Файл: Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие..pdf

•гуд эхо-сигналов, поступающих на усилитель) и износостойкие искательные головки.

В современных импульсных ультразвуковых дефектоскопах применяются головки, рассчитанные на работу в контактном и иммерсионном вариантах, с возбуждением в контролируемом изделии комбинаций ультразвуковых колебаний с преоблада­ нием продольных, сдвиговых, поверхностных или нормальных волн. По конструктивному выполнению головки могут быть раздельными и совмещенными, прямыми и угловыми (призматическими), с плоской или фи­ гурной формой контактной поверхно­ сти; посылать УЗК в изделие по нор­ мали к его поверхности, под углом к нормали или по самой поверхности.

Искательные головки всех типов ис­ пользуются для работы в основном на собственной частоте пьезоэлемента или на его первой субгармонике, т. е. на частоте, в два раза меньшей частоты собственных колебаний.

таны на возбуждение в контролируемом изделии продольных волн и предназначены для обнаружения глубинных дефектов, залегающих в толщине материала. В конструкции головки предусмотрено демпфирование свободных колебаний пьезо­ элемента путем приклеивания его к демпферу — массивному телу, имеющему форму цилиндра и выполненному из мате­ риала с высоким значением коэффициента затухания УЗК. Нижняя поверхность пьезоэлемента защищена донышком из пластмассы или металла. Защитное донышко улучшает эксплу­ атационные характеристики головки, повышая ее износостой­

325

кость. Толщина донышка должна быть небольшой, так как при ее увеличении в донышке могут наблюдаться многократные отражения УЗК, приводящие к удлинению'начального импуль­ са и к ухудшению разрешающей способности.

Призматические искательные головки с плоской контактной поверхностью, работающие по совмещенной схеме (рис. 101) рассчитаны на возбуждение в контролируемом изделии комби­ наций ультразвуковых колебаний с преобладанием (в зависи­ мости от целей контроля) поверхностных, нормальных или сдвиговых волн, распространяющихся под различными углами к нормали. В этих головках пьезоэлемент излучает продольные УЗК в тело головки (призмы), выполненной из материала, в котором скорость распространения УЗК значительно меньше, чем в металле. При падении продольных волн под углом на контактную поверхность головки наблюдается трансформация и преломление УЗК. В зависимости от утла падения а в изде­ лии будут возбуждаться те или иные колебания. Призма го­ ловки обычно выполняется из органического стекла. Пьезоэле­ мент помещают на площадку, ориентированную в соответствии с выбранным углом падения. На гранях призмы фрезеруются

326

В заводских условиях получил применение иммерсионный способ контроля изделии с грубой поверхностью. Контроль ведется через слой жидкости, для чего изделие и головку по­ гружают в ванну с водой. Иммерсионные головки конструктив­ но мало отличаются от прямых. Из-за отсутствия механиче­ ского контакта головки с изделием отпала необходимость в износостойком металлическом донышке. С целью гидроизо­ ляции пьезоэлемент защищен тонкой пленкой лака. В иммер­ сионных головках часто используется фокусировка ультразву­ ка, которая осуществляется собирающей линзой, изготовлен­ ной из органического стекла. Если линза плосковыпуклая с ра­ диусом кривизны R, то расстояние до фокального пятна F рас­ считывается по формуле

§ 54. Методика контроля

Выбор методики является важной задачей. От ее правиль­ ного решения зависит надежность ультразвукового контроля. Разработке методики предшествует изучение характеристик контролируемого изделия, материала, из которого оно изготов­ лено, и дефектов, подлежащих обнаружению.

К характеристикам контролируемого изделия относятся: форма и размеры, технология изготовления, состояние поверх­ ности, наличие припуска на обработку, условия нагружения в эксплуатации. К характеристикам материала: степень дефор­ мации, макроструктура, термическая обработка, плотность, степень упругой анизотропии и акустические характеристики (скорость распространения УЗК, удельное волновое сопротив­ ление, коэффициенты рассеяния и затухания УЗК, уровень структурной реверберации). К характеристикам дефекта: тип, размеры и ориентировка относительно поверхностей изделия и растягивающих напряжений, действующих на изделие в экс­ плуатации.

