Акустические методы контроля

Ультразвуковые волны, используемые в дефектоскопии, представляют собой упругие колебания, возбуждаемые в материале изделия. Ультразвук обладает способностью неограниченного проникновения в глубину и обнаружения дефектов любых размеров и расположения. Распространение высокочастотных упругих воли происходит по аналогии с законами геометрической оптики. Упругая волна в направлении распространения несет определенную энергию, и по мере удаления от излучателя интенсивность волн падает и амплитуда колебаний частиц убывает.

В металлах возбуждаются волны пяти типов: поперечные, продольные, изгиба, растяжения и поверхностные. Возникновение волн того или иного типа определяется упругими свойствами объекта и его формой. Если частицы совершают колебательные движения, совпадающие с направлением движения волны по объекту, то это продольные волны; когда направление колебания частиц перпендикулярное, то это поперечные (сдвиговые) волны. В объектах, толщина которых соизмерима с длиной волны (листовой материал), могут возникать волны изгиба (нормальные).

В качестве источников колебаний в ультразвуковых дефектоскопах используют ламповые или полупроводниковые генераторы. Получаемые из них электрические колебания преобразуются в ультразвуковые колебания среды с помощью преобразователя, основанного на пьезоэлектрическом эффекте, т. е. на возникновении электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при ее деформации и, наоборот, на изменении размеров кварцевой пластинки, если к ней подвести электрический заряд. Следовательно, пьезоэлектрический приемник и излучатель могут быть представлены в виде одного прибора, которым можно поочередно излучать и принимать ультразвуковые колебания. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем.

Наибольшее распространение имеют пьезоэлектрические преобразователи, представляющие собой пластину, изготовленную из монокристалла кварца или пьезокерамических материалов: титаната бария, цирконат-титаната свинца и др. На поверхности этих пластин наносят топкие слои серебра (электроды) и поляризуют их в постоянном электрическом поле. Излучающую пластину монтируют в специальной выносной искательной головке (щупе), связанной с генератором коаксиальным кабелем. Используют различные типы преобразователей с возбуждением в контролируемом изделии преимущественно продольных, сдвиговых, поверхностных волн. Конструкции ультразвуковых головок приведены на рис. 6.6.12.

Прямая головка (рис. 6.6.12, а) предназначена для возбуждения в изделии продольных волн и обнаружения глубинных дефектов. В конструкции предусмотрено демпфирование свободных колебаний пьезоэлемента путем приклеивания его к демпферу — массивному цилиндру. Нижняя часть пьезоэлемента защищена пластиной из пластмассы, металла или металлокерамики, что повышает его износостойкость. Призматические головки обеспечивают возбуждение в изделии поверхностных, нормальных иди сдвиговых волн, распространяющихся под определенным углом к поверхности. Призму выполняют из органического стекла, пьезоэлемент помещают на площадку, ориентированную в соответствии с выбранным углом падения. Призма головки сконструирована так, что отраженные от раздела сред (де;

Рис. 6.6.12. Конструкции ультразвуковых головок:

а — прямая головка; 6 — призматическая головка; 1 — корпус; 2 — контактный штырь;

3 — демпфер; 4 — пьезоэлемент; 5 — защитное донышко; 6 — призма таль — призма) упругие волны затухают, многократно отразившись от граней призмы, не попадая на пьезоэлектрическую пластину и не создавая тем самым шумов, забивающих отраженные от дефекта ультразвуковые колебания (рис. 6.6.12, б).

При неразрушающем контроле используют несколько методов ультразвукового прозвучивания контролируемых объектов и получения необходимой информации: прошедшего излучения (рис. 6.6.13, а); отраженного излучения (эхо-метод) (рис. 6.6.13, б); резонансный (рис. 6.6.13, в).

