Материал: технология 2008-3

8.7.3. Особенности ультразвукового контроля аустенитных сварных соединений

В аустенитном сварном соединении различают четыре зоны (рис. 8.44). Зона 1 – основной металл, имеющий, как правило, относительно мелкозернистую и изотропную структуру. Зона 2 – зона термического влияния – отличается крупным зерном (размер зерна до 200 мкм), но также изотропна. Ширина зоны 2 достигает 6 мм. Зона 3 - зона сплавления основного и наплавленного металла. Зона 4 – наплавленный металл сварного шва, то есть собственно аустенитный шов. По своему строению аустенитный сварной шов имеет крупнозернистую анизотропную структуру. При выполнении сварного шва кристаллиты (в данном случае кристаллиты представляют собой совокупность кристаллов, оси которых параллельны) ориентируются сначала перпендикулярно границе сплавления наплавленного металла с основным – то есть, перпендикулярно кромкам сварного шва. По мере заполнения сварного шва они прорастают перпендикулярно границе расплавленного металла. В результате образуются столбчатые кристаллиты, проходящие через все валики шва (рис. 43). Такую структуру называют транскристаллитной.

3

1

Рис. 8.44. Зоны аустенитного сварного соединения

и схема формирования кристаллитов в аустенитном сварном шве:

1 – основной металл; 2 – зона термического влияния; 3 – зона сплавления;

4 – аустенитный шов

В зависимости от направления распространения в кристаллите изменяется скорость звука: продольных волн – в диапазоне 5200-6300 м/с, поперечных SV- волн – в диапазоне от 2500 до 4000 м/с. Поэтому границу между двумя соседними кристаллитами можно рассматривать как границу раздела двух сред с разными акустическими свойствами. При падении на эту границу ультразвуковой волны на ней, как и на любой другой границе двух твердых сред, происходят отражение, преломление и трансформация волн. Вследствие этого при прозвучивании аустенитного сварного шва наблюдаются следующие явления:

• многократное рассеяние на границах кристаллитов, приводящее к высокому уровню структурных шумов и большому коэффициенту затухания. Так, коэффициент затухания продольных волн на частоте 2,5 МГц составляет 0,1  0,3 дБ/мм;

• искривление траектории лучей (явление рефракции), которое приводит к ошибкам в определении координат.

Для оптимизации ультразвукового контроля аустенитных сварных швов рекомендуют следующие методы:

- выбор оптимальной частоты ПЭП. В зависимости от формы отражателя, зоны акустического поля преобразователя, в которой расположен отражатель, и некоторых других факторов повышение частоты может приводить как к уменьшению, так и к увеличению отношения полезный сигнал/шум;

- локализация контролируемого объема (применение раздельно-совмещенных и фокусирующих преобразователей, увеличение размера пьезоэлемента, уменьшение длительности зондирующего импульса);

- выбор типа волны, используя в качестве критерия максимальное соотношение полезный сигнал/шум;

- использование системы ВРЧ.

В зависимости от толщины аустенитного сварного шва можно дать более конкретные рекомендации по выбору средств ультразвукового контроля. Так, аустенитные сварные соединения небольшой толщины (2  10 мм), как правило, можно контролировать обычными (возбуждающими поперечную волну) наклонными ПЭП (f = 4  5 МГц,  = 70  75). Для настройки чувствительности рекомендуют использовать СОП с зарубкой 12 мм². Если при выявлении этой зарубки не удается обеспечить отношение сигнал/шум  6 дБ, зарубку увеличивают до размеров 1,53 мм². Если и в этом случае зарубка не выявляется, сварное соединение считают неконтролепригодным для данной методики контроля.

Сварные соединения толщиной более 10 мм обычно контролируют специальными совмещенными или РС ПЭП, возбуждающими продольные волны на частоте из диапазона 1,8  2,5 МГц. В некоторых случаях хорошее соотношение полезный сигнал-шум достигается даже при использовании частоты 4 МГц. В зависимости от толщины кромки и зоны контроля применяют углы ввода от 45 до 78. В качестве искусственных отражателей в СОП используют цилиндрические отверстия. Изготавливают несколько (обычно – три) образцов с отверстиями, расположенными на разных глубинах, как по оси сварного шва, так и по зоне сплавления. На рис. 8.45 показан пример одного из образцов с цилиндрическими отверстиями. Сначала выполняют отверстия 3,0 мм. Если при выявлении этих отверстий не удается обеспечить отношение сигнал/шум  6 дБ, диаметр отверстий увеличивают до 6 мм. Если и в этом случае отверстия не выявляются, сварное соединение считают неконтролепригодным для УЗ контроля по данной методике.

Стандартные образцы предприятия должны в полной мере соответствовать контролируемому изделию – по материалам, размерам и конфигурации сварного соединения, по способу и режимам сварки и термической обработки, по состоянию поверхности под УЗК.

