Том Неллиган
Из всех применений промышленного ультразвукового контроля дефектоскопия является самой старой и наиболее распространенной. С 1940-х годов законы физики, управляющие распространением звуковых волн через твердые материалы, использовались для обнаружения скрытых трещин, пустот, пористости и других внутренних дефектов в металлах, композитах, пластмассах и керамике. Высокочастотные звуковые волны предсказуемым образом отражаются от дефектов, создавая характерные эхо-сигналы, которые могут отображаться и записываться портативными приборами. Ультразвуковой контроль является полностью неразрушающим и безопасным, и это хорошо зарекомендовавший себя метод испытаний во многих основных отраслях производства, обработки и обслуживания, особенно в приложениях, связанных со сварными швами и конструкционными металлами. Данная статья представляет собой краткое введение в теорию и практику ультразвуковой дефектоскопии. Он предназначен только как обзор темы. Дополнительную подробную информацию можно найти в ссылках, перечисленных в конце.

1. Основная теория: Звуковые волны — это просто организованные механические колебания, распространяющиеся в среде, которая может быть твердой, жидкой или газообразной. Эти волны будут проходить через данную среду с определенной скоростью или скоростью в предсказуемом направлении, и когда они сталкиваются с границей с другой средой, они будут отражаться или передаваться в соответствии с простыми правилами. Это принцип физики, лежащий в основе ультразвуковой дефектоскопии.

Частота: Все звуковые волны колеблются с определенной частотой или числом колебаний или циклов в секунду, которое мы воспринимаем как высоту тона в знакомом диапазоне слышимого звука. Человеческий слух расширяется до максимальной частоты около 20 000 циклов в секунду (20 кГц), в то время как большинство приложений ультразвуковой дефектоскопии используют частоты от 500 000 до 10 000 000 циклов в секунду (от 500 кГц до 10 МГц). На частотах в мегагерцовом диапазоне звуковая энергия не распространяется эффективно через воздух или другие газы, но свободно проходит через большинство жидкостей и обычных технических материалов.

Скорость: Скорость звуковой волны зависит от среды, в которой она распространяется, на нее влияют плотность и упругие свойства среды. Различные типы звуковых волн (см. «Способы распространения» ниже) будут распространяться с разными скоростями.

Длина волны: Любой тип волны будет иметь соответствующую длину волны, которая является расстоянием между любыми двумя соответствующими точками в цикле волны, когда она проходит 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, определяющим количество информации, которая может быть получена из поведения волны. При ультразвуковой дефектоскопии общепринятым нижним пределом обнаружения малых дефектов является половина длины волны. Все, что меньше этого, будет невидимым. При ультразвуковой толщиномерии теоретическая минимальная измеряемая толщина составляет одну длину волны.

Режимы распространения: Звуковые волны в твердых телах могут распространяться различными способами, которые определяются типом движения. Продольные волны и поперечные волны являются наиболее распространенными режимами, используемыми в ультразвуковой дефектоскопии. Иногда также используются поверхностные волны и пластинчатые волны.
— Продольная или продольная волна характеризуется движением частиц в том же направлении, что и волна, как от поршневого источника. Слышимый звук существует в виде продольных волн.
— Сдвиговая или поперечная волна характеризуется движением частиц перпендикулярно направлению распространения волны.
— Поверхностная волна или волна Рэлея имеет эллиптическое движение частицы и распространяется по поверхности материала, проникая на глубину примерно в одну длину волны.
— Пластинчатая или волна Лэмба представляет собой сложную моду колебаний в тонких пластинах, толщина материала которых меньше одной длины волны, а волна заполняет все поперечное сечение среды.
Звуковые волны могут преобразовываться из одной формы в другую. Чаще всего поперечные волны генерируются в испытуемом материале путем введения продольных волн под выбранным углом. Это обсуждение далее под Испытание наклонным лучом в разделе 4.

