&.Ф.КР&ПОЯ у/.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ В ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Санкт-Петербург Издательство Радиоавионика” 1995
ББК 31.16
К79
УДК[620.113.004.14:620.179.16:669]:658.562.012.7
Е 2754000000-1	1.95 без объявл
Х89 (03)-95
ББК 31.16
ISBN 5-88877-001-9
©Е.Ф.Кретов,1995
ПРЕДИСЛОВИЕ
Ультразвуковая (УЗ) дефектоскопия как самостоятельная область науки зародилась в нашей стране. В 1928 году Член-корреспондент Академии Наук СССР профессор Сергей Яковлевич Соколов сформулировал основные принципы УЗ дефектоскопии, а с середины 50-х годов этот прогрессивный метод стали активно применять для оценки качества продукции.
Объем применения УЗ контроля, как во многих Отраслях промышленности нашей страны (энергетическое машиностроение, железнодорожный транспорт, судостроение, химическое машиностроение), так и за рубежом, за последние годы достиг 70-80% по отношению к другим методам неразрушающего контроля. Это объясняется более высокой чувствительностью (по раскрытию на 5 порядков) и лучшей выявляемостью трещиноподобных дефектов, более высокой оперативностью (15-20 раз) и производительностью (2-4 раза), меньшей стоимостью (2-6 раза) и безопасностью в работе по сравнению с традиционными методами радиографического контроля.
При подготовке специалистов по УЗ дефектоскопии в отрасли энергомашиностроения возникает необходимость изучения не только физических основ УЗ дефектоскопии, но также и материала из других отраслей знаний. Поэтому настоящая книга была задумана как учебник, включающий в себя весь необходимый материал для подготовки специалиста по УЗ контролю. Первое издание книги, выпущенной малым тиражом в 1982 году, показало ее практическую полезность и желание иметь эту книгу в библиотеке дефектоскопистов.
Во втором издании автором учтен длительный собственный опыт практической работы по УЗ контролю и опыт подготовки специалистов по этому виду контроля. Автор выражает сердечную благодарность за внимательное прочтение рукописи и очень ценные рекомендации по ее улучшению проф.Алешину Н.П., проф.Гурвичу А.К. и Розиной М.В.
При написании книги использованы работы известных специалистов: Алешина Н.П., Ермолова И.Н., Гурвича А.К., Крауткремеров Й. и Г., Розиной М.В., Щербинского ВТ. и других авторов, а также стандарты и другая нормативно-техническая документация.
Книга рассчитана на читателей с образованием не ниже среднего и предназначена для подготовки специалистов (дефектоскопистов по УЗ контролю и инженерно-технических работников в этой области) для аттестации на I, II и III уровни квалификации и практической работы по УЗ контролю как в энергомашиностроении, так и в других отраслях промышленности.
3
ВВЕДЕНИЕ ПОНЯТИЕ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
г.
'i
В “Толковом словаре русского языка” В.Даля поясняется:”Каче-ство - свойство или принадлежность, все, что составляет сущность лица или вещи. Качество на вопрос “какой?” поясняет доброту, цвет и другие свойства предмета”.
Касаясь важности уяснения понятия термина “качество продукции”, специалисты считают, что проблема его определения ни в коем случае не может рассматриваться как самоцель, как спор о словах. Эта проблема имеет большое практическое значение. В частности, при разработке стандартов и технических условий от правильного понимания этого термина зависит определение того обязательного минимума количественных и других показателей, которым должна отвечать данная продукция. При оценке качества изделия необходимо сравнивать его с качеством однородных изделий. Четкость в определении понятия “качество продукции” имеет важное значение для определения степени стандартизации данного вида продукции, при составлении технической документации на качество изделия, при планировании повышения качества продукции, в договорной, судебной и арбитражной практике.
В ГОСТ 15467 дано следующее определение: качество продукции - совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Некоторые ученые склонны дать более широкое определение: качество - это совокупность всех функциональ-, ных, эстетических и экономических показателей продукции. Характеристики эти отличаются одна от другой тем, что в первом случае речь идет о свойствах продукции удовлетворять те или иные потребности народного хозяйства и населения страны, а во втором - о характеристиках этих свойств, обусловливающих способность продукции удовлетворять эти потребности. Западные специалисты в определении этого понятия подчеркивают два принципиальных момента, в максимальной мере учитывающие интересы изготовителя и потребителя: качество продукции - это соответствие требованиям потребителя, достигаемое наиболее экономичным путем. В последние годы получило распространение еще одно определение этого понятия: качество - это совокупность свойств и характеристик изделия или услуги, которые определяют способность удовлетворения требований контракта или ожиданий заказчика.
В юридической литературе качество продукции обычно рассматривается как степень соответствия ее технико-экономических свойств тем социальным требованиям, которые закрепляются в юридических нормах. Правовая окраска определения возникает из-
4
за включения в него указаний на соответствие свойств продукции нормативным требованиям, плановым предписаниям и договорным условиям. Эти указания закрепляются стандартами, правилами контроля, техническими условиями, контрактами, договорами поставки.
Некоторые правовые формы, определяющие качество продукции, закреплены в Основах гражданского законодательства России и независимых государств, согласно которым качество поставляемой продукции должно соответствовать государственным стандартам, техническим условиям, образцам или повышенным требованиям, предусмотренным договором поставки.
Для всесторонней оценки качества продукции производственно - технического назначения в России применяют 11 групп показателей качества. В каждой группе количество единичных показателей может достигать 10-15 наименований. Наиболее важными показателями качества являются следующие: назначения, экономного расходования ресурсов, надежности, стандартизации.и унификации, технологичности, эстетические, эргономические, экологические.
За рубежом в дополнение к названным показателям приводят обеспечение качества в процессе сбыта изделий и оказание послепродажных услуг потребителю. Перечисленные показатели качества определяются в процессе их конструкторской и технологической проработки и реализуются в конкретном изделии при его изготовлении и эксплуатации.
Для оценки совершенства продукции вводится понятие уровень качества. Уровень качества продукции является относительной характеристикой ее свойств, основанной на сравнении совокупности показателей качества оцениваемой продукции с соответствующей совокупностью базовых показателей.
Базовый показатель качества продукции - это такой показатель, который принимается за исходный при сравнительных оценках качества. За базовые показатели обычно принимаются:
-	показатели качества продукции, производимой в нашей стране или за рубежом, которая отвечает самым высоким требованиям и наиболее эффективна в эксплуатации;
-	показатели перспективных образцов продукции, найденные опытным или теоретическим путем;
-	требования отечественных и международных стандартов и технических условий;
•	показатели качества аналогичной продукции, на смену которой приходит новое изделие.
Оценка уровня качества продукции представляет собой совокупность операций, включающих выбор номенклатуры показателей
5
качества, определение их численных значений, а также значений базовых и относительных показателей, определение весомости (значимости) каждого показателя и вычисление комплексной относительной оценки уровня качества. Количество и состав показателей, используемых для комплексной оценки уровня качества продукции выбирают в зависимости от вида изделий и цели оценки. При этом по возможности стремятся выбрать функционально не связанные между собой показатели, характеризующие разносторонние свойства изделия.
Руководители японской промышленности нашли и реализовали наилучшую связь между понятиями качества, продуктивности и рентабельности. Они пришли к выводу, что хорошее качество - это не результат строгого контроля, а скорее конечный результат последовательности процессов, не допускающих появления плохих изделий. Для обеспечения такой оптимальной последовательности и качества процессов на предприятиях создают системы качества. Система качества представляет собой регламентированный стандартами предприятия порядок регулирования производственных процессов , направленный на обеспечение необходимого уровня качества продукции при ее разработке, изготовлении, обращении и эксплуатации. Она является неотьемлемой частью системы управления производством и предназначена для усиления воздействия механизма управления на наиболее важных, ключевых в данное время трудовых процессах и производственных функциях. Система качества включает в себя: организационную структуру, персонал, обязанности, методики, стандарты, процессы и оборудование, которые используются для реализации политики и достижения целей в области качества.
Основные положения системы качества:
-	распространение мероприятий по управлению на все службы предприятия;
-	организация управления качеством таким образом, чтобы за него отвечали все и каждый (процесс управления качеством на предприятии должен стимулировать как качественную работу отдельных работников, так и эффективное взаимодействие между подразделениями);
-	достижение всестороннего улучшения качества при помощи и непосредственном участии всех сотрудников предприятия;
-	стандартизация производственных процессов и производственных функций в любом направлении деятельности и любом уровне управления;
-	мобилизация усилий всех работающих на безусловное соблюдение требований стандартов;
6
-	удовлетворение запросов потребителя, а не удовлетворение текущих интересов предприятия в эффективности производства и сбыта изделий;
-	обязательное применение новых технологий, широкое внедрение ЭВМ при разработках, управлении, измерениях и контроле качества;
-	создание четкой, ориентированной на потребителя системы обеспечения качества, доступной для понимания сотрудников предприятия (системы, в которую люди поверят и захотят стать ее частью).
Для создания высококачественной продукции важное значение имеет поддержание на предприятии, в подразделении духа подлинного сотрудничества, "корпоративной культуры”, то есть создание благоприятного морально-психологического климата в коллективе.
Управление качеством должно касаться не только оборудования, узлов, компонентов, но и людей - качества их взаимоотношений. В условиях автоматизации, как и прежде, нельзя забывать о рабочих: оборудование придется выбросить, если рабочие будут нерадиво относиться к нему или будут слабо подготовлены к работе.
Значительный вред качеству наносит разграничение функций участников производственного процесса, когда каждый думает только о своей ответственности, действуя по принципу: "Я за это не отвечаю". Поэтому японские специалисты считают, что нужно начинать с фактов, их анализа, а не с защиты логики обязанностей и ответственности.
Обучение сотрудников само по себе не решает проблему обеспечения высокого качества, но у него есть очень полезный побочный эффект: изменение в лучшую сторону отношения людей к качеству своей работы. Считается, что качество на 90% определяется подходом к делу и только на 10% полученными знаниями. Понятно, что учебные программы могут дать лишь эти 10%. но зато обучение позволит сообщить работнику дополнительный импульс - изменить его отношение к качеству, которое в дальнейшем надо поддерживать постоянными усилиями.
За рубежом особенно больших успехов в области обеспечения качества продукции добились японские специалисты. Широкое распространение в Японии получили кружки качества, которые действуют под лозунгами:"Качество определяет судьбу предприятия”, “Что сегодня кажется прекрасным, завтра устареет”, “Думай о качестве ежеминутно”.
На японских предприятиях действует программа, получившая название “пять нулей”. В общем виде она представляет собой коротки? правила-заповеди:
-	не создавать (условий для появления дефектов);
-	не передавать (дефектную продукцию на следующую операцию);
-	не принимать (дефектную продукцию с предыдущей операции);
7
-	не изменять (технологические режимы);
-	не повторять ( ошибок).
Отличительными элементами японского подхода к управлению качеством являются:
-	ориентация на постоянное совершенствование организации и результатов труда во всех подразделениях;
-	установка на контроль качества процесса, а не продукции;
-	курс на предотвращение возможности допущения дефектов;
-	тщательное исследование и анализ возникающих проблем по принципу “восходящего потока”, т.е. от последующей операции к предыдущей;
-	культивирование принципа: "Исполнитель следующей операции - твой потребитель”;
-	закрепление ответственности за качество труда за непосредственным исполнителем;
-	активное использование человеческого фактора, развитие творческого потенциала рабочих и служащих, культивирование морали: “Нормальному человеку стыдно работать плохо”.
Английские специалисты считают, что суть принципов обеспечения качества состоит в следующем: глубже вникать в нужды потребителя; внедрять новые формы обслуживания потребителей; делать рабочие процессы безопаснее; совершенствовать продукцию, обслуживание и технологию, выявляя и устраняя хронические недостатки; внедрять в организационную работу гласность и доверие; внедрять самостоятельность в формировании и управлении бригад; поощрять разумный риск; устанавливать полезную глобальную стратегию.
Одним из элементов системы качества является контроль качества используемых сырья, материалов и изделий на различных этапах технологического процесса. При этом все больший удельный вес получают неразрушающие методы контроля (НМК), которые позволяют осуществить сплошной контроль объектов самого ответственного назначения. Развитие НМК относится к числу важнейших направлений научно - технического прогресса.
Контроль качества является самой массовой технологической операцией в производстве, ибо ни одна деталь не может быть изготовлена без измерения ее технических характеристик. В связи с усложнением и требованием неуклонного повышения надежности новой техники, трудоемкость контрольных операций в промышленности резко увеличивается. Так, например, в развитых капиталистических странах затраты на контроль качества составляют в среднем 1 -3% от стоимости выпускаемой продукции, а в таких отраслях промышленности, как оборонная, атомная, аэрокосмическая затраты на контроль качества
8
возрастают до 12-18%, На контроль сварных соединений в судостроении расходуется 5% общей стоимости проконтролированных узлов и материалов, в ракетостроении 20%, в строительстве жилых и промышленных многоэтажных зданий 1 -1,5%, в строительстве трубопроводов большого диаметра и большой протяженности 10%, в котлострое-нии 1-2%. Указанные затраты быстро окупаются, так как благодаря неразрушающему контролю, на всех этапах изготовления и приемки радикально повышается качество продукции, увеличивается ее надежность.
Над созданием новых и совершенствованием существующих методов и средств НК работает большое количество организаций в нашей стране и за рубежом. Номенклатура средств НК достигла 1500 типов приборов и 120 видов специализированных материалов.
Исключительно актуальным является применение методов неразрушающего контроля в атомной энергетике. Основные элементы оборудования АЭС, входящие в 1-й контур, неоднократно контролируются неразрушающими методами в полном объеме.
9
ГЛАВА 1 ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ
1.1 Металлы и сплавы
1.1 Л Металлы
М, В, Л омоносов определял металлы, как “светлые тела, которые ковать можно", Это простейшее определение не потеряло своего значения и сейчас. К металлам относят большинство химических элементов периодической системы Менделеева. В твердом и жидком состоянии они отличаются от элементов-неметаллов своеобразными межатомными связями с обобщенными и подвижными электронами. Такие электроны называют обычно электронами проводимости, так как они способны легко ускоряться во внешнем электрическом поле, и их упорядоченное движение обусловливает протекание электрического тока, то есть электропроводность. В металлах электроны проводимости есть всегда в отличие от полупроводников, где они проявляются только при определенных воздействиях (например, температуры, освещения). Такой род электронных связей является причиной высоких электро- и теплопроводности, увеличивающихся с понижением температуры.
Главным физическим критерием металлического состояния является изменение электросопротивления у металла в зависимости от его температурного состояния. Свойствами металлов являются также высокая прочность, пластичность и ковкость, непрозрачность и металлический блеск. Кроме того все металлы обладают термоэлектронной эмиссией, то есть могут испускать электроны при нагреве. Металлы представляют собой поликристал-лические тела, состоящие из большого числа мелких (10 1 - 10d см), различно ориентированных один по отношению к другому кристаллов.
Важнейшим промышленным металлом является железо (Fe), которое в сплавах с углеродом (С) и другими элементами относят к группе черных металлов. Они имеют темно-серый цвет, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Из общего количества выплавляемых в мире металлов около 93% приходится на черные.
Элементом, оказывающим наибольшее влияние на свойства черных металлов, является углерод, и, в зависимости от его содержания, эти металлы делят на сталь и чугун. Чугуном называют сплав, содержащий более 2,14% углерода, сталью - 2,14% и менее. Если в стали содержится 0,6 - 2,14% углерода, то ее называют высокоуглеродистой, при содержании 0,25-0,6% углерода - среднеуглеродистой, а если углерода менее 0,25% - низкоуглеродистой. Помимо углерода в стали в
10
небольшом количестве содержатся марганец, кремний, фосфор и сера. Легированная сталь может содержать кроме названных и другие элементы.
Сталь, по сравнению с чугуном, прочнее и обладает пластичностью. Ее можно прокатывать, ковать, обрабатывать давлением и режущими инструментами. В расплавленном состоянии сталь достаточно жидкотекуча для литья. Большинство сортов стали можно сваривать простыми приемами.
К сталям или чугунам относят сплавы с содержанием железа более 50%, если же железа менее 50%, то материал называют сплавом.
1.1.2 Кристаллическое строение металлов
Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Агрегатное состояние, в котором находится вещество, зависит от температуры и давления окружающей среды.
Для твердого тела характерна стабильная, постоянная собственная форма. Атомы в твердом теле совершают только малые колебания около своих равновесных положений. Это приводит к правильному чередованию атомов на одинаковых расстояниях для сколь угодно далеко удаленных атомов, то есть существованию так называемого дальнего порядка в расположении атомов. Такое правильное, регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в грех измерениях, образует кристаллическую решетку. У всех металлов и их сплавов строение кристаллическое. Порядок расположения атомов в кристаллической решетке может быть различным. Расстояния между центрами атомов (параметры решеток) и углы между осями решетки для различных металлов неодинаковы.
В элементарной ячейке кристаллической решетки а виде центрированного куба (кубическая объемноцентрированная), находится 9 атомов, из которых один находится в центре, а остальные - по вершинам куба (рис. 1.1, а). Решетку такого типа образуют при затвердевании ванадий, вольфрам, молибден и другие металлы.
В элементарной ячейке кубической решетки с центрированными гранями (гранецентрированный куб) расположено 14 атомов, из которых 8 - по вершинам куба, а 6 - в центре каждой из его граней (рис. 1.1,б). Такую решетку образуют алюминий, медь, никель и другие металлы.
11
a
б
Рис. 1.1 Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки в них атомов а - объемноцентрированная кубическая;
б - гранецентрированная кубическая; в - гексагональная.
В элементарной ячейке гексагональной решетки с плотной упаковкой атомов (рис. 1.1,6) расположено 17 атомов: 12 - по вершинам
12
в
решетки, имеющей вид правильной шестигранной призмы, 2 - в центрах верхнего и нижнего оснований и 3 - в средней части ячейки. В такую решетку кристаллизуются кобальт, магний, титан.
Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами, выраженными в нанометрах (1 нм = 10'9 м), Параметр кубической решетки, равный длине ребра куба, обозначается буквой “а” и находится в пределах 0,28 - 0,60 нм. Для характеристики гексагональной решетки используют два параметра - сторону шестигранника “а" и высоту призмы “с". Когда с/а = 1,633, атомы упакованы наиболее плотно, и поэтому такая решетка называется гексагональной плотноупакованной.
Реальный металл состоит из многих кристаллов. Размер каждого кристалла измеряется долями миллиметра, поэтому в 1 см3 металла содержатся десятки тысяч кристаллов. В тех случаях, когда при затвердевании не было условий для преимущественной ориентации, образующиеся кристаллы ориентируются произвольно. При этом в любом направлении располагается примерно одинаковое количество кристаллов с различной ориентацией. В результате получается, что свойства такого поликристаллического тела одинаковы во всех направлениях, хотя свойства каждого кристалла, составляющего это тело, зависят от направления. Это явление называется квазиизотропией.
Процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. Характер кристаллизации зависит От числа образующихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов из этих центров. Вначале рост кристаллов идет по всем направлениям, затем, при дальнейшем росте, кристаллы сталкиваются и получают неправильные внешние очертания, вследствие чего их называют не кристаллами, а кристаллитами. Кристаллиты бывают двух видов - типа многогранников (зерна, гранулы) или ветвистой формы (дендриты).
Обычно объем металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллитов (зерен) неправильной формы. Кристаллические решетки в отдельных зернах ориентированы относительно друг друга случайным образом. В некоторых случаях, например при холодной прокатке, наблюдается преимущественная ориентация зерен -. текстура. Поверхности раздела зерен называют границами зерен.
Свойства отдельно взятого кристалла (монокристалла) по данному направлению зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от кристаллографических направлений называют анизотропией. Все кристаллы анизотропны.
Некоторые металлы в твердом состоянии при различных температурах могут иметь либо различное строение кристалличес-
13
кой решетки, либо различные параметры при одинаковой форме решетки. Такие изменения кристаллической решетки называются аллотропическими превращениями. Они сопровождаются вьщелением или поглощением тепла и приводят к изменению физико-химических свойств металла Различные аллотропические состояния металла или сплава называют модификациями. Способность металла существовать в различных модификациях называется полиморфизмом.
Рис. 1.2 Кривая охлаждения железа
Процесс образования кристаллов из жидкости называется первичной кристаллизацией. Перекристаллизацию из одной модификации в другую при остывании затвердевшего металла называют вторичной кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить несколько ниже температуры плавления.
Перекристаллизация при охлаждении металла сопровождается выделением тепла и поэтому происходит при постоянной температуре.
Различные модификации металла, получающиеся при перекристаллизации, обозначаются буквами греческого алфавита: <ХТ 3, начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.
Рассмотрим кривую охлаждения железа как пример аллотропического превращения при охлаждении (рис. 1.2). При температуре 1539е 14
на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок - происходит кристаллизация железа - переход его из жидкого состояния в твердое. В температурном интервале 1539° - 1390° характерным является строение кристаллической решетки в виде центрированного куба. Эта модификация носит название 8-железа. В процессе дальнейшего охлаждения уже j	твердого железа при температуре 1390° на кривой охлаждения снова
появляется горизонтальный участок. Температура 1390° соответствует аллотропическому превращению 8-железа ву-железо, имеющее решетку в виде куба с центрированными гранями. Эта модификация (у-железо) оказывается устойчивой от 1390° до 910°. При температуре 910° на кривой охлаждения вновь наблюдается горизонтальный участок. Этой температуре соответствует превращение у- железа в немагнитное р-железо, устойчивое до 768° и имеющее решетку в виде центрированного куба. Эта же решетка сохраняется и от 768° до О° у магнитного а-железа. При 768° происходят изменения во внешних электронных оболочках атомов, вследствие чего железо приобретает магнитные свойства.
1,1.3 Строение слитка
По характеру раскисления различают спокойную, кипящую и полуспокойную стали. Спокойная сталь полностью раскислена в печи или в ковше, и в изложнице затвердевает спокойно - то есть без активного выделения газов. Слитки спокойной стали имеют несколько различных структурных зон (рис. 1.3 ). При соприкосновении жидкой стали с относительно холодными стенками изложницы (1) возникает явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате образуется корковый слой (3), состоящий из мелких, неориентированных кристаллов - дендритов. Изложница, разогреваясь, расширяется, а корковый слой, охлаждаясь, сжимается. Поэтому между слитком и стенками изложницы образуется воздушная прослойка (2), плохо проводящая тепло, в результате чего скорость охлаждения жидкого металла уменьшается. Наступают условия для образования второй кристаллизационной зоны (4), состоящей из столбчатых дендритов, растущих в направлении отвода тепла (перпендикулярно к стенкам изложницы). Это явление прорастания кристаллов в толщу слитка называется транскристаллизацией, а зону 4 называют транскристаллизационной. При медленном затвердевании этой зоны в первую очередь затвердевают кристаллы более чистого металла, содержащего меньше примесей и имеющего наибольшую температуру затвердевания. Остающаяся между дендритами фаза, называемая маточным раствором, обогащается примесями (С, S, Р и др.), что понижает ее температуру плавления.
Й
15
По мере роста дендритов отдача теплоты наружу замедляется, скорость охлаждения внутреннего объема стали становится ничтожной, и в этой зоне начинается рост кристаллов одновременно по всей массе, Возникает область равноосных неориентированных кристаллов (6), свободно растущих в жидком расплаве. Русский металлург Д. К. Чернов
так охарактеризовал эту зону: “Температура застывающего металла ус-
Рис. 1.3 Продольное строение слитка
певает почти совершенно уравниваться в различных точках, и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние вследствие образования в различных ее точках зачатков кристаллизации. Далее зачатки разрастаются осями -ветвями по различным направлениям, встречаясь, друг с другом”. Зародышами кристалла здесь являются обычно различные мельчайшие включения, присутствующие в жидкой стали, или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле. В нижней части слитка может образоваться конус осаждения (7),
богатый неметаллическими включения-
ми. Жидкий металл имеет больший объем чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустоты, называемой усадочной раковиной (5). Часть слитка, где расположена усадочная раковина, называют прибылью. Под усадочной раковиной может образовываться усадочная рыхлость с мелкими раковинами. Для уменьшения усадочной раковины применяют изложницы с прибыльной над-
16
ставкой (8), имеющей малотепло проводную огнеупорную футеровку. Благодаря этому сталь в надставке продолжительное время остается жидкой и питает затвердевающий слиток, уменьшая в нем усадочную раковину.
Химический состав стали, как и структура слитка в различных его частях, сильно отличается от средних данных, полученных после взятия пробы из жидкой стали перед разливкой. Кроме того, химический состав стали и других сплавов не одинаков даже в различных местах одного и того же дендрита. Оси дендрита, образовавшиеся позднее, богаче легкоплавким элементом и застывают позже. Поэтому слиток в зоне дендритов имеет внутрикристаллическую или дендритную ликвацию. Еще более резко в слитке спокойной стали выражена зональная ликвация: пробы металла, взятые у стенок слитка в его средней зоне, по содержанию углерода, а особенно серы и фосфора, могут отклоняться на 200-300% от среднего по слитку значения.
Кипящая сталь в печи или ковше раскисляется не полностью. При заливке такой стали в изложницу после образования у холодных стенок изложниц тонкого слоя мелких кристаллов из почти чистого железа в оставшемся жидком металле при дальнейшей кристаллизации повышается содержание углерода и кислорода, поэтому активно начинается реакция образования окиси углерода по схеме
Ст-О = СО	(1.1)
Образовавшиеся пузырьки газообразной окиси углерода оттесняются кристаллизующимися дендритами к центру слитка вверх и перемешивают оставшуюся еще в жидком состоянии сталь, выравнивая химический состав. Они выносят к поверхности слитка часть неметаллических включений и растворенных в металле газов. Выделение пузырьков газа из застывающего слитка создает впечатление кипения, что и обусловливает его название. Некоторые пузырьки окиси углерода не успевают выйти из слитка до его застывания и в слитке образуются пустоты правильной круглой формы, компенсирующие объемную усадку, поэтому в слитке нет сосредоточенной усадочной раковины.
Газовые раковины (пузыри) завариваются при прокатке, и почти весь слиток идет в дело. Содержание углерода в кипящей стали не более 0,3%. Кипение в изложнице со свободным выходом газов способствует более полному удалению из слитка неметаллических включений, поэтому пластичность кипящей стали выше, чем спокойной. Кипящая сталь дешевле спокойной, но слитки получаются неоднородными, что ограничивает ее применение.
Полуспокойная сталь по структуре и реакциям в изложнице является промежуточной между спокойной и кипящей.
17
1.1.4 Диаграмма состояния железо-углерод
Металлическими сплавами называют сочетания двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии. Химические элементы или их соединения, входящие в состав сплава, называют компонентами.
В зависимости от природы компонентов, составляющих сплав, различают:
1)	сплав - механическая смесь компонентов;
2)	сплав - твердый раствор компонентов;
3)	сплав - химическое соединение компонентов.
Сплавы - механические смеси, неоднородны и представляют собой мельчайшую смесь кристаллитов компонентов. Сплавы - твердые растворы и сплавы - химические соединения, однородны, причем первые могут образовываться при различном соотношении компонентов, а вторые -только при строго определенном весовом соотношении компонентов.
Системой называют совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других составляющих (фаз) поверхностью раздела. В жидком состоянии система содержит одну фазу, при затвердевании всегда имеются две фазы - жидкая и твердая. После затвердевания образу* ется или одна фаза (химический элемент, химическое соединение, твердый раствор) или сплав, содержащий смесь фаз.
Диаграмма состояния характеризует процессы затвердевания и структурного превращения сплавов различных систем и дает наглядное представление о фазах в любом сплаве данной системы. Диаграмма состояния позволяет выбирать условия термической обработки сплавов, их ковки, сварки.
Диаграмма состояния “железо-углерод” является фундаментом науки о стали. Рассмотрим упрощенную цементитную диаграмму сплава железо-углерод. Наибольшая доля углерода, по диаграмме 6,67%, отвечает * содержанию углерода в химическом соединении - цементите Fe3C. Следовательно, компонентами, составляющими сплавы этой системы, будут с одной стороны, чистое железо Fe, с другой - цементит Fe3C.
По горизонтальной оси диаграммы состояния откладывается процентное содержание углерода в сплаве, по вертикальной - температура (рис. 1.4). Выше линии АВСД сплавы системы находятся в жидком состоянии. Линия АВСД называется линией ликвидуса (ликвидус-лат.-жидкий). По линии JBC из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в у-железе, называемого аустени-
18
Твютервтура,
Рис. 1.4 Диаграмма состояния Fe - Fe3C. Ж - жидкость; Ф - феррит; А - аустенит;
Ц - цементит: 1 - первичный; 2 - вторичный; 3 - третичный; П - перлит; Л - ледебурит; М - линия магнитного превращения.
том. Следовательно, в области JBCE находится смесь фаз жидкого раствора и аустенита. 8 точке С при содержании углерода 4,3% и температуре 1130° С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь - эвтектика (эвтектика - греч.-легкоплавящийся). Эвтектический сплав имеет самую низкую температуру плавления из всех сплавов данной системы. В системе Fe-C эвтектика называется ледебуритом. Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%). Сплавы, лежащие левее этой точки, после полного затвердевания при первичной кристаллизации представляют собой один аустенит. На небольшом участке диаграммы состояния при малых концентрациях С и высокой температуре образование чистого аустенита идет через фазу феррита. Наличие на диаграмме состояния области чистого аустенита (при С<2,14%) является характерным для стали.
Линия AHJECF, по которой происходит полное затвердевание системы, называется линией солидуса (солидус-лат.-твердый). Линии GSE, PSK и GPQ показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структуры (вторичная кристаллизация). Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной модификации в другую, а также в связи с изменением растворимости углерода в железе.
В области JESGN диаграммы состояния находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита - твердого раствора углерода в a-железе, а по линии SE-цементита. Этот цементит, выпадающий из твердого раствора, называется вторичным. В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз - феррита и распадающегося аустенита, а в области SEU - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.
В точке S при содержании 0,83%С и температуре 723°весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита - эвтектоид (подобный эвтектике), который в этой системе называется перлитом. Сталь, содержащая 0,83%С , называется эвтектоидной, менее 0,83% - доэвтектоидной, от 0,83% до 2,14% - заэвтектоидной. Линия PSK, по которой происходит распад всего аустенита, называется линией перлитного превращения.
При температуре 768° происходит магнитное превращение выпавших кристаллов феррита, то есть немагнитный феррит становится магнитным.
Свойства сплавов зависят и от структуры. Ферритная фаза мягкая и пластичная; цементит, наоборот, придает стали твердость и хрупкость; перлит содержит 1/8 цементита и поэтому имеет повышенную прочность и твердость по сравнению с ферритом.
20
1.1.5 Термическая обработка сталей

Термической обработкой называют процессы, заключающиеся в тепловом воздействии по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств стали при том же химическом составе.
Основные фекторы воздействия при термической обработке -температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t° С (температура) и {(время) (рис. 1.5).
Рис. 1.5 Пример режима термической обработки
Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры : максимальная температура нагрева t°C max , время выдержки сплава при температуре нагрева ts; скорость нагрева Унагр. и скорость охлаждения \/охл.
Термическая обработка стали основана на фезовых превращениях, протекающих в стали в твердом состоянии. Зная, как протекают фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, можно упраалять процессами термической Обработки и получить сталь с необходимыми структурой и свойствами.
Вторичная кристаллизация, в результате которой происходят фезовые превращения, соответствует на диаграмме состояния линиям GOS, SE, PSK (рис. 1.4). Температуру превращения сплавов по линии GOS (охлаждении) обозначают АЗ, температуру превращения по линии PSK (при охлаждении) обозначают А1,температуру превращения по линии SE (при охлаждении) обозначают Аст.
Все виды термической обработки можно разделить на четыре основные группы: три простые-отжиг, закалка, отпуск, а четвертая -сложная: химико-термическая и деформационно-термическая обработки.
Первая группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние, например, вызвать наклеп. Наклепом называют искажение кристаллической решетки металла в результате холодной пластической деформации. При наклепе повышают -
21
ся прочность и твердость, но понижается пластичность. Большая степень деформации приводит к искажению кристаллической решетки, изменению формы и соотношения размеров зерен.
При затвердевании стали также возникает неустойчивое состояние. Диффузные процессы протекать не успевают, и состав металла даже в объеме одного зерна оказывается неоднородным. Быстрое охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упругой деформации (например, после сварки). Неустойчивое состояние при комнатной температуре сохраняется долго, так как теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.
Следствием нагрева (увеличения тепловой подвижности атомов) является то, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической решетки, рекристаллизация, диффузия), достигают заметных скоростей. Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящее его в более устойчивое состояние, называется отжигом.
Если в сплавах при нагреве происходит фазовое превращение (аллотропическое превращение, растворение второй фазы и т.д.), то нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава. При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение достаточно медленное, то превращение будет полное и фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию.
Существует два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых превращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит его в более равновесное состояние. Такой отжиг называется отжигом I рода. Если у сплава есть фазовое превращение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусловленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг II рода или фазовая перекристаллизация.
Отжиг I рода, в зависимости от исходного состояния стали и температуры его выполнения, может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Характерная особенность этого вида отжига заключается в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет. Поэтому отжиг I рода можно проводить при температуре выше или ниже температур фазо
22
вых превращений. Этот вид обработки, в зависимости от температурных условий его выполнения, устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками.
Возврат (отдых) стали заключается в нагреве до 200*400° С для уменьшения или снятия наклепа. (При деформации в холодном состоянии механические и физико-химические свойства металла непрерывно изменяются: твердость, прочность и хрупкость увеличиваются, а пластичность, вязкость, коррозионная стойкость и электропроводность уменьшаются. Это изменение свойств, связанное с деформацией в холодном состоянии, характерно для наклепа). При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств.
Гомогенизация (диффузионный отжиг). Диффузионному отжигу подвергают слитки легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллической ликвации (неравномерность химического состава), которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому излому,к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен).
Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали. Поэтому слитки и крупные отливки нередко подвергают гомогенизации, в результате которой сталь становится однородной по составу (гомогенной). Нагрев при гомогенизации должен быть достаточно высоким (1100-1200° С)- на 180-300° С выше температуры АЗ. Только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания в отдельных объемах состава стали.
Общая продолжительность гомогенизации больших садок металла достигает 50-100 часов и более. В зависимости от состава стали и массы садки продолжительность выдержки составляет 8-20 часов.
В результате гомогенизации получается крупное зерно. Этот недостаток устраняется при последующей обработке слитка давлением. Фасонные отливки после гомогенизации подвергают полному отжигу или нормализации для измельчения зерен и улучшения свойств.
Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация). Под таким отжигом понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристализации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением. Этот вид отжига применяют перед холодной обработкой давлением и как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования.
Температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения процесса превышает температуру порога рек
23
ристаллизации. Для углеродистых сталей с 0,08-0,20%С, чаще подвергаемых холодной деформации (прокатке,штамповке), температура отжига находится в интервале 680-700° С. Отжиг калиброванных прутков (холодная протяжка) из высокоуглеродистой легированной стали (хромистой, хромо-кремнистой и др.) проводят при 730° С в течение от 0,5 до 1,5 часов.
При рекристаллизации из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, близкие к равновесным, в результате твердость стали снижается, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.
Отжиг для снятия внутвенмих Напряжений. Этому виду от-жига подвергаются отливки, сварные изделия, детали после обработки резанием и другие изделия, в которых в процессе предшествующих технологических операций, из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.д. возникли остаточные напряжения. Температура отжига находится в пределах 200-700° С, чаще 350-600° С. Время выдержки составляет обычно несколько часов и устанавливается опытным путем.
Остаточные напряжения снимаются также при других видах отжига (например, рекристаллизационном отжиге с фазовой перекристаллизацией) и при высоком отпуске закаленной стали.
Отжиг II рода (Фазовая перекристаллизация) заключается в нагреве стали до температур выше АЗ или А1, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении,в результате которого фазовые превращения приводят к достижению практически равновесного структурного состояния.
Следовательно, после отжига углеродистой стали получаются структуры, указанные на диаграмме состояния железо-цементит (рис. 1.4 ): феррит+перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали, перлит и вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь имеет низкие твердость и прочность при высокой пластичности. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняются неблагоприятные структуры стали.
В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат. Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку резанием средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после литья, ковки и прокатки. Так,отжиг в
24
некоторых случаях (например, для многих крупных отливок) является окончательной термической операцией.
Различают следующие виды отжига; полный, неполный и изотермический.
Полный отжиг» Заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50° С выше температуры АЗ, выдержке при этой температуре до полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.
При нагреве до температуры выше точки АЗ на 30-50°С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость, пластичность и возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки.
Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения, чтобы избежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свойственной ей более высокой твердости.
Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а, следовательно, от состава стали. После распада аустенита в перлитной области дальнейшее охлаждение можно ускорять и выполнять даже на воздухе.
Если отжиг предназначается и для снятия напряжений, например, в отливках сложной конфигурации, медленное охлаждение с печью проводят почти до комнатной температуры.
Изотермический отжиг. В этом случае сталь, обычно легированную, нагревают, как и для полного отжига, и сравнительно быстро охлаждают (обычно переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже точки А1 (обычно на 100 - 150° С). При этой температуре назначают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.
Одно преимущество изотермического отжига - в сокращении длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые для заданного снижения твердости приходится охлаждать очень медленно. Для наибольшего ускорения процесса температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита а перлитной области. Другое преимущество изотермического отжига заключается в получении более однородной структуры. При изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается, и превращение по всему объему стали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Изотермическому отжигу подвергают поковки и другие заготовки небольших размеров.
25
Неполный отжиг, Отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки А1). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обраба-тываемости их резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали - вследствие превращения перлита в аустенит. Поэтому неполный отжиг применяется главным образом для заэвтектоидных сталей, В этих сталях нагрев несколько выше точки А1 (обычно на 10-30° С) вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую (сфероидальную) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называется сфероидизацией.
Нормализационный отжиг (нормализация) заключается в нагреве доэвтэктоидной стали до температуры,превышающей точку АЗ на 50° С, заэвтэктоидной - выше Аст также на 50° С, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке,ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.
Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность фер-рито-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, квазиэвтэктоида типа сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.
Нормализация горячекатанной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.
Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. В этом случае механические свойства несколько ниже, но детали будут подвергнуты меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке, и вероятность появления трещин практически исключается.
Нормализацию с последующим высоким отпуском (600-650° С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига,так как производительность и трудоемкость этих двух операций выше, чем одного отжига.
26
Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно представить себе такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.
Закалка стали заключается в нагреве стали на 30-50° С выше АЗ для доэвтэктоидных сталей или А1 для заэвтэктоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Для углеродистых сталей это охлаждение проводят чаще в воде, а для легированных - в масле или в других средах. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.
Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также и высокой износостойкости.
Закаленная сталь имеет неравновесную структуру мартенсита, троостита или сорбита. Нагревать изделия, особенно крупные, нужно постепенно, чтобы избежать местных напряжений и трещин, а время выдержки нагретого изделия должно быть достаточным, чтобы переход перлита в аустенит полностью завершился.
Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результаты закалки и должна быть такой, чтобы деталь получилась заданной структуры.
Третья группа. Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к равновесному состоянию.
Отпуск стали заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже А1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения,возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее,чем выше
27
температура отпуска. Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений.Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточных напряжений. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно.
Отпуск также повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали.
Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.
Низкий отпуск проводят с нагревом до 250° С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит. Повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь после такого отпуска сохраняет твердость, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.
Средний отпуск выполняют при 350-500° С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости и предел выносливости. Температуру отпуска надо выбирать так, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.
Высокий отпуск проводят при 500-680°С. Структура стали после высокого отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Закалку с высоким отпуском называют улучшением стали.
Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3-0,5)%С конструкционные стали, для которых предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако, износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не является высокой. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, работу развития трещины и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.
1.1.6 Термомеханическая обработка стали
Здесь будет рассмотрен один из видов термической обработки, относящийся к четвертой группе. Термомеханической обработкой (TMOJ называют процесс, представляющий собой нагрев стали до температуры выше точки АсЗ, выдержку, пластическую деформацию аустенита при высокой температуре и последующее охлаждение с целью получения особой
28
мартенситной структуры. Пластическое деформирование при ТМО производят прокаткой, штамповкой и другими способами об' работки давлением.
Различают два основных способа ТМО - высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО).
При ВТМО сталь нагревают выше точки АсЗ, пластически деформируют при этой температуре и закаливают.
При НТМО сталь нагревают выше точки АсЗ, охлаждают до температуры относительной устойчивости аустенита,но ниже температуры рекристаллизации, пластически деформируют при этой температуре и закаливают.
В обоих случаях после закалки следует низкий отпуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО про водят только для сталей с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали).
По сравнению с обычной закалкой после термомеханической обработки механические свойства получаются более высокими. Наибольшее упрочнение достигается после НТМО.
1.1.7 Классификация легированной стали
Существенный недостаток углеродистой стали -резкое уменьшение пластичности и вязкости с увеличением содержания углерода, который увеличивает ее прочность и твердость. Углеродистая сталь часто не отвечает требованиям ответственного машиностроения. В таких случаях применяют легированную сталь, Вводимые в сталь легирующие элементы изменяют ее механические, физические или химические свойства.
Для легирования стали с целью улучшения ее свойств применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, алюминий, медь и другие элементы. Марганец считается легирующим элементом лишь при содержании его в стали более 1 %, а кремний - более 0,8%. По содержанию в стали легирующих элементов она делится на низколегированную (их суммарное содержание менее 2,5%), среднелегированную ( от 2,5 до 10,0%) и высоколегированную (более 10%).
0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5
Углевод, %
Рис.1.6 Диаграмма закаливаемости на воздухе никелевой стали
А - аустенитный класс;
М - мартенситный класс;
П - перлитный класс
29
Стали с таким содержанием легирующих добавок, кото-	’
рое делает аустенит устойчивым при комнатной температуре, называются аустенитными. На рис. 1.6 приведена структурная диаграмма для охлажденной на воздухе никелевой стали в зависимости от содержания в ней никеля и углерода. Диаграмма показывает, что при охлаждении стали на воздухе может быть получена структура аустенита, мартенсита или смеси феррита с цементитом (перлит, сорбит, троостит). В соответствии с этим сталь делят на классы: аустенитный, мартенситный и перлитный.
Изменения структуры объясняются тем, что при повышенном содержании в стали легирующих элементов (в частности, никеля) точка мартенситного превращения ее на диаграмме изотермического распада аустенита понижается и может быть ниже 0°С. Соответственно при охлаждении стали на воздухе до комнатной температуры в стали сохраняется аустенит без мартенсита. При небольшом содержании никеля и углерода скорость охлаждения на воздухе оказывается меньше критической скорости закалки и сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, имеет структуру троостита, перлита или сорбита. Кроме названных классов для сталей, легированных другими элементами, могут быть получены еще два класса: карбидный и ферритный.
Таким образом, легированная сталь в зависимости от структуры и состояния, получаемых при охлаждении на воздухе, делится на пять классов: перлитный, мартенситный, аустенитный, карбидный и ферритный.
1,1.8 Маркировка углеродистой стали
Углеродистая сталь обыкновенного качества обозначается следующим образом: М Ст.ЗКП. Буква слева обозначает способ выплавки: М-мартеновский, Б-бессемеровский, К-конверторный, цифры 0-7 - условный порядковый номер марки в зависимости от механических свойств и химического состава стали. Однако номер не указывает содержание углерода. Индекс справа указывает степень раскисления стали: КП - кипящая, ПС - полуспокойная, СП -спокойная. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств эту сталь разделяют на три группы: группа А - поставляемая по механическим свойствам,группа Б-по химическому составу, группа 3 - по механическим свойствам и химическому составу. Способ выплавки стали группы А при маркировке не указывается, а только заносится в сертификат. Сталь группы В в связи с повышенными требованиями можно выплавлять в мартеновских печах (М) или в кислородных конверторах (К). Сталь углеродистая качественная
30
конструкционная горячекатанная и кованая выплавляется в мартеновских и электрических печах. Качественная конструкционная сталь превосходит сталь обыкновенного качества по однородности, является более чистой по сере и фосфору, неметаллическим включениям и имеет более узкие пределы содержания углерода. Из этой стали делают ответственные детали машин и механизмов, трубы, поковки, штамповки, проволоку. Двузначные цифры в марке стали обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, например, Ст.20, Ст.45.
1.1.9 Маркировка легированной стали
Для обозначения марок сталей разработана система,принятая в ГОСТах. Обозначения состоят из сочетания цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.
Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н-никель; К -кобальт; М-молибден; Г-марганец; Д-медь; Р-бор; Б-ниобий;Ц-цир-коний; С-кремний; П-фосфор; Ч-редкоземельные металлы; В-вольф-рам; Т-титан; А-азот; Ф-ванадий; Ю-алюминий; Е-селен.
Первые две цифры в обозначении указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (в высокоуглеродистых инструментальных сталях - в десятых долях процента). Цифры, идущие после буквы, показывают примерное содержание данного легирующего элемента (при содержании элемента менее 1% цифра отсутствует).
Следовательно, сталь состава 0,10-0,15%С и 1,3-1,7% марганца обозначается 12Г2; сталь состава 0,28-0,35% углеродаД8-1,1% хрома; 0,9-1,2% марганца; 0,8-1,2% кремния обозначается ЗОХГС и т.д. *
Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S<0,03%; Р< 0,03%), а также, что соблюдены все условия металлургического производства, в конце обозначения ставят букву А. Буква А в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введенного в сталь.
В ряде случаев для сокращения числа знаков в обозначении несколько отступают от точного соблюдения системы ГОСТов (особенно это относится к сложнолегированным сталям). Например, в инструментальных сталях, имеющих углерода больше 1%, цифры, обозначающие его содержание, полностью опускают. Так, инструментальная сталь с 1,45-1,70% углерода; 11,0-12,5% хрома и 0,5-0,8% молибдена обозначают Х12М.
Для сплавов с содержанием железа менее 50% и большим количеством различных легирующих элементов все они перечисляются буквами.а цифрой указывается только содержание никеля.
31
Нестандартные стали обозначают самым различным образом.	1
Так, опытные марки, выплавленные на заводе "Электросталь”, обозна-	\
чаются буквой И (исследовательские), П (пробные) или К и порядко-	!)
вым номером, например ЗИ179, ЭИ276, ЭП398 и т.д.
1.1.10 Хромоникелевые нержавеющие стали
Введение достаточного количества никеля в 18%-ную хромистую сталь делает ее аустенитной, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также большую корро-зионностойкость и нехладноломкость.
Нержавеющие стали с 18% хрома и 10% никеля получили наиболее широкое применение в машиностроении.
В хромоникелевых нержавеющих сталях из-за наличия углерода могут образовываться карбиды - соединения металлов с углеродом. Количество карбидов зависит от содержания углерода.
Выделение карбидов происходит по границам зерен, что при определенных условиях может привести к охрупчиванию стали и появлению особого вида коррозионного разрушения по границам зерен, называемого межкристаллитной коррозией (МКК). Лист из нержавеющей стали, пораженный МКК, при простукивании не издает металлического звука, при небольшом усилии легко разрушается и может быть превращен в порошок.
Явление МКК связано с понижением коррозионной стойкости границ зерен вследствие того, что в образовании карбидной фазы на границах зерен участвует практически весь углерод, успевающий про-диффундировать сюда из глубины зерна, а хром, входящий в состав карбида, поставляется только из пограничных слоев зерен, так как из-за малой скорости диффузии он не успевает поступать из глубины зерен. В результате этого содержание хрома в твердом растворе на границах зерен оказывается менее 12%, то есть ниже того предела, который обеспечивает коррозионную стойкость. Именно поэтому коррозионное разрушение распространяется вглубь только по границам зерен, обедненных хромом.
Металлографическое исследование показало, что МКК наступает тогда, когда выделившиеся по границам зерен карбиды образуют сплошную сетку. Выделившиеся, но не образовавшие еще сплошной сетки карбиды или коагулированные крупные карбиды по границам зерен не вызывают МКК.
Склонность к МКК аустенитных нержавеющих сталей можно устранить уменьшением содержания углерода {менее 0,005%) и введением элементов стабилизаторов - титана или ниобия, являю-
32
щихся сильными карбидообразователями. Титан и ниобий, соединяясь с углеродом, препятствуют тем самым образованию хромистых карбидов и проявлению МКК.
Для хромоникелевых нержавеющих сталей, применяемых в энергомашиностроении, проводится проверка на склонность к МКК. Для этого делается провоцирующий отжиг в опасном интервале температур. При оценке результатов испытаний на МКК принимается, что сталь практически не склонна к МКК, если после закалки и отпуска в течение часа при 650° С она не обнаруживается. Такую сталь можно применять в закаленном виде в сварных соединениях, причем после сварки термическая обработка не требуется.
Если сталь оказалась устойчивой к МКК в закаленном состоянии и неустойчивой после провоцирующего отпуска, то из нее можно изготавливать либо несварные изделия, либо, если сварка неизбежна, следует применять термическую обработку (повторную закалку) сварных изделий, иначе сварной шов не будет коррозионностойким.
1.1.11 Исследование металлов с применением макро- и микроанализа
Макроструктурой называют строение металла, видимое без увеличения или при небольшом увеличении (до 10-30 раз) с помощью лупы. Макроструктуру можно исследовать непосредственно на поверхности металла в изломе или на макрошлифе.
Наиболее простым методом выявления строения металла является изучение излома. Этот метод называется фрактографией. По излому можно судить о размере зерна,особенностях слитка и термической обработки,а также выявить отдельные дефекты.
Макрошлифом называют поверхность образца (темпле-та), подготовленную для исследования макроструктуры. Тем-плет вырезают в определенном месте и в определенной плоскости в зависимости от того, что подвергают исследованию - отливку, прокат, сварной шов или термически обработанную деталь - и что требуется изучить: строение литого или деформированного металла, сварного соединения, дефекты, нарушающие сплошность металла.одно-родность структуры и т.д. Поверхность темплета шлифуют,полируют до зеркального состояния, затем травят кислотами или другими реактивами. При травлении кислота в первую очередь воздействует на границы зерна, как места имеющие наиболее дефектное строение и которые в травленом шлифе станут углублениями;свет,падая на них, будет рассеиваться, и в поле зрения наблюдателя они будут казаться темными, а тело зерна - светлым.
33
Микроскопический анализ применяют для определения формы и размеров зерен, из которых состоит металл или сплав; изменений внутреннего строения сплава, происходящих под влиянием различных режимов, обработки; выявления микропороков металла - микротрещин, микропор и т.п.; обнаружения неметаллических включений - сульфидов, о кисло в и др.
Для микроанализа вырезают небольшой образец, одну из плоскостей которого шлифуют, полируют и травят. Подготовленная для дальнейшего исследования под микроскопом поверхность образца называется микрошлифом.
Микрошлифы изучают при увеличении 30 и более раз. Наиболее распространены в заводской практике увеличения 50, 100, 150, 200 раз, но может быть получено на обычных микроскопах увеличение до 2000 раз. Характерные участки макро- и микрошлифов фотографируют, получая фотоснимки с указанным увеличением.
Микроскопический и макроскопический анализы часто называют металлографическими методами.
Одна из задач, которая решается металлографией - определение величины зерна металлов или сплавов. Величина зерна определяется номером балла по шкале, предусмотренной ГОСТом. Номер балла характеризует такие физические величины, как средний размер зерна или число зерен, приходящихся на 1 мм2 поверхности шлифа (рис 1.7).
34
1.2 Сварка металлов
1.2.1 Физические основы сварки металлов
Сваркой называют процесс получения неразъемного соединения твердых материалов путем их местного сплавления или совместного деформирования, в результате чего возникают прочные связи между атомами свариваемых материалов.
При электрической дуговой сварке основная часть тепла, необходимого для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Под действием тепла дуги кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания дугового разряда,получается от источников питания дуги постоянного или переменного тока.
Электрическая дуга представляет собой длительный, устойчивый электрический разряд между двумя электродами в ионизированной газовой среде.
Для сварки металлов обычно используется электрическая дуга прямого действия, в которой одним электродом-служит угольный или металлический стержень (1) (рис.1.8), а вторым - свариваемое изделие (2). К электродам подведено питание от
источника (3) постоянного тока. Дуга может питаться и от источника переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Дуга состоит из анодной области (4), катодной области (5) и столба (6). В электрической дуге, имеющей небольшой объем, выделяется значительное количество тепла. Большая концентрация тепла и высокая температура дуги (6000-7000° С) позволяют расплавлять практически все известные металлы.
Электрическая дуга возникает в результате сильного нагрева торца электрода (катода), который под воздействием электрического поля начинает испускать свободные электроны. В дуговом промежутке образуются положительно заряженные частицы-ионы. Процесс об-
Рис. 1.8 Строение электрической дуги
35
разевания ионов называется ионизацией. Газ в дуговом промежутке ионизируется, дуговой промежуток становится электропроводным.
короткое замыкание
образование слоя жидкого металла
образование возникновение шейки	дуги
Рис. 1.9 Возбуждение электрической дуги
Проводимость ионизированного газа в дуговом промежутке зависит от степени ионизации, т.е. от соотношения количества заряженных частиц в данном объеме газа к общему количеству частиц до начала ионизации. Чем выше степень ионизации газа, тем устойчивее дуга. Для повышения степени ионизации, а, следовательно, для стабилизации дуги, в дуговой промежуток вводят такие элементы, которые обладают наименьшим потенциалом, например: К, Na, Ba, AI, Са и др. Соединения, содержащие эти элементы, входят в состав флюсов и покрытий электродов. Электрическая дуга возбуждается путем короткого замыкания сварочной цепи и последующего быстрого отвода электрода от свариваемого изделия. Электродный металл переходит в сварочную ванну в виде капель. Капля образуется на конце электрода, затем она вытягивается,шейка,связывающая каплю с электродом, становится тоньше, а когда капля касается сварочной ванны, шейка рвется, после чего эта дуга возникает вновь (рис.1.9)
В момент перехода капли с электрода в сварочную ванну происходит весьма кратковременное короткое замыкание дугового промежутка. За секунду с электрода на изделие переносится в среднем 30 капель металла. При сварке в защитных средах,так как плотность сварочного тока велика, электродный металл переходит на изделие в виде непрерывного потока мелких капель. Такой перенос называется струйным.
36
Рис. 1.10 Элементы геометрической формы подготовки кромок под сварку
В этом состоит физическая сущность сварки. Процесс электрической сварки плавлением характеризуется химическими реакциями, которые возникают между наплавленным металлом и окружающей средой. При переносе металла с электрода в сварочную ванну капли электродного металла взаимодействуют с газовой атмосферой, жидким шлаком и окружающим ванну основным металлом.Поэтому химический состав наплавленного металла может существенно отличаться от химического состава электрода, а зона термического влияния от исходного состояния основного металла. Это еще усугубляется высокими температурами на отдельных участках дуги, кратковременностью пребывания металла в жидком состоянии, быстрым изменением темпера
турного режима.
Для надежной защиты сварочной ванны от воздействия атмосферы (О ,Н ,N ) и придания
сварному шву определенного химического состава, а тем самым и определенных свойств, сварка открытой дугой, то есть электродами без покрытия, практически не применяется, а широкое применение получила сварка покрытыми электродами и сварка под флюсом и в среде газов.
1.2.2 Элементы геометрической формы подготовки кромок под сварку
Такими элементами являются (рис. 1.10): - угол раскрытия шва а° ;
-	зазор между стыкуемыми кромками а;
-	притупление кромок S;
37
-	длина скоса листа при наличии разности толщин L;
-	смещение кромок относительно друг друга 6.
Угол раскрытия шва выполняется при толщине металла более 3 мм. поскольку его отсутствие (то есть отсутствие разделки кромок) может привести к непровару по сечению сварного соединения, а также к перегреву и пережогу металла. При отсутствии разделки кромок для обеспечения провара электросварщик всегда старается увеличить величину сварочного тока, разделка кромок позволяет вести сварку отдельными слоями небольшого сечения, что улучшает структуру сварного соединения и уменьшает возникающие сварочные напряжения и деформации.
Зазор, правильно установленный перед сваркой, позволяет обеспечить полный провар по сечению соединения при наложении первого (корневого) слоя шва, если подобран соответствующий режим сварки. Длиной скоса листа регулируется плавный переход от толстой свариваемой кромки детали к более тонкой, устраняются концентраторы напряжений в сварных конструкциях. Притупление кромок выполняется для устойчивого ведения процесса сварки при выполнении корневого шва. Отсутствие притупления способствует образованию прожогов при сварке. Смещение кромок ухудшает’ прочностные свойства сварного соединения и способствует образованию непровара и концентраций напряжений. Допускается смещение свариваемых кромок относительно друг друга до 10% толщины, но не более 3 мм.
1.2.3 Виды сварных соединений и разделок кромок под сварку
Сварные швы делятся по следующим признакам:
а)	по положению в пространстве (рис. 1.11)
-	нижний (а);
-	горизонтальный (б);
-	вертикальный (в);
-	потолочный (г);
Рис. 1.11 Классификация сварных швов по положению в пространстве
38
б)	по типу усиления:
-	нормальные;
-	усиленные;
-	ослабленные;
в)	по количеству слоев:
-	однопроходные;
-	многопроходные;
г)	по протяженности:
-	сплошные;
-	прерывистые;
Различают следующие виды сварных соединений (рис. 1.12):
Рис. 1.12 Виды сварных соединений
а) стыковые;
б) угловые;
в)тавровые;
г) нахлесточные.
Применение тех или иных соединений обусловливается характером конструкции (например, в сосудах, трубопроводах - стыковые, в фермах - нахлесточные, угловые), а также способом сварки, толщиной металла и др.
Перед сваркой торцы кромок и прилегающие к ним участки шириной 15-40 мм от края очищают от грязи, ржавчины, масел и т.д. Выбор формы кромок зависит от способа сварки, сварочного оборудования и конкретных условий , при которых будет обеспечено необходимое качество шва при минимальном сечении разделки.
Типы подготовки кромок (рис. 1.13):
-	без скоса кромок (а);
-	со скосом двух кромок (6);
-	со скосом одной кромки (в);
-	с двумя симметричными скосами двух кромок (г);
-	с двумя симметричными скосами одной кромки (д);
-	с отбортовкой (е);
39
-	с криволинейным скосом двух кромок (ж);
-	с двумя симметричными криволинейными скосами двух кромок(з);
-	тавровый без скоса (и);
-	тавровый с двумя симметричными скосами одной кромки (к);
-	тавровый со скосом одной кромки (л);
-	под электрошлаковую сварку (м).
Рис. 1.13 Тилы подготовки кромок под сварку
Притупления необходимы для предотвращения прожогов. Зазор обязателен для уменьшения деформаций и напряжений. В нахлесточных соединениях зазор нежелателен.
40
1.2.4 Общие требования к сварке
Под технологией сварки понимают совокупность способов, приемов, режимов, позволяющих получить сварное соединение с требуемыми свойствами. Сварка стальных конструкций и отдельных узлов должна производиться только после проверки правильности их сборки. Непосредственно перед сваркой необходимо очистить место сварки, при этом продукты очистки из зазоров между собранными деталями следует удалить. Наложение шва поверх прихваток допускается только после зачистки их от шлака, а мест сварки от брызг. Неудовлетворительно выполненные прихватки должны быть удалены и, при необходимости, выполнены вновь. При многопроходной сварке каждый проход шва перед наложением на следующий слой должен быть очищен от шлака и брызг металла. Участки слоев с порами, раковинами и трещинами должны быть вырублены. Перед наложением шва с обратной стороны для угловых соединений со сплошным проплавлением и для стыковых соединений (при ручной подварке и при двусторонней ручной сварке) корень шва должен быть зачищен от грата и прожогов. Эти требования являются общими для сварки, выполненной любым способом.
1.2.5 Структурное строение сварных швов
На свойства сварного соединения наряду с химическим составом металла шва значительное влияние оказывает структура металла шва и околошовной зоны. В зависимости от химсостава и скорости охлаждения структура металла шва может быть самой разнообразной. Наплавленный металл, образующий валик, представляет собой литой металл, весьма быстро охлажденный и затвердевший. Быстрота охлаждения придает наплавленному металлу характерную дендритную структуру (крупнозернисто-столбчатую). Кроме того, вследствие той же быстроты охлаждения, наплавленный металл часто бывает засорен неметаллическими включениями и газовыми пузырями. По химсоставу наплавленный металл представляет собой нечто среднее между основным и электродным металлом со следующими изменениями. Вследствие перегрева металл теряет в значительной мере легкоиспа-ряющиеся и окисляющиеся составные части, например Мп,С,Si. Вредные примеси практически не выгорают. Посредством легирования через электродную проволоку, обмазку электродов и флюс удвется предупредить ухудшение химического состава металла в процессе сварки и восстановить его механические свойства.
К наплавленному металлу прилегает переходная зона, лежащая между наплавленным металлом и неизменным основным
41
металлом (рис. 1.14), Эта зона называется зоной термического влияния, образование которой при сварке неизбежно. В зоне термического влияния сначала происходит быстрое повышение температуры, а затем замедленное охлаждение металла (из-за отдачи тепла в холодный основной металл) (рис. 1.15). Резкие изменения температуры в околошовной зоне приводят к структурным преобразованиям металла и к значительным пластическим деформациям. Имеющиеся в кромках основного металла дефекты типа расслоений, сульфидных включений в результате такого воздействия раскрываются, поэтому зона термического влияния должна подвергаться неразрушающему контролю до и после сварки.
Рис. 1.14 Основные зоны сварного соединения 1-основной металл; 2-зона термического влияния; 3-наплавленный металл
Рис. 1.15 Изменение температуры металла в зоне термического влияния
Результат теплового воздействия на металл в зоне термического влияния зависит от отношения данного металла к термической обработке. Может наблюдаться как закалка с образованием твердых и хрупких структур, так и отжиг со значительным снижением прочности и текучести. В подобных случаях наиболее слабым местом сварного соединения может быть уже не шов, а зона термического влияния, поэтому приходится принимать специальные меры для изменения теплового режима в процессе сварки и последующей термообработки.
Рассмотрим изменения, происходящие в зоне термического влияния при сварке низкоуглеродистой стали. На схеме (рис, 1.16) изображена левая часть диаграммы Fe-C и изменения структуры металла в зоне термического влияния, вызванные сваркой. В зоне термического влияния различают следующие участки:
1.	Участок неполного расплавления является переходным от металла шва к основному и представляет узкую полоску основного
металла при t° С > t° плавления. Находится в твердо-жидком состоянии, что способствует диффузии некоторых элементов, поэтому по химическому составу эта зона отличается как от шва, так и от основного металла. Ширина его, в зависимости от характера источника нагрева и свойств металла, находится в пределах 0т1-0,4 мм. Эту зону называют зоной сплавления. Она имеет важнейшее значение, поскольку по ней наиболее часто проходят разрушения сварных конструкций. Здесь могут возникать трудновыявляемые закрытые трещины.
* Y
н ап/1 а ешь/й я 2 там U70K неново tc
ни Я
участок перегре&а
Рис. 1.16 Изменение структуры металла в зоне термического влияния
досгде нормализации.
л в рекрист ам таи и и участок"
’/xdcnxJx cuwe-ломкости