При составлении методики должны быть выбраны следую­ щие параметры: частота и мощность УЗК; вид УЗК и направ­ ление их распространения в изделии; тип искательной голов­ ки, места установки ее на изделии и схема сканирования; вид акустического контакта; чувствительность и настройка дефек­ тоскопа; регистрация и способы расшифровки показаний де­

3 2 8

фектоскопа. Рассмотрим некоторые из этих параметров. Выбор частоты и мощности УЗ К. Частота УЗК определяет­ ся габаритами изделия, коэффициентом затухания и уровнем

структурной реверберации материала контролируемого изде­ лия. Габариты изделия определить нетрудно, гораздо сложнее определить коэффициент затухания и уровень структурной ре­ верберации. К сожалению, до сих пор нет простой и надежной методики определения этих характеристик. Поэтому частоту УЗК обычно выбирают экспериментально, путем прозвучиванпя контролируемого материала. При этом получают четкий эхо-сигнал, отраженный от контрольного отражателя, который расположен па максимальном расстоянии от излучателя, при оптимальных соотношениях коэффициента усиления и величи­ ны отсечки шумов.

Мощность импульсов, вводимых в контролируемое изделие для обнаружения дефекта заданного размера на максимальной глубине, определяется частотой УЗК, коэффициентом затуха­ ния и габаритами контролируемого изделия. В промышленных дефектоскопах предусмотрена регулировка мощности импуль­ са путем изменения длительности возбуждающего импульса.

Выбор ультразвуковых колебаний. Выбор вида ультразву­ ковых волн зависит от габаритов и конфигурации контроли­ руемого изделия, а также от характера и места расположе­ ния дефектов. Необходимо иметь в виду, что в изделии как сложной, так и простой формы создать направленный пучок каких-либо УЗК в «чистом» виде нельзя. Наряду с «нужны­ ми» УЗК, распространяющимися в направлении предполагае­ мого дефекта, в изделии всегда будут возникать «побочные» волны, распространяющиеся в том же или другом направле­ нии, вследствие отражения и расщепления волн на границе ввода УЗК в границы изделия. Поэтому под термином конт­ роль «продольными», «сдвиговыми» идругими волнами в даль­ нейшем будем подразумевать контроль изделия комбинацией волн, распространяющихся в направлении прозвучивания (пре­ обладают или продольные, или сдвиговые, или другие виды УЗК).

Для контроля крупногабаритных изделий на наличие де­ фектов в глубине металла (раковин, расслоений, зон пористо­ сти и др.), ориентированных в плоскостях, параллельных по­ верхности ввода УЗК, применяют обычно продольные волны, которые вводятся в изделие прямой головкой.

Если ввод УЗК осуществляется через плоскую поверхность (рис. 103, а), то в изделии будут распространяться (при пря­ мом ходе лучей) преимущественно продольные волны. Если же ввод УЗК осуществляется через кривую поверхность (рис. 103, б) то тогда только центральный луч пучка УЗК будет

329

попадать па поверхность изделия по нормали и распростра­ няться в металле без трансформации. Остальные лучи, попа­ дая на кривую поверхность под другими углами за счет масля­ ного клина между изделием и головкой, будут расщепляться на продольные и сдвиговые составляющие. При наличии де­ фектов на пути пучка УЗ К часть волн от него отражается и

8

Рис. 103. Способы ввода продольных волн в изделие:

а — ч е р е з п л о с к у ю п о в е р х н о с т ь п р я м о й г о л о в к о й ; б — ч е р е з к р и в у ю п о в е р х ­ н о с т ь п р я м о й г о л о в к о й ; в — ч е р е з к р и в у ю п о в е р х н о с т ь г о л о в к о й , в ы п о л н е н ­ ной п о ф о р м е и з д е л и я ; 1 — и з д е л и е ; 2 — г о л о в к а ; 3 — п ь е з о э л е м е н т ; -/ — д е ­ ф е к т ; L — л у ч и п р о д о л ь н ы х и 5 — л у ч и с д в и г о в ы х в о л н

3 3 0

фиксируется на экране дефектоскопа. Однако, если в первом случае можно утверждать, что дефект обнаружен продольными волнами, то во втором этого сделать нельзя, хотя и там и здесь применялась прямая головка.

