Краткое введение
Эта статья представляет собой краткий отчет о достижениях в области выявления и оценки размеров дефектов, расположенных на внутренней поверхности контролируемого материала. Как правило, такая методика находит свое применение для выявления, идентификации и оценки размеров коррозионных межкристаллитных или внутрикристаллитных трещин и усталостных разрушений материала независимо от того, появились ли они в процессе изготовления детали или при ее эксплуатации.
Обзор
При обнаружении на внутренней поверхности подозрительной трещины необходимо провести ее идентификацию. В этом начальном процессе обычно используют наклонные пьезоэлектрические преобразователи (далее – ПЭП) поперечных волн на 1.5, 2.25, или 5 МГц, которые применяются для определения фазовой неоднородности структуры твердого тела. Дальнейшая оценка амплитуды, длительности переднего и заднего фронтов, динамических характеристик отраженного импульса и его длительности, возможно поможет определить его природу, то есть отражается УЗ импульс от трещины на внутренней поверхности или от расточенного отверстия, рельефа основания детали или этот сигнал является следствием наличия реально существующего дефекта.
Другой метод, который может быть использован для процесса квалификации вышеназванных дефектов, заключается в использовании совмещенного ПЭП, возбуждающего головную волну. Популярность этой методики постоянно растет из-за ее простоты и по причине того, что она позволяет не только обнаружить дефект, но и дать предварительную информацию о его размерах.
Подробности о совмещенном пэп головной волны
Головная упругая ID-волна возникает на внутренней поверхности контролируемого объекта при использовании совмещенного ПЭП, когда продольная волна испытывает преломление и распространяется в объекте контроля под углом в 70º (для краткости назовем ее 70-ти градусной продольной волной). При этом угол падения, приводящий к возникновению головной волны, способствует также появлению и других мод (видов) волн. Эти разнообразные виды волн взаимодействуют друг с другом и при этом образуется уникальный отраженный сигнал, характеристики которого изменяются в зависимости от того, насколько далеко расположен дефект от точки ввода УЗ колебаний. Совокупность этих видов упругих волн может быть подразделена на три категории:
— Прямая продольная волна: это продольная упругая волна, получившая в контролируемом объекте преломление под углом в 70º, возникает после простой и быстрой настройки дефектоскопа только при наличии глубокой трещины.
— Поперечная волна (30-70-70): вместе с предыдущей волной также распространяется поперечная волна под углом в 30º (назовем ее 30-ти градусной поперечной волной). Эта волна при своем распространении наталкивается на заднюю грань контролируемого объекта, и некоторое количество упругой энергии отражается в виде 70-ти градусной продольной волны, которая, в свою очередь, отразившись от дефекта, возвращается обратно к ПЭП. Этот импульс известен под названием «30-70-70 — сигнал», чтобы подчеркнуть углы своеобразного треугольника, по сторонам которого происходит распространение УЗ волн, претерпевающих неоднократную трансформацию. Подобная ситуация характерна для глубоких трещин в изделиях, имеющих толщину стенки средней величины.
— Головная ID-волна: этот вид волны обычно представляет собой, по существу, подповерхностную продольную волну, которая распространяется вдоль внутренней (обратной, задней) поверхности контролируемого изделия. Возникновение ID-волны является свидетельством возможного наличия дефектов на внутренней поверхности изделия.
Калибровка (настройка чувствительности уз дефекто-скопа) с ипользованием пэп головной упругой волны
Относительное удобство осуществления исследований с использованием головных волн может быть приписано тому факту, что настройка (калибровка) аппаратуры и оценка параметров УЗ сигналов основаны на простом принципе распознавания путем сравнения с образцом. В общих чертах, УЗ сигналы, порожденные тремя модами волн будут либо присутствовать, либо отсутствовать в виде А-развертки на экране дефектоскопа в зависимости от природы и геометрии отражателя.
