Раздел 1: Общий обзор
Область применения
Неразрушающий контроль целостности соединения двух различных материалов, один из которых имеет низкий акустический импеданс (пластмасса, стекловолокно, резина или эпоксидная смола), а другой – высокий акустический импеданс (металл, стекло или керамика). Метод неразрушающего контроля, о котором идет речь в данной статье, в первую очередь используется производителями автомобильных узлов сцепления, так как качество этих узлов зависит от целостности дисков сцепления, состоящих из слоя графита/волокна/клея, нанесенного на стальную опорную пластину.Данный метод неразрушающего контроля также применяется для проверки плотности прилегания пластмассовых муфт на металлических трубах и емкостях, пластиковых защитных покрытий на стекле, резиновых покрытий на металлических валиках и эпоксидных покрытий на металлических деталях. Кроме этого, данный метод неразрушающего контроля обеспечивает отслеживание качества металлических подшипников, в которых мягкий металл, имеющий низкий акустический импеданс (баббит), соединяется с твердым металлом, имеющим высокий акустический импеданс (сталь).
Проблема
Чаще всего оценка целостности соединения двух материалов при контроле ультразвуковыми средствами производится по изменениям амплитуды ультразвуковых эхосигналов, отраженных от границы между этими материалами. Этот метод очень удобен в случаях, когда два соединенных материала имеют примерно одинаковый акустический импеданс, например металл/металл или пластмасса/пластмасса. Если же акустический импеданс соединенных материалов значительно различается (например, в соединениях пластмасса/металл), изменения амплитуды эхосигналов от границ с наличием и отсутствием нарушений целостности не всегда явно различимы. В подобных случаях наличие или отсутствие нарушений целостности соединения может быть выявлено только по инверсии (изменении полярности) эхосигналов от границы между двумя материалами.
Оборудование
Контроль целостности соединения двух материалов может быть проведен с использованием приборов ультразвукового контроля, которые позволяют отображать недетектированные эхосигналы. Такой режим отображения недетектированных эхосигналов обеспечивают портативные цифровые дефектоскопы моделей EPOCH 650 и EPOCH 6LT производства компании Olympus (Panametrics-NDT). Если портативность не требуется, может быть использован любой генератор-приемник производства компании Olympus (Panametrics-NDT) (модели 5072PR, 5073PR, 5900PR, 5058PR, 5800PR), подключенный к осциллографу. Тип и частота преобразователя выбираются соответственно условиям контроля. Но во всех случаях для максимального усиления эффекта инверсии эхосигналов рекомендуются широкополосные преобразователи.
Порядок работы
Как полярность, так и амплитуда эхосигналов от границы между двумя материалами определяется соотношением значений акустического импеданса этих материалов. Эхосигналы от границы двух соединенных материалов инвертируются при изменении этого соотношения значений (низкое/высокое и высокое/низкое). На рисунках 1 и 2 изображены эхосигналы от границы пластмасса/воздух и пластмасса/металл соответственно, демонстрирующие явление инверсии. Эти рисунки представляют собой изображения на дисплее дефектоскопа модели EPOCH 650 в режиме отображения недетектированных эхосигналов, полученные с помощью широкополосного преобразователя V109 с частотой 5МГц. При этом использовался образец, состоящий из пластмассовой и алюминиевой частей.
На рисунке 1 изображен эхосигнал от противоположной поверхности части образца, выполненной из органического стекла толщиной 5 мм. В этом случае ультразвук отражается от границы между материалами с относительно высоким (пластмасса) и относительно низким акустическим импедансом (воздух). Эхосигнал имеет отрицательную полярность.
Рисунок 1: Эхосигнал от части образца, выполненной из органического стекла, граничащей с воздухом
На рисунке 2 изображен эхосигнал от противоположной поверхности части того же образца, выполненной из органического стекла, соединенной с алюминиевой частью. Теперь ультразвук отражается от границы между материалом с относительно низким (пластмасса) и относительно высоким акустическим импедансом (алюминий). Как известно, акустический импеданс пластмассы выше акустического импеданса воздуха, но ниже акустического импеданса алюминия, стали и других металлов. Следует помнить, что в данном случае во внимание принимаются не абсолютные значения акустического импеданса, а их соотношение (высокое/низкое и низкое/высокое). В данном случае эхосигнал имеет положительную полярность, то есть оказывается инвертированным относительно эхосигнала, который наблюдался от границы пластмасса/воздух.
Рисунок 2: Эхосигнал от образца в соединенном виде (граница пластмасса/алюминий)
Таким образом, данный образец позволяет наглядно увидеть различие полярности эхосигналов от границы между твердыми материалами и границы между твердым материалом и воздухом. Лучше всего сначала получить четкие эхосигналы, используя данный образец в соединенном виде, а затем проследить изменение полярности эхосигналов при разъединении его частей.
Та же самая картина наблюдается и при использовании генератора-приемника модели 5800PR или аналогичного, подключенного к аналоговому или цифровому осциллографу. Нарушение целостности соединения создает границу пластмасса/воздух, которая вызывает эхосигналы с отрицательной полярностью. В свою очередь, от границы между двумя материалами без нарушения целостности образуются эхосигналы с положительной полярностью.
