Ультразвуковой контроль. Широкое распространение в промышленности и строительстве получили импульсные ультразвуковые дефектоскопы (УЗД), предназначенные для обнаружения внутренних дефектов в материалах и сварных соединениях, работающие в диапазоне частот 0,02…30 МГц . В общем случае УЗД включает: генератор электрических импульсов ультразвуковых частот; блок синхронизации и развертки; усилитель; блок индикации; блок автоматической сигнализации о наличии дефекта; блоки временной регулировки чувствительности и питания.
В зависимости от области применения УЗД подразделяют на дефектоскопы общего назначения и специализированные. По целевым функциям дефектоскопы классифицируют на четыре группы: 1) только для обнаружения дефектов (пороговые УЗД); 2) для нахождения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения отношений амплитуд сигналов от дефектов; 3) для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и эффективной площади дефектов; 4) для обнаружения дефектов распознавания их формы или ориентации, измерения глубин залегания, условных размеров.
Основные характеристики отечественных дефектоскопов общего назначения приведены в табл. С их помощью осуществляется ручной контроль сварных соединений эхо-методом, теневым и зеркально-теневым методами. Наиболее распространенный импульсный ультразвуковой дефектоскоп УД2-12 показан на рис. 3.2. Эти дефектоскопы позволяют определять глубину залегания дефектов по цифровому индикатору и оценивать условные размеры дефектов путем измерения отношений амплитуд сигналов, отраженных от дефектов. Дефектоскоп УД2-12 дополнительно позволяет осуществлять ручную настройку на 12 программ работы и автоматическую настройку на заданный режим всех параметров контроля. Для ввода ультразвуковых волн в металл применяются преобразователи различного рода: прямые, наклонные, раздельно-совмещенные, с постоянным и переменным углами ввода, матричные и др.
Основным преимуществом компьютеризированных систем перед обычными ультразвуковыми приборами является существенное повышение объективности и достоверности результатов исследования, которое достигается благодаря следующим новым возможностям оборудования: автоматической регистрации траектории сканирования преобразователя с одновременной записью всех сигналов, поступающих на приемное устройство от объекта; регистрации параметров настройки для последующего воспроизведения анализа и документирования; получению изображения дефекта в трех ракурсах (виды сверху, с торца и сбоку).
Компьютеризированная система П-скан (Дания) состоит из трех основных частей: набора специальных сканирующих устройств, позволяющих фиксировать местоположение и траекторию сканирования преобразователя; переносного программируемого процессора PSP-3 для сбора первичной информации о состоянии контролируемого объекта; персонального компьютера и программного обеспечения для последующего анализа полученных данных и документирования.
В ходе сканирования данные о местоположении преобразователя поступают с датчиков в память процессора. В каждой точке, соответствующей заданному шагу сканирования, в память процессора заносятся максимальные значения огибающей эхо-сигналов вдоль луча. Эта информация представляется на дисплее процессора в виде трехмерного изображения, контролируемого объема в проекциях сверху {ТОР), сбоку {SIDE) и с торца {END). Для отсечки сигналов малой амплитуды, связанных с отражениями от структуры металла, на дисплее в виде черных точек отображаются только те эхо-сигналы, которые превышают заранее установленный уровень отображения.
Таким образом, в ходе сканирования при правильно выбранном уровне отображения оператор может видеть области контролируемого участка, которые были прозвучены, и области, в которые акустические волны по каким-то причинам не попали. Такая форма регистрации данных позволяет оператору проводить контроль и в необходимых случаях принимать дополнительные меры по более тщательному сканированию, а также улучшению акустического контакта. По окончании сканирования все данные переносятся из памяти прибора на гибкий магнитный диск. При этом одновременно производится автоматический перенос данных в долговременную память всех режимов настройки.
В необходимых случаях с помощью встроенного в процессор Р8Р-3 печатающего устройства можно выполнить распечатку с результатами контроля. Для полного анализа данных и подготовки заключительной формы отчета о проведенном обследовании применяется персональный компьютер. В этом случае в качестве исходной информации используются данные, записанные при контроле на гибкий магнитный носитель. Форма изображений результатов аналогична форме изображений на дисплее процессора, однако информативность графических изображений значительно увеличена.