Переменные, ограничивающие передачу звуковых волн: Расстояние, которое пройдет волна с заданной частотой и уровнем энергии, зависит от материала, через который она проходит. Как правило, твердые и однородные материалы передают звуковые волны более эффективно, чем мягкие, неоднородные или гранулированные. На расстояние, которое проходит звуковая волна в данной среде, влияют три фактора: распространение луча, затухание и рассеяние. По мере прохождения луча передняя кромка становится шире, энергия, связанная с волной, распространяется на большую площадь и, в конце концов, рассеивается. Затухание — это потеря энергии, связанная с передачей звука через среду, по сути, степень поглощения энергии при движении фронта волны вперед. Рассеяние – это случайное отражение звуковой энергии от границ зерен и подобной микроструктуры. По мере снижения частоты увеличивается рассеивание луча, но уменьшаются эффекты затухания и рассеяния. Для данного приложения следует выбирать частоту преобразователя, чтобы оптимизировать эти переменные.

Отражение на границе: Когда звуковая энергия, проходящая через материал, сталкивается с границей с другим материалом, часть энергии будет отражаться обратно, а часть будет проходить сквозь нее. Количество отраженной энергии или коэффициент отражения зависит от относительного акустического импеданса двух материалов. Акустическое сопротивление, в свою очередь, представляет собой свойство материала, определяемое как произведение плотности на скорость звука в данном материале. Для любых двух материалов коэффициент отражения в процентах от давления падающей энергии можно рассчитать по формуле

где
R = коэффициент отражения (процент отраженной энергии)
Z1 = акустическое сопротивление первого материала
Z2 = акустическое сопротивление второго материала
Обычно для границ металл/воздух наблюдается в приложениях ультразвуковой дефектоскопии, коэффициент отражения приближается к 100%. Практически вся звуковая энергия отражается от трещины или другой неровности на пути волны. Это фундаментальный принцип, который делает возможной ультразвуковую дефектоскопию.

Угол отражения и преломления: Звуковая энергия на ультразвуковых частотах имеет точную направленность, а звуковые лучи, используемые для дефектоскопии, четко определены. В ситуациях, когда звук отражается от границы, угол отражения равен углу падения. Звуковой луч, падающий на поверхность под прямым углом, будет отражаться прямо назад. Звуковой луч, падающий на поверхность под углом, отразится вперед под таким же углом.
Звуковая энергия, которая передается от одного материала к другому, изгибается в соответствии с законом преломления Снелла. Опять же, луч, который движется прямо, будет продолжать двигаться в прямом направлении, но луч, который падает на границу под углом, будет изогнут в соответствии с формулой:

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
Это соотношение является важным фактором при испытании под углом , которое обсуждается в разделе 4.

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

Сечение типового контактного преобразователя
Типовые преобразователи для ультразвуковой дефектоскопии используют активный элемент из пьезоэлектрической керамики, композита или полимера. Когда этот элемент возбуждается электрическим импульсом высокого напряжения, он вибрирует в определенном спектре 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 его от повреждений, а задняя поверхность приклеивается к подкладочному материалу, который механически гасит вибрации после завершения процесса генерации звука. Поскольку звуковая энергия на ультразвуковых частотах не может эффективно распространяться через газы, между преобразователем и испытуемым образцом обычно используется тонкий слой связующей жидкости или геля.

Существует пять типов ультразвуковых преобразователей , обычно используемых в приложениях дефектоскопии:

— Контактные преобразователи — Как следует из названия, контактные преобразователи используются в непосредственном контакте с испытуемым образцом. Они вводят звуковую энергию перпендикулярно поверхности и обычно используются для обнаружения пустот, пористости и трещин или расслоений параллельно внешней поверхности детали, а также для измерения толщины.

— Угловые преобразователи — Преобразователи с наклонным лучом используются в сочетании с пластиковыми или эпоксидными клиньями (угловые лучи) для введения поперечных или продольных волн в испытуемый образец под заданным углом к ​​поверхности. Они обычно используются при контроле сварных швов.
— Преобразователи с линией задержки — Преобразователи с линией задержки содержат короткий пластиковый волновод или линию задержки между активным элементом и испытуемым образцом. Они используются для улучшения разрешения вблизи поверхности, а также при высокотемпературных испытаниях, когда линия задержки защищает активный элемент от теплового повреждения.

