Ультразвуковой контроль (УЗК) является одним из акустических методов неразрушающего контрля и позволяет измерять геометрические параметры, например толщину при одностороннем доступе к изделию, физико-механические свойства мaтериалов, а также обнаруживать скрытые внутренние дефекты в объектах контроля без их разрушения или разделения.
К преимуществам контроля ультразвуковым методом относятся:1. Высокая чувствительность, позволяющая выявлять мелкие дефекты.
2. Большая проникающая способность, позволяющая обнаруживать внутренние дефекты в крупногабаритных изделиях.
3. Возможность определения места и размеров дефекта.
4. Возможность контроля при одностороннем доступе к изделию.
5. Безопасность работы оператора и окружающего персонала.
К недостаткам метода относится необходимость разработки специальных методик контроля отдельных типов деталей, высокие требования к квалификации операторов, выполняющих контроль, необходимость сравнительно высокой чистоты обработки поверхности контролируемых объектов и наличие мертвых зон, снижающих эффективность контроля.
Упругие акустические колебания, частоты которых находятся в диапазоне от 2х104 Гц до 109 Гц называют ультразвуковыми. Для возбуждения упругих колебаний в различных материалах используют преобразователи. Наибольшоее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, представляющее собой пластины, изготовленные из монокристала кварца или пьезокерамических материалов, на поверхности которых наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При приложении к электродам переменного электрического напряжения пьезопластина совершает вынужденные механические колебания (растягивается и сжимается) с частотой электрического напряжения (обратный пьезоэффект). При воздействии на пьезопластину упругих механических колебаний не ее электродах возникает переменное электрическое напряжение с частотой воздействующих на нее механических колебаний (прямой пьезоэффект).
Правильный выбор частоты УЗК имеет большое приктическое значение для получения необходимой чувствительности при проведении контроля. Чем выше частота, тем меньше длина упругих волн в контролируемом изделии и тем лучше условия отражения их от дефектов. С повышением частоты прозвучивания увеличивается направленность излучения и приема, что способствует повышению чувствительности контроля. Однако с увеличением частоты повышается коэффициент затухания упругих волн в контролируемом объекте, ухудшаются условия их прохождения через поверхность ввода, увеличивается интенсивность отражений от границ зерен и неоднородностей металла, не являющихся дефектами. При контроле деталей частота УЗК определяется в основном коэффициентом затухания, уровнем структурной реверберации материала и габаритами контролируемого изделия. Зная эти характеристики, можно оценить и выбрать оптимальную частоту, которая обеспечит наибольшую чувствительность контроля при минимальных потерях энергии на рассеяние и поглащение ее зернами металла.
Промышленный ультразвуковой контроль чаще всего проводится с использованием ультразвуковых волн с частотами в диапазоне от 500 кГц до 20 МГц. В целом, более высокие частоты позволяют увеличить разрешающую способность, необходимую для измерения толщины малоразмерных объектов или для обнаружения микроскопичаских дефектов. В то же время, более низкие частоты обеспечивают лучшее проникновение ультразвука в объекты контроля большой толщины или выполненные из материалов, которые плохо проводят ультразвуковые волны.
Распространение высокочастотных упругих волн происходит по аналогии с законами геометрической оптики. Волновое поле, создаваемое пьезоэлементом вблизи имеет цилиндрическую форму (ближняя зона), а на некотором расстоянии - форму усеченного конуса. Ультразвуковые волны характеризуются направленностью. Чем бальше диаметр излучателя и частота упругих волн, тем выше направленность пучка лучей. В отличие от слышимого звука, который распространяется от источника в виде сферической волны, из-за того что длинна волны превышает диаметр самого источника, ультразвук распространяется в виде узкого луча, проникающего в объект контроля строго в заданом направлении. По мере удаления от излучателя интенсивность волн падает и амплитуда колебаний частиц постепенно убывает. Это обусловлено геометрическим расхождением лучей, что приводит к увеличению площади фронта волны, а также наличием потерь в среде, приводящих к постепенному затуханию колебаний при их распространении.
В соответствии с областями применения, наиболее распространнеными из ультразвуковых приборов для неразрушающего контроля являются толщиномеры и дефектоскопы.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ
Ультразвуковые толщиномеры измеряют время прохождения ультразвукового импульса от излучателя до противоположной поверхности объекта контроля и обратно к преобразователю. Для проведения таких измерений доступ к противоположной поверхности объекта контроля не требуется. Благодаря этому, если противоположная поверхность объекта контроля является труднодоступной или полностью недоступной, необходимость разрезать объект контроля (что требуется при использовании микрометра или штангенциркуля) отсутствует. С помощью ультразвуковых толщиномеров может быть измерена толщина изделий из большинства конструкционных материалов, таких как металлы, пластики, керамика, композиты, эпоксидная смола и стекло, а также толщина слоя жидкости или биологических образцов.
