Физические основы ультразвуковой дефектоскопии

Ультразвук – это упругие колебания материальной среды, частота которых свыше 20 кГц, т.е. находится за пределами слышимости. В практике УЗК используют частоты колебаний от 0,25 МГцдо 10 МГц. Ультразвуковые волны могут быть получены с помощью магнитострикторов или пьезопреобразователей. В качестве преобразователей УЗК наиболее распространены пьезоэлементы из кристаллов кварца, цирконата - титаната свинца и титаната бария.

Ультразвук распространяется в среде в виде направленной волны, которая подчиняется законам, полученным для световой оптики, т.е. она отражается, преломляется на границе разнородных сред, испытывает интерференцию и дифракцию.

Принцип выявления дефектов, методом УЗК основан на следующей. В контролируемое изделие посылается ультразвуковая (УЗ) волна. Если на пути распространения УЗ волны будут находиться дефекты отливки (трещины, поры и т.д.), то её направление движения изме­нится за счёт преломления, отражения и рассеивания. Когда исполь­зуемый для УЗК дефектоскоп зафиксирует это изменение, присут­ствие дефекта будет обнаружено. По способу регистрации дефекто­скопом сигнала от дефекта различают методы УЗК: эхоимпульсный, теневой, зеркально - теневой и импедансный.

При импедансном методе регистрируется характер затухания УЗ волны.

При зеркально - теневом методе признаком обнаружения дефекта является уменьшение интенсивности (амплитуды) отражённой от про­тивоположной поверхности изделия УЗ волны, излучаемой преобразо­вателем И принимаемой преобразователем П (рис.1). При контроле отливок наиболее широко распространены теневой и эхоимпульсный методы УЗК.

 

Рис 1. Схема прозвучивания отливки при зеркально-теневом методе в случае отсутствия дефекта (а) и при наличии дефекта (б): И – источник УЗ волны; П – приемник УЗ волны; I – отливка; 2 – дефект

Теневой метод УЗК

При теневом методе УЗК признаком обнаружения дефекта является уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, прошедшей через изделие от излучающего преобразователя И к приёмному Л (рис.2).

 

 

Рис.2. Схема прозвучивания отливки при теневом методе УЗК при отсутствии (а) и при наличии (б) дефекта: И - излучатель УЗ волн; Л - приёмник УЗ воли; 1 - отливка; 2 - дефект.

 

Так как преобразователи в процессе контроля располагают­ся на противоположных поверхностях изделия (рис.2)‚ то метод используют только при наличия двухстороннего доступа к изделию. Работа с двумя преобразователями сразу с противоположных сторон контролируемого участка требует повышенной квалификаций контролера. Теневой метод используют для обнаружений раковин, трещин, расслоений, включений в отливках несложной конструкции типа плит‚ крышек‚ дисков‚ кронштейнов‚ а также в цилиндрических отливках (гильзах, втулках‚ трубах). Метод весьма эффективен при выявлении несплошностей в биметаллических и армированных отлив­ках. Чувствительность теневого метода, как правило меньше чем эхоимпульсного, и зависит от размеров и глубины залегания дефекта.

Эхоимпульсный метод

При эхоимпульсном методе контроля признаком обнаружения де­фекта является приём дефектоскопом импульса, отражённого отса­мого дефекта /рис.3./.

Данная схема (рис. З) успешно применяется для контроля вну­тренних дефектов. Метод может быть использован для контроля как простых, так и сложных фасонных отливок.

 

 

Рис.3. Схема прозвучивания изделия при эхоимпульсном методе УЗК:

1 – отливка; 2 – дефект; ИП - преобразователь, работающий как излучатель импульсных УЗ сигналов и как приёмник УЗ сигналов в паузах между импульсами излучения УЗ волн.

 

Для контроля поверхностных и приповерхностных дефектов, а также для УЗК тонкостенных отливок с переменным сечением и переменной кривизной рабочей поверхности эффективен эхоимпульсный метод с использованием У3 поверхностных волн (рис.4).

