны.
На практике ультразвуковые волны наиболее эффективно используются в диапазоне частот от 0.5 МГц до 25 МГц. Эффект взаимодействия волн с внутренними дефектами снижается при работе с низкими частотами, в таких случаях сложно обнаружить дефекты в металлических структурах, т. к. волны с большей длиной уже огибают дефекты. Но на практике при контроле бетонных изделий используются длинные волны для поиска дефектов, т. к. при работе с такими материалами существуют свои требования, выявляются только крупные дефекты, посредством использования длинных волн [1].
В основе ультразвукового метода заложен принцип прямого пьезоэлектрического эффекта. Излучателем и приёмником ультразвуковых колебаний является пластина, вырезаемая из монокристалла кварца или пьезокерамического материала — например, татаната бария. Под действием знакопеременного напряжения пьезопластина изменяет свои размеры (растягивается или сжимается), преобразуя электрические колебания в механические.
Основными характеристиками пьезоэлементов являются [2]:
– Частотный спектр;
– Излучаемая мощность звука;
– Направленность излучения.
Пьезопластину помещают в преобразователь, для ввода колебаний в деталь между контактной поверхностью преобразователя и деталью наносят слой смазки. Колебания пьезопластины передаются рядом расположенным частицам, т. е. возбуждаются и распространяются упругие волны, распространяющиеся направленным пучком лучей. Отражённые от препятствия звуковые колебания принимаются и преобразуются в импульсы, наблюдаемые на экране (рис. 1).
От правильности выбора методики зависит надёжность ультразвукового контроля, а выбор методики в свою очередь основывается на характеристиках контролируемого изделия, материала из которого оно изготовлено, а также дефектов.
Рис. 1. Схема обнаружения дефекта
В настоящем времени существует несколько способов обнаружения дефектов при использовании ультразвукового контроля, основанием служит ГОСТ-23829: теневой, эхо-метод, эхо-зеркальный, зеркально-теневой. Основные отличия методов заключаются в оценке и регистрации данных [3].
- Диагностика теневым методом (используются 2 преобразователя по разные стороны исследуемой детали, один из них излучает волны, а предназначение второго — принимать их. Преобразователь устанавливается по перпендикулярной плоскости исследуемого сварного шва. Процесс представляет собой контроль отражённого излучения. Тот участок, где излучаемый сигнал не доходит до второго преобразователя, признаётся дефектным, т. е. наличие несплошности) (рис.2).
Рис. 2. Теневой метод: — генератор; 2, 4 — пьезоэлектрический преобразователь; 3 — шов; 5 — дефектоскоп; 6 — усилитель
- При эхо-методе используется один преобразователь. Принцип действия эхо-метода: отправленная преобразователем звуковая волна отражается от участка с дефектом и принимается преобразователем; если излучаемая волна прошла контролируемый участок на сквозь, т. е. безвозвратно, участок признаётся бездефектным, в противном случае отражённая волна возвращается к преобразователю, а дефектоскоп отмечает это место как дефект.
- В эхо-зеркальном методе используется такой же принцип работы, как и в эхо-методе. Отличительной особенностью является применение отражателя. Устанавливается оборудование под прямым углом, волны посылаются к материалу, в случае наличия повреждений отражаются на приемник. Используют при поиске вертикальных дефектов (рис. 3).
Рис. 3. Эхо-зеркальный метод «Тандем»: 1 — генератор; 2 — усилитель; 3 — дефектоскоп; 4 — пьезоэлектрический преобразователь; 5 — контролируемая деталь(шов)
- Зеркально-теневой метод является симбиозом зеркального и теневого метода, заключается в использовании двух приборов, посылающих косые волны, устанавливаемых с одной стороны контролируемого объекта. Отражение происходит от поверхности исследуемого материала, в случае, если отражённая волна не доходит до второго преобразователя, место маркируется как дефект (рис. 4).
Рис. 4. Зеркально-теневой метод: 1 — генератор; 2 — усилитель; 3 — дефектоскоп; 4 — пьезоэлектрический преобразователь; 5 — контролируемая деталь(шов)
Ультразвуковой контроль получил широкое распространение в таких отраслях как: энергетика, тяжелое машиностроение, судостроение, химическая промышленность и железнодорожный транспорт. В настоящее время для проведения ультразвуковой диагностики используются в основном портативные дефектоскопы.
Литература:
- Клюева, В. В. Неразрушающий контроль: справочник, Том 3 / В. В. Клюева, И. Н. Ермолов, Ю. В. Ланге. — М.: Машиностроение, 2004–864с.
- Ермолов И. Н. Ультразвуковой контроль. Учебник для специалистов первого и второго уровня квалификации / И. Н. Ермолов, М. И. Ермолов. — М.: 2006. — 208с.
- Оcновные методы ультразвукового контроля // Welding.su URL: http://www.welding.su/library/uks/uks_125.html (дата обращения: 01.11.2019).
