8.10.4. Способ коэффициента формы

Два однотипных наклонных ПЭП с углами ввода (45 ± 5)° под­ключают к дефектоскопу по раздельно - совмещенной схеме. Полу­чают обратное U_обр и зеркальное U_з отражения от исследуемого дефекта (рис. 8.49).

Коэффициентом формы К_ф называют отношение амплитуд обратного и зеркального сигналов при озвучивании дефекта двумя преобразователями, включенными по схеме «тандем» в раздельно-совмещенном режиме:

К_{ф =} U_обр/U_з (8.23)

Коэффициент формы измеряют при фиксированном положении ПЭП, соответствующем максимуму сигнала U_з. Каждую несплошность оценивают по коэффициенту формы прозвучиванием с двух сторон шва. Оценку типа несплошности производят по наименьшему из измеренных значений К_ф. Если К_ф  1, то дефект считают объемным, если К_ф < 1 - плоскостным. Для применения этого способа в стан­дартном виде необходима эквидистантность поверхностей ввода и отражения.

Рис. 8.49. Определение типа дефекта с помощью коэффициента формы:

а – дефект - объемный; б – дефект – плоскостной

Определение типа дефекта по способу коэффициента формы наиболее эффективно для сварных соединений толщиной 60 мм – 300 мм. Однако способ коэффициента формы можно применить и для сварных соединений толщиной менее 60 мм. В этом случае применяют схему прозвучивания в соответствии с рис. 8.50. ПЭП1 излучает импульс УЗ колебаний. Отразившись от дефекта Д часть УЗ энергии возвращается обратно на ПЭП1 и дает эхоимпульс U_обр. Другая часть УЗ импульса, отразившись от дефекта, падает на донную поверхность, отражается от нее и принимается ПЭП2 в виде эхо-зеркального сигнала U_з. Результаты интерпретируются так же, как в случае толщины более 60 мм.

Рис. 8.50. Определение коэффициента формы для тонкостенных сварных соединений

8.10.5. Способ коэффициента 

Коэффициентом  называют отношение условной ширины дефекта X к его условной высоте H:

 = X/H (8.24)

Способ заключается в том, что для данного типа ПЭП определяют коэффициент  _д дефекта (рис. 8.51) и сравнивают его с  ₀ объемного искусственного отражателя, обычно – сквозного цилиндрического отверстия:

K_ =  _д/ ₀ = X_дH ₀/X₀H_д (8.25)

Рис. 8.51. Определение коэффициента

_д = X_д/H_д

Если K_ < 1, дефект считают плоскостным вертикальным, при K_ = 1 дефект – округлый, если K_ >1, то дефект – плоскостной горизонтальный.

8.10.6. Характер индикации на дисплее

В некоторых случаях опытные дефектоскописты могут распознать характер дефектов, изучая параметры их индикации на дисплее дефектоскопа: форму эхо-сигналов, их динамику (то есть, изменение параметров индикаций в процессе перемещения ПЭП), расположе­ние в объеме материала контролируемого объекта. Так, для флокенов характерно групповое расположение, то есть на экране дефектоскопа при перемещении ПЭП наблюдается одновременно несколько импульсов разной амплитуды на разных глубинах, импульсы имеют гладкую форму. Флокены располагаются чаще в средней части по толщине заготовки.

Раскованные неметаллические включения также могут давать групповые эхоимпульсы. Однако, в отличие от флокенов, неметалли­ческие включения группируются в небольшом диапазоне глубин. Кро­ме того, часто они имеют протяженность.

При исследовании эхоимпульсов от раковин в литье можно при достаточно высокой чувствительности наблюдать, как при перемеще­нии ПЭП импульс как бы "переливается" по экрану дефектоскопа, ука­зывая на изменение глубины различных участков поверхности дефек­та. Эхоимпульс широкий, его фронты негладкие.

Трещины часто являются многоэлементными отражателями, развитыми по высоте. Поэтому при перемещении наклонного ПЭП в плоскости падения по направлению к трещине на дисплее наблюдается один или небольшая группа импульсов разной амплитуды, непрерывно перемещающихся в сторону уменьшения глубины.