Делается цветовая кодировка сигналов, статистическая обработка данных. Компьютер обеспечивает цветовую кодировку в двух режимах: “кодировка изображения” и “кодировка уровней”. В первом режиме цвет изображений соответствует номеру временного интервала на звуковом луче, в котором находятся данные эхо-сигналы. Такие интервалы могут соответствовать, например, зонам контроля прямым и однократно • отраженным лучами. Этих зон может быть максимум четыре для данного контролируемого объема и для их кодировки используется четыре цвета. В режиме “кодировка уровней” восемь градаций цвета соответствуют амплитуде эхо-сигнала независимо от того, в каком временном интервале он находится, и используются для оценки величины дефекта. Результаты обследования представляются в виде цветных распечаток, аналогичных изображениям на дисплее компьютера.
В зависимости от назначения, обусловленного методикой контроля, различают прямые, наклонные (призматические) и раздельно-совмещенные ультразвуковые преобразователи. Прямые преобразователи типа П111 в основном используют для выявления несплошно-стей в материалах и сварных швах со снятым валиком усиления теневым или эхо-импульсным методом. Наклонные преобразователи типа П служат для контроля сварных соединений как теневым, так и эхо-импульсным методами с вводом ультразвуковых волн в зону сварного шва через стенку изделия под углом к поверхности. Раздельно-совмещенные преобразователи типа П112 эффективны для выявления расслоений в материале сварных соединений, пор и шлаковых включений в швах, а также несплавлений в слоистых материалах, получаемых сваркой трением и взрывом.
Для ультразвукового контроля в иммерсионном варианте, когда изделие погружается в ванну и ввод ультразвуковых волн осуществляется через толстый слой жидкости, применяют иммерсионные преобразователи типа П.
При механизированном и автоматизированном контроле сварных соединений и наплавки, чаще всего используют щелевой (полуиммерсионный) ввод УЗ-колебаний и прием отраженных сигналов через локальную жидкостную ванну. Для создания такой ванны в зазоре (щели) между преобразователем и поверхностью изделия применяют уплотняющие устройства всевозможных конструкций. Преобразователи, снабженные устройствами для создания щелевого зазора и локализации контактной жидкости, получили название ультразвуковых искательных головок. Такая искательная головка обеспечивает возможность контроля сварных соединений с прямолинейной, вогнутой, выпуклой или переменного профиля поверхностью без подгонки и притирки уплотняющего элемента по изделию.
По уровню механизации оборудование можно подразделить на средства малой механизации и автоматизированные системы. К средствам малой механизации относится тележка-дефектоскоп НК-120 для УЗК сварных швов полотнищ из листовой стали (например, заготовок рулонированных резервуаров). Тележка представляет собой платформу с расположенными по продольной оси катками, профиль которых зеркально повторяет профиль валика усиления сварных швов сваренного полотнища. Перемещаясь по сварному шву, дефектоскоп контролирует его с помощью двух или четырех преобразователей, расположенных по обе стороны от валика усиления.
Примером автоматизированной установки является установка НК-106, предназначенная для ультразвукового контроля сварных швов газонефтепроводных труб большого диаметра в потоке сварочных станов. Отличительными особенностями установки НК-106 являются: система отслеживания поверхности трубы; механоакустический блок, обеспечивающий возможность осуществлять контроль по прямой, К-образной и Ж-образной схемам. Контроль проводится при расположении сварных швов в горизонтальной плоскости за один проход.
Для контроля качества сварки взрывом биметаллических труб и три металлических колец созданы автоматизированные установки НК с раздельно-совмешенными преобразователями. Контроль осуществляется при вращении изделий и прямолинейном движении искательной головки, т. е. при относительном перемещении головки по спиральной траектории с шагом 8 мм. Компьютер, согласно заданной программе, управляет работой приводов, обрабатывает и выдает на экране дисплея информацию о качестве акустического контакта, наличии дефектов и их координатах, осуществляет распечатку информации в цифровом виде и управляет работой отметчика дефектов.
Ультразвуковой контроль наплавки чаще всего применяется в энергетическом машиностроении и для контроля элементов буровой техники. При контроле наплавки контролируется зона сплавления основного и наплавленного металла и непосредственно наплавленный слой изделия. При ультразвуковом контроле наплавки обычно применяют прямые или раздельно-совмещенные преобразователи.