Настройка выражается в определенном расположении на линии развертки отраженного эхо-сигнала при распространении двух из трех видов волн: ID-волны и поперечной (30-70-70)-волны. Рекомендуется проводить настройку на стандартном образце той же толщины, что и контролируемый объект. Для того, чтобы смоделировать трещины, которые должны быть выявлены, на образце должна быть изготовлена серия зарубок. Обычно глубина зарубок колеблется в пределах (20 …80)% от толщины стенки. Для настройки чувствительности дефектоскопа может быть использована только та сторона образца, с которой придет отраженный УЗ сигнал при распространении в образце всех трех мод волн. Различие во временах фиксации каждого из сигналов будет одним и тем же для стандартного образца и контролируемого изделия при условии равенства их толщин. При настройке по стандартному образцу отраженный УЗ сигнал, вызванный распространением поперечной волны будет расположен на четвертом делении линии развертки дефектоскопа, в то время, как отраженный УЗ сигнал, вызванный распространением ID-волны будет располагаться на пятом делении.
Как только на линии развертки будет достигнуто такое расположение отраженных сигналов, можно начинать процесс поиска дефектов и разделения сигналов, используя ПЭП головной волны. По причине относительно высокого уровня энергии в головной волне и в связи с тем, что она распространяется достаточно близко к внутренней поверхности изделия, ее чувствительность к трещинам на внутренней (задней) поверхности чрезвычайно высока. Тем не менее, поскольку она не является чисто поверхностной волной и не отслеживает геометрию поверхности, головная волна будет обладать пониженной чувствительностью к таким отражателям, как корень сварного шва, которые надежно выявляются применением ПЭП продольных волн.
По этой причине дефектоскопист может повторно исследовать отражатели, первоначально признанные дефектами, а заодно просканировать контролируемый объект на предмет обнаружения дополнительных подозрительных сигналов, поступающих с внутренней поверхности. Применение ПЭП головной волны также позволит пользователю получить предварительную информацию о размерах отражателя, поскольку каждая из волновых мод появляется только при определенных условиях. Относительная глубина отражателя определяет вид, количество и амплитуду сигналов (вид дефектограммы) на экране дефектоскопа. На рисунке ниже представлена дефектограмма в форме А-развертки, в результате отражения только головной ID-волны. Это должно означать присутствие неглубокого дефекта на внутренней поверхности.
А-развертка на рисунке ниже демонстрирует наличие как сигнала при отражении ID-волны, так и сигнала, прошедшего по треугольнику 30-70-70 (поперечная (30-70-70)-волна). Это указывает на присутствие дефекта глубиной приблизительно в половину толщины стенки.
А-развертка на рисунке ниже демонстрирует наличие трех сигналов, порожденных отражением головной ID-волны, поперечной (30-70-70)-волны и прямой продольной волны. Это указывает на присутствие достаточно протяженной трещины по отношению к толщине изделия.
Как и для любой методики УЗ контроля, в данном случае имеются определенные ограничения. УЗ сигналы, порожденные отражением перечисленных трех волновых мод могут иметь различные относительные амплитуды в зависимости от рабочей частоты ПЭП, степени его демпфирования, размеров активного элемента (пьезопластины) и толщины исследуемого материала. Кроме того, тип контролируемого металла и реальная геометрия наружной поверхности могут изменять угол ввода УЗ колебаний, тем самым, изменяя амплитуду отраженного сигнала. Из этого следует обязательное использование соответствующего стандартного образца для точной настройки чувствительности. Множество влияющих на первоначальную настройку факторов обусловливают лишь оценочный (или качественный) характер контроля. Оценка характера и количества эхо-сигналов на дефектограмме дает хорошие результаты, что касается приблизительной глубины дефекта. Далее рассмотренная методика может быть использована для контроля глубины залегания отражателя.
Методика измерения
Использование карты измерения
Результаты, которые были получены при использовании методики головных волн, могут быть сведены в карту (маршрут) измерения. Эта карта измерения может быть использована как руководство дефектоскописту для точного соблюдения методики измерения в процессе контроля.
