Ультразвуковий контроль
Ультразвуковий контроль (УЗК) є одним з акустичних методів неруйнівного контрю і дозволяє вимірювати геометричні параметри, наприклад товщину при односторонньому доступі до виробу, фізико-механічні властивості мaтеріалов, а також виявляти приховані внутрішні дефекти в об'єктах контролю без їх руйнування або поділу.
До переваг контролю ультразвуковим методом відносяться:
1. Висока чутливість, що дозволяє виявляти дрібні дефекти.
2. Велика проникаюча здатність, що дозволяє виявляти внутрішні дефекти в великогабаритних виробах.
3. Можливість визначення місця і розмірів дефекту.
4. Можливість контролю при односторонньому доступі до виробу.
5. Безпека роботи оператора й навколишнього персоналу.
До недоліків методу належить необхідність розробки спеціальних методик контролю окремих типів деталей, високі вимоги до кваліфікації операторів, які виконують контроль, необхідність порівняно високої чистоти обробки поверхні контрольованих об'єктів та наявність мертвих зон, що знижують ефективність контролю.
Пружні акустичні коливання, частоти яких знаходяться в діапазоні від 2х104 Гц до 109 Гц називають ультразвуковими. Для збудження пружних коливань у різних матеріалах використовують перетворювачі. Найбільшого поширення набули п'єзоелектричні перетворювачі, що представляють собою пластини, виготовлені з монокристалів кварцу або п'єзокерамічних матеріалів, на поверхні яких наносять тонкі шари срібла, що служать електродами. При прикладанні до електродів змінного електричного напруги п'єзопластина здійснює вимушені механічні коливання (розтягується і стискається) з частотою електричної напруги (зворотний п'єзоефект). При впливі на п'єзопластину пружних механічних коливань на її електродах виникає змінне електричнна напруга з частотою механічних коливань що впливають на неї (прямий п'єзоефект).
Правильний вибір частоти УЗК має велике практичне значення для отримання необхідної чутливості при проведенні контролю. Чим вище частота, тим менше довжина пружних хвиль в контрольованому виробі і тим кращі умови відображення їх від дефектів. З підвищенням частоти прозвучування збільшується спрямованість випромінювання і прийому, що сприяє підвищенню чутливості контролю. Проте зі збільшенням частоти підвищується коефіцієнт загасання пружних хвиль в контрольованому об'єкті, погіршуються умови їх проходження через поверхню введення, збільшується інтенсивність відбиттів від кордонів зерен і неоднорідностей металу, які не є дефектами. При контролі деталей частота УЗК визначається в основному коефіцієнтом загасання, рівнем структурної реверберації матеріалу і габаритами контрольованого виробу. Знаючи ці характеристики, можна оцінити і вибрати оптимальну частоту, яка забезпечить найбільшу чутливість контролю при мінімальних втратах енергії на розсіювання та поглинання її зернами металу.
Промисловий ультразвуковий контроль найчастіше проводиться з використанням ультразвукових хвиль з частотами в діапазоні від 500 кГц до 20 МГц. В цілому, більш високі частоти дозволяють збільшити роздільну здатність, необхідну для вимірювання товщини малорозмірних об'єктів або для виявлення мікроскопічних дефектів. У той же час, більш низькі частоти забезпечують краще проникнення ультразвуку в об'єкти контролю великої товщини або виконані з матеріалів, які погано проводять ультразвукові хвилі.
Поширення високочастотних пружних хвиль відбувається по аналогії з законами геометричної оптики. Хвильове поле, створюване п'єзоелементом поблизу має циліндричну форму (ближня зона), а на деякій відстані - форму усіченого конуса. Ультразвукові хвилі характеризуються спрямованістю. Чим більше діаметр випромінювача і частота пружних хвиль, тим вище спрямованість пучка променів. На відміну від чутного звуку, який поширюється від джерела в вигляді сферичної хвилі, через те що довжина хвилі перевищує діаметр самого джерела, ультразвук поширюється у вигляді вузького променя, що проникає в об'єкт контролю строго в заданому напрямку. У міру віддалення від випромінювача інтенсивність хвиль падає і амплітуда коливань частинок поступово зменшується. Це обумовлено геометричним розбіжністю променів, що призводить до збільшення площі фронту хвилі, а також наявністю втрат в середовищі, що призводять до поступового загасання коливань при їх розповсюдженні.
Відповідно до областями застосування, найбільш розповсюдженний з ультразвукових приладів для неруйнівного контролю є товщиноміри і дефектоскопи.
Використовуючи принципи відображення ультразвуку, ультразвукові дефектоскопи виявляють ехосигнали, що відбиваються від тріщин, пустот або інших порушень суцільності матеріалу, з якого виконаний об'єкт контролю. Ультразвуковий імпульс поширюється в твердому однорідному матеріалі (наприклад, стінці сталевої труби) до тих пір, поки не стикається з кордоном з іншим матеріалом (наприклад, повітрям в тріщині або повітрям, з яким межує протилежна поверхню стінки труби).
Дефектоскоп відображає інформацію про амплітуду і положенні ехосигналів, яка може бути використана для класифікації дефектів. Порівнюючи ехосигнали від опорного зразка і від реального об'єкта контролю, досвідчений оператор може виявити приховані дефекти задовго до того, як виникне реальна несправність.
Однією з найбільш важливих областей застосування ультразвукових дефектоскопів є контроль якості зварювання. Сучасне програмне забезпечення, встановлене в більшості цифрових ультразвукових дефектоскопів, забезпечує графічне відображення траєкторії ультразвуку, що проходить через зварні шви, що дозволяє детально досліджувати характеристики будь-якої підозрілої області. Сучасні дефектоскопи з живленням від акумуляторів є повністю портативними і забезпечують широкі можливості реєстрації та обробки даних. Інформація, отримана за допомогою ультразвукових дефектоскопів, дозволяє підготовленому оператору не тільки провести вичерпний контроль, але і розшифрувати його результати.