— Погружные преобразователи — Погружные преобразователи предназначены для передачи звуковой энергии в испытуемый образец через водяной столб или водяную баню. Они используются в автоматизированных приложениях сканирования, а также в ситуациях, когда остро сфокусированный луч необходим для улучшения разрешения дефектов.
— Двухэлементные преобразователи — Двухэлементные преобразователи используют отдельные элементы передатчика и приемника в едином узле. Они часто используются в приложениях, связанных с шероховатыми поверхностями, крупнозернистыми материалами, обнаружением питтинга или пористости, а также обладают хорошей устойчивостью к высоким температурам.

Более подробную информацию о преимуществах различных типов преобразователей, а также о предлагаемом диапазоне частот и диаметров можно найти в разделе преобразователей нашего веб-сайта.

3. Ультразвуковые дефектоскопы
Современные ультразвуковые дефектоскопы , такие как EPOCH серии , представляют собой небольшие портативные микропроцессорные приборы, подходящие как для цехового, так и для полевого использования. Они генерируют и отображают форму ультразвукового сигнала, который интерпретируется обученным оператором, часто с помощью программного обеспечения для анализа, для обнаружения и классификации дефектов в контрольных образцах. Как правило, они включают в себя ультразвуковой генератор импульсов/приемник, аппаратное и программное обеспечение для захвата и анализа сигналов, дисплей сигналов и модуль регистрации данных. Хотя некоторые аналоговые дефектоскопы все еще производятся, в большинстве современных приборов используется цифровая обработка сигналов для повышения стабильности и точности.
Секция генератора/приемника представляет собой ультразвуковой интерфейс дефектоскопа. Он обеспечивает импульс возбуждения для привода преобразователя, а также усиление и фильтрацию возвращающихся эхо-сигналов. Амплитуда, форма и демпфирование импульса могут регулироваться для оптимизации работы преобразователя, а коэффициент усиления и ширина полосы пропускания приемника могут регулироваться для оптимизации отношения сигнал/шум.
Современные дефектоскопы обычно фиксируют сигнал в цифровом виде, а затем выполняют различные функции измерения и анализа. Часы или таймер будут использоваться для синхронизации импульсов датчика и обеспечения калибровки расстояния. Обработка сигнала может быть такой же простой, как генерация формы волны, которая показывает амплитуду сигнала в зависимости от времени в калиброванной шкале, или сложной, как сложные алгоритмы цифровой обработки, которые включают коррекцию расстояния/амплитуды и тригонометрические расчеты для угловых путей распространения звука. Сигнальные ворота часто используются для контроля уровней сигнала в выбранных точках последовательности волн, чтобы помечать эхо-сигналы от дефектов.
Дисплей может быть ЭЛТ, жидкокристаллическим или электролюминесцентным дисплеем. Экран обычно калибруется в единицах глубины или расстояния. Многоцветные дисплеи могут использоваться для помощи в интерпретации.
Внутренние регистраторы данных можно использовать для записи полной формы сигнала и информации о настройке, связанной с каждым тестом, если это необходимо для целей документирования, или выбранной информации, такой как амплитуда эхо-сигнала, показания глубины или расстояния, а также наличие или отсутствие условий тревоги.

4. Процедура
Ультразвуковая дефектоскопия в основном является сравнительной методикой. Используя соответствующие эталонные стандарты, а также знания о распространении звуковых волн и общепринятых процедурах испытаний, обученный оператор определяет конкретные эхо-характеристики, соответствующие эхо-отклику от хороших деталей и характерных дефектов. Затем эхо-картину от образца для испытаний можно сравнить с картинами этих калибровочных стандартов, чтобы определить его состояние.
— Испытание прямым лучом. Испытание прямым лучом с использованием контактных датчиков, линий задержки, двойных элементов или погружных преобразователей обычно используется для обнаружения трещин или расслоений, параллельных поверхности испытуемого образца, а также пустот и пористости. В нем используется основной принцип, заключающийся в том, что звуковая энергия, проходящая через среду, будет продолжать распространяться до тех пор, пока она либо не рассеется, либо не отразится от границы с другим материалом, например воздухом, окружающим дальнюю стену или находящимся внутри трещины. В этом типе испытаний оператор соединяет преобразователь с испытуемым образцом и определяет местонахождение эхо-сигнала, возвращающегося от дальней стенки испытуемого образца, а затем ищет любые эхо-сигналы, которые приходят перед этим донным эхо-сигналом, не учитывая шум рассеяния зерен, если он присутствует. Акустически значимый эхо-сигнал, который предшествует фоновому эхо-сигналу, предполагает наличие ламинарной трещины или пустоты. Путем дальнейшего анализа можно определить глубину, размер и форму структуры, создающей отражение.