На каждом сварном соединении сначала осуществляют оценку его контролепригодности по двум признакам:

1). Соотношение полезный сигнал – шум. Для этого не менее чем в 10 точках на каждом сварном шве сравнивают амплитуду эхо-сигнала от цилиндрических отверстий в СОП (а для толщин  10 мм – от зарубки) при прохождении ультразвука через наплавленный металл (рис. 8.44) с амплитудой структурного шума. За уровень шума принимают максимальный импульс из всех измеренных. Эхоимпульс от отверстий должен быть не менее чем на 6 дБ больше уровня структурного шума;

Рис. 8.45. Выявление искусственных отражателей в СОП

при прозвучивании через наплавленный металл

2). Изменение направления акустической оси наклонного ПЭП оценивают для сварных соединений толщиной более 20 мм при их контроле продольной волной РС ПЭП. Проверку этого признака выполняют зеркально-теневым методом по схеме рис. 8.46. Дефектоскоп включают по раздельной схеме. К дефектоскопу подключают излучающую часть первого ПЭП и приемную часть второго ПЭП. Преобразователи должны быть однотипны. Сначала преобразователи размещают на основном металле, как показано на рис. 8.46, а). Отыскивают положение, в котором наблюдается максимум зеркального сигнала на приемнике П2. Регистрируют положения точек выхода ПЭП и, по формуле ₁ = arctg(L₁/2H), определяют угол наклона акустической оси в основном металле. В формуле L₁ – расстояние между точками выхода излучающего и приемного ПЭП, H – толщина сварного соединения. После этого преобразователи размещают так, чтобы звук проходил через сварной шов (рис. 46, б)) и, выполнив такие же действия, определяют угол наклона акустической оси в сварном соединении по формуле ₂ = arctg(L₂/2H), где L₂ - расстояние между точками выхода при измерении по рис. 46, б). Если ₁ и ₂ отличаются более, чем на 5, сварное соединение считают неконтролепригодным. Измерения производят не менее чем в трех точках сварного соединения.

а) б)

Рис. 8.46. Схема проверки контролепригодности аустенитного сварного соединения по второму признаку: а) – на основном металле, б) – на сварном соединении.

И1 – излучатель первого ПЭП; П2 – приемник второго ПЭП

Дальнейшее повышение эффективности УЗ контроля аустенитных сварных соединений достигается на основе применения специализированных дефектоскопов и автоматизированных систем контроля. Двухчастотный способ контроля основывается на том, что преобразователь возбуждает в контролируемом объеме волны попеременно на двух разных частотах (например, 1,65 и 2,5 МГц). Дефектами считаются только те отражатели, которые дают эхо-сигнал на обеих частотах. Дальнейшим развитием этого способа является двухмодовый способ, при котором дефектом считают отражатели, дающие эхо-сигнал при контроле и продольными и поперечными волнами.

Наиболее эффективным оказалось применение акустической голографии совместно с двухчастотным и двухмодовым методами и специальными методами выделения полезных сигналов на фоне структурных шумов, реализованное в системе «Авгур 4.2». Использование этой системы для УЗ контроля аустенитных сварных соединений позволило повысить чувствительность на 32 – 36 дБ по сравнению с обычными дефектоскопами.

8.8. Формулирование нормативных требований

Нормативные требования определяют:

- размеры наименьших несплошностей, которые нужно учитывать при контроле;

- типы, наиболь­шие размеры, количество и взаимное расположение несплошностей, до­пускаемых в изделии или на его отдельных участках.

При форму­лировании нормативных требований необходимо учитывать специ­фику информации, получаемой при УЗ контроле. Рассмотрим струк­туру нормативных требований при УЗ контроле для различных объ­ектов, принятую в отечественных документах.

Для листового проката должны быть заданы:

1. Чувствительность контроля. При эхоимпульсном методе ее задают диаметром плоскодонного отражателя. Пример обозначе­ния: ДЗЭ. Здесь Д - диаметр; 3 -количественное значение в мм; Э - эхоимпульсный метод. При зеркально-теневом методе чувствитель­ность задают уменьшением амплитуды донного сигнала в дБ отно­сительно заданного уровня. Заданным уровнем может быть амплитуда донного сигнал на бездефектном участке листа. Пример обозначения: А203Т. Здесь А - амплитуда; 20 - количественное значение уменьшения амплитуды в дБ относительно заданного уровня; ЗТ - зеркально-теневой метод. Чувствительность при теневом методе задают уменьшением амп­литуды прошедшего сигнала в дБ относительно заданного уровня. Заданным уровнем может быть амплитуда прошедшего сигнал на бездефектном участке листа. Пример обозначения: А14Т. Здесь А - амплитуда; 14 - количествен­ное значение уменьшения амплитуды в дБ относительно опорного уровня; Т - теневой метод.

2. Минимально учитываемая условная площадь несплошности S₁, см².

3. Максимально допустимая условная площадь несплошности S₂, см².

