Принципиальные схемы. Для сварных соединений наибольшее приме­нение находят пять основных методов УЗ-контроля. Первый из них — им­пульсный эхо-метод (или просто эхо-метод). Он основан (рис. 4.4, а) на отражении УЗ-колебаний от несплошности (отражателя), причем ампли­туда эхо-сигнала пропорциональна площади этого отражателя.

Рис.4.4. Схемы использования основных методов УЗ-контроля сварных швов и варианты включения УЗ-преобразователей

Следующими по распространенности можно считать теневой и зеркаль­ но-теневой методы. Оба они основаны на уменьшении амплитуды УЗ-коле­баний вследствие наличия несплошности на их пути (рис. 4.6, б, в). Чем крупнее дефект, тем слабее прошедший к приемнику сигнал. В теневом методе (рис. 4.6, б) УЗ-луч идет прямо от генератора к приемнику через контролируемый стык. Зеркально-теневой метод отличается от теневого тем, что регистрирует уменьшение УЗ-колебаний, отраженных от нижней поверхности листа (рис. 4.6, в).

Сравнительно недавно был предложен эхо-зеркальный метод (рис. 4.6, г). Он основан на сравнении амплитуд обратно-отраженного (А₀₀) и зеркально-отраженного (А₃₀) сигналов от дефекта.

Изредка используют также эхо-теневой метод, когда о наличии де­фекта судят одновременно по эхо-импульсу от несплошности и по ослаб­лению однажды отраженного сигнала (рис. 4.6, д, е).

Термины и определения акустических методов регламентированы ГОСТ 23829-79.

Схемы соединения искателей обусловлены как методом УЗ-контроля, так и видом соединений. Широко используют при эхо-методе совмещен­ную схему (ИП), когда один пьезоэлемент служит сначала излучателем зондирующего импульса, а потом приемником (см. рис. 4.6, а) отражен­ного от дефекта сигнала.

В теневом и зеркальном методах (см. рис. 4.6, б, в) применяется раз­дельная схема соединения искателей: один из них служит излучателем энергии (от генератора), а другой принимает прошедший через контроли­руемое соединение импульс.

Наконец, для эхо-зеркального и эхо-теневого методов используют раздельно-совмещенную схему соединения двух искателей, когда каждый из них может поочередно быть либо излучателем, либо приемником (см. рис. 4.6, г, д, е).

Применение. Импульсный эхо-метод широко используют для основ­ных видов сварных соединений — стыковых, угловых и тавровых с тол­щиной листов от 4 до 2000 мм (и более). Чувствительность эхо-метода высокая: она достигает 0,5 мм² на глубине 100 мм. К преимуществам следует также отнести возможность использовать односторонний доступ к зоне шва, поскольку достаточен только один преобразователь и для из­лучения и для приема УЗ-сигналов. Недостатки эхо-метода - это сравни­тельно низкая помехоустойчивость и резкое изменение амплитуды от­раженного сигнала от ориентации дефекта (угла θ между УЗ-лучом и плоскостью отражателя).

В отличие от эхо-метода теневой метод имеет высокую помехоустой­чивость и слабую зависимость амплитуды от угла θ ориентации дефекта. Однако имеются серьезные недостатки: необходимость двустороннего доступа и малая точность оценки координат дефектов.

Зеркально-теневой метод, как видно из схемы, не требует двусторон­него доступа к соединению. Он позволяет также более достоверно опреде­лять наличие корневых дефектов в стыковых швах.

Оба теневых метода используют обычно для соединений небольшой толщины с грубообработанной поверхностью. Например, их успешно при­менили для контроля стыков арматуры периодического профиля. Замена разрушающих испытаний этих стыков УЗ-контролем позволила сэкономить по стране миллионы рублей и тысячи тонн стали.

Основное преимущество эхо-зеркального метода — высокая выявля-емость плоскостных дефектов и возможность оценки их формы по спе­циальному коэффициенту. Ограничения: применяе­мость только для соединений больших толщин (более 400 мм); сравни­тельно большой пороговый размер выявляемости дефектов (диаметр не менее 3 мм) и малый угол их наклона (θ = 10-15°), при котором выявляемость дефектов высокая.