2-	Участок перегрева называют также зоной крупного зерна. Находится он в пределах t° плавления - 1100° С. На этом участке металл претерпевает аллотропическое превращение изб- в у-железо, и в связи с тем, что металл нагревается выше Аз, наблюдается перегрев и рост аустенитного зерна. Б некоторых случаях ручной и автоматической сварки при перегреве металла с повышенным содержанием С и при электрошлаковой сварке всех сталей образуется, крупнозернистая структура, которая незначительно снижает пластичность металла. Ширина этого участка 1-4 мм.
3.	Участок нормализации охватывает металл, нагретый до 850° - 1100° С. На этом участке образуется мелкозернистая вторичная структура. Механические свойства металла на этом участке обычно выше, чем основного металла. Ширина этого участка от 1,2 до 4 мм,
4.	Участок неполной рекристаллизации (перекристаллизации) охватывает металл, подвергшийся нагреву при t° С - 700° -850°. Металл подвергается частичной перекристаллизации, поэтому здесь есть зерна, образовавшиеся при перекристаллизации и зерна основного металла. Ширина участка 0,5-4,0 мм.
43
SL Участок рекристаллизации наблюдается при сварке стали, подвергшейся пластической деформации (ковке, прокатке). На этом участке при = 550° -700°С из обломков зерен зарождаются и растут новые зерна основного металла. Это снижает его прочность и пластичность, поэтому данный участок называют зоной старения металла. Здесь часто происходят разрушения. Если до сварки металл не подвергался пластической деформации, процесс рекристаллизации не имеет места.
6. Участок синеломкости охватывает температурный интервал 200° -400° С, в котором появляются синие цвета побежалости на поверхности металла. Характеризуется тем, что при сварке сталей с повышенным содержанием О, N и Н на участке наблюдается резкое падение ударной вязкости, объясняемое выпадением N и С в виде нитридов и карбидов вокруг дефектов кристаллической решетки, понижая пластичность и повышая прочность.
Общие размеры зоны термического влияния зависят от вида сварки, толщины и теплофизической характеристики металла, температуры окружающей среды и составляют от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров.
1.2.6 Факторы,влияющие на работоспособность сварных конструкций
Выбор материала. При проектировании сварных конструкций следует выбирать материал, основываясь на его прочностных характеристиках и свариваемости с учетом возможности появления допустимых дефектов. Естественное появление и вероятностное распределение дефектов, характерных для определенных типов металла и сварки, должны учитываться при проектировании, так же, как прочностные характеристики металла. Практика показывает.что в любом металле (кромке шва) и в сварном шве имеются хотя бы небольшие несовершенства, несплошности. Поэтому кроме свариваемости и прочности металла необходимо, учитывая опыт предшествующих конструкций, закладывать в расчеты появление и определенное распределение допустимых несплошностей, размеры которых меньше критических.
Пока не существует расчетов на прочность, которые учитывают вероятностные характеристики допустимых несплошностей. Прочностные характеристики теоретически бездефектных конструкций обосновываются только расчетами напряжений при пластической деформации, статическом и циклическом нагружении, тогда как часто происходит разрушение, вызванное напряженным состоянием. Причинами напряжений являются внешние нагрузки и различные внутренние концентраторы (дефекты местные, технологические и конструктивные). Часто
44
хрупкое разрушение наступает при относительно высоких температурах, не свойственных для данного материала. Металл сварной конструкции должен быть достаточно вязким для того, чтобы затормозить разрушение.
Для того, чтобы произошло хрупкое разрушение, необходимо совместное действие трех факторов: растягивающих напряжений, дефектов с острыми гранями и соответствующей микроструктуры, склонной к образованию трещин. Чтобы не допустить хрупкого разрушения, достаточно исключить один из указанных факторов. Так, если первые два фактора обязательно имеют место при сварке, то для исключения хрупкого разрушения необходимо правильно выбрать марку металла, который тормозил бы развитие острого дефекта. Предотвратить зарождение трещины или появление непровара невозможно, однако достаточно вязкий металл может затормозить развитие дефекта. Например, трещина, появившаяся в области мартенситной структуры, тормозится при переходе в зону пластического феррита, обладающего разноосными зернами. При этом, очевидно, трещина, развивающаяся из области сварного шва, не должна быть больше некоторых критических размеров, увеличение которых создает напряжения, превышающие возможности металла.
Размеры критической трещины связаны с вязкостью металла, наличием термической и других видов обработок, местом расположения и распределением напряжений.
Внутеднм» напряжения В сварных .швах. При сварке конструк-ций происходит неравномерный нагрев свариваемых деталей, вследствие чего возникают внутренние напряжения, сопровождаемые деформацией, т.е. изменением размеров и формы изделия. Основными причинами возникновения напряжений и деформаций являются следующие:
1.	Неравномерный нагрев металла. Холодные или менее нагретые участки металла препятствуют расширению сильно нагретых участков, включающих сварной шов и часть зоны термического влияния.
2.	Усадка, т.е. уменьшение объема металла при его затвердевании, что объясняется увеличением его плотности.
3.	Изменение структуры, то есть изменение размеров и расположения зерен. Так, при сварке закаливающихся сталей образуются менее плотные структуры, что ведет к увеличению объема металла шва. При сварке низкоуглеродистых сталей напряжения этого рода практически не имеют места.
Сварочные напряжения бывают продольные (действуют в направлении оси шва) и поперечные (действуют поперек оси шва). Сварочные напряжения приводят к деформации конструкции. Поэтому технология сборки и сварки разрабатывается с учетом необходимости получения минимальных сварочных напряжений, предусматриваются так
45
же специальные технологические приемы для снятия внутренних напряжений после сварки. Применяют следующие методы уменьшения напряжений и деформаций:
-	выбор источника тепла;
-	различные виды подготовки кромок;
-	правильная последовательность наложения шва;
-	предварительный подогрев или охлаждение изделий;
-	обратные деформации;
-	жесткое закрепление изделия;
-	термическая обработка изделия.
Остаточные напряжения. Рассматривая работоспособность сварного соединения при наличии в нем тех или иных дефектов» необходимо учитывать возможность возникновения остаточных напряжений. Остаточные напряжения вызываются упругопластическими деформациями при образовании сварных швов. Они возникают в зонах наложения ремонтных швов. Независимо от происхождения, остаточные напряжения приводят к ассиметрии циклических напряжений, изменяют среднюю величину напряжений за цикл. Этим определяется влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости.
Дефекты являются концентраторами напряжений. Однако, в зависимости от знака остаточных напряжений (сжимающих или растягивающих), в районе одного и того же типа дефекта и в результате циклического нагружения могут быть различные напряжения. Остаточные напряжения снижаются после нескольких циклов нагружения, а после нескольких сотен циклов практически стабилизируются. Остаточные напряжения могут существенно изменять сопротивление усталости соединения на стадии образования и развития усталостной трещины.
Опасность технологических дефектов зависит от их "остроты” и протяженности. Если дефект имеет размеры, превышающие допустимые, то изделие бракуется, а дефектное место подвергают ремонту. При этом часть сварного соединения удаляют вместе с дефектом. Образовавшуюся полость заваривают вновь. Регламентирование размеров дефектов и направление изделия на ремонт должны содержать дифференцированный подход к каждой конкретной дефектной ситуации. Ремонт приводит обычно к дополнительным повышенным остаточным напряжениям. На отремонтированномучастке дефекты меньших размеров могут быть значительно опаснее, чем крупные дефекты в изделии перед ремонтом. Один и тот же тип дефекта в отремонтированном шве значительно более опасен, чем в первоначальном соединении.
Влияние дефектов сварных швов Требование “бездефектности” конструкции часто является причиной ухудшения эксплуатационных свойств, так как многократные ремонты с целью устранения
46
дефектов приводят к тому, что разрушение происходит из -за локальных напряжений, возникающих после ремонта.
Правильный дифференцированный подход к качеству сварных швов должен основываться на учете безопасности эксплуатации, прочностных расчетах с определением реальной несущей способности конструкций, а также экономических показателей.
Однако на практике так поступают не всегда. Подход к качеству изделия часто упрощается до одного уровня, который назначается из опыта предыдущих аналогичных конструкций и определяется возможностями соответствующей дефектоскопической техники. Все, что хуже этого уровня, идет в ремонт. Такой подход, например, использовался в правилах контроля ПК 1514-72 для дефектов зоны сплавления антикоррозионной наплавки с основным металлом. Минимально регистрируемый дефект был назначен исходя из возможностей ультразвуковой дефектоскопии. В последующем издании правил (ПН АЭ Г-7-010-89) подход к оценке дефектов антикоррозионной наплавки стал более обоснованным, тем не менее он все еще далек от совершенства.
Влияние дефектов, не выходящих на поверхность и имеющих округлую форму (газовые поры, шлаковые включения и т.п.), на усталостную прочность невелико и достаточно хорошо изучено.
В швах стыковых соединений из низкоуглеродистых и аустенитных сталей количество отдельных пор обычно невелико. Считается, что если коэффициент концентрации напряжения от валика усиления выше, чем от пор, то умеренная пористость (до 4%) не ухудшает несущей способности. При удалении валика усиления даже небольшие поры снижают выносливость до 30-60%. У большинства сварных соединений толщиной до 40 мм сохраняются валики усиления швов. Из-за преобладающего влияния концентраций напряжения от формы шва, несмотря на значительную пористость, конструкция разрушается по околошовной зоне на границе перехода валика усиления к основному металлу.
Шлаковые включения по сравнению с порами в значительно меньшей мере снижают усталостную прочность, т.к. шлак, как упругое тело, снижает концентрацию напряжений. Он занимает промежуточное положение между окисными пленами и вольфрамовыми включениями.
Распространенный дефект сварки - непровар, уменьшает сечение шва и является концентратором напряжений. Влияние непровара определяется разностью прочностных свойств шва и основного металла. Непровары образуются при загрязнении кромок, неправильной их подготовке, неустойчивом режиме сварки.
47
1,3.	Дефекты металла
1.3.1 Классификация дефектов металла
Дефектом называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией (ГОСТ 17 102).
В практике применения средств НК нет полного соответствия понятия “дефект4 ГОСТовскому определению. Обычно под дефектом понимают нарушения сплошности материала, выявленные средствами НК. Связь такого понятия с ГОСТовским определением устанавливается путем разделения дефектов на допустимые (требованиями нормативно-технической документации - НТД) и недопустимые. Допустимые в свою очередь делятся на фиксируемые или регистрируемые (в соответствии с требованиями НТД) и не-фиксируемые.
Дефекты подразделяют на явные, скрытые, критические, значительные и малозначительные, исправимые и неисправимые.
Явные поверхностные дефекты выявляют глазом, а внутренние скрытые и поверхностные неразличимые глазом, - специальными средствами.
В зависимости от возможного влияния на служебные свойства детали дефекты могут быть критическими, значительными и малозначительными. При классификации учитывают характер, размеры, место расположения дефекта на детали, особенности деталей и изделий, их назначение, условия использования (эксплуатации).
Критическим называют дефект, при наличии которого использование продукции по назначению невозможно или исключается из-за несоответствия требованиям безопасности или надежности; значительным - дефект, который существенно влияет на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим; малозначительным - дефект, который не оказывает такого влияния.
По происхождению дефекты изделий подразделяют на производственно-технические: металлургические, возникающие при отливке и прокатке, технологические, возникающие при изготовлении и ремонте деталей (сварке, наплавке, механической и термической обработках, калибровке и др.) и эксплуатационные, возникающие после некоторой наработки изделия в результате усталости металла деталей, коррозии, охрупчивания под действием радиации, изнашивания и т.д., а также неправильного технологического обслуживания в эксплуатации.
48
1.3.2 Виды дефектов металла
1.3.2.1 Литейные дефекты
Усадочные раковины - открытые или закрытые сравнительно большие полости произвольной формы с грубой шероховатой, иногда окисленной, поверхностью, находящиеся в теле отливки. Образуются вследствие неравномерной усадки металла при затвердевании в верхней части слитка или в утолщенных частях отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь. Усадочные раковины находятся между сердцевиной и коркой отливки. Рыхлота - местное скопление мелких усадочных раковин при крупнозернистой структуре металла. Часто встречается рыхлота, расположенная над усадочной раковиной. Пористость - местное скопление мелких газовых или усадочных раковин. Газовая пористость обычно наблюдается в большом объеме отливки или отдельных ее участках. Усадочная пористость часто располагается под концентрированной усадочной раковиной, являясь ее продолжением или продолжением подусадочной рыхлоты.
Ликвацирнные зоны - неравномерность химического состава металла в теле отливки. Причиной ликваций является различная температура затвердевания чистого металла и содержащихся в расплаве примесей. Различают дендритную и зональную ликвации. Дендрит^ ная ликвация образуется по границам дендритов обычно в корковой зоне слитка. Зональная ликвация образуется в тех областях слитка, которые затвердевают в последнюю очередь. Разновидностью зональной является подусадочная ликвация - расположенная под усадочной раковиной область отливки, обогащенная углеродом и ликвирующими примесями (серой, кислородом, фосфором и др.). При травлении макрошлифов слитков дефект выявляется в виде темно-травящихся полосок или пятен. На микрошлифах из зоны дефекта наблюдается скопление сульфидов и оксидов.
Газовые пузыри или раковины - в литом металле представляют собой полости (округлые, овальные или продолговатые) с чистой и гладкой, иногда окисленной поверхностью. По расположению в слитках пузыри могут быть внутренние и подкорковые. Внутренние пузыри расположены произвольно по объему слитков, в спокойной стали преимущественно в верхней части слитков, а в кипящей - в средней по высоте и сечению зоне. Подкорковые пузыри расположены у поверхности слитков и представляют собой тонкие извилистые каналы, часто выходящие на поверхность. Горячая деформация приводит к завариванию пузырей в том случае,если стенки их не содержат стойких оксидов или силикатов,а содержат только оксиды железа и марганца.
49
На поперечных макрошлифах спокойной стали незаварившиеся пузыри имеют вид тонких полосок. Микроструктура в зоне» расположенной возле незаварившихся пузырей, характеризуется ликвационными участками и скоплениями сульфидов. Газовые пузыри в литом металле образуются вследствие выделения газов в период кристаллизации, поскольку их растворимость в твердом металле значительно меньше, чем в жидком.
Песчаная раковина - полость в теле отливки, частично или полностью заполненная формовочным материалом.
Шлаковая раковина - полость,заполненная шлаком.
Неметаллические включения - бывают двоякого рода и происхождения: 1 - включения неметаллических частиц, попавших в металл извне; так, частицы шлака, огнеупора, графита, леска и т.д. могут попасть в форму вместе с расплавом и образовать шлаковые и песчаные включения, которые чаще всего расположены в верхних частях отливки или на их поверхности; 2 - включения частиц окислов, сульфидов, силикатов, нитридов, образующихся внутри металла вследствие химического взаимодействия компонентов при расплавлении и заливке сплава. Они располагаются в виде цепочек или сетки, часто по границам зерен. По форме бывают округлые или удлиненные. Последние могут сильно снижать пластичность металла.
Металлические включения - инородные металлические тела в основном металле отливки. Такими телами могут быть нерасплавленный легирующий компонент, модификатор, внутренний холодильник и т.д,
Утяжина - углубление с пологими краями на массивной части отливки, образовавшееся вследствие усадки металла при затвердевании. Под утяжиной возможны внутренние дефекты.
Плены - пленки на поверхности или внутри отливки, состоящие из окислов, часто с включениями формовочного материала. К образованию плен склонны высоколегированные сплавы. Плены в отливках возникают в результате того, что при заполнении формы составляющие расплава вступают в химическую реакцию с атмосферой и материалом формы, а из продуктов реакции (окислов хрома,алюминия, титана и нитридов,не растворяющихся в сплаве) на поверхности расплава образуется тугоплавкая и плотная пленка. При механическом разрушении этой пленки в процессе заливки формы отдельные куски ее оседают в различных местах формы.
Спаи - сквозные или поверхностные с закругленными краями щели или углубления в теле отливки, образованные неслившимися потоками преждевременно застывшего металла. При прерывистой заливке и неравномерном поступлении металла в форму иногда возникают внутренние спаи (неслитины), одной из причин которых могут быть окисные плены, создающие значительное сопротивление движению расплава.
50
Горячие трещины - обычно хорошо видимые разрывы поверхности отливки, распространяющиеся по границам кристаллов и имеющие неровную окисленную поверхность, на которой при увеличении видны дендриты. Образуются вследствие усадки при застывании расплава в формах. Характерными признаками горячих трещин являются их неровные (рваные) края и значительная ширина.
Холодные трещины - очень тонкие разрывы поверхности отливки, имеющие обычно чистую, светлую с цветами побежалости зернистую поверхность. Образуются из-за внутренних напряжений или механического воздействия при температуре ниже температуры свечения отливки. В отличие от горячих трещин холодные распространяются по зернам, а не по их границам «располагаются они преимущественно в острых углах и других местах концентрации напряжений.
Термические трещины - обычно хорошо видимые глубокие разрывы поверхности отливки. Поверхность излома раскрытой трещины - мелкозернистая, окисленная или с цветами побежалости. Обнаруживаются эти трещины в отливках после термической обработки. Причина возникновения - высокие температурные растягивающие напряжения, совпадающие по знаку с остаточными напряжениями,
Ъ3.2.2 Дефекты прокатанного и кованого металла
Трещины - бывают одиночные или групповые, расположенные беспорядочно или идущие в определенном направлении. По длине они достигают нескольких метров; глубина трещин в зависимости от размеров прокате, причин и условий возникновения дефекта - до 10-15 мм.
флокены - представляют собой золосные трещины с кристаллическим строением поверхности стенок, образующиеся внутри толстого проката или поковок (диаметром более 30 мм) из сталей перлитного и мартенситного классов (хромистых, хромоникельвольфрамовых, марганцовистых и некоторых других легированных сталей.
Флокены можно наблюдать на изломах в виде пятен круглой или овальной формы, имеющих серебристо-белую блестящую окраску и называемых "хлопьями”, а на макро - и микрошлифах - в виде прямых, иногда извилистых и зигзагообразных линий длиной от нескольких десятков долей миллиметра до 10-15 мм и более. В малых сечениях изделий из сильно прокатанной стали (диаметром менее 25 -30 мм) флокены никогда не обнаруживаются так же, как и в литой стали, флокены не встречаются также в сталях аустенитного класса. Характерным для флокенов является расположение в виде групп преимущественно в средней части проката или поковки по
51
толщине. Причина образования флокенов - возникновение значительных структурных напряжений и охрупчивание стали в сердцевине, вызванное присутствием водорода, не успевшего выделиться из металла при быстром охлаждении.
Волосовины - мелкие внутренние или выходящие на поверхность трещины, образовавшиеся из газовых пузырей или неметаллических включений при прокате или ковке. Они направлены вдоль волокон металла и в поперечном изломе видны как точки или линии небольшой высоты. Шлаковые и песчаные включения не способны пластически деформироваться и при обжатии слитка распадаются на большое число обломков с острыми углами, образуя при вытяжке цепочки вдоль волокон. Силикаты железа,марганца и других элементов при температуре прокатки могут быть пластичны,поэтому вытягиваются вдоль волокон прокатанного металла. Длина волосовин 20-30 мм, а иногда 100-150 мм.Встречаются волосовины во всех конструкционных сталях.
Расслоения - нарушения сплошности внутри прокатанного металла, представляющие собой раскатанные крупные дефекты слитка (глубокие усадочные раковины, усадочная пористость, скопления пузырей или неметаллических включений).
Характерным для расслоения является то,что поверхность нарушения сплошности параллельна плоскости прокатки. Так, раскатанные скопления неметаллических включений дают внутреннюю прослойку, разделяющую лист или профиль на две ,три или несколько частей.
Внутренние разрывы - сравнительно крупные нарушения сплошности внутренней части заготовки, периодически повторяющиеся по ее длине. Поверхность излома по разрыву - крупнокристаллическая. Разрывы возникают под влиянием сил растяжения вследст-вие неодинаковой деформации наружных и внутренних слоев прокатываемого металла с малой пластичностью. Наблюдаются при прокатке высоколегированных сталей. Разрывы, возникшие в начальной стадии прокатки, при дальнейшей значительной деформации могут образовать расслоения.
Рванины - представляют собой разрывы или надрывы металла разнообразного очертания с рваными краями. Чаще расположены на кромках листов, профилей. К образованию рванин при прокатке слитков особенно склонны высоколегированные стали с крупнозернистой структурой.
Закаты и закрвы - вдавленные и закатанные (закованные) заусенцы или возвышения (бугорки) на поверхности, получившиеся при предыдущем пропуске слитка через калибр прокатного стана. При этом металл заусенца или возвышения не сваривается с основ-
52
ной массой проката. Закат, образовавшийся от заусенца, похож на продольную трещину, а от возвышения - на плену с криволинейным \	незамкнутым контуром. Иногда закат образуется от остатков уса-
дочной раковины после обрезки верхней части слитка с усадочной раковиной. При прокатке раковина не заваривается из-за окислов на ее стенках.
Плены - представляют собой сравнительно тонкие плоские отслоения на поверхности прокатанного или кованого металла. В большинстве случаев плены имеют вид “языка”, у которого уширенный и утолщенный конец составляет одно целое с основной массой металла. По размерам плены бывают от мелких едва заметных чешуек до 100 мм и более по длине и ширине (в толстых листах); толщина плен колеблется от десятых долей миллиметра до 3-5 мм и более.
Причинами образования плен могут быть неудовлетворительное качество слитков (наличие на поверхности отливки плен, плохая рас-кисленность и пузырчатость металла) и нарушение режимов прокатки (неудовлетворительная калибровка, неправильная насечка валков, образование заусенцев и рванин в самом начале прокатки).
1.3.2.3 Дефекты сварных соединений
Трещины в наплавленном металле - продольные и поперечные. В изломе имеют темный цвет, сильно окисленные или светлые, с цветами побежалости. Причины образования: 1 - неправильно выбранная марка присадочного материала; 2 - неудовлетворительное качество присадочной проволоки, обмазки или флюса; 3 - неправильные режимы и техника сварки; 4 - высокие внутренние напряжения в швах, 5 - наличие в швах пористости или шлаковых включений.
Холодные трещины в шве и переходной зоне, расположенные под любым углом ко шву - в изломе светлые или со слабыми цветами побежалости. Возникают при остывании детали в зоне пониженных температур, преимущественно при дуговой сварке низколегированной стали большой толщины. Чаще всего трещины возникают в переходной зоне вследствие неправильной техники сварки или неправильно выбранного присадочного материала.
Горячие трещины в переходной зоне от шва к основному материалу. Они извилисты, в изломе имеют темный цвет, сильно окислены, распространяются по границам зерен.
Мелкие трещины (микротрещины) в шве или надрывы по переходной зоне (на нетравленых шлифах под микроскопом видны в виде тонких линий). Возникают вследствие неудовлетворительного качества присадочной проволоки, обмазки или флюса.
53
Трещины, образующиеся в сварных соединениях при термообработке (закалке) узлов,деталей; могут иметь любое направление. Возникают из-за несоблюдения режимов и условий термической обработки сварных узлов или вследствие неудовлетворительной (нетехнологичной) конструкции детали или узла.
Трещины рихтовочные, могут иметь любое направление, в изломе светлые. Причина образования - неправильная технология правки изделий, получивших коробление.
Непровар - отсутствие сплавления между основным и наплавленным металлом в корне шва или по кромке, а также между отдельными слоями - проходами при многопроходной сварке.
Поры и раковины - пузыри (обычно сферической формы) различной величины, заполненные газами (водород, окись углерода). Образуются из-за присутствия газов, поглощаемых жидким металлом в процессе сварки.
Шлаковые включения в металле шва - небольшие объемы, заполненные неметаллическими веществами (шлаками, окислами). Величина их колеблется от микроскопических размеров до нескольких миллиметров в поперечнике. Форма может быть самой различной - от сферической до плоской, вытянутой в виде пленки, которая разделяет прилегающие объемы наплавленного металла.
1.3*2.4 Дефекты,возникающие при различных видах обработки деталей
Закалочные трещины - разрывы металла, возникающие при охлаждении деталей преимущественно сложной формы в процессе закалки из-за высоких внутренних напряжений. Они могут появиться и после закалки на деталях, длительное время не подвергавшихся отпуску, уменьшающему внутренние напряжения.
Внутренние напряжения в закаленной детали слагаются из термических напряжений, появляющихся вследствие термических объемных изменений при быстром и неравномерном охлаждении детали, и напряжений, возникающих вследствие объемных изменений при структурных превращениях. Внутренние напряжения в значительной мере зависят от исходной структуры детали, в частности от наличия карбидов в стали, от степени неоднородности состава (наличия зональной и дендритной ликвации) и неодинаковой величины зерна стали в различных местах детали.
Высокие и неравномерные внутренние напряжения при недостаточной жесткости детали вызывают ее коробление. Если же детали имеют ослабленные сечения, то могут возникнуть и трещины.
54
Наиболее вероятные места зарождения закалочных трещин - места с резким изменением сечения, острые углы и подрезы.
Однако трещины при закалке нередко могут появляться и на деталях простой формы.В этом случае причиной образования трещин могут быть дефекты материала (волосовины, шлаковые включения, флокены, ковочные трещины) или несоблюдение режимов термической обработки деталей.
Отличительным признаком закалочных трещин является неопределенность их направления и извилистая форма. Закалочные трещины встречаются группами, но большей частью число их на детали невелико.
Шлифовочные трещины - группа мелких и тонких разрывов, как правило, в виде сетки на шлифованной поверхности металла. Возникают при шлифовании сталей некоторых марок, склонных к образованию трещин, - закаленных высокоуглеродистых и легированных.
При шлифовке трещины возникают по двум причинам: 1 - из-за неправильного режима термообработки деталей, например, очень резкого охлаждения, приводящего к значительным внутренним напряжениям; в этом случае достаточно даже небольших дополнительных напряжений термического и механического происхождения, получающихся в поверхностном слое при шлифовании абразивными кругами, чтобы появились поверхностные шлифовочные трещины; 2- вследствие местного перегрева металла при нарушении режимов шлифования - применении неподходящего для данного материала или “засаленного" круга, чрезмерном повышении подачи (давления), скорости шлифования (продолжительной задержке камня на одном месте) или недостаточном охлаждении. Чрезмерные местные перегревы поверхностного слоя закаленных сталей, обладающих пониженным коэффициентом теплопроводности, вызывают в нем высокие внутренние напряжения вследствие неравномерных объемных изменений при чередующемся нагреве и охлаждении. Эти напряжения приводят к образованию сетки шлифовочных трещин.
У малоуглеродистых сталей, обладающих более высоким коэффициентом теплопроводности и повышенными пластическими свойствами, образование трещин при шлифовке маловероятно.
Надрывы - неглубокие трещины, возникающие в деталях в результате холодной деформации металла, например, при сверлении или разверстке отверстий тупым сверлом или разверткой, холодной штамповке, особенно когда металл имеет недостаточно высокие пластические свойства из-за дефектов структуры. Кроме того, надрывы могут образоваться при горячей деформации (ковке, штамповке, протяжке с большой степенью деформации).
55
1.3.2.5 Дефекты,возникающие при эксплуатации изделий
Трещины усталости - являются наиболее распространенными эксплуатационными дефектами. Основная причина усталостных разрушений деталей - действие высоких переменных напряжений. Трещины усталости возникают в местах концентрации напряжений: по галтелям, в местах с резкими переходами сечений и наличием подрезов, у основания резьбы и зубьев шестерен, в углах шпоночных канавок, у отверстий для смазки или в местах других конструктивных или технологических концентраторов напряжений. Трещины усталости появляются также в местах дефектов металлургического и технологического происхождения или следов грубой механической обработки поверхности (глубоких рисок, следов резца и т.п.).
Трещины усталости различают по внешнему виду. Чаще всего они бывают двух типов: а - поперечные или кольцевые трещины, развивающиеся на цилиндрических деталях по окружности в сечении, перпендикулярном к оси детали; б - трещины, расположенные под углом к оси детали.
В зоне усталостного разрушения отсутствуют какие-либо признаки пластической деформации даже у самых пластичных материалов. Ширина раскрытия усталостной трещины у выхода ее на поверхность в начальной стадии разрушения не превышает нескольких микрон.
Коррозионные повреждения (очаговые, межкристаллитные и др.) встречаются на разных деталях. Степень коррозионного повреждения зависит от наличия агрессивных сред, качества защитных покрытий, неблагоприятного сочетания материалов деталей в узле и др. В эксплуатации коррозией часто поражены закрытые, внутренние полости, труднодоступные для осмотра.
Трещины - надрывы в поверхностном слое металла образуются в результате высоких одноразово приложенных напряжений (растяжение, изгиб, кручение), когда нагрузка превышает прочность детали, например, при нарушении технологии правки детали, демонтаже или монтаже детали с хрупким поверхностным слоем или при перегрузке детали в эксплуатации (работа в нерасчетном режиме).
Механические повреждения поверхности - забоины, вмятины, надиры, риски,местный наклеп. Их причины могут быть разнообразными.
56
ГЛАВА 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО НЕ РАЗРУШАЮЩЕМУ КОНТРОЛЮ
2.1 Задачи, решаемые с применением неразрушающего контроля и требования к нему
Контроль качества продукции заключается в проверке соответствия показателей ее качества установленным требованиям. Важными критериями качества деталей машин являются физические, химические, геометрические и функциональные показатели, а также технологические признаки качества, например, отсутствие недопустимых дефектов типа нарушения сплошности материала; соответствие физико-механических свойств и структуры основного материала и покрытия, химического состава, геометрических размеров и чистоты обработки поверхностей требуемым технической документацией и др. Проверку соответствия продукции или процессов, от которых зависит качество продукции, установленным техническим требованиям называют техническим контролем. Неразрушающим контролем (НК) называют технический контроль, при котором не нарушается пригодность объекта к применению. В противном случае технический контроль называют разрушающим.
Методом контроля называют правила применения определенных принципов и средств контроля.
Существующие методы НК предназначены для:
-	выявления дефектов типа нарушения сплошности материала изделий;
-	оценки структуры материала изделий;
-	контроля геометрических параметров изделий;
-	оценки физико-химических свойств материала изделий;
-	оценки механических свойств материала изделий.
НК с применением дефектоскопов (приборов) основан на получении информации в виде электрических, световых, звуковых и других сигналов о качестве проверяемых объектов при взаимодействии их с физическими полями (электрическими, магнитными, акустическими и др.) и веществами.
В зависимости от физических принципов работы методы НК разделяют на группы, называемые видами. В энергомашиностроении применяют следующие виды НК: акустический, магнитный, оптический, радиационный, вихретоковый и проникающими веществами. Методы каждого вида НК классифицируют по следующим признакам:
-	характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом. Например, в акустическом виде контроля
57
по этому признаку выделяют методы прошедшего излучения (теневой), отраженного излучения (эхо-метод) и другие;
-	первичным информативным параметрам. В акустическом виде по этому признаку выделяют амплитудный, фазовый, спектральный и другие методы;
-	способам получения первичной информации. В акустическом виде сюда относят пьезоэлектрический и электромагнитно-акустический.
Объемы применяемых методов и средств НК на всех этапах изготовления и эксплуатации во многом зависят от назначения изделия. Задачи, решаемые НК, определяются этапами его применения.
На этапе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию изделий НК применяют:
-	для получения необходимых данных, подтверждающих правильность выбранных решений;
-	для сокращения времени и объемов необходимых исследований;
-	для отбора материалов, компонентов и оборудования, обеспечивающих получение продукции необходимого качества с минимальными материальными и трудовыми затратами. На этой стадии выбирают оптимальные методы и средства НК, разрабатывают основные технические требования к стандартным образцам и критерии приемки изделия.
На этапе производства и испытаний опытной партии деталей НК применяют для отработки технологических процессов и конструкций, а также при испытании изделий. Результаты контроля используют для внесения изменений в конструкцию и технологические процессы с целью снижения материалоемкости и трудоемкости производства, повышения надежности и долговечности продукции. На этой стадии устанавливают необходимые технические требования к НК качества изделия.
На этапе производства, испытаний и гарантийного обслуживания серийной продукции НК используют:
-для установления соответствия материалов, полуфабрикатов и готовых изделий заданным техническим требованиям (пассивный контроль);
- для целей управления и регулирования технологическими процессами (активный контроль).
На этапе эксплуатации и ремонта изделий и оборудования НК дает возможность предотвратить поломки и аварии, сократить простой и эксплуатационные расходы, увеличить сроки эксплуатации и межремонтных периодов, а также сократить продолжительность и стоимость ремонтов. На основе результатов НК может быть принято решение об изъятии изделия из эксплуатации.
Эффективность применения НК определяется его принципиальными преимуществами по сравнению с разрушающими испытаниями
58
изделий. К преимуществам разрушающих испытаний следует отнести возможность измерения абсолютных значений разрушающих нагрузок и напряжений, определяющих эксплуатационную надежность изделия.
Принципиальным недостатком разрушающих испытаний является то, что они проводятся выборочно, т.е. только на части изделий из партии. Поскольку испытываемые материалы и изделия разрушаются в процессе контроля, достоверность разрушающих методов зависит от однородности исследуемых свойств в образцах и изделиях, а также от сходства условий испытаний с условиями эксплуатации. По сравнению с НК разрушающие испытания, как правило, более трудоемки, менее производительны и труднее поддаются автоматизации. В современном производстве применяют сочетание разрушающих испытаний с методами НК.
С помощью НК изделия сортируют по различным группам качества. Разрушающие испытания образцов, взятых из каждой группы, позволяют установить соответствие эксплуатационных характеристик изделия измеренным. Если эти связи установлены достаточно точно, то НК позволяет резко сократить объем и периодичность разрушающих испытаний. В этом случае разрушающие испытания могут производиться для проверки результатов НК.
К НК предъявляют следующие основные общие требования:
-	возможность осуществления эффективного контроля на разных стадиях изготовления, в эксплуатации и при ремонте изделий;
-	возможность контроля качества продукции по большинству заданных параметров;
-	согласованность времени, затрачиваемого на контроль с временем работы другого технологического оборудования;
-	высокая достоверность результатов контроля;
-	возможность механизации и автоматизации контроля технологических процессов, а также управление ими с использованием сигналов, выдаваемых средствами НК;
-	высокая надежность дефектоскопической аппаратуры и возможность использования ее в различных условиях;
-	простота методики контроля, техническая доступность средств контроля в условиях производства, ремонта и эксплуатации;
-	высокая воспроизводимость результатов контроля.
2.2 Виды контроля полуфабрикатов и изделий
Контроль, осуществляемый на стадии производства продукции, называют производственным. Контроль, осуществляемый на
59
стадии эксплуатации, называют эксплуатационным. Каждый из них делится на ручной, механизированный и автоматизированный.
9 зависимости от места а технологическом процессе производственный контроль подразделяют на входной, операционный, сплошной, выборочный и приемочный.
Входным называется контроль материалов, комплектующих изделий и готовой продукции, поступивших на предприятие-потребитель от других предприятий или участков производства. Входной контроль позволяет предупредить образование дефектов из-за ошибок поставщика, собрать объективную информацию о поступающих материалах и сформулировать дополнительные требования к качеству исходных материалов.
Операционный контроль - контроль продукции во время выполнения или после завершения определенной производственной операции, например, сварки, термообработки и т.д.
Контроль готовой продукции, по результатам которого принимается решение о ее пригодности к использованию или поставке, называется приемочным. Приемочный контроль является наиболее ответственной заключительной операцией всего процесса изготовления продукции.
В зависимости от объемов проверки продукции входной, операционный и приемочный контроль может быть сплошным или выборочным. Контроль каждой единицы продукции, осуществляемый с одинаковой полнотой, называется сплошным; контроль выборок или проб из партии или потока продукции -выборочным.
В процессе эксплуатации изделий проводят профилактический плановый и целевой контрол и. Плановый контроль - эго контроль после определенной наработки изделия или некоторого срока хранения для обнаружения и устранения дефектов эксплуатационного происхождения. Целевой контроль - внеплановый разовый контроль, проводимый для обнаружения и устранения дефектов конструктивно-производственного или эксплуатационного происхождения. Необходимость этого контроля выявляется в процессе эксплуатации изделий.
При эксплуатации объектов, к которым предъявляются особо высокие требования по надежности и безопасности, наряду с плановым контролем по времени наработки проводят непрерывный контроль - такой контроль, при котором поступление информации о контролируемых параметрах происходит непрерывно. Осуществляют непрерывный контроль за состоянием высоконагруженных ответственных деталей, узлов, систем или объектов в целом. Для этого, 60
как правило, применяют средства автоматизированного контроля (вибрационная диагностика, акустическая эмиссия и т.п.).
Организационные формы контроля могут быть различными и зависят от конкретного производства и его масштабов, вида продукции, целей контроля и других факторов. Наиболее распространенными видами организации контроля являются:
-	скользящий контроль - это приемочный или операционный контроль, осуществляемый средствами контроля, доставляемыми к месту проведения контроля. Такой контроль применяют для крупных конструкций, транспортировка которых затруднительна, невозможна или экономически нецелесообразна (корпуса сосудов давления, монтажные сварные швы крупногабаритных конструкций и т.п.):
-	для серийного и массового производства характерен стационарный контроль, проводимый на специально оборудованном участке (контроль листового проката, труб, валов и т.п.);
-	летучий контроль - это выборочная проверка качества проведения приемочного или операционного контроля, осуществляемая в случайное время. Цель летучего контроля - поддержание необходимого уровня технологической дисциплины;
-	инспекционный контроль - это выборочный контроль продукции или технологического процесса, осуществляемый специально назначенной группой людей с целью проверки эффективности ранее выполненного контроля. При этом может проверяться состояние оборудования, оснастки, технологической дисциплины, правильность ведения отчетной документации и др. Инспекционный контроль обычно бывает выборочный. Он может быть как плановым, так и летучим.
2.3 Требования к обеспечению дефектоскопии ноет и изделий
На основе анализа расчетных напряжений, результатов статических и динамических испытаний, а также статистики отказов при эксплуатации аналогичных по конструкции образцов техники специалисты по проектированию оборудования разрабатывают требования к методам и объему контроля деталей и узлов оборудования.
Для сосудов, работающих под давлением, методы и объемы контроля сварных соединений и наплавок назначаются с учетом их разбивки на категории и группы. Категория сварного соединения и наплавки устанавливается в зависимости от условий эксплуатации сварных конструкций и возможностей ремонта. Сварные швы подразделяют на группы в зависимости от рабочего давления. Категория
61
каждого сварного соединения определяется проектной организацией и должна быть указана в чертеже или схеме контроля.
Конструктор должен указать методы и средства НК, в том числе и устройства встроенного дефектоскопического контроля объектов, возможность контроля которых должна быть обеспечена в запланированном объеме. Если невозможно использовать известные методы и средства контроля, необходимо разработать и рекомендовать новые. Очень важно, чтобы на этом же этапе были определены критерии для регистрации и браковки несплошностей, то есть нормативные требования. Конструкторы и технологи должны позаботиться о том, чтобы на стадиях изготовления, эксплуатации и ремонта была обеспечена дефектоскопическая технологичность деталей и узлов оборудования.
Под дефектоскопичностью понимают совокупность свойств конструкции и ее деталей, необходимых для обеспечения возможности дефектоскопического контроля деталей, узлов и агрегатов ответственного назначения (при производстве, испытании, эксплуатации и ремонте) в объеме и с достоверностью, предусмотренными руководящей технической документацией.
Для обеспечения дефектоскопичности объект должен быть кон-тролепригодным и контроледоступным.
Контролепригодность определяется совокупностью физико-химических и технологических свойств объекта, позволяющих осуществить его проверку данным методом неразрушающего контроля. Например, участок стальной аустенитной поковки толщиной 390 мм, имеющий крупнозернистую структуру, является не-контролепригодным для УЗ дефектоскопии из-за большого затухания и высокого уровня помех, связанных с отражениями на границах зерен (влияние физических свойств). Неконтролепригодна для УЗ контроля также литая стальная заготовка, имеющая на поверхности многочисленные раковины и отслаивающуюся окалину и не прошедшая механическую обработку (влияние технологических свойств).
Контроле доступность характеризуется отсутствием конструктивных или других пространственных ограничителей, препятствующих проведению неразрушающего контроля данным методом в необходимом объеме. Например, сварной шов приварки днища к сосуду является неконтроледоступным для УЗ дефектоскопии со стороны днища, если длина прямолинейного участка поверхности, примыкающего к шву со стороны днища, меньше толщины стенки сосуда.
5 условиях эксплуатации контроледоступность должна обеспечиваться при минимуме демонтажных работ и затрат времени. Обеспечение на стадии проектирования свободных подходов к контролируемым деталям исключает а эксплуатации необходимость доработки
62
конструкции изделий для проведения контроля. Неудовлетворительная дефектоскопичность конструкции препятствует внедрению методов НК при эксплуатации и ремонте изделий или снижает эффективность их применения.
В зависимости от степени влияния указанных выше факторов на дефектоскопичность, объекты контроля могут классифицироваться по степеням контролепригодности или контроледоступности.
После назначения методов и объема контроля конструктор должен согласовать возможность их реализации со службой, ответственной за выполнение НК. При этом на основе действующих для данного изделия руководящих документов должна быть определена степень контроледоступности объекта. В случае технической невозможности выполнения необходимого объема контроля может быть принято решение об изменении конструкции детали или узла с целью обеспечения требуемой степени контроледоступности.
Технологические службы совместно со службой НК устанавливают место НК в технологическом процессе, необходимые подготовительные операции, оборудование и оснастку, технологию проведения контроля, необходимые трудозатраты на подготовку и выполнение контрольных операций.
2.4 Общие требования к средствам дефектоскопического контроля
К средствам дефектоскопического контроля относятся дефектоскопы, преобразователи, дефектоскопические материалы (проникающие и флуоресцирующие жидкости, проявляющие краски, магнитные порошки, суспензии и др.), стандартные образцы (СО) и стандартные образцы предприятия (СОП), вспомогательные приборы (рентгеноэкспонометры, приборы контроля концентрации суспензии и степени размагниченности деталей и т.п.), необходимые приспособления (фиксирующие и сканирующие устройства, стойки, компенсаторы и др.).
Дефектоскопы по своему назначению подразделяются на универсальные и специализированные, а последние, в свою очередь, на неавтоматизированные дефектоскопы и автоматизированные комплексные системы контроля. Универсальные дефектоскопы предназначены для контроля различных по форме и размерам деталей и узлов, а специализированные - для контроля однотипных деталей.
Дефектоскопические средства должны удовлетворять общим техническим требованиям Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации. Основным из них является со
63
блюдение принципов агрегатного построения приборных комплексов, унификации и стандартизации приборов и устройств.
Для обеспечения возможности включения дефектоскопов в автоматизированные системы (линии) контроля они должны обладать высокой производительностью и информационной совместимостью с другими агрегатными комплексами и работать с нормализованными входными и выходными сигналами.
При разработке дефектоскопов также должны учитываться требования метрологического обеспечения по таким параметрам, как погрешность и выявляемость дефектов.
В процессе эксплуатации параметры дефектоскопических средств могут изменяться, следовательно, для поддержания параметров в заданных пределах необходима их периодическая поверка. Объем и периодичность поверок определяется стандартами на дефектоскопические средства; стандартами на методы контроля, инструкциями по эксплуатации дефектоскопов, а также методическими документами по проведению НК.
2.5 Требования к дефектоскопистам
Использование новейшей техники, обслуживание прогрессивных технологий и производство на этой основе качественной продукции должны обеспечиваться высоким профессионализмом и мастерством дефектоскопистов, инженерно-технических работников и руководителей службы не разрушающего контроля. В этих целях высшими учебными заведениями, научно-иссследовательскими институтами и другими специализированными предприятиями создана и постоянно совершенствуется система непрерывной подготовки, переподготовки и повышения квалификации кадров, которая должна обеспечить необходимый рост их квалификации и мастерства.
В связи с тем, что НК во многих случаях еще остается ручным, роль дефектоскопистов при контроле очень велика. В их функции входит настройка дефектоскопов, тщательное выполнение предусмотренных методикой операций контроля, оценка показаний индикаторов и принятие решений по выявленным дефектам. Чтобы снизить влияние субъективных факторов на результаты контроля, к дефектоскопистам предъявляются следующие требования:
1)	Наличие образования не ниже среднего.
2)	Теоретическая подготовка по методам и средствам НК и технике безопасности в объеме требований к дефектоскопистам, изложенным в документах Национального Аттестацинного Комитета по неразрушающему контролю (НАК НК).
64
3)	Дополнительная специальная подготовка-общетеоретическая подготовка по технологии производства, конструкции и основам эксплуатации машин, детали и узлы которых контролируются; дефектоскописты должны знать критические места в машинах (объектах контроля), условия нагружения ответственных деталей, свойства материалов проверяемых объектов, виды обработки деталей, характер и размеры дефектов, подлежащих выявлению и нормированных в технических условиях, критерии браковки деталей, производственные инструкции и другую техническую документацию.
4)	Практический опыт по настройке, проверке .и применению дефектоскопов, дефектоскописты должны хорошо знать частные методики контроля деталей, уметь распознавать и определять ложные сигналы, правильно выбирать дублирующий (арбитражный) метод при затруднениях в оценке результатов контроля.
5)	Отсутствие медицинских противопоказаний к работе по контролю теми методами, которыми занимаются дефектоскописты.
6)	Они должны обладать такими качества ми, как наблюдательность, добросовестность и честность,способность к длительной однообразной работе;им должны быть присущи чувство уверенности в результатах контроля, чувство ответственности, способность самостоятельно повышать знания, а также умение накапливать опыт анализировать,сравнивать, обобщать.
К проведению контроля допускаются лица после получения специальной подготовки по НК, приобретения практического опыта работы по осваиваемому методу контроля на объектах, близких к осваиваемой номенклатуре, и прохождения сертификации (ранее применялся термин “аттестация"). Под сертификацией следует понимать определение соответствия знаний, умения и навыков специалиста требованиям предъявляемым к нему квалификационным уровнем По результатам сертификации специалисту выдается удостоверение
С целью унификации требований к специалистам НК в России принята трехуровневая система сертификации персонала, идентичная применяемой в Европе в соответствии с Нормами EN 473. Специалист низшего -1 уровня - может выполнять контроль, регистрируя все индикации возникающие в зоне контроля, но не принимая самостоятельное решение о качестве проконтролированного объекта. В рамках действовавшего ранее Единого тарифно-квалификационной справочника работ и профессий (ЕТКС) I уровню соответствуют 1 и 2 разряды. Специалист II уровня проводит контроль и оценку качества объекта. В зависимости от вида конкретных работ II уровню соответствуют разряды от 3 до 6 по ЕТКС, Специалист высшего - III уровня осуществляет руководство работами по контролю, обучает и аттестует специалистов более низких уровней, разрабатывает
65
методики контроля, проводит контроль и оценку качества объектов. Конкретные требования к объему теоретических знаний, стажу практической работы персонала каждого уровня изложены в документах НАК НК и в отраслевых нормативно-технических документах. Для проведения сертификации персонала в России созданы Сертификационные центры, действующие на основании лицензии НАК НК России.
Аналогичная трехступенчатая система существует и в других странах мира, В некоторых странах (например, в Японии) применяется система совмещения нескольких специальностей НК. Так, специалист высшей квалификации по радиографическому контролю может иметь среднюю или низшую квалификацию по ультразвуковому контролю. Это позволяет более эффективно использовать специалистов НК на таких предприятиях, где отсутствует постоянная высокая занятость по каждому методу НК в отдельности.
Непрерывное повышение квалификации всех работников, которые занимаются контролем качества изделий, является составной частью заботы о качестве продукции. Необходимость периодического организованного повышения квалификации работников НК вытекает из двух факторов:
1. Со временем теряются знания, полученные ранее, но нерегулярно используемые;
2. Появляется новая информация: новые средства контроля, методики, нормативные требования, передовые приемы труда, теоретические разработки.
Работники НК обязаны проходить периодическую повторную сертификацию в сроки, предусмотренные требованиями документов НАК НК. Для I и П уровней этот срок составляет 3 года, для HI уровня - 5 лет.
2,6 Выбор методов НК
При выборе метода или комплекса методов НК конкретных деталей или узлов необходимо учитывать следующие основные факторы: характер (вид) несплошности и ее расположение, чувствительность метода контроля, условия работы деталей и технические условия (ТУ) на изделие, материал детали, состояние и шероховатость поверхности, форму и размер детали, зоны контроля, доступность детали и зоны контроля, условия контроля. Ниже рассматриваются факторы, влияющие на выбор методов НК.
Характер несплешностей, подлежащих выявлению В зависимости от происхождения, несплошности различаются размерами, формой и средой, заполняющей их полости. Так, например, трещины имеют протяженную форму с различным раскрытием и глубиной. В полости трещин могут быть окислы, смазка, нагар и другие загрязнения. Трещины
66
характерны резкими очертаниями, острыми углами, а неметаллические включения, закаты и заковы часто бывают округлой формг Поэтому, учитывая особенности несплошности, которую необходимо обнаружить, выбирают метод НК для ее надежного выявления. Так, для обнаружения поверхностных трещин с малой шириной раскрытия (0,5-5 мкм) на деталях из ферромагнитных материалов наиболее эффективным является магнитный, а из немагнитных материалов - токовихревой или капиллярный методы и совершенно непригоден, например, радиографический. Для выявления внутренних скрытых несплошностей целесообразно применять радиационные или ультра-звуковые методы.
Чувствительность методов НК. Чувствительность метода определяется наименьшими размерами выявляемых не-сплошностей:
а)	у поверхностных - шириной раскрытия у выхода на поверхность, протяженностью вглубь металла и по поверхности изделия;
б)	у внутренних-размерами несплошности с указанием глубины залегания.
Чувствительность зависит от физических особенностей метода i НК, технических параметров применяемых средств контроля, чистоты обработки поверхности контролируемой детали, толщины детали, физико-химических свойств ее материала, условий контроля и других факторов.Оценочные данные о чувствительности некоторых методов НК приведены в таблице 2.1 [Справочник “неразрушающий контроль
1 металлов и изделий” под редакцией Г.С.Самойловича].
Таблица 2d Чувствительность неразрушающих методов контроля
Метод НК	Минимальные размеры выявляемых несплошностей, мкм		
	Ширина раскрытия	Глубина	Протяженность
Визуал ъно- оптич ес кий	5 - 10	-	100
Цветной	1 - 2	10 - 30	100 - 300
Люминесцентный	1 - 2	10 - 30	100 - 300
Магнитопорошковый	1	10- 50	30
Токовихревой	0,5 - 1	150 - 200	600 - 2000
Ультразвуковой	1 - 30	-	-
Радиографический	100- 500	1 - 1,5 от толщины*	-
Примечание * к таблице 2.1: при толщине металла менее 7 мм относительная чувствительность радиографического метода резко снижается и при толщине 1 мм составляет около 10%.