4. Условная площадь максимально допустимой зоны несплош­ностей S₃, м². Зона несплошностей это - скопление несплошностей, каждая из которых имеет условные размеры (площадь) меньше учиты­ваемых при контроле, если расстояние между ними не больше 30 мм.

5. Относительная условная площадь (S%), определяется долей площади, занимаемой несплошностями всех видов (S₁, S₂ и S₃), на любом квадратном участке поверхности единицы листового проката площадью 1м² или долей площади, занимаемой несплошностями всех видов, на всей площади единицы листового проката.

6. Максимально допустимая условная протяженность несплош­ности L, мм.

ГОСТ 22 727 предлагает разбиение нормативных требований по показателям сплошности на 4 класса сплошности (0, 1, 2, 3). Для самого жесткого, нулевого класса сплошности, S₁ = 5 см², S₂ = 20 см² при чувствительности контроля ДЗЭ.

В США нормативные требования для минимально учитываемой и максимально допустимой несплошностей формируются иначе. Ука­зывается, что учитываются несплошности, которые не вписываются в круг ₁, а не допускаются несплошности, выходящие за пределы круга ₂, (рис. 8.47). Учитывая, что точный подсчет площади несплошности произвольной формы на практике гораздо сложнее, чем определение расстояния между ее наиболее удаленными точка­ми (то есть диаметра описанного круга), способ США представля­ется более удобным.

Рис. 8.47. Различные способы оценки размеров несплошности:

а - по площади (отечественный); б - по диаметру круга (США);

S₁, ₁ - минимальная учитываемая несплошность;

S₂, ₂ - максимальная допустимая несплошность

Листовой прокат, выплавленный в вакуумных дуговых, индукци­онных электропечах или с применением специальных переплавов (ЭШП, ВДП и др.) и используемый в изделиях ответственного назна­чения, характеризуется следующими параметрами несплошностей по результатам УЗ контроля:

- минимально учитываемый эквивалентный диаметр D₀, мм;

- максимально допустимый эквивалентный диаметр D₁, мм;

- число N непротяженных несплошностей с эквивалентным размером от D₀ до D₁, допускаемых на всей площади единицы листового проката или ее части. Для листов всех категорий может быть также введен критерий минимально допустимого расстояния между точечными несплошностями или условными границами отдель­ных несплошностей.

Несплошности, расположенные в одной или нескольких плос­костях по толщине листового проката, объединяют в одну не­сплошность, если расстояние между их условными границами мень­ше установленного нормативно-технической документацией на кон­кретную продукцию, а при отсутствии указаний в нормативно-техни­ческой документации, - если это расстояние меньше 30 мм.

Для различных участков проката могут быть установлены раз­личные требования (например, для околошовной зоны сварного со­единения и остальной части листа).

Для поковок должны быть заданы:

1. Минимально учитываемая эквивалентная площадь несплош­ности S₀, мм²;

2. Максимально допустимая эквивалентная площадь несплошности S₁, мм²;

3. Максимально допустимая условная протяженность несплош­ности L₁, мм;

4. Количество непротяженных несплошностей эквивалентной площадью от S₀ до S₁ в шаровом объеме, равном, или меньшем толщине поковки, n, шт;

5. Минимально допустимое расстояние между точечными несплошностями или условными границами отдельных несплошностей. При кон­троле цилиндрических заготовок для валов, роторов минимально допус­тимое расстояние между точечными несплошностями может быть разным в зависимости от направления (радиальное, осевое, по окружности).

При контроле зеркально-теневым методом задают недопусти­мый уровень ослабления донного сигнала. В отечественной практике он обычно соответствует уровню поисковой чувствительности эхоимпульсного метода.

Для длинномерных заготовок с небольшими поперечными раз­мерами (например, прутки) вместо количества несплошностей в ша­ровом объеме может быть задано их количество на участке опреде­ленной длины (например,100 мм).

Для заготовок с небольшой толщиной вместо количества не­сплошностей в шаровом объеме может быть задано количество не­сплошностей, проектируемых на квадратный участок контролируемой поверхности (например, на 100 см²).

В тех случаях, когда в нормативные требования вводят понятия цепочек и скоплений, они должны быть строго определены по следую­щей форме:

цепочкой называют группу из n или более несплош­ностей, расположенных в линию, с расстоянием между отдель­ными несплошностями l мм или менее;

скоплением называют группу из n или более несплошностей с пространственным рас­стоянием между отдельными несплошностями l мм или менее.

Учитывая, что при контроле наклонным ПЭП в сравнении с пря­мым ПЭП:

- путь УЗ волны, как правило, больше;

- длина волны при той же частоте ПЭП меньше, следова­тельно, можно ожидать большего затухания,

в ряде случаев тех­нически невозможно обеспечить такую же чувствительность контроля, как для прямого ПЭП. Поэтому для наклонного ПЭП могут быть установлены отдельные нормативные требования, или ого­варивается возможность снижения заданной чувствительности до некоторых пределов.

Для сварных соединений должны быть заданы: