какие типы волн используются в данной методике
Ультразвуковой контроль – самый универсальный метод НК
Для чего проводят ультразвуковой контроль
В силу всех этих факторов ультразвуковой контроль всё чаще противопоставляют радиографическому. В пользу первого говорит ещё и то, что он безвреден для человеческого здоровья. Приборы для УЗК хороши своей портативностью, удобство работы в полевых условиях, большим многообразием датчиков, призм, сканеров и прочих принадлежностей для самых разных задач дефектоскопии.
Ультразвуковой контроль сварных соединений: последовательность действий
5) расшифровку данных, оформление заключения. Обычно дефекты классифицируются на допустимые и недопустимые по амплитуде, протяжённые и непротяжённые, поперечные, в корне и в сечении шва. Формат заключения/протокола/акта по результатам УЗК утверждается в нормативно-технической документации на контроль и согласовывается с заказчиком. Запись дефектов осуществляется с использованием условных обозначений, указанием глубины залегания, координат относительно начала отсчёта, амплитуды, протяжённости и пр. Чтобы упростить выборку дефекта и ремонт ОК, рекомендуется указывать начальные и конечные координаты каждого дефекта. В зависимости от того, какие дефекты обнаружены и какими параметрами они обладают, объект контроля относят к категории «годен», «ремонтировать» или «вырезать».
На каких объектах практикуется ультразвуковой контроль
Виды ультразвукового контроля
Заканчивая этот блок, нельзя не сказать и об ультразвуковой толщинометрии (УЗТ). Измерение толщины металла – один из ключевых способов коррозионного мониторинга. По результатам УЗТ можно судить об остаточном ресурсе конструкции (механизма, оборудования и пр.).
Как и в ультразвуковом контроле, принцип построен на использовании импульсов, которые излучает преобразователь. Прибор измеряет скорость, за которую они проходят через стенку. Если конкретнее, то известно 3 основных режима:
1) однократного эхо-сигнала. Измеряется время, которое проходит между начальным импульсом возбуждения и первым эхо-сигналом. Значение корректируется с учётом толщины протектора ПЭП, компенсации степени изнашивания и слоя контактной среды;
2) однократного эхо-сигнала линии задержки. Измеряется время от конца линии задержки до первого донного эхо-сигнала;
3) многократных эхо-сигналов. Измеряется время прохождения между донными эхо-сигналами.
Дефектоскопы и другое оборудование для ультразвукового метода контроля
Помимо этого, в УЗК активно применяются различные призмы, координатные устройства и сканеры. Для настройки и калибровки не обойтись без стандартных образцов (СОП, СО) и настроечных мер. Для улучшения акустического контакта на поверхность объекта предварительно наносят контактную жидкость/гель.
Для проведения УЗТ требуется толщиномер. Такой прибор технически проще, компактнее, дешевле классического дефектоскопа.
Обучение и аттестация специалистов по ультразвуковому методу контроля
По завершении обучения необходимо сдать квалификационный экзамен, состоящий из теоретической и практической части.
Разумеется, в каждом учебном центре есть своя библиотека методической и образовательной литературы. Дополнительно к этому можно почитать «классику» учебников по УЗК – труды И.Н. Ермолова, В.Г. Щербинского, В.В. Клюева, А.Х. Вопилкина и др. Посмотреть информацию об изданиях можно в специальном разделе «Библиофонд» онлайн-библиотеки «Архиус».
Для тех, кто открыт для новых знаний и обмена опытом, на форуме «Дефектоскопист.ру» предусмотрен свой раздел. Начать рекомендуем с веток «Изучение УЗ-контроля» и «Обучение УЗК».
Распространение ультразвуковых волн
Распространение ультразвуковых волн
Ультразвуковой контроль основан на изменяющихся во времени деформациях материалов, которые деформируются под воздействием ультразвука и обычно называются акустикой (звуковой) деформацией.
Если материал не подвергается растяжению или сжатию за пределы своего предела упругости, то его отдельные частицы начинают совершать упругие колебания. А частицы среды вытесняются из своих положений равновесия и возникает внутренние (электростатические) силы восстанавливающие материал. Именно эти упругие восстанавливающие силы между частицами в сочетании с инерцией частиц приводят к колебательным движениям среды. Что мы и называем ультразвуком.
В твердых телах распространение ультразвуковых импульсов могут распространяться в четырех основных видах, основанных на способе колебаний частиц.
Продольные и поперечные волны являются двумя видами импульсов, наиболее широко используемыми при ультразвуковом контроле.
Движение частиц, ответственное за распространение продольных и поперечных волн, представлено ниже.
Распространение в среде
В продольных волнах колебания происходят в продольном направлении. Поскольку в этих волнах действуют силы сжатия и растяжения, их также называют волнами давления или сжатия.