Так как ультразвук плохо распространяется в воздухе, между преобразователем и поверхностью объекта контроля наносится небольшое количество контактной жидкости. Обычно в роли контактной жидкости выступает глицерин, пропиленгликоль, вода или масло. Ультразвуковой импульс, излучаемый преобразователем, проникает в объект контроля, проходит до противоположной поверхности, отражается от нее и попадает обратно на преобразователь. Подобно эхолокатору, толщиномер точно измеряет временной интервал между отправкой зондирующего импульса и получением отраженного эхосигнала, составляющий обычно несколько микросекунд. Для проведения измерений может потребоваться настройка параметра, называемого сдвигом нуля, необходимая для компенсации времени аппаратной задержки импульса в самом толщиномере и преобразователе. Полученный временной интервал толщиномер делит на два, получая время прохождения ультразвука в одну сторону. Это значение умножается на скорость распространения ультразвука в данном материале. Таким образом рассчитывается толщина объекта контроля.
Значение скорости ультразвука является существенной частью этих расчетов. Различные материалы проводят ультразвуковые волны с различной скоростью. Кроме этого, в некоторых материалах, особенно в пластмассах, скорость ультразвука колеблется с изменением температуры. Таким образом, настройка ультразвукового толщиномера на правильную скорость ультразвука в материале, из которого выполнен объект контроля, является очень важной. Для этого используются опорные образцы известной толщины.
При любом измерении толщины выбор толщиномера и преобразователя зависит от материала, из которого выполнен объект контроля, диапазона измеряемой толщины и требуемой точности измерений. Кроме этого, необходимо учитывать форму объекта контроля, его температуру и другие специальные условия.
Одной из самых важных областей применения ультразвукового контроля является измерение остаточной толщины стенок металлических труб, резервуаров или баллонов, подверженных коррозии с внутренней стороны.
Многие современные ультразвуковые толщиномеры оснащены сложными системами регистрации и передачи данных, обеспечивающими сопряжение толщиномеров с компьютерными базами данных. Тысячи показаний могут быть получены и сохранены под идентификационными номерами (идентификаторами) в полевых условиях или при проведении контроля работающего оборудования на промышленном предприятии и загружены в компьютер для регистрации и статистического анализа. Некоторые портативные толщиномеры также предусматривают отображение эхосигналов на дисплее. Эти эхосигналы могут быть использованы опытным оператором для проверки точности показаний в сложных случаях контроля, а также для установки оптимальных значений параметров работы толщиномера.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ Используя те же самые принципы отражения ультразвука, ультразвуковые дефектоскопы обнаруживают эхосигналы, отражающиеся от трещин, пустот или других нарушений сплошности материала, из которого выполнен объект контроля. Ультразвуковой импульс распространяется в твердом однородном материале (например, стенке стальной трубы) до тех пор, пока не сталкивается с границей с другим материалом (например, воздухом в трещине или воздухом, с которым граничит противоположная поверхность стенки трубы).
Дефектоскоп отображает информацию об амплитуде и положении эхосигналов, которая может быть использована для классификации дефектов. Сравнивая эхосигналы от опорного образца и от реального объекта контроля, опытный оператор может обнаружить скрытые дефекты задолго до того, как возникнет реальная неисправность.
Одной из наиболее важных областей применения ультразвуковых дефектоскопов является контроль качества сварки. Современное программное обеспечение, установленное в большинстве цифровых ультразвуковых дефектоскопов, обеспечивает графическое отображение траектории ультразвука, проходящего через сварные швы, что позволяет подробно исследовать характеристики любой подозрительной области. Дефектоскопы также широко используются для контроля состояния паровых котлов и баллонов, сооружений из конструкционной стали, деталей автомобилей и летательных аппаратов. Хотя большинство областей применения дефектоскопов охватывает металлы, методы дефектоскопии могут быть эффективно использованы для контроля качества пластмассовых, композитных и керамических объектов. Современные дефектоскопы с питанием от аккумуляторов являются полностью портативными и обеспечивают широкие возможности регистрации и обработки данных. Информация, полученная с помощью ультразвуковых дефектоскопов, позволяет подготовленному оператору не только провести исчерпывающий контроль, но и расшифровать его результаты.
