Ультразвуковая дефектоскопия

Том Ниллиган
Из всех применений промышленных ультразвуковых испытаний обнаружение дефектов Ультразвуковая дефектоскопия является самым старым и наиболее распространенным.
С 1940-х годов законы физики, которые регулируют распространение звуковых волн через твердые материалы, были использованы для обнаружения скрытых трещин, пустот, пористости и других внутренних разрывов в металлах, композитах, пластмассах и керамике.
Высокочастотные звуковые волны отражают от недостатков предсказуемым образом, производя отличительные эхо-сигналы, которые могут отображаться и записываться портативными приборами. Ультразвуковая дефектоскопия полностью неразрушающая и безопасная, и это хорошо зарекомендовавший себя метод испытаний во многих основных производственных, технологических и сервисных отраслях, особенно в области применения сварных швов и конструкционных металлов. В настоящем документе представлено краткое введение в теорию и практику ультразвуковой дефектоскопии. Он предназначен только для обзора темы. Дополнительную подробную информацию можно найти в ссылках, перечисленных в конце.

Ультразвуковая дефектоскопия - основная теория

1. Основная теория. Звуковые волны - это просто организованные механические вибрации, проходящие через среду, которая может быть твердой, жидкой или газообразной. Эти волны будут проходить через заданную среду с определенной скоростью или скоростью в предсказуемом направлении, а когда они столкнутся с границей с другой средой, они будут отражаться или передаваться в соответствии с простыми правилами. Это принцип физики, который лежит в основе ультразвуковой дефектоскопии.

Частота:Все звуковые волны колеблются с определенной частотой или количеством вибраций или циклов в секунду, которые мы испытываем как шаг в знакомом диапазоне слышимого звука. Человеческий слух распространяется на максимальную частоту около 20 000 циклов в секунду (20 кГц), в то время как большинство применений ультразвуковой дефектоскопии используют частоты между 500 000 и 10 000 000 циклов в секунду (от 500 кГц до 10 МГц).Ультразвуковая дефектоскопия на частотах в диапазоне мегагерц звуковая энергия не проходит эффективно через воздух или другие газы, но свободно перемещается по большинству жидкостей и обычных технических материалов.

Скорость:Скорость звуковой волны изменяется в зависимости от среды, через которую она движется, зависит от плотности среды и упругих свойств. Различные типы звуковых волн (см. «Способы распространения» ниже) будут перемещаться с разной скоростью.

Длина волны: любой тип волны будет иметь связанную длину волны, которая является расстоянием между любыми двумя соответствующими точками в волновом цикле при прохождении через среду. Длина волны связана с частотой и скоростью простым уравнением

λ = c / f,
где
λ = длина волны
c = скорость звука
f = частота

Длина волны является ограничивающим фактором, который контролирует объем информации, который может быть получен из поведения волны. При ультразвуковой дефектоскопии общепринятый нижний предел обнаружения для небольшого дефекта составляет половину длины волны. Все, что меньше этого, будет невидимым. При толщине ультразвука, теоретическая минимальная измеримая толщина одной длины волны.

Ультразвуковая дефектоскопия - Режимы распространения:Звуковые волны в твердых телах могут существовать в различных режимах распространения, которые определяются типом движения. Продольные волны и сдвиговые волны являются наиболее распространенными режимами, используемыми при ультразвуковой дефектоскопии. Иногда используются поверхностные волны и волны волн.
- продольная или сжатая волна характеризуется движением частиц в том же направлении, что и распространение волн, как из источника поршня. Звуковой звук существует как продольные волны.
- Сдвиговая или поперечная волна характеризуется движением частиц, перпендикулярным направлению распространения волны.
- Поверхность или волна Рэлея имеют движение эллиптической частицы и перемещаются по поверхности материала, проникая на глубину приблизительно одной длины волны.
- Плита или волна Лэмба представляют собой сложный режим вибрации в тонких пластинах, где толщина материала меньше одной длины волны, а волна заполняет все поперечное сечение среды.
Звуковые волны могут быть преобразованы из одной формы в другую. Чаще всего сдвиговые волны генерируются в тестовом материале путем введения продольных волн под выбранным углом. Это обсуждается далее в разделе « Угловое испытание» в разделе 4.