Звуковая энергия будет распространяться на дальнюю сторону детали, но отражаться раньше, если присутствует ламинарная трещина или подобная несплошность.

В некоторых особых случаях испытания проводятся в режиме сквозного пропускания, когда звуковая энергия проходит между двумя преобразователями, расположенными на противоположных сторонах испытуемого образца. Если на пути звука присутствует большой дефект, луч будет заблокирован, и звуковой импульс не достигнет приемника.
— Испытание наклонным лучом — Трещины или другие дефекты, перпендикулярные поверхности испытуемого образца или наклоненные по отношению к этой поверхности, обычно невидимы при методах испытаний с прямым лучом из-за их ориентации по отношению к звуковому лучу. Такие дефекты могут возникать в сварных швах, в металлических деталях конструкций и во многих других важных компонентах. Чтобы найти их, используются методы наклонного луча, в которых используются либо обычные узлы преобразователей с наклонным лучом (клиновидные), либо погружные преобразователи, ориентированные таким образом, чтобы направлять звуковую энергию в испытуемый образец под выбранным углом. Использование контроля наклонным лучом особенно распространено при контроле сварных швов.
Типичные сборки с наклонным пучком используют преобразование мод и закон Снеллиуса для создания поперечной волны под выбранным углом (чаще всего 30, 45, 60 или 70 градусов) в образце для испытаний. По мере того, как угол падающей продольной волны по отношению к поверхности увеличивается, все большая часть звуковой энергии преобразуется в поперечную волну во втором материале, и если угол достаточно велик, вся энергия во втором материале будет быть в виде поперечных волн. Есть два преимущества в разработке общих угловых лучей, чтобы использовать это явление преобразования моды. Во-первых, передача энергии более эффективна при углах падения, которые генерируют поперечные волны в стали и подобных материалах. Во-вторых, разрешение по минимальному размеру дефекта улучшается за счет использования поперечных волн, поскольку при заданной частоте длина волны поперечной волны составляет примерно 60% длины волны сопоставимой продольной волны.

Типовой узел углового луча

Наклонный звуковой луч очень чувствителен к трещинам, перпендикулярным дальней поверхности испытуемого образца (испытание на первом участке) или, после отражения от дальней стороны, к трещинам перпендикулярно поверхности сцепления (испытание второго плеча). Для обработки деталей с различной геометрией и типами дефектов используются различные углы наклона луча и положения датчика, которые подробно описаны в соответствующих нормах и процедурах контроля, таких как ASTM E-164 и Нормы AWS по сварке конструкций.

Полный список примечаний по применению Olympus Flaw Detection.

Печать
Американское общество неразрушающего тестирования, Руководство по неразрушающемуся тестированию, Том 7, Ультразвуковое тестирование
ASM Internation

Методы дефектоскопии

Покрытие наносится на подложку по нескольким причинам; чтобы предотвратить коррозию, уменьшить истирание или уменьшить загрязнение продукта. Требуемая целостность покрытия диктуется применением, для которого используется подложка. Отверстия в покрытии, известные как «каникулы» или «несплошности», часто очень малы или невидимы невооруженным глазом.

Существует, по существу, три метода обнаружения дефектов:

1. УФ-обнаружение отверстий

2. Влажная губка

3. Высокое напряжение

УФ-обнаружение отверстий

Покрытия движутся под действием силы тяжести, оставляя тонкую сухую пленку. Одной из наиболее очевидных проблем с пористостью могут быть точечные отверстия, когда подложка открыта для элементов через точечное отверстие. Эти дефекты можно обнаружить с помощью ультрафиолетового излучения.

Этот метод можно использовать как недорогой и быстрый метод обнаружения точечных отверстий в покрытиях. На поверхность наносится начальное флуоресцентное базовое покрытие. Затем поверх этого наносится указанная система покрытия.

