+7 (342) 205-50-37, +7 (342) 202-50-40
614000, г. Пермь, ул. Промышленная, 87
info@ucsperm.ru
Ультразвуковой контроль
Ультразвуковой контроль — одна из разновидностей неразрушающего контроля. Заключается в установлении свойств исследуемого предмета при помощи ультразвука.
Использование ультразвука в неразрушающем контроле (дефектоскопии)
Первые попытки использовать ультразвук для поиска несплошностей в металле относятся еще к 1930-м годам, начиная с 1950-х годов ультразвуковой контроль(УЗК) становится очень распространнёным, а для ответственных изделий — обязательным. Существует множество методик УЗК, наиболее часто встречается так называемый эхо-метод. В этом методе короткий (1-5 периодов) импульс ультразвука посылается в исследуемый предмет. Этот импульс отражается от несплошности и поступает на приемный датчик. По времени пробега импульса в материале определяют расстояние до несплошности, а по амплитуде — её относительный размер (более большие дефекты дают более громкое эхо). Характерные частоты ультразвука, используемого при УЗК, это 1-10 МГц.
Термин "ультразвук" означает не слышимые человеческим ухом упругие акустические волны, частоты которых превышают 20 кГц. Способностью издавать и воспринимать ультразвук эволюция наградила лишь некоторых животных, например летучих мышей и дельфинов. Примерно 60 лет назад человечество также научилось использовать преимущества ультразвука. Постепенно ультразвуковой неразрушающий контроль стал хорошо отработанной технологией обеспечения качества продукции и получил распространение в различных областях промышленности.
Ультразвуковые волны позволяют измерять толщину материалов, определять степень их монолитности и исследовать их другие физические свойства. Используя методы ультразвукового неразрушающего контроля, можно получать быстрые и надежные результаты измерений толщины или обнаруживать скрытые внутренние дефекты без разрезания или разделения объектов контроля.
Первые промышленные ультразвуковые приборы появились еще в 40-х годах XX века. В этих приборах использовалась технология гидролокации. Небольшие портативные приборы неразрушающего контроля, предназначенные для различных условий применения, получили распространение в 70-е годы. Впоследствии, в 90-х годах, прогресс микропроцессорных технологий обеспечил появление современного поколения цифровых приборов на микропроцессорной базе.
Как было упомянуто выше, ультразвуковые волны имеют частоту свыше 20 кГц. Промышленный ультразвуковой контроль чаще всего проводится с использованием ультразвуковых волн с частотами в диапазоне от 500 КГц до 20 МГц. В некоторых специальных случаях используются частоты до 50 КГц и до 200 Мгц. В целом, более высокие частоты позволяют увеличить разрешающую способность, необходимую для измерения толщины малоразмерных объектов или для обнаружения микроскопических дефектов. В то же время, более низкие частоты обеспечивают лучшее проникновение ультразвука в объекты контроля большой толщины или выполненные из материалов, которые плохо проводят ультразвуковые волны.
|
Ультразвуковые волны излучаются и принимаются устройствами, которые преобразуют электрические сигналы в механические колебания и наоборот. Эти устройства называются ультразвуковыми преобразователями. Преобразователи, применяемые для неразрушающего контроля, имеют малую мощность, в отличие от устройств для ультразвуковой сварки или гомогенизации, которые используют более мощные ультразвуковые волны. Таким образом, ультразвуковой неразрушающий контроль является абсолютно безопасным. |
Отражение ультразвукового импульса от противоположной поверхности объекта контроля |
Ультразвуковые волны характеризуются направленностью. В отличие от слышимого звука, который распространяется от источника во всех направлениях, ультразвук может распространяться в виде узкого фокусированного луча, проникающего в объекты контроля строго в заданном направлении. Все звуковые волны отражаются от границы между различными материалами. Но ультразвук, благодаря малой длине волн, способен отражаться от объектов очень малого размера, в частности от микроскопических дефектов. Почти 100 % ультразвука отражается от границы противоположной поверхности объекта контроля с воздухом или от трещины в твердом материале. При этом ультразвук не разрушает твердые тела, что делает его очень удобным для проведения неразрушающего контроля.
В соответствии с областями применения приборы (системы) ультразвукового неразрушающего контроля можно разделить на четыре категории: толщиномеры, дефектоскопы, системы формирования изображений и системы анализа свойств материалов.