Эхо-теневой метод применяют при механизированном контроле сты­ков труб. Он дает большую вероятность обнаружения дефектов и возмож­ность оценки их характера и позволяет также вести контроль за качеством акустического контакта. Недостатки — наличие сложной многоканальной аппаратуры, а в ряде случаев и необходимость двустороннего доступа.

Метод акустической эмиссии. Это скорее метод технической диагнос­тики, а не дефектоскопии. Он основан на регистрации акустических волн, излучаемых дефектом при нагружении конструкции. Причиной образования упругих волн служат: пластическая деформация, процессы движения дислокаций кристаллов, возникновение и развитие трещин. Метод применим для ответственных высоконагруженных соединений: сосудов высокого давления, трубопроводов, деталей летательных аппара­тов. При регистрации акустической эмиссии требуется высокочувстви­тельная аппаратура, работающая в широком диапазоне частот от кило­герц до мегагерц. Весьма важной проблемой является отстройка от помех.

Резонансный метод  основан на определении резонансных частот, при которых в исследуемом участке изделия (по толщине листа или трубы) уклады­вается целое число полуволн УЗК. Исчезновение резонансов - сигнал наличия дефек­та или изменения толщины.

Метод акустического импеданса заключается в регистрации УЗ-колебаний стержня, опирающегося на поверхность изделия. Подповерхностные де­фекты изменяют акустический импеданс данного участка изделия, что отражается на амплитуде и частоте собственных колебаний стержня.

Велосимметрический метод связан с регистрацией изменения скорости УЗ-колебаний. Такое изменение имеет место в слоистых конструкциях при изменении тол­щины слоя или наличии расслоений.

Метод свободных колебаний основан на анализе частот или прослушивании тока акустических колебаний изделия, вибрирующих, на собственной частоте. Этот метод в очень простом, но надежном варианте применяют, простуки­вая молотком бандажи колес железнодорожных вагонов или оценивая по звону посуды наличие в ней трещин. В последних двух примерах анализируют на слух звук в слышимом диапазоне и поэтому метод правильнее назвать акустическим, а не УЗ-методом.

АППАРАТУРА

Аппаратура для УЗ-контроля обычно включает: ультразвуковые им­пульсные дефектоскопы с искателями, комплект стандартных образцов (эталонов), испытательные (тест-) образцы, вспомогательные приспособ­ления или устройства для соблюдения параметров контроля и сканиро­вания.

4.2.1. Ультразвуковые дефектоскопы [ 1,4]

Ультразвуковой дефектоскоп предназаначен для: излучения УЗ-ко-лебаний, приема эхо-сигналов, оценки наличия и установления размеров выявленных несплошностей и определения их координат.

Находят применение УЗ-дефектоскопы лабораторного типа марок УД-2-12, УД-2-12/1, УД-2-70, УД 2-102, УД3-1-103«ПЕЛЕНГ», А1212, EPOCH-1Y  и д. Дальнейшее изло­жение относится к дефектоскопу УД-2-12, как наиболее распростра­ненному и серийно выпускаемому прибору (рис. 4.9, а)

Рис.4.5. Функциональная блок-схема ультразвукового дефектоскопа

Основные блоки современного импульсного УЗ-дефектоскопа рабо­тают следующим образом (рис. 4.5).

Генератор синхронизирующих импульсов ГСИ, "сердце" дефекто­скопа, управляет работой всех его узлов. Блок ГСИ, его часто называют синхронизатором, задает частоту "посылок", запускает генератор радио­импульсов ГРИ к генератор пилообразного напряжения развертки ГНР.

Частота задающих импульсов отрицательной полярности (до 400 В) — посылок регулируется потенциометром в пределах f _п — 200 - 1000 Гц.