Любые точечные отверстия в этих последующих слоях будут флуоресцировать при освещении поверхности УФ-фонариком, таким как УФ-фонарик Elcometer 260. Если в УФ-свете видно черное пятно, то отверстие проникает на всю длину подложки.

Влажная губка

Более сложный подход к обнаружению точечных отверстий, не требующий предварительной подготовки основания с нанесением флуоресцентного базового покрытия, — это метод влажной губки с использованием тестера, такого как Elcometer 270 Pinhole Detector. Испытание на мокрую губку при низком напряжении обычно используется для определения наличия точечных отверстий в пленках покрытия, которые имеют общую толщину 0,5 мм (20 мил) или меньше.

Обратный сигнальный кабель подключается к непокрытой части металлической подложки с помощью зажима типа «крокодил». Губка смачивается чистой водопроводной водой (водопроводная вода содержит соли, которые позволяют ей проводить электричество), а затем проводится по покрытой поверхности. Если губка пройдет над точечным отверстием в покрытии, вода заполнит отверстие, замигает светодиод и прозвучит звуковой сигнал. Сигнализация прекратится, когда губка отойдет от отверстия. При необходимости точечное отверстие можно определить более точно, повторно протестировав область, используя только угол губки.

Метод мокрой губки подходит для измерения изоляционных покрытий толщиной менее 500 мкм (20 мил) на проводящих подложках и идеально подходит для порошковых и других покрытий, когда пользователь не хочет повредить покрытие.

Одна потенциальная проблема с этим методом заключается в том, что поверхностное натяжение воды может вызвать образование капель воды, которые будут собираться на тестируемой поверхности. Если это произойдет, вода может не попасть в самые маленькие отверстия. В используемую воду можно добавить поверхностно-активное вещество или смачивающий агент, что значительно снижает поверхностное натяжение, позволяя воде проникать в самые маленькие отверстия.

Обнаружение выходных высокого напряжения

Метод высокого напряжения или пористости идеально подходит для осмотра трубопроводов и других защитных покрытий. Покрытия на бетоне также можно тестировать методом высокого напряжения. Существует три метода тестирования высоким напряжением: переменным током, постоянным током и импульсным постоянным током.

Испытание высоким напряжением, которое определяет наличие и количество разрывов в пленке покрытия, проводят на непроводящем покрытии и наносят на электропроводящую подложку. Допустимое количество неоднородностей должно быть определено до проведения этого испытания, поскольку допустимое количество неоднородностей будет варьироваться в зависимости от толщины пленки покрытия, конструкции и условий эксплуатации.

Высоковольтное испытательное оборудование обычно используется для определения наличия несплошностей в пленках покрытий общей толщиной более 500 микрон (20 мил). Метод мокрой губки можно использовать на покрытиях толщиной менее 500 микрон (20 мил), поскольку они могут быть повреждены искровым испытательным оборудованием высокого напряжения. Следует проконсультироваться с производителем покрытия в отношении рекомендуемого испытательного оборудования и контрольных напряжений.

Детекторы непрерывного постоянного тока, такие как Elcometer 236 DC Holiday Detector, требуют прямого подключения к проводящей подложке. Детектор генерирует высокое постоянное напряжение, которое подается на поверхность покрытия через зонд. Кроме того, детектор подключается к подложке через высоковольтный обратный (земляной) провод.

Когда зонд проходит над дефектом покрытия, электрическая цепь замыкается, и ток течет от зонда к подложке. В результате в детекторе срабатывает звуковая и визуальная сигнализация, а на месте дефекта может образоваться искра.

Необходимо соблюдать осторожность при выборе напряжения, используемого для тестирования. Типичное напряжение пробоя для воздуха составляет ~4 кВ/мм. Величина электрической прочности, которую большинство покрытий может выдержать без разрушения, составляет от 6 кВ/мм до 30 кВ/мм. Это называется диэлектрической прочностью и может изменяться в зависимости от состава покрытия. Напряжение должно быть выбрано достаточно сильным, чтобы пробить воздух, но не настолько сильным, чтобы вызвать повреждение покрытия.