67
Место расположения возможных несплошностей на детали. Несллошности можно условно разделить на поверхностные, подповерхностные (глубиной 0, 5 - 1, О мм) и внутренние (глубина залегания более 1, 0 мм). Для выявления поверхностных дефектов применимы все методы, но, как правило, наиболее эффективны из них визуально-оптический, магиитопорошковый и капиллярные. Для обнаружения подповерхностных несплошностей эффективны ультразвуковой, токовихревой, магнитопорошковый, а внутренних - только методы ультразвуковой и радиографический.
Условия работы детали. Условия работы деталей определяют наиболее вероятные места возникновения дефектов, связанных с повышенной концентрацией напряжений, воздействием знакопеременных нагрузок, агрессивных сред, температурных условий. Любые конструктивные или технологические дефекты могут стать очагами усталостного разрушения. Учет условий работы деталей позволяет определить критические места конструкции и установить за ними тщательный контроль неразрушающими методами.
Технические условия на изделие ТУ на изделие включают количественные критерии недопустимости дефектов различного вида. При этом в различных частях изделия могут быть различные требования к его качеству. Часто а технических условиях указывают и методы контроля, которые необходимо применять на данном изделии. Требования о применении различных методов НК могут быть изложены и в других документах: Правилах Контроля, Правилах эксплуатации сосудов, чертежах и т.д.
Физические свойств? материала деталей- (См. также поня-тие “контролепригодность” в разделе 2.3.). Физические свойства имеют важнейшее значение при выборе методов НК. Для применения магнитопорошкового метода материал должен быть ферромагнитным и однородным по магнитным свойствам структуры. Для токовихревого контроля материал должен быть электропроводным, однородным по структуре и изотропным по магнитным свойствам. Для ультразвукового контроля материал должен быть однородным, мелкозернистым по структуре, должен обладать свойствами упругости и малым коэффициентом затухания ультразвуковых колебаний. Для капиллярныхмето-дов - нелористым и стойким к воздействию органических растворителей. Применение методов просвечивания ионизирующими излучениями ограничивается лишь способностью материала поглощать данное излучение и толщиной материала.
Форма и размеры контролируемых деталей, (см. также понятие мконтроледостулность" в разделе 2.3). Применимость некоторых методов для контроля изделий сложной формы ограничена, на
68
пример, ультразвукового - из-за трудности расшифровки результатов контроля и наличия мертвых зон, капиллярного- из-за трудности выполнения отдельных операций, особенно подготовки деталей к контролю и удаления с поверхности проникающей жидкости.
Крупногабаритные изделия контролируют, как правило, по частям.
Зона контроля. В зоне контроля не должно быть конструктивных элементов, препятствующих проведению контроля, например, для ультразвукового контроля - отверстий, заклепок, болтов и т.д.
Состояние и степень шероховатости поверхности. Чувствительность методов НК, особенно магнитопорошкового, капиллярных, ультразвуковых зависит от степени шероховатости поверхности, наличия на ней различных защитных покрытий. Капиллярные методы не могут быть выполнены по лакокрасочным покрытиям. Токовихревой контроль возможен при наличии покрытий 0,2-0,5мм. Ультразвуковой контроль сварных соединений проводят при Rz < 40 мкм.
Условия контроля и наличие подходов к проверяемому объекту. Как правило. НК выполняется при температуре t>0° С. Зона контроля должна быть ограждена от источников загрязнения (например, от пыли зачистных машинок). Условия контроля должны быть безопасными с учетом того фактора, что внимание дефектоскописта должно быть в полной мере направлено на объект контроля.
Большинство методов НК могут быть применены для контроля при доступе с одной стороны. Метод просвечивания ионизирующими излучениями требует доступа с двух сторон детали.
Выбор методов НК выполняют с учетом перечисленных факторов. Очень часто применения одного метода недостаточно для проверки качества изделия по требуемым параметрам. В таких случаях применяют комплекс методов НК. Например, при радиографическом контроле сварных соединений хорошо выявляются объемные несплошности (поры, шлаковые включения) и плоскостные дефекты с ориентацией, близкой к направлению просвечивания и с раскрытием более 100 мкм. Ультразвуковой контроль хуже выявляет объемные дефекты, зато позволяет обнаруживать плоскостные дефекты с раскрытием менее 100 мкм. Сочетание этих методов при контроле ответственных металлоконструкций позволяет выявить все опасные дефекты указанных типов.
Выбранные методы НК вносят в технические условия или в правила контроля соответствующих объектов. Иногда на практике могут встретиться задачи, для решения которых применение известных методов (или методик) НК оказывается неэффективным. В этих ситуациях научно-исследовательские институты и заводы разрабатывают новые специальные методы, средства и методики НК.
69
ГЛАВА 3 МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
3.1	Визуально-оптический контроль
Глаз человека является основным контрольным органом в дефектоскопических производственных процессах. С помощью зрения контролируют исходные материалы, полуфабрикаты и готовую продукцию, обнаруживают отклонения формы и размеров, изъяны материала и обработки, поверхностные дефекты и прочее.
Однако, возможности глаза ограничены, например, при осмотре удаленных объектов, предметов, находящихся в условиях малой освещенности, а также быстро перемещающихся объектов. При осмотре предметов, находящихся в покое на расстоянии наилучшего зрения при нормальной освещенности, человек испытывает трудности из-за ограниченных разрешающей способности и контрастной чувствительности зрения.
Оптические приборы позволяют намного расширить пределы естественных возможностей человеческого глаза. Вследствие преломления лучей в оптической системе прибора увеличивается угловой размер рассматриваемого объекта. Таким образом острота зрения и разрешающая способность глаза искусственно увеличиваются во столько раз, во сколько увеличивает оптический прибор. Это позволяет видеть мелкие предметы, облегчается анализ их природы и вида.
Визуальный контроль с применением оптических приборов называют визуально-оптическим. Контроль основан на использовании явления отражения видимого света от исследуемого объекта. Он предназначен для обнаружения различных поверхностных дефектов материала деталей, скрытых дефектов агрегатов, контроля закрытых конструкций, труднодоступных мест механизмов и машин (при наличии каналов для доступа приборов к контролируемым объектам), Контроль проводится путем наблюдения деталей и изделий в видимом свете. При контроле используются оптические приборы, создающие полное изображение проверяемой зоны, ее видимую картину.
Простота контроля, несложное оборудование, сравнительно мелая трудоемкость-основные преимущества этого метода.
В связи с тем, что с возрастанием увеличения оптических приборов существенно сокращается поле зрения и глубина резкости, а также снижается производительность контроля, для деталей применяют оптические приборы с увеличением не более 20-30.
Дефекты, невидимые невооруженным глазом из-за малого контраста с фоном, не обнаруживаются, как правило, и с применением оптических приборов.
70
По виду приемника лучистой энергии различают три группы оптических приборов: визуальные, детекторные и комбинированные. У визуальных приборов приемник - глаз. Визуальные приборы, в основном используемые для визуально-оптического контроля, в свою очередь подразделяются по назначению на три группы:
1)	приборы для контроля мелких, близко расположенных объектов, т.е. деталей и изделий, находящихся от глаза контролера на расстоянии наилучшего зрения - 250 мм (лупы, микроскопы);
2)	приборы для контроля удаленных объектов, т.е. расположенных далее 250 мм (телескопические лупы, зрительные трубы, бинокли, телевизионные системы контроля);
3)	приборы для контроля скрытых объектов - внутренних поверхностей отверстий, полых деталей и конструкций (эндоскопы, бороскопы, перископические дефектоскопы и др.).
К детекторным относятся приборы, в которых приемником лучистой энергии служат различные детекторы: химические реагенты (фотоэмульсии), люминесцирующие вещества, электронные приборы (спектрофотометры) и др.. Комбинированные приборы пригодны для обзора объектов визуально и с помощью детектора.
Средством, расширяющим возможности визуально-оптического контроля при решении некоторых специфических задач, является травление. Травление находит применение для оценки структуры металла на протравливаемых участках, определения включений инородного металла (например, аустенита а перлите), определения местоположения сварного шва. При травлении выявляются также и дефекты поверхности, одиако в настоящее время предпочтение при поиске поверхностных дефектов типа нарушения сплошности отдается капиллярным методам и МПД.
Поверхность участка металла, подлежащая травлению, должна быть отшлифована до шероховатости Ra < 2, 5 мкм с постепенным переходом от шлифовки кругами с крупным зерном к шлифованию кругами с более мелким зерном, а затем-войлочным кругом.
Для травления перлитных материалов используют раствор состава: вода-850 мл, надсернокислый аммоний- (NH4)2S2O8 -150 г с последующим промыванием 10% раствором HNO3.
Для аустенитных материалов используют реактив Приданцева:
HCI	- 90 мл	- 500 мл
HNO3	- 10 мл	- 50 мл
Н2О	- 90 мл	- 500 мл
КгСг2О7	- 4 г	- 50 г
Пропорции берут в зависимости от необходимого количества реактива. Продолжительность травления 30-60 минут.
71
3.2	Капиллярная дефектоскопия
Капиллярные методы НК предназначены для обнаружения открытых дефектов, выходящих на поверхность: трещин, пор, раковин, непроваров и других несллошностей поверхности изделий без их разрушения и, следовательно, дает возможность проводить 100% контроль продукции.
Различают две основные разновидности метода капиллярной дефектоскопии: цветной и люминесцентный. Этими методами контролируют детали различной формы из аустенитных, титановых, алюминиевых, медных и других немагнитных материалов. Эти методы позволяют выявлять:
-	трещины сварочные, термические, усталостные;
-	пористость, непровары и другие дефекты типа открытых не-сплошностей различной локализации и протяженности, невидимые невооруженным глазом и лежащие в пределах чувствительности и надежности дефектоскопических средств.
Рис.3.1 Схема контроля детали капиллярным методом а - полость трещины заполнена проникающей жидкостью; б -жидкость удалена с поверхности детали; в - нанесен проявитель, трещина выявлена; 1 - деталь; 2 - полость трещины; 3 - проникающая жидкость; 4 - проявитель; 5 - индикаторный рисунок трещины.
Цветной и люминесцентные методы применимы и для контроля изделий и полуфабрикатов из ферромагнитных материалов в случае невозможности (по причине сложной геометрической формы или сильной структурной магнитной неоднородности) проведения магнитного контроля.
Методы ЦД и ЛД применяют для контроля деталей термически и механически обработанных, шлифованных, полированных, фрезерованных и не имеющих каких-либо покрытий и поверхностных загрязнений.
Капиллярная дефектоскопия основана на физических явлениях капиллярности, сорбции, диффузии, цветовом и световом контрастах. Дефекты выявляют, обнаруживая жидкость, оставшуюся в их полостях
72
после удаления ее с контролируемой поверхности. Как правило, это происходит после нанесения проявителя (рис.3.1). Он поглощает жидкость, образуя индикаторный рисунок, а также создает фон, улучшающий видимость рисунка.
Индикаторные рисунки, образующиеся при контроле, либо обладают способностью люминесцировать в ультрафиолетовых лучах, либо имеют окраску, вызываемую избирательным поглощением (отражением) части падающих на них световых лучей. Линии индикаторного рисунка имеют ширину от 0,05 до 0,3 мм (что на расстоянии наилучшего зрения - 250 мм соответствует угловой ширине от 15м до 1’ 30’’) и яркостный контраст 30-60% и более, а также высокий цветовой контраст. Это значительно выше соответствующих параметров поверхностных дефектов (угловой размер от Г до 10’, яркостный контраст 0-5%, цветовой контраст отсутствует). Поэтому рисунок обнаружить легче, чем сам дефект, и тем легче, чем шире индикаторная линия и выше ее контраст с фоном.
Технология контроля методом ИД включает в себя следующие этапы:
1.	Подготовка контролируемой поверхности. Шероховатость поверхности под контроль методом ИД зависит от класса чувствительности и для II класса должна быть не выше Rz 20мкм по ГОСТ 2789. Зачищенная контролируемая поверхность должна быть освобождена от грязи и обезжирена.
2.	Пропитка деталей индикаторным пенетрантом с целью заполнения полостей дефектов, выходящих на контролируемую поверхность. На предварительно подготовленную контролируемую поверхность необходимо обильно нанести индикаторный пенетрант и выдержать 10-15 минут. За указанное время пенетрант наносят не менее 3-4 раз. При этом нельзя допускать высыхания предыдущего слоя.
3.	Удаление пенетранта с поверхности рекомендуется производить протиркой бязью, смоченной в очистителе. После удаления на контролируемой поверхности должен отсутствовать окрашенный фон. Места, имеющие фон, очищаются повторно. Поверхность сушится бязью или сжатым воздухом до удаления капель очистителя.
4,	Нанесение проявителя с целью извлечения пенетранта из полостей дефектов, Проявитель наносится мягкой кистью, распылителем или с помощью аэрозольного баллона. Слой проявителя на контролируемой поверхности должен быть ровным, тонким, без подтеков.
5.	Сушка проявителя на контролируемой поверхности. Выполняется потоком теплого воздуха малого давления.
6-	Выявление деФектов.и оценка качества После нанесения проявителя осмотр контролируемой поверхности на наличие дефектов производится дважды: через 5 минут и через 20 минут.
73
При первом осмотре выявляются дефекты небольшой глубины и достаточно большого раскрытия. При втором осмотре выявляются дефекты глубокие, с малым раскрытием.
Чувствительность метода зависит от шероховатости поверхности и применяемых дефектоскопических материалов. Могут быть выявлены дефекты с минимальным раскрытием 0,0001 - 0,001мм и глубиной 0,02мм.
Для реализации метода ЦД используют дефектоскопические комплекты в зависимости от требуемой чувствительности.
Например, дефектоскопический комплект, широко применяемый в энергомашиностроении, содержит следующие составляющие:
1.	Очиститель. Состоит из двух компонентов: вспомогательное вещество ОП-7 (ОП-10)-10-15 г/л, питьевая вода-1000 мл. Приготовление: вспомогательное вещество растворить в воде при перемешивании.
2.	Индикаторный пенетрант. Имеет следующий состав: бензин-300 мл; живичный скипидар марки А-600 мл; люминофор марки "Нориол-А” (или В)-100 мл; жирорастворимый краситель темнокрасный Ж-10 г.
Приготовление: краситель Ж растворить в смеси скипидара и люминофора при перемешивании и подогреве на водяной бане с температурой 40° С. В полученный раствор добавляется бензин. После достижения комнатной температуры раствор отфильтровывается.
3,	Проявитель. Состоит из двух компонентов:этилового технического спирта марки А-1000 мл, обогащенного каолина - 350 грамм.
Приготовление: каолин перемешать со спиртом до получения однородной массы.
Названный проявитель может быть заменен проявителем состава: этиловый технический спирт марки А-500 мл, питьевая вода 500 мл, обогащенный каолин - от 350 до 500 г.
Эксплуатационные качества материалов необходимо проверять по контрольным образцам. В качестве контрольных могут быть использованы образцы с естественными или искусственными дефектами. Образцы с естественными дефектами представляют собой части изделий с дефектами, соответствующими заданному классу чувствительности. Конструкции и методика изготовления образцов с искусственными дефектами определяются ГОСТами или отраслевыми руководящими методическими документами.
Сущность люминесцентного метода (ЛД) та же, что и ЦД, но наблюдение проводится в ультрафиолетовом свете. При этом дефектные места светятся. Метод считается более чувствительным, чем ЦД, однако при его реализации получается больше ложных дефектов из-за некачественной смывки. Контроль проводится в затемненном помещении.
74
3.3 Магнитные методы контроля
Магнитные методы являются наиболее старыми из методов НК, связанных с применением приборов и дефектоскопических материалов для НК. Уже в 1868 году англичанин Саксби применил компас для определения дефектов в пушечных стволах. В 1917 году американец Хоке применил железные опилки для обнаружения трещин в стальных деталях.
Магнитные методы контроля основаны на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, или на определении магнитных свойств контролируемых изделий. Существует довольно много разновидностей магнитных методов, однако здесь рассмотрен только один, наиболее широко применяемый в энергомашиностроении, магнитопорошковый метод, или магнитопорошковая дефектоскопия (МИД).
Рассмотрим принцип МПД. Магнитный поток в бездефектной части изделия не меняет своего направления. Если же на его пути встречаются участки с пониженной магнитной проницаемостью, на.* пример, дефекты в виде разрыва сплошности металла (трещины, неметаллические включения и т.д.), то часть магнитных линий выходит из детали (рис.3.2). Там, где они выходят из детали и входят в нее обратно, возникают местные магнитные полюсы N, S и магнитное поле над дефектом. После снятия намагничивающего поля магнитное поле над дефектом и местные полюсы остаются из-за остаточной индукции.
Рис.3.2 Схема образования магнитного поля над дефектом
1,5 - полюсы постоянного магнита; 2 - деталь; 3 - поле рассеяния; 4 - дефект
Так как магнитное поле над дефектом неоднородно, то на магнитные частицы, попавшие в это поле, действует сила, стремящаяся затянуть частицы в место наибольшей концентрации магнитных линий, то есть к дефекту. Частицы в области поля дефекта намагничиваются и притягиваются друг к другу как магнитные диполи под действием силы так, что образуются цепочные структуры, ориентированные по магнитным силовым линиям поля. Таким образом, над дефектом происходит накопление ферромагнитных частиц.
75
МПД является одним из самых распространенных методов обнаружения дефектов типа нарушения сплошности металла. Метод имеет следующие преимущества: высокую чувствительность; возможность контроля деталей, находящихся в конструкции; сравнительно высокую производительность контроля.
МПД предназначена для выявления тонких поверхностных и подповерхностных нарушений сплошности металла - дефектов, распространяющихся вглубь изделий. Такими дефектами могут быть трещины, волосовины, надрывы, флокены, непровары, поры. Дефекты типа расслоений, закатов, плоскости которых параллельны контролируемой поверхности и не выходят на нее, МПД не выявляются.
Наибольшая вероятность выявления дефектов достигается в случае, когда плоскость дефекта составляет угол 90° с направлением намагничивающего поля (магнитного потока). С уменьшением этого угла чувствительность метода снижается, и при углах, существенно меньших 90°, дефекты могут быть не обнаружены.
Чувствительность МПД определяется магнитными характеристиками материала контролируемого изделия (магнитной индукцией В, остаточной намагниченностью Вг, максимальной магнитной проницаемостью и коэрцитивной силой (Но), шероховатостью поверхности контроля, напряженностью намагничивающего поля, его ориентацией по отношению к плоскости дефекта, качеством дефектоскопических средств и освещенностью контролируемой поверхности.
При МПД применяют следующие виды намагничивания:
а)	циркулярное;
б)	продольное;
в)	комбинированное.
Циркулярное намагничивание осуществляется несколькими способами (рис.3.3): а) пропусканием тока по всему изделию; б) по части изделия или по участкам; в) по проводнику (проводу, стержню), помещенному в отверстие изделия; г) путем индуцирования тока в изделии.
Продольное намагничивание осуществляется путем помещения изделия или его участка в магнитное поле постоянного магнита (рис.3.4, а), электромагнита (6) или соленоида (в).
Комбинированное намагничивание осуществляют путем совместного намагничивания детали циркулярным и продольным видами (рис.3.5), при этом направления магнитных полей должны быть перпендикулярны, а максимальные значения напряженности их сдвинуты по фазе на 90°.
В зависимости от магнитных свойств материала (коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции В), формы и размеров контролируемого изделия применяют два способа контроля:
76
Рис.3.3 Способы осуществления циркулярного намагничивания
И - изделие;
Ф * магнитный поток;
I - электрический ток
Рис.3.4 Способы осуществления продольного намагничивания
а)	способ приложенного магнитного поля;
б)	способ остаточной намагниченности.
Контроль способом приложенного магнитного поля осуществляют при одновременном намагничивании изделия и нанесения на контролируемую поверхность магнитной суспензии или сухого магнитного порошка. Стекание основной массы магнитной суспензии с контролируемой поверхности участка изделия должно происходить во время действия внешнего намагничивающего поля.
Рис.3.5 Способы осуществления комбинированного намагничивания
77
Контроль способом остаточной намагниченности заключается в предварительном намагничивании контролируемого изделия и последующего нанесения на его поверхность магнитной суспензии или порошка. Промежуток времени между намагничиванием изделия и нанесением магнитной суспензии или порошка не должен превышать 1 час.
Методика МПД включает в себя следующие операции:
1)	подготовку поверхности изделия к контролю;
2)	намагничивание изделия;
3)	нанесение на изделие магнитной суспензии;
4)	осмотр контролируемой поверхности изделия;
5)	оценку результатов контроля и отметку дефектов;
6)	размагничивание.
Для реализации метода применяют следующую аппаратуру:
Дефектоскопы передвижные (вес 250 кг) ДМП-3, ДМП-ЗМ, а также МД-10Ц (вес 50 кг) производства ЦНИИТМАШ.
GWH-1500 (фирмы Tiede) - передвижной, может создавать ток, несколько меньший, чем ДМП-3 (Вес 48 кг).
UHS-2500 - стационарная универсальная установка для контроля деталей длиной до 2,5 м и диаметром до 480 мм.
BPR - 2000/3000 - передвижной аппарат для МПД (вес 200 кг).
В качестве магнитной суспензии применяют следующий состав: - магнитный порошок черный, представляющий собой измельченную окись-закись железа Fe3O4	25 ± 5 г
-	двухромовокислый калий (хромпик) К2Сг2О7 , используется в качестве антикоррозионной добавки	5 ± 1 г
-	сода кальцинированная Na2CO3, используется в качестве антикоррозионной добавки	10 + 1 г
-	эмульгатор ОП-7 или ОП-10, улучшает смачиваемость металла
5 ± 1 г
- вода водопроводная + Б
+ А	+ А’
+ Б’
Рис.3.6 Схема установки электродов при контроле в приложенном магнит-
1 л
При контроле МПД в приложен
ном магнитном поле электроды устанавливаются сначала в точках А и А’, затем - перпендикулярно направлению АА’-в точках ББ’ (рис.3.6). Расстояние АА’= ББ’ между электродами зависит от величины протекающего тока и должно быть не менее 75 мм, но не более 250
ном поле	мм.
Следующая область контроля должна перекрывать предыдущую не менее, чем на 20%.
78
3.4 Электромагнитный метод контроля
Электромагнитный метод (метод вихревых токов) основан на регистрации изменений электромагнитного поля вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Вихревые токи - это замкнутые токи, индуктированные в проводящей среде изменяющимся магнитным полем. Если через катушку пропускать ток определенной частоты, то магнитное поле этой катушки меняет свой знак с той же частотой. Интенсивность и распределение вихревых токов в объекте зависят от его геометрических, электромагнитных параметров и от взаимного расположения измерительного вихретокового преобразователя (ВТП) и объекта. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки (одну или несколько). Синусоидальный или импульсный ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки или ее сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.
Электродвижущая сила (ЭДС) или сопротивление преобразователя зависят от многих параметров объектов контроля, то есть информация - многопараметровая. Это определяет и преимущество и трудности реализации метода вихревых токов (МВТ). С одной стороны, МВТ позволяет осуществить многопара-метровый контроль; с другой стороны, требуются специальные приемы для разделения информации об отдельных параметрах объекта. При контроле одного из параметров влияние остальных на сигнал преобразователя становится мешающим и это влияние необходимо уменьшать.
Другая особенность электромагнитного контроля состоит в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодей
ствие происходит обычно на расстояниях небольших, но достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта.Поэтому этим методом можно получать хорошие результаты при высоких скоростях движения объектов контроля.
Рис.3.7 Катушка индуктивности с переменным током
1 - воз бужд а ю щая о б м о тка; 2-измерительная обмотка
79
Метод МВТ применяют для дефектоскопии, структуроскопии, определения толщины покрытий, размеров, химического состава, качества термической обработки.
Рис.3.8 Линии напряженности магнитных полей Но и Нв и плотности вихревых токов 6 при контроле накладным (а) и проходным (б) датчиками
Возбудителем ВТ может быть поле движущегося магнита, переменное поле тока в проводе, волна радиоизлучения. Самым распространенным в МВТ датчиком является катушка индуктивности с переменным током (рис.3.7) или комбинация нескольких катушек.
Для контроля все изделие или его часть помещают в поле датчика (рис. 3.8). ВТ возбуждают переменным магнитным потоком Фо. Информацию о свойствах изделия датчик получает через магнитный поток Фв, созданный ВТ с плотностью 5. Векторы напряженности возбуждающего поля Но и поля ВТ Не направлены навстречу друг другу; ЭДС в обмотке датчика пропорциональна разности потоков Фо-Фа.
3.5 Радиационные методы контроля
Радиационные методы основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с твердым телом. Однородный поток электромагнитного излучения подается на просвечиваемую деталь (рис.3.9).
Проходя через нее и взаимодействуя с материалом детали и дефектами в ней, поток ослабляется (рассеивается и поглощается). Степень ослабления зависит от толщины и плотности контролируемого объекта, а также от интенсивности и энергии излучения. В результате прохождения излучения через внутренние и наружные дефекты прошедшее поле становится неоднородным. Неоднородный поток электромагнитного излучения после прохождения детали образует так
80
называемое радиационное изображение, которое преобразуется а видимое с помощью детектора, например, фоточувствительной пленки. На пленке после проявления формируются участки с различной оптической плотностью.
Рис.3.9 Схема радиографического метода контроля. 1-источник излучения; 2-контролируемый объект; З-ракоаина; 4-включение более плотное, чем материал контролируемого объекта; 5-детектор (фоточувствительная пленка); 6-эпюра интенсивности излучения за объектом
При радиационном контроле применяют следующие виды излучения:
а)	тормозное излучение;
б)	у - излучение;
в)	нейтронное излучение.
Тормозное излучение и его частный случай - рентгеновские лучи - получают в рентгеновских аппаратах, ускорителях, бетатронах. В них поток электронов, проходя большие разности потенци-
алов или испытывая воздействие других электрических или электромагнитных полей, ускоряется до больших скоростей, то есть приобретает большую кинетическую энергию. Затем электроны тормозятся на мишени, при этом кинетическая энергия их движения переходит в энергию электромагнитного излучения.
у - излучение получают, используя радиоизотопные источники излучения, в которых происходит распад неустойчивых ядер радиоактивных изотопов. При этом возникает электромагнитное излучение (у - лучи разной энергии 8 зависимости от изотопа), а иногда и р - лучи (поток электронов) или а - лучи (поток ядер атомов гелия). Поток нейтронов иногда используют из-за их высокой проникающей способности.
По способу регистрации излучения различают:
а)	радиографию;
б)	радиоскопию ;
в)	радиометрию.
При радиографии получают неподвижное изображение на фотопленке или на специальных пластинах. В последнем случае изображение с пластин переносят на бумагу.Радиография с использованием пленок основана на фотографическом действии электромагнитного излучения. Радиационное изображение подается на фотопленку, чувствительную к электромагнитному излучению в этом диапазоне, взаи-
81
/содействует с кристаллами Ад В г в фотоэмульсии пленки и образует скрытое изображение. Затем пленку подвергают фотообработке и получают видимое изображение.
В радиоскопии радиационное изображение подается на сцинтилляционный кристалл. Сцинтилляция - явление излучения кристаллом видимого света под воздействием тормозного или у - излучения. После кристалла изображение поступает на фотоэлектронный умножитель, где оптическое изображение преобразуется в электронное, затем оно подается на телевизионный приемник. Таким образом, радиоскопия - это получение подвижного видимого изображения,
В радиометрии радиационное изображение подается на ионизационную камеру или счетчик, где производит ионизирующее воздействие на газ, содержащийся в них. Возникающий ионизационный ток измеряется прибором. Таким образом, радиометрия -это получение электрических сигналов под воздействием ионизирующего излучения.
Фотоэмульсия, применяемая в фотопленках, представляет собой равномерно распределенные кристаллики АдВг в эмульсии. Каждый кристалл - самостоятельный приемник излучения. По размеру кристаллов АдВг пленки делятся на крупнозернистые, со средней величиной зерна и мелкозернистые. Важная характеристика рентгеновской пленки - чувствительность к излучению. Чем больше величина зерна, тем больше чувствительность пленки к излучению, то есть крупнозернистые пленки быстрее темнеют под воздействием излучения, но при этом изображение получается более зернистое, грубое. Мелкозернистые пленки темнеют медленнее, качество изображения на них выше.
На готовых рентгеновских снимках должно быть четкое изображение контролируемого участка, свинцовых ограничителей границ участка, свинцовых знаков с наименованием изделия, номер сварного шва и номер снимка, изображение дефектометра {или эталона чувствительности). При отсутствии какого-нибудь из перечисленных элементов снимок не соответствует требованиям ГОСТа и переделывается.
Чувствительность метода определяется минимальным размером дефекта в направлении просвечивания, обнаруживаемого при просвечивании. Выражается либо в единицах длины (абсолютная чувствительность), либо в % (относительная чувствительность).
В процессе просвечивания необходимо контролировать, соответствует ли реальная чувствительность требуемой. Для этого используют наборы искусственных дефектов разных размеров, называемые дефек-тометрами. Дефектометры устанавливаются на каждый участок, подлежащий контролю. По выявлению искусственных дефектов судят о выявлении реальных дефектов. Используют проволочные или канавочные
82
дефектометры (рис.3 JO). Требуемая чувствительность считается достигнутой, если выявляется проволочка или канавка заданного размера.
-- ?/-7
1 - вкладыш; 2 - чехол; 3 -проволочки.
Рис 3.10 Эталоны чувствительности, применяемые в радиографии: а • проволочный; б - канавочный
Нерезкость снимка характеризуется шириной границы перехода между участками с разным потемнением, измеряется в мм.
Разрешающей способностью пленки называется количество линий, различаемых на участке 1 мм. Большей разрешающей способностью обладают мелкозернистые пленки. Разрешающая способность и чувствительность пленок находятся в обратной зависимости :чем выше чувствительность пленки, тем меньше ее разрешающая способность.
Разрешающая способность метода - это способность раздельно наблюдать два близкорасположенных дефекта. Она измеряется в мм.
Чувствительность и разрешающая способность зависят от;
-	типа пленки и ее фотообработки;
-	усиливающих экранов;
-	геометрических условий просвечивания;
-	соответствия энергии излучения толщине просвечиваемой детали.
Для проведения радиационной дефектоскопии применяют следующее оборудование.
1)	Гамма-дефектоскопы:
а)	с использованием изотопа кобальт-60 (с энергией излучения около 1 МэВ). Это - аппараты Гаммарид 60/40, Гаммамат, Гаммавольт. Применяются для толщин (по стали) 50-200 мм;
б)	с использованием изотопа Иридий-192 (с энергией излучения около 0, 5 МэВ). Это - аппараты Гаммарид - 21М, -23М, -25М, -192/4, -192/120. Применяются для толщин (по стали) 5-100 мм.
2)	Рентгеновские аппараты:
РУП-150/300'10, РАН-150/300-Ю, МГ-420-, используют рентгеновские лучи. Применяются для толщин (по стали) от 0 до 100 мм.
83
3)	Ускорители электронов:
ЛУЭ-5-500Д, ЛУЭ-15-15000Д, Линатрон-400 - используют тормозное излучение с энергией 4-8 МэВ. Применяются для толщин (по стали) 50-400 мм.
3.6 Ультразвуковая дефектоскопия
Метод ультразвуковой дефектоскопии подробно рассматривается в следующих главах данной книги.
84
ГЛАВА 4 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
4.1 Колебательный процесс
В окружающем нас мире мы очень часто встречаемся с колебательным движением. Колебаниями называют многократное повторение одинаковых или близких к одинаковым процессов. В зависимости от причин, вызывающих колебания, они могут быть механическими, электромеханическими, электромагнитными.
К механическим колебаниям относятся колебания маятника, колебания крыльев самолета, колебания поплавка на воде, колебания струны, изменения плотности и давления воздуха при прохождении акустических волн и т.п. К электромеханическим - колебания мембраны телефона, пьезоэлемента ультразвуковых преобразователей. К электромагнитным - колебания в электрических контурах, волноводах и др.
Все колебательные движения, независимо от их природы, имеют общий признак: устойчивое положение, в котором колеблющаяся субстанция (или тело) находятся до и после колебаний. Это - положение равновесия. В положении равновесия колеблющиеся тела могут находиться сколь угодно долго - до тех пор, пока внешняя сила не выведет их из него. Для маятника, подвешенного на длинной нити, равновесием является самое нижнее положение.
Когда тело выводят из положения равновесия, возникает сила, стремящаяся возвратить его в начальное положение. Эта сила, направленная к положению равновесия, называется восстанавливающей силой (рис.4.1 ).
МАЛЛМЛАЛЦАЛЛААЛАЛД
WVV\/VV\A^WAW4
Рис.4.1 Колебания шарика,закрепленного на пружинах А - положение равновесия; Б - положение отклоненного шарика;
F - восстанавливающая сила
Для того,чтобы возникло и продолжалось колебательное движение, кроме восстанавливающей силы необходимо наличие фактора, не позволяющего колеблющемуся телу сразу же остановиться в положении равновесия. Таким фактором является инерция колеблющегося тела.
85
Рассмотрим более подробно процесс колебания шарика, закрепленного на пружинах (рис.4.1), Предположим, что эксперимент ставится в кабине космического корабля, то есть на шарик и пружины не влияет сила тяжести.
При отсутствии внешних воздействий шарик находится в положении равновесия А, где упругие силы пружин уравновешивают друг друга.- Если внешняя сила выводит шарик из положения равновесия, например, смещает его вправо в положение Б, шарику сообщается запас потенциальной энергии, обусловленной упругими силами пружин (растянутой - слева и сжатой - справа). Упругие силы стремятся вернуть шарик в положение равновесия. Если теперь шарик отпустить, то он тут же начнет движение к положению равновесия.Потенциальная энергия растянутой и сжатой пружин будет переходить в кинетическую энергию движения. В какой-то момент времени шарик достигнет положения равновесия. При этом потенциальная энергия его станет равной нулю, так как натяжения пружин уравновешивают друг друга. Однако скорость его движения, а, следовательно и кинетическая энергия, максимальны. Поэтому, проходя через положение равновесия, шарик не останавливается, а по инерции продолжает движение дальше. Но теперь кинетическая энергия расходуется на преодоление сопротивления растягиваемой правой и сжимаемой левой пружин. Тем не менее движение продолжается, пока кинетическая энергия не станет равной нулю. Этому состоянию соответствует максимальное смещение влево. Максимальное расстояние колеблющегося тела от положения равновесия называют амплитудой смещения.
Таким образом, в крайних положениях состояние шарика характеризуется следующими параметрами: потенциальная энергия максимальна Ел = Ептахт скорость V = О, кинетическая энергия Ек = 0. При прохождении положения равновесия Еп =0, V =Vmax, Ек = Ектах. В промежуточных положениях скорость и энергия также имеют промежуточные значения.
Если бы при движении шарика не возникало потерь энергии вследствие сопротивления среды и внутреннего трения, то колебательное движение продолжалось бы бесконечно долго. В реальных же условиях амплитуда смещения будет постепенно уменьшаться и, в конце концов, шарик остановится,
На этом примере можно отметить еще одно важное общее свойство колебаний: они связаны с переходом энергии из одной формы в другую. В механических и акустических колебаниях это - переход кинетической энергии в потенциальную и обратно.
Колебательные процессы делят на периодические и непериодические. Периодическим называют такой колебательный про-
86
u
т
Рис.4.2 Примеры графиков периодических функций
Рис. 4.3 Примеры графиков непериодических функций
87
цесс, при котором состояние в момент времени t, характеризуемое какими-то параметрами, вновь повторяется через определенный промежуток времени Т, называемый периодом колебаний. Математически это записывается в виде:
/в + Т) =f(t)
(4.1)
Примеры графиков периодических функций представлены на рис.4.2, а непериодических - на рис.4.3.
4.2 Простое гармоническое движение
Колебательные движения, описываемые синусоидальной или косинусоидальной функцией времени, называются простыми гармоническими. Примером гармонических колебаний является движение, совершаемое материальной точкой под действием упругой силы в среде без сопротивления. Простое гармоническое движение находится в тесной связи с движением точки по окружности с постоянной скоростью. Предположим, что точка А движется по кругу радиуса R с постоянной угловой скоростью (о (рис.4.4). Проследим движение точки А’, являющейся проекцией точки А на вертикальную ось у,у2
Рис.4.4 Движение точки по окружности с постоянной скоростью
Пусть в момент времени t, радиус ОА составляет угол (р с осью Ох. Тогда смещение точки А вдоль оси yfy2, обозначенное буквой иу, определится выражением:
u, = u,sin(p
(4.2)
88
где Uy - ОА -амплитуда колебаний» определяющая наиболь-
шее отклонение точки А. Угол (р, характеризующий положение точки на окружности в момент времени t, называется фазой колебания.
Так как точка А движется по окружности с угловой скоростью, то величина угла <р для любого момента времени t имеет вид:
Ф = 0)t	(4-3>
Время, за которое осуществляется один полный оборот точки по окружности, или совершается один полный цикл колебания, называется периодом Т. Период измеряется в секундах (с).
Частотой f называется число полных колебаний за одну секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Один герц соответствует одному колебанию в одну секунду.
1 кГц = 1 000 Гц = 103 Гц. 1 МГц = 1 000 000 Гц = 106 Гц.
<	Период колебаний и частота связаны между собой соотношением
f= 1/Т	(4.4)
Если (р = 2л < что соответствует пробегу точки А по дуге полной окружности, то есть периоду Т гармонического движения, то
2/Г
СО = — = Zltf	(4.5)
следовательно, формулу для смещения можно представить в виде:
u=U sin — t	(46)
у у т
Величина ш , показывающая число полных оборотов точки по окружности за 271 секунд, называется круговой частотой. Единицей измерения частоты является радиан в секунду (рад/с). Отсчет угла (р ведется от оси ОХ? против часовой стрелки. Если круговое движение началось из положения (р = % * 0, то формула для смещения приобретает вид
89
uy=Uysin((Dt + (p0)	<4-7)
График такой функции представлен на рис.4.5. Переменная величина (Dt + (p01 представляющая аргумент синуса, является фазой колебания. Параметр характеризующий положение и скорость точки в момент времени t = О, называется начальной фазой колебания.
Если рассматривать движение проекции точки А на горизонтальную ось xfx2, обозначенной буквой их, то оно описывается выражением
мх = Ux sin(cot + <р0 + %) =UX cos(6X + q>0)	(4-8)
Колебания с постоянной амплитудой называются незатухающими, а колебания с непрерывно уменьшающейся амплитудой - затухающими (рис.4.6).
Рис.4.5 График гармонического
колебания с начальный фазой - начальное смещение;
Uy - амплитуде смещения
Рис. 4.6 График затухающего колебательного движения
В повседневной жизни и в технике очень часто встречаются случаи,когдв материальная точка, тело или система участвуют одновременно в двух или болве колебательных процессах. Например, теплоход колеблется на морской волне, а корпус судна колеблется вследствие работы судовых механизмов. Таким образом, каждый элемент конструкции теплохода участвует как минимум в двух колебательных движениях.
Результирующее сложное движение определяется путем сложения составляющих простых колебаний с учетом их амплитуд и фаз.
На рис.4.7 показан способ графического сложения двух гармонических колебательных движений, имеющих одинаковое направление. На 90
Рис.4.7 Сложение гармонических колебаний, имеющих одинаковое
Рис.4.8 Сложение гармонических колебаний с близкими периодами биения = иг, + и,
этих рисунках штриховыми и штрихпунктирными линиями показаны простые колебания, а сплошными линиями - результирующее колебание.
Рис.4.9 Сложение взаимноперпендикулярных колебаний - фигуры Лиссажу
Если складываются гармонические колебания с близкими друг другу периодами и одинаковыми амплитудами (рис.4.8), то наблюдается явление постепенного увеличения, а затемлоследующегоумень-шения амплитуды результирующего колебания, называемое биением, В этом случае амплитуда результирующего колебания периодически изменяется с частотой, значительно меньшей частоты самих колебаний и равной разности частот слагаемых колебаний.
Если складываются взаимноперпендикулярные гармонические колебания с одинаковыми периодами и амплитудвми (рис.4.9), то результирующее движение осуществляется по сложным кривым, известным под названием фигур Лиссажу. Вид кривой зависит от периодов, фаз и амплитуд слагаемых колебаний.
4.3 Ультразвуковые волны
Звуком называют упругие колебания мельчайших частиц среды около положения своего равновесия, происходящие с час-
92
Рис.4.10 Упрощенная модель процесса распространения упругих колебаний в твердом теле
тотой от 16 Гц до 20000 Гц» Частоты 16 и 20000 Гц считают пределами слышимости звуков человеческим ухом. Упругие колебания, происходящие с частой ниже 16 Гц, называют инфразвуком. Упругие колебания с частотой более 20000 Гц называют ультразвуком. Колебания с частотой свыше 10s Гц относят к гиперзвуку, а при частоте свыше 1012 Гц говорят о тепловых колебаниях.
Ультразвуковой волной называется процесс распространения упругих колебаний ультразвуковой частоты в материальной среде»
При этом каждая частица, участвующая в волновом движении, колеблется около положения своего равновесия, передавая свою энергию соседним частицам.
Направление, в котором распространяется максимум энергии волнового процесса, называется луч ом. Совокупность то -чек, колеблющихся в одной фазе, до которых в заданный момент времени дошел волновой процесс, называется фронтом волны. Луч перпендикулярен фронту волны.
Процесс распространения колебаний в неограниченном твердом теле иллюстрируется моделью (рис.4.10).
Если одновременно привести в движение все частицы, расположенные по линии ДБ, то они сожмут пружины и передадут движение частицам по линии ВГ. Те в свою очередь передадут движение дальше. Частицы по линии ДБ достигнут максимального смещения влево, после чего возвратятся обратно. Таким образом, каждая “плоскость", в которой расположены материальные частицы, будет совершать колебательное движение.
Продольной волной называется такая волна, в которой колебательное движение отдельных частиц происходит в том же направлении, в котором распространяется волна (рис.4.11).
направление волны
Рис.4.11 Процесс распространения продольной волны
93
Продольная волна характеризуется тем, что в среде чередуются области сжатия и разрежения, или повышенного и пониженного давления, или повышенной и пониженной плотности. Поэтому их также называют волнами дввления, плотности или сжатия. Продольные волны могут распространяться в твердых телах, жидкостях, газах.
Сдвиговой (поперечной) называют такую волну, в которой отдельные частицы колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. При этом расстояния между отдельными плоскостями колебаний остаются неизменными (рис.4.12).
направление- волны
Рис.4.12 Процесс распространения поперечной волны
Продольные и поперечные волны, получившие обобщенное название - объемные волны, могут существовать в неограниченной среде. Эти волны наиболее широко применяются для УЗ дефектоскопии.
Скоростью распространения звуковой волны “СЛ называется скорость распространения определенного состояния в материальной среде (например, сжатия или разрежения для продольной волны). Скорость звука для различных типов волн различна, причем для продольной и поперечной волн она является характеристикой среды, не зависящей от параметров УЗ волны.
Скорость распространения продольной волны в неограниченном твердом теле определяется выражением
„ I Е(1 - v)
С, - ------------------	0.9)
1	]/ р(1 + v)(l - 2v)
Здесь Е - модуль Юнга, определяемый как отношение между величиной растягивающей силы, приложенной к некоторому стержню и возникающей при этом деформацией.
v - коэффициент Пуассона, представляющий собой отношение изменения ширины стержня к изменению его длины, если растяжение стержня производится по длине. ‘
р - плотность материала.
94
Скорость сдвиговой волны в неограниченном твердом теле определяется выражением
С. =1Ь—г—-	0.10)
Рр(1 + и)
Поскольку в металлах v = 0,3, то между продольной и поперечной волной существует соотношение
С, -0,55С,	(4.П)
Поверхностными волнами (волнами Рэлея) называют упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной (или слабо нагруженной) границы твердого тела и быстро затухающие с глубиной. Поверхностная волна является комбинацией продольных и поперечных волн. Частицы в поверхностной волне совершают колебательное движение по эллиптической траектории (рис.4.13). Большая ось эллипса при этом перпендикулярна границе. Поскольку входящая в поверхностную волну продольная составляющая затухает с глубиной быстрее, чем поперечная, вытянутость эллипса с глубиной изменяется.
На рис.4.14 показано изменение амплитуд нормального Uy и тангенциального Ux смещений с глубиной, отнесенных к амплитуде на поверхности тела. Из графиков рис.4.14 видно, что рэлеевские волны локализованы в тонком слое толщиной порядка
Поверхностные волны могут распространяться на большие рас-
Рис.4.13 Схема движения частиц в поверхностной волне *
стояния как по плоской, так и по изогнутой поверхности изделия. На выпуклой поверхности происходит некоторое повышение скорости волн, а на вогнутой - уменьшение. На вогнутой поверхности, кроме того, имеет место значительное дополнительное затухание вследствие излучения энергии вглубь изделия (в виде объемных волн).
Поверхностная волна имеет скорость
С = - --7 + 1,12 V С	(4.12)
1 + V
Для металлов Cs ~ 0,93(7, ~ 0,51(7,	(4.13)
95
Ниже будут рассмотрены другие типы волн, распространяющиеся в твердых телах ограниченных размеров или вдоль свобод-
Рис.4.14 Распределение амлитуд колебаний частиц в поверхностной волне. 1 - длина поверхностной волны *
В зависимости от геометрической формы фронта различают следующие виды волн:
1.	Сферическая - например, звуковая волна на небольшом расстоянии от точечного источника звука.
2.	Цилиндрическая - например, звуковая волна на небольшом расстоянии от источника звука» представляющего собой длинный цилиндр маленького диаметра.
3.	Плоская - плоскую волну может излучать бесконечная колеблющаяся плоскость.
4.4 Параметры, характеризующие ультразвуковую волну
В УЗ волне отдельные частицы вещества совершают колебательное движение около положения своего равновесия. Это движение характеризуется смещением частиц относительно положения равновесия:
u ~Ucos(aX + <р0)	(4J4)
Колебательное движение частиц происходит со скоростью v, определяемой первой производной от смещения по времени:
v =-U О) sin (cot + (р())	(4-1
Время Ту в течение которого совершается один полный цикл колебания в УЗ волне, называют периодом колебаний.
96
Количество колебаний, происходящих за 1 секунду, называют частотой f колебаний в УЗ волне.
Максимальное значение, которое принимает переменный параметр за период (смещение U или скорость V), называют амплитудой.
Фазой УЗ волны называют параметр, показывающий, какая часть периода прошла с момента начала последнего цикла колебания. Если нам известна фаза УЗ колебания, это значит, что мы знаем, каковы смещение и скорость колеблющейся частицы, а также в каком направлении движется частица в данный момент времени.
Длиной УЗ волны X называется минимальное расстояние между двумя точками, колеблющимися в одной фазе. Длина волны связана с частотой и скоростью соотношением
Л = —	(4.16)
Значения длины волны в углеродистой стали и а воде для некоторых частот приведены в таблице 4.1:
Таблица 4.1
Длина УЗ волны в стали и в воде
	Длина волны X, мм		
частота f, МГц	в стали		в воде
	Продольная волна (СТ = 5900 м/сек)	Поперечная волна (Ct = 3260 м/сек)	(С - 1490 м/сек)
0,5	11,80	6,52	2,98
1.0 ,	5,90	3,26	1,49
2.0	2,95	1,63	0,75
|_	2,5 _	2.36	1.30	0,60
4.0	1,48	0.82	0,37
5.0	1,18	0,77	0.30
10.0	0,59	0,33	1,15
В акустике следует четко разделять понятия скорости звука С, о которой говорилось раньше, и колебательной скорости v. В дальнейшем, если не будет сделано специальных оговорок, термин скорость звука будет означать скорость распространения звуковой волны С. Из приведенных ранее формул видно, что скорость распространения объемных и поверхностных волн определяется только упругими свойствами среды и не зависит от частоты ультразвука, его затухания в материале изделия. В связи с тем, что величины упругих параметров могут изменяться с изменением температуры, то и
97
скорость звука в некоторой степени зависит от температуры среды, в которой он распространяется.
Распространение продольной УЗ волны вызывает образование областей повышенного и пониженного давления. Речь здесь идет об избыточном давлении, то есть о таком, которое возникает дополнительно к существующему в невозмущенной среде (например, для воздуха - это давление, отличающееся от атмосферного).
Давление в сферической или плоской звуковой волне определяется по формуле:
р = pCv	(4-17)
Величина z=pC называется акустическим сопротивлением среды (иногда эту величину называют акустическим импедансом).
Если акустическое сопротивление имеет большую величину, то среда называется “жесткой”: скорости и смещения малы даже при высоких давлениях; если же импеданс невелик, то среда называется “мягкой”: даже при малых давлениях достигаются значительные колебательные скорости и смещения. Аналогичным образом высокое сопротивление электрической цепи указывает на трудность прохождения тока большой силы,но малого напряжения. Если сравнивать воду и воздух, акустические сопротивление которых находятся в соотношении 3600 : 1 при одинаковой интенсивности звука, то звуковые давления будут находиться в отношении 60 : 1, а колебательные скорости в отношении 1: 60.
Давление в звуковой волне прямо пропорционально акустическому сопротивлению среды и колебательной скорости движения частиц в волне
p = zv	(4.18)
Иногда по аналогии с электротехникой эту формулу называют акустическим законом Ома. УЗ волна в направлении своего движения несет определенную энергию, которую излучил источник. Плотностью потока энергии УЗ волн называют количество звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны.
Плотность потока энергии в плоской или сферической волне w определяется из формулы
р2
(4.19) Z
98
Таблица 4.2
Скорость распространения и длина ультразвуковой волны в средах с различным акустическим сопротивлением
В =щ ес тзо	Скорость звука, м/с		Длина волны X. мм при f= 2,5 МГц		Плотное Т t> среды	Акустимеское сопро гиалеиие ж х 1 0 • г/см с	
	С1	Ct	Xi	Хс	р. (/см	продол.	попер.
Дюралюминий	6260	зюо	2.50	1 .24	2.70	1 .69	0.84
Берилий	1 2800	6 170	5.12	3.48	1.62	233	1.59
8 ол ьфрам	5100	2870	207	1.15	19.25	9.97	5.52
8 ада	1490		0.60	-	1.00	0.15	*
Воздух	331	-	0.13	-	0.0013	4.10	•
Глицерин	1923	-	0.77	-	1.265	0.24	*
К вз рцевое стекло	5700	3400	2.28	1.36	2 80	1.48	0.88
Магний	577G	3050	2.31	1.22	1.74	1.00	0.53
Масло трамсформа горное	1360	-	0.55	•	0.90	0.12	-
Медь	4660	2260	1.86	0.90	8.90	4.15	2.01
Оргстекло	2670	1121	1 .07	0.45	1.16	0.32	0.13
Полис тирсл	2370	1 1 20	0.95	0.45	1.10	0.26	0.12
Сталь углеродистая	5900	3260	2.36	1.30	7 80	4.60	2.54
С та ль коррозионное тонкая	5660	3120	2.26	1.25	8.03	4.54	2.51
Тиган	6О00	3500	2.40	1.40	4.50	2.70	1.58
Шлак (спекшийся флюс} АН-346	6000	2400	2.40	0.96	3.30	1.98	
Шлак (спекшийся флюс) 4В-АФ-1	4000	1600	1 .60	0.64	2.50	1 .00	-
Среднюю плотность потока энергии за период колебаний называют интенсивностью (силой) звука. В плоской бегущей гармонической волне интенсивность определяется выражением
.	1 2ГГ>
I -— -~zd) U-2z 2
здесь Р - амплитуда звукового давления,
I - амплитудное значение интенсивности.
(4.20)
Так как эффективное значение давления Раф - Р/ /Т , то
/ = Р? Л
>*/' >ф
(4.21)
В дефектоскопии обычно говорят об амплитудных значениях величин. В УЗ дефектоскопии интенсивности звука! = 10 Вт/см считаются уже очень большими. При такой интенсивности амплитуда смещения
99
частиц в УЗ волне составит лишь U = 1,8 х 10*6^ , или 4,3 х 10‘6 мм для частоты 2,5 МГц.
В таблице 4.2 приведены некоторые параметры, характеризующие акустические свойства сред.
4.5 Шкала децибел
Телефонисты прошлого столетия, а затем радисты и акустики нашего века были заинтересованы в том, чтобы уметь оценивать свои передающие системы (линии, фильтры, усилители) с точки зрения их способности к передаче энергии. У линейных систем мощность на выходе пропорциональна мощности, поданной на вход, и система характеризуется отношением этих двух мощностей, независимо от их абсолютной меры.
В большинстве случаев гораздо практичнее пользоваться логарифмом этого отношения. Так, если в акустике рассматривают две интенсивности звука I и то разницу между ними в децибелах (дБ) даст величина
Л = 10 1g//Г, (дБ)	(4.22)
Первоначально децибел был введен как десятая часть другой единицы - “бела”, которая потом вышла из употребления. Это название принято в честь американского изобретателя телефона Белла. По первоначальному замыслу название "децибел” должно применяться исключительно к мерам мощности. Однако это понятие можно перенести на меры, относящиеся к другим параметрам, таким, как интенсивность звука, звуковое давление и др.
Так, если рассматривается отношение давлений в звуковой волне, то с учетом (4.20)
1/1о - (Р/Р/	(4.23)
откуда
Л = 10 1g 1/1 = 20 Ig Р/РДдБ)	(4.24)
В том случае, когда берут натуральный логарифм отношения давлений или амплитуд, получают единицы, называемые неперами (Нп).
Л,= 1п/¥Р,=Ч/21п J/Z, (Нп)
(4.25)
100
Между непером и децибелом существуют соотношения;
1 Нп = 8,686 дБ или 1 дБ = 0,115 Нп
(4.26)
На рис. 4.15 приведена номограмма, позволяющая перевести отношение амплитуд в децибелы и наоборот. На этом рисунке 1-й верхней шкале соответствует 1-я нижняя шкала отношений амплитуд, 2-й верхней шкале децибел - 2-я нижняя шкапа отношений амплитуд.
децибелы
fit
8 10
од
0,01
tfp ЗГ 30	25*	2.0 20	25	30	35
'5	10	5	0 0	5 (О *5
1 р/yi11|11 ч1!।1 rAL-pjу
0 02 0.03	0,05	0,030,130	20	30 SO 30 JOO
отношение амплитуд
Рис.4.15 Номограмма перевода относительных величин в децибелы
4.6 Явления на границе раздела двух сред
Рассмотрим основные явления, происходящие на границе раздела двух сред, в упрощенном виде, предполагая, что плоская УЗ золна падает на плоскую границу раздела даух полубесконечных сред, имеющих акустические сопротивления z( и z2. В реальных процессах мы имеем дело с ограниченными средами, а также с волнами, в той или иной форме отличающимися от плоских. Предположим также, что граница раздела гладкая, то есть на ней отсутствует рассеяние ультразвука, связанное с шероховатостью поверхности.
В общем случае на граница раздела могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волн.
Отражением называют изменение направления УЗ волны на границе раздела, при котором волна не переходит в другую среду.
Преломлением называют изменение направления УЗ волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду.
Трансформацией называют преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела двух сред.
В общем случае, при падении волны из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуются следующие волны. При падении продольной волны (рис.4.16, а):
101
См - падающая и отраженная продольные волны;
Ct, - отраженная поперечная волна, образовавшаяся в резуль-тате трансформации волн;
С|2 - преломленная продольная волна;
Ci2 • преломленная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.
При падении поперечной волны (рис.4.16, б):
Ctl - падающая и отраженная поперечные волны;
С(1 - отраженная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;
Ct2 - преломленная поперечная волна;
Cj2 - преломленная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.
Р с соответствующими индексами означают углы падения и отражения. а с соответствующими индексами означают углы ввода.
Рис.4.16 Схема образования волн на границе раздела двух твердых сред при падении продольной (а) и поперечной (б) волн
Все углы в акустике отсчитывают от нормали (перпендикуляра) к поверхности раздела двух сред, проходящей через точку падения.
Углы отражения и преломления зависят от скоростей звука в обеих средах и связаны между собой законом Снеллиуса :
sin sinsina/2 sina,2
~	=-------- =------=------~	(4.27)
Сд C{2 Ct2
Из этого соотношения следует, что угол отражения для волн одного типа Навен углу падения.
102
Как уже было отмечено, направление смещения частиц в поперечной волне перпендикулярно направлению распространения волны. Эта особенность поперечной волны обусловливает возможность возникновения поляризации. Поляризацией называют нарушение симметрии распределения смещений и скоростей в упругих волнах относительно направления распространения. В частности, в поперечной волне Ct,, возникающей вследствие трансформации, частицы смещаются в плоскости падения (плоскость, проходящая через падающий луч С„ и нормаль, перпендикулярная границе раздела) в направленииv (рис.4.15, а). Волну, в которой частицы колеблются в плоскости падения, называют вертикально-поляризован ной или SV-волной. Поперечные волны, широко применяемые в практике УЗ-контроля, являются SV волнами. Если частицы в поперечной волне колеблются перпендикулярно плоскости падения, то есть вдоль границы раздела двух сред, волну называют горизонтально поляризованной или SH-волной SH -волны могут быть возбуждены только с помощью специальных преобразователей и имеют пока ограниченное применение.
В продольной волне, в которой частицы колеблются вдоль направления распространения волны, явление поляризации возникнуть не может. Скорость распространения поперечных волн и их затухание могут зависеть от вида поляризации. Поляризация может возникнуть: из-за отсутствия симметрии а возбуждающем волну излучателе, при распространении волны в анизотропной среде, при преломлении и отражении волн на границе двух сред.
4.6.1 Частные случаи
1)	Нормальное падение
Если на рис.4.16,а рм = 0, то Рм = а<2 = а12 = 0, то есть в этом случае волна, прошедшая через границу раздела, не меняет своего направления, тип волны также не меняется.
2)	1-й критический угол
Если С„ < С12, то а,2 > Р(1 , следовательно, при некотором угле падения продольная волна идет по границе раздела, то есть, во второй среде продольная волна не возбуждается. Наименьший угол падения продольной волны, при котором преломленная продольная волна не будет проникать во вторую среду, называется 1 критическим углом.
3)	2-й критический угол
При дальнейшем увеличении угла падения преломленная поперечная волна также начнет скользить по границе раздела. Наименьший угол падения продольной волны, при котором преломлен-103
ная поперечная волна не будет проникать во вторую среду, называется 2 критическим углом.
При углах падения, меньших, чем второй критический угол, и больших, чем первый, во второй среде возникает лишь поперечная волна.
4)	З'й критический угол
Рассмотрим падение поперечной волны на границу металл-воз-дух из металла (рис.4.17). При увеличении угла падения наступает такой момент, когда отраженная продольная волна начинает скользить по границе раздела. Наименьший угол падения поперечной волны, при котором еще отсутствует отраженная продольная волна, называется 3 критическим углом.
Рис.4.17 Падение поперечной волны на границу металл-воздух
Значения критических углов определяют из равенств
С,	С	с
sin Pklll =	: sin Дх„2 =	; sin = -7;	(4.28)
'-'/2	'_'/2
Для практики представляют интерес значения первого и второго критических углов при падении волны из органического стекла на границу со сталью. Взяв из таблицы 4.2 соответствующие значения скоростей, получим = 27°,	= 55°. Третий критический угол для
границы сталь-воздух составляет 0 = 33,5°.
К р о
4.6.2 Энергетические соотношения
Рассмотрим теперь энергетические соотношения между падающей, отраженной и преломленной волнами при нормальном падении. Они характеризуются коэффициентами отражения и преломления. Различают коэффициенты отражения и преломления по давлению и по интенсивности.
Коэффициентом отражения по давлению Rp называют отношение давления в отраженной волне к давлению в падающей волне. При падении волны по нормали
__ P.r Z2 -
Яр --------------- (4.29)
РП Z2 + Z'
104
Коэффициентом прохождения по давлению Dp называют отношение давления в прошедшей волне к давлению в падающей волне:	р ?
~пр ^2
В качестве примера рассмотрим падение плоской продольной волны на границу сталь-вода:
Rp = (0,15 - 4,6)/(0,15 4- 4,6) = -0,937 Dp - 2 х 0,15/(0,15 + 4,6) = 0,063
Если перевести в проценты, то давление в отраженной волне составляет 93,7%, а в прошедшей 6,3% давления в падающей волне. Знак означает, что фаза отраженной волны меняется на противоположную по отношению к фазе падающей волны (рис.4.18, а).
Рис.4.18 Величина звукового давления при отражении на границе сталь-вода. Падающая волна в стали (а) или в воде (б)
Если волна падает из воды, то в формулах меняются местами zt и z2, поэтому оказывается Rp = +0,937, Dp - 1,937. Так как Нр положительно, падающая и отраженная волны имеют одинаковые фазы. Давление в прошедшей волне почти в два раза больше, чем в падающей (рис.4.18, б).
Коэффициентом отражения по интенсивности называют ог-ношение интенсивностей отраженной и падающей волн. При падении волны по нормали
105
( \ ^."^2
Ji + J
(4.31)
Коэффициентом прохождения по интенсивности называют отношение интенсивностей прошедшей и падающей волн. Его нельзя получить возведением в квадрат коэффициента прохождения по давлению. По закону сохранения энергии
D—\-R	(4.32)
Из формулы для коэффициента отражения видно, что чем больше отличаются акустические сопротивления сред, тем большая часть энергии звуковой волны отразится от границы раздела двух сред. Этим условием определяется как возможность, так и эффективность выявления нарушений сплошности материала (включений среды с акустическим сопротивлением, отличающимся от сопротивления контролируемого материала).
Коэффициенты отражения продольной волны на границе между сталью и некоторыми средами, заполняющими полости дефектов сварки, приведены в таблице 4.3.
Таблица 4.3
Коэффициент отражения границы стали с другим материалом
Материал несплошности	Коэффициент отражения по интенсивности, R, %
газ	<	100.00
вода	88.00
масло трансформаторное	1	90.00
медь	0.26	|
кварц	З1.оо
шлак АН-348	16.00
Из таблицы видно, что шлаковые включения будут выявляться гораздо хуже дефектов таких же размеров, но с воздушным заполнением. Приведенные значения справедливы для несплошностей, размеры которых намного больше длины волны. Если же размеры несплошности в направлении, перпендикулярном УЗ лучу, значительно меньше длины волны, то волны огибают ее без существенного отражения. Для полу-106
чения заметного отражения достаточно, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны.
При малой толщине несплошности доля отраженной от нее энергии определяется также величиной раскрытия в направлении распространения волны. Так, если в среде с акустическим сопротивлением z1 имеется тонкий слой включения из материала с акустическим сопротивлением z2> то коэффициент отражения по интенсивности при нормальном падении звуковой волны
4ctg
(4.33)
где 8 - толщина слоя, к 2- длина волны в слое. Из приведенного выражения видно, что, если 6 -> Х2/2, то ctg2 2тг8Д2 - и R ч 0. В тех случаях, когда 5 -> Х2/4, ctg2 2tl6/X^ -> 0.
а)
1	- зондирующий эхо-имлульс;
2	- эхо-им пульс от несплошности;
3	- донный эхо-импульс
Рис.4.19 Отражение ультразвуковых волн от шлакового включения: а) шлак имеет плотное сцепление с металлом;
б) по границе металл-шлак образовалась газовая прослойка
Если в стали имеется шлаковое включение, то, подставив соответствующие значения в формулу (4.33), получим, что в зависимости 107
от его толщины коэффициент отражения от него ультразвуковых колебаний 0 < R < 0,47. Иными словами, при определенной толщине шлаковое включение может быть звукопрозрачным, то есть не отражающим УЗ волны.
В процессе термической обработки или под влиянием других деформаций шлак разрушается и постепенно отделяется от поверхности металла (рис.4.19). Вследствие этого ультразвук отражается от границы сталь-газ. Коэффициент отражения УЗ волны при этом резко возрастает» достигая единицы. Оценка эквивалентного размера дефекта по этой причине также увеличивается, в то время как его реальный размер остается неизменным.
Таким образом, отражение от тонкого слоя зависит от отношения длины волны к толщине слоя и тем эффективнее, чем больше различие акустических сопротивлений слоя и окружающей среды. Расчет по приведенной формуле показывает, что трещина в стали, заполненная воздухом и имеющая раскрытие всего в 1мкм, должна отражать 90% энергии падающих на нее УЗ волн частотой 2,5 МГц. Если же трещина заполнена минеральным маслом, то для отражения той же части энергии необходимо, чтобы раскрытие трещины было не менее 0, 01 мм. Практически заметное уменьшение коэффициента отражения от слоя воздуха в стали начинается при 8 - Ю'4 мм.
При наклонном падении коэффициенты отражения и прозрачности зависят как от соотношения акустических сопротивлений граничащих сред, так и от угла падения. На рис.4.20 показана зависимость коэффициентов прозрачности по энергии при падении продольной волны из оргстекла на сталь (толщина контактного слоя масла близка к нулю).
Рис. 4.20 Углы отражения, преломления (а) и коэффициенты прозрачности по интенсивности (б) при падении продольной волны из оргстекла на границу со сталью
108
При критических углах все коэффициенты прозрачности и коэффициент отражения R(111 обращаются а нуль, а коэффицент отражения Rni1= 1 Физически это означает смещение энергии вдоль поверхности неоднородной волной, то есть ее концентрацию вблизи границы раздела.
В практике дефектоскопии часто приходится встречаться с падением ультразвуковых волн в металле на границу металл-воздух. Зависимости различных коэффициентов отражения и прозрачности от углов падения и отражения приведены на рис.4.21.
подавлению продольной (а, в) и поперечной (б, г) волн от границы сталь-газ
109
При углах 68° для продольных и 31° для поперечных волн в стали (эти углы связаны между собой законом Снеллиуса) коэффициенты отражения нетрансформированной волны имеют минимум. Это означает, что подавляющая часть энергии при данных углах падения переходит в трансформированную волну.Соответствующие углы называют обменными.
4.6.3 Отражение от двугранного угла
Отражение от двугранного угла поясняется рис.4.22. Если трансформации волн нет, то в результате двукратного отражения плоская волна возвращается назад так, что лучи испытывают параллельное смещение. При падении на двугранный угол волны от сферического источника О отражение происходит как от плоскости MN: отраженные лучи как бы излучаются мнимым источником О\ расположенным зеркально симметрично относительному. Однако нижние лучи становятся верхними и наоборот.
Рис.4.23 Зависимость коэффициент
Рис.4.22 Отражение ультра- та отражения по дввлению от угла звуковой волны от двугран- падения для продольной (штрихоного угла	8ая) и поперечной (сплошная линия)
волн для двугранного угла
С учетом трансформации волн амплитуда однотипной волны, отраженной от двугранного угла обратно к источнику излучения, может существенно уменьшиться. Особенно сильное ослабление однотипной волны наблюдается, когда угол падения на одну из граней близок к обменному (рис.4.23). Для поперечной волны, когда углы падения на
110
обе грани больше третьего критического, коэффициент отражения равен единице. Другими словами, при падении поперечной волны в стали на границу с воздухом под углами 33,5° - 56,5° двугранный угол отражает так же, как плоскость. Это дает возможность использовать его для настройки чувствительности дефектоскопа при контроле наклонным преобразователем с углом ввода из этого диапазона.
4.7	Нормальные волны
Нормальными называют упругие волны, распространяю щиеся в твердой пластине (слое) со свободными или слабонэ-груженными границами. Эти волны также называют волнами в пластинах. Нормальные волны в пластинах бывают двух поляризаций: вертикальной и горизонтальной. Из этих двух типов волн наибольшее применение в практике получили волны Лэмба - нормальные волны с вертикальной поляризацией. Волны Лэмба возникают вследствие резонанса при взаимодействии падающей волны с многократно отраженными волнами внутри пластины.
Для уяснения физической сущности волн в пластинах рассмотрим вопрос образования нормальных волн з жидком слое (рис.4.24).
Пусть на слой толщиной h падает извне плоская волна под углом р. Линия АД показывает фронт падающей волны, В результате преломления на границе, в слое возникает волна с фронтом СВ , распространяющаяся под углом а и претерпевающая многократные отражения в слое.
При определенном угле падения р волна, отраженная от нижней поверхности, совпадает по фазе с прямой волной, идущей от верх-
111
ней поверхности. Это и есть условие возникновения нормальных волн. Угол а, при котором происходит такое явление, может быть найден из формулы:
h cosa = n Х/2	(4.34)
Здесь п - целое число, Х2 - длина волны в слое. Для твердого слоя сущность явления (резонанс объемных волн при наклонном падении) сохраняется. Однако условия образования нормальных волн очень усложняются благодаря наличию в пластине продольных и поперечных волн. Различные типы волн, существующие при различных значениях п, называют модами нормальных волн. Волны с нечетными значениями п называют симметричными, так как движение частиц в них симметрично относительно оси пластины. Волны с четными п называют антисимметричными (рис. 4,25).
Моды обозначают для симметричных волнв0, sv s2.для анти-
симметричных а0, ар а2, ... . В симметричных модах движения частиц происходит симметрично относительно осевой плоскости пластины. Смещения, перпендикулярные к пластине сверху и снизу от осевой плоскости, имеют разные знаки (то есть точки движутся в разные стороны), а параллельные пластине - одинаковые (то есть точки движутся в одну сторону). Антисимметричным модам соответствует движение частиц, антисимметричное относительно центральной плоскости: нормальные смещения точек верхней и нижней половины пластины происходят в одну и ту же сторону , а тангенциальные - в разные стороны.
Нулевыми индексами отмечены моды, которые при увеличении толщины пластины переходят в поверхностную волну. Эти волны существуют при любых частотах и толщинах пластинок. Симметричная мода s0 соответствует волне расширения - сжатия. Антисимметричная волна ао соответствует изгибной волне. При увеличении толщины пластины свойства нулевых мод становятся все более похожими друг на друга и на свойства поверхностных волн.
Если по одному направлению в среде распространяются несколько волн, частоты которых немного отличаются (группа волн, импульс), при-чем скорость распространения фазы зависит от частоты, то оказывается, что энергия переносится волнами со скоростью, отличающейся от фазовой скорости. Таким образом в тех случаях, когда имеется зависимость скорости упругой волны от частоты, в частности, в нормальных волнах, существует два вида скорости - фазовая и групповая. Фазовая скорость определяет скорость распространения фазы вдоль пластины. Она позволяет вычислить длину волны и необходима при расчетах условий возбуждения волн. Скорость распространения импуль-
112
Рис.4.25 Волны Лэмба а - а0; б - з0; в - а,; г - s,; д - аг; е - $2 Стрелка над рисунком указывает направление движения волн. Стрелки на рисунках указывают направление движения частиц в сечениях пластины. Каждое сечение образовано плоскостью, перпендикулярной к основной поверхности пластины, причем эта плоскость включает направление распространения волны.
ИЗ
са характеризуется групповой скоростью. Групновая скорость используется при определении расстояния до дефекта.
Смещение каждой из колеблющихся точек можно найти, складывая смещения, которые получает эта точка от каждой из волн группы в отдельности. Результат сложения колебаний одного направления определяется соотношением фаз этих колебаний. Если фазы противоположны, то результирующая амплитуда минимальна, если фазы совпадают, то она максимальна. В каждый момент времени максимальная амплитуда для распространяющейся в одном направлении группы волн соответ
ствует тому участку пространства, в котором сосредоточен максимум энергии волны. Эта точка называется центром группы волн. Волновое поле группы волн с близкими частотами изображено на рис. 4.26
у	В последующий момент времени
соотношение фаз колебаний от отдель-
Рис. 4.26 Волновое поле группы волн с близкими частотами
ных волн группы в точке, где находился центр группы, изменится, поэтому центр группы волн переместится в пространстве, а вместе с ним и энергия волны. Ско-
рость перемещения центра групп можно найти, если заметить, что в центре группы волн совпадают фазы колебаний, вызванных волнами различных, но близких длин волн. Поэтому в центре группы фаза
колебаний не зависит от длины волны, то есть от того, какой из волн
группы приписывается эта фаза.
Найдем выражение для фазовой скорости нормальной волны Cf. Из закона Снеллиуса, считая, что угол преломления для нормальной волны равен 90°, найдем
sin /3 since 1
(4.35)
откуда, используя формулу (4.34), получим:
(4.36)
Таким образом, фазовая скорость нормальных волн зависит от частоты УЗ колебаний и от толщины пластины. Свойство зависимое-
114
ти скорости распространения УЗ волн от частоты называют рис-Персией скорости. Дисперсия является важной особенностью нормальных волн. Зависимости скоростей различных мод нормальных волн от произведения толщины пластины на частоту УЗ колебаний характеризуются дисперсионными кривыми (рис.4.27).
Рис.4.27 Дисперсионные кривые для нормальных волн в стали
5,94*103 м/с; Ct= 3,22*103 м/с; р = 7Т8 г/сма
Характер дисперсионных кривых зависит от упругих свойств материала пластины.
При критических значениях h/l2 = 1/2, 1, 3/2 и т. д. фазовая скорость обращается в бесконечность. Это означает, что вся поверхность слоя колеблется одновременно. Групповая скорость при этом обращается а нуль. Там, где фазовая скорость не зависит от частоты, групповая скорость совпадает с фазовой.
4.8	Головные волны
В реальных условиях УЗ контроля наклонным преобразователем фронт УЗ волны излучающего пьезоэлемента имеет неплоскую форму. От излучателя, ось которого ориентирована под 1-м критическим углом к границе раздела, на границу падают также продольные
115
волны с углами несколько меньше и несколько больше 1-го критического. При этом в стали возбуждается несколько типов УЗ волн.
Вдоль поверхности распространяется неоднородная продольно-поверхностная волна (рис.4.28). Згу волну, состоящую из поверхностной и объемной компонент, называют также вытекающей или ползучей. Частицы в этой волне движутся по траекториям в виде эллипсов, близких к окружностям. Фазовая скорость вытекающей волны Св незначительно превышает скорость продольной волны (для стали Св = 1,04 CJ. Эти волны существуют на глубине, примерно равной длине волны, и быстро затухают при распространении: амплитуда волны затухает в 2, 7 раза на расстоянии 1, 75 X вдоль поверхности. Ослабление связано с тем, что в каждой точке границы раздела генерируются поперечные волны под углом af2, равным третьему критическому углу, называемые боковыми волнами. Этот угол определяется из соотношения
(4.37)
Для стали at2 = 33,5°.
Кроме вытекающей возбуждается также головная волна, получившая широкое применение в практике УЗ-контроля. Головной называют продольно-подповерхностную волну, возбуждаемую при падении УЗ - пучка на границу раздела под углом, близким к первому критическому. Скорость этой волны равна скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 78° Головная волна, как и вытекающая, порождает боковые поперечные волны под тре-

