Контроль качества

Упругие механические колебания, распространяющиеся в воздухе, воспринимают обычно как звуки. Это — акустические колебания. Если их частота более 20 000 Гц (20 кГц), т. е. выше порога слышимости для человеческого уха, то такие колебания называют ультразвуковыми (УЗК). В дефектоскопии наиболее часто используют диапазон частот 0,5—10 МГц.

Упругие колебания могут быть возбуждены в твердых, жидких и газообразных средах. При этом колебательное движение возбужденных частиц благодаря наличию упругих сил между ними вызывает распространение упругой УЗ-волны, сопровождаемое переносом энергии.

Для получения УЗ-колебаннй применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнитио-акустические (ЭМЛ) и другие преобразователи. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи.

Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым. Граница, отделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, еще не начавших колебаться, называется фронтом волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны X и частотой колебаний /. При этом под длиной волны понимается расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися одинаковым образом (в одинаковой фазе). Число волн, проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту УЗ-колебаний. Длина волны связана со скоростью ее распространения соотношением

В зависимости от направления колебания частиц различают несколько типов волн. Если частицы среды колеблются вдоль распространения волны, то такие волны (рис. 1,а) называются продольными (волнами растяжения-сжатия). В случае, если частицы среды колеблются перпендикулярно к направлению распространения волны, то это волны (рис. 1,б) — поперечные (волны сдвига). Поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвига. Поэтому в жидкой и газообразной средах образуются только продольные волны. В твердой среде могут возникать как продольные, так и поперечные волны.

Кроме поперечных и продольных волн, в твердых телах могут быть возбуждены волны других типов. Вдоль свободной поверхности тела могут распространяться п о-верхностные волны (волны Рэлея). Они являются комбинацией поперечных и продольных волн. Плоскость поляризации у них, т. е. плоскость, в которой колеблются частицы среды, перпендикулярна к поверхности. Глубина распространения этих волн в теле примерно равна длине волны, а скорость составляет СRе = 0,9Сt (рис. 1, в).

В тонких листах или в изделиях, толщина которых соизмерима с длиной волны, распространяются пластиночные волны (волны Лэмба). Они занимают всю толщину пластины (рис. 1, г).

В плакирующих слоях биметаллических листов могут распространяться поверхностные волны с горизонтальной поляризацией (волны Лява).

Пространство, в котором распространяются УЗ-волны, называют ультразвуковым полем. УЗ-волна в направлении своего движения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое УЗ-волной за 1 с через 1 см² площади, перпендикулярной к направлению распространения, называется интенсивностью ультразвука I. Для плоской волны при амплитуде смещения А

Произведение скорости С ультразвука на плотность Р среды называется удельным акустическим сопротивлением. Значения Z=рС (С дано для продольной волны), характеризующие акустические свойства материалов.

Затухание УЗ-колебаний происходит но экспоненциальному закону

где Ло — амплитуда зондирующего импульса;  - коэффициент затухания, см^-1.

Поскольку интенсивность ультразвука равна квадрату амплитуды, то снижение интенсивности вследствие затухания описывается формулой

На практике нет необходимости определять амплитуду А или интенсивность волны / в абсолютных единицах, а достаточно найти величину их относительного ослабления. Тогда для выражения относительной величины используют специальные единицы — децибелы.

Число децибел

 

Свойства ультразвука

Как показано на рис. 2 УЗ-колебания от генератора-излучателя ИП распространяются в материале изделия. При наличии дефекта Д образуется отраженное поле. За дефектом при его значительных размерах (».) имеется акустическая тень. Регистрируя с помощью приемника-преобразователя П₁ослабление

Рис.2 Схема УЗ-контроля материала:

Д—дефект; ИЛ — излучатель и приемник (совмещенная схема); П₁ приемник о теневом методе; П₂ приемник в эхо методе.