Методика оценки размеров трещины по дифракции на вершине трещины (дифракционная методика)
Этот метод используется для оценки размеров мелких трещин, простирающихся в глубь изделия на 5-35% его толщины. В этом методе величина времени распространения УЗ импульса от вершины трещины до ПЭП используется для определения глубины проникновения трещины вглубь изделия. Для упрощения процесса измерения дефектоскоп калибруется таким образом, чтобы каждое деление шкалы соответствовало определенной глубине. Обычно каждое из первых пяти делений шкалы соответствует 20% от толщины изделия. Так трещина с глубиной проникновения в 20% от толщины даст сигнал в 4-ом делении, а трещина в 40% — в 3-м делении и т.д. Также замечено, что в процессе использования этой методики наблюдается разделение УЗ сигналов, отраженных от вершины трещины и от угла основания трещины. Информация, получаемая от этого разделения позволяет, оператору (дефектоскописту) сделать окончательную и точную оценку глубины проникновения трещины. Для 20%-го дефекта А-развертка (дефектограмма) показана на рисунке ниже.
Для обеспечения хорошего разрешения сигнала от вершины трещины обычно используется сильно демпфированный ПЭП поперечных волн с рабочей частотой на 5 МГц и углом ввода 45º или 60º. До тех пор, пока сигнал от вершины трещины слаб, дефектоскоп должен быть в режиме радиосигнала. Такой режим позволяет облегчить наблюдение этого импульса при малом коэффициенте сигнал/шум, как показано на рисунке ниже.
Би-модальная методика
Эта методика используется для определения размеров трещин с глубиной проникновения в диапазоне 30-70% от толщины изделия. При этом обычно применяется раздельносовмещенный ПЭП на частоту в 3 МГц по методу «тандем». Этот ПЭП излучает передней пьезопластиной преломленную под углом в 50º продольную упругую волну и соответствующую сдвиговую волну (две моды волн), а задней пьезопластиной принимает отраженные от дефекта волны. Использование этого ПЭП реализует, по существу, комбинацию методики головных волн и методики дифракции от вершины трещины, описанной выше. Как и в случае применения методики дифракции от вершины трещины, дефектоскоп настраивается таким образом, чтобы сигнал от вершины трещины попадал на определенное деление шкалы экрана. Как делается в методике дифракции, разделение различных мод волн отображается и используется в процессе оценки/измерения.
Методика измерения с использованием продольных волн с большим углом падения
Эта методика измерения применяется для оценки размеров трещин с проникновением в изделие на величину порядка 60-95% от толщины. Этот метод опять использует время распространения сигнала от вершины трещины как оценку глубины проникновения. Дефектоскоп настраивается таким образом, чтобы сигналы, отраженные от трещин, близко расположенных к поверхности, отображались в первых нескольких делениях шкалы, а более глубоко залегающие трещины давали сигналы, расположенные в делениях с более высоким номером. Необходимо отметить, что подобная картина олицетворяет присутствие бездефектного материала в контролируемом образце, а не действительную глубину залегания трещины. Для осуществления этой методики измерения и оценки мы рекомендуем раздельносовмещеные ПЭП продольных волн с большим углом ввода. ПЭП головных волн могут быть успешно использованы для выявления трещин, пронизывающих изделие почти на всю толщину.
Заключение
Наиболее важный момент этих методик заключается в их простоте и доступности. Как только станет известна картина распространения УЗ луча, процесс выявления внутренних поверхностных трещин и оценки их размеров становится вопросом настройки дефектоскопа и методики распознавания. Кроме того, описанные методики измерения более точные, поскольку они используют оценку времени регистрации эхо-сигнала, тогда как традиционные методики, основанные на оценке амплитуды сигналов, находятся в зависимости от множества факторов, связанных с качеством акустического контакта ПЭП с изделием. Воздействие этих эффектов уменьшается или полностью устраняются использованием методик, основанных на оценке времени распространения УЗ колебаний в объекте контроля.