пэп
обратная волна
подповерхностная продольная
> волка
боновая поперечная волна
Рис.4.28 Акустическое поле преобразователя головной волны
116
Рис. 4.29 Амплитуда отражения головной волны в зависимости от глубины залегания плоскодонных отверстий
тьим критическим углом к границе раздела. Одновременно с возбуждением продольно-поверхностной волны образуется и обратная продольно-поверхностная волна - распространение упругого возмущения в сторону, противоположную прямому излучению. Ее амплитуда примерно в 100 раз меньше амплитуды прямой волны.
Головная волна нечувствительна к неровностям поверхности и реагирует лишь на дефекты, залегающие под поверхностью. Ослабление амплитуды продольно -
подповерхностной волны вдоль луча любого направления происходит хак
в обычной объемной продольной волне, то есть пропорционально 1/г.
На рис.4.29 показано изменение амплитуды эхо-сигнала от плоскодонных отверстий, расположенных на разной глубине. Чувствительность к дефектам вблизи поверхности близка к нулю. Максимальная амплитуда при расстоянии 20 мм достигается для плоскодонных отверстий, расположенных на глубине 6 мм.
4.9	Распространение ультразвуковых волн
К УЗ волнам малой амплитуды может быть применен принцип наложения или принцип Гюйгенса, согласно которому каждое звуковое колебание развивается независимо от других одновременно происходящих акустических явлений. Если в какой-то среде возбуждается несколько колебательных процессов, то результирующее колебание можно найти путем суммирования отдельных составляющих колебаний. При сложении векторных величин (то есть, имеющих направление, например, сила, скорость) учитываются направления каждой составляющей, при сложении скалярных величин (например, смещение) результат зависит только от амплитуды и фазовых соотношений всех составляющих.
Наложение двух или большего числа когерентных колебаний (имеющих частоты одинаковые или относящиеся как целые числа, а также неизменную разность фаз) называется интерференцией. Результирующее колебание в любой точке среды оказывается равным алгебраической сумме всех колебаний, пришед-
117
ших в эту точку. Амплитуда колебаний какой-либо точки может поэтому возрасти, если отдельные колебания приходят в эту точку в фазе и уменьшается, если колебания приходят в противофазе.
Интерференция может приводить к образованию стоячих волн, характеризующихся тем, что вдоль оси поля наблюдается чередование неподвижных точек и точек, колеблющихся с максимальной амплитудой.
Рис.4.30 Поршневой излучатель в жестком экране
Рассмотрим акустическое поле, которое создает излучатель в виде круглого поршня, окруженный жестким экраном (рис.4.30) и работающий в режиме непрерывного монохроматического излучения. Предположим, что вследствие колебаний такого излучателя прилегающий слой среды возбуждается и начинает колебаться с одинаковой фазой и амплитудой. В соответствии с геометрическими представлениями при этом должна излучаться плоская волна внутри ограниченного цилиндрической поверхностью пространства. В действительности, вследствие интерференции, кар
тина поля будет существенно другая. Каждую частицу среды, приходя-
щую е колебание вследствие распространения первичной волны, можно
рассматривать как точечный источник, излучающий вторичную элементарную сферическую волну. Результирующей бесконечного числа таких элементарных сферических волн, дающих фактически существующую волну, является огибающая всех вторичных волн.
Акустическое поле вблизи излучателя вследствие интерфе
ренции имеет сложную структуру с чередующимися минимумами и максимумами звукового давления как вдоль, так и поперек акустической оси излучателя (рис.4.31). Эта зона немонотонного изменения акустического поля называется ближней зоной или зоной дифракции Френеля. Непосредственно на излучателе существует какое-то среднее давление Ро. Вдоль оси излучателя располагаются максимумы и минимумы давления, колеблющиеся около средней величины.
Давление, создаваемое ультразвуковой волной на акустической оси круглого излучателя на расстоянии г от его поверхности может быть определено по формуле:
Р = Ро * 2 sin тс / Л(7й2 + г2 - г)
(4.38)
Число максимумов составляет 2аД (2а -диаметр излучателя). Максимумы располагаются на расстояниях г = а2/ [ (2г>+1) X ] ( п ~ 0,1,2, 118
...), а минимумы при r = a2/2nk ( n = 1,2,3,Звуковое давление вдоль оси колеблется от нуля до удвоенного среднего. С удалением от источника расстояние между максимумами и минимумами увеличивается, а крутизна кривых изменения давления уменьшается. Примерно в точке N/2 еще находится глубокий минимум, после чего, в точке N (при п = 0) будет последний максимум с давлением, равным удвоенному среднему.
Рис.4.31 Акустическое поле в ближней зоне излучателя: а - вдоль оси; б - поперек оси
Акустическое поле в сечениях, расположенных поперек акустической оси излучателя, имеет вид чередующихся кольцевых зон минимумов и максимумов.
С удалением от источника ширина минимумов и максимумов увеличивается, вокруг них могут появиться дополнительные максимумы,
В ближней эоне более 80% излученной энергии находится в пределах цилиндра, ограниченного краями излучателя, однако по сечению цилиндра энергия распределена неравномерно. Граница ближней зоны при непрерывном излучении ультразвука определяется формулой:
жг 4а2-Л2	, а2
N — ------.—~ а при А«о, = -------- (4.39)
4 Л	Л
За пределами ближней зоны начинается дальняя зона излучателя или зона дифракции Фраунгофера. В этой зоне звуковое 119
давление монотонно убывает с увеличением расстояния от излучателя. В дальней зоне поле имеет вид лучей, выходящих из центра излучателя. На расстоянии (г > 3N) кривая, показывающая изменение давления в звуковой волне с расстоянием приближенно следует закону:
P»’2sin2A7
<4.40)
Эту же формулу можно переписать в виде:
(4.41)
где Sa - площадь излучателя.
Как видно, на большом расстоянии давление не испытыаает осцилляций, а монотонно убывает обратно пропорционально расстоянию.
Акустическое поле в дальней зоне характеризуют диаграммой направленности, показывающей изменение звукового давления в зависимости от угла между направлением луча и акустической осью на постоянном расстоянии от излучателя (Рис.4.32). За единицу принимают амплитуду Р# на оси излучателя. Диаграмма направленности не зависит от расстояния до излучателя.
Центральную часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда поля уменьшается от единицы до нуля, назы
Рис.4.32 Диаграмма направленности поля излучения круглого излучателя в полярных (а) и в декартовых (б) координатах
120
вают основным лепестком. В пределах основного лепестка сосредоточено около 85% энергии поля излучения. Вне основного лепестка диаграмма направленности имеет вид боковых лепестков. Уровень боковых лепесткоа определяется отношением поля на акустической оси к максимальной величине поля вне основного лепестка. Диаграмма направленности при г > 3N для круглого излучателя определяется формулой
Р п Л (х)	2тш
— - 2------—	х = —- sm 0
Pa X , где Л	(4.42)
Цх) -функция Бесселя, значение которой берется из таблиц. Угол раскрытия основного лепестка диаграммы
0О = arcsin 0,61Л / a - arcsin 0,61с / fa
(4.43)
В практике УЗ контроля иногда определяют угол раскрытия основного лепестка на уровнях, отличающихся от нулевого. На уровне 20 дБ (или уровень 0, 1 от максимума)
0&! = arcsin 0,54 Л / а	<4-44)
На уровне 6 дБ (или уровень 0, 5 от максимума)
0О5 = arcsin 0,35 л / а	(4-45>
На уровне 3 дБ (или уровень 0, 7 от максимума)
®0? = arcsin 0,25 Л / a
(4.46)
Квадратный излучатель дает акустическое поле, похожее на поле круглого излучателя. Однако экстремумы выражены не так сильно, поскольку отсутствует круговая симметрия. Последний максимум на оси не достигает величины 2Р0. Ближнюю зону квадратного излучателя, а также прямоугольного с соотношением сторон а/b < 1,5 можно приближенно определять по формуле
С
N =	(<47)
тгЛ
121
где Sa - площадь излучателя.
Ближняя зона наклонного преобразователя с круглым пьезоэлементом радиусом а может быть вычислена по формуле
a2 cosа Л cos fl
(4.48)
где а - угол ввода, р - угол падения (угол призмы).
Диаграмма направленности прямоугольного излучателя в сечении, перпендикулярном акустической оси, имеет вид эллипса, большая ось которого параллельна меньшей стороне излучателя. Поэтому для прямоугольного излучателя указывают два значения угла раскрытия основного лепестка 6, и Общее выражение для диаграммы направленности имеет вид:
. (flna . Л
Sin —— sin
2тгя .
-7- sm ©i л
2nb .
—Г- sm е2
(4.49)
Угол раскрытия основного лепестка на разных уровнях для прямоугольного излучателя определяется выражениями:
©!	0 - arcsin 0,5 % ;02 о = arcsin 0,5 %	<4-50>
0,	0] = arcsin 0,464 %; 02 01 = arcsin0,464%	<451>
©i	015 = arcsin 0,3 % ;02 0 5 = arcsin 0,3 %	(452)
0,	07 = arcsin 0,21 % ;02 0>7 = arcsin 0,21 %	(453)
Удвоенный угол раскрытия основного лепестка (2&) называют шириной диаграммы направленности.
Из приведенных выражений видно, что для круглого излучателя диаграмма направленности сужается с увеличением произведения af. 122
ax *J\ <a2*J\ <a2f2
Рис.4.33 Влияние параметра at на угол раскрытия 9 основного лепестка диаграммы направленности круглого излучателя
Таким образом, увеличение радиуса излучателя, а также его частоты делают диаграмму направленности более острой (рис.4.33).
Пример: f = 2, О	Мгц	2а = 24мм	29 = 8 40
f = 4, 0	Мгц	2а = 24мм	29 = 4 20
f = 2, 0	Мгц	2а = 12мм	20=17 30
f — 4, 0	Мгц	2а = 12мм	20-8 40
При схематическом изображении акустическое поле излучателя обычно представляют в виде цилиндра или усеченного конуса в ближней зоне и в виде конуса с вершиной в центре излучателя в дальней зоне (рис.4.34). Вершина конуса имеет угол 29, равный ширине диаграммы направленности. В конце ближней зоны имеется фокус звукового пучка. Звуковой лучок там существенно уже, чем диаметр
излучателя, амплитуда звукового давления здесь в два раза превышает среднее звуковое давление непосредственно у излучателя. Начиная с г — N звуковое давление медленно уменьшается и достигает средней величины лишь при г = 3N.
Действительное поле, создаваемое пьезоэлектрическим преобразователем (ЛЭП) УЗ дефектоскопа, отличается от рассмотренного расчетного поля. При простейшем рассмотрении мы пренебрегли связью, существующей межд> различными типами волн. Так, в
Рис.4.34 Распределение излученной энергии вдоль оси излучателя
123
поле продольной волны имеются также составляющие сдвиговой и поверхностной волн.
Помимо этого, до сих пор мы рассматривали поле идеального круглого излучателя, работающего в режиме непрерывных колебаний, однако основной режим работы в дефектоскопии - импульсный.
Сложная структура поля, особенно для ПЭП с большим аД, обусловлена наличием элементарных волн с большим различием фаз, приходящих с краевой области излучателя. Если бы возбуждение ПЭП к краю удалось уменьшить, то поле было бы равномернее.
В отличие от теоретического поршневого излучателя у обычного ПЭП пьезопластина возбуждается неравномерно - по краям амплитуда ее колебаний меньше, чем в середине. Если создать ПЭП с колоколообразным возбуждением, то неравномерности поля почти исчезают.
Неравномерность давления в ближней зоне может быть устранена также путем быстрого изменения частоты излучения в определенном диапазоне. Из формулы видно, что граница ближней зоны
Рис.4.35 При импульсном возбуждении излучателя интерференция в точке О не возникает
изменяется с изменением частоты. Для того, чтобы существенно поднять минимумы, следует изменять частоту не менее, чем на 30%. При этом амплитуда колебаний должна быть постоянной, что технически выполнить непросто.
Большое влияние на звуковое давление оказывает импульсное возбуждение излучателя. Как видно из рис.4.35, импульсы от различных частей излучателя приходят в точку наблюдения в разное время, следовательно интерферен
ция не возникает.
В предельном случае, когда длительность импульса равна одному полупериоду, интерференция исчезает и изменение давления с расстоянием приобретает монотонный характер, начиная от поверхности излучателя (рис.4,36).
Неравномерное возбуждение дискового излучателя в реальных конструкциях преобразователей, связанное, например, с зажатием пьезоэлемента по окружности или с независимым возбуждением отдельных зон излучающей поверхности, иная форма излучателя, специальная форма электродов, наносимых на поверхность излучателя - все это в значительной мере уменьшает эффект интерференции.
124
Рис.4.36 Зависимость звукового давления Р на оси волнового поля дискового излучателя от расстояния г от излучателя при равномерном (а), неравномерном (б) возбуждении отдельных участков излучающей поверхности и при излучении импульсов, длительность которых не превышает одного периода (в)
4.10	Дифракция волн
В основе большинства способов, которые применяет практическая УЗ дефектоскопия, лежит использование законов так называемой геометрической оптики (ГО). Это означает, что звуковые лучи распространяются по прямым линиям , а если попадают на границу раздела, то на ней происходят явления, описываемые законом Снел-лиуса. Однако, существуют такие области на границах раздела двух сред (в частности, области на несплошностях в объекте контроля), а также такие условия взаимодействия УЗ волны с объектом, когда возникающие явления невозможно объяснить только законами ГО. Так, если при распространении УЗ колебаний на их пути встречается звуконепроницаемое препятствие, то по законам ГО за препятствием должна возникнуть область, куда не проникает звуковое поле, то есть область звуковой тени. Однако на самом деле, в зависимости от соотношения размеров этого препятствия и длины волны на некотором расстоянии за препятствием в области геометрической тени обнаруживаются звуковые волны, то есть звук как бы огибает преграду. Это свойство звуковых волн получило название: дифракция.
Дифракция - это явление частичного огибания волнами препятствий, находящихся на пути их распространения.
Для объяснения этого явления воспользуемся принципом Гюйгенса, в соответствии с которым каждую частицу среды, приходящую в колебание вследствие распространения первичной волны, можно рассматривать как точечный источник, излучающий вторичную элементарную сферическую волну. Результирующей бесконечного чис
125
ла таких элементарных сферических волн, дающей фактически существующую волну, является огибающая всех вторичных волн.
Так, если плоская волна встречает на своем пути звуконепроницаемую преграду с точечным отверстием, то она распространяется по другую сторону преграды в виде сферических волн, расходящихся от отверстия преграды, как от нового точечного источника (рис,4.37, а).
Если на пути распространения УЗ колебаний имеется препятствие, то колеблющиеся частицы среды, расположенные по краям А и Б препятствия, создают сферические волны, которые распространяются в зоне геометрической тени препятствия (рис.4.37, б).
Рис.4.37 К пояснению понятия дифракции a-прохождение ультразвуковых колебаний через малое отверстие; б-огибание волнами препятствий с заходом волн в область геометрической тени
Дифракция проявляется в очень сильной степени, если размеры преграды невелики по сравнению с длиной звуковой волны. Если размеры препятствия равны длине волны или меньше ее, то лучи огибают препятствие, несколько рассеиваются и значительного отражения в этом случае не наблюдается.
В современной УЗ дефектоскопии под дифракцией понимают такие особенности распространения УЗ волн и их взаимодействия с границами разделов, которые не могут быть объяснены законами ГО.
Для практической дефектоскопии наибольшее значение имеют 4 случая или 4 типа дифракции.
1.	Дифракция первого типа возникает при взаимодействии УЗ волны с острыми краями несплошностей, в частности, с краями трещин (рис.4.38, а). В этом случае край трещины становится вторичным излучателем, работает как точечный источник и возбуждает сферическую УЗ волну. Вследствие этого трещина , даже неблагоприятно ориентированная по отношению к УЗ лучу, при достаточной чувствительности может быть выявлена при УЗ контроле. Использование этого типа дифракции для определения высоты трещины описано в главе 8 данной книги.
126
2.	Второй тип дифракции имеет место в тех зонах объектов, где УЗ лучи касаются гладких поверхностей (рис.4.38, б). В этом случае формируются волны, огибающие поверхности тел, которые в свою очередь порождают дифракционные волны соскальзывания. Существуют методики, использующие этот тип дифракции для измерения периметра объемных дефектов. При этом сравнивают время прохождения сигнала, отраженного от несплошности, и дифрагированного сигнала, обежавшего часть несплошности и соскользнувшего с нее.
3,	Третьим типом дифракции называют явления, возникающие при падении волн на границу раздела двух сред или на свободную границу среды под первым, вторым или третьим критическим углами (рис.4.38, в). При этом образуются головные волны, которые в свою очередь порождают семейство дифракционных боковых волн в обеих средах.
4,	Четвертый тип дифракции возникает в тех случаях, когда в среде имеются слои с различными скоростями УЗ волны. При наклонном падении УЗ волны на границы раздела таких слоев лучи отклоняются от прямолинейнего направления распространения (рис.4.38, г). Это явление известно под названием рефракции. Этот тип дифракции нашел практическое применение для измерения толщины поверхностно -закаленных слоев металла, например, в валках холодной прокатки, где в поверхностном слое имеет место изменение скорости звука в зависимости от глубины слоя.
Рис.4.38.Типы дифракции в твердых телах
127
Волны дифракции в контролируемом объекте присутствуют всегда. При отражении от плоскостных либо объемных дефектов возникают краевые волны, или волны обегания-соскальзывания, или головные и боковые волны. Чате всего возникает совокупность дифрагированных волн нескольких типов. Вблизи свободной поверхности головные и боковые волны также присутствуют всегда, поскольку, под каким бы углом волны ни излучались в твердое тело, вследствие конечных размеров преобразователей, всегда найдутся лучи, которые направлены вдоль и вблизи свободной поверхности.
Однако при реализации обычных методов ультразвукового контроля, когда принимаемый сигнал соответствует геометрооптическому отражению от дефектов, импульсы дифрагированных волн либо представляют собой ложные сигналы, либо вследствие неоптимального их излучения и приема пренебрежимо малы и не принимаются во внимание.
Между тем, знание законов возбуждения и распространения дифрагированных волн позволяет решить ряд задач ультразвукового контроля, которые обычными методами контроля решить крайне сложно либо вообще нельзя. К ним можно отнести распознание типа дефекта и измерение его размеров, выявление сигналов на фоне шума в некоторых сварных швах, измерение глубины закаленных слоев и др.
4.11	Затухание ультразвука в твердых средах
По мере удаления УЗ волны от излучателя ее интенсивность падает. Уменьшение интенсивности сферической волны обуславливается ее расхождением и затуханием колебаний, а плоской - только затуханием. Затуханием УЗ колебаний называют явление уменьшения амплитуды колебаний частиц в звуковой волне, вызванное процессами рассеяния и поглощения.
Рассеяние связано с тем, что среда не является строго гомогенной. Она содержит кристаллы, на границах которых акустическое сопротивление изменяется, так как кристаллы или отдельные составляющие вещества имеют различную плотность или разную скорость в направлении падающего УЗ луча. Для некоторых материалов (например, для чугуна) это связано с тем, что он представляет собой сплав зерен различных компонентов (для чугуна - феррита и графита) .Для других материалов - с наличием пор или инородных включений. Для третьих - различной ориентацией анизотропных кристаллов.
Последнее обстоятельство бывает особенно заметным з крупнозернистых аустенитных материалах, а также в аустенитных сварных швах. При переходе УЗ луча из одного кристалла в другой
128
возникают частичное отражение, преломление и трансформация волн, что и определяет механизм рассеяния (рис.4.39).
Очень большое влияние на величину коэффициента рассеяния в металлах оказывает соотношение средней величины зерна и длины волны ультразвука (рис.4.40).

Рис.4.39 Рассеяние ультразвуковой волны на кристаллах
а - область рэлеевского рассеяния;
б - потери на теплопроводность;
Рис.4.40 Зависимость затухания ультразвука от соот-
ношения средней величины зерна f) и длины волны X
При Я « D звук поглощается в каждом зерне, как в одном большом кристалле и затухание определяется в основном поглощением
(4.54)
здесь Са- коэффицент, не зависящий от величины зерна и анизотропии, Fa - фактор анизотропии. Для различных металлов при одинаковой величине зерна коэффициенты рассеяния разные.
129
Это отличие и учитывается с помощью фактора анизотропии. С учетом этого фактора металлы могут быть расположены в следующий ряд: W, Mg, At + Си (95%+5%), At, Fe, Си, Рв, а -латунь (72% Си + 28% Zn), ₽ - латунь (58% Си + 42% Zn).
Для вольфрама и магния FA = О. Эти вещества почти изотропны. Металлы, стоящие за железом, обладают большой степенью анизотропии. При Л « D рассеяние очень велико. Ультразвук как бы проникает, диффундирует между отдельными кристаллами подобно свету в мутной среде. Этот механизм называют диффузным рассеянием.
Особенно велико затухание приЛ « (3 — 4)2). Здесь к диффузному рассеянию добавляется поглощение, связанное с релаксацией теплопроводности на анизотропных к ристал л ах. В оз ни кающие на границах отдельных кристаллов в процессе их деформации градиенты температур не успевают выравниваться за период колебаний, что приводит к возрастанию тепловых потерь.
При » J) происходит рассеяние волны мелкими частицами, при котором коэффициент затухания
8 = C,FAD*f'	<4-55*
где С2 - коэффициент, не зависящий от величины зерна и анизотропии.
При 4D < Л < 102) рассеяние перестает быть рэлеевским и
начинает приближенно следовать закону р ~	.
Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используется для измерения последней. При этом применяют диапазон
длины волны от Л = (3 - 4)2) доЛ = (10 - 15)2), так как при этом быстро изменяется в зависимости от диаметра зерна. На рис. 4.41 показана зависимость коэффициента затухания продольных УЗ волн от величины зерна в образцах из стали 12X18Н9Т при f - 1, 25 МГц.
Для дефектоскопии обычно применяют такие частоты (0,5-
10 МГц), чтобы К была больше (10 - 15)2) . В этом интервале ультразвук слабо рассеивается и, как правило, не возникает помех, связанных с рассеянием на кристаллах.
Вторая часть затухания - поглощение, означает прямое преобразование звуковой энергии в тепловую. Эти преобразования определяются различными механизмами, которые здесь не рассматривало
ются. Понятно, что поглощение будет тем больше, чем быстрее будут совершаться колебания, то есть, чем выше частота ультразвука. Поглощение возрастает примерно пропорционально увеличению частоты, то есть медленнее, чем рассеяние.
Поглощение поперечных волн меньше, чем продольных, так как они не связаны с адиабатическими изменениями объема, при которых появляются потери на теплопроводность. Потери на теплопроводность пропорциональны квадрату частоты.
Рис.4.41 Изменение коэффициента затухания продольных волн в стали 12Х18Н9Т в зависимости от величины зерна (f = 1, 25 МГц)
Рис.4.42 Зависимость коэффициента затухания продольной ( 5,) и поперечной ( 6t ) волн в
железе (J) = 0, 05) от частоты
Оба составляющие затухания создают определенные трудности при УЗ контроле. Поглощение уменьшает амплитуду проходящих УЗ сигналов. Для его компенсации следует создавать более мощный зондирующий импульс, а также увеличивать усиление. Гораздо неприятнее рассеяние, так как яри эхо-методе оно не только уменьшает уровень сигналов, отраженных от дна и дефектов, но и создает многочисленные шумовые импульсы на экране дефектоскопа, связанные с отражениями от граней кристаллов. Эти шумовые сигналы называют иногда “травой”. В высокой “траве” может быть потерян полезный сигнал от дефекта. В борьбе с рассеянием не помогут увеличение мощности зондирующего импульса или усиления дефектоскопа, которые повлекут рост “травы”. Помогает лишь переход к более низким частотам. Однако при этом из-за увеличивающейся ширины лучка и растущей длительности импульсов ухудшаются возможности выявления маленьких дефектов. Затухание поперечных волн выше, чем продольных (рис.4.42).
131
Уменьшение интенсивности звука при прохождении отрезка г (рис.4.43)। связанное с влиянием затухания* может быть записано в виде:
где 5 = 8П + 8р - коэффициент затухания, учитывающий и рассеяние (8р) и поглощение (6О). Дг = г2 - гг
Амплитуда УЗ волны
(4.57)
Рис.4.43 Изменение интенсивности звука с расстоянием под влиянием затухания
В общем случае под амплитудой А УЗ волны может пониматься амплитуда одной из величин: смещения U, звукового давления Р} колебательной скорости V.
Из последней формулы может быть определено значение коэффициента затухания
-In А/л 5 =------—
Аг Коэффициент затухания показывает, на сколько уменьшается амплитуда УЗ колебаний под влиянием затухания при прохождении единицы длины пути Коэффициент затухания выражается либо в неперах на метр (Нп/м), либо в децибелах на метр (дБ/м).В последнем случае формула для интенсивности приобретает вид
(4.58)
2&V
Z —
8.68
(4.59)
Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии в 1 м амплитуда волны уменьшается ве раз (е - основание натуральных логарифмов). 132
Таблица 4,4
Коэффициент затухания ультразвука частотой 2>5 МГц для некоторых металлов
Металл	Коэффициент затухания, дБ/мм	
	Продольные волны	Поперечные волны
Сталь перлитная		
Отливки	0 - 0,018	-
Литые заготовки	0- 0,013	-
Прокат, поковки	0 - 0,009	-
Сварные соединения	0 - 0,009	0.009 - 0,018
Сталь аустенитная		
Литье	0.018 - 0.9	-
Мелкие локовки и прокат	0 - 0Т018	-
Крупные поковки	0 - 0,09	-
Сварные соединения	0,13 - 0,18	0,13 - 0,26
Титан		
Слитки	0,009 - 0,054	-
Поковки	0,009 - 0,045	
Сварные соединения	0,018 - 0,045	0,045 - 0,063
Алюминий		
Литье	0,009 - 0,072	-
Поковки	0 - 0,009	-
Сварные соединения	0 - 0,009	0,009
Бронза		
Литье	0,045 - 0.9	-
Поковки	0,018 - 0,045	-
Э практике УЗ контроля коэффициент затухания часто измеряют в неперах на сантиметр (или, что то же самое, в cw1), а также в децибелах на миллиметр (дБ/мм).
Если А, и А2, измеренные в дБ - относительные значения амплитуды волны в точках, отстоящих друг от друга на расстоянии Дг, то коэффициент затухания плоской волны вычисляется по формуле:
А - А
§ - —!-----(дБ/мм)	(4.60)
Дг
В таблице 4.4 приведены значения коэффициента затухания для некоторых металлов.
133
Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех изделиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.
4.12 Расчет акустического тракта прямого контактного преобразователя
Акустическим трактом УЗ дефектоскопа называют путь УЗ импульса от излучателя до отражателя и затем - обратно к приемнику ультразвука. При расчете акустического тракта ставится задача определить амплитуду сигнала от дефекта в зависимости от акустических свойств материала, частоты ультразвука, размеров и формы пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) и дефекта и расстояния между ними.
Естественные дефекты могут иметь самую различную форму, ориентацию и акустические свойства, которые заранее не известны. Поэтому уравнение акустического тракта решается обычно для искусственных дефектов, то есть полых отражателей достаточно простой геометрической формы.
Для анализа уравнений акустического тракта важное значение имеют понятия полей излучения и приема ПЭП УЗ дефектоскопа. Поле излучения ПЭП G(r) определяется амплитудой сигнала, действующего на элементарный приемник, помещаемый в различные точки пространства. При использовании такого подхода для любой точки на оси излучателя в виде дискового преобразователя получены выражения (4.51-4.53), приведенные нами в параграфе 4.9. Поле приема G*(r) определяется амплитудой сигнала приемного ПЭП при действии на него малого сферического излучателя, помещаемого в различные точки пространства.
В практике дефектоскопии часто ПЭП служит одновременно излучателем и приемником ультразвука. Для определения его приемно-излучающих характеристик целесообразно проанализировать акустический тракт при отражении ультразвука от сферы, диаметр которой значительно меньше длины волны. Такую сферу можно рассматривать как вторичный сферический излучатель, амплитуда сигнала которого пропорциональна амплитуде падающей волны. В результате амплитуда отражения от такого дефекта пропорциональна G(r)*G(r’), то есть произведению полей излучения и приема.
Как уже отмечалось (см.параграф 4.9), поле излучения ПЭП является результатом интерференции полей отдельных его точек, при
134
чем каждая точка может рассматриваться как элементарный источник с собственной диаграммой направленности. При расчетах на основании такого подхода реальные дефекты заменяют моделями правильной геометрической формы.,При экспериментах модели дефектов имитируют искусственными отражателями. В таблице 4.5 приведены приближенные формулы акустического тракта для дефектов, расположенных в дальней зоне круглого прямого совмещенного ПЭП. Строго говоря, формулы справедливы для г a 3N , однако на практике их иногда применяют при г > N.
Амплитуда сигналов, отраженных от дефектов, расположенных в ближней зоне ПЭП, зависит от формы и длительности импульсов.
Рис.4.44 Изменение амплитуды эхо-сигналов, вызванное различной формой и длительностью импульса. Заштрихованная область показыват диапазон изменения амплитуды
Так, например, формула для амплитуд сигналов от плоского диска в ближней зоне имеет вид:
Д = 0 - 4> />. •
(4.61)
Зависимость от указанных параметров выражается неопределенным коэффициентом (1+4). На рис.4.44 показан характер изменения амплитуд эхо-сигналов вблизи преобразователя с учетом формы и длительности импульса.
Если дискообразный отражатель расположен неперпендикулярно оси ПЭП, то амплитуда эхо-сигнала от него уменьшается, как показано на рис.4.45. Дефект как бы становится вторичным излучателем и сигнал от него убывает с увеличением тем быстрее, чем больше диаметр дефекта.
135
Таблица 4.5
Формулы акустического тракта прямого совмещенного ПЭП с круглым льезозлементом.
Модель дефекта
Тил искусственного отражателя
Уравнение акустического тракта при ГгЗН
Глухов отверстие с плоским дном
Диск площадью 3
	>2Ь
	
Л_ V
А. " AVJ
Глухов отверстие со сферическим дном
Л у 4 = 2^
! Сфера диаметром 2Ь		
>		
-tfr
Пролил
Бесконечная полоса ширимой 2Ь
		-Q сч
		
Сквозное отверстие
Д. (Az)w
Бесконечный цилиндр диаметром 2Ь
	
Л - L. Р
A. 2AV'r


Бесконечная ПЛОСКОСТЬ г	Донная плоская поверхность 	J	Л, 2Л/
Цилиндрическая вогнутая поверхность	Донная цилиндрическая поверхность	А_ £7* А„ ” КЛг
В таблице S -площадь отражателя, Sa - площадь излучателя.
136
4ЛЗ Поле излучения-приема наклонного преобразователя
Особенность акустического поля наклонного ПЭП состоит в том. что УЗ волны излучаются в материал призмы, а затем, испытав преломление на границе, попадают а изделие. Это сильно изменяет ближнее поле преобразователя. Распределение энергии в ближнем поле становится равномерным, отсутствуют четко выраженные максимумы и минимумы.
Поле в дальней зоне образуют лучи диаграммы направленнос-1И, которые возникли уже в призме ПЭП, а затем преломились на границе призмы с изделием. При этом ослабление каждого луча определяется коэффициентом прозрачности для данного угла падения.
В результате в плоскости падения акустической оси (рис.4.46) диаграмма направленности расширяется вследствие преломления, так как угол преломления возрастает тем быстрее, чем больше угол падения. Диаграмма направленности становится несимметричной. Амплитуда поля оказывается более высокой в нижней части, где расхождение лучей меньше, а интенсивность - больше. Это явление выражено тем сильнее, чем больше угол призмы ПЭП.
При расчете расстояния от преобразователя до дефекта в плоскости падения волны допустимо преобразователь заменить мнимым излучателем - приемником с центром в точке Ог Точка О, располагается на продолжении преломленной акустической оси на расстоянии
137
Рис 4,46 Схема к расчету поля наклонного ПЭП
О}О' = г'= г{
С,п __ ( cos а }
1 * _______
С, ^cos 0 )
(4.62)
где г( - действительный путь ультразвука в призме;
С,п - скорость продольной еолны в призме ПЭП;
Ct ’ скорость поперечной волны в изделии.
В сечении плоскостью, проходящей через преломленную акустическую ось и перпендикулярной плоскости падения, поле остается симметричным. Диаграмма направленности будет такой же, как если бы поперечные волны непосредственно излучались в изделие мнимым источником с центром а точке, расположенной на расстоянии г” от точки О’:
г" = г, С/С,	(4.63)
Для преобразователей с углами падения, достаточно удаленными от критических, поле в изделии с удовлетворительной точностью представляется как поле, излученное мнимым ПЭП в виде пластины эллиптической формы с полуосями 2а cosa/cosf} в плоскости падения и 2а в перпендикулярной плоскости. За расстояние гл до этой пластины от точки выхода О’ следует принять примерно среднее геометрическое между г’ и г” , то есть
/ — G COS а
гд у!г’*Г ’ =	— * ------- (4.64)
Ct cosp
138
Величина ^называется приведенным путем ультразвука в призме ПЭП.
Так же, как для прямых ПЭП, выведены приближенные формулы для расчета акустического тракта наклонных ПЭП при г >- 3N (табл.4.6). Размер ближней зоны для наклонных ПЭП с круглым пьезоэлементом можно рассчитать по формуле 4.48. Ближнюю зону в плоскости падения наклонного ПЭП с прямоугольным пьезоэлементом можно оценить экспериментально-расчетным путем, исходя из следующих соображений. Если измерить угол раскрытия основного лепестка в плоскости падения на уровне 6 Дб, то из формулы (4.45) можно определить эффективный радиус пьезоэлемента, то есть радиус круглого пьезоэлемента, который имел бы такую же ближнюю зону:
_ 0335 * Л йзф sin 0О,
(4.65)
Тогда ближнюю зону в плоскости падения такого ПЭП можно оценить по формуле:
0,1225 * Л sin2 0О5
(4.66)
Способ экспериментального определения ширины диаграммы направленности приведен в разделе 7 данной книги. Протяженность ближней зоны в материале изделия (рис.4.47)
Рис.4.47 Ближняя зона наклонного преобразователя
139
Таблица 4.6
Формулы акустического тракта наклонного совмещенного ПЭП с круглым пьезоэлементом
Модель дефекта
Тип искусственного отражателя
Уравнение акустического тракта при te3N
Диск площадью S
Глухов отверстие с плоским дном
.4	_а_	____
— =  -----8 41  --------g
Л/(г + Гд)' COS0
Dh 5\Scosa
Сегментный отражатель площадью S
Наклонная выемка, выполненная фрезеровкой
А
DhS„S cos а
Е cos fl
Сфера диаметром 2Ь
Наклонное глухое отверстие со сферическим дном
Л
D(rSahcosa
— =-------j--— Е
2Д(г + г6) со$Д
Бесконечный ЦИЛЯНДР диаметром 2Ь
h
A Docosa
До 2 Д. cos р ^(г + гй)
Цилиндр диаметром 2Ь длиной 21		Сквозное отверстие		Л г- DbSJjcvsa ПГ 	— t о	z			-	।	с (г +гд f cos£ V4
1
140
D]t - коэффициент прохождения через границу раздела; 8пр - коэффициент затухания в материале призмы.
Е=е-Ч^,ч)
N ~Н-гл
Глубина ближней зоны
Н - N cos а и н
(4.67)
(4.68)
4.14 АРД - диаграмма
В отечественной УЗ дефектоскопии широко распространено сопоставление размеров выявляемых несплошностей (дефектов) с размерами плоского диска, ориентированного перпендикулярно акустическому лучу. Эквивалентным размером (диаметром или площадью) дефекта называют размер искусственного круглого плоскодонного отражателя, расположенного в образце с одинаковыми акустическими свойствами перпендикулярно акустической оси на том же расстоянии, что и дефект, который дает эхо-импульс такой же амплитуды.
141
Для расчета амплитуды эхо-сигнала от дефекта в широком диапазоне расстояний и размеров дефектов применяются АРД-диаграммы. Они устанавливают зависимость между амплитудой (А) эхо-сигнала от дискового отражателя, ориентированного перпендикулярно акустической оси ПЭП и отражающего 100% падающей на него УЗ энергии, расстоянием (Р) от излучателя до отражателя и размером - площадью или диаметром (Д) отражателя.
Существуют обобщенные (нормированные) и рабочие АРД-диаграммы. В обобщенных АРД-диаграммах {рис.4.48) по горизонтальной оси отложено расстояние между отражателем (дефектом) и излучателем (ПЭП), отнесенное к величине ближней зоны ПЭП (r/N). По вертикальной оси отложено отношение А/Ао в отрицательных децибелах. На диаграмму нанесена группа кривых, показывающих зависимость А/Аа от расстояния. Каждой кривой соответствует определенный размер {диаметр) отражателя, отнесенный к диаметру пьезоэлемента. Обобщенные АРД-диаграммы используются для построения рабочих АРД-диаграмм.
Рабочие АРД-диаграммы {рис.4.49) строят для конкретных размеров, частоты и угла ввода ПЭП, используя следующие способы:
-	построение на основе обобщенных АРД-диаграмм;
-	экспериментальным путем на основе измераний амплитуд эхо-сигналов от искусственных отражателей в образцах;
-	расчетным путем с применением уравнений акустического тракта.
По горизонтальной оси рабочей АРД-диаграммы отложено расстояние между отражателем и излучателем. Для наклонных ПЭП это соответствует расстоянию по лучу. На некоторых рабочих АРД-диа-граммах для наклонных ПЭП по горизонтальной оси приводится расстояние по вертикальной координате (по глубине) или по горизон-тельной координате. Вместо последнего расстояния иногда приводят "укороченную проекцию" - расстояние от передней грани ПЭП до проекции отражателя на поверхность контроля. По вертикальной оси отложено отношение А/Ао в дБ. Каждой кривой соответствует определенный размер (диаметр или площадь) отражателя. Верхняя кривая .соответствует бесконечной плоскости - донной поверхности.
Метод АРД-диаграмм широко используется как в отечественной, так и в зарубежной практике. Так, в Германии для обозначения этого метода используют аббревиатуру AVG-диаграммы. В отечественной литературе указывают на принципиальное отличие в построении АРД- и AVG-диаграмм: АРД-диаграммы построены по максимуму отраженного сигнала, а AVG-диаграммы получены эксперимен-тельно из условия соосного расположения преобразователя и искус-
142
Рис.4.48 Обобщенная АРД-диаграмма
Рис.4.49 Рабочая АРД-диаграмма для преобразователя W8 45-2
143
ственного отражателя. Кроме того, если в отечественных АРД-диаграммах по горизонтальной шкале отложено расстояние в линейных единицах, то в AVG-диаграммах эта шкала построена в логарифмических единицах. Тем не менее сущность и основные правила применения этих методов являются общими, поэтому в дальнейшем тексте данной книги будет применяться термин АРД-диаграмма в том числе и к зарубежным диаграммам.
Широко применяются АРД-шкалы - накладные прозрачные шкалы, которые закрепляются перед экраном дефектоскопа. На шкалах нанесены кривые изменения амплитуд эхо-импуль-сов от отражателей разных размеров в зависимости от расстояния до отражателя.
АРД-диаграммы и АРД-шкалы используют для настройки чувствительности дефектоскопа и определения эквивалентных размеров обнаруженных дефектов,
4.15	Пересчет отражателей одного вида в отражатели другого вида
Как было отмечено в предыдущем параграфе, размеры обнаруженных несплошностей, как правило, сравнивают с размерами круглого дискового отражателя. Однако реальные дефекты довольно часто имеют форму, близкую к другим моделям отражателей. Это является одной из причин отличия реальных размеров дефекта от эквивалентных, то есть полученных указанным выше способом.
Поэтому иногда возникает необходимость оценить эквивалентный размер дефекта по плоскодонному отражателю через эквивалентный размер по отражателям другого вида. Рассмотрим на конкретном примере способ такого пересчета, основанный на применении уравнений акустического тракта.
Пусть наклонным преобразователем выявлен протяженный дефект, эквивалентный размер которого при сопостановлении с плоским диском оценен = Sn. Предполагается, что дефект по форме близок к цилиндрическому отражателю, превышающему ширину УЗ пучка. С целью более точной оценки реальных размеров дефекта требуется определить эквивалентный размер выявленного дефекта по отражателю типа бесконечный цилиндр.
При этом известно, что г > 3N. Используем формулы для расчета ослабления сигнала акустического тракта. Все параметры, относящиеся к плоскодонному отражателю, обозначим индексом "п", к бесконечному цилиндру - индексом "ц”. Используя уравнения акустического тракта, и полагая А,/А. =	получим:
144
„cos a £ cos a p £ + rj2 cos £	22, cos v^r + rJ3
После упрощений получаем:
. откуда
> -
4 ^О' + 'к) ^(г+гл)
Для конкретных данных: р - 50°; f = 2.5 МГц; гд » 6,6 мм; X, - 1.3 мм; г = 100 мм; Sn = 12 ммг, получим Ьц = 3,5 мм.
Это означает, что плоскодонный отражатель диаметром 2Ьп = 4 мм и длинный цилиндрический отражатель 2Ьц = 7 мм, расположенные на глубине 100 мм, дадут одинаковую амплитуду отраженного сигнала.
При работе с наклонными преобразователями в качестве искусственного отражателя иногда используют угловой отражатель-зарубку (рис.4.50).
Рис.4.50 Отражатель типа "зарубка1'
Рис.4.51 Зависимость коэффициента “К” от угла падения УЗ луча на вертикальную стенку зарубки
При небольших толщинах контролируемых изделий отражатель типа зарубки удобно использовать вместо плоскодонного отверстия. При этом отношение глубины зарубки h к ее ширине Ь должно быть 0,5-4, а размеры h и b должны быть больше длины волны ультразвука.
145
Площадь зарубки S3, дающей сигнал, равный сигналу от заданного плоскодонного отверстия Sn, определяют по формуле
S=S/K	(4.69)
Значение коэффициента ПК" для стали и некоторых преобразователей, полученные экспериментально, можно взять из графика (рис.4.51).
При использовании вместо зарубки углового цилиндрического отражателя (вертикального отверстия) его диаметр 2Ь при площади зарубки S3 от 2 до 10 мм2 рассчитывается по эмпирической формуле
где - в мм2.
2Ь = 6.5 (S' -1).
(4.70)
4.16	Отражение от реальных дефектов
Реальные дефекты в изделиях во многих отношениях отличаются от их моделей. Так, плоские дефекты в общем случае имеют некруглую форму, их поверхность не является идеально плоской и гладкой, дефект может быть различной толщины, его заполнение может быть разнообразным.
Влияние толщины прослойки обсуждалось нами ранее (п.4.6.2). Рассмотрим влияние шероховатости поверхности дефекта на отражение УЗ волны. Мерой шероховатости и гладкости поверхности является длина волны ультразвука. Если различие в высоте неровностей поверхности дефекта не превышает 1/3 длины волны, то ее считают гладкой. Поверхность отражает ультразвук как зеркало. Если шероховатость больше, поверхность ведет себя как запыленное зеркало в световом луче. Наряду с зеркальным отражением возникает рассеяние в других направлениях. Такая шероховатая поверхность может дать отражения в направлении излучения даже при падении луча под углом (рис.4.52). Естественно,что зеркальное отражение на шероховатой поверхности получается слабее.
Рис.4.52 Падение УЗ луча на шероховатую поверхность под углом
146
На рис.4.53 показано, как влияет шероховатость поверхности на величину отраженного сигнала. При шероховатости порядка длины волны и более зеркальное отражение исчезает. Определяющим является рассеяние ультразвука. Так отражает ультразвук сильно корродированная поверхность, а также поверхность некоторых реальных дефектов, например, раковин в литье.
Рис 4.53 Отражение на шероховатой поверхности.
Относительная высота эхо-сигнала Н в зависимости от угла падения а - нерегулярная шероховатость глубиной 2 мм при X = 2,4 мм; б - регулярная шероховатость в виде фрезерованных канавок глубиной и расстоянием - 2 мм. Луч перпендикулярен оси канавок
Эхо таких дефектов является слабым и широким в сравнении с зеркальным отражением. Оно быстро меняет свою величину и форму в зависимости от угла падения.
Реальные дефекты отличаются от рассмотренных моделей также материалом их заполнения. Это могут быть неметаллические (шлаковые) включения, которые тем хуже отражают ультразвук, чем больше их акустическое сопротивление. В некоторых случаях отражающая способность дефектов существенно ухудшается из-за отсутствия резкой границы между металлом и дефектом. Так, например, раковины в литье часто бывают окружены пористостью, которая в большой мере рассеивает ультразвук. Из-за этой причины даже крупные раковины могут быть не выявлены при УЗ контроле эхо-методом.
4.17	Электроакустический тракт ультразвукового дефектоскопа
В электроакустический тракт входят пьезопреобразователь, прилегающие к нему тонкие слои и электрические колебательные контуры генератора и приемника дефектоскопа.