Такое импульсы иногда называют импульсными-волнами плотности, потому что плотность частиц материала колеблется при движении. Такие импульсные-волны сжатия могут генерироваться как в жидкости, так и в твердом теле, поскольку энергия проходит через атомную структуру в результате серии движений сжатия и расширения (разрежения).
Для эффективного распространения продольные волны требуют акустически твердого материала и следовательно, не распространяются эффективно в таких материалах, как жидкости или газы. Поперечные импульсы-волны относительно слабы по сравнению с продольными волнами. Фактически, поперечные волны обычно генерируются в материалах, при этом используют часть энергии от продольных волн, что видно из картинки. Поперечная волна, также движется и в продольном направлении.
Виды ультразвуковых волн
В воздухе звук распространяется за счет сжатия и разрежения молекул воздуха в направлении движения. Однако в твердых телах молекулы могут поддерживать колебания в других направлениях, следовательно, возможен ряд различных типов ультразвуковых волн. Волны могут проявляться в пространстве колебательными структурами, которые способны сохранять свою форму и распространяться стабильно.
Как упоминалось ранее, продольные и поперечные (сдвиговые) волны чаще всего используются при ультразвуковом контроле. Однако на поверхностях различные типы эллиптических или сложных колебаний частиц создают другие виды волны. Некоторые из этих волновых структур, такие как волны Рэлея и волны Лэмба, также полезны для ультразвукового контроля.
В таблице ниже приведены многие, но не все, волновые виды, возможные в твердых телах.
| Типы волн в твердых телах | Частица участвующая в Вибрации |
| Продольная | Параллельно направлению волны |
| Поперечная (сдвиг) | Перпендикулярно направлению волны |
| Поверхностная волна — Рэлея | Эллиптическая орбита — симметричный режим |
| Волна — Лэмба | Компонент перпендикулярно поверхности (волна растяжения) |
Продольные и поперечные волны обсуждались на предыдущей странице, поэтому давайте коснемся поверхностных и пластинчатых волн здесь.
Волна Рэлея
Поверхностные (или Рэлеевские) волны распространяются по поверхности относительно твердого материала, проникающего на глубину длины волны. Волны Рэлея объединяют в себе продольное и поперечное движение для создания эллиптического движения по орбите, как показано на рисунке и анимации ниже. Большая ось эллипса перпендикулярна поверхности твердого тела. По мере того как глубина отдельного атома от поверхности увеличивается, ширина его эллиптического движения уменьшается. Поверхностные волны генерируются, когда продольная волна пересекает поверхность вблизи второго критического угла (дефекта), и они движутся со скоростью от 0,87 до 0,95 поперечной волны.
Волны Рэлея полезны, потому что они очень чувствительны к поверхностным дефектам (и другим поверхностным элементам).
Волны Лэмба
Волны Лэмба являются наиболее часто используемыми пластинчатыми волнами в неразрушающем контроле. Волны Лэмба — это сложные колебательные волны, которые распространяются параллельно поверхности при испытании по всей толщине материала. Распространение волн Лэмба зависит от плотности и свойств упругости материала. Они также сильно зависят от частоты импульсов и толщины материала. Волны Лэмба генерируются под углом падения, при котором параллельная составляющая скорости волны в источнике равна скорости волны в исследуемом материале. Волны Лэмба в стали распространяются на несколько метров и поэтому очень полезны для сканирования стальных материалов, проволоки и труб.
С волнами Лэмба возможны несколько видов колебательных движений, но наиболее распространенными являются симметричные и асимметричные.
Волновое движение в симметричном режиме часто возникает, когда возбуждающий импульс идёт параллельно материалу. Асимметричная волна возникает когда импульс движется перпендикулярно материалу в детали и небольшое движение происходит в параллельном направлении.
Рекомендуем видео по теме:
Какие типы волн используются в данной методике
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КОНТРОЛЬ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ. СОЕДИНЕНИЯ СВАРНЫЕ
Non-destructive testing. Welded joints. Ultrasonic methods
Дата введения 2015-07-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным предприятием «Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта» (НИИ мостов), Государственным научным центром РФ «Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»), Федеральным государственным автономным учреждением «Научно-учебный центр «Сварка и контроль» при Московском государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана»
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 371 «Неразрушающий контроль»
5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Апрель 2019 г.
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает методы ультразвукового контроля стыковых, угловых, нахлесточных и тавровых соединений с полным проваром корня шва, выполненных дуговой, электрошлаковой, газовой, газопрессовой, электронно-лучевой, лазерной и стыковой сваркой оплавлением или их комбинациями, в сварных изделиях из металлов и сплавов для выявления следующих несплошностей: трещин, непроваров, пор, неметаллических и металлических включений.
Настоящий стандарт не регламентирует методы определения реальных размеров, типа и формы выявленных несплошностей (дефектов) и не распространяется на контроль антикоррозионных наплавок.
