книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений
..pdfприменение в качестве контактной среды увлажненной тонкой хлопчатобумажной ткани (мадаполам). В этих случаях абсолют ная чувствительность контроля снизится, но зато ее стабильность возрастет.
Во многих случаях по технологическим требованиям кон тактная жидкость должна быть удалена после выполнения кон троля. Тогда необходимо применять смазки на водяной основе, в которые для повышения вязкости и возможности работы на на клонных поверхностях добавляют крахмал, полиакриламиды, целлюлозу. Целлюлозные пасты предпочитают маслам во всех случаях, когда после контроля требуется весьма высокая степень очистки поверхности, в том числе и под окраску.
При контроле по неокрашенным некоррозионно-стойким ста лям в жидкость добавляют соответствующий ингибитор, напри мер, нитрит натрия.
Очень хорошие эксплуатационные качества у ингибиторной легкосмывающейся смазки, разработанной таганрогским заводом «Красный котельщик». Она состоит из технического нитрита на трия (N aN 02) - 1,6 кг, крахмала (картофельного) - 0,24 кг, тех нического глицерина - 0,45 кг и технической кальцинированной соды - 0,048 кг. Соду и нитрит натрия растворяют в 5 л холодной воды и кипятят в чистой посуде. Крахмал растворяют в 3 л хо лодной воды и вливают в кипящий раствор нитрита натрия и со ды. После этого смесь кипятят еще 3...4 мин. после чего в нее вливают глицерин, перемешивают и охлаждают. Эта смазка обеспечивает хороший контакт и после высыхания образует на изделии тонкую корку, не мешающую последующим технологи ческим операциям.
В последнее время производственниками проявляется боль шой интерес к оперативному контролю каждого слоя сварного шва или к контролю непосредственно по окончании сварки. В обоих случаях ставится задача контроля по нагретому металлу. Если металл можно охлаждать, то используют конструкции ПЭП, принудительно охлаждаемые водой. Если же металл не разреша ется охлаждать из-за возможного трещинообразования, то хоро ший контакт обеспечивают расплавы солей натрия и калия. Точ ки плавления солей должны лежать ниже температуры контроли-: руемых изделий ( t - 500...5706 С). Зону контроля посыпают по
рошком, состоящим из смеси солей KN03, NaN03. Соли рас плавляются и обеспечивают надежный акустический контакт.
Очень важно, что при этом не происходит дымообразования. При более низких рабочих температурах (до 400°С) хорошие резуль таты достигнуты с применением силиконовых смазок. Для кон троля изделий с температурой до 300° С может быть также реко мендована смазка, состоящая из 50...100 ч. по массе буры и 100 ч. по массе глицерина,
С целью повышения достоверности контроля, особенно авто матизированного и механизированного, необходимо применение специальных систем или устройств, обеспечивающих контроль качества акустического контакта в процессе сканирования.
На практике находят применение технические решения, реа лизующие контроль качества акустического контакта по измене нию:
•амплитуды донных сигналов, возбуждаемых основным или дополнительным ПЭП продольных волн;
•амплитуды головных или поверхностных волн, измерен ных на мерной базе между основным и дополнительным ПЭП;
•собственных параметров ПЭП при нагружении последнего на контролируемую среду;
•амплитуды сигнала, отраженного от границы призма —из делие и формирующего РШХ на индикаторе дефектоскопа;
•амплитуды сигнала, отраженного от границы призма - из делие и какого-либо опорного отражателя в самой призме или размещенного на конце волновода, приклеенного к призме;
•интенсивности поступающего на ПЭП опорного сигнала, возбужденного в изделии дополнительным ПЭП на частоте
более низкой, чем частота основного пьезоэлемента (150...200 кГц) (рис. 4.20).
Выбор того или иного метода контроля за качеством контакта определяется конструкцией и толщиной изделия, предельными габаритами ПЭП и другими факторами.
Ручной контроль, осуществляемый дефектоскопом общего назначения не содержащего устройств для реализации вышепе речисленных способов, может предусматривать только процеду ру параллельного измерения параметров неровностей одним из методов: органолептическим' сравнением поверхности изделия
иобразца; сравнением амплитуды донных сигналов в образце
иизделии; измерением неровностей прибором профилографом.
Рис. 4.20. Блок-схема способа слежения за качеством акустического контакта: 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - изделие; 4 - приемник;
5 - усилитель; б - индикатор
Первый метод дает большие ошибки, причем, как правило, в сторону занижения чувствительности, т.е. дает недобраковку. Второй сопряжен с техническими трудностями и нашел весьма ограниченное применение. Третий способ принципиально не го ден, поскольку, чтобы оценивать реальную акустическую про зрачность контактного слоя, параметры неровностей необходимо измерять на базе, линейные размеры которой соизмеримы с диа метром пучка. Существующие приборы снимают профилограм мы на базе во много раз меньше (0,8...2,5 мм), что не позволяет измерять и учитывать макронеровности (волнистость), вносящие основной вклад в потери в контактном слое (рис. 4.21а).