Ультразвуковая дефектоскопия
Используя те же самые принципы отражения ультразвука, ультразвуковые дефектоскопы обнаруживают эхосигналы, отражающиеся от трещин, пустот или других нарушений сплошности материала, из которого выполнен объект контроля. Ультразвуковой импульс распространяется в твердом однородном материале (например, стенке стальной трубы) до тех пор, пока не сталкивается с границей с другим материалом (например, воздухом в трещине или воздухом, с которым граничит противоположная поверхность стенки трубы). Дефектоскоп отображает информацию об амплитуде и положении эхосигналов, которая может быть использована для классификации дефектов. Сравнивая эхосигналы от опорного образца и от реального объекта контроля, опытный оператор может обнаружить скрытые дефекты задолго до того, как возникнет реальная неисправность.
Одной из наиболее важных областей применения ультразвуковых дефектоскопов является контроль качества сварки. Современное программное обеспечение, установленное в большинстве цифровых ультразвуковых дефектоскопов, обеспечивает графическое отображение траектории ультразвука, проходящего через сварные швы, что позволяет подробно исследовать характеристики любой подозрительной области. Дефектоскопы также широко используются для контроля состояния паровых котлов и баллонов, сооружений из конструкционной стали, деталей автомобилей и летательных аппаратов. Хотя большинство областей применения дефектоскопов охватывает металлы, методы дефектоскопии могут быть эффективно использованы для контроля качества пластмассовых, композитных и керамических объектов. Современные дефектоскопы с питанием от аккумуляторов являются полностью портативными и обеспечивают широкие возможности регистрации и обработки данных.
Информация, полученная с помощью ультразвуковых дефектоскопов, позволяет подготовленному оператору не только провести исчерпывающий контроль, но и расшифровать его результаты. Существуют стандарты подготовки операторов-дефектоскопистов. В соответствии с этими стандартами для получения квалификации 1-го уровня обычно требуется прослушать 40-часовой аудиторный курс. Для получения квалификации 2-го уровня необходимо пройти дополнительный 40-часовой курс.
Системы формирования изображений
В системах формирования изображений используется сильно сфокусированный ультразвук, который, подобно рентгеновским лучам, позволяет сформировать изображение внутренней структуры объекта контроля. Для этого проводится сканирование объекта контроля одним или несколькими преобразователями, что позволяет получать данные из нескольких точек. Изменения амплитуды и положения эхосигналов отражают изменения структуры материала, из которого выполнен объект контроля. Используя специальное преобразование этой информации в графический вид, можно формировать очень подробные изображения.
Акустические системы формирования изображений могут иметь различную конфигурацию и размеры. Это могут быть настольные системы, использующиеся для формирования увеличенных изображений объектов малого размера (например, элементов интегральных схем). Это могут быть также системы высокой мощности, занимающие целую комнату. Последние часто используются для контроля объектов больших размеров, таких как сборочные узлы летательных аппаратов.
Системы анализа материалов
Изменения физической структуры материала будут оказывать влияние на характеристики проходящих через него ультразвуковых волн. Для ультразвукового анализа свойств материалов обычно используются значения таких параметров, как скорость ультразвука, степень его ослабления или рассеивания, а также частотная составляющая ультразвуковых эхосигналов. Измерения значений этих параметров позволяют анализировать или измерять характеристики таких свойств материалов, как модуль эластичности, плотность, структура гранул, ориентация кристаллов или степень полимеризации. Для анализа свойств материалов могут быть использованы как простые генераторы импульсов/приемники, так и сложные системы анализа, в которых используется специальное программное обеспечение.
Так как различные материалы по-разному проводят ультразвук, ультразвуковой анализ материалов представляет собой процесс сравнения. Сначала измеряются значения параметров контроля опорных образцов. После этого измеряются значения тех же параметров реальных изделий (партии изделий), выполненных из того же материала. Исключением из этого правила является измерение модуля упругости, при котором расчет производится непосредственно на основании значений скорости двух типов ультразвуковой волны (продольной и поперечной) и плотности материала.