8.10.8. Алгоритм определения характера дефекта

Для оптимального решения задачи об определении характера (типа и вида) дефекта целесообразно придерживаться следующего алгоритма (по­рядка действий):

1. Графическое представление дефекта в контролируемом объеме. Для сварных соединений эта процедура включает следующие операции:

- определение границ шва. Выполняется путем травления наружной поверхности шва и околошовной зоны;

- определение профиля поверхности контроля. Может быть выполнено с помощью специального инструмента, называемого профильной гребенкой или слесарным лекалом;

- определение профиля противоположной (донной) поверхности. Выполняется путем измерения толщины стенки прямым преобразователем с точной регистрацией положения центра преобразователя относительно границ сварного шва;

- графическое построение разделки сварного шва на основе имеющейся чертежно-технической документации;

- графическое построение отражателя по его измеренным координатам.

Для других объектов может быть выполнена подобная процедура с учетом геометрической формы исследуемого участка.

2. Анализ технологического процесса изготовления рассмат­риваемого объекта с целью выявления возможных отклонений. На­пример, обнаружение нарушения режима противофлокенной обра­ботки в сочетании с другими признаками указывает на то, что выявленные при УЗ контроле несплош­ности могут быть флокенами.

3. Анализ предыдущего опыта изготовления аналогичных изделий с целью определения характера дефектов, типичных для данного мате­риала, способа и режимов сварки, формы и размеров изделия и т. д. Например, результаты металлографических исследований нескольких забракованных цилиндрических поковок, изготовленных в течение последних двух лет, показали наличие остаточной усадочной рыхлости в осе­вой зоне. Это можно считать типичным дефектом для данного изделия.

4. Оценка возможности определения характера дефектов по ти­пичным несплошностям, выходящим на поверхность, путем выборочного вскрытия или отбора образца. Если возможно, такие работы выполняют на пробах или образцах металла из областей, удаляемых при механичес­кой обработке. Например, о характере дефектов, расположенных вблизи осевой зоны заготовки ротора (цилиндрическая поковка большого диа­метра) можно судить по несплошностям, имеющимся в осевом трепане (стержне, механически отобранном из центра заготовки).

5. Исследование обнаруженных дефектов указанными выше ульт­развуковыми методами. Обычно применяют такие методы, которые воз­можны с учетом особенностей конкретного объекта: толщины материа­ла, глубины залегания дефекта, наличия доступа и т.д.

6. Просвечивание изделия под оптимальными углами, если это технически осуществимо.

По названному алгоритму выполняют такой объем работ, который позволяет получить наиболее достоверную информацию о характере дефекта. Заключение о вероятном характере дефекта дает специалист высокой квалифика­ции с учетом всей информации, полученной о несплошности.

8.10.9. Определение реальных размеров дефекта

Для расчетной оценки возможности допуска изделия с дефектом в эксплуатацию в расчет должны быть заложены реальные размеры дефекта. Как правило, наибольшее значение при этом имеет размер в направлении толщины стенки. Могут быть рассмотрены три случая.

1. Размер дефекта превышает размер УЗ пучка. В этом случае дефект озвучивают УЗ пучком, по возможности перпендикулярным его поверхности. Следует применить такой ПЭП, который имеет минимальный размер пучка на глубине залегания дефекта. Наи­большую достоверность для таких случаев дает применение фоку­сирующих преобразователей, имеющих в фокусе диаметр пучка 5 - 7 мм. Условные размеры, определенные по указаниям главы 7, будут наиболее близки к реальным размерам несплошности.

2. Размер дефекта меньше размера УЗ пучка. Оценивают харак­тер и ориентацию дефекта по алгоритму, приведенному в пункте 8.10.9. Для оценки размера дефекта выбирают искусственный отражатель, по форме и ориентации наиболее близкий к найденному дефекту. Опре­деляют эквивалентный размер дефекта путем сравнения с выбранным искусственным отражателем (с помощью образцов, с использованием АРД-диаграммы для отражателей данного типа или расчетным путем).

8.10.7. Другие способы

В последнее время получили развитие амплитудно-фазовые ультразвуковые методы, связанные с механизированным сканирова­нием выявленной несплошности, обработкой снимаемых данных на компьютере и получением результата в виде объемного цветного изо­бражения несплошности, где различными цветами отображаются точ­ки с различной интенсивностью принятого эхо-сигнала. В этой области наибольшую известность получили методы акустической голографии и фокусированной синтезированной апертуры.