Для измерения параметров неровностей наиболее перспекти вен разработанный автором метод и специальный емкостный датчик типа ДШВ, использующий в качестве измерителя сигна лов ультразвуковой дефектоскоп. Показания этого датчика зави сят только от неровностей поверхности и не зависят от структуры и химсостава металла и геометрии противоположной поверхно сти (рис. 4.216) [93,94].
Датчик ДШВ совместим со всеми отечественными и импорт ными дефектоскопами и формирует служебный сигнал, амплиту да которого Ашобратно пропорциональна высоте неровностей на
всей базе датчика. Диаметр чувствительного элемента у датчика ДШВ выбран близким к средним размерам пучка стандартных ПЭП и равен 0 19 мм.
18
15
12
9
6
3
0
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
Estimated Partial Autocordelations
ladj
Periodogram forD: SAMP18.VAF1
cucles/sampling interval
a
=0,0052 (ДА,)'''4 мм,
Rz <0,1 мм
для сухой поверхности и
Дг = 0,1084[0,98 -lg (10-|-М ш|)]',2 мм,
Rz <0,11 мм
для поверхности покрытой минеральным маслом. Здесь
|^0Ш ^111
где Аот и Ат - соответственно амплитуда служебных сигналов при контакте дат чика ДШВ с гладкой поверхностью (Я, 0,35 мкм) стандартного образца С О - 2 ; С О - 3; V -l, V-2 и изделия.
Автором получены корреляционные зависимости между аку стической прозрачностью контактного слоя различных ПЭП (ф. «Крауткремер», ф. «Сонатест», ЦНИИТМАШ, ПО «Волна» и др.) и их параметрами и неровностями поверхности контактного слоя, выраженными через параметр R?(рис. 4.21 в).
Это позволило построить соответствующие частные номо граммы и получить обобщенные математические выражения
А = ехр(-8,2Т)+0,35Г
или
АА =\Л~ Ло\ = 20 Ig[ехр(-8,2Т) ■+•0,357’] дБ.
Здесь А и А0- соответственно амплитуда сигналов от одного
опорного отражателя в образце с гладкой поверхностью и образ це (изделии) со статистически шероховатой (неровной) поверх ностью; Т - обобщенный критерий, найденный эвристически из
результатов экспериментов.
Т = \,9RZx [//(C c o sa )]l/2 х[(0,2 Ln+ 16)/Lo]xexp(-30/?z2) ,
где R, мм - параметр шероховатости поверхности;/(МГц) и С ( м м / с ) - соответст венно частота н скорость поперечных волн; a - угол ввода; L„ и La м м соответст венно наибольший размер контактной поверхности ПЭП и диаметр датчика ДШВ.
Полученная обобщенная зависимость может быть использо вана для:
•построения графиков (номограмм) для учета потерь в кон тактном слое конкретного ПЭП и построения соответст вующих графиков (номограмм) для корректировки чувст вительности дефектоскопа без изготовления образцов и проведения экспериментов;
•создания программной поддержки в процессорных дефек тоскопах (например, в УДЦ-201П ЦНИИТМАШ);
•априорной оценки прозрачности контактного слоя у кон кретных ПЭП.
На основе датчика ДШВ и построенных номограмм разрабо тана технология контроля, обеспечивающая предварительную оценку качества подготовки изделия под контроль, настройку чувствительности дефектоскопа и измерение величины дефектов с учетом фактического качества поверхности (SRC-technique).
Технология состоит из следующих простых операций: изме рение амплитуд служебных сигналов датчика ДШВ на стандарт ном образце (CO-2; CO-3, VI, V2) и контролируемом изделии; оценка величины ЛЛШ; определение по номограмме параметра шероховатости R, и/или определение по соответствующей номо грамме величины поправки АЛ для корректировки чувствитель
ности; введение в дефектоскоп указанной поправки (рис. 4.22).
Рис. 4.22. Иллюстрация ошибки х*р8 настройке поисковой чувствительности дефектоскопа с различными ПЭП по обычной методике путем прибавления 6 дБ к опорному уровню, полученному в СОП с поверхностью Rt 40 мкм (заштрихованная зона) и по SRC-technique с датчиком ДШВ (ДЛ* + б дБ)
Методика одобрена Госгортехнадзором и Госатомнадзором РФ и введена в качестве обязательной в НТД по контролю обору дования тепловых и атомных электростанций. Данная методика исключает ошибки, обусловленные плохим учетом фактического качества поверхности и особенно полезна при мониторинге обо рудования для контроля за развитием дефектов в процессе экс плуатации.