Метод прошедшего излучения (теневой метод, или метод сквозного прозвучивания) основан на ослаблении проходящего ультразвука при наличии внутри детали дефектов, создающих ультразвуковую «тень». Если в детали дефекты отсутствуют, то ультразвуковая волна движется прямолинейно, пока не достигнет противоположной стороны изделия. Чем больше дефект, тем значительнее ослабление ультразвука, и наоборот. В случае когда на пути упругих волн имеется дефект, то в зависимости от его местоположения показания индикатора меняются, так как дефект отразит часть волн и они не попадут на приемную головку. Импульс на экране прибора при этом уменьшится или исчезнет, образуется акустическая «тень». Метод,.

Рис. 6.6.13. Схемы ультразвукового контроля:

а — метод прошедшего излучения; б — метод отраженного излучения; в — резонансный метод; 1 — блок генератора; 2 — блок усилителя; 3 — блок индикатора; 4 — блок регистрации резонансов; 5 — демпфер; 6 — излучатель; 7 — демпфер приемной головки; 8 — контролируемый объект; 9 — дефект как правило, применяется для контроля качества листового проката, подшипников скольжения, многослойных дисков, клееных соединений.

Метод отраженного излучения (эхо-метод) основан на посылке в контролируемое изделие коротких импульсов и регистрации интенсивности и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов или границ изделия. Импульс, посланный излучателем, проходит сквозь изделие и отражается от противоположной стороны (поверхности). Если имеется дефект (трещина, раковина), то он отразится от них, что будет зарегистрировано на экране дефектоскопа в виде всплеска импульса. Если в детали несколько трещин или раковин, расположенных одна за другой, то на экране дефектоскопа появится несколько всплесков.

Дефектоскоп, схема которого представлена на рис. 6.6.14, работает следующим образом. От импульсного генератора 1 на излучающую пластинку 2 подастся кратковременный импульс переменного напряжения (продолжительностью 3—5 мкс). Под действием его в пластинке возбуждаются колебания, которые в виде узкого пучка ультразвука 3 передаются в исследуемое изделие 4. Одновременно с подачей переменного напряжения на излучающую пластинку такой же импульс подается в усилитель 5, а также в специальное устройство 6, заставляющее электронный луч в электронно-лучевой трубке 7 быстро передвигаться по горизонтали слева направо.

Этот луч прочеркивает светящуюся линию на экране трубки, где появлялся всплеск 8, называемый начальным импульсом. При отсутствии дефектов в исследуемом изделии узкий ультразвуковой пучок 3 пройдет до противоположной его поверхности, отразится от нее и, дойдя до первой (верхней на рисунке) поверхности, попадет на приемную пластинку 9 и заставит ее колебаться. Возникшая на приемной пластине разность потенциалов усиливается. Усиленные сигналы, подключенные к электронно-лучевой трубке, вызовут на правой стороне ее экрана всплеск 10, называемый донным импульсом. Если внутри исследуемого изделия есть дефект 11, то ультразвук дойдет до него раньше, чем до противоположной грани, частично отразится от границы дефекта и попадет на приемную пластину раньше. Вследствие этого на экране трубки между начальным импульсом 8 и донным импульсом 10 возникнет третий импульс 12, показывающий присутствие дефекта в исследуемом изделии. По расстоянию между импульсами, отраженными на экране трубки, можно определить глубину залегания дефекта, а положение искательных щупов на поверхности изделия ноказы;

Рис. 6.6.14. Блок-схема импульсного ультразвукового дефектоскопа с приемом отраженного сигнала (пояснения см. в тексте) вает расположение дефекта в горизонтальной проекции. Дефектоскоп питается от сети переменного тока через специальный блок питания 13.

