Ультразвуковая дефектоскопия сварных соединений является одним из наиболее распространенных методов акустического неразрушающего контроля и широко применяется при изготовлении сварных конструкций. Используются ультразвуковые колебания – механические колебания упругой среды, частота которых лежит за порогом слышимости человеческого уха, то есть > 20 кГц. На практике используют колебания частотой 1,0…15 МГц. Ультразвуковой контроль обуславливается высокой чувствительностью и достоверностью к обнаружению дефектов, высокой оперативностью и производительностью, безопасностью в работе, в отличие от традиционных способов радиографического контроля.

Метод ультразвуковой дефектоскопии был открыт российским ученым Сергеем Яковлевичем Соколовым в 1928 г. основанный на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик в контролируемых изделиях с помощью специального оборудования – ультразвукового дефектоскопа.

Для дефектоскопии применяются поперечные и продольные ультразвуковые волны (УЗВ). Продольные волны, как правило, используют, когда УЗ необходимо ввести перпендикулярно или под небольшим углом к поверхности, поперечные - когда угол ввода должен быть значительным (> 35°). Это обусловлено удобством возбуждения волн данного типа: продольных – прямым или наклонным преобразователем с небольшим углом ввода, поперечных – наклонным преобразователем с углом падения между первым и вторым критическими углами [1].

Для контроля сварных швов применяют: эхо - метод, теневой метод, зеркально-теневой метод, эхо  - зеркальный метод, дельта метод.

При любом из перечисленных методов контроля можно, а иногда и необходимо применять два пьезоэлектрических преобразователя, один из которых выполняет функции излучателя, другой – приемника. Такая схема включения называется раздельной. Когда используется один пьезопреобразователь, то в этом случае он выполняет функции излучения зондирующих импульсов и приема эхо – сигналов и такая схема называется совмещенной.

Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) – электроакустический преобразователь, входящий в комплект ультразвукового дефектоскопа принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в акустическую и обратно на основании пьезоэлектрического эффекта.

Эхо метод основан на регистрации эхо – сигнала, отраженного от дефекта. Кроме преимущества одностороннего доступа он также имеет наибольшую чувствительность к выявлению внутренних дефектов, высокую точность определения координат дефектов. К недостаткам метода следует отнести прежде всего низкую помехоустойчивость к наружным отражателям, резкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта. Этим методом контролируют около 90% всех сварных соединений толщиной 4 мм и более. На рис. 1 изображен принцип действия эхо – метода с одним преобразователем [2].

При теневом методе контроля о наличии дефекта судят по уменьшению амплитуды УЗ-колебаний, прошедших от излучателя к приемнику. Чем больше размер дефекта, тем меньше амплитуда прошедшего сигнала. Излучатель и приемник ультразвука располагают при этом соосно на противоположных поверхностях изделия. Теневой метод можно применять только при двустороннем доступе к изделию. При ручном контроле этим методом можно контролировать сварные швы ограниченного сечения небольшой толщины. Недостатками метода являются сложность ориентации ПЭП относительно центральных лучей диаграммы направленности, невозможность точной оценки координат дефектов и более низкая чувствительность (в 10...20 раз) по сравнению с эхо – методом. К преимуществам следует отнести низкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта, высокую помехоустойчивость и отсутствие мертвой зоны. Благодаря первому преимуществу этим методом уверенно обнаруживаются наклонные дефекты, не дающие прямого отражения при эхо – методе. На Рисунке 2 изображен принцип действия теневого метода с двумя преобразователями [2].

При зеркально-теневом методе признаком обнаружения дефекта служит ослабление амплитуды сигнала, отраженного от противоположной поверхности (ее обычно называют донной поверхностью) изделия. Дополнительным преимуществом этого метода по сравнению с теневым являются односторонний доступ и более уверенное обнаружение дефектов, расположенных в корне шва. Оба эти метода нашли широкое применение при контроле сварных стыков арматуры. На Рисунке 3 изображен принцип действия зеркально – теневого метода с двумя преобразователями [2].

Основными преимуществами ультразвукового контроля является реакция ультразвука непосредственно на причину нарушения прочности. В ультразвуковой дефектоскопии сам факт распространения ультразвуковых волн основан на упругих связях в веществе. Именно упругие связи обеспечивают прочность твердого тела. Появление дефекта нарушает эти связи и вызывает отражение ультразвука. Именно поэтому ультразвук способен выявлять трещины раскрытием 105...104 мм (более тонкие, чем любой другой неразрушающий метод), а также обнаруживать дефекты, заполненные другим веществом. Возможность выявления как поверхностных, так и внутренних дефектов. Безопасность для исполнителей и окружающих. Сравнительно небольшие затраты на контроль. Кроме контактной жидкости и довольно долговечных преобразователей никаких расходных материалов не требуется. Мобильность и адаптивность: возможность выполнять контроль, например, на высоте, в монтажных условиях, в широком диапазоне температур.

К основным недостаткам ультразвуковых методов относятся трудность или невозможность контроля изделий из неоднородных, крупнозернистых материалов (нетермообработанных литых металлов, например аустенитных сталей, некоторых типов чугунов и т.п.); требование ровной, гладкой поверхности ввода изделия; трудность или невозможность контроля изделий малых размеров и сложной конфигурации; при традиционном ручном контроле - отсутствие объективного документа о факте выполнения контроля и его результатах, подобного рентгеновской пленке; трудность или невозможность определения характера дефекта и его реальных размеров.

Особенностью ультразвукового контроля (в большей степени, чем других неразрушающих методов) является то, что дефекты обнаруживаются и правильно квалифицируются с определенной степенью вероятности, то есть не со 100 %-ной достоверностью. Причины этого заключаются как в субъективных ошибках дефектоскописта, так и в ошибках объективных, т.е. не зависящих от дефектоскописта и аппаратуры.

 

Список литературы

1.     Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ, пособие.— Мн.: Выш. шк., 1987.— 271 с.

2.     Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Н54 Т. 3: Ультразвуковой контроль / И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. - М.: Машиностроение, 2004. - 864 с.