1 Введение Ультразвуковой метод контроля в настоящее время является одним из основных методов неразрушающего контроля. Методы ультразвуковой дефектоскопии позволяют производить контроль сварных соединений, сосудов и аппаратов высокого давления, трубопроводов, поковок, листового проката и другой продукции. Ультразвуковой контроль является обязательной процедурой при изготовлении и эксплуатации многих ответственных изделий, таких как части авиационных двигателей, трубопроводы атомных реакторов или железнодорожные рельсы. Данный метод основывается на способности акустических колебаний высокой частоты проникать в материал объекта контроля и отражаться от дефектов. полученные Выявленное данные отклонение позволяют регистрируется, получить возникшего дефекта. 2 фиксируется, информацию о а характере Принцип работы ультразвуковой дефектоскопии В основе ультразвуковой дефектоскопии лежат акустические колебания высокой частоты, т. е. механические колебания частиц упругой среды. Так как звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале, то отражение акустических волн происходит от границы раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями, и чем больше различаются акустические сопротивления, тем большая часть звуковых волн отражается от границы раздела сред. Принимая во внимание, что включения в металле обычно содержат газ или смесь газов, возникающих вследствие процесса сварки, литья и т. п. и не успевают выйти наружу при затвердевании металла, то такая смесь газов имеет на пять порядков меньшее удельное акустическое сопротивление, чем сам металл, то отражение звуковых волн будет практически полное. Разрешающая способность акустического исследования, то есть способность выявлять мелкие дефекты раздельно друг от друга, определяется длиной звуковой волны, которая в свою очередь зависит от частоты ввода акустических колебаний. Чем больше частота, тем меньше длина волны. Данный эффект возникает из-за того, что при размере препятствия меньше четверти длины волны, отражение колебаний практически не происходит, а доминирует их дифракция. Поэтому, как правило, частоту ультразвука стремятся повышать. С другой стороны, при повышении частоты колебаний быстро растёт их затухание, что сокращает возможную область контроля. Практическим компромиссом стали частоты в диапазоне от 0,5 до 10 МГц. Существует несколько методов возбуждения ультразвуковых волн в исследуемом объекте. Наиболее распространенным является использование пьезоэлектрического эффекта. В этом случае излучение ультразвука производится электрические с помощью колебания пьезоэлектрического эффекта. преобразователя, в акустические Пройдя 3 через который преобразует путём обратного контролируемую среду, ультразвуковые колебания попадают на приёмную пьезопластину преобразователя и, вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта вновь становятся электрическими, которые и регистрируются измерительными цепями. Однако, из-за сильного затухания ультразвуковых волн в воздухе, необходимо использовать контактные жидкости на границе «ультразвуковой преобразователь- поверхность контролируемого объекта», в качестве которых могут быть использованы маловязкие моторные масла (для прямых ультразвуковых преобразователей) или глицерин с загустителем (для наклонных ультразвуковых преобразователей). 4 Методы ультразвуковой дефектоскопии Методы ультразвукового неразрушающего контроля можно подразделить на две большие группы: активные и пассивные. Активные методы основаны на излучении и приёме упругих волн, а пассивные- только на приёме волн, источником которых служит сам объект контроля (ОК). Активные методы делятся на методы отражения, прохождения, комбинированные, методы собственных колебаний и импедансные. Методы отражения основаны на анализе отражения импульсов упругих волн от неоднородностей или границ ОК, методы прохождения- на влиянии параметров ОК на характеристики прошедших через него волн. Комбинированные методы используют влияние параметров ОК на как на отражение, так и на прохождение упругих волн. В методах собственных колебаний о свойствах ОК судят по параметрам его свободных или вынужденных колебаний (по их частотам и величине потерь). В импедансных методах информативным параметром является механический импеданс ОК в зоне его контакта с преобразователем. Пассивные методы неразрушающего контроля классифицируются по характеру анализируемых сигналов. 5 Активные методы. Методы отражения В данной группе методов информацию получают по отражению акустических волн в ОК. Эхо-метод или эхо-импульсный метод - наиболее распространённый: преобразователь генерирует колебания (то есть выступает в роли генератора) и он же принимает отражённые от дефектов эхо-сигналы (приёмник; Зеркальный или Эхо-зеркальный метод - в данном методе используются два преобразователя с одной стороны детали и сгенерированные колебания отражаются от дефекта в сторону приёмника. На практике используется для поиска дефектов расположенных перпендикулярно поверхности контроля, например трещин; Дифракционно-временной метод- используется два преобразователя с одной стороны детали, расположенные друг напротив друга. Если дефект имеет острые кромки (как, например, трещины) то колебания дифрагируют на концах дефекта и отражаются во все стороны, в том числе и в сторону приёмника. Дефектоскоп регистрирует время прихода обоих импульсов при их достаточной амплитуде.; Дельта-метод (разновидность зеркального метода)- отличается механизмом отражения волны от дефекта и способом принятия сигнала. В диагностике используется для поиска специфично расположенных дефектов; Ревербационный метод - основан на постепенном затухании сигнала в объекте контроля; 6 Методы прохождения Данные методы в отечественной номенклатуре чаще называются теневыми и основаны на наблюдении изменения параметров прошедшего через ОК