Принципы УЗ-контроля. Как показано на рис. 4.4, акустические коле­бания от генератора-излучателя Г распространяются в материале изделия. При наличии несплошности Д образуется отраженное поле и дифрагиро­ванное поле рассеяния.

Рис.4.2. Схема ультразвукового контроля сварного шва.

За несплошностью при ее значительных размерах (>λ) имеется акустическая тень, а поверхность несплошности отражает УЗ-колебания. Регистрируя с помощью приемника-искателя П₁  ослабле­ние УЗ-волны или с помощью искателя П₂ — эхо, т.е. отраженную УЗ-волну, можно судить о наличии несплошностей в сварном шве. Это основа двух главных методов УЗ-контроля: теневого и эхо-метода.

Для того чтобы правильно использовать указанные принципы, целесо­образно рассмотреть отдельно наиболее важные "дефектоскопические" свойства УЗ-колебаний (УЗК). К ним относятся: направленность, ближ­няя и дальняя зоны, отражение от несплошностей, затухание, трансфор­мация.

1.Направленность УЗК. Угол расхождения φ_р(см. рис. 4.1, а) УЗ-ко-лебаний зависит от соотношения дли­ны волны λ и диаметра поршневого излучателя 2а:

                                        (4.8).

Для малых углов . Если > 2а, то источник звука считают сфе­рическим.

При увеличении отношения диаметра к длине волны направленность УЗ-пучка становится острее, а угол φ_р, соответствующий половине угло­вой ширины диаграммы направленности, меньше: φ_р І а Іf I.

В России принято 2 a /λ = 7-8, что соответствует углам φ_р = 5° -20°.

Из формулы (4.8) следует, что чем больше диаметр пьезоэлемента, тем точнее можно определить координаты дефектов. Однако ограничи­вающий фактор здесь - наличие ближней зоны искателя, в которой полу­чение однозначной информации о несплошностях затруднено.

Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в по­лярных координатах, называемого диаграммой направленности (см. рис. 4.1, в). Диаграмма характеризует зависимость Ф(φ) амплитуды поля в дальней зоне от полярного угла <φ. Угол φ отсчитывают от полярной оси, совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.

На диаграмме кроме основного лепестка изображены дополнитель­ные мелкие лепестки, которые в дефектоскопическом отношении значи­тельной роли не играют.

2. Ближняя и дальняя зоны. Формула (4.8) показывает направлен­ность УЗ-пучка в зоне Фраунгофера (дальней). В ближней зоне Френеля
амплитуда поля осциллирует как вдоль оси (см. рис. 4.1, б), так и по
сечению пучка, а УЗ-волна при этом распространяется почти без расхож­
дения. Протяженность ближней зоны r _б для поршневого излучателя

.                   (4.9)

Из формулы (4.9) видно, что увеличение, диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону искателя.

Пример 4.3. Определим приближенно зону r _b угол j_р  Для УЗ-пучка в стали при возбуждении продольной волны пьезопреобразователем диаметром 2а = 12 мм при f= 2,5 МГц, С » 6 мм/мкс:  

r_b = a ² f /С=6²2,5/6 = 15 мм;

j_р = arcsin0,61С /af= arcsin0,61 < 6/6 • 2,5 = arcsin(0,24) »14°.

Определим, как выполняется указанная выше рекомендация о соотношении 2а/ l .  Здесь  l = 2,5 мм, поэтому 2а/ l = 12/2,5 »5.

3. Отражение от несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит осно­вой их использования в наиболее распространенном эхо-импульсном ме­тоде дефектоскопии. При падении волны на поверхность раздела двух
сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть от­ражается в первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред,
то проходящая и отраженная волны будут такого же типа, что и падающая.
Коэффициент отражения R , как отношение интенсивностей отраженной
и падающей волн, будет зависеть от соотношения удельных акустических
сопротивлений  первой и второй сред:

 (4.10)

Раскрытие несплошностей "по лучу" также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины Δ r = 10^-4 – 10 ^-5 мм отражают около 90 % падающей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости трещин служат несплошности раскрытием:

Δ r >10 ^-5λ.                                            (4.11)

Значения R справедливы тогда, когда попе­речные к УЗ-пучку размеры несплошностей значительно больше длины волны. В противном случае УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений. Таким образом, свойство отражения УЗ-волн служит основой выявления несплошностей в сварных соединениях. Акус­тические свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непровары, сущест­венно отличны от свойств основного металла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскры­тия более 10^-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R= 0,35 - 0,65 в зависимости от марки флюса.

Оксидные плены, особенно в сварных швах алюминиевых сплавов, а также при диффузионной или контактной сварке, выявляются плохо, несмотря на их достаточно большую площадь и протяженность. Причиной этому служит малое раскрытие и близость акустических свойств дефекта и металла. Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно выявлять не-сплошности площадью S > 1 мм² на глубине — 100 мм. При увеличении частоты УЗК можно выявлять несплошности и с меньшей площадью. Пределом в увеличении частоты становится четвертое свойство -УЗК-затухание.

4. Затухание. Коэффициент затухания δ в приведенных выше форму­лах (4.5) и (4.6) возрастает с увеличением частоты не линейно, а по дру­гим законам. Причем в твердых телах он складывается из коэффициентов поглощения δ_п и рассеяния δ_р.