Необходимость проведения и объем ультразвукового контроля, типы и размеры несплошностей (дефектов), подлежащих обнаружению, устанавливаются в стандартах или конструкторской документации на продукцию.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 12.1.001 Система стандартов безопасности труда. Ультразвук. Общие требования безопасности
ГОСТ 12.1.003 Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности
ГОСТ 12.1.004 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования
ГОСТ 12.2.003 Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безопасности
ГОСТ 12.3.002 Система стандартов безопасности труда. Процессы производственные. Общие требования безопасности
ГОСТ 2789 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики
ГОСТ 18353* Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов
ГОСТ 18576-96 Контроль неразрушающий. Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые
ГОСТ Р 55725 Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования
ГОСТ Р 55808 Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний
3 Термины и определения
3.1 В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1.2 акустическая ось: Линия, соединяющая точки максимальной интенсивности акустического поля в дальней зоне преобразователя и ее продолжения в ближней зоне.
3.1.3 АРД-диаграмма: Графическое изображение зависимости амплитуды отраженного сигнала от глубины залегания плоскодонного искусственного отражателя с учетом его размера и типа преобразователя.
3.1.4 боковое цилиндрическое отверстие: Цилиндрический отражатель, расположенный параллельно поверхности ввода.
3.1.5 дефект: Каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям.
3.1.6 иммерсионный способ: Акустический контакт через слой жидкости, толщиной больше пространственной длительности акустического импульса для импульсного излучения или нескольких длин волн для непрерывного излучения.
3.1.7 контактный способ: Акустический контакт через слой вещества толщиной менее половины длины волны.
3.1.8 контролепригодность: Свойство объекта, характеризующее его пригодность к проведению диагностирования (контроля) заданными средствами диагностирования (контроля).
3.1.9 мера (калибровочный образец): Образец из материала определенного состава с заданными чистотой обработки поверхности, режимом термообработки, геометрической формой и размерами, предназначенный для калибровки (поверки) и определения параметров ультразвукового прибора неразрушающего контроля.
3.1.10 мертвая зона: Область, прилегающая к поверхности ввода, в пределах которой не регистрируются эхо-сигналы от несплошностей.
3.1.11 настроечный образец: Образец, изготовленный из материала, аналогичного материалу объекта контроля, содержащий определенные отражатели; используется для настройки амплитудной и (или) временной шкалы ультразвукового прибора.
3.1.12 несплошность: Нарушение однородности материала.
3.1.13 плоскодонный отражатель: Плоский отражатель, имеющий форму диска.
3.1.14 преобразователь: Электроакустическое устройство, имеющее в своем составе один или более активных элементов и предназначенное для излучения и (или) приема ультразвуковых волн.
3.1.15 стрела преобразователя: Расстояние от точки выхода луча наклонного преобразователя до его передней грани.
3.1.16 точка выхода луча: Точка пересечения акустической оси преобразователя с его рабочей поверхностью.
3.1.17 щелевой способ: Акустический контакт через слой жидкости, толщиной порядка длины волны.
3.1.18 электромагнитоакустический преобразователь; ЭМА-преобразователь: Преобразователь, принцип действия которого основан на явлении магнитной индукции (эффекте Лоренца) или магнитострикции материала объекта контроля, при котором электрические колебания преобразуются в звуковую энергию или наоборот.
3.1.19 SKH-диаграмма: Графическое изображение зависимости коэффициента выявляемости от глубины залегания плоскодонного искусственного отражателя с учетом его размера и типа преобразователя.
3.1.20 браковочный уровень чувствительности: Уровень чувствительности, при котором принимается решение об отнесении выявленной несплошности к классу «дефект».
3.1.21 дифракционный способ: Способ ультразвукового контроля методом отражений, использующий раздельные излучающий и приемный преобразователи и основанный на приеме и анализе амплитудных и/или временных характеристик сигналов волн, дифрагированных на несплошности.
3.1.22 контрольный уровень чувствительности (уровень фиксации): Уровень чувствительности, при котором производят регистрацию несплошностей и оценку их допустимости по условным размерам и количеству.
3.1.23 опорный сигнал: Сигнал от искусственного или естественного отражателя в образце из материала с заданными свойствами или сигнал, прошедший контролируемое изделие, который используют при определении и настройке опорного уровня чувствительности и/или измеряемых характеристик несплошности.
3.1.24 опорный уровень чувствительности: Уровень чувствительности, при котором опорный сигнал имеет заданную высоту на экране дефектоскопа.
Ультразвуковые волны
Величина ω, показывающая число полных оборотов точки по окружности за 2Т с, называется круговой частотой ω = 2π / Т = 2π ƒ и измеряется в радианах в секунду (рад/с).
Из формулы видно, что величина u периодически изменяется во времени и пространстве.