147
На рис.4.54 показана общая схема электроакустического тракта дефектоскопа. В иммерсионных и наклонных преобразователях акустической нагрузкой является иммерсионная жидкость или призма преобразователя. Часто акустический контакт пьезопреобразователя со средой осуществляется не непосредственно, а через промежуточные тонкие слои: протектор, масло, слой клея и т.д. На рис.4.54 показан один промежуточный слой 3.
Рис.4.54 Схема электроакустического тракта дефектоскопа.
1 -демпфер; 2 - пьезопреобразователь; 3 - промежуточный слой; 4 - изделие
Пьезопреобразователь электрически связан с генератором Uo и колебательным контуром. На данной схеме показан случай последовательного соединения пьезопреобразователя, генератора и контура. В контур входят сопротивление R и индуктивность L; емкостью контура С служит сам пьезопреобразователь. Когда ПЭП работает в режиме приема, используется тот же контур, но генератор UG замыкается накоротко.
При расчете электроакустического тракта ставится задача достижения оптимального сочетания основных характеристик: чувстви
тельности. полосы пропускания, мертвой зоны, разрешающей способности и стабильности акустического контакта. Задача решается путем рассмотрения прохождения волн в слоистой системе.
Чувствительность при излучении и определяется как отношение максимальных амплитуд излученного акустического сигнала Ао и электрического сигнала Ио.
Чувствительность при приеме Vе определяется как отношение максимальных амплитуд электрического сигнала U' на входе усилителя дефектоскопа и акустического сигнала падающей на него волны А’:
v' = U>/A>
Произведение определяет общую чувствительность
VV’ = Л U7A'U а	»
(4.71)
(4-72)
Чувствительность используется при вычислении общего ослабления УЗ сигнала в электроакустическом и акустическом трактах дефектоскопа:
148
U' = U uvM 7A
(4.73)
Полоса пропускания ПЭП определяется кривой зависимости чувствительности от частоты. Приближенно ее можно охарактеризовать величиной, принятой в радиотехнике.
(4.74)
где tfD - резонансная частота, в данном случае собственная частота ненагруженного пьезозлемента; f2 и f,  частоты (меньше и больше f0), на которых чувствительность уменьшается до уровня 0,7 от максимальной.
Чем шире полоса пропускания ПЭЛ, тем меньшее искажение претерпевают импульсы в процессе преобразования электрических колебаний в акустические и обратно.
Для достижения максимальной разрешающей способности и минимальной мертвой зоны стремятся формировать возможно короткие импульсы. Если ширина полосы пропускания недостаточна, импульсы растянутся, что приведет к ухудшению разрешающей способности и увеличению мертвой зоны. Минимально допустимое значение Af/f0 = 0,2, однако для повышения разрешающей способности желательно увеличение Af/f0 до 0.4 -0,5.
Стабильность акустического контакта необходимо учитывать только при расчете режима пьезозлемента прямого ПЭП. 8 других типах ПЭП между пьезоэлементом и изделием расположена протяженная среда, поэтому улучшение или ухудшение передачи ультразвука из этой среды в изделие не отражается на колебательном режиме пьезопластины.
Для прямого ПЭП, наоборот изделие является частью нагрузки, а толщина слоя контактной жидкости определяет степень связи с этой нагрузкой. Чтобы обеспечить стабильность акустического контакта, нужно свести к минимуму влияние толщины слоя контактной жидкости на режим колебаний пьезопластины.
На рис.4.55 приведены кривые изменения чувствительности ПЭП с пьезоэлементом из цирканата титана свинца (ЦТС) в зависимости от частоты при излучении в плексиглас при наличии демпфера с акустическим сопротивлением z= 6*106 кГ/м2сек. Потери энергии на затухание в пьеэоматериале и протекторе не учитывались. За единицу на рисунке принята резонансная частота полуволновой пьезопластины, совпадающая с резонансной частотой электрического контура.
Л=1/(2^С.)	(4-75)
149
Рис.4.55 Изменение чувствительности ПЭП в зависимости от частоты
Параметром семейства кривых является добротность элект-рического контура
Q = l/(2jtfCR)	(4.76)
В формулах 4.75, 4,76 и на рис.4.54 приняты обозначения: L - индуктивность; Сэ - электрическая емкость; R - электрическое сопротивление.
При Q < 1 максимальная чувствительность достигается на резонансной частоте и растет с увеличением Q. При увеличении добротности более 2-4 чувствительность на резонансной частоте практически не повышается и здесь образуется минимум. Это объясняется действием вторичных пьезоэффектов: когда пьезоэлемент излучает ультразвук, он в тоже время работает как генератор электрических колебаний, включенный навстречу основному генератору. В процессе приема звука пьезоэлемент одновременно излучает обратно часть принятой энергии. При определенной добротности электрического контура эти эффекты сравниваются с первичными, и дальнейшее повышение добротности не вызывает возрастания чувствительности. На частотах, отличающихся от резонансной, максимальная чувствительность достигеется при больших значениях Q. Это приводит к расширению частотной полосы преобразователя, а при дальнейшем повышении Q - даже к появлению минимума на кривой в области f/f0 - 1 и двух максимумов на частотах f/f0 примерно равных 0,8 и 1,2. Доб
150
ротность, при которой достигается максимальное расширение полосы частот, но боковые максимумы не образуются, соответствует оптимальным условиям работы ПЭП.
Применение демпфера увеличивает полосу пропускания и уменьшает чувствительность. Очень полезно применение согласующего протектора, который обеспечивает максимальное прохождение ультразвука из льезопластины а изделие. Это достигается, когда четвертьволновый протектор изготовлен из материала с акустическим сопротивлением
=7^1
(4.77)
где z2 и z4 - акустические сопротивления пьезоэлемента и среды, в которую производится излучение.
В наклонных ПЭП, где излучение производится в плексигласовую призму, демпфирование пьезоэлемента приводит лишь к небольшому расширению полосы пропускания. Поэтому в наклонных ПЭП можно использовать льезоэлементы без демпфера.
Для прямых ПЭП высокая стабильность акустического контакта имеет большое значение. Стабильная чувствительность получается в случае согласования между демпфером ПЭП и слоем контактной жидкости. Согласование приводит к тому, что не вошедшая в изделие УЗ волна отводится в демпфер. В результате в контактном жидком слое не возникает многократных отражений УЗ волн, интерференция которых является главной причиной нестабильности акустического контакта. Условия согласования выполняются, если ПЭП снабдить четвертьволновым протектором, а материалы демпфера и протектора подобрать такими, чтобы выполнялось условие
Zn ” \lZwZ3
(4.78)
где zn, zx и z3 - акустические сопротивления материалов протектора, демпфера и контактной жидкости.
4.18	Способы возбуждения ультразвуковых колебаний
В настоящее время известно несколько способов возбуждения УЗ колебаний, применяемых в УЗ дефектоскопии. Эти способы основаны на различных физических явлениях.
Наибольшее распространение получил способ, основанный -на явлении пьезоэлектрического эффекта. В 1880 году французские ученые братья Кюри заметили, что деформация пластинки квар
151
ца вызывает появление на ее гранях электрических зарядов. Если на пластинку кварца нанести электроды и с помощью проводников подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластинки возникает электрическое напряжение. При растяжении пластинки также получается напряжение, причем той же величины, но противоположного знака.
Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластинки при ее деформации называют прямым пьезоэлектрическим эффектом ("пьезо" по-гречески означает “давить").
Спустя год, основываясь на теоретических предположениях Липимана, братья Кюри обнаружили и обратное явление. Если к электродам пластинки подвести электрический заряд, то размеры ее увеличатся или уменьшатся в зависимости от полярности приложенного напряжения. При изменении знака приложенного напряжения кварцевая пластинка то сжимается, то растягивается в такт со знаком приложенного напряжения. Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Рис.4.56 Объяснение пьезоэлектрического эффекта а - пластина свободна; б - пластина сжата; в - пластина растянута
Явление пьезоэлектрического эффекта в кварце может быть объяснено на основе рассмотрения следующей модели (рис.4.56}.
На рис.4.56, а схематически показано строение элементарной ячейки кристалла кремния SiO2. Ф обозначены атомы кремния с зарядом + 4}© группы из двух атомов кислорода с зарядом - 4. Ячейка недеформирована и является электрически нейтральной. Заряд ато
152
ма 1 компенсируется зарядами групп 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем атом 1.
При сжатии пластины (рис.4.56, б) отрицательные группы 2 и 6 выдвигаются к плоскости А и на этой поверхности появляется избыточный отрицательный заряд. У поверхности Б по такой же причине возникнет избыточный положительный заряд. При изменении направления деформации (рис.4.56, в) полярность поверхностей А и Б ме
няется на противоположную.
Рис.4.57 Кристалл кварца
Пьезоэффект является свойством кристаллов и связан с наличием одной или многих осей. Естественный кристалл кварца представляет собой весьма стабильный материал как с химической, так и с физической точки зрения и имеет высокую степень твердости. Кристалл кварца имеет форму шестигранной призмы, оканчивающейся пирамидоподобными сужениями на концах (рис.4.57).
Если провести линию, параллельную граням призмы, то эта линия определит оптическую ось кристалла (ось z). Электрическая ось определяется линией, соеди
няющей противоположные углы шестигранной призмы - осьх, поэтому имеется три оси к в каждом естественном кристалле кварца (рис.4.58). Ось у направлена
перпендикулярно к каждой площадке призмы, этих осей в кристалле также три. Оси х и у перпендикулярны оси х.
Рис.4.58 Изготовление пластины х-среза
153
Пьезоэффект наблюдается лучше всего в том случае, если пластинки вырезаны в плоскости, параллельной оси z и одной из осей у и перпендикулярны оси х. Такая пластинка называется х-срезом.
Если пластинку, вырезанную таким способом, деформировать в направлении оси х, то на ее поверхности возникнут электрические заряды. Если пластину поместить в переменное электрическое поле, направленное вдоль оси х, то пластина будет совершать толщинные колебания. В некоторых случаях изготавливают пластины у-среза, то есть такие, которые вырезаны перпендикулярно оси у и параллельно осям х и z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания (рис.4.59).
Рис.4.59 Колебания пьезоэлектрической пластинки в переменном электрическом поле: а • х-срез; б - у-срез
Пластинки х-среза служат для возбуждения продольных, ау-среза - для возбуждения поперечных волн.
Пластинки для преобразователей выполняют толщиной
</=Л/2 = С/(2/0)	(4.79)
где 1 - длина аолны, С - скорость ультразвука в материале пьезоэлемента.
Термоакустический эффект. Известно, что если нагреть поверхностный участок какого-либо тела, то другие участки этого тела приобретут повышенную температуру не сразу, а лишь спустя некоторое время. Неравномерное распределение температуры Приводит к неравномерному тепловому расширению тела, к появлению термомеханических напряжений. Поскольку эти напряжения изменяются во времени, то в результате возникают акустические волны, излучаемые слоем с изменяющейся температурой. В этом и заключается суть термоакустического эффекта.
Нагрев может осуществляться бесконтактно (индукционный нагрев) и даже дистанционно (нагрев лучом лазера), что дает возможность для бесконтактного возбуждения акустических колебаний в объекте контроля.
Электромагнитно-акустические (ЭМА) методы возбуждения и приема УЗ колебаний основаны на явлениях магнитострикции,
154
магнитного и электродинамического взаимодействия. Магнитострикцией называют явление изменения геометрических размеров ферромагнитных материалов под воздействием изменяющегося внешнего магнитного поля. Обратный эффект называют маг-
нитоупругостью.
Рис.4.60 Схема простейшего ЭМА-преобраэователя
Бесконтактное возбуждение и прием УЗК осуществляют за счет магнитострикционного магнитоупругого эффектов, наблюдаемых непосредственно в контролируемом изделии. Схема ЭМА-преобразователя изображена на рис.4.60. В намагниченном магнитом 1 изделии 3 под действием катушки 2 с переменным током возбуждается переменное магнитное поле, которое вызывает в объеме изделия вблизи поверхности эффект магнитострикции.
Магнитное взаимодействие заключается во взаимном притяжении и отталкивании ферромаг
нитного материала и проводника (катушки) с переменным элект-
рическим током. Например, под действием постоянного магнитного поля изделие намагнитится. Катушка с переменным током будет притягиваться и отталкиваться от него в зависимости от направления образовавшегося в ней магнитного поля. Притяжение и отталкивание катушки будет оказывать обратное механическое воздействие на изделие, что приведет к возбуждению упругих колебаний на его поверхности. Возникающие при этом силы будут поверхностными, поскольку магнитный полюс образуется на поверхности изделия. Прием упругих колебаний будет происходить в результате того, что поверхность изделия будет приближаться и удаляться от катушки, изменяя в ней магнитное поле, что в свою очередь приведет к возникновению
электрического тока в катушке.
Электродинамическое взаимодействие состоит в возбуждении в токопроводящем материале вихревых токов, которые взаимодействуют с постоянным магнитным полем и вызывают колебания “электронного газа”, а это в свою очередь приводит к возбуждению колебаний атомов, т.е. кристаллической решетки материала. Например, вихревые токи (рис.4.60), индуцируемые в изделии катушкой 2 с переменным током, будут направлены перпендикулярно плоскости чертежа (отмечены точками), а силы их взаимо
155
действия с магнитным полем - параллельно поверхности изделия. В результате в изделии возбудится поперечная волна. Поскольку вихревые токи распределены в слое конечной толщины, возникающие упругие силы будут носить объемный характер, но вследствие скин-эффекта они будут концентрироваться в узком подповерхностном слое. Обратный эффект состоит в возбуждении вихревых токов в металле, колеблющемся в постоянном поле под действием упругих волн. Эти вихровые токи индуцируют переменный ток в катушке 2, которая в данном случае служит приемником.
Эффекты магнитострикции и магнитного взаимодействия позволяют возбуждать продольные ультразвуковые волны как в ферромагнитных металлах, так и в магнитодиэлектриках. При определенной взаимной ориентации поля подмагничивания и переменного поля эффект магнитострикции может обеспечить возбуждение поперечных волн. Электродинамический эффект обуславливает возбуждение волн разных типов в любых токопроводящих материалах. В ферромагнитных металлах, например в железе, наблюдаются одновременно все три эффекта, поэтому работу ЭМА-преобразователей, использующих все три эффекта, рассматривают в целом.
При использовании ЭМА-преобразователей не требуется применение контактной жидкости, поэтому при таком способе легче автоматизировать процесс контроля. Недостатком способа являются большие габариты ЭМА-преобразователя и меньшая чувствительность, чем при использовании пьезоэлектрических преобразователей.
156
ГЛАВА 5 МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОВ
5.1	Классификация акустических методов
В настоящем разделе идет речь о методах УЗ контроля, получивших наиболее широкое распространение при изготовлении и эксплуатации объектов энергетического машиностроения, химической промышленности, а также отрасли судостроения. Различают активные и пассивные методы акустического контроля (рис.5.1). Активные мето-ды основаны на излучении УЗ волн и последующем приеме отраженных, прошедших или дифрагированных сигналов.-Пассивные методы основаны только на приеме УЗ волн, возникших в объекте контроля.
Активные методы подразделяют на:
-	методы прохождения, использующие излучающий и приемный преобразователи (ПЭП). расположенные по разные стороны объекта контроля или контролируемого участка;
-	методы отражения, регистрирующие и анализирующие сигналы, отраженные от границы раздела двух сред с разными акустическими свойствами;
-	комбинированные методы, использующие элементы методов прохождения и отражения.
Рис.5.1 Классификация акустических методов контроля
157
5.2	Теневой метод (амплитудный)
Основан на посылке в контролируемое изделие упругих колебаний и регистрации изменения их интенсивности после однократного прохождения через контролируемый объем. ПЭП, излучающий УЗ колебания, находится по одну сторону контролируемого изделия или его участка, приемный ПЭП находится с другой его стороны соосно с излучателем (рис.5.2).
Рис.5.2 Схема УЗ контроля теневым методом прямыми (а), наклонными (в) ПЭП и поверхностными волнами (г), б - изображение на экране дефектоскопа при контроле прямым преобразователем
При отсутствии нарушений сплошности материала приемный ПЭП регистрирует определенную амплитуду сигнала, прошедшего через изделие. При постоянной толщине изделия, однородном материале, одинаковой шероховатости поверхности изделия и параллельности верхней и нижней поверхностей амплитуда прошедших упругих волн будет изменяться в небольших пределах. Наличие несплошностей материала на пути УЗ волны приведет к уменьшению амплитуды принятого сигнала, так как за дефектом образуется акустическая тень. Это уменьшение регистрируется индикатором дефектоскопа и является признаком наличия дефекта в зоне контроля. О величине дефекта можно судить по степени ослабления прошедшего сигнала.
158
5.3	Эхо - метод
Поскольку при использовании этого метода дефектоскоп работает, как правило, в импульсном режиме, метод часто называют эхо-импульсным. Может использоваться ПЭП как с одним пьезоэлементом, совмещающим функции излучателя и приемника, так и ПЭП с раздельными излучателем и приемником или два ПЭП, один - в режиме излучения, второй - в режиме приема. Обычно излучатель и приемник находятся с одной стороны изделия (рис.5.3).
Рис.5.3 Схема УЗ контроля эхо-импульсным методом
3 - зондирующий импульс; д - эхо-сигнал от дефекта;
Д - донный сигнал
Излучаемые в изделие импульсы УЗ волн называют зондирующими. Дефектоскоп посылает их через определенные промежутки времени. Зондирующий импульс УЗ колебаний отражается от противоположной (донной) поверхности изделия и, возвращаясь, частично попадает на приемный пьезоэлемент ПЭП. На экране электронно-лучевой трубки возникает донный сигнал. При наличии несплошности (дефекта) импульс УЗ колебаний отразится от него раньше, чем от донной поверхности. Между зондирующим и донным сигналами возникает промежуточный - импульс от несплошности, который и является признаком наличия дефекта при этом методе.
5.4 Зеркальный эхо - метод
Метод использует сигналы, зеркально отраженные от донной поверхности изделия и дефекта. Существует несколько вариантов этого
159
метода. Для выявления дефектов с вертикальной ориентацией применяют вариант, называемый способом тандем (рис.5.4).
Особенностью этого способа является постоянство суммы
х, -rx2 = IHtga - const
Для получения зеркального отражения от дефектов с ориентацией, отличающейся от вертикальной, х1 + х2 варьируют. При реализации способа тандем возможно размещение излучателя и приемника как на одной поверхности издвлия (приемник в точке В на рис.5.4), так и на двух поверхностях (приемник показан пунктиром в точке Д). Такой вариант называют К-методом.
Рис.5.4 Вариант зеркального эхо-метода - способ тандем
Вариант зеркального эхо-метода, при котором излучатель и приемник расположены не в одной плоскости, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от вертикального дефекта, называют тандем-дуэт {иногда применяют термин "стредл") - рис.5.5. Этот способ характеризуется расположением излучателя и приемника на одной поверхности по разные стороны шва.
4
Рис.5.5 Контроль по способу ;‘стредл"
160
Признаком наличия дефекта при зеркальном эхо-методе является появление эхо-импульса в заданном месте развертки.
5.5	Дельта - метод
Этот метод использует явление дифракции волн на дефекте (рис.5.6).
Рис.5.6 Дельта - метод УЗ контроля
Излучатель озвучивает дефект поперечной УЗ волной. Часть падающего пучка отражается зеркально в виде поперечной волны (Ct), другая часть дифрагирует в виде поперечной или трансформированной продольной волны. Наиболее интенсивно дифракция возникает на острых краях дефектов, например, на краях эксплуатационных трещин. Дифрагированная продольная волна может быть принята прямым ПЭП. Признаком наличия дефекта является появление эхо-импульса в зоне контроля.
5.6	Зеркально - теневой метод (ЗТМ)
При ЗТМ излучающий и приемный ПЭП расположены так жег как при эхо-методе - с одной стороны изделия или контролируемого участка (рис.5.3). Обычно контроль проводят совмещенным ПЭП. Признаком наличия дефекта является ослабление сигнала, отраженного от донной поверхности изделия. Чем больше размеры дефекта, тем больше ослабляется донный сигнал. Для количественной оценки выявляемое™ дефекта при ЗТМ введен коэффициент выявляемое™ дефекта, характеризующий вызываемое дефектом ослабление первого донного эхо-сигнала при прозвучивании прямым ПЭП:
(5-2)
где Кд - коэффициент выявляемое™ дефекта;
Ад| - минимальная амплитуда первого донного сигнала при наличии дефекте в зоне УЗ пучка;
161
Ао1 - амплитуда первого донного сигнала при отсутствии дефекта.
Значение Кд лежит в пределах от 0 до 1 и тем меньше, чем больше размер дефекта. В некоторых случаях по этому коэффициенту можно судить о размерах дефектов, выявленных в изделии.
5.7	Эхо - теневой метод
При эхо-теневом методе регистрируются и анализируются как прошедшие, так и отраженные УЗ волны (рис.5.7). При этом с одной стороны изделия находятся излучатель и приемник, а с другой -только приемник. Наиболее часто такой метод применяют в автоматических установках УЗ контроля.
Рис.5.7 Схема эхо - теневого метода контроля
5.8	Сквозной эхо - метод
Сущность метода видна из схемы рис.5.8. Здесь, в отличие от обычного эхо-метода, излучение и прием сигналов производится различными ПЭП, расположенными строго соосно с противоположных сторон изделия. После возбуждения излучателя первым по времени на приемникП поступает импульс! (первый прошедший). Вторым (при
Рис. 5.8 Схема УЗ контроля сквозным эхо - методом
отсутствии дефектов) - импульс IV (второй прошедший), претерпевший два последовательных отражения-от обеих поверхностей листа. Если на пути распространения ультразвуковых колебаний встретится дефект, то возникнут эхо-сигналы !! и III. Последние достигнут приемника в интервале времени между приходом импульсов i и IV, последовательно отразившись от дефекта и от одной из поверхностей листа.
162
Очевидно, что смещение листа к любому из ПЭП сопровождается точно таким же отдалением его от другого ПЭП. Поэтому, в отличие от иммерсионного варианта обычного эхо-метода, время распространения любого из импульсных сигналов в иммерсионном варианте сквозного эхо-метода всегда остается неизменным, не зависящим от положения листа между преобразователями. Это значительно упрощает электронную аппаратуру, так как коробоватость и волнистость листов не будут сказываться на работе временных селекторов даже в тех установках, у которых имеется несколько параллельно действующих УЗ каналов с одним, общим генератором селектирующих импульсов.
Второй особенностью сквозного эхо-метода является возникновение по крайней мере двух эхо - импульсов от одного и того же дефекта “д” из-за нескольких возможных путей прохождения отраженных от него сигналов, а именно: И-1 -д-1-д-2-п для импульса II и И-1-Д-2-Д-2-П для импульса III. При этом импульс 111 (или II при залегании дефекта ближе к поверхности 2) будет всегда появляться раньше импульса IV и может быть легко зарегистрирован. Это свойство эхо - сквозного метода почти полностью исключает приповерхностную неконтролируемую “мертвую” зону металла. Последнее позволяет обходиться только однократным контролем листов только с одной стороны.
5.9	Акустико-эмиссионный метод
Этот метод относится к пассивному акустическому контролю. Акустическая эмиссия, или эмиссия волн напряжения - явление генерации упругих волн в твердых телах при их деформации. Главным источником акустической эмиссии следует считать процессы разрушения в кристаллах и скоплениях кристаллов. При этом могут образовываться микро- и макротрещины. Излучаемые при этом импульсы упругих волн в зависимости от материала имеют широкий частотный диапазон - от десятков до сотен мегагерц.
Основными параметрами, характеризующими акустическую эмиссию, являются:
-	число зарегистрированных импульсов дискретной акустической эмиссии за интервал времени наблюдения;
-	число зарегистрированных превышений импульсами акустической эмиссии установленного уровня ограничения за интервал времени наблюдения;
-	отношение числа импульсов акустической эмиссии к интервалу времени наблюдения (активность акустической эмиссии);
-	энергия, выделяемая источником акустической эмиссии и переносимая упругими волнами,возникающими в материале;
163
-	энергия сигнала акустической эмиссии, выделяемая в месте измерения или наблюдения.
Для контроля методом акустической эмиссии обычно применяется многоканальная аппаратура. Каждый канал соединен со своим преобразователем, принимающим упругую волну из изделия по определенной системе. Блоки обработки сигналов ведут счет принимаемых сигналов за короткий интервал времени (например, 0,1 с) и суммарную обработку сигналов от всех каналов многоканальной системы. Исследуют также амплитудное распределение принимаемых сигналов и энергию эмиссии за единицу времени или за весь период испытаний.
Аппаратура включает в себя блок определения местоположения источника сигналов. Для этого сравнивается время прихода сигнала акустической эмиссии не менее, чем на три преобразователя.
В современных многоканальных системах акустической эмиссии для обработки поступающей информации применяют быстродействующую ЭВМ. Это позволяет определять координаты источников акустической эмиссии, осуществлять комплексную оценку параметров сигналов, сравнивать количественные характеристики параметров с установленными браковочными критериями и вырабатывать решение о браковке контролируемого объекта.
Метод акустической эмиссии позволяет не только обнаруживать опасные дефекты, но и прогнозировать работоспособность ответственных элементов конструкций (сосудов высокого давления, узлов атомных реакторов, деталей летательных аппаратов и т.д.}*
164
ГЛАВА 6 СРЕДСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
6.1	Состав средств ультразвукового контроля
К средствам УЗ контроля относят:
-	УЗ дефектоскопы;
-	УЗ толщиномеры;
-	пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП);
-	стандартные образцы (СО);
-	стандартные образцы предприятий (СОП);
-	АРД-диаграммы;
-	приспособления для стабилизации акустического контакта;
-	устройства для осуществления перемещения ПЭЛ по поверхности изделия;
-	другие приборы, устройства и приспособления, обеспечивающие съем, вывод и обработку данных УЗ контроля, повышающие его достоверность и производительность.
6.2	Классификация ультразвуковых дефектоскопов
УЗ дефектоскоп - это электронно-акустическое устройство, предназначенное для возбуждения - приема УЗ колебаний и преобразования их в вид, удобный для вывода на соответствующий индикатор, снабженное сервисными устройствами для измерения параметров принятых сигналов.
В зависимости от области применения дефектоскопы делят (ГОСТ 23049) на приборы общего назначения (УЗДОН) и специализированные (УЗДС). В зависимости от функционального назначения дефектоскопы подразделяют на следующие группы:
1	- для обнаружения дефектов (пороговые УЗД);-
2	- для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения отношения амплитуд сигналов от дефектов;
3	- для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения эквивалентной площади дефектов по их отражающей способности или условных размеров дефектов;
4	- для обнаружения дефектов, распознавания их форм или ориентаций, для измерения размеров дефектов или их условных размеров.
По конструктивному исполнению дефектоскопы делятся на стационарные, переносные и портативные. По степени участия дефектоскописта в процессе контроля различают ручные, механизированные и автоматизированные дефектоскопы. Условное обозначение отечественных дефектоскопов состоит из букв УД (для УЗДОН) или УДС
165
	