Ультразвуковая дефектоскопия - Переменные Ограничение передачи звуковых волн:Расстояние, на которое распространяется волна данной частоты и уровня энергии, зависит от материала, через который он движется. Как правило, материалы, которые являются жесткими и однородными, будут передавать звуковые волны более эффективно, чем те, которые являются мягкими, гетерогенными или зернистыми. Три фактора определяют расстояние, на которое будет проходить звуковая волна в данной среде: распространение пучка, затухание и рассеяние. По мере прохождения луча передний фронт становится шире, энергия, связанная с волной, распространяется на большую площадь, и в конечном итоге энергия рассеивается. Затухание - это потеря энергии, связанная с передачей звука через среду, по существу, в той степени, в которой энергия поглощается по мере продвижения вперед фронта волны. Рассеяние - это случайное отражение звуковой энергии от границ зерен и аналогичной микроструктуры. По мере увеличения частоты распространение пучка увеличивается, но эффекты затухания и рассеяния уменьшаются. Для данного приложения частоту преобразователя следует выбирать для оптимизации этих переменных.

Ультразвуковая дефектоскопия- Отражение на границе: когда энергия звука, проходящая через материал, сталкивается с границей с другим материалом, часть энергии будет отражена назад, и часть будет передана через. Количество отраженной энергии или коэффициент отражения связано с относительным акустическим импедансом двух материалов. Акустический импеданс, в свою очередь, является материальным свойством, определяемым как плотность, умноженная на скорость звука в данном материале. Для любых двух материалов коэффициент отражения в процентах от падающего энергетического давления может быть рассчитан по формуле

где
R = коэффициент отражения (процент отраженной энергии)
Z1 = акустический импеданс первого материала
Z2 = акустический импеданс второго материала.
Для границ металла / воздуха, обычно встречающихся в ультразвуковых дефектоскопах, коэффициент отражения приближается к 100%. Практически вся звуковая энергия отражается от трещины или другого разрыва на пути волны. Это фундаментальный принцип, который делает возможным ультразвуковое обнаружение дефектов.

Угол отражения и рефракции: звуковая энергия на ультразвуковых частотах имеет высокую направленность, и звуковые лучи, используемые для обнаружения дефектов, четко определены. В ситуациях, когда звук отражается от границы, угол отражения равен углу падения. Звуковой луч, который попадает на поверхность при перпендикулярном падении, будет отражаться прямо назад. Звуковой луч, который попадает на поверхность под углом, будет отражаться вперед под одним углом.
Звуковая энергия, передаваемая из одного материала в другой, изгибается в соответствии с законом преломления Снелла. Опять же, луч, который движется прямо, будет продолжаться в прямом направлении, но луч, который ударяет по границе под углом, будет изгибаться по формуле:

где
Ø ₁ = угол падения в первом материале
Ø ₂ = угол преломления во втором материале
V ₁ = скорость звука в первом материале
V ₂ = скорость звука во втором материале
Эта зависимость является важным фактором при испытании углового луча , который обсуждается в разделе 4 .

Ультразвуковая дефектоскопия - Ультразвуковые преобразователи

2. Ультразвуковые преобразователи
В самом широком смысле, преобразователь - это устройство, которое преобразует энергию из одной формы в другую. Ультразвуковые преобразователи преобразуют электрическую энергию в высокочастотную звуковую энергию и наоборот.

Сечение типового контактного преобразователя
Типичные преобразователи для ультразвуковой дефектоскопии используют активный элемент, изготовленный из пьезоэлектрической керамики, композита или полимера. Когда этот элемент возбуждается электрическим импульсом высокого напряжения, он вибрирует по определенному спектру частот и генерирует всплеск звуковых волн. Когда он вибрирует входящей звуковой волной, он генерирует электрический импульс. Передняя поверхность элемента обычно покрыта износостойкой пластиной, которая защищает ее от повреждений, а задняя поверхность соединяется с материалом подложки, который механически гасит вибрации после завершения процесса формирования звука. Поскольку звуковая энергия на ультразвуковых частотах не проходит эффективно через газы, между преобразователем и испытуемым образцом обычно используется тонкий слой соединительной жидкости или геля.

Существует пять типов ультразвуковых преобразователей, которые обычно используются в системах обнаружения дефектов:

- Контактные преобразователи. Как следует из названия, контактные датчики используются в непосредственном контакте с испытуемым образцом. Они вводят звуковую энергию, перпендикулярную поверхности, и обычно используются для определения пустот, пористости и трещин или расслоений, параллельных внешней поверхности детали, а также для измерения толщины.