Ультразвуковая толщинометрия
Ультразвуковые толщиномеры измеряют время, которое затрачивает ультразвуковой импульс на прохождение до противоположной поверхности объекта контроля, отражение от нее и возвращение на преобразователь. Для проведения таких измерений доступ к противоположной поверхности объекта контроля не требуется. Благодаря этому, если противоположная поверхность объекта контроля является труднодоступной или полностью недоступной, необходимость разрезать объект контроля (что требуется при использовании микрометра или штангенциркуля) отсутствует. С помощью ультразвуковых толщиномеров может быть измерена толщина изделий из большинства конструкционных материалов, таких как металлы, пластики, керамика, композиты, эпоксидная смола и стекло, а также толщина слоя жидкости или биологических образцов.
Значение скорости ультразвука является существенной частью этих расчетов. Различные материалы проводят ультразвуковые волны с различной скоростью. Кроме этого, в некоторых материалах, особенно в пластмассах, скорость ультразвука колеблется с изменением температуры. Таким образом, настройка ультразвукового толщиномера на правильную скорость ультразвука в материале, из которого выполнен объект контроля, является очень важной. Для этого используются опорные образцы известной толщины.
При любом измерении толщины выбор толщиномера и преобразователя зависит от материала, из которого выполнен объект контроля, диапазона измеряемой толщины и требуемой точности измерений. Кроме этого, необходимо учитывать форму объекта контроля, его температуру и другие специальные условия. Несмотря на большое количество таких факторов, ультразвуковые толщиномеры подразделяются только на две категории: коррозионные и прецизионные.
Одной из самых важных областей применения ультразвукового контроля является измерение остаточной толщины стенок металлических труб, резервуаров или баллонов, подверженных коррозии с внутренней стороны. Для таких измерений предназначены коррозионные толщиномеры. С коррозионными толщиномерами используются так называемые раздельно-совмещенные преобразователи. У этих преобразователей излучающий и приемный элемент разделены акустическим экраном и расположены под углом друг к другу, создавая таким образом V-образную траекторию ультразвука в материале объекта контроля.
Измерение толщины объектов, имеющих гладкие поверхности, с помощью раздельно-совмещенных преобразователей дает недостаточно точные результаты (обычно диапазон точности составляет ± 0,1 мм). Преобразователи этого типа обеспечивают оптимальные результаты при измерении объектов с грубыми или изъязвленными поверхностями. Кроме этого, многие преобразователи этого типа предназначены для использования при высокой температуре поверхности объектов контроля (приблизительно до 500 С° ), позволяя проводит контроль горячих труб и резервуаров без остановки процесса их эксплуатации. Кроме этого, в коррозионных толщиномерах используются специальные методы обработки эхосигналов, обеспечивающие измерения минимальной остаточной толщины стенок объектов контроля, имеющих неровные внутренние поверхности.
Прецизионные толщиномеры, в свою очередь, предназначены для измерения толщины во всех остальных случаях (объектов из некорродированных металлов, пластмасс, стекла или керамики). Точность измерения в этом случае также зависит от состояния материала. Обычно она составляет ± 0,025 мм. В некоторых случаях возможна точность до ± 0,003 мм. Обычно прецизионные толщиномеры используются для измерения толщины пластмассовых изделий, выполненных методом штамповки или пневмораздува, металлических обрабатываемых изделий или отливок, стенок стеклянных бутылок, колб и резиновых труб, пластмассовых оболочек кабелей, многослойных изделий из стекловолокна и композитов, а также керамических изделий. В большинстве случаев используются ручные толщиномеры с контактными преобразователями. Однако для измерения толщины объектов сложной формы или для поточных измерений толщины используются бесконтактные иммерсионные преобразователи, которые фокусируют ультразвуковой луч через слой воды.
Многие современные ультразвуковые толщиномеры оснащены сложными системами регистрации и передачи данных, обеспечивающими сопряжение толщиномеров с компьютерными базами данных. Тысячи показаний могут быть получены и сохранены под идентификационными номерами (идентификаторами) в полевых условиях или при проведении контроля работающего оборудования на промышленном предприятии и загружены в компьютер для регистрации и статистического анализа. Некоторые портативные толщиномеры также предусматривают отображение эхосигналов на дисплее. Эти эхосигналы могут быть использованы опытным оператором для проверки точности показаний в сложных случаях контроля, а также для установки оптимальных значений параметров работы толщиномера.