Акустико-эмиссионный метод основан на выделении и анализе параметров сигналов акустической эмиссии. При контроле регистрируются сигналы, возникающие при пластической деформации участков контролируемого объекта. Акустическая эмиссия — явление, возникающее вследствие освобождения энергии в твердых телах, подвергнутых пластической деформации или излому. Часть этой энергии преобразуется в упругие волны, которые распространяются в материале и могут быть обнаружены на его поверхности с помощью высокочувствительных преобразователей. Акустические эмиссионные контрольно-измерительные приборы обладают двумя особыми качествами: способностью обнаруживать образование или развитие трещины во времени и возможностью бесконтактного дистанционного контроля. Кроме того, анализ сигналов многочисленных преобразователей (трех и более) дает информацию, достаточную для определения местоположения источника сигнала. С помощью акустической эмиссионной аппаратуры изучались разрывы трубопроводов под давлением. Одна из задач контроля состоит в том, чтобы определить момент начала роста трещины и заблаговременно предсказать надвигающийся разрыв.

Первичными характеристиками акустической эмиссии являются скорость эмиссии и последовательный подсчет общего числа вспышек. В качестве рабочих характеристик изучаются высота и продолжительность импульса сигнала. Степень достигнутого соответствия между параметрами акустической эмиссии и излома весьма высока, что позволяет использовать метод с достаточной надежностью.

Импедансный акустический метод контроля основан на регистрации величины акустического импеданса участка контролируемого объекта. Используется зависимость полного механического сопротивления (импеданса) изделия от характера связи соединений его элементов между собой. Изменение входного импеданса контролируемой системы может оцениваться, но изменению амплитуды или фазы реакции, действующей на датчик, возбуждающий в системе упругие колебания. Принципиальная схема контроля данным методом показана на рис. 6.6.15. Датчик (стержень) 1 совершает продольные колебания и, контактируя с изделием 4> заставляет его колебаться как единое целое. Механическое сопротивление, оказываемое изделием стержню, определяется жесткостью системы: заполнитель (клей) 3 —.

Рис. 6.6.15. Схема контроля качества склейки импедаисным методом (пояснения см. в тексте) обшивка 2. При контактировании датчика с участком конструкции А, где жесткая связь, сила реакции F изделия на стержень значительна. При положении датчика в месте нарушения жесткой связи Б сила реакции будет меньше, что легко обнаруживается.

Дефект вызывает также значительный фазовый сдвиг. Поэтому, измеряя фазовый сдвиг между принятым сигналом и напряжением возбуждающего излучатель генератора, выявляют дефекты по вызываемому ими изменению фаз. Имиедансный метод позволяет обнаруживать зоны нарушения жесткой связи между элементами слоистых конструкций: расслоения, неироклеи, непроиаи, неполную полимеризацию и др.

В основе метода свободных колебаний лежит способность возбуждения и последующая регистрация свободных колебаний. При заданных размерах и форме изделия, однородности материала частота собственных колебаний является величиной определенной. При наличии дефекта (расслоения, раковины и др.) параметры колебательной системы изменяются, это приводит к изменению частоты собственных колебаний.

Сущность метода состоит в следующем. Если твердое тело, обладающее определенной массой, упругостью и механическим сопротивлением, возбудить резким ударом, то в нем возникнут собственные (свободные) затухающие колебания. Эти колебания имеют определенную частоту и меняются, если контролируемое изделие содержит дефектные участки. Таким образом, возбуждая в изделии упругие колебания и регистрируя его собственные колебания, определяют наличие дефектов, влияющих как на величину амплитуды, так и на декремент их затухания.

На рис. 6.6.16 показана схема контроля качества склейки материала методом свободных колебаний. Боек датчика укреплен на якоре электромагнита 2. Ударяя по поверхности контролируемого изделия 1 с частотой питающего электромагнит переменного тока, он возбуждает в изделии свободные колебания. Микрофон 3 (пьезоэлемент) находится на поверхности изделия, воспринимает колебания и передает в виде электрических сигналов на усилитель 4, на выходе которого включено реле, управляющее сигнальной лампой индикатора 5. Если датчик попадает на участок непроклея, то амплитуда возбуждаемых в изделии колебаний падает, сигнал на выходе усилителя уменьшается, реле срабатывает и загорается сигнальная лампа.

Рис. 6.6.16. Схема контроля качества склейки методом свободных колебаний.

(пояснения см. в тексте).