Следует отметить, что полярность отображаемых эхосигналов носит произвольный характер и зависит от алгоритма обработки данных конкретным прибором. Дефектоскопы и генераторы-приемники производства компании Olympus (Panametrics-NDT) обеспечивают изображения эхосигналов, приведенные на рисунках выше. В то же время, приборы других производителей могут отображать подобные эхосигналы, как инвертированные. Вид эхосигналов может быть быстро определен с помощью указанного образца. В любом случае основный принцип изменения полярности эхосигналов от границы между материалами с относительно низким/высоким акустическим импедансом остается неизменным.
Раздел 2: Дополнительная информация
Раздел 1 представляет собой краткое введение в концепцию использования инверсии недетектированных ультразвуковых эхосигналов для контроля целостности соединения различных материалов. Как и в других случаях применения ультразвукового оборудования, выбор преобразователя и настройка конкретного прибора зависит от свойств материала объекта контроля. По вопросам выбора преобразователей и настройки параметров работы оборудования можно получить консультацию в офисе Диагноста. Ниже приводится дополнительная информация о данном методе неразрушающего контроля.
Использование недетектированных эхосигналов
Аналоговые дефектоскопы предыдущего поколения обеспечивали отображение эхосигналов только с двухполупериодным детектированием. Многие пользователи современных цифровых дефектоскопов до сих пор используют только такое отображение эхосигналов, которое является оптимальным в большинстве обычных областей контроля. В то же время, отображение недетектированных эхосигналов позволяет получить дополнительную информацию об их форме и полярности. Эта информация может оказаться очень полезной при расшифровке результатов контроля. Кроме проведения контроля целостности соединения материалов по инверсии эхосигналов, использование отображения недетектированных эхосигналов позволяет повысить точность при измерении толщины материалов с использованием дефектоскопов, а тщательный анализ полярности эхосигналов иногда обеспечивает получение дополнительной информации о форме дефектов.
Соотношение значений акустического импеданса двух соединенных материалов
Как было указано в разделе 1, полярность эхосигналов от границы между двумя соединенными материалами зависит от соотношения значений акустического импеданса этих материалов. Коэффициент отражения ультразвука от границы между двумя материалами может быть рассчитан по формуле:
R = (Z2 — Z1) / (Z2 + Z1)
R = значение коэффициента отражения (в процентах)
Z1 = значение акустического импеданса первого материала
Z2 = значение акустического импеданса второго материала
Таблицы с перечнем таких значений для большинства конструкционных материалов содержатся в Справочниках, касающихся методов неразрушающего контроля.
Значение коэффициента отражения R может быть положительным или отрицательным. Если Z1 больше Z2, то R будет отрицательным. Соответственно эхосигналы от границы между этими материалами будут иметь отрицательную полярность. Если же Z2 больше Z1, то R будет положительным, и эхосигналы от границы между этими материалами будут иметь положительную полярность. Абсолютное значение R, которое может варьироваться от 0 до числа, приближающегося к 100%, обозначает относительную амплитуду эхосигналов.
Если Z1 и Z2 приближаются к одному значению, R приближается к нулю. Чем больше Z1 и Z2 различаются между собой (например, соединение любой твердый материал/воздух), тем больше R приближается к 100%. Обычная граница между пластмассой и воздухом отражает 99,96% ультразвуковой энергии. Коэффициент отражения границы между воздухом и материалом с более высоким акустическим импедансом (например, сталью), теоретически может быть больше.
Расчеты для обычных соединений «неметалл поверх металла» показывают, почему контроль целостности соединения по инверсии эхосигналов более надежен, чем контроль по изменению амплитуды эхосигналов. Например, из-за разницы между значениями акустического импеданса обычного пластикового покрытия (приблизительно 2,5 кг/м2сек х 106) и акустического импеданса стального основания (приблизительно 45 кг/м2сек х 106), от границы между ними отражается 90% ультразвуковой энергии. Это только на 10% меньше, чем расчетное значение 100% от границы между пластиком и воздухом. Визуально эта небольшая разница может быть установлена с трудом, особенно при неравномерном контакте преобразователя с поверхностью объекта контроля.
Следует иметь в виду, что при контроле целостности соединения преобразователь всегда должен размещаться со стороны материала с относительно низким акустическим импедансом. Если преобразователь находится со стороны материала с относительно высоким акустическим импедансом, инверсия эхосигналов не будет связана с целостностью соединения.
Выбор преобразователя
Как было указано в разделе 1, для контроля целостности соединения рекомендуется использовать широкополосные преобразователи (типа Videoscan или Microscan производства компании Olympus (Panametrics-NDT)). Эти преобразователи обычно обеспечивают четкие эхосигналы как положительной, так и отрицательной полярности. Частота преобразователя должна быть достаточно низкой для уменьшения разброса эхосигналов от интересующей границы между двумя материалами, так как разброс эхосигналов (например, при контроле негомогенных материалов, таких как стекловолокно или композиты) может вызвать инверсию эхосигналов независимо от целостности соединения материалов.