Формируемые ГРИ зондирующие радиоимпульсы ЗИ поступают на преобразователь (искатель) П. Пьезоэлемент преобразователя преобра­зует кратковременные τ = 0,4 4- 0,6 мкс электрические колебания с амплитудой до 150 В в акустические затухающие колебания той же часто­ты (f = 1 - 10 МГц) и посылает их в изделие. В искателях происходит также обратное преобразование принятых эхо-сигналов. Причем наиболее часто применяют совмещенную схему, когда передача и прием импульсов проводится одним и тем же пьезоэлементом. Возможна работа по раздель­ной схеме, когда функции передачи и приема осуществляют разные пре­образователи (см. выше рис. 4.6).

Принимаемые эхо-сигналы обычно в миллионы раз слабее посланных, поэтому их усиливают первоначально в усилителе высокой частоты УВЧ. Затем в детекторе Д оставляют только однополярную часть импульса, что более удобно для наблюдения на экране. Предусмотрен блок регули­руемой отсечки шумов ОТ.

На видеоусилителе (ВУ) низкой частоты сигнал сглаживается, а его яркость возрастает, так как огибающая видеоимпульса во много раз ко­роче, чем его первоначальный периметр.

При этом, однако, теряется значительная доля информации об отра­жателе, содержащаяся в микроструктуре эхо-сигнала. Анализ этой инфор­мации составляет задачу так называемого спектрального метода УЗ-контроля.

Видеосигнал подается на вертикально-отклоняющие пластины элек­тронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Генератор развертки, формируя пилооб­разное напряжение, обеспечивает горизонтальное перемещение луча по эк­рану ЭЛТ. Это дает возможность получать раздельные изображения сигна­лов, поступающих в разное время. Задающий генератор (или ГНР) обес­печивает подсветку ЭЛС во время прямого хода луча и гашение при об­ратном ходе.

Характерная картина на экране ЭЛТ при контактном вводе УЗ-коле­баний включает слева зондирующий импульс (ЗИ), а справа — отражение от противоположной стенки изделия — донный сигнал (ДС). Между ними — эхо-импульс от дефекта (Д).

Глубиномер ГЛМ измеряет интервал времени между начальным и эхо-сигналами, а следовательно, позволяет оценить глубину залегания несплошностей и толщину изделия. Расстояние измеряют, совмещая метку глубиномера с передним фронтом эхо-сигнала. Движок потенциометра одновременно перемещает визир вдоль координатной шкалы глубино­мера. Погрешность измерений наклонным искателем обычно не более 2 мм. Имеется набор сменных шкал под все стандартные искатели.

Глубиномер, так же как и ГНР, запускается положительным такто­вым импульсом от синхронизатора.

Блок временной регулировки чувствительности ВРЧ вырабатывает регулируемый потенциометром по амплитуде и длительности импульс экспоненциальной формы. Блок ВРЧ должен запирать усилитель в начале развертки, а далее компенсировать убывание амплитуды эхо-сигналов от дефектов с увеличением глубины их залегания. ВРЧ позволяет избавиться вблизи зондирующего импульса от помех, возникающих из-за объемной реверберации УЗК в теле призмы.

Однако использовать блок ВРЧ надо осторожно, так как излишнее ослабление чувствительности в начале развертки может привести к про­пуску дефектов. Что касается компенсации затухания УЗК в материале, то эту функцию в ДУК-66ПМ реализовать удалось и чувствительность по толщине должным образом выравнена.

Динамический диапазон усилителя дефектоскопов УД-2-12 состав­ляет 9—12 дБ. Это означает, что одновременно можно наблюдать на экране ЭЛТ сигналы, отличающиеся по амплитуде в 3—4 раза. Для ранее выпус­каемых приборов динамический диапазон был всего 3—4 дБ, а луч­шие приборы в настоящее время имеют его в пределах до 30—40 дБ, что дает отличие сигналов до 100 раз.

Аттенюатор АТ, стоящий на входе УВЧ, служит для измерения отно­шений амплитуд эхо-сигналов. В УД-2-12 аттенюатор с ручкой "чувст­вительность" в дБ (АЗВ) позволяет ослабить входной сигнал ступенями: грубо через 10 дБ до 70 дБ и точно через 1 дБ до 9 дБ, с погрешностью И-5 дБ.