Метод акустической голографии с когерентной обработкой эхо-сигналов реализован в системе экспертного ультразвукового контроля «Авгур 4.2», разработанной научно-производственным центром «Эхо+». Суть когерентного восстановления состоит в том, что в результате математической обработки эхо-сигналов формируется изображение, которое можно получить фокусированным ультразвуковым преобразователем с пучком, не расходящимся по всей глубине контролируемого объекта. В результате при использовании сдвиговой волны в стали на частоте 2,5 МГц фронтальная разрешающая способность изображения дефектов не зависит от глубины и составляет  2,0 мм. Столь высокая разрешающая способность позволяет точно определить координаты, размеры, тип дефектов.

При линейном методе фокусированной синтезированной апертуры (SAFT) преобразователь с широкой диаграммой направленности в плоскости развертки типа В и узкой диаграммой направленности в перпендикулярном направлении перемещается параллельно плоскости изображения. Из-за большого угла раскрытия звукового пучка эхоимпульсы от одного и того же отражателя принимаются в нескольких положениях преобразователя. Изображение отражателя (дефекта) будет получено, если из каждого положения приема как из центра провести окружности с радиусом, равным измеренному времени прохождения эхоимпульса, то есть вычисленному по нему расстоянию. Точки пересечения достаточно большого числа таких окружностей и будут местом нахождения отражателя. Изображение формируется компьютером. В случае двумерного механического сканирования может быть сформировано трехмерное изображение, однако этот процесс связан с резким возрастанием объема вычислений, выполняемых компьютером.

Среди прочих способов определения характера дефекта следует назвать применение альтернативных методов неразрушающего контроля. В первую очередь таким методом является радиография, которая должна выполняться с учетом предполагаемой ориентации исследуемого де­фекта. Однако, довольно часто радиография вообще не обнаруживает дефект, найденный при УЗ контроле. Это само по себе является при­знаком характера дефекта: значит это - дефект с малым раскрытием, расположенный непараллельно направлению просвечивания (например, трещины, расслоения, тонкие неметаллические включения):

Если дефекты распределены в объеме контролируемого материала и, по данным УЗ контроля, на каком-нибудь участке подходят близко к поверхности заготовки, их характер может быть определен травлением.

В некоторых случаях характер дефектов определяют путем вы­борочных контрольных вскрытий несплошностей, залегающих в за­готовках или сварных швах на небольшой глубине. Применяют так­же метод механического отбора образцов металла, содержащих не­сплошности, с последующим определением характера дефектов ме­таллографическим путем.

Полученный размер может быть уточнен, если предполагается, что вслед­ствие различного заполнения полостей дефекта и искусственного от­ражателя они имеют различный коэффициент отражения.

3. Комбинация первых двух случаев: в одном направлении де­фект превышает размер УЗ пучка, а в перпендикулярном направлении - меньше размера пучка. В этом случае реальная протяженность де­фекта будет наиболее близка к условной протяженности, определен­ной с учетом рекомендации п.1. Размер в перпендикулярном направ­лении определяют путем сопоставления с наиболее близким по фор­ме и ориентации искусственным отражателем.

Во втором и третьем случаях может быть полезным при­менение фокусирующего преобразователя.

Рис. 8.52. Измерение высоты трещины дифракционным методом

Если дефект представляет собой трещину с очень острыми кра­ями, для определения ее высоты могут оказаться эффективными диф­ракционные методы. При озвучивании из положения И1 верхнего края трещины волной под углом ₁ (рис. 8.52) возникает дифрагированная волна, принимаемая преобразователем П1 с углом ввода _2. Нижний край трещины озвучивают из положения И2, дифрагированную волну принимают в положении П2. Положения И1, П1 и И2, П2 предвари­тельно определяются тем, что акустические оси преобразователей должны проходить через верхний и нижний края трещины соответст­венно. После предварительной установки, последовательно переме­щая сначала излучающий, а потом приемный ПЭП, их устанавливают в положения, когда дифрагированный импульс имеет максимальную вы­соту. Работу целесообразно выполнять двум дефектоскопистам. Вы­соту h трещины, не выходящей на поверхность, определяют по задержке времени t между сигналами, дифрагированными от верхнего и нижнего краев трещины:

(8.26)

Для измерения высоты трещин в тонкостенных изделиях (тол­щиной до 20 мм) оптимальной является продольная волна под углом ₁ = 60° - 70°. Угол ввода приемника (также продольная волна) мало критичен и может быть принят в диапазоне ₂ = 40° - 50°. Для изме­рения высоты трещин в толстостенных изделиях (толщиной более 20 мм) лучше использовать поперечную волну под углом ₁ = 37° - 47°. Угол ввода приемного ПЭП (также поперечная волна) также может быть принят в диапазоне ₂ = 37° - 50°.