Недостатком эхоимпульсного метода УЗК является наличие так называемой «мёртвой зоны», т.е. области металла рядом с преобразователем, которую невозможно проконтролировать. Это связано с тем, что отражённые в мертвой зоне от дефектов УЗ импульсывозвращаются к преобразователю раньше, чем тот перемещается из режима работы излучателя УЗ волн в режим работы приёмника УЗ волн. При работе на частотах 1,8 - 2,5 МГц мёртвая зона составляет около 10 мм. При повышении частоты УЗ размеры «мертвой зоны» снижаются, составляя для частоты 5 МГц 1 мм.

 

Рис.4. Схема прозвучивания отливки при эхоимпульсном УЗК с помощью поверхностных УЗ волн; 1 - отливка; 2 - дефект; ИП - УЗ преобразователь

 

При контроле ответственных отливок с помощью УЗ дефекто­скопов регистрируют не только факт существования дефекта, но и его основные характеристики, обусловливающие степень допустимос­ти обнаруженного дефекта: амплитуду эхо - сигнала и координаты расположения. Данные характеристики однозначно интерпретируются в практике УЗК как форма, размеры и число дефектов.

ТЕХНОЛОГИЯ УЗ КОНТРОЛЯ

Контролируемая поверхность должна быть очищена от загрязнений. Перед проведением УЗК контролируемую поверхность покрывают слоем контактной смазки. В качестве контактной смазки наи­более часто используют водный раствор из технического полиакриламида и нитрида натрия. Реже используют различные сорта масел, глицерин и керосин. Слой контактной смазки между изделием и УЗ преобразователем является обязательным условием надежного акус­тического контакта. При этом возможен контактный, щелевой и иммерсионный способы ввода УЗ колебаний в изделие. Контактный спо­соб /рис. 5./ используют при шероховатости поверхности отливок . При контактном способе ввода УЗ колебаний преобразователь перемещают по отливке, придавливая его легким усилием к поверхности.

 

 

Рис. 5. Схема контактного способа ввода УЗ колебаний: I – УЗ преобразователь (щуп); 2 – слой контактной смазки; 3 – отливка

 

В случае криволинейной контролируемой поверхности при тех же требованиях к шероховатости поверхности, что и при контактном способе используют щелевой способ ввода УЗ колебаний (рис 6.). При щелевом методе между преобразователем и контролируемой поверхностью с помощью специальных ограничителей выдерживается контролируемый зазор, примерноравный длине УЗволны.

Для контроля отливок, с шероховатостью поверхности более , используют иммерсионный способ передачи колебаний от преобразователя к отливке (рис.7).

 

Рис.6. Схема щелевого способа ввода УЗ колебаний; I - УЗ преобразователь; 2 - ограничители; 3 - слой контактной смазки; 4 - отливка

 

Рис.7. Схема иммерсионного способа ввода УЗ колебаний: I – УЗ преобразователь; 2 – емкость, заполненная контактной жидкостью; 3 – отливка

 

Рекомендуемые частоты прозвучивания и глубина проникновения волн при УЗ дефектоскопии отливок из различных материалов приведены в таблице.

Частота прозвучивания и глубина проникновения УЗ волн при дефектоскопии отливок

Таблица 1

Рекомендуемые частоты прозвучивания и глубина проникновения волн

№ п/п	Материал отливки	Частота прозвучивания‚ МГц	Глубина проникновения УЗ волн‚ мм
1.	Алюминиевые сплавы	1 – 2‚5	500 – 1200
2.	Магниевые сплавы	1‚8 – 2‚5	400 – 600
3.	Титановые сплавы	1 – 2‚5	400 – 1200
4.	Сталь	0‚25 – 1
5.	Высокопрочный чугун	0‚5 - 1	100 - 150

 

3. ОБОРУДОВАНИЕ‚ МАТЕРИАЛЫ

3.1. УЗ дефектоскоп УД - IМ.

3.2. Эталонные образцы.

3.3. Контактная смазка.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

4.1. Изучать теоретические сведения.

4.2. Изучить методику включения‚ настройки и работы УЗ дефектоскопа по его техническому паспорту.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

5.1. Провести контроль эталонного образца теневым методом.

5.2. Провести контроль эталонного образца эхоимпульсным методом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Область применения УЗК и выявляемые дефекты.

6.2. Способы УЗК.

6.3. Область применения и технология теневого метода УЗК.

6.4. Область применения и технология эхоимпульсного метода

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10