Контроль проводится как со стороны основного металла, так и со стороны наплавленного слоя. Например, в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработаны установка и технология автоматизированного ультразвукового контроля цапф лап буровых долот.
Для контроля кольцевых швов сваренных газо- и нефтепроводов диаметром 720… 1420 мм в полевых условиях предназначено полуавтоматическое устройство НК-143 “Спутник” , транспортная часть которого разработана на базе устройства для газовой резки труб “Ор-бита-2″. Устройство устанавливается на трубу и крепится с помощью разъемных поясов, являющихся направляющими для самоходного механоакустического блока. Два многоэлементных преобразователя подвешены шарнир-но в вилках амортизаторов и располагаются по обе стороны сварного стыка.
Одним из видов неразрушающего контроля является сопоставление скоростей звука с целью определения напряженного состояния материала. Так, прибор НЗМ001 предназначен для ручного контроля эхо-импульсным методом механических напряжений или механических усилий. Этим прибором проверяются детали с диаметром не менее 8 мм и длиной 20…4500 мм. Отношение длины к диаметру должно быть не более 7. Контроль напряжений осуществляется от 7 МПа до предела текучести материалов со скоростями распространения продольных ультразвуковых колебаний 2500…7000 м/с, с затуханием не более 0,3 дБ/см на частоте 5 МГц.
Определение механических напряжений проводится путем измерения приращения или относительного изменения времени распространения УЗК, вызванного изменением прикладываемых механических усилий. Блок с индикацией аналогового сигнала и цифровой информации позволяет обеспечивать большую точность и воспроизводимость результатов измерений. Микропроцессорный блок обеспечивает обработку измерений и их запоминание. В памяти могут храниться параметры упругих характеристик материалов, тариро-вочные данные и другие характеристики, необходимые для обработки результатов акустических измерений. Объем памяти позволяет запоминать данные не менее, чем для 128 материалов.
Наличие встроенного аналого-цифрового преобразователя позволяет автоматически учитывать в процессе контроля влияние различных внешних воздействий, например: геометрических размеров, температуры. Имеется возможность подключения к прибору внешних регистрирующих, запоминающих устройств и ЭВМ.
Магнитный и вихретоковый контроль. Оборудование для магнитного и вихретокового контроля характеризуется наличием полеза-дающих устройств и средств обнаружения магнитного поля рассеяния дефекта. При этом используется широкий спектр частот, начиная от постоянного магнитного поля до переменных полей с частотами десятков мегагерц.
Магнитные дефектоскопы предназначены для контроля качества сварных соединений изделий из ферромагнитных материалов. По способу регистрации дефектов их можно разделить на магнитопорошковые, магнитографические, фсррозондовые, индукционные и др. Намагничивание изделий при контроле производится в результате приложения внешнего магнитного поля или пропускания через деталь электрического тока. К. основным узлам дефектоскопов для магнитопорошкового контроля относятся: источники тока; устройства подвода тока, полюсного намагничивания (соленоиды, электромагниты); средства нанесения на контролируемую деталь суспензии; осветительные устройства; измерители тока.
Набор средств, имеющихся в стационарных универсальных установках, позволяет производить циркулярное, полюсное и комбинированное намагничивание, что обеспечивает надежный магнитопорошковый контроль как в приложенном поле (для деталей из магнито-мягких материалов), так и способом остаточной намагниченности (для изделий из маг-нитотвердых материалов).
Для магнитопорошкового контроля изделий из ферромагнитных материалов широкое распространение получили переносные и передвижные дефектоскопы, например, ПМД-70, МД50 и др. В качестве индикаторных средств используются как магнитные, так и магнито- люминесцентные порошки, пасты и суспензии. Эффективно применение для экспресс-контроля магнитопорошковых дефектоскопов типа “МАГЭКС”, в комплект которых входят малогабаритные намагничивающие устройства, источником магнитной энергии в которых служат высокоэффективные постоянные магниты. Масса таких устройств 1…2 кг, они позволяют намагничивать изделия по участкам, непрерывно протяженные участки , например, протяженные стыковые сварные соединения, а также изделия сложной геометрической формы с возможностью независимой регулировки межполюсного расстояния и напряженности магнитного поля.