Иногда для контроля деталей с кривой поверхностью (на­ пример, цилиндрических заготовок) применяют «прямые» го­ ловки, контактная поверхность которых выполнена по форме изделий. При этом считают, что контроль ведется продоль­ ными волнами. Это неправильно, так как подобные головки не могут быть прямыми, т. е. создавать в изделии продольные волны. Благодаря кривизне поверхности продольные УЗ К от излучателя входят в изделие под разными углами, поэтому з материале возникают различные виды колебаний— продоль­ ные, сдвиговые и возможно поверхностные, распространяющие­ ся в изделии под различными углами (рис. 103, в).

Правильное представление о характере возникающих и распространяющихся в изделии волн при различных условиях ввода УЗК необходимо для того, чтобы уметь грамотно рас­ шифровать осциллограммы контроля. Кроме того, это позво­ лит более точно определять координаты дефектов, что являет­ ся одной :i3 важных задач ультразвуковой дефектоскопии.

Рис. 104. Трансформация продольных волн в контролируемом изделии при падении их на плоскую поверхность под различными углами:

Для обнаружения в изделиях дефектов, ориентированных в металле под углом к поверхности ввода УЗК, а также для контроля качества сварных соединений применяют сдвиговые УЗК, которые возбуждаются в металле путем трансформации излучаемых пьезоэлементов продольных волн при переходе их из призмы головки в контролируемое изделие (рис. 104). Сдви­

3 3 1

говые УЗ К возбуждаются в изделиях призматическими иска­ тельными головками с плоской или фигурной контактной по­ верхностью. Здесь возможны два случая: ввод УЗК в деталь через плоские участки головкой с плоской контактной поверх­ ностью и через кривые участки головками с плоской или фи­ гурной (по форме изделия) контактной поверхностью. В пер­ вом случае в металле можно возбудить наиболее «чистые* сдвиговые УЗК, если угол ввода упругих колебаний а будет выбран больше первого критического угла ( а > а Крд). Во вто­ ром случае угловыми головками с плоской пли фигурной кон­ тактной поверхностью в изделии могут быть возбуждены не­ сколько видов волн, распространяющихся под различными углами.

Контактная поверхность, выполненная по форме трубы, позволяет фиксировать на ней головку, благодаря чему при перемещении головки вдоль образующей направление ультра­ звукового луча и комбинация ультразвуковых волн в стенке трубы остаются постоянными. Как показала практика, такие головки имеют высокую чувствительность к обнаружению по­ верхностных дефектов и удобны в работе.

Во всех случаях ультразвуковые колебания входят в кри­ волинейную поверхность под различными углами, изменяющи­ мися при наклоне головки. Вследствие этого в контролируемой оболочке могут одновременно существовать гаммы волн: про­ дольных, сдвиговых, поверхностных и нормальных, распростра­ няющихся вокруг по стенке трубы, как по волноводу. Можно полагать, что существование в стенке нескольких типов волн благоприятно сказывается на результатах контроля. Дефекты, не выявленные одним типом волн, могут быть обнаружены дру­ гим. Изменяя установочный угол а, можно определить наибо­ лее оптимальные условия, при которых в оболочке возникнут комбинации ультразвуковых колебаний с преобладанием нуж­ ных видов волн.

Головки с плоской контактной поверхностью обладают по сравнению с головками, имеющими вогнутую контактную по­ верхность, существенными преимуществами: их можно приме­ нять для контроля практически любых выпуклых (цилиндри­ ческих, конических, сферических) оболочек, так как плоская контактная поверхность не мешает сканированию поверхности в любом направлении, например, вдоль, перпендикулярно пли под углом к образующей. Вместе с тем возможность изменения угла наклона головки в процессе контроля позволяет возбуж­ дать в стенке детали комбинации УЗК с попеременным преоб­ ладанием симметричных и антисимметричных нормальных волн, что повышает надежность обнаружения внутренних и наружных дефектов в стенках криволинейных оболочек.

332