С - синхронизатор ГСИ - генератор синхронизирующих импульсов ДЧ - делитель частоты ГИВ - генератор
импульсов возбуждения К1 ,К2 - переключатели P1fP2 - разъемы ПЭП1,ПЭП2 - преобразователи
Рис.6.1. Функциональная схема ультразвукового эхо-импульсного дефектоскопа общего назначения
ОК - объект контроля А - аттенюатор У - усилитель ПУТ - приемноусилительный тракт ЭЛТ - электроннолучевая трубка
БР - блок развертки и подсветки ВРЧ - временная регулировка чувствительности
АСД - блок автоматической сигнализации дефектов БИ ’ блок измерений
И - индикатор
ИП - источник питания
ю со
(для УЗДС), номера группы назначения, порядкового номера модели, буквы М с номером модернизации.
6.3 Функциональная схема ультразвукового дефектоскопа общего назначения
Принцип работы современного УЗ эхо-импульсного дефектоскопа можно представить на основе схемы (рис.6.1). Генератор синхронизирующих импульсов (ГСП) через определенные промежутки времени вырабатывает импульсы (рис.6.2, а), которые проходят через делитель частоты (ДЧ) (рис.6.2, б) и запускают различные блоки прибора.
iue
I
1 ]___а_о___е__п п .л______п_а____и___..........л____ец
Уд, и_________________________л____________________________л
Рис.6.2 Временные диаграммы работы блоков дефектоскопа
1 - синхронизатор; 2 - делитель частоты;
3 - генератор импульсов возбуждения;
4 - генератор развертки; 5 - генератор импульсов подсветки;
6 - усилитель; 7 - изображение на ЭЛТ
Генератор импульсов возбуждения (ГИВ) вырабатывает короткий электрический импульс (рис.6.2, в), который через разъем Р1 по
167
дается на пьезоэлемент ПЭП1. На схеме показан ключ К2 в разомкнутом положении. Это означает, что ПЭП1 работает только в режиме излучения, а ПЭП2 только в режиме приема. Вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта пьезоэлемент ЛЭП1 преобразовывает электрический импульс в упругое колебание, которое излучается в объект контроля (ОК) в виде УЗ волны. УЗ колебания, отраженные от противоположной поверхности объекта контроля или от дефектов, возвращаются к поверхности контроля. Вследствие явления прямого пьезоэлектрического эффекта упругое колебание пьезоэлементом ПЭП2 преобразуется в электрический импульс, который через разъем Р2 поступает на аттенюатор (А). Режим работы, при котором к дефектоскопу подключены два пьезо эле мента, один из которых работает только в режиме излучения , а второй - только в режиме приема (ключ К2 разомкнут), называют раздельным.
Режим работы, при котором к дефектоскопу подключены два пьезозлемента, каждый из которых работает как в режиме излучения, так и в режиме приема (ключ К2 замкнут), называют раздельно-совмещенным.
Наиболее распространенным в эхо-импульсном дефектоскопе является режим, при котором один и тот же пьезоэлемент работает как в режиме излучения, так и в режиме приема (ключ К2 замкнут). Такой режим называется совмещенным.
Аттенюатор служит для калиброванного ослабления и измерения отношений (дБ) принятых сигналов. Далее сигнал усиливается и преобразовывается в блоке усилителя (У), а затем подается на ве рти ка л ьно - от к л о ня ю щу ю п л аст и ну электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или на другой индикатор.
Блок развертки (БР) вырабатывает пилообразные импульсы (рис.6.2, г) и прямоугольные импульсы подсветки (рис.6.2, д). Пилообразные импульсы подаются на горизонтально-отклоняющие пластины ЭЛТ. Напряжение подсветки обеспечивает испускание электронного пучка только на прямолинейном участке пилообразного напряжения.
Блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ) позволяет скомпенсировать уменьшение эхо-сигналов с увеличением глубины, связанное с геометрическим расхождением пучка и затуханием звука в материале.
Блок автоматической сигнализации дефектов (АСД) предназначен для установления зоны контроля и формирования сигнала для подачи на звуковой, световой или другой сигнализатор при наличии эхо-имлульсов в зоне контроля.
Блок измерений (БИ) предначен для измерения координат дефектов с выдачей информации на индикатор (И). Источник питания 168
(ИП) служит для преобразования питающего электрического напряжения и его распределения по блокам дефектоскопа.
Рассмотрим более подробно работу отдельных блоков.
С и н_х о о н и э а т о р. Обеспечивает синхронизацию (согласование во времени) работы блоков дефектоскопа, реализуя импульсный режим излучения - приема УЗ колебаний. В частности, он обеспечивает одновременный (или задержанный на определенный временной интервал) запуск генератора импульсов возбуждения и генератора развертки. При ручном контроле синхронизатор работает в режиме самовозбуждения, а при использовании дефектоскопа в многоканальной аппаратуре механизированного и автоматизированного контроля может переключаться в режим внешнего запуска. Состоит из генератора синхронизирующих импульсов и делителя частоты. Частоту генерируемого синхронизатором напряжения выбирают в зависимости от задач контроля в пределах 40 -8000 Гц. Эта частота определяет частоту следования зондирующих импульсов, то есть акустических импульсов, посылаемых в объект контроля.
В большинстве дефектоскопов частота следования переключается с переключением диапазона контроля (увеличивается с уменьшением диапазона контроля). В некоторых приборах предусмотрена регулировка частоты следования. С точки зрения увеличения скорости контроля (а следовательно, и его производительности) частоту следования желательно выбирать возможно большей. Однако она ограничивается затуханием ультразвука и толщиной контролируемых изделий, поскольку необходимо, чтобы УЗ импульс, излученный в изделие, полностью затух до поступления следующей посылки.
Г енеоатоо импульсов возбуждения. Вырабатывает высокочастотные электрические импульсы, возбуждающие излучающую часть ПЭП. Несущая частота импульсов подстраивается индуктивностью, монтируемой либо в приборе, либо в преобразователе. Генерируются экспоненциальные затухающие или, более рациональные энергетически, колоколообразные импульсы. В дефектоскопах предусмотрена возможность регулировки мощности генерируемого импульса. Это осуществляется путем изменения его амплитуды и длительности.
Управляющий сигнал от синхронизатора поступает в генератор импульсов возбуждения несколько позднее, чем начинается увеличение отклоняющего напряжения и подсветка изображения для того, чтобы возрастание зондирующего импульса было видно на экране ЭЛТ уже несколько правее начала нулевой линии.
В современных дефектоскопах импульс напряжения высокой частоты получают с помощью тиристоров (управляемых полупроводниковых выпрямителей).
169
Длительность возбуждаемого электрического импульса не превышает единицы микросекунд. Амплитуду импульса можно регулировать через анодное напряжение каскада передатчика. Часто это делается еще проще - путем изменения нагрузочного сопротивления на выходе излучателя. При этом одновременно оказывается воздействие на демпфирование подключенного колебательного контура, что в свою очередь вызывает изменение ширины импульса. Однако во многих случаях практического контроля этот дополнительный эффект не является недостатком: при работе с большой интенсивностью импульса чаще всего можно примириться и с большой шириной импульса, так как в этих случаях речь пойдет о больших глубинах, а разрешающая способность будет иметь второстепенное значение. И наоборот, для меньшей глубины контроля, особенно вблизи поверхности, можно использовать ослабленный, но зато более короткий импульс. Амплитуда элктрического импульса может достигать 400 -500 В на 1мм толщины пьезоэлемента из пьезокерамики. Дальнейшее увеличение напряжения может привести к пробою и разрушению пье-золластины.
Частота определяется в большинстве случаев переключаемыми катушками. Катушки могут быть расположены также в подключенном ПЭП и поэтому делают излишним специальный частотный переключатель каскада передатчика. Результат получается тот же.
Если кабель недостаточно хорошо согласован с обеими сторонами его волнового сопротивления, то частота будет зависеть от его емкости, емкости и крепления пьезопластины. По этой причине кабель не может иметь произвольную длину. Для получения максимальной мощности от данного генератора возбуждения необходимо правильно согласовать и ПЭП.
Приемно-усилительныйтракт. Предназначен для приема и детектирования сигналов, поступающих на ПЭП. Обычно
Рис.6.3 Функциональная схема линейного усилителя
ПУ - предварительный усилитель; А - аттенюатор; РУ - радиоусилитель; Д - детектор; ИВУ - импульсный видеоусилитель; О - отсечка шумов
170
этот тракт содержит следующие блоки (рис.6.3): предварительный усилитель (ПУ), измеритель амплитуд сигналов - аттенюатор (А), радиоусилитель (РУ), детектор (Д), импульсный видеоусилитель (ИВУ), отсечку шумов (О).
Одной из задач предварительного усилителя является усиление небольших эхо-сигналов для того, чтобы через обусловленный тепловым движением электронов обязательный “уровень шумов” поднять их до следующей схемы.
Предварительный, у с и л и т е. л ь_ обеспечивает согласование усилительного тракта с приемным преобразователем. Он содержит ограничитель амплитуды, предохраняющий усилитель от перегрузок, связанных с воздействием зондирующего импульса (когда преобразователь включен по совмещенной схеме). При этом сигналы небольшой амплитуды практически не искажаются.
Амплитуды сигналов чаще всего измеряют с помощью калиброванного делителя напряжения - аттенюатора. При этом сравнивают амплитуды двух или нескольких сигнелов в относительных единицах. Аттенюатор располагают вблизи входа приемно-усилительного тракта для того, чтобы искажения амплитуд поступивших сигналов были минимальны. Требуемый диапазон измерения 60 - 110 дБ. Измерение сигналов производится с шагом 1 - 2 дБ (в некоторых дефектоскопах 0,5 дБ). В качестве регулировки используют переключатели барабанного или кнопочного типа. В некоторых дефектоскопах применяют автоматические измерители амплитуды с цифровым выходом.В этом случае шаг измерения обычно составляет 0,1 дБ.
Р а д и о у с и л и т е л ь. Раз л и ча ют д ва ос н о в н ых ти п а ха ра кте -ристик усилителя: линейную и логарифмическую. В усилителе с линейной характеристикой индикация амплитуды эхо-сигнала на экране должна быть максимально пропорциональна принимаемому напряжению ПЭП. Однако точное соблюдение этого требования возможно лишь в ограниченном диапазоне (рис.6.4).
В логарифмическом усилителе амплитуде эхо-импульса должна быть пропорциональна логарифму напряжения на пьезоэлементе ПЭП, Поскольку амплитуды эхо-сигналов даются только в децибелах, которые являются логарифмической единицей, то логарифмический усилитель представляет собой выгодный пропорциональный дБ-усилитель. Преимущество логарифмического усилителя в том, что он может обработать динамический диапазон (отношение самого большого к самому маленькому сигналу, который виден на экране с четкой ступенчатостью) любого размера.
Если усилитель с линейной характеристикой допускает в лучшем случае обработку динамического диапазона в 34 дБ, то логариф-
171
мическии усилитель легко справляется с ЮОдБ, так как в этом типе усилителя уже нет “перевозбуждения” слишком больших сигналов.
Рис.6.4 Соотношение высоты эхо -импульса и входного напряжения а - линейное усиление; б - логарифмическое усиление; в - пороговое усиление
v вх
Усилитель может быть широкополосным, то есть охватывать все возможные частоты, например, от 1 до 10 МГц, благодаря чему не надо переключать его при изменении частоты ПЭП. Однако усилитель с узкой полосой частот имеет больше возможностей для усиления, так как он имеет более низкий уровень собственных шумов.
Кроме того, гармонические составляющие высших порядков представлены в полосе частот эхо-сигналов намного сильнее, чем в передаваемой звуковой волне, а именно, когда их причиной являются мелкие дефекты, рассеивающие в основном более высокие частоты. Тогда возникают участки нежелательного шумового фона, что затрудняет выявление более крупных дефектов. Если полосу частот в усилителе срезать, например перед третьей гармоникой (для 1 МГц - ниже 3 МГц), картина прояснится.
Недостатком слишком узкой полосы частот будет расширение импульсов и, тем самым,потеря разрешающей способности. Итак, правильный выбор является компромиссом между противоречивыми требованиями в соответствии с практическим опытом.
Усиленные высокочастотные сигналы поступают к детектору (Д), на нагрузке которого выделяются огибающие радиоимпульсов. Про-детектированные сигналы поступают на импульсный видеоусилитель (ИВУ) с коэффициентом усиления 20 - ЗОдБ. В некоторых дефектоскопах предусмотрена возможность наблюдения на электронно-лучевом индикаторе нелродетектированных сигналов с радиочастотным заполнением (рис.6.5).
Регулятор отсечки (Q) изменяет потенциал порогового уровня отпирания детектора. Усилитель работает в режиме порогово
172
го усиления (рис.6.4, в). Благодаря этому отсекаются все импульсы» амплитуда которых меньше выбранной величины. Применение отсечки искажает реальное соотношение амплитуд продетектирован-ных сигналов и сужает динамический диапазон усилителя прибора, В связи с этим разработана система так называемой компенсированной отсечки, которая обеспечивает восстановление амплитуды отсеченного сигнала до первоначальной величины. Подобная схема позволяет оценивать амплитуды отраженных сигналов по экрану электронно-лучевого индикатора даже при включении отсечки.
Рис.6.5 Форма импульсов: а - высокочастотная; б - видео
Импульсный видеоусилитель (ИВУ) усиливает видеоимпульсы до напряжения, необходимого для срабатывания электроннолучевой трубки.
Система ВРЧ предназначена для генерирования электрического сигнала определенной формы, с помощью которого изменяется во времени усиление одной или нескольких ступеней приемно-усилительного тракта. Задачей ВРЧ является получение одинаковых по амплитуде и н д и каци й от од и на ко в ых отражате л ей, расположенных на разной глубине. Исходя из этого, закон изменения усиления должен быть обратным закону убывания амплитуд отраженных сигналов от одинаковых по размерам дефектов по мере их удаления от ПЭП.
В большинстве дефектоскопов ВРЧ применяют для выравнивания чувствительности в дальней зоне. Закон изменения сигнала ВРЧ зависит от размеров и формы отражателя (рис.6.6). Так, для отражения от точечного дефекта он имеет вид
K = Bfeu'	<6-’)
а при отражении от больших плоских дефектов
К = Bje"	W
А*
173
Здесь К - управляющий сигнал (коэффициент усиления) ВРЧ; t - время распространения импульса; t0 - начало действия ВРЧ; Вр В2 и М - коэффициенты, зависящие от частоты, а В1 и В2 зависят также от размеров пьезоэлемента.
Рис.6.6 Изменение коэффициента усиления ВРЧ в зависимости от типа отражателя: а - бесконечная плоскость, перпендикулярная акустическому лучу; б - точечный отражатель. А1 - амплитуда сигнала от плоскости; А2 - амплитуда сигнала от точечного отражателя; К - управляющий сигнал ВРЧ
Управляющий сигнал ВРЧ часто формируют путем раздельного учета фактора! или!2, связанного с геометрическим расхождением пучка и фактора ем\ связанного с затуханием (например, в дефектоскопе UFD-310 фирмы Сонатест, Англия). В наиболее совершенных приборах сигнал системы ВРЧ, учитывающий первый фактор, подбирают кнопочным переключателем. Он соотаетствует типу используемого ПЭЛ по величине коэффициента В, или В2, а также по длительности начального участка, на котором управляющий сигнал сохраняется постоянным в соответствии с длиной ближней зоны ПЭП (например, в дефектоскопе USL35 фирмы Крауткремер, Германия). Действие затухания компенсируют другим управляющим сигналом системы ВРЧ или поворотом линии развертки а приборах с логарифмическим усилением.
В дефектоскопе УД2-12 управляющий сигнал системы ВРЧ подбирают эмпирически по трем точкам в образце с искусственными отражателями или по АРД-диаграмме. Выполняют раздельную регулировку по величине начального, среднего и конечного участков регулирующего сигнала.
174
Для облегчения настройки и большей наглядности а современных дефектоскопах кривая, показывающая закон изменения ВРЧ, выводится на экран ЭЛТ.
Г енеоатоо развертки создает пилообразное
напряжение, которое подводится к горизонтально отклоняющим пластинам ЭЛТ. Период работы генератора состоит из двух циклов - рабочего хода tp и паузы tn. В течение рабочего хода напряжение развертки повышается линейно и, тем самым, равномерно (с постоянной скоростью) смещает электронный луч слева направо по экрану ЭЛТ. Во время паузы напряжение произвольно возвращается к исходному значению. Чтобы не допустить появления обратного хода луча на экране, напряжение подсветки подается на ЭЛТ только на время рабочего хода луча tp.
Рис.6.7 Отображение на экране ЭЛТ первых трех донных сигналов
а - контролируемое изделие; б - изображение на экране ЭЛТ; в - график изменения напряжения на усилителе;
г - график изменения напряжения развертки
Сигнал из приемно-усилительного тракта подводится к вертикально отклоняющим пластинам ЭЛТ. При этом с усилителя поступают
175
зондирующий сигнал и последующие эхо-сигналы. Продолжительность рабочего хода должна сочетаться с диапазоном контроля и устанавливается в блоке развертки либо ступенчато (грубо), либо непрерывно (плавно), или с помощью обоих режимов регулирования. В приведенном примере (рис.6.7) из многократных эхо-сигналов из образца в диапазон контроля попадают лишь первые три, остальные приходятся на паузу и невидимы в выбранном диапазоне контроля.
Если УЗ колебания не успевают затухнуть за период следования зондирующих импульсов, то на экране ЭЛТ существуют эхо-импульсы как от последней посылки, так и от предыдущей (рис.6.8). Поскольку время прихода эхо-импульсов от предыдущей посылки не синхронизировано с рабочим ходом последней посылки, эти сигналы могут попасть в зону контроля и будут восприняты как эхо-имлульсы от дефектов. Поэтому такие эхо-сигналы называют импульсами помех, ложными импульсами или фантомами.
Рис.6.8 Возникновение импульсов помех (фантомов) вследствие реверберации
31,32 - зондирующие импульсы первой и второй посылок.
Д1, Д2 - многократные донные эхоимпульсы от первой и второй посылок
Если плавно изменить частоту (период) следования зондирующих импульсов, то, как видно из рис.6.8, импульсы помех изменят свое положение на экране дефектоскопа (“дефект" изменил глубину!). По этому признаку фантомы отличают от эхо-импульсов настоящих несплошностей. Очевидно, что уменьшить количество ложных эхо-импульсов или избавиться от них полностью можно, увеличив период следования зондирующих импульсов в два или более раз.
176
Изображение на ЭЛТ будет тем ярче, чем больше частота следования импульсов развертки (соответственно и импульсов возбуждения), а также, чем меньше скорость развертки (а, следовательно, больше диапазон контроля). В большинстве дефектоскопов частота следования переключается с диапазоном контроля. В некоторых приборах предусмотрены регулировки частоты следования.
На рис.6.9 показан ход отклоняющего напряжения для различных диапазонов контроля. Здесь tpl = 1,7 мс соответствует диапазону контроля 0,5 м продольной волной по стали ;	= 3,4 мс • 1,0 м; tp3 =
6,8 мс - 2,0 м.
*
Рис.6.9 Изменение скорости отклоняющего напряжения для различных диапазонов контроля
Непрерывное изменение диапазона контроля от 0,5 до 2,0 м при неизменной частоте следования достигается плавным регулиро-
ванием скорости развертки, то есть плавным изменением крутизны отклоняющего напряжения. Подобная регулировка необходима и для настройки прибора на определенную скорость звука при использовании глубиномера в виде масштабной сетки, нанесенной на экран де-
фектоскопа, или укрепленной перед ним (например, при измерении
толщины приборами типа USK7, USIP-11 фирмы Крауткремер, SS-
110 фирмы Сонатест).
Рис. 6. 10 Напряжение электронной лупы
Часто бывает необходимо рассмотреть на экране небольшой сектор всего диапазона контроля с его эхо-импульсами, а зондирующий импульс оставить вне поля зрения. Для этого участок линии раз
177
вертки растягивается по всему экрану более крутым напряжением развертки, как это показано на рис.6.10. Расположение сектора можно менять по всему диапазону контроля, для этого генератор развертки запускается с задержкой, нередко можно дополнительно менять и масштаб изображения (крутизну напряжения). Эту систему называют электронной лупой глубины. С помощью такой системы можно, например, в детали толщиной 10 мм, растянув его на весь экран дефектоскопа.
Для удобства пользования электронной лупой в некоторых дефектоскопах (например, UFD-310) существует электронная метка, которой на экране ЭЛТ помечается начало зоны электронной лупы. Конец зоны определяется выбранным масштабом изображения.
Система автоматической сигнализации дефектов (АСД), называемая также монитором, предназначена для автоматической фиксации момента обнаружения дефекта. При ручном контроле АСД позволяет повысить надежность выявления дефектов и облегчает работу дефектоскописта.
Система АСД содержит стробирующее устройство и схему индикации выявленных дефектов. Стробирующее устройство генерирует вспомогательные строб-имлульсы, местоположение и ширина которых определяют зону регистрации принятых отраженных сигналов (зону контроля). Эти импульсы подаются к каскаду совпадения, на второй вход которого поступает вся последовательность отраженных сигналов с выхода приемно-усилительного тракта. Сигнализатор системы АСД срабатывает, если в зоне контроля появляется импульс, высота которого превышает установленный уровень, называемый порогом срабатызания АСД.
АСД позволяет решать несколько задач. Во-первых, выбирая нужным образом начало и длительность стробирующего импульса, можно установить требуемую зону контроля. Например, располагая начале ’зоба после зондирующего импульса или начального сигнала, а <-:~ец - перед донным сигналом, можно исключить эти сигналы из зос. контроля. Во- вторых, установив строб так, чтобы 8 него попадал толь/. зонный сигнал, можно по амплитуде этого сигнала следить за стабильностью акустического контакта, общей исправностью работы аппаратуры, а также автоматически подстраивать чувствительность. Наконец, применение стробирующего устройства позволяет повысить общую помехоустойчивость дефектоскопа, поскольку импульсные помехи любого типа могут воздействовать на индикатор лишь во время действия стробирующего импульса, которое всегда меньше общего периода зондирующих посылок.
Индикатор, Устройством, регистрирующим принятые сигналы, в большинстве эхоимпульсных дефектоскопов являются электрон
178
но-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим отклонением луча. На экране такого индикатора воспроизводится в масштабе процесс рас? пространения УЗ колебаний а контролируемом изделии. На горизонтально отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение от блока развертки. Напряжение видеосигналов подается с выхода приемно-усилительного тракта на вертикально отклоняющие пластины. В результате на развертке появляются импульсы, положение которых позволяет судить о расстоянии до отражающей поверхности.
Развертка, на которой положение эхо-импульсов на горизонтальной линии пропорционально времени прохождения УЗ импульсом пути до объекта отражения и обратно, называется разверткой типа А.
В автоматизированных дефектоскопических установках иногда применяют развертки типа В. которые позволяют получить на экране ЭЛТ с длительным послесвечением изображение сечения изделия с находящимися в нем дефектами, и развертки типа С, которые дают изображение дефекта в плане.
В качестве индикаторов дефектов могут также служить звуковые и световые сигнализаторы и различные самописцы. Получают распространение дефектоскопы с системами, запоминающими результаты контроля с помощью магнитных и других носителей с возможностью последующего воспроизведения процесса контроля или его фрагментов.
Блок-измерений предназначен для измерения координат выявленных дефектов, а также для измерения длительности и задержки развертки, временных параметров АСД и системы ВРЧ. Координаты расположения отражателя вычисляют по известным значениям времени распространения УЗ колебаний до отражателя и обратно и угла ввода по соотношениям
С
// = —cosa=$7
2	1
С
L - ~sina - k2t	<6-4)
Преобразование длительности неизвестного временного интер-вала в цифровой код осуществляется путем заполнения этого интервала тактовыми (счетными) импульсами высокочастотного генератора, следующими с фиксированной частотой, и счета числа этих импульсов. Результат отображается на цифровом индикаторе с учетом масштабного коэффициента, зависящего от частоты следования счетных импульсов. Настройка дефектоскопа на соответствующие зкаче-179
ния kt и производится с помощью подстроечных элементов путем подбора частоты следования импульсов тактового генератора. Наличие в дефектоскопе глубиномерного устройства, работающего независимо от схемы генератора развертки, позволяет не предъявлять высоких требований к линейности пилообразного напряжения, используемого для развертки изображения. При использовании цифрового индикатора для измерения отношения амплитуд сигналов эта величина предварительно преобразовывается во араменной интервал.
Более подробно принцип работы блока цифрового измерения будет рассмотрен в разделе, посвященном функциональной схеме УЗ толщиномера.
Во многих типах дефектоскопов, в которых отсутствует блок цифрового измерения, расстояние до дефекта можно считывать с экрана как отрезок между точкой на горизонтальной шкале, соответствующей моменту перехода звуковым импульсом границы изделия, и эхо-сигналом от дефекта. Обычно при настройке эту точку совмещают с нулем горизонтальной шкалы. Шкала линейна, так как линейно отклоняющее напряжение ЭЛТ. При этом предполагается отсутствие искажений кинескопа. В зарубежных приборах для измерения глубины перед экраном устанавливается шкала с нанесенными на ней делениями. С помощью двух регулировок (“длительность развертки" и "задержка развертки* на экране устанавливается необходимый масштаб изображения расстояний, увязанный с метками шкалы глубин.
Если метки нанесены на шкале, укрепленной перед экраном, а по ним устанавливается положение импульсов, возникающих на экране, то при считывании могут возникнуть ошибки из-за разных углов наблюдения. Это явление называется параллаксом. Такого недостатка нет 8 ЭЛТ с метками шкалы, нанесенными на внутренней стороне экрана.
6.4 Технические параметры ультразвукового дефектоскопа
Рассмотрим этот еопрос на примере ультразвукового дефектоскопа общего назначения 2-й группы УД2-12, который серийно выпускался заводом "Электроточприбор” (г. Кишинев, Молдавия), и получил наибольшее распространение на территории бывшего СССР в конце 80-х - начале 90-х годов.
Это - переносной дефектоскоп, предназначенный для выполнения УЗ контроля и измерения толщины изделий из сталей и других металлов разнообразных типоразмеров, полученных различными способами.
Дефектоскоп позволяет:
-	обнаруживать дефекты типа нарушения сплошности материалов;
180
-	определять глубину залегания дефектов и измерять толщину при использовании прямого ПЭП, координаты X и Y при использовании наклонных ПЭП с выводом информации на цифровое табло;
-	измерять отношение амплитуд сигналов кнопочным аттенюатором в пределах 2 - 62 дБ. Регулировка амплитуды импульса ГИВ позволяет некалиброванно изменять высоту эхо-сигнала на ЭЛТ на 22 дБ. Регулировка усиления приемного тракта некалиброванно изменяет усиление на 48 дБ. Таким образом, полный диапазон регулировки амплитуд эхо-сигналов на экране ЭЛТ составляет 132 дБ;
-	измерять отношение амплитуд сигналов цифровым индикатором в пределах 1 - 20 дБ с дискретностью 0,1 дБ;
-	оценивать эквивалентную площадь отражателя от 3 до 30 мм2.
Прибор имеет следующие сервисные устройства, облегчающие процессы настройки и контроля:
-	компенсированную отсечку шумов;
-	систему ВРЧ с выводом кривой ВРЧ на экран дефектоскопа;
-	систему АСД с настройкой по трем порогам: поиска, регистрации, браковки.
Прибор имеет следующие технические параметры.
Значения номинальных частот : 1,25; 1,8; 2,5; 5,0; 10,0 МГц;
Диапазон контроля продольной волной по стали - до 5 м, при этом цифровой индикатор позволяет измерять расстояния от 1 до 999 мм;
Предел допускаемой основной погрешности глубиномера для прямых ПЭП на толщинах до 400 мм не прваышает ±(0, 5 + 0.015Н) мм, где Н - глубина залегания отражателя. Предел допускаемой основной погрешности измерения координат отражателя наклонными ПЭП с углами ввода 40 и 50 градусов на глубинах до 50 мм не превышает±( 1 + О.ОЗх) мм и ±(1 + 0,03у) мм, гдех, у - значения координат отражателей;
длительность задержки развертки регулируется от 0 до 250 мкс (0 - 730 мм для продольной волны в стали).
Прибор позволяет измерять временные интервалы:
от 1 до 99,99 мкс с дискретностью 0,1 мкс;
от 1 до 2000 мкс с дискретностью 1 мкс.
Предел допускаемой основной абсолютной погрешности измерения временного интервала по цифровому индикатору не более ±(0,2 + 0.01Т) мкс, гдеТ - интервал времени.
Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения отношения амплитуд сигналов (аттенюатора) на входе приемника дефектоскопа не более ± (0, 2 + 0, 03N), где N - номинальное значение ослабления аттенюатора.
Динамический диапазон ВРЧ - не менее 40 дБ. Длительность зоны ВРЧ регулируется в пределах от 10 до 150 мкс (от 30 до 400 мм
181
для продольной волны в стали). Задержка зоны ВРЧ регулируется в пределах от 0 до 70 мкс (от 0 до 205 мм для продольной волны в стали). Следует отметить, что система ВРЧ прибора УД2-12 совершеннее, чем в зарубежных приборах такого же класса, как по динамическому диапазону, так и ло удобству и точности настройки.
Длительность зоны АСД регулируется в пределах от 3 до 200 мкс (от 9 до 585 мм для продольной волны в стали). Задержка зоны АСД регулируется от 0 до 200 мкс (от 0 до 585 мм для продольной волны в стали}.
Питание дефектоскопа может производиться от сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 24, 36 и 220 В, или автономного источника питания - аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 12 В.
Масса дефектоскопа с источником питания - не более 8,4 кГ.
6. 5 Функциональная схема эхо-импульсного толщиномера
Обычно в литературе рассматривают два метода толщиномет-рии при ручном исполнении контроля: эхо-импульсный и резонансный. Однако с развитием эхо-имлульсного метода резонансный оказался неконкурентоспособен с ним по диапазону прозвучивания, требованиям к шероховатости и геометрии поверхностей и другим параметрам. Вследствие этого в настоящее время применяют только эхоимпульсный метод. Принцип работы УЗ эхо-импульсного толщиномера с цифровой индикацией рассмотрим на основе схемы (рис. 6.11). Временная диаграмма работы такого прибора приведена на рис. 6.12.
Рис. 6.11 Функциональная схема ультразвукового эхо-импульсного толщиномера
Синхронизатор (С) периодически вырабатывает импульс, который запускает генератор импульсов возбуждения (ГИВ) и генератор пусковых импульсов (ГПИ). ГИВ вырабатывает короткий электрический импульс 1 (рис. 6.12, а), возбуждающий передающую часть PC
182
ПЭП. После отражения от противоположной стенки измеряемого объекта, УЗ импульс попадает на приемную часть PC ПЭП, преобразовывается в электрический сигнал и подается на усилитель (У). Принципом измерения толщины УЗ методом является измерение времени между излучением зондирующего импульса и приемом первого отраженного импульса. Для измерения почти никогда не привлекается непосредственно излучаемый импульс. Из-за задержки при прохождении в ПЭП, иэ-За своей ширины он вносит существенную погрешность в процесс измерения. Поэтому синхронизатор запускает также генератор пусковых импульсов, который, с некоторой задержкой, учитывающей распространение УЗ в части акустического тракта от излучающей пластины до поверхности изделия, вырабатывает пусковой имлульс 2. Последний в свою очередь запускает измерительный генератор (ИГ}. Прямоугольный импульс, созданный ИГ (рис. 6.12, 6)f останавливается первым эхо-импульсом 3 (рис. 6.12, а), прошедшим через усилитель из изделия.
ТОп(1Л11ШШШ
лппппппппппллпш.
счетчик
илдщсзтор
Рис. 6. 12 Временная диаграмма работы эхо-импульсного толщиномера с цифровой индикацией
1 • зондирующий импульс; 2 - пусковой импульс; 3 - эхо - импульс от стенки измеряемого объекта; 4 - порог срабатывания сигнала на остановку измерительного импульса
183
Чтобы сделать измерение времени распространения УЗ колебаний независимым от амплитуды эхо-сигнала, обычно используется схема автоматической регулировки усиления, которая, несмотря на флуктуацию акустического контакта или влияние шероховатостей поверхностей, доводит принятый от задней стенки эхо-сигнал до постоянной величины 4 (рис. 6.12, а). Тем самым порог срабатывания постоянно располагается на одном и том же месте фронта эхо-сигнала. Фронтом измерительного импульса запускается счетное устройство (СУ), на которое поступают счетные импульсы (рис. 6.12, в) от генератора счетных импульсов (ГСИ), стабилизированного кварцевым элементом.
В качестве основной единицы измерительного времени используется длительность периода генер. ции ГСИ. Выбор частоты ГСИ зависит от скорости распространения УЗ колебаний и от требуемой точ^ ности измерения времени распространения УЗ колебаний, а, следовательно, и толщины стенки.
Например, чтобы достигнуть точности измерения толщины ±0,1 мм для стали со скоростью звука 5920 м/с используется частота ГСИ 29,65 МГц. Длительность периода в этом случае точно равна времени распространения УЗ импульса через стальную пластину толщиной 0,1мм (путь импульса туда и обратно). Частота генератора для других материалов пропорциональна скорости распространения УЗ колебаний в среде, а именно: 5890 м/с - 29,54 МГц; 5970 м/с - 29, 85МГц; 6236 м/с - 31,18 МГц; 6300 м/с - 31,50 МГц; 6364 м/с - 31,82 МГц. В толщиномерах старых систем настройка на нужную скорость звука осуществляется путем переключения частоты ГСИ, В микропроцессорных толщиномерах, выпускаемых со второй половины 80-х годов, при фиксированной частоте ГСИ настройка на нужную скорость осуществляется программным способом.
Счетчик (С), запущенный фронтом измерительного импульса, останавливается сладом того же импульса. Содержание счетчика (рис. 6.12, г) указывает тогда, сколько счетных единиц накоплено за время действия измерительного импульса. Эта информация подается на цифровой индикатор (И), который индицирует толщину измеряемого изделия.
Глубиномеры дефектоскопов с цифровой индикацией работают также по описанному здесь принципу.
6. 6 Технические параметры ультразвуковых толщиномеров
Рассмотрим этот вопрос на примере УЗ эхо-импульсного толщиномера УТ-93П, выпускавшегося заводом “3neKTpoT04npn6oprt в 80-х годах, и толщиномера Т-GAGE с микпроцессорным управлением, выпускавшегося фирмой Сонатест (Англия) также в 80-х годах.
184
Прибор УТ-93П предназначен для измерения при одностороннем доступе толщины изделий из конструкционных металлических сплавов, в том числе изделий с корродированной поверхностью.
Измеряет толщину материалов со скоростями распространения продольных УЗ колебаний в диапазоне от 3000 до 6400 м/с.
Минимальный радиус кривизны цилиндрической поверхности не менее 10 мм. Максимальная непараллельность 3, 5 мм на базовой длине 20 мм.
Прибор можно использовать для измерения скорости распространения УЗ колебаний в материале плоскопараллельных изделий с шероховатостью поверхности Rz не более 10 мкм.
Индикатор - цифровой, четырехразрядный.
Диапазон измерений:	О, 8 - 300, 0 мм;
Дискретность измерения:	0,1 мм;
Время непрерывной работы от одного комплекта сухих элементов:	не менее 40 час;
Размеры:	40 х 85 х 160 мм;
Масса с батареей:	0, 45 кГ
В толщиномере T-GAGE для управления и обработки информации используются микропроцессорные схемы.
Диапазон измерений прибора T-GAGE: 0,56 -199,9 мм. Точность считывания результата при измерении толщины (дискретность): ±0,02 мм в диапазоне 0,56-99,98 мм; ±0,1 а диапазоне 100,0 - 199,9 мм. Точность считывания результата при измерении скорости звука ±1,0 м/с. В зависимости от контролируемого диапазона применяются соответствующие преобразователи. Диапазон измерения скорости звука: нижний предел не ограничен, верхний предел - 9999 м/с. Частота смены показаний: 4 Гц. Управление - кнопочное. Установка нуля - автоматическая. Защита настроечных параметров осуществляется отключением настроечных кнопок с индикацией на дисплее символа режима защиты (“замок"). Дисплей жидко кристаллический. На дисплее сохраняется показание последнего замера. Имеется автоматический контроль наличия качественного акустического контакта с индикацией соответствующего символа на дисплее. Таймер автоматически отключает прибор через несколько минут после последнего замера.
Время непрерывной работы от двух батарей - более 200 часов. При разряде батарей до остаточной продолжительности непрерывной работы менее 10 часов на дисплее высвечивается соответствующий символ.
Температурный диапазон эксплуатации: -10° С - +60° С. Габариты 127 х 62 х 32 мм. Масса 0,312 кГ.
185
6.7 Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи
Узел прибора для НК акустическими методами, преобразующий электрическую энергию в акустическую и обратно, принцип работы которого основан на пьезоэлектрическом эффекте, называется пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП).
ПЭП классифицируют по следующим признакам:
1.	По типу волны, возбуждаемой в объекте контроля, различают преобразователи продольных, сдвиговых, поверхностных или других типов волн;
2.	По углу ввода УЗ колебаний в изделие различают:
-	прямые преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания по нормали к поверхности объекта в точке ввода;
-	наклонные преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания в направлениях, отличных от нормали к поверхности объекта контроля;
3.	По способу размещения функций излучения и приема различают:
-	совмещенные ПЭП - такие, у которых один и тот же пьезоэлемент работает как в режиме излучения, так и в режиме приема:
-	раздельно - совмещенные (PC) ПЭП - такие, у которых в одном корпусе размещены два или более пьезоэлемента, одни из которых работают только в режиме излучения, а другие - только в режиме приема упругих колебаний;
4.	По способу осуществления акустического контакта:
-	контактные ПЭП - такие, рабочая поверхность которых при работе соприкасается с поверхностью объекта контроля или имеет расстояние до нее меньше половины длины волны в контактной жидкости;
-	иммерсионные ПЭП - такие, которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и объекта контроля слоя жидкости толщиной больше пространственной длительности акустического импульса;
5.	Особую группу составляют фокусирующие преобразователи, обеспечивающие фокусировку акустической энергии в определенной области пространства.
Наибольшее применение в практике УЗ контроля получили:
-	прямые совмещенные преобразователи, возбуждающие продольные волны, обычно называемые просто - прямые ПЭП;
-	наклонные совмещенные преобразователи, возбуждающие поперечные волны, обычно называемые просто - наклонные ПЭП;
-	раздельно - совмещенные прямые {или с углами излучения и приема до 8°) преобразователи, возбуждающие продольную волну, обычно называемые просто - PC ПЭП;
186
В конструкцию типового преобразователя входят следующие основные элементы (рис. 6.13):
1	- пьезоэлемент. Предназначен для преобразования электрических колебаний в упругие (обратный пьезоэлектрический эффект) или упругих колебаний в электрические (прямой пьезоэлектрический эффект). Обычно толщина пьезоэлемента d = 1\2, где 1 - длина волны ультразвука в пьезоматериале на рабочей частоте, В настоящее время пьезоэлементы изготавливают преимущественно из пьезокерамики. Пьезокерамика - это искусственный пьезоматериал, получаемый из порошкового исходного материала. Пьезоэлектрические свойства пьезокерамика получает после поляризации путем выдержки в течение получаса в электрическом поле напряженностью в несколько сотен кВ на 1 см. Основными пьезоматериалами являются цирконат титаната свинца (ЦТС), титанат бария, ниобат свинца и некоторые другие, Совокупность свойств каждого из этих пьезоматериалов (удельное акустическое сопротивление, коэффициент электромеханической связи, пьезоэлектрическая постоянная, механическая прочность, допустимая рабочая температура, технологичность и др.) определя-
ют их область применения.
Рис.6.13 Схема устройства ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, а - прямой; б - наклонный; в - раздельно - совмещенный. 1 - льезоэлемент; 2 - электроды; 3 - проводники; 4 -демпфер; 5 - протектор; 6 - корпус; 7 - индуктивность; 8 - призма; 9 - акустический экран; 10 - слой контактной жидкости; 11 - контролируемый объект
2	- электроды. Предназначены .для равномерного распределения по поверхности пластины электрического заряда, подводимого к
187
пластине в режиме возбуждения или возникающего на пластине в режиме приема. Электроды представляют собой тонкие электропроводящие слои, нанесенные на поверхность пьезоэлемента. Толщина слоя должна быть много тоньше толщины пластины, для того, чтобы не влиять на ее акустические свойства. Обычно на пьезопластине электрод выполняют в виде слоя серебра толщиной несколько тысячных долей миллиметра. Для этого на поверхность наносят по способу печатных схем специальные суспензии серебра, которые затем обжигают при температуре около 800° С, или химически осаждают слой никеля с золотом. Возможно также создание электродов путем напыления из паровой фазы,
3	- проводники. Предназначены для подводки и снятия электрического напряжения к пьезоэлементу. Проводники припаивают непосредственно к электродам легкоплавкими припоями.
4	- демпфер. Служит для гашения свободных колебаний пьезоэлемента, то есть для получения коротких импульсов, а также для предупреждения механических повреждений пластин, особенно тонких. Состав и форма демпфера должны обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений, В демпфер переходит часть звуковой энергии, излучаемой задней стороной пьезозлемента. Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений материалов пьезозлемента и демпфера. В зависимости от требуемого демпфирования, рабочей частоты и других конкретных условий демпфер обычно изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками порошка (наполнителя с высокой плотностью) для достижения требуемого акустического сопротивления. Для уменьшения многократных отражений на демпфере со стороны, противоположной пьезоэлементу, наносят канавки, делают скосы. Иногда в материал демпфера для увеличения рассеяния звука вводят пузырьки воздуха. При сильном демпфировании пьезоэлемента уменьшается мощность излучаемого им акустического импульса.
5	- протектор. Выполняет следующие функции:
-	защита пьезозлемента или призмы от износа;
*	улучшение согласования пьезозлемента с контролируемым изделием;
-	улучшение акустического контакта при контроле контактным способом.
Для повышения износостойкости преобразователя применяют лриклееные к пьеэоэпементу протекторы толщиной 0, 1 - О, 5 мм из кварца, сапфира, бериллия, стали, смол с порошковым наполнителем (например, корундовым или бериллиевым порошком), ситал-
188
ла, лигнофоля и др. Протекторы также изготавливают е виде сменных пленок или насадок из эластичных пластмасс, чаще всего из полиуретана или из резины. В этом случае между пьеэоэлементом и сменным протектором вводят контактную жидкость.
6	- корпус. Предназначен для :
-	защиты элементов ПЭП от механических повреждений и воздействия наружной среды;
-	экранирования пьезоэлемента и проводников от электромагнитных помех;
-	компоновки элементов ПЭП в форму, удобную для эксплуатации.
Корпус обычно изготавливают из металла или из пластмассы. Пластмассовый корпус металлизируют для создания экранирующих свойств.
7	- электрическое согласование - индуктивность. Часто индуктивность резонансного контура генератора размещают внутри ПЭП или подключают к нему в виде сменных элементов. Она обеспечивает такой режим работы дефектоскопа и преобразователя, при котором достигается наибольший коэффициент преобразования электрической энергии в упругую и обратно.
8	- призма. Служит для создания необходимого типа волны и требуемого угла ввода УЗ колебаний в изделие. Обычно призму изготавливают из материала с небольшой скоростью распространения звука (оргстекла, полистирола, поликарбоната), что позволяет при относительно небольших углах падения £ получать углы ввода до 90° Высокое затухание УЗ колебаний в материале призмы обеспечивает быстрое гашение повторных отражений в призме. Для лучшего гашения переотражений на гранях призмы делают рассеивающие ребра, приклеивают материал с близким акустическим сопротивлением, но со значительно большим затуханием.
При переходе из призмы в изделие излучаемые пьезоэлементом продольные волны трансформируются в сдвиговые. Для того, чтобы в изделие проходили волны только одного типа, угол падения делают либо небольшим (сдвиговая волна практически не возбуждается), либо в интервале между первым и вторым критическими углами. Для пары оргстекло - сталь это условие выполняется при углах £ < 7° и 28° < £ < 55°. Призмы с малыми углами применяют обычно в PC ПЭП, а с большими - в наклонных. Кроме того, призмы с углом £ = 27° используют для возбуждения головной волны, а с углом £ = 60° - для возбуждения поверхностной волны. В некоторых случаях для получения необходимых углов ввода применяют ПЭП с переменным углом падения, в которых либо льезопластина перемещается по поверхности полуцилиндра, либо она меняет свой наклон внутри призмы (рис.6.14).
189
a - поворот пьезоэлемента в локальной жидкостной ванне; б -поворот пьезоэлемента, встроенного в плексигласовую вставку в виде усеченного конуса. 1 - плексигласовая призма; 2 - пьезоэлемент; 3 - жидкостная ванна; 4 - плексигласовая вставка
9	- акустический экран. Предназначен для акустической и электрической изоляции излучающей и приемной частей PC ПЭП. Акустический экран выполняется из пробки или пенопласта. Он должен обеспечивать возможно более сильное затухание звука. Кроме того, в районе пьезоэлементов этот слой должен иметь электроизолирующую прослойку, чтобы избежать электрического влияния между излучателем и приемником. В идеальном случае звук должен доходить от излучателя к приемнику только через изделие. На практике не удается избежать небольшого прямого перехода звука между излучателем и приемником.
Для соединения ПЭП с электронным блоком дефектоскопа применяют максимально гибкий экранированный кабель (микрофонный или коаксиальный) с волновым сопротивлением порядка 75 Ом.
6.	8 Параметры, характеризующие преобразователи
Здесь идет речь о таких параметрах пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), которые определяют их электроакустические характеристики, геометрические размеры, условия эксплуатации. В некоторых случаях (например, при определении мертвой зоны, резерва усиления и т.п.) эти параметры зависят от параметров используемого дефектоскопа. Поэтому, когда речь идет о численном значении какого-либо параметра, следует указывать конкретный тип дефектоскопа, на котором это значение получено.
Рабочая частота f - это частота, при которой амплитуда зхо-импульса от опорного отражателя достигает максимального значения. В качестве опорного отражателя используют вогнутую цилиндрическую поверхность стандартного образца СО-3 или К1, К2, CBU.
190
Полоса пропускания At = f2 - f1( где!, Kf2 - частоты, при которых амплитуда эхо-импульса от опорного отражателя уменьшается на 6дБ по сравнению с максимумом.
Протяженность ближней зоны N - это такое расстояние от ПЭП, на котором маленький отражатель (Ь < 0, 05 а) дает максимальный эхо-импульс (более подробно см. главу 4). Указанные в справочниках численные значения ближней зоны относятся к определенному материалу, обычно к стали типа 20.
Путь в призме (предварительный пробег) - это длина отрезка, измеренная от средней точки пьезозлемента до точки выхода УЗ луча. Прямые ПЭП с жестким протектором имеют, как правило, маленький предварительный пробег, тек что это можно не принимать во внимание при выборе ПЭП. Наличие мягкого протектора вносит ощутимую задержку, имеющую значение лишь при точном измерении толщины или глубины залегания дефекта. PC ПЭП обычно имеют небольшие призмы из оргстекла, пробег УЗ колебаний в этих призмах необходимо учитывать при настройке глубиномера. Наибольший путь в призме имеют наклонные ПЭП. Длина пути, измеренная от средней точки пьезозлемента до точки выхода УЗ луча, указывается в справочниках Крауткремера величиной |у, с. Индекс “с” дает величину скорости УЗ колебаний (продольной волны) в материале призмы.
Например: lv, 2540 = 20 мм, означает, что ультразвук проходит в призме расстояние 20 мм со скоростью 2540 м/сек.
4	Фокусное расстояние F заменяет для прямых фокусирующих и
PC ПЭП значение N. Величина F показывает расстояние между поверхностью изделия и точкой, в которой звуковой пучок имеет минимальный диаметр. Маленький дефект дает наибольшее эхо, если он лежит в фокусе звукового пучка.
Глубина фокуса FTn указывает область на акустической оси перед фокусом и после него, в которой амплитуда эхо от маленьких , отражателей изменяется не более, чем на п дБ (например, п =6дБ) по сравнению с амплитудой в фокусе. Глубина фокуса может быть определена из соответствующей АРД-диаграммы.
Ширина Фокуса (FBn) и длина Фокуса (FLn). Маленький сферический отражатель дает максимальный эхо-сигнал, если он находится в фокусе. Если эту сферу смещать из фокуса перпендикулярно направлению акустической оси ПЭП, то эхо-сигнал будет уменьшаться. Расстояние от акустической оси в точке фокуса, измеренное в плоскости падения луча, на котором эхо-импульс уменьшается на п дБ, называется шириной FBn фокуса (рис.6.15). У прямых ПЭП фокус находится в конце ближней зоны. Так как прямые ПЭП создают, как правило, звуковой пучок с круговой диаграммой напрааленности, то
191
характеристики FBn достаточно для описания протяженности фокуса и в поперечном направлении.
Линейно фокусированные прямые ПЭП, наклонные и PC ПЭП создают пучок, отличающийся от кругового. Поэтому для таких ПЭП различают ширину FBn и длину фокуса FLn.
Для наклонных ПЭП длиной фокуса FLn называют расстояние от акустической оси в точке фокуса, измеренное в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Для наклонных ПЭП вследствие преломления может оказаться значительным различие в ширине фокуса выше и ниже акустической оси. Тогда ширину FBn выше акустической оси дают со знаком ,,+"а1 ниже - со знаком
Для PC ПЭП ширина фокуса показывает протяженность фокуса перпендикулярно акустическому экрану и акустической оси. Длина фокуса показывает его протяженность в направлении акустического экрана перпендикулярно акустической оси.
Эффективный диаметр пьезоэлемента D . Определяет акустически действующую площадь пьезоэлемента ПЭП. Он меньше, чем геометрический диаметр Do пьезоэлемента, так как пьезоэлемент из-за приклеивания или прижатия демпфирован, и поэтому колебания не происходят равномерно по всей поверхности. Амплитуда колебаний падает к краю пьезоэлемента. Эффективный диаметр пьезоэлемента может быть рассчитан из формулы для длины ближней зоны;
= -------- (6.5)
V f
Приближенно можно считать = О, 97D0.
Направленность поля ПЭП. Направленность прямого ПЭП рассмотрена ранее. Здесь остановимся более подробно на направленности поля наклонного преобразователя, которая также изображается
192
в виде диаграммы, описывающей угловое распределение поля в дальней зоне. Как было отмечено ранее, диаграмма направленности наклонного ПЭП несимметрична. Кроме того, направленность ухудшается с увеличением угла призмы (угла ввода)» уменьшением геометрических размеров ПЭП и частоты колебаний (рис,6.16).
Рис, 6.16 Расчетные зависимости угла раскрытия основного лепестка в плоскости падения на уровне 0.8 диаграммы направленности наклонного ПЭП от параметра at (мм МГц) и угла падения р для лары оргстекло-сталь
1 - 0 = 30 ; 2 - р = 40 ; 3 - р - 50
По мере ухудшения направленности возрастает также влияние прозрачности границы призма-металл на ширину и форму основного лепестка диаграммы.
В справочниках приводят данные о ширине диаграммы направленности в горизонтальной (0г) и вертикальной (9е) плоскостях. Поскольку диаграмма несимметрична в вертикальной плоскости (плоскости падения), то ее ширину показывают как вверх (+6J, так и вниз (-6в) от акустической оси.
В таблице 6.1 приведены данные для ширины диаграммы направленности на уровне 6дБ наклонных ПЭП частотой 2, 0 МГц, пьезозлемент размером 8мм х Эмм с различными углами ввода (данные Крауткремера).
Таблица 6.1 Данные о фактической ширине диаграммы направленности
для некоторых типов наклонных ПЭП
Параметр	Тип ПЭП			
	MWB 35-2	MWB 45-2	MWB 60-2	MWB 70-2
э° г	4.6	4,6	4,6	4.6
+€>й°	3,5	7.5	8,0	9,0
							15			L2			L5	
193
Угол овода луча это-угол между нормалью к поверхности, на которой установлен преобразователь, и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода, при установке преобразователя в положение, при котором амплитуда эхо-сигнала наибольшая. Фактический угол ввода, определенный таким образом, отличается от угла наклона а с акустической оси, вычисленного по формулам Снеллиуса (рис.6.17), Отклонение угла а
от величины ас всегда происходит в сторону угла преломления, соответствующего максимальному коэффициенту прозрачности границы
лризма-металл. Оно тем существеннее, чем меньше направленность
поля поперечной волны.
Рис.6.17 Зависимость угла а наклона оси диаграммы направленности (1 - at - 5; 2 - at = 15) и угла наклона по Снеллиусу (3)
При значительном затухании колебаний на пути их распространения от ПЭП до отражателя величина угла ввода оказывается существенно меньше величины угла наклона акустической оси преобразователя (рис.6.18). Объясняется это тем, что при смещении отражателя от акустической оси ПЭП увеличение амплитуды эхо-сигнала за счет снижения потерь на затухание превышает падение амплитуды вследствие направленных свойств преобразователя. Чем меньше направленность поля ПЭП и чем больше затухание, тем значительнее отклонение угла а от ас.
Уменьшение угла ввода луча с увеличением глубины расположения отражателя создает представление о квазиискривлении центрального луча диа
граммы направленности наклонного ПЭП при контроле металлов с большим затуханием. При малом затухании ультразвука (8 < 0,1 дБ/ мм) не происходит заметного отклонения акустического луча под вли-
янием затухания, Поэтому при УЗ контроле основного металла и сварных соединений перлитных сталей, применяемых в энергомашино
строении, влияние затухания на угол ввода можно не учитывать.
Прослойка контактирующей среды не оказывает влияния на геометрию распространения УЗ луча в контролируемом материале, если плоскость призмы, через которую выходит УЗ луч, параллельна по
верхности материала.
В процессе контроля возможны изменения угла ввода луча в металл, вызванные изменениями:
194
-	угла призмы р, вследствие ее истирания;
-	положения призмы, приводящего к непараллельное™ ее рабочей плоскости и поверхности материала;
-	скорости распространения УЗ колебаний вследствие понижения или повышения температуры призмы ПЭП и металла.
Рис.6.18 Зависимость величины отклонения Да - а0 - ае от угла раскрытия основного лепестка диаграммы и затухания ультразвука 8Н
Изменение угла ввода луча в металл из-за истирания призмы тем больше, чем больше угол ввода луча, Так, для ПЭП с углом призмы 50°
Да - 2,2 Д/3
(6.6)
Если плоскость основания призмы не параллельна поверхности металла, то угол ввода луча зависит от акустических свойств контактирующей среды и величины угла ф между плоскостью призмы и поверхностью металла. Изменение угла ввода луча Да в металл из-за наклона призмы тем больше, чем больше угол ввода луча. Для случая ввода колебаний в сталь через воду ПЭП с углом р = 50°,
Да ~ 5,4 ср	<6-7)
Видно, что изменение угла ввода луча, вызываемое подъемом призмы на 1°, значительно превосходит изменение того же угла при износе призмы на 1°. Если принять допустимым отклонение угла ввода луча Да £ 2°, то при контроле ПЭП с углом р = 50° износ призмы не должен превышать величину др = 1°, а подъем ф = 0,4° (рис.6.19).
Изменение угла ввода луча в металл вследствие изменения температуры призмы (рис.6.20) определяется температурным коэф
195
фициентом скорости, показывающим изменение скорости звука в призме на один градус изменения температуры. Для продольной волны в оргстекле температурный коэффициент скорости при температуре О -40° составляет С, =-3 м/сек град. Температурное изменение угла ввода тем значительнее, чем больше угол ввода луча.
ЯЛ
Рис.6.19 Зависимость приращения угла ввода УЗ луча Ла в стали от угла £ износа призмы и угла <р ее подъема
на угол ввода Крауткремер
указывает величину изменения угла ввода при изменении темлерату-
Рис.6.20 Зависимость угла ввода луча от температуры. £ = 50°, призма из оргстекла
Таблица 6.2
Изменение угла ввода при изменении температуры на 10°С
Угол ввода, а0	35	45	60	70
Да?/ „ Ловс	0,5	0,6	0,7	07
Таким образом, для снижения влияния различных факторов, вызывающих изменение угла ввода луча в металл, на достоверность контроля целесообразно:
196
-	осуществлять сканирование наклонным ПЭП без особого нажима на него с целью уменьшения истирания призмы;
-	очищать поверхность, по которой будет перемещаться ПЭП, от брызг металла, грязи и пыли так, чтобы высота отдельных бугорков, отстоящих друг от друга на расстоянии более длины призмы, не превышала среднюю геометрическую величину неровностей поверхности более, чем на 0, 2 мм;
-	измерять угол ввода луча в металл при температуре, при которой ведется контроль или вводить поправку на возможное температурное изменение угла ввода луча.
Обычно углы ввода, указанные в справочниках, относятся к определенной температуре. Так, у Крауткремера приводятся углы ввода при температуре 20°С.
Угловое отклонение луча от оси корпуса (5). Параллельное,pmpl щение луча от оси корпуса (z). Центральный луч звукового пучка может незначительно отклоняться от оси корпуса ПЭП из-за допуска на изготовление и неоднородности материала преобразователя. В некоторых случаях это важно учитывать. Отклонения могут оцениваться в виде углового (5) и параллельного (z) смещения центрального луча или его проекции на поверхность контроля (рис.6.21).
6 акустическая ось
ось корпуса
акустическая ось
ось корпуса
Рис.6.21 Угловое отклонение (а) и параллельное смещение (6) акустического луча относительно оси корпуса
Точкой выхода ПЭП называют точку пересечения акустической оси преобразователя с его рабочей поверхностью. В справочных данных Крауткремера дается допустимое отклонение z точки выхода от положения, указанного на преобразователе.
Стрелой наклонного ПЭП называют расстояние от точки выхода до его передней грани (рис. 6.22).
Резерв усиления (VrJ> показывает, на сколько дВ может быть еще повышено усиление дефектоскопа, если донный эхо-импульс от опорного отражателя установлен на 0.5 (или 2/5) высоты экрана. Усиление повышается настолько, чтобы высота собственных шумов усилителя (зеленая “трава” по всему экрану
197
ЭЛТ) при отключенном ПЭП не превышала О, 25 (или, соответственно, 1/5) высоты экрана, то есть была меньше полезного сигнала не менее, чем на 6 дБ.
В качестве опорного отражателя для прямых ПЭП служит “дно4 плоско-лежащего образца СО-2 (толщина 30 мм)илиК1 (толщина 25 мм), для наклонных ПЭП -эхо-импульс от дуги 55 мм образца СО-3 или дуги 100 мм об-эхо-импульс из стального образца без
Рис.6.22 Стрела наклонного преобразователя
разца К1, для PC ПЭП - донный затухания с толщиной, равной фокусному расстоянию данного PC ПЭП.
В PC ПЭП при переходе границы призма-металл звуковой импульс создает эхо-импульс на экране дефектоскопа. Амплитуда этого “контактного’* эхо-импульса характеризует степень электрического и акустического разделения между излучающей и приемной частями PC ПЭП. Крауткремер приводит для PC преобразователей параметр Са, показывающий на сколько дБ контактный эхо-импульс меньше эхо-им-пульса от опорного отражателя.
Резерв усиления является исходной величиной для определения максимальной предельной чувствительности дефектоскопа с данным преобразователем (подробнее см. в главе 7). Чем больше резерв усиления, тем более мелкие дефекты еще различимы на определенном удалении от преобразователя, или, тем больше удаление, на котором еще могут быть обнаружены дефекты определенной величины.
Мертвая зона. При УЗ контроле эхо-импульсным методом на вход приемноусилительного тракта кроме эхо-сигналов от дефектов поступает импульс от генератора импульсов возбуждения. Если дефект расположен в
Рис.б.23 К понятию Жертвой зоны. 3 - импульс от генератора (зондирующий); Д - донная поверхность; д - несллошность
198
зоне под поверхностью так, что эхо-сигнал от него возвращается раньше, чем окончилось излучение генератора, то дефект обнаружен не будет (рис.6.23). Мертвой зоной называется подповерхностная область изделия со стороны установки преобразователя, в которой дефекты заданного размера не могут быть выявлены данной испытательной системой (дефектоскоп и преобразователь}.
Размер мертвой зоны М при контроле прямым и наклонным преобразователями зависит от:
-	длительности электрического импульса т<( поступающего на пьезоэлемент с генератора импульсов возбуждения;
-	конструкции и характеристик ПЭП. Степень демпфирования пьезоэлемента влияет на длительность его свободных колебаний т после окончания, воздействия электрического импульса.
Зная значения и можно произвести оценку мертвой зоны для прямого ПЭП:
м = С, (т“ *	(6-8)
где Ct - скорость продольной волны в контролируемом изделии.
Для наклонных ПЭП мертвая зона уменьшается с увеличением угла призмы. Уменьшению мертвой зоны способствует также увеличение частоты УЗ колебаний и размеров призмы. Объясняется это тем, что с увеличением частоты и габаритов призмы падает уровень реверберационных шумов, обусловливающих в основном мертвую зону наклонного ПЭП;
-	акустических характеристик контролируемого материала. Очевидно, что если в формуле для М будет меняться скорость С, (для разных материалов), то изменится и мертвая зона;
-	эквивалентной площади дефектов, которые необходимо обнаруживать. При работе наклонными ПЭП по отечественным стандартам мертвую зону принято характеризовать минимальной глубиной расположения цилиндрического отражателя, эхо-импульс от которого можно отличить от зондирующего импульса и эхо-импульсов, вызванных переотражениями в призме. В качестве отражателя используются цилиндрические отверстия Ф2, 0 мм на глубинах 3, 0 и 8, 0 мм в стандартном образце СО-2 по ГОСТ 14 782. Однако такой метод не определяет фактическую мертвую зону, существующую при контроле с заданной чувствительностью. Поэтому мертвую зону следует оценивать по выявляемое™ отражателей заданного размера, выполненных в образце из контролируемого материала.
8 справочных данных преобразователей Крауткремера мертвая эона обозначается tn. Индекс "п” указывает, на сколько д5 эхо от
199
рассматриваемого дефекта меньше эхо от опорного отражателя (понятие "опорный отражатель” рассмотрено в разделе "Резерв усиления”). У Крауткремера приводится мертвая зона при п = 0, 20, 40 дБ. Знание трех указанных значений мертвой эоны позволяет практически определить по АРД-диаграмме подповерхностную область невыявля-емости несплошностей.
Рассмотрим пример: для ПЭП B2S-N с дефектоскопом USK7 мертвая зона tn, определенная по справочнику, составляет:
% = 8 мм, t^ = 14 мм, 1^= 30 мм.
Рис.6.24 Построение области невыявляемости несплошностей на АРД-диаграмме
Построим область невыявляемости несплошностей (рис.6.24). Для этого нанесем на АРД-диаграмму точки, соответствующие 2 дБ (опорный сигнал) на глубине 10 мм (должно быть на 8 мм, но АРД диаграмма начинается с 10 мм), 22 дБ на глубине 14 мм и 42 дБ на глубине 30 мм. Соединим эти точки плавной линией. Область, расположенная слева от этой линии (заштрихована) является областью невыявляемости, из которой определяется мертвая зона для каждого размера дефекта. Так, для дефекта ФЗ, 0 мм мертвая зона составляет 18 мм.
При экспериментальном определении мертвой зоны дефект считается выявленным, если впадина между зондирующим импульсом и эхо-импульсом от дефекта составляет не менее 6 дБ (рис.6.25).
Помимо мертвой зоны Крауткремер дает понятие ’’зоны влияния зондирующего импульса”, обозначаемое Sn. Зона влияния ограничена приповерхностной областью изделия, в которой заданным ис-
200
питательным комплектом (дефектоскоп + преобразователь) не обеспечивается достоверное определение эквивалентного размера отражателя. В зоне влияния зондирующий импульс искажает амплитуду эхо-импульсов от дефектов более, чем на + 2 дБ (рис.6.26).
Рис.6.25 Экспериментальное определение мертвой зоны
Очевидно, что зона влияния несколько превышает мертвую зону. Так, для преобразователя B2S-N 10 мм, S20 ~ 20 мм, S4O - 40 мм.
зона влияния составляет: So
Рис.6.26 К понятию зоны влияния зондирующего импульса. 1-в зоне влияния амплитуда эхо-сигнала уменьшается на >2 дБ; 2 - за пределами эоны влияния эхо -импульс не искажается
Для наклонных ПЭП у Крауткремера мертвая зона и зона влияния зондирующего импульса определяются аналогично, но расстояние при этом берется по ходу луча.
Для PC преобразователей Крауткремер определяет мертвую зону расстоянием начиная с которого все эхо-им-пульсы, соответствующие плоскодонному отражателю Ф2 или болве, будут различимы. Превышение над уровнем помех составляет при этом не менее 6 дБ (рис.6.27).
Зона влияния s границы PC ЛЭП-металл ограничена припо-
верхностной областью, в которой вследствие влияния помех (контактного эхо-импульса и интерференции) колебания амплитуды эхо-им-пульсов могут превышать 2 дБ. В этой области невозможна оценка размеров дефектов с помощью АРД-диаграммы, поэтому АРД-диаграм-
201
мы Крауткремера для PC преобразователей начинаются там, где кончается зона влияния границы.
Рис.6.27 Мертвая зона для PC преобразователей 1 -контактный эхо-импульс; 2-эхо-импульс от отражателя Ф2. 3-донный эхо-импульс
Рис.6.28 К понятию разрешающей способности: а - лучевой; б - фронтальной
Разрешающая способность при УЗ контроле эхо-методом определяется минимальным расстоянием между двумя одинаковыми отражателями, на котором они регистрируются раздельно. Различают лучевую Дг и фронтальную^! разрешающие способности (рис.6.28). Лучевая определяется минимальным расстоянием дг между двумя раздельно выявляемыми отражателями, расположенными в направлении хода луча вдоль акустической оси ПЭП. Величина дг зависит от частоты и длительности хи излучаемого импульса, максимальной скорости развертки и наличия задержанной развертки. Влияние частоты связано с зависимостью от частоты времени свободных колебаний тс. Обычно Дг = (1, 5- 2, 0) X.
Фронтальная разрешающая способность определяется минимальным расстоянием Д! между двумя раздельно выявляемыми отражателями, залегающими на одной глубине. Значение Д1 должно превышать большую из двух величин
202
аГл
Рис.6.29 Разрешающая способность для дефектов, отражающих с разницей "л” дБ
Критерием разрешения валяется снижение провала между импульсами не менее, чем на 6 дБ. Крауткремер приводит данные о разрешающей способности не только для одинаковых отражателей, но и для разных. Рассматривается ситуация, когда на расстоянии г позади эхо возникает второе, на "и” дБ меньшее эхо (рис.6.29).
Справочные данные по разрешающей способности относятся к эхо-импульсам от плоских отражателей. Для объемных отражателей оказывается более широкое эхо, а,
следовательно, большее значение разрешающей способности.
Кроме разрешающей способности Крауткремер использует понятие зоны влияния эхо-импульса еп (рис.6.30). Несплошности 2 и 3 полностью одинаковы, однако эхо-импульс 2 расположен в зоне влияния эхо-импульса 1, а эхо-импульс 3 - за ее пределами. Зона влияния еп ограничивает область позади эхо-импульса, в которой амплитуда второго эхо-импульса искажается более, чем на + 2дБ. Индекс “л* указывает, на сколько дБ второе эхо, находящееся за пределами зоны влияния, меньше первого эхо-импульса.
Рис.6.30 Зона влияния эхо-импульса
Износостойкостью (в справочных данных Крауткремера обозначается буквой М) называется относительная величина для характеристики сопротивляемости контактной поверхности ПЭЛ против нагрузок трением. Износостойкость указывается в мм на километр пути ПЭП. Износ существенно зависит от чистоты поверхности контроля, силы прижатия, контактной жидкости и температуры поверхности. Из-
203
носостойкость устанавливается после нормировочных испытаний, особенно жестких в сравнении с практикой. Максимально допустимый износ Mz контактной поверхности указан в технических данных преобразователей Крауткремера. При износе, не превышающем максимально допустимый, контактная область ПЭП может быть восстановлена путем приклеивания пластинчатой накладки.
Прочность на давление в точке Р. В практике контроля может случиться так, что ПЭП своей контактной поверхностью надавливает на сферическую неровность поверхности образца й разрушается. Величина Р технических данных указывает силу, при которой под точечной нагрузкой наступает разрушение ПЭП.
.Область рабочих температур (Та), область кратковременных температур (Тз). Область рабочих температур охватывает температуры поверхности образца, при которых ПЭП может эксплуатироваться без ущерба. Если ПЭП приведен в контакт с горячей поверхностью на 3 секунды и сразу после этого хорошо охлажден, то контроль может производиться при более высоких температурах. Технические данные указывают диапазон температурдак как допустимые температуры зависят от вида контактной жидкости и от толщины изделия. Нижняя граница области дается для сухой связи (установка ПЭП без контактной смазки), верхняя - для очень хорошего контакта.
6*9 Образцы для ультразвукового контроля
Образцом называют средство УЗ контроля в виде твердого тела, предназначенное для хранения и воспроизведения значений физических величин (геометрических размеров, скорости звука, затухания), используемых для проверки или настройки параметров дефектоскопа и преобразователей.
Различают стандартные образцы (СО) и стандартные образцы предприятия (СОП).
6.9.1 Стандартные образцы
К стандартным относят образцы СО-1, СО-2, СО-3, описанные в ГОСТ 14 782, а также образцы К1, К2, VW, CBU, широко применяемые в европейской международной практике. Стандартный образец СО-1 (рис.6.31) изготавливается из органического стекла марки ТОСП по ГОСТ 17 622. Коэффициент затухания продольной ультразвуковой волны в образце при частоте (2,5 ± 0,2) МГц и температуре (20 ± 5)°С составляет (0,30 ± 0,04) см1. Скорость продольных волн в образце С, - (2670 ± 133) м/с. Стандартный образец СО-1 предназначен для:
204
Рис.6.31 Стандартный образец СО-1
-	определения условной чувствительности в мм глубины залегания цилиндрического отверстия (ПЭП в положении А);
-	оценки точности работы глубиномера (прямой ПЭП в положении Б) для дефектоскопов, у которых глубиномер калиброван в единицах времени. Время прохождения ультразвуком расстояния от поверхности, на которую установлен ПЭП, до пролила составляет 20 мкс;
-	оценки лучевой разрешающей способности прямого ПЭП (прямой ПЭП в положении В), При этом, если все три отражателя разрешаются, то на экране дефектоскопа наблюдаются три импульса {рис.6.32), расстояние между которыми соответствует по стали: 1-2-5,5 мм; 2-3 — 11 мм;
-	оценки лучевой разрешающей способности наклонного ПЭП (наклонный ПЭП в положении Г). При этом на экране дефектоскопа наблюдаются три импульса от поверхностей цилиндров, расстояние между которыми (импульсами) соответствует по стали: 1-2 —5,5 мм; 2-3—11 мм.
Рис.6.32 Картина на экране дефектоскопа при оценке разрешающей способности по образцу СО-1
205
Стандартный образец СО-2 (рис.6.33) изготавливают из стали марки 20 по ГОСТ 1050. Скорость продольной волны в образце при температуре (20 ± 5)° равна С, = (5900 ± 59) м/с. Стандартный образец СО-2 используют для настройки и проверки параметров при УЗ контроле объектов из малоуглеродистой и низколегированной сталей и определения условной чувствительности при контроле любых материалов. Его применяют для:
-	определения погрешности глубиномера (прямой ПЭП в положении А). Время прохождения ультразвуком расстояния от поверхности до дна составляет 20 мкс;
-	измерения угла ввода луча (наклонный ПЭП в положении Б или Б'). Перемещая наклонный ПЭП около этих положений, получают максимальный эхо-сигнал. Величину угла ввода считывают по риске напротив точки выхода;
-	проверки мертвой зоны дефектоскопа с преобразователем (ПЭП в положении В или В');
-	определения условной чувствительности в децибелах (ПЭП в положении Б или Б');
-	определения предельной чувствительности (с использованием опорного отражателя Ф6, ПЭП в положении Б или Бг).
-	определения ширины основного лепестка диаграммы направленности (перемещение наклонного преобразователя около положения Б или Б’);
-	настройки глубиномера дефектоскопа с прямым ПЭП (ПЭП в положении А или Г);
-	настройки чувствительности дефектоскопа с использованием опорного сигнала от отверстия Ф6 (наклонный ПЭП а положении Б или Б'}.
Рис.6.33 Стандартный образец СО-2
При контроле соединений из металлов, отличающихся по акустическим характеристикам от малоуглеродистой и низколегированной
206
сталей, для определения указанных параметров (исключая погрешность глубиномера) должен применяться стандартный образец СО-2А, изготовленный из соответствующего материала. Конструкции образцов СО-2А и СО-2 одинаковы, однако угловые деления и время пробега продольной волной пути 59 мм должны быть определены для данного материала.
Стандартный образец СО-3 (рис.6.34) изготавливают из стали марки 20 по ГОСТ 1050 или стали марки 3 по ГОСТ 14 637. Скорость продольной волны в образце С, “ (5900 ± 59) м/с. Этот образец предназначен для: - определения точки выхода УЗ луча. Для этого наклонный ПЭП устанавливают над центральной риской, небольшими перемещениями находят положение, соответствующее максимальному эхо-сигналу. Точка выхода расположена точно над центральной риской образца;
-	определения условной чувствительности для наклонного ПЭП;
-	определения предельной чувствительности для наклонного ПЭП;
-	настройки глубиномера для наклонного ПЭП;
-	настройки чувствительности для наклонного ПЭП.
Все указанные операции выполняют в положении наклонного ПЭП, когда его точка выхода совладает с центром “О" образца. Три последние операции могут выполняться только для объектов из малоуглеродистой и низколегированной сталей.
Стандартный образец К1 (рис.6.35) изготавливают из углеродистой стали. В отверстие Ф50 мм запрессовывают цилиндр из органического стекла. Скорость продольных волн в образце К1 Cj = (5920
± 30) м/с; сдвиговых - Ct - (3255 ± 15) м/с. Образец К1 предназначен для: - настройки глубиномера дефектоскопа и проверки линейности развертки. При этом, в зависимости от требуемого диапазона настройки, прямой ПЭП устанавливают в одно из положений А1 - А4 (рис.6.36). Время прохождения продольной волной пути в оргстекле (положение А4) соответствует времени прохождения расстояния 50 мм по стали); - настройки глубиномера дефектоскопа для сдвиговых волн. Для этого наклонный ПЭП устанавливают в положение В;
-	настройки скорости развертки для сдвиговых волн. Для этого прямой ПЭП устанавливают в положение Б. Время прохождения продольными волнами пути 91 мм соответствует времени прохождения сдвиговыми волнами пути 50 мм. Таким образом, донные импульсы следует устанавливать на 50, 100, 150 и т.д. мм;
Рис.6.34 Стандартный образец СО-3
207
Рис.6.36 Использование образца К1 для настройки глубиномера
-	определения точки выхода наклонного ПЭП. Для этого наклонный ПЭП устанавливают в положение В, небольшими перемещениями ПЭП получают максимальный эхо-сигнал от цилиндрической поверхности R100. В этом положении точка выхода расположена над пролилом в образце К1;
-	определения угла ввода наклонного ПЭП. Для этого ПЭП устанавливают в положения А (рис.6.37) для углов 35 - 60°, Б для углов 60 - 75° и В для углов 75 • 80°. Получают максимальный эхо - импульс от цилиндрической поверхности R50. Угол ввода считывают с делений, расположенных под точкой выхода луча;
-	проверки мертвой зоны прямых или PC ПЭЛ (рис.6.37, ПЭП в положениях Г, Д);
-	проверки разрешающей способности прямого ПЭП (ПЭЛ в положении Е);
-	задания условной чувствительности дефектоскопа с прямым ПЭП (рис.6.38). При этом в качестве опорного отражателя используют поверх-208
кости образца, расположенные на разных расстояниях (ПЭП в положениях А, В) или в материале с повышенным затуханием (ПЭП в положении Б * на поверхности цилиндра из оргстекла);
Рис.6.37 Определение угла ввода наклонного ПЭП (А, Б, 8), и разрешающей способности прямого ПЭП (Е), оценка мертвой зоны (Г, Д)
Рис.6.38 Задание условной чувст-
вительности дефектоскопа с использованием образца К1
-	задания условной чувствительности дефектоскопа с наклонным ПЭП. В качестве опорного отражателя используют двугранный угол, образованный плоскостью образца К1 и цилиндрической поверхностью отверстия Ф1,5 (рис.6.38, ПЭП в положении Г);
-	настройки чувствительности дефектоскопа при работе с наклонным ПЭП. В качестве
опорных используют эхо-импульсы от внутренней поверхности
цилиндра R100 (рис.6.36, положение В), наружных поверхностей Ф50 (рис.6.37, положения А, Б) и Ф1.5 (рис.6.37, положение В). Эти же поверхности можно использовать для задания условной или определения предельной чувствительностей.
Стандартный образец К2 (рис.6.39) предназначен для:
-	настройки глубиномера дефектоскопа при работе с прямыми (положение А) и наклонными (положение Б) преобразователями (рис.6.40);
•	определения точки выхода луча для наклонных ПЭЛ. Преобразователь устанавливают в положение Б (рис.6.40)» получают максимальный эхо-импульс от цилиндрической поверхности R25. В этом положении точка выхода расположена под центром дуги R25;
-	определения угла ввода наклонных ПЭП (положение В для углов 35 - 65° и положение Г для углов 65 - 70°). Получают максимальный эхо-импульс от отверстия Ф5. В этом положении угол ввода считывают по метке,расположенной подточкой выхода ПЭП;
209
Рис.6.39 Стандартный образец К2
-	настройки чувствительности дефектоскопа при работе с наклонными ПЭП. В качестве опорных используют эхо-сигналы от вогнутых цилиндрических поверхностей R25 (ПЭП в положении Б) или R50 (ПЭП в положении Б с разворотом на 180°) и от отверстия Ф5 (ПЭП в положениях В или Г в зависимости от угла ввода). Эти же отражатели можно использовать для задания условной или определения предельной чувствстельностей.
Рис.6.40 Применение стандартного образца К2
Рис.6.42 Настройка глуби-номера дефектоскопа с помощью СО CBU
Материал и акустические свойства образца К2 такие же, как у образца К1.
Стандартный образец CBU (рис.6.4Г), изготовленный из материала с такими же акустическими свойствами, как у образца К1, предназначен для:
- настройки глубиномера дефектоскопа для прямого ПЭП и проверки линейности разверт
ки. В зависимости от требуемого диапазона настройки прямой ПЭП устанавливают в одно из положений А1, А2 (рис.6.42).
-	настройки глубиномера дефектоскопа при работе с наклонными ПЭП (положение Б);
-	определения точки выхода наклонного ПЭП (положение б);
-	определения угла ввода наклонного ПЭП (положения В1» 82 на рис.6.43);
-	проверки разрешающей способности прямого ПЭП (положения Г1, Г2 на рис.6.43);
210
№ кмьщыг	\s"'
211
нис.ь.44 проверка мертвой зоны прямых и PC ПЭП
Рис.6.43 Определение угла ввода наклонного ПЭП (В1,82) и разрешающей способности прямого ПЭП (Г1, Г2)
- проверки мертвой зоны прямых и PC ПЭП (положение Д на рис.6.44);
- настройки чувствительности дефектоскопа с прямым или PC ПЭП. используя эхо-сигнал от плоскости ( положения А1. А2 на (рис.6.42), плоскодонных отражателей (положения Г1. Г2 на рис.6.43 и Д на
рис.6.44) или цилиндрического отражателя (положение ГЗ на рис.6.43). Эти же отражатели можно использовать для задания условной или определения предельной чувствительностей;
- настройки чувствительности для наклонных ПЭП. используя опорный сигнал от внутренней поверхности дуги R50 (положение 5 на рис.6.42) или цилиндрический отражатель (положение В1 на рис.6.43). Эти же отражатели можно использовать для задания условной или определения предельной чувствительности.
Стандартный образец VW (рис.6.45). изготовленный из материала с такими же акустическими свойствами.как у образца К1, предназначен для настройки глубиномера дефектоскопа при измерении малых толщин.
Толщину каждой ступени указывает цифра над ней
Стандартные образцы К1. К2, VW. CBU применяют для настройки и проверки параметров при УЗ контроле объектов из малоуглеродистой
212
и низколегированной сталей за исключением параметра условной чувст вительности, который можно использовать для любых материалов.
6.9.2 Стандартные образцы предприятия
Стандартные образцы предприятия (СОП) получили широкое распространение для настройки глубиномера и (или) чувствительности дефектоскопа. СОП воспроизводят акустические свойства материала, конфигурацию, а также форму и шероховатость поверхности контролируемых изделий.
В СОП выполняют искусственные отражатели» расположенные на различных глубинах и имитирующие естественные дефекты изделий. Основные типы искусственных отражателей, применяемых в УЗ дефектоскопии, показаны на рис.6.46. Конкретные типы СОП и области их применения определяются стандартами и другими методическими документами, регламентирующими проведение УЗ контроля.
Наибольшее распространение получили СОП с искусственными несплошностями в виде плоскодонных дисковых отражателей (ПДО), ориентированных перпендикулярно УЗ лучу, и цилиндрических отверстий (ЦО), образующая которых направлена перпендикулярно УЗ лучу. Можно условно разбить СОП с ПДО на четыре типа.
Образцы типа А. Предназначены для настройки чувствительности дефектоскопа и определения эквивалентных размеров дефектов (ЭРД) при работе с прямыми ПЭП. Выполняется в виде ступенчатых блоков, либо в виде фрагментов этих блоков - параллелепипедов, цилиндров и т.п (рис.6.47).
Образцы типа Б. Предназначены для выполнения настройки и определения ЭРД при контроле цилиндрических изделий небольшого диаметра (обычно - равного или менее 150 мм) по образующей. Могут выполняться в виде полуцилиндров, ступенчатых полуцилиндров или цилиндров (рис.6.48).
Образцы типа В. Предназначены для выполнения настройки чувствительности и определения ЭРД при контроле плоских изделий наклонными ПЭП. Выполняются в виде призм или параллелепипедов со скошенными торцами (рис.6.49).
Образцы типа Д. Предназначены для выполнения настройки чувствительности и определения ЭРД при контроле зоны сплавления антикоррозионной наплавки с основным металлом. Искусственные отражатели выполняют со стороны наплавки (при контроле со стороны основного металла), либо со стороны основного металла (при контроле со стороны наплавки). Выполняются в виде ступенчатых блоков или параллелепипедов (рис.6.50).
213
Рис.6.46 Искусственные отражатели, применяемые при УЗК: а, е - плоскодонное отверстие; б - плоскость; в, ж - отверстие со сферическим дном; г, з - цилиндрическое отверстие (боковое); д - паз с плоским дном; и - сегмент; к - угловой плоский отражатель (зарубка); л - угловой цилиндрический отражатель (угловое отверстие); м - вогнутая внутренняя цилиндрическая поверхность; н - двугранный угол.
214
Рис.6.48 Примеры стандартных образцов предприятия типа Б а - образец для настройки прямых ПЭП и наклонных при хордовом прозвучивании: отверстия 1 - для прямых ПЭП; 2 - для наклонных ПЭП с углом ввода 37° ± 1° при хордовом прозвучи-ван^и; б - образец для настройки прямых ПЭП при контроле цилиндрических изделий Ф < 30 мм; в - образец для настройки наклонных ПЭП при прозвучивании вдоль образующей
Применение искусственных отражателей типа ЦО рассмотрим на примере основного стандартного образца (рис.6.51), используемого при контроле сварных соединений по стандарту Американского общества инжекеров-механиков-Коду ASME. Три отверстия в левой части образца используют для настройки глубиномера и чувствительности при контроле прямым ПЭП, а три отверстия в правой части об-
215
8иД Й
Рис.6.49 Стандартные образцы предприятия типа В а - призматический; б - скошенный параллелепипед
Рис. 6.50 Стандартные образцы предприятия типа Д а - ступенчатый блок; б - параллелепипед
разца - при контроле наклонным ПЭП. Диаметр отверстий выбирают по таблице Кода в зависимости от толщины образца.
Существуют и другие типы СОП, предназначенные для настройки чувствительности при контроле тонкостенных труб, тонких сварных швов, подповерхностного слоя сварных соединений (например, пропил на рис.6.51) и другие, конструируемые в зависимости от контролируемого изделия, а также типа, ориентации и места расположения несплошностей, подлежащих обнаружению.
216
1 - пропил длиной 50 мм, шириной от 3,2 до 6,4 мм с плоским дном и глубиной 2% Н (Н -толщина образца); 2 -пропил глубиной 2% от основного металла; 3 - просверленные отверстия с плоским дном глубиной 76 мм
Отдельную группу образуют СОП (в некоторой документации на* зываемые контрольными образцами - КО), предназначенные для определения или проверки параметров ПЭП, таких, как глубина фокуса, лучевая разрешающая способность и другие. В качестве примера на рис.6.52 показан КО для определения глубины фокуса прямых PC ПЭП.
100
Рис.6.52 Контрольный образец для определения глубины фокуса прямых PC ПЭП
Общими требованиями, предъявляемыми к стандартным образ* цам предприятия, являются:
-	однотипность акустических свойств (затухания, скорости УЗ колебаний) образца и изделия. Они однотипны по затуханию, если средняя амплитуда донных сигналов в контролируемых изделиях ниже донных сигналов в СОП не более, чем на 2 дБ (при равных толщинах), или превышает их не более,чем на 4 дБ. Они однотипны по скорости, если скорости отличаются не более, чем на ± 3% (к СОП для толщино-метрии по скорости предъявляются более жесткие требования);
-	отсутствие в материале СОП естественных несплошностей, выявляемых при поисковой чувствительности, заданной для данного материала;
217
-	поверхности ввода звука ООП и изделия должны быть обработаны одинаковым способом и иметь одинаковую шероховатость;
-	в СОЛ, используемых для оценки эквивалентных размеров дефектов, выполняют на каждой глубине ряд отверстий разного размера. При этом площади торцев ближайших по размеру отверстий должны отличаться не менее,чем в два раза;
-	расстояния между отражателями, а также отражателей от боковых стенок должны быть такими,чтобы исключить их взаимное непредусмотренное влияние друг на друга;
-	каждый образец должен иметь маркировку с регистрационным номером и паспорт, куда заносятся результаты аттестации и поверок.
Другие требования к СОП (глубины отражателей, допуски на изготовление отражателей и т.д.) задаются конкретной нормативно -технической документацией на контроль.
6.10 Метрологическое обеспечение средств ультразвукового контроля
С целью получения достоверных и воспроизводимых результатов средства УЗ контроля должны подвергаться:
-	аттестации после изготовления или перед вводом в эксплуатацию. Аттестацию осуществляют предприятия, изготовившие средства контроля (при наличии соответствующих полномочий, выданных органами Госстандарта), или специализированные предприятия Госстандарта. Аттестация проводится по программе, разработанной владельцем средств контроля и согласованной органами Госстандарта;
-	периодическим поверкам в процессе эксплуатации. Поверки осуществляют специализированные предприятия Госстандарта или ведомственные метрологические службы, получившие на это разрешение Госстандарта. Объемы и периодичность поверок предписываются инструкциями по эксплуатации средств контроля или методической документацией на проведение контроля.
Сведения об аттестации и периодических поверках заносятся в паспорт на средство контроля,либо оформляются отдельным свидетельством.
218
ГЛАВА 7 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ИЗМЕРЯЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
7,1 Основные параметры ультразвукового контроля
Параметры УЗ контроля, обусловливающие достоверность его результатов, называют основными. К основным параметрам относятся рассмотренные в главе 6 направленность поля ПЭП, положение точки выхода луча (стрела наклонного ПЭП), угол ввода луча, мертвая зона, лучевая разрешающая способность, а также длина волны, чувствительность, точность измерения координат, шаг сканирования, стабильность акустического контакта, минимальный условный размер фиксируемого дефекта. Основные параметры зависят от применяемых средств УЗ контроля и акустических свойств контролируемого объекта.
Длина волны X, мм - определяется частотой f УЗ колебаний и скоростью С УЗ волны данного типа в материале изделия.
Чувствительность. В данном разделе рассмотрены понятия и определения чувствительности аппаратуры, относящиеся только к эхо-импульсному методу УЗ контроля. Вопросы о чувствительности методов НК рассмотрены в главе 2 данной книги. Чувствительностью называют параметр УЗ контроля, определяющий возможность выявления при контроле отражателей заданного размера. Функциональную характеристику параметра “чувствительность”, указывающую на его назначение, называют уровнем чувствительности. Понятие уровней чувствительности широко используют в практической дефектоскопии. Необходимый уровень чувствительности устанавливается органами регулировки дефектоскопа и зависит от акустических свойств контролируемого изделия. Для того, чтобы результаты УЗ контроля были достоверны и воспроизводимы, поиск несплошностей, регистрация и оценка их допустимости должны производиться на строго определенных уровнях чувствительности. Различают следующие уровни чувствительности.
Опорным называют уровень чувствительности, при котором эхо-сигнал от искусственного или естественного отражателя в образце из материала с определенными акустическими свойствами или в контролируемом изделии имеет заданную высоту на экране дефектоскопа. Отражатель, который используют при установке опорного уровня, также называют опорным Например, при настройке чувствительности часто используют эхо-сигнал от цилиндрического отверстия Ф6 мм в стандартном образце СО-2. Уровень чувствительности, установленный при этом, называют опорным» а отверстие Ф6-опорным отражателем.
219
Контрольным называют уровень чувствительности, при котором производится измерение характеристик обнаруженных несплошностей и оценка их допустимости по предельным значениям характеристик (условной протяженности, высоте и др.)- В некоторых документах этот уровень чувствительности называют уровнем фиксации или уровнем регистрации. Во многих случаях на контрольном уровне чувствительности фиксируют непротяженные несплошности.
Браковочным называют уровень чувствительности, при котором производится оценка допустимости обнаруженной несплошности но амплитуде эхо-сигнала. В отечественных документах браковочный уровень обычно задают максимальными эквивалентными размерами отражателя, допустимого по техническим условиям на данное изделие. В некоторых зарубежных документах браковочный уровень задают превышением в дБ амплитуды эхо-импульса от дефекта над контрольным уровнем. Обычно браковочный уровень ниже контрольного не менее, чем на 6 дБ.
Поисковым называют уровень чувствительности, устанавливаемый на дефектоскопе при поиске дефектов. Обычно он превышает контрольный уровень не менее, чем на 6 дБ. Необходимость установления поисковой чувствительности связана с тем, что в динамическом режиме (при перемещении ПЭП) ухудшается акустический контакт ПЭП с изделием, следовательно, через границу раздела проходит меньшее количество звуковой энергии, чем в статическом режиме. Кроме того, поиск дафектов производится с определенным шагом. Это значит, что не всегда акустическая ось ПЭП проходит над центром отражателя (дефекта), то есть не всегда в режиме поиска дефект дает максимальный эхо-сигнал. Для компенсации этих потерь и увеличивают чувствительность при поиске. Излишнее увеличение чувствительности приводит к возрастанию мертвой зоны и снижает производительность контроля в случае большого количества мелких несплошностей в связи с необходимостью оценки эхо-сигналов от них.
На рис.7.1 на экран дефектоскопа нанесены линии, показывающие соотношение между контрольным, браковочным и поисковым уровнями чувствительности. Поисковому уровню соответствует самая высокая чувствительность, то есть будут выявляться самые маленькие несплошности. Будет выявлено все, что даст эхо-сигнал равный или выше линии поискового уровня. Браковочному уровню соответствует самая низкая чувствительность, то есть будут выяаляться только крупные несплошности.
По способу задания различают следующие виды чувствительности.
Эквивалентной называют чувствительность, характеризуемую минимальными размерами искусственного отражателя оп-
220
Рис.7.1 Изображение линий уровней чувствительности на экране дефектоскопа (система ВРЧ выключена) Б - браковочный уровень К - контрольный уровень П - поисковый уровень
ределенной формы и ориентации, который еще обнаруживается на заданной глубине в изделии при данной настройке дефектоскопа. Например, если чувствительность задана размерами зарубки, или цилиндрического отражателя, то ее называют эквивалентной.
Если в качестве искусственного отражателя используют торец отверстия с плоским дном, то получают частный случай эквивалентной чувствительности - предельную чувствительность. Предельную чувствительность характеризуют минимальной площадью отверстия с плоским дном, ориентированным перпендикулярно акустической оси ПЭП, которое еще обнаруживается на заданной глубине в изделии при данной настройке дефектоскопа. Если хотят охарактеризовать возможности дефектоскопа по выявлению несплошностей наименьших размеров на заданной глубине, то говорят о максимальной предельной чувствительности - предельной чувствительности при максимальной чувствительности приемника и мощности генератора и заданном соотношении сигнал-помеха.
Уровень чувствительности можно задать и косвенным путем с использованием условной чувствительности. В соответствии с ГОСТ 14 782-86 условной называют чувствительность, характеризуемую размерами и глубиной залегания выявляемых искусственных отражателей, выполненных в образце из материала с определенными акустическими свойствами.
Условную чувствительность по стандартному образцу СО-1 выражают наибольшей глубиной (мм) расположения цилиндрического отражателя, фиксируемого индикаторами дефектоскопа. Условную чувствительность по стандартному образцу СО-2 выражают разностью в дБ между показанием аттенюатора при данной настройке дефектоскопа и показанием, при котором цилиндрическое отверстие диаметром 6 мм на глубина 44 мм фиксируется индикаторами дефектоскопа.
Понятие “условная чувствительность” было введено в связи с желанием иметь простой и надежный способ задания чувствительнос
221
ти, воспроизводимой с высокой точностью любым дефектоскопистом в любой точке страны. Достаточным условием для этого является наличие стандартного образца СО-1 или СО-2, а в случае использования СО-2 необходимо также иметь дефектоскоп с аттенюатором, градуированным в децибелах.
Общим для всех трех способов задания чувствительности является то, что речь идет о воспроизведении данной настройки дефектоскопа. Принципиальная разница заключается в том, что эквивалентная и предельная чувствительности учитывают акустические характеристики (в первую очередь - затухание) объекта контроля, а условная не связана с ними.
В некоторых зарубежных стандартах (в частности, в США) принято задавать чувствительность в процентах от заданного опорного уровня. Например, в спецификации SA-388 это записано следующим с^оазом:"... регистрируют отдельные индикации, равные или превышающие 10% от амплитуды донного сигнала...". Такой способ задания чувствительности напрямую не вписывается ни в одно из отечественных понятий.
С целью характеристики технических возможностей дефектоскопа в части усиления электрических сигналов введено понятие абсолютная чувстаительность.
Абсолютная чувствительность определяется отношением минимального акустического сигнала, который регистрируется дефектоскопом, к амплитуде акустического зондирующего импульса. Понятие абсолютной чувствительности, применяемое в отечественной литературе, идентично ранее рассмотренному понятию резерва усиления. Абсолютная чувствительность выражается в дБ. Используя абсолютную чувствительность,можно определить максимальную предельную чувствительность.
И, наконец, когда хотят поставить вопрос о фактических размерах неспешностей, выявляемых при контроле, то говорят о реальной чувствительности. Реальная чувствительность характеризуется минимальными размерами реальных несплошностей конкретного типа, выявляемых в конкретном объекте на заданной глубине данными средствами контроля, при заданных параметрах контроля и схеме прозвучивания. Она может быть определена в результате статистической обработки данных контроля и металлографического исследования большой серии объектов этого вида. Реальная чувствительность может служить основанием для оценки эффективности УЗ контроля.
Направленность поля ПЭП достаточно подробно рассмотрена в главах 4 и 6 данной книги. Здесь дополнительно рассмотрим 222
способ экспериментального определения ширины диаграммы направленности на уровне *‘п” дБ наклонного ПЭП в плоскости падения (рис.7.2). Для этого наклонный ПЭП устанавливают на поверхность А (для углов ввода < 65°) или Б (для углов ввода > 65°) стандартного образца СО-2. Получают максимальный эхо-сигнал от отверстия Ф6 и аттенюатором доводят высоту эхо-импульса до заданного уровня. Считывают показание аттенюатора Ао, дБ, а напротив точки выхода ПЭП на образце считывают угол ввода а. Затем повышают усиление на “п” дБ и ПЭП смещают в направлении отверстия до тех пор, пока высота эхо-импульса не уменьшится до заданного уровня. В этом положении напротив точки выхода считывают величину угла ан. После этого возвращаются к максимуму и смещают ПЭП в направлении от отверстия до тех пор, пока высота эхо-импульса не уменьшится до заданного уровня. Считывают значение угла Ширина диаграммы направленности на уровне “п” дБ вверх от акустической оси - ал - а, а вниз от акустической оси = аи - а.
Рис.7.2 Экспериментальное определение ширины диаграммы направленности наклонного ПЭП в плоскости падения
iQHHQCTb измерения координат дефектов при использование современных'средств контроля зависит от:
-	точности измерения дефектоскопом временных интервалов. Последняя выражается в единицах времени или расстояния (если используется цифровой глубиномер), либо определяется линейностью горизонтальной развертки (если координата отсчитывается по положению эхо-импульса на горизонтальной линии развертки);
-	соответствия фактической скорости звука установленной на дефектоскопе;
-	соответствия фактического угла ввода принятому значению при использовании наклонных ПЭП;
-	правильности установки нуля отсчета расстояний (задержки развертки);
-	точности определения наклонным ПЭП положения, в котором достигается максимальный эхо-импульс от дефекта.
При практическом контроле изделий энергомашиностроения как правило достаточной бывает точность определения координат 1-3 мм
223
для прямого и 1-5 мм для наклонного ПЭП. 8 случае, если требуется более высокая точность, следует использовать сведения, приведенные в разделе “Ультразвуковая толщинометрия”.
ного (а) и продольно-поперечного (б) перемещения ПЭП
Шаг сканирования. Обычно применяют один из двух вариантов сканирования: поперечно-продольное или продольно-поперечное. Способ сканирования, при котором ПЭП перемещают в поперечном направлении относительно контролируемого сечения, систематически сдвигая на определенное расстояние в продольном направлении, называют поперечно-продольным (рис.7.3, а).
При продольно-поперечном способе сканирования ПЭП перемещают в продольном направлении относительно контролируемого сечения, систематически сдвигая на определенное расстояние в поперечном направлении (рис. 7.3, б).
Расстояние между соседними траекториями точки ввода упругих колебаний при любом способе сканирования называют шагом сканирования.
При поперечно-продольном перемещении ПЭЛ шаг сканирования для изделий толщиной 50 мм и более обычно выбирают равным половине размера пьезозлемента в направлении, перпендикулярном перемещению. Для изделий толщиной менее 50 мм он определяется экспериментально и соответствует половине условной протяженности дискового отражателя площадью, равной минимально фиксируемому дефекту, определенной на поисковой чувствительности.
Максимальный шаг продольно-поперечного сканирования определяется из выражения
ДС„ = Y(n + г' sin а)(] + Y)''
(7.1)
224
или
АС„ = Y (Li' + г' sin а)
(7.2)
где i - 1,2, 3,... - порядковый номер шага; L - расстояние от точки ввода луча до сканируемого сечения, нормального к контактной поверхности контролируемого сечения; п -стрела наклонного преобразователя.
Параметр Y определяется экспериментально по цилиндрическому отверстию в образце СО-2. Для этого измеряют условную ширину цилиндрического отражателя дХ на уровне 6 дБ и расстояние Lmin от отражателя до точки выхода луча ПЭП в положении, от которого отсчитывают условную ширину ДХ. Величины ДХ и Lnirrt измеряют 3 раза. Значение Y рассчитывают по формуле
Y -
4™ +'''sin а
(7.3)
За значение Y принимают среднее из трех измерений.
Применение продольно-поперечного сканирования дает существенный выигрыш в производительности труда, поскольку шаг этого сканирования увеличивается по мере удаления от шва за счет расширения пучка УЗ колебаний. Однако, для точного соблюдения параметров такого способа сканирования, целесообразно использовать приспособления, разработанные в НИИ Мостов Петербургского Университета путей сообщения.
Стабильность акустического контакта определяется качеством подготовки поверхности ввода, постоянством слоя контактной жидкости между поверхностью ПЭП и изделием и скоростью сканирования.
Минимальный условный размер фиксируемого дефекта экспериментально можно определить как усредненный результат многократных и тщательных лабораторных измерений, выполненных при заданной чувствительности, малой скорости сканирования и высоком качестве акустического контакта. Повышение скорости сканирования и увеличение шага приводят к увеличению минимальных условных размеров фиксируемого дефекта.
В связи с тем, что при заданной настройке дефектоскопа ширина пучка, а, при выключенной ВРЧ. также и чувствительность на акустической оси изменяются с глубиной, минимальный условный размер фиксируемого дефекта также изменяется по глубине.
В практике УЗ контроля принято считать, что минимальный условный размер несплошности, фиксируемой в любой точке изделия, больше условного размера минимального плоскодонного отражате
225
ля, подлежащего регистрации в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.
7.2 Измеряемые характеристики несплошностей
Основным параметром, по которому в эхо-импульсном методе судят о величине обнаруженной несплошности, является амплитуда отраженного от нее сигнала. Эхо-импульс на экране дефектоскопа, возникший при прохождении этого сигнала, сравнивают с эхо-импуль-сом от искусственного отражателя заданной геометрической формы, условно помещенного в ту же точку изделия, где находится дефект. Как было отмечено ранее, реальные дефекты отличаются от идеальных геометрических моделей. Вследствие этого при одинаковой амплитуде эхо-импульсов от несплошности и искусственного отражателя их геометрические размеры как правило, отличаются. Поэтому в УЗ дефектоскопии для характеристики геометрических размеров выявленной несплошности используют понятие эквивалентного размера, введенное нами для плоскодонного дискового отражателя в параграфе 4.14. Если а качестве отражателя, используемого для сравнения, принимают не плоскодонный дисковый отражатель, а какой-нибудь другой, то определение эквивалентного размера идентично, только вместо круглого плоскодонного используется предлагаемый тип отражателя.
Акустическое поле, формируемое преобразователем а изделии, представляет собой пучок, ширина которого меняется с глубиной. При перемещении ПЭП слева направо (рис.7.4) эхо-импульс возникает, когда дефект (д) озвучивается правой частью пучка. При пересечении акустической осью ПЭП центра дефекта эхо -импульс максимален. Таким образом, при перемещении ПЭП над компактным (точечным) дефектом, эхо-импульс от него наблюдается не в точке, а на некотором участке протяженностью 2Lo Поскольку ширина пучка (ширина диаграммы направленности) зависит от того, на каком уровне она определяется, то и 2L0 изменяется в некоторых пределах при изменении усиления дефектоскопа.
Если дефект имеет протяженность, то его границы, определенные эхо-импульсным методом, также могут отличаться от истинных (рис.7.5). В связи с этим в УЗ дефектоскопии используют понятие условных границ несплошности. Условной границей несплошности называют геометрическое место положений центра прямого ПЭП или проекций на поверхность контроля отражающих точек несплошности при контроле наклонным ПЭП в положениях, при которых амплитуда эхо-сигнала от несплошности достигает заданного уровня. Известны два способа определения условных границ - относительный и абсолютный.
226
Рис.7.4 К понятию условных границ компактного дефекта
Рис.7.5 К понятию условных границ протяженного дефекта
Способ определения условных границ по положениям преобразователя, при которых амплитуда эхо-импульса от дефекта уменьшается на пдБ от своего максимального значения, называют относительным. В отечественной практике чаще всего п ~ 6 дБ. В зарубежной практике значениеп при контроле сварных соединений обычно зависит от толщины контролируемого объекта, увеличиваясь с увеличением толщины от 0 до 12 дБ. Способ определения условных границ по положениям преобразователя, при которых амплитуда эхо-импульса от дефекта уменьшается до заданного (например, до контрольного) уровня чувствительности (с учетом глубины залегания не-сплошности) называют абсолютным. В отечественной практике получил также применение способ, представляющий собой комбинацию двух вышеназванных-определение условных границ по положениям преобразователя, при которых амплитуда эхо-импульса от дефекта уменьшается на п дБ от своего максимального значения или до контрольного уровня чувствительности (с учетом глубины залегания несплошности), при этом из двух указанных значений выбирают соответствующее более высокому уровню чувствительности.
Рис. 7.6 К определению условной протяженности
Условной протяженностью Д1 дефекта в каком-либо направлении называют максимальное расстояние между его условными границами в данном направлении.
Условную протяженность измеряют в следующих направлениях:
227
-	при контроле прямыми и наклонными ПЭП по плоской поверхности - в направлении максимальной протяженности (рис.7.6);
-	при контроле сварных швов наибольшая протяженность наблюдается чаще всего в направлении вдоль шва (рис.7.7), хотя в практике встречаются случаи расположения протяженных дефектов под некоторым углом к продольной оси сварного шва или поперек шва;
Рис. 7.7 Определение условной протяженности Л1 дефекта и условного расстояния AL между дефектами в сварном шве при контроле наклонным преобразователем
-	при контроле прямым ПЭП по цилиндрической поверхности - вдоль образующей и перпендикулярно ей. В последнем случае следует учесть поправку на кривизну поверхности ввода по формуле
а/
Д/ = Д/о -——
° R
(7.4)
где - условная протяженность, определенная по наружной поверхности без учета кривизны (рис.7.8); h - глубина залегания дефекта, мм; R - радиус кривизны поверхности ввода, мм;
Рис.7.8 Определение условной протяженности дефектов при контроле цилиндрического изделия прямым преобразователем
228
-	при хордовом (по окружности) контроле наклонным ПЭП -вдоль образующей цилиндра;
-	при контроле наклонным ПЭП вдоль образующей цилиндра -перпендикулярно образующей.
Во всех случаях наклонный ПЭП для измерения условной протяженности перемещают в направлении, перпендикулярном его направлению излучения.
В сплошных цилиндрах при оценке условной протяженности ПЭП располагают так, чтобы он находился с дефектом по одну сторону от оси цилиндра.
При контроле наклонным ПЭП измеряют также условную высоту и условную ширину дефекта. Эти параметры обязательно определяют в сечении, где эхо-сигнал от дефекта имеет наибольшую амплитуду. а при необходимости более детальной характеристики дефекта и в других сечениях.
Условной шириной ДХ дефекта называют расстояние между его условными границами при перемещении наклонного ПЭП в плоскости падения луча (рис 7 9). Разность показаний глубиномера дефектоскопа, снятых в тех же положениях наклонного ПЭП, называют условной высотой ДН дефекта.
Рис.7.9 Измерение условной ширины ДХ и условной высоты ДН дефекта
При контроле зеркально-теневым методом условные границы дефекта определяют по положениям точки выхода ПЭП, в которых амплитуда донного сигнала достигает уровня, заданного нормативными документами. Обычно задают поисковый или контрольный уровень чувствительности.
Условным расстоянием AL между дефектами называют расстояние между крайними положениями ПЭП, по которым
229
определялась условная протяженность двух рядом расположенных дефектов (рис.7.7).
7.3 Классификация несплошностей на протяженные и непротяженные
Для классификации несплошностей на протяженные и непротяженные используют величину Едеф(рис.7.10), определяемую максимальным расстоянием от условной границы дефекта до точки, где наблюдается максимальный эхо-импульс отданного дефекта. Величину сравнивают с действующей полушириной пучка Ц. Величина Lo может быть определена экспериментально и расчетным путем.
При использовании экспериментального метода (рис.7.10) выбирают ступень стандартного образца предприятия (СОП), соответствующую глубине залегания дефекта. Находят искусственный отражатель, эквивалентный по амплитуде данному дефекту, и определяют на поверхности сканирования СОП расстояние между условными границами на том же уровне чувствительности, что и для реального дефекта. Этим расстоянием определяется величина 2Lo.
Рис.7.10 Экспериментальное определение действующей полуширины лучка
При расчетном способе действующую полуширину пучка приравнивают полуширине диаграммы направленности и для прямых ПЭП с круглым пьезоэлементом определяют по формуле

