В двадцатых годах прошлого столетия российский ученый Сергей Соколов разработал метод исследования поверхностей с помощью ультразвука. Точнее, в 1928 году он предложил технологию, которая сегодня стала основой ультразвуковой дефектоскопии — неразрушающего метода контроля материалов и конструкций. Данный метод считается одним из самых распространенных способов проверки качества изделий.
Физические основы ультразвуковой дефектоскопии
Ультразвуковая дефектоскопия базируется на свойствах распространения акустических волн высокой частоты в материалах. Звуковые волны не меняют траекторию движения в однородной среде. Отражение происходит на границе раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. Чем больше разница в акустических сопротивлениях, тем сильнее отражение звуковых волн.
Включения в металле, возникающие при сварке или литье, обычно содержат газовые пузырьки. Эти газовые включения имеют акустическое сопротивление на пять порядков меньшее, чем металл. Поэтому при попадании ультразвуковой волны на такое включение происходит практически полное отражение.
Для ультразвуковой дефектоскопии применяют частоты в диапазоне от 0,5 до 25 МГц. Выбор частоты — это компромисс между разрешающей способностью и глубиной проникновения:
- Высокие частоты обеспечивают лучшее разрешение, позволяя выявлять мелкие дефекты;
- Низкие частоты имеют меньшее затухание и обеспечивают проникновение на большую глубину.
При распространении акустических волн частицы материала совершают колебания. Если колебания происходят вдоль направления распространения, волны называются продольными. Если перпендикулярно — поперечными. В твердых телах могут возникать оба типа волн. Для контроля сварных соединений применяют как продольные, так и поперечные ультразвуковые волны.
Устройство и компоненты ультразвукового дефектоскопа
Типичный ультразвуковой дефектоскоп состоит из нескольких функциональных блоков:
- Центральный процессор (ЦП) — управляет работой всех узлов прибора;
- Генератор синхронизирующих импульсов — подготавливает блоки к началу работы;
- Генератор импульсов возбуждения — создает электрические импульсы для пьезоэлемента;
- Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) — преобразует электрические сигналы в ультразвуковые волны и обратно;
- Усилитель (ПУТ) — усиливает принятые сигналы;
- Амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует электрические сигналы в цифровой код;
- Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — хранит основные настройки прибора;
- Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — обрабатывает информацию, поступающую при измерениях;
- Дисплейный блок — отображает полученные данные в различных форматах (A-скан, B-скан, C-скан).
Принцип работы ультразвукового дефектоскопа
При включении дефектоскопа запускается центральный процессор, активирующий основные узлы прибора. Генератор импульсов подает электрический сигнал на пьезоэлемент, который преобразует его в ультразвуковые колебания. Эти колебания направляются в исследуемый объект.
Ультразвуковые волны распространяются в материале до встречи с границей раздела сред — дефектом или противоположной поверхностью. От этой границы часть энергии отражается и возвращается к преобразователю. Пьезоэлемент преобразует полученные механические колебания обратно в электрический сигнал.
Приемник, получив сигнал, преобразует его и направляет в усилитель. Далее сигнал поступает в амплитудно-цифровой преобразователь, где преобразуется из аналогового в цифровой вид. После этого информация отображается на дисплее в числовом или графическом виде.
Расстояние до отражающей поверхности рассчитывается по формуле:
s = c × t / 2
где s — расстояние до отражающей поверхности в мм; c — скорость звука в материале в м/с; t — время прохождения импульса в секундах.
Методы ультразвуковой дефектоскопии
Эхо-метод
Самый распространенный метод ультразвукового контроля. Применяется для исследования металла толщиной от 4 мм. Принцип работы: ультразвуковые волны излучаются в исследуемый объект, дефектные участки отражают сигналы с отличающейся амплитудой от нормального сигнала. Анализируя разницу в силе сигнала и времени прохождения, можно получить информацию о дефектах.
Преимущества эхо-метода:
- Позволяет точно определять размеры и местоположение дефектов;
- Требуется доступ только с одной стороны объекта;
- Высокая чувствительность к внутренним дефектам.
Недостаток — невысокая помехоустойчивость.
Теневой метод
Используется при обследовании сварных швов небольшого размера. При этом методе излучатель и приемник располагаются с противоположных сторон исследуемого объекта. Ультразвуковые волны исходят от излучателя, проходят через материал и принимаются приемником. При отсутствии дефектов амплитуда сигнала остается постоянной. При наличии дефекта часть сигнала отражается, что приводит к изменению амплитуды.
Преимущества:
- Высокая помехоустойчивость;
- Слабая зависимость амплитуды от величины дефекта.
Недостатки:
- Необходим доступ с обеих сторон исследуемого объекта;
- Сложно точно определить местоположение дефекта.
Резонансный метод
Применяется для измерения толщины металла, обнаружения зон коррозии при односторонней доступности изделия, проверки целостности биметаллов. Основан на принципе резонанса — наложении волн и увеличении амплитуды сигнала. При попадании волны на дефект уровень сигнала изменяется, что фиксируется прибором.
Преимущество — достаточно доступа только с одной стороны исследуемого объекта. Недостаток — слабая чувствительность по сравнению с теневым методом.
Применение ультразвуковой дефектоскопии
Ультразвуковая дефектоскопия активно используется в различных отраслях:
- Железнодорожный транспорт — контроль состояния путей и подвижного состава;
- Строительство — проверка сварных швов конструкций из стали и железобетона;
- Машиностроение — контроль качества деталей и степени их износа;
- Энергетика и нефтегазовый комплекс — проверка трубопроводов и резервуаров;
- Авиастроение — контроль целостности элементов конструкций;
- Металлопрокат и металлообработка — проверка качества изделий.
Преимущества ультразвуковой дефектоскопии
Ультразвуковой контроль имеет ряд существенных преимуществ перед другими методами неразрушающего контроля:
- Безопасность — отсутствие вредного излучения, в отличие от рентгеновского метода;
- Мобильность — компактные приборы легко доставить к месту обследования;
- Чувствительность — возможность обнаружения мелких дефектов глубоко в материале;
- Односторонний доступ — для многих методов достаточно доступа только с одной стороны изделия;
- Результаты в реальном времени — данные доступны сразу в процессе контроля;
- Универсальность — возможность исследования различных материалов (не только металлов).
Ограничения ультразвуковой дефектоскопии
Несмотря на многочисленные преимущества, метод имеет некоторые ограничения:
- Затруднено исследование соединений с крупнозернистой структурой;
- Сложно проводить обследование деталей малых размеров;
- Необходима подготовка поверхности исследуемого объекта;
- Для интерпретации результатов требуется квалифицированный персонал.
Заключение
Ультразвуковая дефектоскопия представляет собой высокоэффективный метод неразрушающего контроля материалов и конструкций. Благодаря своей безопасности, точности и универсальности данный метод широко применяется в различных отраслях промышленности. Возможность обнаружения внутренних дефектов без повреждения исследуемого объекта делает ультразвуковой контроль незаменимым инструментом для обеспечения качества и безопасности продукции.