При магнитографическом контроле поля рассеяния дефектов фиксируются на магнитную ленту, накладываемую на поверхность сварного шва. Намагниченность ленты определяется приложенным магнитным полем и полями рассеяния дефектов. Информация о дефекте считывается с помощью магнитографического дефектоскопа, имеющего лентопротяжное устройство, индукционную головку и осциллографический индикатор. Для воспроизведения записи ленту перемещают вдоль вращающейся индукционной головки. Возникающий в головке электрический сигнал пропорционален величине поля рассеяния дефекта.
Для намагничивания контролируемых сварных швов применяют передвижные намагничивающие устройства типа ПНУ и др. Для магнитографического контроля используется несколько типов магнитографических дефектоскопов полуавтоматических установок на их основе. В дефектоскопе МДУ-2У применена теневая и импульсная индикации сигналов от дефектов. Верхняя часть экрана трубки отведена для теневой индикации с размером кадра 35 х 140 мм, а нижняя — для импульсной с размером кадра 70 х 120 мм.
В дефектоскопе МД-40Г осуществляется воспроизводство магнитограмм на электрохимической бумаге и аналоговая запись сигналов, полученных от преобразователей. Принцип действия дефектоскопа основан на построчном считывании с магнитной ленты полей, зафиксированных в процессе контроля, с последующей обработкой и частотной селекцией сигналов. Для магнитографического контроля применяют различные магнитные ленты, отличающиеся магнитными свойствами, размерами и пр.
Дефектоскопы, у которых в качестве входного преобразователя используются индукционные и феррозондовые преобразователи, находят применение для автоматизированного контроля качества изделий из ферромагнитных материалов. Так, индукционный дефектоскоп типа ДИТ-1К предназначен для проверки труб диаметром 20… 102 мм при скорости движения менее 4 м/с. Максимальная толщина стенки контролируемой трубы 6 мм. Особен- ностью дефектоскопа является использование бесконтактной поперечной системы намагничивания. Прибор обнаруживает поверхностные дефекты глубиной более 0,22 мм, а также подповерхностные дефекты труб.
Для контроля качества холоднокатанных и холоднотянутых труб диаметром 20… 102 мм предназначен индукционный дефектоскоп ДК, а для контроля холоднокатанных полос — дефектоскоп МД-. На основе фер-розондовых преобразователей созданы установки УФКТ-1М и МД-10Ф для контроля качества ферромагнитных изделий. С их помощью выявляются трещины, волосовины, раковины в стенках труб. Феррозондовый дефектоскоп типа МД-10Ф предназначен для контроля качества бесшовных труб диаметром 20… 146 мм с толщиной стенки менее 12 мм. В дефектоскопе имеются восемь вращающихся вокруг трубы феррозондовых преобразователей, сигналы которых, пропорциональные изменению магнитного поля дефектов, обрабатываются и регистрируются восьмиканальной аппаратурой с осциллографическим индикатором и блоком автоматики. Дефектоскоп управляет работой устройства сортировки труб.
Для полуавтоматического контроля качества поверхности и сварных соединений толстостенных ферромагнитных изделий разработаны феррозондовые установки “Радиан-1М” и “Магнетон-2М”. Ряд феррозондовых магнитных дефектоскопов предназначен для контроля качества рельс, уложенных в пути. Работа дефектоскопов типа МРД основана на намагничивании в продольном направлении постоянным магнитом контролируемого участка рельса и считывании феррозондом поля дефекта. Магнитный контроль применяется для обнаружения поверхностных дефектов наплавленного слоя.
Вихретоковые дефектоскопы используют для контроля поверхности электропроводящих материалов путем возбуждения в них вихревых токов и регистрации изменения их полей дефектами. Так выявляют поверхностные и подповерхностные дефекты в сварных соединениях, измеряют геометрические размеры, определяют электрические и магнитные характеристики материалов. В дефектоскопах, как правило, реализованы амплитудно-фазовый и амплитудно-частотный способы контроля. Преобразователи дефектоскопов выполняются проходными или накладными, в зависимости от формы изделия контроля (листы, прутки, трубы, проволока и др.). Известны вихретоковые дефектоскопы ВД- и др. Чувствительность ферромагнитных материалов этих приборов позволяет выявлять дефекты с глубиной 0,1 мм и протяженностью 0,5 мм.
Вихретоковый метод можно применять также и для поиска поверхностных дефектов в наплавленном слое изделий.