(7.5)
где угол 0о определяется в зависимости от разности |Ат>х - Ао1 из таблицы 7.1
230
Таблица 7.1
Определение полуширины диаграммы направленности во
K.-AJ	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	24
pin 0 ..	0.15	0.21	0.26	О.ЗО	0.32	0.35	0.37	0.40	0.42	0 43	0.46
Здесь Атам, дБ - амплитуда эхо-импульса от дефекта;
Ао, дБ - уровень, на котором определяются условные границы. Значения Атм и Ао считывают с аттенюатора;
|Атэх - AJ. дБ-модуль (положительное значение) разности;
г, мм - расстояние от поверхности ввода до дефекта;
а, мм - радиус пьезозлемента ПЭП;
X, мм - длина УЗ волны в изделии;
О , град - полуширина диаграммы направленности на уровне
К„-Ав11ДБ.
Найденное одним из этих способов значение La сравнивают с величиной кдеф. Если Ьдрф < Lo, дефект считают непротяженным. Если ЦДЛф > к» Дефект считают протяженным.
Аналогичным способом можно произвести классификацию дефектов по параметру дН (условной высоте).
Пример- Дефектоскопом USK 7$ с преобразователем ™naB2SN (а = 12 MMtf = 2,0 МГц) на глубине г = 150 мм обнаружен дефект А^ - 26 дБ. Его Ьдеф, определенная при уровне чуаствительности Ао = 34 дБ, составляет 1-Асф = 15 мм. Определить, является ли данный дефект протяженным.
Решение. Из таблицы 7.1 для |Атам - Aj - 8 дБ получаем:
— sin	= — sin <-> = 0.30
Л	О	4?
С
Подставляя значения, получаем:
Sin Ва~ 0.074, 8О = 4.2 град., tg 8Q = 0.074. Определяем Lo = 11,1 мм.
Поскольку Ьдрф > Lo, дефект классифицируется как протяженный.
7.4 Измерение координат отражателей
При измерении координат дефектов на плоских поверхностях указывают плоскостные координаты X и Y проекции дефекта на поверхность контроля, а также глубину залегания h.
Для привязки координат контролируемую поверхность размечают на квадратные (в случае контроля поковок, листов) или на линейные участки (в случае контроля узких длинномерных заготовок, свар-
231
них швов и т.п,). Участки нумеруются, указывается начало и направление отсчета. В некоторых случаях в качестве начала отсчета используется какой-либо конструктивный элемент, клеймение или другие постоянно присутствующие признаки. Способ разметки должен предусматривать возможность ее воспроизведения по прохождении промежутка времени или после какой-либо технологической операции.
Для прямого ПЭП проекция дефекта на поверхность контроля совпадает с положением центра ПЭП при регистрации максимума эхо-импульса от дефекта. Для наклонного ПЭП расстояние проекции дефекта от точки выхода I и глубина залегания h (рис.7.11) определяются по формулам :
/ = £sina	(7,6)
(7.7)
h -Lwsa
где L - расстояние от точки выхода до дефекта по ходу луча.
Рис.7.11 Определение проекции дефекта на поверхность контроля и глубины его залегания при УЗ контроле наклонным ПЭП
При хордовом прозвучивании наклонным ПЭП цилиндрических изделий положение проекции дефекта относительно точки выхода, измеряемое длиной дуги Ю, и глубину залегания h (рис.7.12) определяют по формулам:
TlR --arclg—-----, 180 R-Lsina
nPK£cosa<7?,
(7-8)
или
,	~ nR Asina
1^ = kR+777 arctg~n—~, при L cos a > R, 180	R-Asina
(7.9)
h = R-Jr2+L2-2RLcosa
(7.Ю)
232
С использованием указанных формул могут быть разработаны рабочие координатные шкалы, либо таблицы для конкретных диаметров заготовок и углов ввода ПЭЛ.
В случае, если контроль выполняется наклонным ПЭП перпендикулярно образующей по внутренней поверхности цилиндра (рис.7.13), соответствующие формулы для определения координат дефекта имеют вид:
h = JrL, + L2 +2 Rr/,Lcosa -V	oft	tin

180
arccos
+L cos a
7/C + ^2+27?,/cosa
(7.12)
Рис.7.13 Определение координат дефекта на цилиндрическом изделии при хордовом контроле по внутренней поверхности
Рис.7.12 Определение координат дефекта на цилиндрическом изделии при хордовом контроле по наружной поверхности
При необходимости определения координат дефектов на изделиях с более сложной поверхностью целесообразно вычерчивание контролируемого сечения и хода лучей соответствующих ПЭП.
233
8 ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
8.1 Выбор параметров контроля и режимов настройки
8.1.1 Тип и конструкция преобразователя
Тип ПЭП по углу ввода (прямой или наклонный} выбирают, исходя из схемы прозвучивания данного объекта. Подробно этот вопрос рассмотрен в разделах, касающихся технологии контроля конкретных объектов.
Тип ПЭП по схеме включения (совмещенный или PC) выбирают в зависимости от толщины изделия или расстояния зоны контроля от поверхности ввода. Прямые совмещенные ПЭП обычно применяют для контроля изделий толщиной более 50 мм, а прямые PC ПЭП - для контроля изделий толщиной до 50 мм включительно, или приповерхностного слоя толщиной до 50 мм. Наклонные ПЭП преимущественно используют по совмещенной схеме включения. Наклонные PC ПЭП с продольной волной применяют для контроля сварных соединений с высоким уровнем структурных шумов (аустенитные швы). Отдельно следует указать наклонные PC ПЭП, возбуждающие головную волну - преобразователи головной волны (ПГВ), которые применяют для выявления отражателей, расположенных вблизи поверхности ввода, и с ориентацией, близкой к перпендикулярной относительно поверхности ввода (рис. 8.1).
Рис. 8.1 Примеры применения преобразователя головных волн (ПГВ): a-выявление трещин под наплавкой; б-выявление трещины под тавровым швом; в-выяэление трещины под резьбой. Т-трещина
Для решения разнообразных задач практического контроля созданы и изготавливаются ПЭП с различными конструктивными особенностями. ПЭП с низкой степенью демпфирования позволяют создать
234
наиболее мощный излучаемый импульс, однако при этом увеличивается мертвая зона и ухудшается лучевая разрешающая способность. Поэтому такие ПЭП целесообразно использовать для контроля изделий большой толщины (более 500 мм) или с высоким затуханием, обусловленным поглощением звука. ПЭП с высоким демпфированием создают короткий импульс, при этом достигаются наименьшая мертвая зона и наилучшая лучевая разрешающая способность. Чувствительность ПЭП вследствие сильного демпфирования в определенной мере снижается, хотя обычно ее вполне достаточно для решения практических задач.
Решающим достоинством прямых ПЭП с мягкими протекторами является их малая чувствительность к колебаниям шероховатости поверхности контроля. Сменный протектор резко увеличивает срок службы таких ПЭП. Поэтому, несмотря на несколько худшие, чем у ПЭП с жестким протектором, мертвую зону и разрешающую способность, ПЭП с мягким протектором получили очень широкое применение. Прямые ПЭП с жестким протектором чаще используют для определения характеристик обнаруженных отражателей, а также для измерения толщины. Рекомендуемая шероховатость поверхности при использовании прямых ПЭП с жестким протектором Ra < 2,5 мкм по ГОСТ 2789, Наклонные ПЭП с мягким протектором практически не применяют. По мере износа рабочей поверхности ее можно восстанавливать путем наклеивания пластины из оргстекла. PC ПЭП с мягким протектором применяют достаточно редко, поскольку протектор увеличивает уровень собственных шумов ПЭП в зоне контроля.
Размер стрелы наклонного ПЭП имеет наибольшее значение при контроле сварных соединений небольшой толщины (менее 20 мм) с усилением. Обычно ставится задача прозвучивания корня шва прямым лучом, поэтому точка выхода должна быть максимально приближена к усилению, то есть стрела ПЭП должна быть по возможности минимальной (рис.8.2). В некоторых методических документах рекомендуется уменьшать стрелу наклонного ПЭП путем ее сошлифовки наждачной бумагой. Однако следует иметь в виду, что при этом могут возрасти собственные шумы ПЭП из-за реверберации в призме.
>ЛХ 	Пр
а	б
Рис. 8.2 Влияние величины стрелы ПЭП на возможность прозвучивания корня шва прямым лучом a-корень шва не прозвучивается;
б-корень шва прозвучивается
235
В случае необходимости проведения УЗ контроля в пространстве, ограничивающем перемещение ПЭП, он может иметь конструкцию с подключением кабеля с верхней, боковой или задней стенки корпуса. Для улучшения акустического контакта на криволинейных поверхностях, рабочую поверхность ПЭП притирают через наждачную бумагу по форме поверхности контроля.
При УЗ дефектоскопии применяют ПЭП с пьезоэлементами размером от 5 до 50 мм. Наиболее широко используют ПЭП с пьезоэлементами размером от 10 до 25 мм. При выборе размера пьезоэлемента следует учитывать следующие факторы. При увеличении размера пьезоэлемента:
-	уменьшается ширина диаграммы направленности, что, с одной стороны, сужает озвучиваемый сектор, а с другой - улучшает фронтальную разрешающую способность;
-	повышается чувствительность на больших расстояниях;
-	увеличивается ближняя зона;
-	ухудшается акустический контакт на криволинейных поверхностях.
Исходя из этого, ПЭП с большим размером пьезоэлемента можно рекомендовать для:
-	более точной оценки границ дефектного участка и возможности его разбиения на более мелкие участки или на отдельные дефекты;
-	обеспечения высокой чувствительности при контроле изделий большой толщины.
ПЭП с малым пьезоэлементом можно рекомендовать для:
-	проведения поиска дефектов;
-	более точной оценки размеров дефектов по АРД-диаграмме на небольших расстояниях;
-	контроля изделий с криволинейной поверхностью.
При контроле изделий энергомашиностроения обычно ограничиваются диапазоном частот 0,5 -5,0 МГц, а наиболее употребим диапазон 1,8 - 4,0 МГц.
Частоту 4,0 - 5,0 МГц применяют при контроле мелкозернистых заготовок небольшой толщины (обычно < 100 мм) и сварных соединений толщиной менее 20 мм. Изделия большей толщины контролируют ультразвуком частотой 1,8 - 2,5 МГц. Для контроля заготовок с крупнозернистой структурой и с большим затуханием рекомендуют применять более низкие частоты. При выборе частоты нужно учитывать, что ее увеличение вызывает:
-	увеличение ближней зоны;
-	уменьшение мертвой зоны, связанное с уменьшением длительности свободных колебаний пьезоэлемента;
236
-	улучшение лучевой и фронтальной разрешающей способности;
-	сужение диаграммы направленности;
-	увеличение коэффициента затухания и, связанное с ним, падение чувствительности на больших толщинах (более 200 мм);
-	увеличение уровня структурных шумов в крупнозернистых материалах;
-	уменьшение уровня собственных шумов ПЭП, связанное с увеличением затухания звуковой волны в элементах ПЭЛ при возрастании частоты.
Следует также отметить, что при повышении частоты ухудшается выявляемость плоскостных дефектов, неперпендикулярных падающему УЗ лучу. Это происходит как из-за сужения диаграммы направленности ПЭП, так и из-за сужения индикатрисы рассеяния (диаграммы направленности вторичного излучателя) дефекта (рис. 8.3). Однако в тех случаях. когда рассматривается рассеяние на краю трещины, или идет речь о диффузном рассеянии на многоэлементной поверхности трещины, может наблюдаться и эффект улучшения выявляемости несплошности.
Рис. 8.3 Индикатрисы рассения (ИР) дефекта при озвучивании
разными частотами
В общем случае угол ввода выбирают таким образом, чтобы обеспечивалось прозвучивание проверяемого сечения акустической осью преобразователя (прямым или однократно отраженным лучом). При этом также следует стремиться обеспечить перпендикулярное или близкое к нему прохождение акустической оси по отношению к направлению возможной ориентации несплошностей.
Выявление дефектов, выходящих на поверхность, обеспечивается падением поперечной волны под углом 45°± 5° к этой поверхности.
8	некоторых случаях невозможно в полной мере следовать указанным рекомендациям. Так, в стыковых сварных соединениях наилучшая выявляемость дефектов достигается при контроле ПЭП с углами ввода 60 -70°. Однако при большой толщине изделия для проведения такого контроля необходимо иметь достаточно большую зону перемещения ПЭП, то есть зачищенный участок поверхности на значитель
237
ном расстоянии от шва, что не всегда возможно организовать. Кроме того, существенно увеличивается путь звукового луча в изделии, следовательно, затрудняется обеспечение требуемой чувствительности. Иногда указанные выше условия невозможно выполнить из-за необходимости обеспечения полноты контроля сварного соединения. Учитывая эти и другие ограничения, находят компромиссные решения по выбору угла ввода. Более полные рекомендации приведены в разделе, касающемся схем сканирования конкретных объектов контроля.
8.1.2 Диапазон контроля
Диапазон контроля определяется временной длительностью горизонтальной развертки ЭЛТ дефектоскопа. Прежде всего дефектоскопист решает, какую часть объема контролируемой заготовки он хочет наблюдать на экране дефектоскопа. Чаще всего встречаются следующие варианты:
1	- на экране наблюдают все сечение изделия, контролируемого прямым лучом (рис. 8.4, а).
2	- на экране наблюдают все сечение изделия при контроле прямым и однажды отраженным лучом (рис. 8.4, в)
3	- на экране наблюдают часть сечения контролируемого изделия (рис. 8.4, 6).
4	- для одного из трех указанных случаев установлен диапазон контроля, кратный 50 или 100 мм (рис. 8.4, г).
Рис. 8.4 Выбор диапазона контроля: a-контроль всего сечения прямым лучом; б-контроль части сечения прямым лучом; в-контроль всего сечения прямым и однажды отраженным или только однажды отраженным лучом; г-при контроле всего сечения прямым лучом установлен диапазон контроля, кратный 100 мм
238
После принятия одного из указанных вариантов, дальнейший выбор диапазона контроля зависит от:
-	протяженности контролируемого объема по ходу УЗ луча;
-	скорости звука для применяемого типа волны в данном материале;
-	угла ввода наклонного ПЭП.
8.1.3 Зона автоматической сигнализации дефектов (АСД)
При ручном УЗ контроле без внешних индикаторов (самописцев. отметчиков и т. д. ) зону АСД устанавливают в том случае, когда дефектоскопист хочет ограничить контролируемый участок на экране дефектоскопа с помощью строб-импульса (рис. 8.5). Система АСД имеет органы настройки, регулирующие:
-	начало зоны АСД (начало строб-импульса);
-	ширину зоны АСД (ширину строб-импульса);
-	уровень порога срабатывания АСД (высота строба),
Рис. 8.5 Применение строб-импульса зоны АСД при контроле эоны сплавления антикоррозионной наплавки с основным металлом
Индикацию зоны АСД (звуковую или световую) целесообразно использовать лишь в том случае, если в зоне АСД отсутствуют эхо-импульсы, не являющиеся эхо-сигналами от дефектов. Звуковую индикацию следует использовать при работе в таких условиях, когда наружные шумы не маскируют звук индикатора.
8.1.4 Система временной регулировки чувствительности (ВРЧ)
ВРЧ используют в случаях:
-	наличия многочисленных дефектов, требующих оценки по системе годно-брак, расположенных в некотором интервале расстояний по УЗ лучу;
239
-	значительного изменения чувствительности в направлении УЗ луча, связанного с затуханием УЗ колебаний, например, при наличии структурных помех.
Следует помнить, что применение ВРЧ требует достаточно вы сокой квалификации дефектоскописта. Оценку размеров дефектов необходимо выполнять при выключенной системе ВРЧ.
8-1-5 Отсечка
При выключенной отсечке и достаточно большом усилении дефектоскопа, соответствующем режиму поиска, на экране вдоль горизонтальной линии развертки наблюдаются многочисленные импульсы малой амплитуды (менее 1/5 высоты экрана), причиной которых являются электронные и акустические шумы, не имеющие отношения к несплошнос-тям контролируемого изделия. Опытный дефектоскопист привыкает к такой картине на ЭЛТ и способен на ее фоне обнаружить полезные сигналы (то есть эхо-импульсы от дефектов) небольшой амплитуды. Для снижения уровня шумов предусмотрена отсечка. Однако включение отсечки подавляет не только шумы, но и полезные сигналы, сужая возможности дефектоскописта по выявлению небольших дефектов. Кроме того, полностью включенная отсечка на 10 дБ уменьшает динамический диапазон экрана ЭЛТ, что более чем в 3 раза уменьшает диапазон оценки размера дефекта по экрану дефектоскопа. Не допускается включение отсечки при использовании накладных АРД-шкал, применение которых рассчитано на полный динамический диапазон. По этим причинам следует по возможности избегать включения отсечки.
8.1.6 Частота следования
Во многих дефектоскопах частота следования зондирующих импульсов или частота посыпок не имеет отдельной регулировки, а изменяется при переключении диапазона контроля. Для приборов, в которых она регулируется, следует выбирать частоту посылок, учитывая, что:
-	при уееличении толщины контролируемого изделия следует уменьшать частоту следования во избежание возникновения импульсов помех (фантомов);
-	при уменьшении толщины контролируемого изделия (уменьшении диапазона контроля) следует увеличивать частоту следования во избежание потери яркости изображения на экране ЭЛТ. При этом нужно помнить, что чрезмерная яркость сокращает срок службы флюоресцирующего покрытия ЭЛТ.
240
8.1.7 Мощность
Увеличение мощности обычно приводит к увеличению мертвой зоны и ухудшению лучевой разрешающей способности, поэтому, где возможно, следует работать на малой мощности. Увеличивать мощность нужно только в тех случаях, когда другими способами не удается обеспечить требуемую чувствительность контроля. Обычно это бывает при контроле изделий большой толщины или с большим поглощением звука.
Л X *
Настройка глубиномера и чувствительности описана ниже. Таким образом, здесь рассмотрены принципы выбора основных режимов настройки для органов регулировки, встречающихся в большинстве дефектоскопов 2-й группы. Различные типы дефектоскопов, как отечественных, так и зарубежных, могут иметь возможность регулирования и других параметров (например, формы генерируемого импульса, степени обработки эхо-импульса, поступающего на ЭЛТ, вариантов работы глубиномерного устройства и т. д.). В этом случае режимы настройки выбираются на основании рекомендаций инструкций по эксплуатации дефектоскопа или специальных методик.
8,2 Настройка глубиномера
При настройке глубиномера всегда в той или иной форме присутствуют 2 этапа:
1	- настройка на скорость УЗ волн в контролируемом материале;
2	- установка нуля или задержки развертки.
Конкретные действия, выполняемые при настройке по каждому этапу, зависят от типа дефектоскопа. Тем не менее, можно указать основные варианты, встречающиеся в современных дефектоскопах. По первому этапу настройки такими вариантами являются:
-	установка известного значения скорости путем дискретного переключения или набора на клавишах управления с отображением на дисплее;
-	получение на цифровом глубиномерном устройстве заданного расстояния между деумя опорными эко-сигналами от отражателей, расположенных на разных глубинах;
-	настройка скорости развертки, при которой расстояние между эхо-импульсами от даух опорных отражателей, расположенных на разных расстояниях, соответствует расстоянию между отражателями.
При работе с прямыми совмещенными и PC ПЭП в качестве опорных сигналов обычно используют 1-й и 2-й донные сигналы из
241
плоскопараллельных образцов с известной толщиной (К1, К2, CBU, VW, СО-2 и др.) или непосредственно контролируемое изделие, если известна его толщина в какой-либо точке.
При работе с наклонными ПЭП в качестве опорных могут быть использованы:
-	1-й и 2-й эхо-импульсы от цилиндрической поверхности R100 образца К1, При установке ПЭП на образец К1 (рис. 8.6) УЗ пучок совершает многократные колебания между цилиндрической поверхностью R100 и двугранным углом, образованным пропилом Р и плоскостью А. Каждый раз в одном направлении луч проходит расстояние 100 мм;
по стандартному образцу К1
-	1-й и 2-й эхо-импульсы от цилиндрической поверхности R25 образца К2. При установке ПЭП на образец К2 {рис. 8.7) УЗ импульс совершает многократные колебания по пути О-А-О-В-О. Первый эхо-импульс возникает после прохождения пути О-А-О. 2-й эхо-импульс -после прохождения пути О-А-О-В-О-А-О. На экране при этом возникают: 1-й эхо-импульс на расстоянии 25 мм, второй на расстоянии 75 мм от первого, все дальнейшие - на расстоянии 75 мм друг от друга.
25	{00
Рис.8.7 Настройка глубиномера для наклонного ПЭП по стандартному образцу К2
-	1-й и 2-й эхо-импульсы от цилиндрической поверхности R55 образца СО-3. При установке ПЭП на образец СО-3 {рис. 8.8) УЗ импульс совершает многократные колебания аналогично образцу К2. На экране при этом возникают: 1 -й эхо-импульс - на расстоянии 55 мм,
242
второй - на расстоянии 110 мм от расстоянии 110 мм друг от друга.
первого, все дальнейшие - на
Рис. 8.8 Настройка глубиномера для наклонного ПЭП по стандартному образцу СО-3
В качестве опорных отражателей, расположенных на разных расстояниях могут быть использованы:
-	двугранные углы (рис. 8.9, а);
-	два отражателя, выполненные на разных глубинах (рис. 8.9, б)
Рис. 8.9 Настройка глубиномера по двум отражателям, расположенным на разных расстояниях: а-даугранные углы; б-боковые отверстия
Некоторые другие способы получения опорных эхо-импульсов приведены на рис. 8.10.
Рис. 8.10 Получение опорных эхо-импульсов на разных расстояниях: a-прямой и однажды отраженный сигналы от двугранного угла; б-прямой и однажды отраженный сигналы от бокового отверстия; в-лолучение эхо-импульсов с разных поверхностей образца
243
По второму этапу настройки глубиномера применяют следующие варианты:
-	установка известного значения задержки развертки путем набора на клавишах управления с отображением на дисплее;
-	регулировка нуля глубиномера с получением на цифровом глубиномерном устройстве заданного расстояния до опорного отражателя;
-	регулировка задержки развертки для установки эхо-импульса от опорного отражателя в заданное положение на экране дефектоскопа.
При работе наклонным ПЭП в разных производственных задачах может потребоваться измерение расстояния до. дефекта по лучу L, глубины h или расстояния от точки выхода до проекции дефекта на
поверхность I (см. раздел 7.4).
Рис. 8.11 Номограмма для определения координат дефекта, обнаруженного наклонным
Некоторые типы современных дефектоскопов после соответствующей настройки глубиномера позволяют путем простого переключения менять измеряемые параметры. Для приборов, у которых такая возможность отсутствует, для определения двух координат по известной третьей можно использовать простую номограмму (рис. 8.11), пересчетные таб
лицы, координатные линейки и т. п.
Для более точной настройки глубиномера рекомендуется:
- все операции настройки и
ПЭП
измерения производить при одинаковой высоте эхо-импульса (обычно 2/5 - 1/2 высоты экрана электронно-лучевой трубки);
-	не использовать для настройки и измерений конец горизонтальной шкалы (1/10 часть развертки в правой ее части), поскольку линейность в конце горизонтальной развертки несколько ухудшается;
-	настройку прибора для наклонных ПЭП производить по фактическому углу ввода. Это особенно важно для ПЭП с углами ввода 60° и более, для которых небольшое отклонение угла приводит к существенному изменению координаты h.
8. 3 Настройка чувствительности дефектоскопа и оценка размеров дефектов по амплитудному признаку
Настройка чувствительности заключается в такой регулировке органов измерения и управления усилением и мощностью дефектоско
244
па, при которой эхо-импульсы от отражателей заданных размеров, расположенных на заданных глубинах, имеют заданную высоту на экране ЭЛТ дефектоскопа. Минимальный эквивалентный размер несплошности, подлежащей выявлению, и форма искусственного отражателя, с которым сравнивают несплошности, указывают в технических условиях, правилах контроля и других руководящих документах
Ниже рассматриваются способы настройки чувствительности, получившие наиболее широкое применение в практике УЗ контроля.
1.	Способ, основанный на применении стандартных образцов предприятия (СОП). Его использование рекомендуется в следующих случаях:
-	при контроле большой серии изделий, однотипных по геометрическим размерам, состоянию поверхности ввода УЗ колебаний и однородных по затуханию;
-	при контроле изделий с большой кривизной (радиус кривизны выпуклой поверхности Йнар < 75 мм);
-	при контроле тонкостенных изделий (обычно, при толщине стенки менее 20 мм);
-	при контроле изделий со сложной конфигурацией, если стенки изделия или его конструктивных элементов изменяют форму свободного звукового пучка.
2.	Способ АРД-диаграмм. Может применяться как основной в большинстве случаев контроля изделий простой геометрической формы. Особенно целесообразен в следующих случаях:
-	при контроле крупногабаритных или толстостенных изделий;
-	при контроле изделий с участками, разнородными по затуханию.
Способ АРД-диаграмм экономически более выгоден, поскольку не требует затрат на изготовление и аттестацию стандартных образцов предприятия.
Разновидностью способа АРД-диаграмм является способ АРД-шкал, представляющих собой прозрачную пластину с нанесенной на нее АРД-диаграммой для определенного типа ПЭП и определенного диапазона контроля. АРД-шкала устанавливается перед экраном ЭЛТ дефектоскопа.
Способ АРД-диаграмм может быть реализован путем вю юче-ния в функциональную схему дефектоскопа специального АРД-6 юкат позволяющего для заданных ПЭП производить автоматический расчет эквивалентного размера несплошности.
3.	Расчетный способ. Основан на применении формул расчета акустического тракта. Может применяться в тех случаях, когда отсутствуют СОП и АРД-диаграммы, а также при необходимости пересчета эквивалентных размеров по одному из видов отражателей (например, по плоскодонному отверстию) в эквивалентные размеры по другому виду отражателя (например, по цилиндрическому отверстию).
245-
8.3.1 Способ стандартных образцов предприятия
Для настройки чувствительности подбирают СОЛ, подходящий для контролируемого изделия (конструкции СОП и требования к ним приведены в главе 6).
Настройка чувствительности заключается в том, что на ЭЛТ дефектоскопа получают эхо-импульс от искусственного отражателя размером, равным минимально фиксируемому дефекту, на глубине, соответствующей максимальной чувствительности для данной толщины, и устанавливают высоту этого эхо-импульса равной 2/5 или 1/2 высоты экрана (в зависимости от типа дефектоскопа). Показание аттенюатора Ао в этом случае (при неизменном положении некалиброванных регуляторов усиления и мощности) соответствует контрольному уровню чувствительности. Далее производится настройка на отражатели того же размера, расположенные на других глубинах в пределах толщины изделия. Показания аттенюатора AOf для каждой глубины записывают.
Контроль изделия производят на поисковой чувствительности. При обнаружении дефекта эхо-импульс от него устанавливают на заданную высоту (2/5 или 1/2 высоты экрана). По показанию аттенюато-раАди по глубине расположения дефекта путем сравнения с соответствующим АО1 определяют, превосходит обнаруженный дефект заданный уровень фиксации или нет. Для оценки эквивалентного размера дефекта в СОЛ на глубине залегания дефекта находят искусственный отражатель, дающий эхо-импульс такой же высоты. Его размер и является эквивалентным размером дефекта.
8.3.2 Способ АРД-диаграмм
Ранее (глава 4) даны начальные сведения об АРД-диаграмме. Здесь рассмотрим порядок работы с АРД-диаграммой. С использованием АРД-диаграмм решают три основные задачи:
1	- оценка затухания УЗ волн;
2	- настройка чувствительности дефектоскопа;
3	- определение эквивалентных размеров обнаруженных дефектов.
8.3.2.1 Оценка коэффициента затухания УЗ волн
В этой книге речь идет во всех случаях именно об оценке, но не об измерении коэффициента затухания, поскольку измерение предполагает использование других средств, методик, а также установление показателей погрешности измерения. Сравнивают разность амплитуд эхо-импульсов от отражателей, расположенных на разных глу
246
бинах в контролируемом изделии и такую же разность, определенную из АРД-диаграммы, то есть для материала с 6=0.
Для оценки коэффициента затухания продольных волн в изделии прямым ПЭП следует использовать два образца толщинами Н, и Н2, выполненных из материала контролируемого изделия. При этом Н2 = (2-4)Нг Поверхности ввода и "дна” должны быть плоскопараллельны. Шероховатость поверхности ввода Ra < 2,5 мкм, донной поверхности -R3 < 40 мкм. В случае отсутствия таких образцов используют 1 -й и 2-й донные эхо-сигналы. При этом для прямых ПЭП с жестким протектором второй донный сигнал измеряют на свободной поверхности изделия, а при измерении первого донного сигнала (AJ к донной поверхности прижимают второй ПЭП (балластный), не присоединенный к дефектоскопу и идентичный измерительному (рис. 8.12).
Перемещая балластный ПЭП, устанавливают его в такое положение, при котором донный сигнал минимален. Это делается для исключения влияния акустической нагрузки, которой является сам излучающий ПЭП, на второй донный сигнал.
К прибору
\	11	Рис. 8.12 Использование
балластного преобразователя при оценке коэффициента
,,_______J затухания продольных волн
U fajljf&CTHblti ПМ
Дефектоскопом с помощью аттенюатора измеряют амплитуды отражений А1 и А2 в дБ. Вычисляют разность
ЛА -А2-А1
(8.1)
Из АРД-диаграммы для соответствующего ПЭП определяют разность ДАр в дБ между уровнями донного сигнала для толщин Н2 и Нг Вычисляют разность
Л~ ЛА - ЛА
г
(8.2)
Коэффициент затухания ультразвука в данном изделии определяют из выражения
(дБ/мм)
(8.3)
247
Если для оценки коэффициента затухания были использованы 1-й и 2-й донные сигналы из изделия толщиной Н, то
8 = Д / 2/У (дВ/мм)	(8.4)
Для оценки коэффициента затухания сдвиговых волн используют схему, показанную на рис. 8.13, а. Здесь два однотипных наклонных ПЭП включены по раздельной схеме. Положение излучающего ПЭП (И) не меняется. В положениях П1 и П2 приемного ПЭП измеряют амплитуды эхо-сигналов соответственно А-| и А2 Все дальнейшие операции выполняют так же, как для продольных волн. Оценку коэффициента затухания сдвиговых волн для углов ввода от 35° до 75° можно выполнить с помощью отражений от двугранного угла. В таком случае используют отражения от двугранных углов на разных толщинах, или схему рис. 8.13, б. При этом необходимо, чтобы двугранный угол был равен 90^, а шероховатость поверхностей, образующих двугранные углы, а также поверхности ввода, Ra < 2,5 мкм.
Рис. 8.13 Оценка коэффициента затухания сдвиговых волн: а - по раздельной схеме; б - по совмещенной схеме
Следует помнить, что для сдвиговых волн коэффициент затухания определяется через расстояния по ходу луча, то есть
8:	= Д/2г = h.QQSOtJ'l'H UB/mm)	(8.5)
Описанные выше способы оценки коэффициента затухания наиболее часто употребляются на практике, но не являются единственно возможными. В общем случае оценка коэффициента затухания возможна, если
-	имеются опорные отражатели в контролируемом изделии и в образце с известным затуханием, расположенные на одинаковом расстоянии;
-	имеется опорный отражатель в изделии (или в образце материала изделия) и возможность измерения эхо-сигнала от него при расстояниях г-j и Г2, где Г2 = (2-4) г-j. Знание коэффициента затухания и резерва усиления позволяет с помощью АРД-диаграммы определить максимальную предельную чувствительность на различных глубинах. Для этой цели определим, на какую величину Д¥г уменьшается резерв усиления на глубинах (расстояниях) г^, *2> • • • гп-
248
д Vr, = 2i\8
A W- = 2r2<5
Л Vr, = 2rnS
Нанесем эти данные на АРД-диаграмму, как показано на рис. 8.14. Дефекты, эквивалентные размеры которых находятся ниже кривой К, не будут выявлены данным ПЭП в изделии с данным затуханием.
Рис. 8.14 Влияние затухания на выявляемость дефектов в изделии
8.3.2.2 Настройка чувствительности дефектоскопа
По АРД-диаграмме определяют разность Др в дБ (рис. 8.15) между кривой минимально фиксируемого дефекта АНр на глубине Н, на которую необходимо настроить дефектоскоп, и точкой, соответствующей опорному сигналу Адр на глубине Но (индексы означают: дефект, р-расчетная величина, о-опорный сигнал, и-измеренное значение, н-настройка);
ДР = АНР - А0Р	(8 6)
В качестве опорных при работе прямыми и PC ПЭП могут быть использованы отражатели, нанесенные на АРД-диаграммы - плоскость (донный сигнал) и плоскодонные отверстия, а также другие отражате-
249
ли, которые каким-либо образом могут быть привязаны к точкам АРД-диаграммы. Для наклонных ПЭП помимо указанных могут быть исполь-
зованы: внутренняя цилиндрическая поверхность (например, отражение из образца СО-3), а для ПЭП с углами ввода от 35^ до 55° -двугранный угол, Если уровни отражения от внутренней цилиндричес
кой поверхности и от плоскости для данного типа ПЭП отличаются, должны быть введены поправки, как это сделано, например, в AVG-
диаграммах Крауткремера. В случае использования двугранного угла необходимо убедиться, что поверхность ввода и поверхности, обра-
зующие даугранный угол на участке падения УЗ пучка имеют шероховатость Ra < 2,5 мкм, а сам двугранный угол составляет 90°.
Рис. 8.15 Настройка чувствительности с применением АРД-диаграммы
При использовании для прямых ПЭП в качестве опорного отражателя донной поверхности, к ва шероховатости не ставятся слишком жесткие требования. Шероховатость не оказывает заметного влияния на амплитуду донного эхо-импульса до тех пор, пока высота неровностей не становится соизмеримой с длиной волны. С другой стороны, донный сигнал весьма критичен к непараллельности поверхностей ввода и донной. Поэтому для настройки необходимо использовать такие участки, где поверхности строго параллельны.
Отражение от донной поверхности сплошного цилиндра можно использовать как отражение от плоскости, если диаметр цилиндра составляет не менее 3,7 длины ближней зоны применяемого ПЭП (в том числе и для ПЭП, непритертых к поверхности цилиндра).
250
При контроле цилиндрических заготовок достаточно большого диаметра с осевым отверстием (типа валов) в качестве опорного отражателя используют поверхность внутреннего цилиндрического отверстия. Эхо-сигналы от поверхности отверстия и от плоскости будут отличаться тем больше, чем меньше диаметр отверстия и чем больше толщина стенки цилиндра. С помощью номограммы (рис. 8.16) определяют поправку, на которую необходимо уменьшить усиление, установленное по отражению от отверстия. Полученное таким путем усиление определяет уровень отражения от плоскости.
наружный
1_____i______LZ .„.MJ____1-----1—
аедяадмгё
Рис. 8.16 Номограмма для учета влияния кривизны донной поверхности
Дефектоскоп настраивают по той глубине, для которой необходима максимальная чувствительность в зоне контроля. Как правило, эта глубина соответствует максимальной глубине контролируемой зоны или толщине контролируемого изделия. Исключение может быть при контроле PC ПЭП, когда из АРД-диаграммы видно, что для подповерхностной зоны требуется более высокая чувствительность, чем для полной толщины.
Дефектоскопом измеряют уровень опорного эхо-сигнала Аои. Полученное усиление изменяют на величину Др. Для изделий без затухания полученное значение
А = А + Др
И •	«Г
(8.7)
определяет контрольный уровень чувствительности.
251
Если материал изделия имеет коэффициент затухания 5, который приводит к ослаблению звука 2 дБ или более на полной толщине, то при настройке чувствительности возможны три случая.
1.	Опорный отражатель находится на глубине Но. Настройку необходимо произвести на полную толщину изделия Нн = Но.
В этом случае корректировки настройки не требуется, так как затухание одинаково влияет и на эхо-импульс От опорного отражателя и на эхо-импульс от дефекта с той же глубины.
2.	Опорный отражатель находится на глубине Но. Настройку необходимо произвести на толщину Нн < Но.
В этом случае находят поправку на затухание
Дз = 2{НГН)8	(8.8)
Определяю^
ф, = Др + zb	(8.9)
Настройка дефектоскопа с учетом затухания
А = А +Д р fa	1 ।
(8.10)
3.	Опорный отражатель находится на глубине Но. Настройку чувствительности необходимо произвести на толщину Нн > Но. В этом случае находят поправку на затухание
Аз = 2(Н:Н1)д	(8.1 J)
Определяют
— Др +• zb	(8.12)
Настройка дефектоскопа с учетом затухания
А., = А.«. + ЛР,	<813)
Все рассмотренные выше случаи настройки могут быть обобщены формулой
А = А - A +А, -2Ь(Н-Н) ’	(8.14)
if	<т ар />р	1 г‘ /Г	'
8.3.2.3 Определение эквивалентных размеров дефектов
Эта операция основывается на сравнении амплитуд двух эхо-импульсов. Сравнивают эхо-импульс от неизвестного отражателя с эхо-имлульсом от известного или опорного отражателя. Неизвестным отражателем является обнаруженный дефект. Опорными служат те же отражатели, которые использовались при настройке чувствительности.
252