- Преобразователи угловых лучей- Преобразователи углового луча используются вместе с пластиковыми или эпоксидными клиньями (угловыми балками) для введения волн сдвига или продольных волн в испытательный образец под заданным углом относительно поверхности. Они обычно используются для проверки сварки.
- Линейные преобразователи задержки - Линейные преобразователи задержки включают короткий пластиковый волновод или линию задержки между активным элементом и испытуемым образцом. Они используются для улучшения разрешения поверхности, а также при высокотемпературных испытаниях, где линия задержки защищает активный элемент от термического повреждения.

- Иммерсионные преобразователи- Иммерсионные преобразователи предназначены для соединения звуковой энергии в испытательном образце через водяной столбик или водяную баню. Они используются в приложениях автоматического сканирования, а также в ситуациях, когда для улучшения устранения дефектов требуется резко сфокусированный луч.
- Двухэлементные преобразователи - Двойные преобразователи элементов используют отдельные элементы передатчика и приемника в одной сборке. Они часто используются в применениях с грубыми поверхностями, крупнозернистыми материалами, обнаружением точечной коррозии или пористости, а также они обеспечивают хорошую высокотемпературную устойчивость.

Ультразвуковая дефектоскопия - виды дефектоскопов

3. Ультразвуковые дефектоскопы
Современные ультразвуковые дефектоскопы, такие как серия EPOCH - являются небольшими портативными микропроцессорными приборами, подходящими как для магазинов, так и для использования на местах. Они генерируют и отображают ультразвуковой сигнал, который интерпретируется обученным оператором, часто с помощью программного обеспечения для анализа, для определения и классификации дефектов в образцах. Они, как правило, включают в себя ультразвуковой пульсатор / приемник, аппаратное и программное обеспечение для сбора и анализа сигналов, отображения формы сигнала и модуля регистрации данных. Хотя некоторые дефектоскопы на основе аналоговых сигналов все еще производятся, большинство современных приборов используют цифровую обработку сигналов для повышения стабильности и точности.
Секция пульсатора / приемника представляет собой ультразвуковой передний конец дефектоскопа. Он обеспечивает импульс возбуждения для управления преобразователем, а также усиление и фильтрацию для возвращаемых эхо-сигналов. Амплитуду, форму и демпфирование импульсов можно контролировать, чтобы оптимизировать работу преобразователя, а коэффициент усиления приемника и полосу пропускания можно настроить для оптимизации отношения сигнал / шум.
Современные дефектоскопы обычно фиксируют форму сигнала в цифровом виде, а затем выполняют на нем различные функции измерения и анализа. Часы или таймер будут использоваться для синхронизации импульсов преобразователя и обеспечения калибровки расстояния. Обработка сигналов может быть такой же простой, как генерация отображения формы волны, которая показывает амплитуду сигнала в зависимости от времени в калиброванном масштабе или сложную, как сложные алгоритмы цифровой обработки, которые включают коррекцию расстояния / амплитуды и тригонометрические вычисления для наклонных звуковых дорожек. Аварийные ворота часто используются для контроля уровней сигналов в выбранных точках в волновой поездке для отметки эхо-сигналов из-за недостатков.
Дисплей может представлять собой ЭЛТ, жидкокристаллический или электролюминесцентный дисплей. Экран обычно калибруется в единицах глубины или расстояния. Многоцветные дисплеи могут использоваться для предоставления интерпретационной помощи.
Внутренние регистраторы данных могут использоваться для записи полной формы сигнала и информации о настройке, связанной с каждым тестом, если это требуется для целей документации, или выбранной информации, такой как амплитуда эхо-сигнала, глубина или расстояние, наличие или отсутствие условий тревоги.