Поглощенная звуковая энергия переходит в тепло. Рассеянная энергия
остается по форме звуковой, но уходит из направленного пучка, отра­жаясь от неоднородностей среды. В однородных средах (пластмасса,
стекло) затухание определяется главным образом поглощением ультра­
звука: δ_п > δр. Причем δ_п пропорционален либо f (стекло), либо f ²
(пластмассы).                                       

В металле сварных соединений рассеяние преобладает над поглоще­нием: δ_р >δ_п, причем δ_п пропорционально f, а δ_р пропорционально f ³ или f ⁴. Коэффициенту рассеяния в металлах зависит от соотношения средней величины зерен D³ и длины λ УЗ-волны. Увеличение размера зерен приво­дит к росту затухания УЗК, так что б_р пропорционально D ³ f ⁴ Таким об­разом для УЗ-контроля швов следует иметь в виду соотношения:

δ= δ _п+ δ _р; δ _р> δ._п; δ _р ~ D ³ f ⁴.

Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажало результаты де­фектоскопии практически необходимо иметь

λ> (10- 100)D .

Если это условие выполняется по второму пределу (λ> 100D), то можно обычно контролировать металл на глубину вплоть до 8 -10 мм и даже более.

Следует отметить, что на рассеяние УЗ-колебаний большое влияние оказывает анизотропия кристаллов. При этом скорость С₁ по одной из осей кристаллита или зерна существенно отличается от скорости С₂ вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзеренная анизотропия кристаллов обычно мала. У коррозионно-стойких сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии весьма резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой "прозвучиваемости" этих материалов. Некоторые реальные материалы по росту рассеяния УЗК в них можно расположить примерно в следующий ряд:

А1-сплавы, "Ti -сплавы, перлитные стали, аустенитные стали, медь, чугуны, бетон. "Прозвучиваемость" в этом ряду ухудшается.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения последней. При этом принимают диапазон волн примерно в области λ = (4 + 10)D.

Как уже указано выше, коэффициент затухания δ можно измерять в неперах на 1 см или см^-1. Если амплитуду и интенсивность измеряют в дицибелах, то δ удобно выражать в единицах δ _N отрицательный децибел на 1 см: — дБ/см (или — дБ/м), причем δ _N =- 8,695 (1 непер = 8,69 дБ). Физически коэффициент затухания δ определяет путь волны, на котором ее амплитуда ослабляется в е раз (е « 2,7 - число Непера).

Коэффициент затухания б_г поперечных волн в низколегированных сталях разных марок в среднем составляет:

Частота, МГц                 1,8  2,5 5

Δ_t ± 0,003, Нп/см                0,015 0,017  0,03

Поскольку термообработка влияет на размер зерна металла, то УЗ-контроль следует проводить после нее. Достоверность оценки дефек­тов при этом возрастает.

5.Трансформация УЗ-колебаний. Рассмотренные выше процессы от­ражения УЗ-волн относились к нормальному их падению на границу раз­дела сред. Практически при контроле сварных швов применяют, как пра­вило, наклонные искатели с вводом УЗК под некоторым углом к верти­кали. В общем случае при падении продольной волны наклонно под уг­лом β к границе двух твердых сред происходит трансформация (расщепле­ние) этой волны (рис. 4.5).

Рис.4.3. Трансформация УЗ-волн при их преломлении: а) – общая схема. Схема б, в, г соответствуют первому, второму и третьему критическим углам; z ₁ , z ₂ – акустические сопротивления среды

 Возникают две преломленные волны (продольная С _{L 2}  и поперечная С _{t 2} ) и две отраженные (С _{L 1} и С _{t 2}). Углы преломления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют законом Снеллиуса. Записан­ный только для преломленных волн этот закон имеет вид

                   (4.14)

При увеличении угла падения β, который соответствует углу плекси­гласовой призмы в наклонных искателях, углы ввода УЗК в металл α _L и α _t также меняются и вся диаграмма как бы поворачивается против часо­вой стрелки вокруг точки О. При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом металле луча α _L, а потом — луча α _t . Углы β , соответст­вующие исчезновению продольной, а затем поперечной волны в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значе­нию β _кр1 отвечает угол α _L = 90°, а значению β_кр2 - α _t = 90°.

Во многих применениях УЗ-дефектоскопии сварных швов целесооб­разно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных искателей выбирают именно в интервале между двумя най­денными выше критическими значениями (β _кр1 +3°) <β< (β_кр2-3°) Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащищенности контроля в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны

Если падающая волна поперечная, а вторая среда - жидкость или воздух, то по мере увеличения угла падения, начиная с некоторого третьего критического значения β_кр3, продольная отраженная волна отсутствует в первой среде (рис. 4.3, г):

β_кр3 = С _t / C_{L 1 .}

6.Акустический тракт. Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электро-акустическом, электрическом и акустическом.

Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора н; входе приемника.

В электроакустическом тракте электрические колебания преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.

 Электрический тракт, определяющий амплитуду зондирующего им пульса и коэффициент усиления, состоит из генератора и усилителя.

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до отражателя в материале и от этого отражателя до приемника. Важная задача  методики УЗ-контроля — расчет акустического тракта, т.е. оценка ослабления амплитуды эхо-сигнала А/А₀  в зависимости от акустических и геометрических параметров тракта.

В простейшем случае, для дальней зоны УЗ-поля, при расстоянии  r от пьезоэлемента площадью s _а соосный с пьезоэлементом дисковый отражатель площадью s_B обеспечивает отношение амплитуд А отраженного и посланного А₀ сигналов по формуле

                  (4.12)

В формуле (4.12) принято, что размер отражателя больше длины вол­ны λ и меньше размера пьезоэлемента.