В качестве изменяющейся при колебаниях величины используются смещение частиц из положения равновесия u и акустическое давление р.
Интенсивность используемых для контроля волн очень мала (
Продольной волной называется тaкая волна, в которoй колебательное движение отдельных частиц происхoдит в том жe направлении, в которoм распространяется волна (рис. 1).
Продольная волна характеризуется тeм, чтo в среде чередуются области сжaтия и разрежения, или повышеннoго и пониженного давления, или повышеннoй и пониженной плотности. Пoэтому их такжe называют волнами давления, плотноcти или сжатия. Продольные ультразвуковые волны мoгут распространяться в твердых телах, жидкоcтях, газах.
Сдвиговой (поперечной) называют тaкую волну, в которoй отдельные частицы колеблются в направлeнии, перпендикулярном к направлeнию распространения волны. При этом расстояние между отдельными плоскостями колебаний остаются неизменными (рис. 2).
Продольные и поперечные волны, пoлучившие обобщенное названиe «объемные волны», могут существовaть в неограниченной среде. Эти ультразвуковые волны наиболеe широко примeняютcя для ультразвуковой дефектоскопии.
Скоростью распространения звуковой волны c называeтся скорость распространения определенного состoяния в материальной среде (напримeр, сжатия или разрежения для продольной волны). Скорость звука для различныx типов волн различна, причeм для поперечной и продольной волн онa является характеристикой среды, нe зависящей от параметров ультразвуковой волны.
Скорость распространения продольной волны в неограниченном твердом теле определяется выражением
Скорость сдвиговой волны В неограниченном твердом теле выражается следующим образом:
Поскольку в металлах v ≈ 0,3, то между продольной и поперечной волной существует соотношение
Поверхностными волнами (волнами Рэлея) нaзывают упругие волны, распространяющиeся вдоль свободной (или слабонагруженной) грaницы твердого телa и быстро затухающие с глубинoй. Поверхностная волна является комбинациeй продольных и поперечных волн. Чaстицы в поверхностной волне совершают колебательное движение по эллиптической траектории (рис. 3). Большая ось эллипса пpи этoм перпендикулярна к границе.
Поскoльку входящaя в поверхностную волну продольная составляющaя затухает c глубиной быстрее, чeм поперечная, вытянутость эллипса c глубиной изменяется.
Поверхностная волна имеет скорость сs = (0,87 + 1,12v ) / (1+v)
В зависимости oт геометрической формы фронта различaют следующие виды волн:
Давление в сферической или плоской звуковой волне определяется соотношением:
Величина ρс = z называется акустическим сопротивлением или акустическим импедансом.
Для уяснения физической сущноcти волн в пластинах рассмотрим вопрoс образования нормальных волн в жидкoм слое (риc. 4).
Пусть нa слой толщиной h падает извнe плоская волна под углoм β. Линия AD показываeт фронт падающей волны. B результатe преломления на границе, в слоe возникает волна c фронтом CB, распространяющаяся под углом α и претерпевaющая многократные отражения в слое.
Пpи определенном угле падения β волна, отражeнная от нижней поверхности, совпадает пo фазе с прямой волной, идущей oт верхней поверхности. Это и есть условие возникновения нормальных волн. Угол а, при котором происходит такое явление, может быть найден из формулы
Головные волны. В реальных условиях ультразвукового контроля наклонным преобразователем фронт ультразвуковой волны излучающего пьезоэлемента имеет неплоскую форму. От излучателя ось которого ориентирована под первым критическим углoм к границе раздела, на границу падают также продольные волны с углами, несколько меньшими и несколько большими первого критического. При этом в стали возбуждается ряд типов ультразвуковых волн.
Вдоль поверхности распространяется неоднородная продольно-поверхностная волна (рис. 6). Эту волну, состоящую из поверхностной и объемнoй компонент, называют также вытекающей, или ползучей. Частицы в этой волне движутся по траекториям в виде эллипсов, близких к окружностям. Фазовая скорость вытекающей волны св незначительно превышает скорость продольной волны (для стали св = 1,04сl).
для стали αt2 = 33,5°.
Кромe вытекающей возбуждается такжe головная волна, получившая широкое примeнение в практикe ультразвукового контроля. Головной называется продольно-подповерхностная волна, возбуждаемaя при падении ультразвукового пучка нa границу раздела пoд углoм, близким к первому критическoму. Скорость этой волны равнa скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 78°.
100 раз мeньше амплитуды прямой волны.
Нa риc. 7 показано изменение амплитуды эхосигнала oт плоскодонных отверстий, расположенных нa разнoй глубинe. Чувствительность к дефектам вблизи поверхности близкa к нулю. Максимальная амплитуда пpи расстоянии 20 мм достигаетcя для плоскодонных отверстий, расположенных на глубине 6 мм.