Автоматический сигнализатор дефектов (АСД) предназначен для зву­ковой дополнительной индикации дефектов. Блок АСД включает каскад совпадений, на который подается импульс глубиномера и видеоимпульс, запускающий ждущий мультивибратор. Далее вырабатывается усиленный длительный импульс, поступающий на микрофон.

Генератор селектирующий (строб-) сигналов (ГСС) предназначен для их временной селекции. Необходимо, чтобы на индикаторы АСД не про­никали: зондирующий импульс, эхо-сигналы от неровностей шва и от несплошностей вне контролируемого слоя. Временная селекция состоит в том, что видеоусилитель-каскад совпадений обычно закрыт и откры­вается строб-импульсом лишь на время, когда ожидают эхо-сигналы от возможных дефектов в контролируемом слое.

В дефектоскопах возможны два режима работы ГНР: "от поверх­ности" и "по слоям". В режиме "от поверхности" ГНР запускают импуль­сом синхронизатора через линию задержки (ЛЗ). Время задержки, около 8 мкс, зависит от конструкции искателя и необходимо для того,)Чтобы на индикаторы не попал зондирующий импульс.

В режиме "по слоям" ГНР запускают, используя глубиномер, с за­держкой, определяемой глубиной верхней границы контролируемого слоя. Такой режим развертки называют также "лупой времени". При этом разрешающая способность может быть установлена максимально возмож­ной, что особенно важно при контроле стыка отраженным лучом.

Пьезопреобразователи

Для излучения и приема УЗ-колебаний используют пьезопреобразо-ватели-искатели (датчики). Основным чувствительным элементом в них служат пластины из пьезоэлектрических материалов: кварца, цирконата титаната свинца-ЦТС, титаната бария и др. Пьезоматериалы имеют свойство деформироваться под действием электрического поля (пьезо-эффект) и возбуждать электрическое поле при механической деформации. УЗ-колебания возбуждаются обычно по толщине d пластины. Эту толщину выбирают такой, чтобы собственная частота f_о пластины соответствовала требуемой частоте f УЗ-колебаний:f = f ₀ = k ₀ ,, где к₀ = 2,5 или 1,88 МГц • мм, соответственно, для титаната бария или для ЦТС.

Радиус пьезоэлемента, как выше отмечалось, выбирают из соотноше­ния аf= 10- 15 мм  МГц.

Различают два основных типа искателей: прямые (нормальные) и наклонные (призматические) (рис. 4.7).

Рис.4.7. Схемы и конструкции УЗ-искателей Пэ – пьезоэлемент; Д – демпфер; Пт – протектор; К – корпус; Эп соединяющие проводники; Пр – призма; Э - экран

 Прямые искатели предназначе­ны для ввода УЗ-волн перпендикулярно к поверхности изделия. Обычно — это продольные волны. Наклонные преобразователи служат для ввода по­перечных УЗ-волн под некоторым углом (3, который называют углом приз­мы. Призмы изготовляют обычно из оргстекла. По выполняемой функции преобразователи могут быть совмещенные, раздельно-совмещенные (РС-преобразователи) и раздельные.

Конструкция преобразователей обеспечивает защиту пьезоэлемента от

повреждении и износа. Пьезоэлемент обычно приклеивают к демпферу, который гасит свободные колебания пьезопластины. Демпфер изготов­ляют из материала с большим затуханием УЗ-волн, чтобы отраженная от верхней грани демпфера волна не возвращалась к пьезоэлементу и не вы­зывала помех.

Чтобы излучаемую волну ввести из искателя в изделие, между ними нужен акустический контакт. Его обеспечивают заполнением контакти­рующей средой зазора d_ж между плоскостью искателя и поверхностью из­делия. Для этого используют минеральные масла, солидол, глицерин, спирт, воду, мягкие пластмассы, а также специальный магнитный смазоч­ный материал.

Различают два основных вида акустического контакта: контактный и иммерсионный (погруженный). Принято считать иммерсионным такой способ, когда толщина слоя d_ж жидкости контактирующей среды КС бо­лее половины длины волнового пакета УЗ-импульса: d_ж > 0,5С_жτ, где С_ж - скорость УЗК в КС, а τ- длительность зондирующего импульса.