акустического сигнала. Изначально для контроля применялось непрерывное излучение, а изменение его амплитуды сквозных колебаний было вызвано образуемой дефектом звуковой тенью, поэтому термин «теневой» адекватно отражал суть метода. Амплитудный теневой метод- основан на регистрации уменьшения амплитуды сквозного сигнала под влиянием дефекта, затрудняющего прохождение сигнала и создающего звуковую тень. В данном методе используются два преобразователя, которые находятся по две стороны от исследуемой детали на одной акустической оси, из которых один выступает генератором колебаний, а другой- приемником; Зеркально-теневой метод- используется для контроля деталей с двумя параллельными сторонами, развитие теневого метода: анализируются отражения от противоположной грани детали. Признаком дефекта, как и при теневом методе, будет считаться пропадание отражённых колебаний. Основное достоинство этого метода в отличие от теневого заключается в том, что доступ к детали необходим только с одной стороны; Временной теневой метод- основан на измерении запаздывания импульса во времени, вызванного на огибанием дефекта. Метод эффективно применяется при контроле материалов с большим рассеянием ультразвуковых волн; 7 Пассивные методы Акустико-эмиссионный метод основан на регистрации упругих волн, возникающих в результате акустической эмиссии. Это явление состоит в образовании акустических волн при динамической внутренней локальной перестройке структуры материала ОК. Акустические волны (обычно ультразвуковые) возникают в процессе появления и развития трещин в ОК, а также при перестройке кристаллической структуры его материала. Основное применение данного метода- наблюдение за возникновением и развитием трещин при испытаниях или эксплуатации, а также для исследования процессов сварки, механообработки, механических испытаний образцов и пр. Вибрационно-диагностический метод основан на измерении вибрации какого-либо узла или детали ОК (ротора, подшипника и т.д.) с помощью приемников контактного типа. Шумодиагностический метод состоит в анализе спектра шумов работающего механизма (двигателя, редуктора, станка) на слух, или с помощью микрофонных и других приемников и приборов- анализаторов спектра. 8 Преимущества и недостатки метода. Основными преимуществами метода являются: Реакция непосредственно на причину нарушения прочности, тогда как все другие методы неразрушающего контроля используют явления, основанные на косвенном влиянии дефекта на электромагнитное поле или пробное вещество. Ультразвуковые метода позволяют выявлять трещины раскрытием 10-5…10-4 мм (более тонкие, чем при любом другом методе контроля), а также обнаруживать дефекты, заполненные другим веществом; Возможность контроля изделий из самых различных металлических и неметаллических материалов независимо от их электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости; Способность глубоко проникать в материалы с мелкозернистой структурой и обнаруживать в них дефекты; Возможность выявления как поверхностных, так и внутренних дефектов; Безопасность для исполнителей и окружающих; Мобильность, сравнению с адаптивность, другими относительная методами), дешевизна относительная (по легкость автоматизации. Основными недостатками метода являются: Трудность или невозможность контроля изделий из неоднородных или крупнозернистых материалов; Требование ровной и гладкой поверхности изделия; Трудность контроля изделий малых размеров или сложной конфигурации; Трудность или невозможность определения характера дефекта и его реальных размеров. 9 Особенностью ультразвукового неразрушающего контроля (в большей степени, чем в других методах) является то, что дефекты обнаруживаются и правильно классифицируются с определенной степенью вероятности, т.е. не со 100%-ной достоверностью. Эти ошибки связаны с особенностями дифракции ультразвуковых волн на несплошностях и со спецификой материала ОК. 10 Применение метода в авиационной промышленности. Диски авиадвигателей относятся к чрезвычайно ответственным изделиям, поэтому предпочтительнее исследовать на максимально высокой чувствительности. Они изготавливаются из сплавов на основе железа, титана и никеля- материалов, чаще всего имеющих крупнозернистую структуру, что влечет за собой повышенное рассеяние УЗ волн. Дефектоскоп для контроля дисков должен иметьчастоты 1.25; 2.5 и 5 Мгц, прделы зоны прозвучивания по глубине от 1…8000 мм. В заготовках из титановых сплавов трудно обнаруживаемый дефектобогащенные азотом включения- нитриды. Это твердые вещества, которые не расплющиваются при обработке давлением и около них могут возникать трещины, которые существенно ослабляют прочность диска. Для их обнаружения разработаны Методические указания №40-5/86 Д. Также, наиболее ответственной деталью авиационного двигателя являются лопатки компрессоров и турбин. Лопатки, изготавливаемые прессованием из жаропрочных сплавов, контролируют со стороны корытца на частоте 10 МГц, причем контролю подвергается и заготовка, и готовая лопатка. В качестве контактирующей жидкости используется глицерин. Литые лопатки также контролируют в процессе изготовления и при ремонте двигателя. На контроль поступают демонтированные лопатки, а поиск трещин выполняется на внутренней поверхности со стороны спинки. Также, контролю подвергаются входные и выходные кромки лопаток. Для контроля замкового соединения лопаток применяются фазированные линейные решетки различных типов с частотой 7…11 МГц. 11 Содержание 1. И. Н. Ермолаев, Ю. В. Ланге. Ультразвуковой контроль. Неразрушающий контроль: Справочник В 7 т. под общ. ред. В. В. Клюева. М., Машиностроение., 2004 г. 2. Кретов Е. Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении., СПб, СВЕН, 2014 г. 3. Д.Ю. Киселев, И.М. Макаровский. Неразрушающие методы контроля технического состояния воздушных судов: учеб. пособие., С., 2017 г. 12
