Общие сведения. В практике проведения ультразвукового контроля массивных изделий плоскопараллельной формы эхо-импульсным методом часто применяют прямые ПЭП

В практике проведения ультразвукового контроля массивных изделий плоскопараллельной формы эхо-импульсным методом часто применяют прямые ПЭП, с помощью которых можно прозвучивать стальные объекты контроля толщиной свыше 150 мм. Контроль выполняется плавным настроечным сканированием с шагом, равным половине размера пьезоэлемента, со скоростью 30 – 150 мм/с.

Схемы прозвучивания изделий простой геометрической формы приведены на рис. 10.1. Если у изделия более сложная конфигурация, то выделяют участки с простейшей геометрической формой и производят прозвучивание по такой же схеме.

Особенностью контроля плоскопараллельных изделий прямым ПЭП является наличие на экране дефектоскопа стабильного донного импульса с малоизменяющейся амплитудой, что свидетельствует о наличии хорошего контакта ПЭП с поверхностью детали.

В то же время возникает трудность обнаружения в таких изделиях дефектов, имеющих размеры меньше половины длины волны ультразвуковых колебаний, если они расположены вблизи горизонтальных поверхностей. Так как для поиска дефектов малой площади дефектоскоп настраивается на высокий уровень чувствительности, то на экране возникают импульсы помех, затрудняющие, а иногда и полностью исключающие обнаружение дефектов.

 

 

 

а б

Рис. 10.1. Схемы прозвучивания изделий простой геометрической формы

(типа поковок): П – прямой ПЭП; Н – наклонный ПЭП

 

Особую группу образуют импульсы помех в начале развертки, связанные с отражателями в ОК элементов конструкции ПЭП (демпфера и призмы). Такие импульсы называют реверберационными шумами (реверберация – многократные повторные отражения). Кроме того, в начале развертки наблюдаются «контактные» эхо-импульсы, которые возникают в результате переотражений между поверхностями ПЭП и ОК. все эти помехи имеют большую амплитуду, поэтому небольшой эхо-сигнал от дефекта на их фоне не обнаруживается. Возникает мертвая зона, или минимальная глубина прозвучивания, – минимальное расстояние от поверхности ввода до дефекта, надежно выявляемого при контроле. Мертвая зона увеличивается с возрастанием длительности зондирующего импульса и длительности реверберационных шумов преобразователя.

В общем случае мертвая зона М для прямого ПЭП определяется по формуле:

, (10.1)

где – скорость продольной волны;

– длительность зондирующего импульса (ЗИ);

– длительность реверберационных шумов ПЭП.

При настройке дефектоскопа с подключенным к нему прямым ПЭП на высокую чувствительность возрастает длительность , фиксируемая приемным устройством, а значит, увеличивается фактическая мертвая зона.

Кроме того, существует так называемая «зона влияния зондирующего импульса» – это подповерхностный слой изделия, в котором имеющимся испытательным комплектом (дефектоскоп + ПЭП) нельзя с достаточной достоверностью определить эквивалентный размер отражателя (сказывается интерференция ультразвуковых колебаний в ближней зоне). В этой зоне зондирующий импульс искажает амплитуду эхо-сигналов от дефектов более чем на +2 дБ.

В результате при повышении чувствительности дефектоскопа УД2-12 с прямым ПЭП фактическая мертвая зона М_ф может возрасти до 18 мм.

В данной лабораторной работе требуется произвести контроль стальных пластин плоскопараллельной формы, в которых в качестве искусственных дефектов используются отверстия со сферическим дном. Оси этих отверстий нормальны поверхности контроля пластин. Варьируя вертикальные размеры и диаметры отверстий, можно имитировать дефекты разных эквивалентных размеров с различной глубиной залегания.

При контроле деталей эхо-методом с увеличением расстояния от ПЭП до дефекта и уменьшением размеров дефекта амплитуда эхо-сигнала, например донного, от него уменьшается, причем это уменьшение амплитуды происходит очень быстро для небольших отражателей и медленнее для протяженных.

Формулы для расчета амплитуды эхо-сигналов от двух отражателей (отверстия со сферическим дном диаметра d) и для донного сигнала (плоскости) имеют вид:

; (10.2)

 

; (10.3)

 

где – амплитуда зондирующего импульса;

А´ – амплитуда эхо-сигнала;

δ – коэффициент затухания;

S – площадь пьезопластины ПЭП до отражателя;

r – расстояние от ПЭП до отражателя;

λ – длина волны.

Формулы (10.2) и (10.3) верны для эхо-сигналов с максимальной амплитудой, которые имеют место при совпадении оси излучателя ПЭП с осью отражения. Сравнение этих формул показывает, что ослабление донного сигнала с расстоянием происходит медленнее (пропорционально 1/r), чем ослабление эхо-сигнала от сферы (пропорционально 1/r²). Это объясняется тем, что лучи от излучателя расходятся, поэтому амплитуда убывает по закону 1/r. Сфера ведет себя как вторичный излучатель. Попавший на нее сигнал переизлучается в обратном направлении, поэтому амплитуда также убывает по закону 1/r. В итоге – ослабление пропорционально 1/r².

Донная поверхность играет роль зеркала. Отраженные от нее лучи можно рассматривать как излучение мнимым излучателем. Расстояние от него до приемника – 2r. Именно по закону 1/2r убывает донный сигнал.

С учетом изложенного выше можно сделать вывод, что для обнаружения отверстий малого диаметра усиление эхо-сигнала от них должно быть значительно больше усиления донного эхо-сигнала, а при использовании прямого ПЭП выполнить это условие не представляется возможным, поэтому после настройки на заданную чувствительность система «дефектоскоп + ПЭП» может создать большие ограничения в зоне контроля, что не позволит проводить контроль пластин толщиной до 20 мм.

Если при настройке на заданную браковочную чувствительность невозможно провести контроль прямым ПЭП по всей толщине пластины, то можно применить:

контроль пластин с двух противоположных сторон с обеспечением заданной чувствительности на половине её толщины;

временную регулировку чувствительности;

послойный контроль с разными уровнями чувствительности (используется, например, при УЗК осей);

РС-ПЭП;

уменьшение длительности зондирующего импульса.

В данной лабораторной работе предложен вариант замены прямого ПЭП на РС-ПЭП, что дает уменьшение мертвой зоны в несколько раз.

Кроме того, даже при повышенной чувствительности дефектоскопа в раздельно-совмещенном преобразователе (за счет фокусировки на дефект лучей излучающей и приемной пьезопластин) фиксируется неполное звуковое давление донного сигнала. Это снижает уровень помех и донный сигнал не «забивает» эхо-импульсы от дефектов, поэтому при контроле пластин небольшой толщины предпочтительнее использовать РС-ПЭП вместо прямых.