УЗ-волны или с помощью преобразователя П₂ (или ИП) эхо, т. е. отраженную УЗ-волну, можно судить о наличии дефектов в материале. Это является основой двух наиболее распространенных методов УЗ-контроля: теневого и эхо-метода.

Наиболее важные дефектоскопические свойства УЗК'. направленность УЗК» ближняя и дальняя зоны преобразователей, отражение УЗК от несплошностей, затухание, трансформация УЗК.

Направленность УЗК- При излучении пьезоэлемеитом (рис. 2.5, а) импульса УЗК в среде возникает УЗ-поле, которое имеет вполне определенные пространственные границы. Угол расхождения фр зависит от соотношения длины волны и диаметра излучателя 2а:

Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности (рис. 3 в). Диаграмма характеризует угловую зависимость Ф (ф) амплитуды поля в дальней зоне. Полярный угол ф отсчитывают от полярной оси, совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.

Диаграмму направленности прямого преобразователя выражают через цилиндрическую функцию Бссселя (первого рода и первого порядка):

Рис.3

Ближняя и дальняя зоны. Приведенная выше формула показывает направленность УЗ-пучка в так называемой дальней зоне или зоне Фраунгофера. В ближней зоне, называемой зоной Френеля, амплитуда поля осциллирует (изменяется) как вдоль оси (рис. 3 б), так и по сечению пучка, а УЗ-волна при этом распространяется почти без расхождения.

Протяженность ближней зоны r_oдля цилиндрического излучателя

 

Из формулы видно, что увеличение диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону преобразователя.

Отражение от несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит основой для их использования в эхо-импульсном методе дефектоскопии материалов. При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается в первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред, то проходящая и отраженная волны будут такого же типа, что и падающая. Коэффициент отражения R как отношение интенсивности отраженной и падающей волн зависит от соотношения удельных акустических сопротивлений Z₁=P₁C₁ и Z₂=Р₂С₂первой и второй сред:

Из формулы (2.11) видно, что R не зависит от направления УЗК через границу раздела сред Z₁ и Z₂.

Коэффициент прохождения волны D=1—R. Чем больше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны. Свойство отражения УЗ-волн служит основой для выявления несилошностей в металлах, поскольку акустические свойства таких дефектов, как поры, шлаки, ненро-вары, существенно отличаются от свойств основного металла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия более 10~4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R = 0,35—0,65 в зависимости от марки флюса.

Оксидные плены, особенно в сварных швах алюминиевых сплавов или при контактной сварке, выявляются плохо, несмотря на их достаточно большое раскрытие и протяженность. Причиной этого является близость акустических свойств дефекта и металла.

Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно выявлять несплошности площадью S>1 мм². При увеличении частоты УЗК можно выявлять иесплошности и с меньшей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.

Затухание. Коэффициент затухания б в приведенных выше формулах возрастает с увеличением частоты не линейно, а в повышенной степени. Причем коэффициент затухания различен для различных материалов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния б = бп + бр.

Трансформация УЗК. Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их падению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразователи с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали. В общем случае при падении продольной волны наклонно под углом β к границе двух твердых сред происходит трансформация (расщепление) этой волны (рис. 4 а). Возникают две преломленные волны (продольная С't и поперечная C't) и две отраженные Ct и Ct. Углы преломления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют законом Снеллиуса. Записанный только для преломления волн этот закон имеет вид

Рис. 4 Отражение и преломление продольной волны на границе раздела двух твердых сред.

Акустический тракт. Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.

Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобра-зователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора на входе приемника.

В электроакустическом тракте электрические колебания преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.

Электрический тракт, определяющий амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления, состоит из генератора и усилителя.

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до отражателя в материале и от этого отражателя до приемника. Важная задача методики УЗ-коитроля — расчет акустического тракта, т. е. оценка ослабления амплитуды эхо-сигнала в зависимости от акустических и геометрических параметров тракта.

Для излучения УЗ-колебаний, приема эхо-сигналов, установления размеров выявленных несплошностей и определения их координат применяют ультразвуковый дефектоскопы.