Ультразвуковая дефектоскопия - процедура

4. Процедура
Ультразвуковая дефектоскопия в основном является сравнительной техникой. Используя соответствующие эталонные стандарты наряду со знанием распространения звуковых волн и общепринятых процедур испытаний, обученный оператор идентифицирует конкретные эхо-сигналы, соответствующие эхо-отклику от хороших частей и от типичных недостатков. Затем образец эха от тестового образца можно сравнить с шаблонами из этих калибровочных стандартов, чтобы определить его состояние.
- Прямое измерение луча. Для определения трещин или расслоений, параллельных поверхности испытуемого элемента, а также пустот и пористости, как правило, используются испытания на прямой лучевой нагрузке с использованием контактной, линии задержки, двойного элемента или иммерсионных преобразователей. Он использует основной принцип, согласно которому звуковая энергия, проходящая через среду, будет продолжать распространяться до тех пор, пока она не рассеется или не отразится от границы с другим материалом, таким как воздух, окружающий дальней стену или найденный внутри трещины. В этом типе теста оператор соединяет преобразователь с образцом и обнаруживает эхо-сигнал, возвращающийся с дальней стены испытательного образца, а затем ищет любые эхо-сигналы, которые поступают впереди этого эхо-сигнала, и дисконтируют шум рассеяния зерна, если он присутствует. Акустически значимое эхо, которое предшествует эхо-сигналу обратной линии, подразумевает наличие ламинарной трещины или пустоты. Благодаря дальнейшему анализу можно определить глубину, размер и форму структуры, создающей отражение.

В некоторых специализированных случаях тестирование выполняется в режиме сквозной передачи, где энергия звука перемещается между двумя преобразователями, расположенными на противоположных сторонах образца. Если на пути прохождения звука имеется большой дефект, пучок будет затруднен, и звуковой импульс не достигнет приемника.
- Угловое испытание луча. Трещины или другие разрывы, перпендикулярные поверхности испытуемого образца, или наклонные относительно этой поверхности, обычно невидимы при использовании методов испытаний с прямым лучом из-за их ориентации относительно звукового луча. Такие дефекты могут возникать в сварных швах, конструкционных металлических деталях и многих других важных компонентах. Для их поиска используются методы углового луча с использованием либо датчиков углового луча (клина), либо иммерсионных преобразователей, выровненных так, чтобы направлять энергию звука в образец для испытаний под выбранным углом. Использование проверки углового луча особенно характерно для проверки сварного шва.
Типичные узлы углового луча используют преобразование режима и закон Снелла для генерации волны сдвига под выбранным углом (чаще всего 30, 45, 60 или 70 градусов) в испытательном образце. По мере увеличения угла падающей продольной волны по отношению к поверхности возрастающая часть энергии звука преобразуется в сдвиговую волну во втором материале, и если угол достаточно высок, вся энергия во втором материале будет быть в форме сдвиговых волн. Существует два преимущества для разработки общих угловых балок, чтобы воспользоваться этим явлением преобразования режима. Во-первых, передача энергии более эффективна при углах падения, которые генерируют сдвиговые волны в стали и подобных материалах. Во-вторых, минимальное разрешение размера дефекта улучшается за счет использования сдвиговых волн

Ультразвуковая дефектоскопия - типовой узел

Типовой узел угловой балки. Угловой звуковой луч очень чувствителен к трещинам, перпендикулярным к далекой поверхности испытуемого элемента (испытание первой ноги) или, после отскакивания с дальней стороны, к трещинам, перпендикулярным поверхности сцепления. Разнообразные конкретные углы пучка и положения зонда используются для размещения геометрии деталей и типов дефектов, и они подробно описаны в соответствующих кодах и процедурах проверки, таких как ASTM E-164 и AWS Structural Welding Code.

Среди всех промышленных применений неразрушающего контроля Ультразвуковая дефектоскопия является самой старой и самой распространенной.
С 1940-х годов распространение звуковых волн через твердые материалы использовалось для обнаружения скрытых трещин, пустот, пористости и других внутренних разрывов в металлах, композитах, пластмассах и керамике. Высокочастотные звуковые волны отражают от недостатков предсказуемым образом, производя отличительные эхо-сигналы, которые могут отображаться и записываться портативными приборами.
Технология фазированных массивов добавляет презентации цветной графики, которые упрощают интерпретацию результатов, рисуя поперечные изображения внутренних структур. Кроме того, поэтапные массивы обеспечивают управление лучом и динамическую фокусировку, что повышает разрешение в сложных приложениях, таких как ротор турбины и контроль корня лопаток, полное хранение данных и быстрое сканирование.
Аналогичным образом, физика электричества и магнетизма является теоретической основой, используемой вихретоковыми приборами для обнаружения внутренних дефектов в металлических листах, трубах, обработанных деталях и критических узлах, таких как крепежные детали самолетов. Вихревой ток особенно хорошо подходит для поиска наружных трещин практически в любой металлической части.