4.2.5.Преобразователи с разнесенным элеотгродом
Для обеспечения скоростного сканирования в автоматиче ских дефектоскопах, синтезирования диаграмм направленности заданной формы и других целей автором предложен новый класс акустических систем - пьезопреобразователи с разнесенным электродом (ПРЭ). Конструктивно ПРЭ отличаются от обычных ПЭП тем, что один электрод в них расположен на определенном расстоянии относительно поверхности керамики, а зазор запол нен диэлектриком [52].
По существу ПРЭ представляет собой конденсатор со слоями различных диэлектриков, поэтому для простоты изложения про цесс возбуждения ПРЭ удобно называть емкостным. При возбу ждении ПРЭ наибольший двойной коэффициент преобразования достигается при заполнении зазора веществом с высокой относи тельной диэлектрической постоянной е (рис. 4.23).
А, дБ
О |
1 2 |
3 мм |
Рис. 4.23. Зависимость двойного коэффициента преобразования П РЭ диаметром 12 мм (/ = 2,5 М Гц) от величины зазора для различны х вещ еств: / - вода; 2 - этиловый спирт; 3 - трансформаторное масло; 4 - воздух
Из экспериментов следует важный практический вывод, что при заполнении зазора дистиллированной водой коэффициент
преобразования ПРЭ до d <0,3 мм практически не меняется.
Частотный спектр и форма импульса ПРЭ при d< 0,2 мм прак
тически соответствуют пьезоэлементу с нанесенным на него электродом. Однако при увеличении зазора длительность им пульса может осциллировать, а спектр меняется вследствие ин терференционных явлений в зазоре.
Весьма важной характеристикой ПРЭ является локальность возбуждения пьезоэлемента, длина которого больше размера раз несенного электрода. Эксперименты показали, что разнесенный электрод обеспечивает локальность возбуждения; эффективная площадь возбуждения ненамного превышает площадь электрода (при практически реализуемом зазоре d~ 0,3 мм) и может быть
учтена.
Поле ПРЭ в ближней и дальней зонах в случае плоского элек трода практически не будет отличаться от обычного поршневого излучателя. Это и подтверждается результатами эксперимента (рис. 4.24, кривая /). В то же время сложная конфигурация элек трода существенно изменяет характер поля. Так, в ПРЭ, форми рующем бегающий луч, электрод конструктивно выполнен в виде витка винтовой полосы на барабане развертки радиусом К.
В этом случае в плоскости, ортогональной оси ПРЭ, колебатель ная скорость v(x) снижается от центра к краям, что приводит к
расширению диаграммы направленности и снижению уровня бо ковых лепестков. И, наоборот, уменьшение v(x) от краев к цен
тру сужает ее (рис. 4.24, кривая 3).
|Ф(Я)| |
Выпуклый электрод |
||
|
I |
I у |
Точечный |
|
—' |
f l _ |
приемник |
6 8 10 12
Рис. 4.24. Диаграммы направленности преобразователей (в = 8 м м ,/ =1,8 МГц) при излучении в воду:
расчет (1 - стандартный; 2 - ПРЭ, Л = 12 мм, Л = 0,2 мм); эксперимент для ПРЭ (выпуклый электрод); О - /?= 12 мм; х - Л = 18 мм; О - Л = 26мм
(плоский электрод); вогнутый электрод (3 - R= 15 мм); / - выпуклый электрод; / / - точечный приемник
По площади |
Поперек шва |
С качаниием луча |
По азимуту |
По глубине |
а |
|
|
|
я |
|
|
|
X |
|
м |
|
U |
|
||
|
|
Прямоугольной |
Веерной |
! з |
VH9DQQL. |
|
|
S |
s |
|
|
ГJ |
ZJ |
|
|
Ё ж |
|
||
я |
|
|
|
CJ |
|
|
|
|
|
С вращающими |
пьезоэлемекгом |
§Ё |
|
|
|
с |
« |
|
|
5 |
з |
|
|
а |
|
|
|
S g |
|
|
|
•§Ё |
щ |
|
|
gI |
я- |
|
|
S |
|
|
|
2§ |
|
|
|
Варьирование формы |
Выравнивание |
|
Д1 Ш |
чувствнтельности |
|
в ближней зоне |
||
f |
a * |
|
|
I ■■■—а |
|
сг
С порошком в зазоре
///
Рис. 4.25. О бласть применения преобразователей с разнесенным электродом