С помощью кривых на АРД-диаграмме можно определить раз кость (в дБ) между эхо-им пульса ми от двух отражателей любых раз меров, расположенных на любых глубинах.
Рис. 8.17 Определение эквивалентных размеров де- • фекта с применением АРД - диаграммы
Операцию выполняют в следующей последовательности:
-	дефектоскопом измеряют амллитудуАди эхо-импульса от дефекта, и глубину Ьди залегания дефекта. Для наклонного преобразователя вместо Иди могут измерять расстояние по лучу или расстояние от точки ввода до проекции дефекта на поверхность изделия;
-	вычисляют разность Аи между амплитудой Ади сигнала от де-- фекта и уровнем опорного сигнала Аои с учетом затухания;
А = Л + 2 8(Н -hJ-A ti «М	'	•• rhr
(8.15)
- вычисляют расчетную амплитуду Адр эхо-импульса от дефекта:
А — А + Д
<>/'	<<Р	К
(8.16)
- на АРД-диаграмме находят точку пересечения Д глубины залегания дефекта Ьди и усиления Адр (рис. 8.17).
Вся описанная выше процедура обобщается формулой:
А = А -А +А+2 8(Н -h)
Op up tut rht	' t> ihf
(8.17)
Ближайшая кривая, проходящая около полученной точки, укажет приближенный эквивалентный размер дефекта. Более точно эквивалентный размер дефекта можно определить с использованием фор
253
мул акустического тракта для данного ПЭП и соответствующего отражателя. В частности, для дефекта, расположенного в дальней зоне, можно использовать соотношение:
S, = kS\	(8.18)
где S’3 - эквивалентная площадь дефекта по ближайшей кривой АРД-диаграммы.
к - определяют по таблице 8.1 в зависимости от расстояния Ап (в дБ} точки АДр от ближайшей кривой АРД-диаграммы. Ап берут со знаком если Адр находится выше кривой АРД-диаграммы и со знаком в противном случае.
Таблица 8.1
Уточненное определение эквивалентной площади несплошности в дальней эоне
— Ал. дБ	-6	•5	-4	-3	•2	-1	0	1	2	3	4	5	6
к	0.50	0.56	0.63	0.71	0.79	0.89	1.00 		1.12	1.26	1.41	1.58	1.78	2.00
Разновидностью способа АРД-диаграмм является табличный способ. В верхней строке таблицы приводят дискретный набор расстояний от точки выхода ПЭП до дефекта, в левом столбце указывают эквивалентный размер дефекта. На пересечении каждой строки и каждого столбца записывают значение Др, дБ добавки усиления к значению амплитуды сигнала от опорного отражателя. Обычно для таблицы выбирают набор эквивалентных размеров, регламентированных в методических документах, или встречающихся в используемых на данном предприятии нормативных документах. Набор расстояний от точки выхода ПЭП до дефекта (глубин залеганий дефектов или расстояний до них по лучу) выбирают так, чтобы разница между соседними значениями добавок Др не превышала 2дБ. Если в изделии имеется существенное затухание, то оно должно быть учтено отдельно. Таблицы выполняются для конкретных типов ПЭП. Оформляются в виде карточек небольших размеров. Таблицы просты в употреблении, компактны и поэтому охотно используются дефектоскопистами.
В некоторых странах для описания несплошностей и оценки их допустимости применяют способ, основанный на измерении процентного соотношения высоты эхо-импульса от дефекта с высотой эхо-импульса от опорного отражателя или с полной высотой экрана при усилении, установленном по опорному отражателю. Необходимым требованием к дефектоскопу в этом случае является динамический диапазон экрана ЭЛТ в 20 дБ и линейность экрана. При таком способе
254
регулятор отсечки шумов должен быть выключен. Здесь нужно помнить, что уменьшение эхо -импульса вдвое (50%) от любого уровня то ли полной высоты экрана, то ли высоты эхо-импульса от опорного отражателя - соответствует ослаблению на 6 дБ.
8.4 Схемы прозвучивания
При выборе схем прозвучивания следует стремиться к тому, чтобы обеспечить прохождение УЗ лучей перпендикулярно к направлению возможного распространения дефектов, характерных для данного изделия или представляющих для него наибольшую опасность. Поэтому схемы контроля выбирают в зависимости от способа производства контролируемого объекта. Рассмотрим основные схемы прозвучивания, применяемые при УЗ контроле различных объектов.
8.4.1 Листовой прокат
В листовом прокате дефекты, как правило, расположены в плоскости, параллельной верхней и нижней поверхностям листа, и вытянуты вдоль направления прокатки. Поэтому на листовом прокате толщиной более 6мм обычно ограничиваются контролем прямым (или PC) ПЭП, осуществляя сканирование перпендикулярно направлению прокатки (рис. 8.18).
Рис. 8. 19 Выявление трещин, идущих от верхней (а) или нижней (б) поверхностей листа
Рис. 8.18 Схема прозяучива-ния листового проката
В тех случаях, когда имеется вероятность возникновения трещин, идущих от поверхностей листа (рис. 8.19), целесообразно ввести контроль наклонным ПЭП с углом ввода 45^±5^.
255
Рис. 8.20 Контроль листов наклонным ПЭП в четырех (а) и в восьми (б) направлениях
Если неизвестна возможная ориентация трещин, обычно ограничиваются контролем в четырех направлениях, а для наиболее ответственных случаев может быть организован контроль в восьми направлениях (рис. 8.20). Полный объем контроля обеспечивается прозвучи-ванием как прямым, так и однажды отраженным лучами.
8.4.2 Поковки
При выборе схемы прозвучивания поковок исходят из того, что дефекты в них могут иметь любую пространственную ориентацию. Поэтому основным принципом при УЗ контроле поковок является прозву-чивание каждого элемента объема в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. Это условие легко выполнить, если изделие имеет форму параллелепипеда с соотношением двух любых сторон не более т,
т = /660 af/C
(8.19)
где а, мм - радиус пьезозлемента;
f, МГц - частота ультразвука;
С, м/с - скорость продольных УЗ волн.
В таком случае УЗ контроль прямым или PC ПЭП с трех взаимноперпендикулярных граней обеспечивает выполнение поставленного требования. В случаях же изделий цилиндрической формы или параллелепипедов с соотношением сторон более т, направления, нецелесообразные для УЗ контроля прямым ПЭП, восполняют наклонным ПЭП. Применяемые для такого контроля углы ввода обычно находятся в пределах 35^-70^. Контроль наклонным ПЭП в направлении, перпендикулярном образующей называют кордовым прозвучиванием. При хордовом прозвучивании полых цилиндрических заготовок обычно используют углы ввода а= (40±5)^.
Если при этом толщина стенки
256
Н > D„(l -sina) / 2
(8.20)
(где DH - наружный диаметр цилиндра), в заготовке образуется зона непрозвучиваемости, прилегающая к внутренней поверхности (рис. 8.21). В таком случае не будут выявлены дефекты типа радиальных трещин.
Рис. 8.21 Образование зоны непро-звучиваемости при хордовом контроле полого цилиндра. 1-зона непрозвучиваемости; 2-дефект
Оптимальными углами ввода при хордовом прозвучивании являются такие углы, которые обеспечивают прохождение пучка продольных или поперечных волн в направлении, близком к касательной к внутренней цилиндрической поверхности, или пучка поперечных волн, падающего на нее под углом (45±5)^.
Рис.8.22 Схемы выявления поверхностных дефектов при контроле кованых заготовок без припуска: a-контроль полого цилиндра вдоль образующей; б-хордовое прозвучивание полого цилиндра;
в-хордовое прозвучивание сплошного цилиндра
Для хордового прозвучивания сплошных цилиндров также используют угол ввода а = (40±5)°. Зона непрозвучиваемости вблизи
257
Рис.8.23 Схемы прозвучивания поковок простой геометрической формы П - прямой ПЭП, Н - наклонный ПЭП.
Цифры обозначают номера направлений прозвучивания
V
«
I
258
оси заготовки здесь не имеет такого значения, как для полых цилиндров, поскольку возможные дефекты будут выявлены прямым ПЭП.
В случае контроля цилиндрических изделий без припуска следует обеспечить прозвучивание подповерхностной зоны наклонным лучом, падающим на поверхность со стороны металла (рис.8.22). Для сплошных цилиндров при этом должна быть обеспечена требуемая чувствительность на конце хорды.
Схемы прозвучивания поковок простой геометрической формы приведены на рис.8.23. В поковках более сложной конфигурации обычно можно выделить участки с простейшей геометрической формой, которые прозвучивают по схемам рис.8.23.
Схема прозвучивания труб аналогична схеме контроля тонкостенных полых кованых цилиндров.
Литые заготовки с точки зрения их УЗ контроля отличаются от поковок большей сложностью формы. Однако при разработке схемы контроля литой заготовки также необходимо стремиться обеспечить прозвучивание каждого элемента объема с трех взаимноперпендикулярных направлений.
При контроле листового проката, поковок и литья наряду с эхоимпульсным используется зеркально-теневой метод контроля.
8.4.3 Сварные швы
При выборе схемы прозвучивания сварных соединений в первую очередь исходят из возможности полноты прозвучивания поперечного сечения сварного соединения и вероятности выявления наиболее опасных плоскостных дефектов (трещин, непроваров, несплавлений). Помимо наплавленного металла и зоны сплавления УЗ контролю подвергается также околошовная зона термического влияния. В энергетике принята следующая величина этой зоны:
а)	для сварных соединений, выполненных дуговой сваркой:
-	при номинальной толщине сваренных элементов до 5 мм включительно - не менее 5 мм;
-	при номинальной толщине сваренных деталей свыше 5 до 20 мм включительно - не менее их номинальной толщины;
-	при номинальной толщине сваренных деталей свыше 20 мм - 20 мм;
б)	для сварных соединений, выполненных электро шлаковой сваркой:
-	при номинальной толщине свариваемых элементов до 100 мм включительно - не менее 50 мм;
-	при номинальной толщине сваренных деталей свыше 100 мм не менее (0, 25 Н + 25 мм ), где Н - номинальная толщина сваренных деталей в мм.
259
Полнота прозвучивания зависит от типа сварного соединения, его толщины, конфигурации поверхностей контроля и противоположных поверхностей, наличия конструктивных элементов, ограничивающих перемещение ПЭП.
Виды наиболее опасных дефектов, их пространственная ориентация и место расположения зависят от конструкции сварного соединения. применяемых материалов, технологии сварки, вида термообработки. Поэтому схема прозвучивания должна разрабатываться на основе статистических данных распределения несплошностей, полученных либо металлографическими исследованиями сварных проб, либо путем анализа накопленного опыта дефектоскопии аналогичных конструкций. Так, например, при изготовлении сосудов с толщиной стенки более 40 мм статистическим анализом реальных плоскостных дефектов установлено. что продольные трещины и несплавления располагаются преимущественно в средней по толщине части шва и отклоняются от оси поперечного сечения не больше, чем на 15°. а от продольной оси в горизонтальной плоскости не более, чем на 10°. Ориентация несплав-лений по кромкам определяется конфигурацией разделки сварного соединения. Некоторые отклонения в режиме сварки, например, увеличение скорости, приводят к образованию трещин, ориентированных в горизонтальной плоскости под углом около 45° к оси шва.
Наиболее опасны трещины, ориентированные поперек шва. то есть перпендикулярно растягивающим напряжениям. Они располагаются в вертикальной плоскости, обычно в наплавленном металле и зоне термического влияния. Наиболее часто поперечные трещины возникают в корневой зоне швов, выполненных двусторонней сваркой без подогрева. Они имеют слабошероховатую поверхность, что затрудняет их обнаружение.
Ниже рассматриваются основные схемы прозвучивания сварных соединений энергетического оборудования. Стыковые сварные соединения толщиной до 20 мм обычно контролируют с одной поверхности прямым и однажды отраженным лучом наклонным ПЭП с углом ввода 65°-70° (рис.8.24. а), расположенным перпендикулярно оси шва, Иногда для тонкостенных швов может быть применен контроль многократно отраженным пучом (рис.8.24, 6). В этом случае из-за переотражения УЗ волны от стенок и дефекта, трещины по существу становятся не направленными отражателями и вероятность их обнаружения повышается. Для выявления поперечных дефектов стыковые сварные соединения контролируют путем перемещения наклонного ПЭП вдоль оси сварного шва (рис.8.24, е). При отсутствии усиления ПЭП перемещают непосредственно по поверхности шва. Если шов имеет усиление, наклонный ПЭП перемещают под неболь-им углом (10-30 )° к продольной оси шва (рис.8.24, ж). Контроль
Рис. 8.24 Схемы прозвучиеания стыковых сварных соединений:
а, б - стыковые сварные соединения толщиной до 20 мм;
в, г - стыковые сварные соединения толщиной 20 мм и более;
д - контроль ло схеме “тандем’";
е, ж - контроль для выявления поперечных дефектов;
з - контроль по "стредл- способу”;
Примечание: контроль с левой стороны на рис.8.24 а. б, в, г выполняется аналогично и на данной схеме не показан.
261
выполняют в двух направлениях - с разворотом ПЭП на 180° - прямым и однажды отраженным лучом.
Стыковые сварные соединения толщиной от 20 до 60 мм контролируют либо с двух поверхностей прямым лучом, либо с одной -прямым и однажды Отраженным лучом. Для повышения эффективности выявления дефектов в приповерхностной зоне может быть дополнительно введен контроль однажды или дважды отраженным лучами (рис.8.24, в, г). Прямой луч вводят под углом 65°-70°, а однажды отраженный - под углом 45°-50°.
Контроль на поперечные дефекты производится наклонным ПЭП с углом ввода (45±5)° по схемам рис.8.24, е, ж прямым лучом, если сканирование происходит по двум поверхностям, или прямым и однажды отраженным лучом, если сканирование происходит по одной поверхности.
Стыковые сварные соединения толщиной свыше 60 мм контролируют с четырех сторон с двух поверхностей наклонными ПЭП с двумя углами ввода: приповерхностную зону под углом 65°-70°1 все сечение - под углом (45±5)°. Для повышения эффективности выявления вертикально ориентированных дефектов рекомендуют применение схемы тандем (рис.8.24,д). Используются однотипные наклонные ПЭП с углами ввода (45±5)°, включенные по раздельной схеме. Из рис.8.24 ,д видно, что при фиксированном расстоянии (базе) "в” между преобразователями, контролируется достаточно тонкий слой изделий на определенной глубине. Поэтому схему тандем применяют либо для контроля одного тонкого слоя сварного соединения (например, корня сварного шва)г либо контролируют сварной шов в несколько проходов, последовательно изменяя базу "вмг для перекрытия необходимого диапазона по толщине. При использовании схемы тандем приповерхностные области сварного соединения толщиной около 0,1 толщины шва являются мертвой зоной и не контролируются.
Как видно из рис.8.24,д, при использовании схемы тандем требуется зона сканирования значительно большая, чем при обычном контроле наклонным ПЭП прямым лучом. Если зона сканирования на изделии ограничена конструктивными элементами, и схему тандем в классическом варианте применить невозможно, для выявления вертикальных дефектов можно применить модифицированный способ тандем с трансформацией волн. Сущность способа заключается в том (рис.8.25), что излучатель И возбуждает продольную волну, которая, отразившись от донной поверхности изделия, попадает на дефект. На дефекте при отражении происходит трансформация продольной волны в поперечную, которая и попадает на приемную часть П преобразователя. В литературе этот способ называют LLT-способ (по первым буквам немецких слов L-продольная, Т-поперечная).
262
Рис.8.26 Наиболее широко применяемые схемы прозвучивания сварных соединений: а, б-тавровых; в-угловых; г, д, е, ж- приварки штуцеров (патрубков), к-конструктивные ограничители. Буквами обозначены следующие типы ПЭП: П-прямой, Н-наклонный, Г-головных волн©-наклонный ПЭП перемещается от наблюдателя, 0- наклонный ПЭП перемещается на наблюдателя.
263
и
Рис.8.25 Применение модифицированного способа тандем для выявления несплошностей с вертикальной ориентацией.
L-продольная волна; Т-попере-чная волна; д-дефект;
И -излучающая часть ПЭЛ; П-приемная часть ПЭП
Контроль на поперечные дефекты выполняется наклонным ПЭЛ с углом ввода (45±5)° с двух поверхностей по схемам рис.8.24, е. Учитывая, что поперечные трещины , как правило, расположены в вертикальной плоскости, эффективность их выявления повышается при использовании различных вариантов эхо-зеркального метода.
Так, швы со снятым усилением “контролируют способом “тандем”. Швы с толщиной 20-100 мм с усилением контролируют по “стрэд-л-способу" (рис.8.24, з). При этом способе наклонные ПЭП с углами ввода 62°-73° расположены по разные стороны шва. Звуковой пучок от излучателя И падает на дефект “Т", отражается от него, отражается от донной поверхности и регистрируется приемным преобразователем П.
Наиболее широко применяемые схемы прозвучивания других типов сварных соединений приведены на рис.8.26. Углы ввода наклонных ПЭП при контроле со стороны притыкаемого элемента выбирают в зависимости от его толщины так же, как и для стыковых соединений. При контроле со Стороны основного элемента обычно применяют угол ввода (45±5)°. Преобразователи головных волн (ПГВ), указанные на схемах, обычно применяют как дополнительное средство контроля для выявления подповерхностных дефектов с ориентацией, перпендикулярной поверхности контроля. При выборе конкретной схемы прозвучивания следует учитывать как наличие конструктивных ограничителей, так и соотношение толщин свариваемых элементов. Так, например, при большой толщине основного и малой толщине притыкаемого элементов таврового сварного соединения неэффективен контроль со стороны основного элемента.
8.4.4 Наплавки
Перлитные наплавки на кромках контролируют в зависимости от толщины основного металла по схемам рис.8.27. Применяются PC ПЭП
264
и наклонный или преобразователь головных волн (Г). Наклонный преобразователь Н, применяют, если позволяет кривизна поверхности. Преобразователь головных волн можно применять при толщинах наплавки до 15 мм, если позволяет кривизна поверхности. Преобразователь Н2 применяют при достаточной ширине кромки (обычно > 50 мм). Угол ввода наклонного ПЭП находится в диапазоне (65±5)°. Перлитные наплавки на других поверхностях изделий контролируют по схеме рис.8.27, б.
Рис.8.27 Схемы контроля перлитной наплавки на кромке, а - толщина кромки Н < 20 мм; б - Н > 20 мм
При контроле аустенитных наплавок на кромках обычно ограничиваются поиском несплошностей только в зоне сплавления наплавки с основным металлом. Контроль производят PC ПЭЛ по поверхности наплавки. Если такой контроль невозможен, наплавку контролируют наклонным ПЭП со стороны основного металла, обеспечивая угол падения УЗ луча на границу сплавления (0 ± 2, 5)°.
Антикоррозионную наплавку также контролируют для выявления несплошностей по границе сплавления наплавки с основным металлом. В качестве основного применяют прямой ПЭП со стороны основ-
Рис.8.28 Схема прозвучивания зоны сплавления антикоррозионной наплавки с основным металлом, a-при наличии доступа со стороны основного металла; б-при отсутствии доступа со стороны основного металла
265
кого металла (рис.8.28, а). Если доступ со стороны основного металла отсутствует, контроль выполняют PC ПЭП по поверхности наплавки. В соответствии с требованиями отечественных нормативных документов, в частности, “Правил контроля сварных соединений оборудования АЭС"» в качестве эталонного отражателя при контроле антикоррозионной наплавки применяют плоскодонный дисковый отражатель. При использовании такого отражателя результаты контроля прямым и PC ПЭП, как правило, не являются идентичными: эквивалентная площадь дефекта PC ПЭП оценивается в 3 - 4 раза меньше, чем прямым ПЭП. Это обусловлено различной формой эталонного отражателя и большинства реальных дефектов. Поэтому при такой системе эталонирования прямой ПЭП и является основным. За рубежом в качестве эталонного используют цилиндрический отражатель, который в большей мере соответствует реальным дефектам зоны сплавления.
В случае невозможности обеспечить падение УЗ луча перпендикулярно границе сплавления прямым или PC ПЭП, должна быть иссле дована возможность проведения такого контроля наклонным ПЭП.
Преобразователь головных волн (ПГВ) применяют для обнаружения трещин, перпендикулярных границе сплавления, как в самой наплавке, так и в основном металле под наплавкой. Контроль обычно выполняют в двух направлениях, совпадающих с направлением валиков или лент наплавки (рис.8.29).
Рис.8.29 Схема контроля ленточной наплавки головными волнами
Контроль антикоррозионной наплавки головными волнами имеет пониженную достоверность по сравнению с прямым или PC ПЭП. Это связано с тем, что отражателем в наплавке может быть не только фактическая несплошность, но и граница крупного аустенитного зерна. Наибольшая вероятность действительного обнаружения трещины имеется в том случае, когда отражатель обнаруживают с двух сторон (при развороте ПЭП на 180°) и не обнаруживают при расположении ПЭГ) перпендикулярно валику или ленте наплавки. Наличие действительного дефекта целесообразно подтвердить прямым PC ПЭП на высокой
266
чувствительности. В силу указанных технических трудностей контроль антикоррозионной наплавки головными волнами производят обычно в следующих случаях:
-	при отработке новых технологических процессов выполнения наплавки;
-	в случае возможных нарушений технологического процесса наплавки и термообработки;
-	на наиболее ответственных участках изделий.
8.5 Подготовка к контролю
Можно назвать три основных этапа подготовки к контролю:
1	.Разработка технологической карты контроля.
2	.Проверка и настройка средств контроля.
3	.Подготовка рабочего места и изделия к контролю.
Технологическая карта контроля является основным рабочим документом дефектоскописта. Она должна содержать достаточную информацию о контролируемом объекте, требованиях к его качеству, применяемых средствах контроля и схемах прозвучивания. Пример карты контроля приведен на рис.8.30.
Средства контроля - дефектоскопы, преобразователи и стандартные образцы - должны быть аттестованы и поверены в соответствии с требованиями стандартов. Непосредственно перед проведением контроля проверяют параметры наклонных ПЭП (точку выхода, стрелу, угол ввода) и дефектоскоп настраивают по параметрам, указанным в технологической карте контроля.
На рабочем месте должен быть обеспечен удобный и безопасный доступ к контролируемому участку. При необходимости сооружают подставки, настилы. Если существует такая возможность, целесообразно организовать постоянный участок контроля. На участке должно быть предусмотрено:
-	подводка необходимого и безопасного электропитания;
-	подводка горячей и холодной воды;
-	шкафы для хранения стандартных образцов, приспособлений, контактной жидкости, обтирочного материала;
-	стеллаж для хранения стандартных образцов предприятия;
-	рабочий стол для проведения проверки параметров и настройки дефектоскопа;
-	столы, кантователи, подставки для контролируемых изделий;
-	экологически чистый сбор отработанной контактной жидкости;
-	регулируемое (можно дискретно) освещение.
-	температура на участке контроля и контролируемого изделия
267
Текналснинескаа карга УЗК N 27/К I	ЦЛНМК АО "ИЗ"				
Изделие	Чертеж		Узел	
’ Полуксрпус	!	5103.04.00 J 00 Сб		5103.00.400 Сб	
Мо годика	Нормативный документ		Требование контроля	
ОСТ 26-2044-ВЗ	ОСТ 26-2044-83		5103.04.00.000 ТБ2	
, 1 Объект контроля	Материал			Ст ел ома контроле Д OCryrWtOC ТМ	Объем контроля
1. Шов приварки патрубка N 9	12 ХМ			а	100%
Дефектоскоп	Преобразователи			шаг скани ровни.
USK7 или аналог	1:MW960-2 2:MWB35-2 3:MB4S 4:MSEB4H 5;-6;-	7;-	8-			1/2Ф пз
Способы наст|	кымм чувстаиг.	Тилы или номера СОП		
L 2, 3 -AVG-диаграмм^ 4 - СОП		4.12/33		
1 Границы регистрации	Пределы допустимое пи
Sq-3.5	Sm>x-7; 1^=10, п - 3/100
Притом мы*: аналогично оюв N 11 черт.5103 04 00 000 Сб
#1000
2 3 Ч
ВО
345-
Утвердил
Пр<ж«рИл
Разработал	Согласования	ТТ^ТПГТ1ЯНИПЛ
		


Рис. 8.30 Пример технологической карты ультразвукового контроля
268
должна быть в пределах от +5°С до +40°С. При более низкой температуре необходимо предусмотреть местный подогрев.
Участок должен быть расположен в таком месте цеха, где осуществляется минимум перемещений грузов с помощью крана. Вблизи рабочего места дефектоскописта (на расстоянии менее 10 м) не должны производится сварка и зачистка, в противном случае источники яркого света и пыли должны быть надежно экранированы. Следует помнить, что всякие помехи, создающие неудобства или отвлекающие дефектоскописта, могут повлиять на качество проведения УЗ контроля.
Поверхности изделий, по которым необходимо перемещать преобразователи, должны быть освобождены от грязи, накипи, отслаивающейся окалины. Для этой цели поверхность либо промывается растворителем, либо зачищается шлифовальной машинкой, либо производится ее станочная обработка. Шероховатость изделий энергомашиностроения должна быть, как правило, < 10 мкм по ГОСТ 2759 для поковок и R2 < 40 мкм для сварных соединений. Требования по допустимой волнистости поверхности контроля ставятся таким образом, чтобы расстояние между любой точкой контактной поверхности ПЭП и поверхностью изделия нигде не превосходило 0,5 мм. Достаточной обычно является разгонка неровностей поверхности с уклоном не более 1:50.
Поверхность околошовной зоны сварных соединений должна быть зачищена на ширину, достаточную для прозвучивания всего объема наплавленного металла и зоны термического влияния по заданной схеме. Ширина зоны зачистки легко определяется из простейших геометрических соотношений. Так, для стыкового сварного шва, контролируемого по схеме рис.8.23, г, ширина В зоны зачистки составляет:
В = 2Hlga +b\ + by	(8-21)
где b-j - расстояние от центра шва до границы зоны термического влияния, измеренное у поверхности;
Ь2 - расстояние от точки выхода до задней грани ПЭП.
Подготовленные поверхности должны быть размечены на участки. Для контроля листов, поковок, антикоррозионных наплавок рекомендуют разметку на участки размером не более 300 х 300 мм. Цилиндрические изделия целесообразно разбивать на участки с использованием часовой системы. Сварные соединения, которые подвергаются радиографическому контролю, должны иметь общую разметку, длина участка при этом обычно равна длине пленки. Если сварной шов не просвечивается, то он размечается на участки длиной не более 300 мм или используется часовая система.
269
Размеченные участки должны иметь нумерацию. Разметка должна иметь привязку начала отсчета и быть воспроизводимой.
Необходимость разметки обусловлена тремя факторами:
-	возможность воспроизведения результатов УЗ контроля в любой момент времени как при изготовлении, так и при эксплуатации изделий;
Таблица 8.2
К оценке возможностей УЗ дефектоскопии по необработанной поверхности
Тио заготовки и описание поверхности	Возможности УЗ дефектоскопии при условии удаления окалины и загрязнения
1. Поковка сечением 350 к 350 мм. В осмосом гладкая поверхность с отдельными щербинами фЮ 100 мм и глубиной до 5 мм, наличие на поеерхмос1и тонкого слоя осыпающейся окалины.	На гладких участках возможен контроль прямым и наклонным ПЭП с чувствительностью 10-20 кв.мм. Можно говорить об уверенном контроле 80% объема заготовки на гладких частях. На щербинах контроль невозможен. Может быть решена задача обнаружения дефектов, распределенных по значительной части объема (флокены, осевые рыхлости, скопления неметаллических включений}, а также отдельных грубых дефектов <Ф>30мм)
2. Поковка типа сплошной цилиндр Ф150-300 мм. Достаточно плоские и гладкий участки поверхности (грани) чередуются с ребрами. На стыке грани расположены под утлом 150-170 градусов друг к другу. Легкая осыпающаяся окалина.	Возможен УЗ контроль прямым ПЭП с чувствительностью 5’20 кв.мм. Можно проверить до 80% объема заготовки. Может быть решена задача в тем виде, как ото указано в примере 1.
3. Поковка типа полого цилиндра Ф800 мы с толщиной стенки 150 мм. Поверхность в основном гладкая, местами коррозия глубиной до 1мм, отслаивающаяся окалина, единичные следы контрольных вырубок.	Возможен контроль 70% объема заготовки прямым ПЭП с чувствительностью 20 кв.мм и мертвой зоной около 30 мм. Контроль наклонным ПЭП практически невозможен. Может быть решена задача в том виде, как это указано в примере 1.
4. Литая заготовка, обработанная дробеструем. Поверхность без окалины С многочисленными щербинками Ф<20 мм и глубиной <1.0 мм	Возможен контроль прямым ПЭП. Выявляются грубьне дефекгы размером 30 х 30 мм.
5. Поковка типа полый цилиндр ФВ00 мм и толщиной стенки 180 мм. Нерегулярная грубо волнистая поверхность со следами вмятин от окалины. Следы контрольных вырубок (5-10 штук на площади 500 х 500 мм}.	Возможна оценка общей прозвучиваемосги материала, э также определения загрязненности металла дефеюэми в случае их распределения по значительной части объема (флокены, скопления неметаллических включений). Эти оценки возможны в отдельных гонках или на небольших участках заготовки прямым ПЭП. Чуас гаигельноегь может колебаться ог б до 50 кв.мм.
6. Поковка типа коленвала. Нерегулярная вол мне госп» глубиной 3*5 мм. отдельные щербины Ф до 100 мм с глубиной 5-8 мм. Поверхность покрыта толстым слоем окалины.	УЗ контроль невозможен.
7. Поковка типа диска. Грубая волнистая поаеркностъ с многочисленными поверхностными дефектами длиной 5-30 мм. шириной 1-5 мм, глубиной до 15 мм, поверхность пористая со следами осыпающейся окалины.	УЗ контроль невозможен.
8. Нержавеющая поковка типа параллелепипеда. Вся поверхность покрыта острыми трещинами глубиной до 20 мм, отслаивающаяся окалина	УЗ контроль невозможен.
270
-	возможность составления однозначного и понятного эскиза расположения обнаруженных дефектов;
-	Повышение надежности контроля за счет дисциплинирования дефектоскописта и исключения неконтролируемых участков.
Довольно часто дефектоскопистам задают вопрос о возможности контроля по необработанной (° черной “) поверхности. Здесь необходимо иметь в виду следующее:
-	понятие “необработанная поверхность** не является определенным, поскольку не содержит количественных характеристик неровностей поверхности, вида и толщины загрязняющего слоя. Поэтому, ставя вопрос о возможности контроля по необработанной поверхности» необходимо дать ее подробную характеристику;
-	даже на грубых кованых поверхностях всегде существуют участки, где можно в той или иной мере ввести ультразвук, а, следовательно, получить некоторую информацию о качестве материала под этим участком. Таким образом, может существовать возможность неполного контроля или контроля по точкам;
-	состояние поверхности заготовок неразрывно связано с размерами минимально фиксируемого дефекта, то есть, с предельной чувствительностью: чем меньше размер дефекта, подлежащего выявлению в соответствии с нормативными требованиями, тем жестче требования к состоянию поверхности под УЗ контроль;
-	средства контроля не решают любую задачу контроля по необработанной поверхности, однако правильное сочетание типа дефектоскопа, преобразователя, контактной среды безусловно позволяют оптимизировать процесс контроля;
-	наклонные преобразователи гораздо чувствительнее к рельефу поверхности, чем прямые, поэтому обычно схема прозвучивания с необработанной поверхностью включает только прямые ПЭП.
В качестве примеров в таблице 8.2 приводится описание некоторых видов необработанной поверхности и достигаемые при этом возможности УЗ контроля. При этом предполагается,что с поверхности сканирования будут удалены отслаивающаяся окалина и загрязнения.
УЗ контроль по примерам 1-5 не соответствует требованиям, определяемым стандартом на УЗ контроль поковок (ГОСТ 24507) в части:
-	объема контроля (в том числе отсутствие зеркально-теневого метода);
-	применяемых схем прозвучивания;
-	чувствительности контроля;
-	надежности и достоверности контроля.
Следствием этого может быть невыявление мест ослабления донного сигнала, дефектов типа одиночных трещин, неблагоприятно ори-
271
оптированных по отношению к прямому ПЭП или расположенных в неконтролируемых зонах и др. Поэтому УЗ контроль по необработанной поверхности не применяют для заготовок ответственного назначения.
8.6 Проведение контроля
8.6-	1 Общие положения
Прибыв на рабочее место для проведения контроля, дефектоскопист обязан:
-	убедиться в безопасности условий работы;
-	проверить соответствие маркировки на изделии данным, указанным в задании на контроль;
-	проверить состояние поверхностей сканирования и наличие разметки;
-	включить дефектоскоп;
-	нанести контактную жидкость на первый контролируемый участок.
В качестве контактной жидкости при ручном контроле рекомендуется применять техническое масло, глицерин, воду и др. Выбор контактной жидкости должен производиться с учетом следующих факторов:
-	отсутствие вредного влияния на дефектоскописта и на объект контроля или последующие технологические операции. Так, при контроле аустенитных сталей не рекомендуется применять контактную жидкость, содержащую хлориды, поскольку они повышают склонность материала к межкристаллитной коррозии;
-	температура изделия. Повышение температуры может привести к уменьшению вязкости жидкости, в результате чего она не будет удерживаться на поверхности;
-	пространственное положение поверхности контроля. Так, при вертикальном положении поверхности следует применять более вязкую жидкость, чем при горизонтальном положении.
Контроль изделий энергомашиностроения осуществляется в основном эхо-импульсным (иногда совмещенным с зеркально-теневым) методом в контактном варианте, то есть ПЭП непосредственно соприкасается с поверхностью изделия, покрытого контактной смазкой. В некоторых случаях применяют щелевой вариант, когда между поверхностью изделия и контактной поверхностью ПЭП имеется зазор (щель) величиной несколько десятых долей мм, заполненный контактной жидкостью.
Контроль выполняется плавным построчным сканированием с шагом, определенным в главе 7 настоящего пособия, и со скоростью в диапазоне 30-150 мм/с. Дефектоскопист должен быть уверен.что
272
существует надежный акустический контакт ПЭП с изделием. Показателем хорошего контакта при контроле плоскопараллельных изделий прямым ПЭП является наличие стабильного донного сигнала с мало-изменяющейся амплитудой. Для наклонных ПЭП при достаточно высокой чувствительности контроля показателем надежного контакта является группа импульсов небольшой амплитуды, вызванных отражением от шероховатостей донной поверхности. При контроле сварных соединений наклонным ПЭП для лучшего выявления разноориентированных дефектов рекомендуется в процессе сканирования производить повороты преобразователем относительно собственной вертикальной оси на 10-15^ в обе стороны. Не реже одного раза в час, а также по окончании контроля, необходимо проверять чувствительность дефектоскопа либо по стандартному образцу, либо по опорному донному сигналу. Если обнаружено падение чувствительности более, чем на 2 дБ, последний участок должен быть перепроверен. Если обнаружено увеличение чувствительности более, чем на 2дБ, все дефекты на последнем проконтролированном участке должны быть переоценены.
При обнаружении дефектов, подлежащих регистрации, должны быть измерены их характеристики, указанные в главе 7. Определяются координаты дефектов, привязанные к имеющейся разметке на изделии. При необходимости проекции дефектов на ближайшую поверхность изделия помечаются фломастером, краской или другим способом.
8	.6,2 Особенности контроля массивных поковок и поковок со структурными помехами
Структурные помехи связаны с рассеянием ультразвука. Их также называют структурной реверберацией. Импульсы, образовавшиеся в результате отражения от границ зерен и приходящие к приемному пье-зозлементу в один тот же момент времени, складываются. В зависимости от случайного соотношения фаз отдельных импульсов, они могут усилить или ослабить друг друга. В результате на экране дефектоскопа структурные помехи имеют вид отдельных близко расположенных импульсов (их иногда называют травой), на фоне которых затруднено наблюдение полезного сигнала. Структурные помехи-основной фактор, ограничивающий чувствительность при контроле методами отражения. Довольно часто структурные помехи превышают донный сигнал, исключая тем самым возможность применения эхо- или зеркально-теневого метода.
При контроле массивных изделий и заготовок со структурными помехами следует сначала оценить степень однородности коэффициента затухания ультразвука по флуктуации амплитуд донных сигналов. Однородными по затуханию считают области, в которых раз
273
мах амплитуд (разность между максимальным и минимальным значениями) не превышает 4 дБ.
На изделии выделяют области, однородные по затуханию. В Этих областях для оценки затухания и настройки чувствительности используют среднее значение амплитуды донного сигнала. Допускается для проведения поиска дефектов выполнить настройку чувствительности по наименьшему донному сигналу в изделии, если при этом обеспечивается требуемая чувствительность. 8 таком случае для определения эквивалентных размеров обнаруженных дефектов используются значения донных сигналов рядом с дефектным местом.
При оценке эквивалентных размеров дефектов, расположенных вблизи боковых стенок изделий большой толщины, следует иметь в виду возможное влияние стенок на УЗ пучок, которое может исказить амплитуду отраженного сигнала. Учесть это влияние можно путем применения ПЭП с узкой диаграммой направленности или, использовав стандартные образцы предприятия, имитирующие часть объекта контроля.
Если при контроле массивных изделий или изделий с крупнозернистой структурой из-за повышенного затухания, или структурных шумов, или собственных шумов дефектоскопа при высокой чувствительности не обеспечивается поисковая чувствительность на всей толщине изделия, могут быть применены следующие приемы:
-	контроль с двух противоположных сторон с обеспечением заданной чувствительности на половине толщины изделия. Для сплошных цилиндров это соответствует настройке на заданную чувствительность на оси и (или) на половине хорды;
-	применение временной регулировки чувствительности;
-	послойный контроль. Сначала контролируют слой между дном изделия и глубиной, на которой уровень шумов еще невелик (участок С,-Д на рис.8.31). Затем чувствительность понижают до контрольного уровня чувствительности на глубине Нг Контролируют слой С2-Сг В такой последовательности контроль повторяют до тех пор, пока не будет проверен весь объем заготовки;
Рис.8.31 Послойный контроль при наличии структурных шумов
974
-	применение преобразователя с большим размером пьезоэлемента. При этом, вследствие сужения пучка, уменьшается контролируемый объем, а следовательно, количество элементов структуры, создающих помеху;
-	понижение частоты ПЭП. Нижний предел частоты составляет, как правило, 0,5 МГц;
-	применение раздельно-совмещенных преобразователей; - уменьшение длительности зондирующего импульса.
-	выбор оптимального направления прозвучивания. Оптимальным является направление, вдоль которого минимальны изменения упругих свойств материалов и влияние этих изменений на распространение ультразвука. Это направление может быть определено экспериментально непосредственно на изделии или на образцах;
-	выбор оптимального типа УЗ волн. Это относится а первую очередь к контролю наклонным ПЭП, когда вместо поперечных более эффективными могут оказаться продольные волны;
-	выбор типа волн с оптимальной поляризацией. Так, например, поперечные волны с горизонтальной поляризацией (SH-вол-ны) могут оказаться эффективнее при УЗ контроле крупнозернистых аустенитных сварных соединений, чем поперечные волны с вертикальной поляризацией (SV-волны) или продольные волны.
Если в результате выполнения указанных мероприятий не обеспечивается поисковая чувствительность на всей толщине изделия, допускается проведение контроля на рабочей чувствительности при условии снижения скорости и шага сканирования не менее, чем в два раза. Если и рабочую чувствительность на всей толщине не удается обеспечить, для каждой зоны по глубине выполняют контроль на чувствительности
на 4 дБ ниже уровня максимального шума (рис.8.32), то есть на максимально возможной чувствительности для данного изделия. При этом, как правило, оказывается, что для разных ПЭП, предусмотренных схемой прозвучивания, получаются различные результаты.
Существуют и другие методы повышения эффективности УЗ контроля материалов с крупнозернистой структурой (например, статистические), но они требуют применения специальной аппаратуры.
В заключении о результатах контроля должен быть приведен график изменения чувствительности, фактически обеспеченной на разных толщинах в изделии.
Рис.8.32 Необходимое превышение полезного сигнала над уровнем шумов
275
8.7 Формулировка нормативных требований
Нормативные требования определяются размерами наименьших несплошностей» которые нужно учитывать при контроле, наибольшими размерами несплошностей, еще допустимых для данного изделия, количеством и взаимным расположением несплошностей, допускаемых в изделии или на его отдельных участках. При формулировании нормативных требований необходимо учитывать специфику информации, получаемой при УЗ контроле. Рассмотрим структуру нормативных требований при УЗ контроле для различных объектов, принятую в отечественных документах. •
Для листового проката должны быть заданы:
1.	Чувствительность контроля. При эхо-импульсном методе ее задают диаметром плоскодонного отражателя. Пример обозначения: ДЗЭ. Здесь Д - диаметр; 3 -количественное значение в мм; Э -эхо-импульсный метод. При зеркально-теневом методе чувствительность задают уменьшением амплитуды донного сигнала в дБ относительно заданного уровня. Пример обозначения: А203Т. Здесь А-амплитуда; 20 - количественное значение уменьшения амплитуды в дБ относительно опорного уровня; ЗТ - зеркально-теневой метод. Чувствительность при теневом методе задается уменьшением амплитуды прошедшего сигнала в дБ относительно опорного уровня. Пример обозначения: АМТ. Здесь А - амплитуда; 14 - количественное значение уменьшения амплитуды в дБ относительно опорного уровня; Т - теневой метод.
2.	Минимально учитываемая условная площадь несплошности S,, см2.
3.	Максимально допустимая условная площадь несплошности S2, см2.
4.	Условная площадь максимально допустимой зоны несплошностей S3, см2. Зона несплошностей это - скопление несплошностей, каждая из которых имеет условные размеры (площадь) меньше учитываемых при контроле, если расстояние между ними не больше 30 мм.
5.	Относительная условная площадь (S%), определяется долей площади, занимаемой несплошностями всех видов (S,, S2 и S3)t на любом квадратном участке поверхности единицы листового проката площадью 1м или долей площади, занимаемой несплошностями всех видов,на всей площади единицы листового проката.
6.	Максимально допустимая условная протяженность несплошности L, мм.
ГОСТ 22 727 предлагает разбиение нормативных требований по показателям сплошности на 4 класса сплошности (0, 1, 2, 3). Для самого 276
жесткого, нулевого класса сплошности, S, = 5 см2, S2 - 20 см2 при чувствительности контроля дзэ.
В США нормативные требования для минимально учитываемой и максимально допустимой несплошностей формируются иначе. Указывается, что учитываются несплошности, которые не вписываются в круг Фр а не допускаются несплошности, выходящие за пределы круга Ф2 (рис.8.33). Учитывая, что точный подсчет площади несплошности произвольной формы на практике гораздо сложнее, чем определение расстояния между ее наиболее удаленными точками (то есть диаметра описанного круга), способ США представляется более удобным.
Рис.8.33 Различные способы оценки размеров несплошности: а - по площади (отечественный); б - по диаметру круга (США); Sp Ф, - минимальная учитываемая несплошность;
$2, Ф2 - максимальная допустимая несплошность.
Листовой прокат, выплавленный в вакуумных дуговых, индукционных электропечах или с применением специальных переплавов (ЭШП, ВДП и др.) и используемый в изделиях ответственного назначения, характеризуется следующими параметрами несплошностей по результатам УЗ контроля:
-	минимально учитываемый эквивалентный диаметр Do, мм; .
-	максимально допустимый эквивалентный диаметр Dp мм;
-	число N непротяженных несплошностей с эквивалентным размером от Do до D;, допускаемых на всей площади единицы листового проката или ее части. Для листов всех категорий может быть также введен критерий минимально допустимого расстояния между точечными несплошностями или условными границами отдельных несплошностей.
Несплошности, расположенные в одной или нескольких плоскостях по толщине листового проката, объединяют в одну несплошность, если расстояние между их условными границами меньше установленного нормативно-технической документацией на конкретную продукцию, а при отсутствии указаний в нормативно-технической документации, - если это расстояние меньше 30 мм.
277
Для различных участков проката могут быть установлены различные требования (например, для околошовной зоны сварного соединения и остальной части листа).
Для поковок должны быть заданы:
1.	Минимально учитываемая эквивалентная площадь несплошности So, мм2;
2.	Максимально допустимая эквивалентная площадь несплошности мм2;
3.	Максимально допустимая условная протяженность несплошности L,, мм;
4.	Количество непротяженных несплошностей эквивалентной площадью от Sn до S, в шаровом объеме, равном, или меньшем толщине поковки, п, шт;
5.	Минимально допустимое расстояние между точечными несплош-ностями или условными границами отдельных несплошностей. При контроле цилиндрических заготовок для валов, роторов минимально допустимое расстояние между точечными несплошностями может быть разным в зависимости от направления (радиальное, осевое, по окружности).
При контроле зеркально-теневым методом задается недопустимый уровень ослабления донного сигнала. Обычно он соответствует уровню поисковой чувствительности эхо-импульсного метода.
Для длинномерных заготовок с небольшими поперечными размерами (например, прутки) вместо количества несплошностей в шаровом объеме может быть задано их количество на участке определенной длины (например, 100 мм).
Для заготовок с небольшой толщиной вместо количества несплошностей в шаровом объеме может быть задано количество несплошностей, проектируемых на квадратный участок контролируемой поверхности (например, на 100 см2).
В тех случаях, когда в нормативные требования вводят понятия цепочек и скоплений, они должны быть строго определены по следующей форме: цепочкой называют группу из п или более несплошностей, расположенных в линию, с расстоянием между отдельными несплошностями I мм или менее; скоплением называют группу из в или более несплошностей с пространственным расстоянием между отдельными несплошностями I мм или менее.
Учитывая, что при контроле наклонным ПЭП в сравнении с прямым ПЭП:
-	путь УЗ волны как правило больше;
-	длина волны при той же частоте ПЭП меньше, следовательно, можно ожидать большего затухания, - в ряде случаев технически невозможно обеспечить такую же чувствительность кон
278
троля, как для прямого ПЭП. Поэтому для наклонного ПЭП могут быть установлены отдельные нормативные требования, или ого-варивается возможность снижения заданной чувствительности до некоторых пределов.
Для сварных соединений должны быть заданы:
1.	Минимально учитываемая эквивалентная площадь несплошностей So, мм2;
2.	Максимально допустимая эквивалентная площадь несплошностей Stl мм2;
3.	Максимально допустимое количество несплошностей на участке заданной протяженности.
Для дефектов, квалифицируемых как “поперечные трещины'', обычно устанавливают более жесткие требования, чем для остальных несплошностей.
Требования дифференцируют в зависимости от толщины сварного соединения: наиболее высокие требования предъявляются к швам небольшой толщины.
Могут быть сформулированы дополнительные требования:
-	разная чувствительность при регистрации точечных и протяженных несплошностей (протяженные фиксируют на более высокой чувствительности);
-	максимальная допустимая длина протяженной несплошности;
-	минимальное допустимое расстояние между точечными или протяженными несплошностями;
-	допустимое количество протяженных несплошностей на 1м длины шва.
По некоторым нормативным требованиям к приповерхностным областям сварного соединения предъявляют более жесткие требования, чем к его средней части.
Для антикоррозионной наплавки должны быть указаны:
1.	Минимально учитываемая эквивалентная площадь несплошностей, So, мм2;
2.	Максимально допустимая эквивалентная плошадь несплошностей S,, мм2;
3.	Максимально допускаемая сумма эквивалентных площадей несплошностей или максимально допускаемое количество несплошностей SQ< S3< Sp проектируемых на квадратный участок поверхности заданного размера.
Могут быть сформулированы дополнительные требования:
-	максимальная допустимая протяженность несплошности;
-	допускаемое количество протяженных несплошностей на квадратный участок заданного размера;
279
-	минимальное допустимое расстояние между протяженными несплошностями.
Зарубежные нормативные документы, формулируя требования по допустимости несплошностей, указывают максимально допустимое превышение амплитуды эхо-сигнала от дефекта над опорным эхо-сигнало-м. Иногда указывается максимально допустимая высота эхо-импульса от дефекта в % от высоты опорного отражателя. Такая форма нормативных требований представляется более правильной, чем отечественная. Максимально допустимые эквивалентные размеры дефектов (площадь или диаметр), как правило, не имеют установленной связи с реальными размерами, а поэтому вводят в заблуждение специалистов, использующих результаты УЗ контроля.
Кроме того, амплитуда эхо-импульса от точечной несплошности зачастую является второстепенным критерием допустимости несплошностей. В первую очередь учитываются такие фекторы, как:
-	характер несплошности (там, где это можно определить);
-	протяженность несплошности;
-	частота несплошностей, то есть их количество в единице объема или на единице площади;
-	место расположения несплошности.
8.8 Оформление заключения
Сведения о выполненном УЗ контроле вносятся дефектоскопистом в журнал, который является первичным документом по хранению результатов контроля. На основании записи в журнале оформляется заключение (протокол) о результатах УЗ контроля. В журнале и заключении должна содержаться в полном и однозначном виде следующая информация:
-	порядковый номер и дата заключения или записи в журнале;
-	фемилия и подпись дефектоскописта, проводившего контроль;
-	идентификационные данные объекта контроля и контролируемого участка;
-	стадия проведения контроля (по месту операции контроля в технологическом процессе);
-	наименования документов, регламентирующих методические и нормативные требования;
-	полные данные о средствах контроля;
-	чувствительность контроля и способ ее настройки;
-	эскиз с указанием обнаруженных несплошностей;
-	описание обнаруженных несплошностей;
-	оценка соответствия контролируемого объекта требованиям нормативного документа.
280
При необходимости могут быть указаны дополнительные сведения.
Эскиз следует составлять в масштабе, Если на эскизе изображается отдельный участок контролируемого объекта, то его начало отсчета должно быть однозначно привязано к объекту. Для различных несплошностей могут быть применены различные обозначения.
Например:
х ' подлежащая регистрации точечная несплошность, допустимая по амплитуде;
□ - точечная несплошность,недопустимая по амплитуде;
— - недопустимая протяженная несплошность;
Т - недопустимый дефект типа Т.
При сокращенном описании результатов контроля следует каждый дефект или группу дефектов указывать отдельно и обозначать:
А - дефект с амплитудой эхо-сигнала (эквивалентной площадью), не превышающей браковочный уровень (допустимый по амплитуде);
Д - дефект с амплитудой эхо-сигнала (эквивалентной площадью), превышающей допустимый уровень (недопустимый по амплитуде);
Г - непротяженный (точечный дефект);
В - протяженный дефект;
Т - дефект, который обнаруживается при расположении ПЭП вдоль или под небольшим углом к оси шва и не обнеруживается при расположении ПЭП перпендикулярно к оси шва (поперечный дефект).
Буквенно-цифровое обозначение записывают в строчку через тире в следующей последовательности:
-	значение глубины залегания дефекта, мм;
-	индекс амплитуды эхо-сигнала (А или Д);
-	индекс условной протяженности (Г или Е);
-	индекс поперечного дефекта (Т);
-	значение координаты дефекта вдоль шва (в часах для трубопроводов и миллиметрах для конструкций).
После каждой буквы (индекса) проставляют измеренное значение (в цифрах) соответствующей характеристики дефекта.
В случае указания амплитуды эхо-сигнала записывают разницу в дБ между эхо-сигналом и опорным уровнем (например, от отверстия в СО-2).
Примеры,
1.	При контроле сварного шва на расстоянии 300 мм от начала отсчета обнаружен непротяженный недопустимый дефект, амплитуда которого на 8 дБ превышает опорный уровень. Глубина залегания дефекта составляет 34 мм.
Буквенно-цифровое обозначение дефекта записывается следующим образом:
281
34 - Д8 - Г - 300.
2.	При контроле сварного шва трубопровода на координате 3 часа 40 минут обнаружен недопустимый точечный дефект типа Т на глубине 26 мм. Амплитуда дефекта на 4 дБ ниже опорного уровня.
Буквенно-цифровое обозначение этого дефекта:
26 - Д (-4) - Г - Т - Зч 40м
3.	При контроле сварного шва сосуда на расстоянии 1620 мм от начала отсчета обнаружен недопустимый по амплитуде и протяженности дефект. Амплитуда превышает опорный уровень на 12 дБ, условная протяженность составляет 140 мм, глубина залегания изменяется от 63 до 75 мм.
Буквенно-цифровое обозначение этого дефекта:
(63 - 75) - Д12 - Е140 - 1620
4.	При контроле кольцевого шва трубы на координате 11 часов обнаружена точечная допустимая несплошность с амплитудой, равной опорному уровню, на глубине 22мм .
Описание несплошности:
22 - ДО - Г - 11ч 00м
Сокращенное буквенно-цифровое обозначение наиболее часто используется при контроле сварных соединений, хотя может применяться и для других объектов.
Методические документы (стандарты или инструкции), действующие на предприятиях, могут включать и другие элементы сокращенного обозначения, позволяющие более подробно описать обнаруженную несплошность и ее координаты в изделии.
Важнейшими требованиями к оформлению заключения являются:
-	полнота и однозначность информации;
-	разборчивость почерка,аккуратность.
8.9 Получение дополнительной информации о форме, ориентации и реальных размерах дефекта
8.9.1 Общие сведения
Если при изготовлении изделий энергомашиностроения в сварных соединениях обнаруживают недопустимые техническими условиями дефекты, то сварное соединение ремонтируют: механическим способом или воздушно-дуговой строжкой удаляют часть металла сварного соединения вместе с дефектом, а потом ремонтируемый участок повторно заваривают. Если недопустимые дефекты обнаружены в листовом прокате или в поковке в той части, которая остается после окончательной механической обработки, то листовая заготовка
282
(или ее часть) или поковка обычно исправлению не подлежат и бракуются окончательно.
Если недопустимый дефект в сварном соединении обнаружен после окончательной термической обработки изделия или в процессе его эксплуатации, то ремонт изделия либо вообще невозможен, либо очень трудоемок и может привести к ухудшению свойств материала, определяющих его эксплуатационные возможности. В такой ситуации специалисты по прочности могут принять решение о допуске изделия с дефектом в эксплуатацию, обосновав его расчетом прочности. Однако, для того, чтобы выполнить такой расчет, необходима наиболее полная информация о реальных размерах, ориентации и характере дефекта.
В стандартных методиках по УЗ контролю обычно указывается, что реальные размеры дефекта и его характер не определяются. Тем не менее, можно указать некоторые способы, которые в той или иной степени позволяют решить эту задачу.
Возможность определения типа дефекта и его ориентации основана на том, что плоскостные и объемные дефекты имеют различные индикатрисы рассеяния; у объемных она круговая, у плоскостных - узконаправленная.
В настоящей книге не ставится цель проведения полного анализа существующих методов, рассмотрим их в общих чертах.
8.9.2 Способ озвучивания по контуру
Обнаруженный дефект озвучивается с нескольких угловых направлений (например, перпендикулярно шву, вдоль него, под углом 45°), а также ПЭП с различными углами ввода, в том числе и прямым. Если эквивалентная площадь дефекта, оцененная из разных позиций прозвучивания, изменяется не более, чем в 2 раза, можно сделать заключение, что дефект - объемный. Если с какого-либо одного, или двух противоположных направлений дефект выявляется значительно лучше, чем с других (эквивалентная площадь оценивается более чем в два раза по сравнению с другими направлениями), то этот дефект - плоскостной, Очевидно, что направление, с которого оптимально выявляется дефект, укажет и ориентацию дефекта- она будет перпендикулярна этому направлению.
8.9.3 Способ коэффициента формы
Два однотипных наклонных ПЭП с углами ввода (45±5)° подключают к дефектоскопу по раздельно-совмещенной схеме. Получают обратное Аоб[1 и зеркальное Аэ отражения от исследуемого дефекта (рис.8.34). Измеряют в децибелах амплитуды Ао6р и Аз.
283
Если Кф = Ао6р - Аз > 0, то дефект считают объемным, если Кф < О, дефект считают плоскостным. Для применения этого способа в стандартном виде необходима плоскопараллельность поверхностей
ввода и отражения.

Аз
Рис.8.34 Определение типа дефекта с помощью коэффициента формы: а - дефект-объемный; б - дефект-плоскостной
8.9.4 Характер индикации на ЭЛТ
В некоторых случаях опытные дефектоскописты могут распознать характер дефектов по их индикации на ЭЛТ, их динамике, расположению в объеме материала контролируемого объекта. Так, для флокенов характерно групповое расположение, то есть на экране дефектоскопа при перемещении ПЭЛ наблюдаются по несколько импульсов разной амплитуды на разных глубинах, импульсы имеют гладкую форму. Флокены располагаются чаще в средней части по толщине заготовки.
Раскованные неметаллические включения также могут давать групповые эхо-импульсы. Однако, в отличие от флокенов, неметаллические включения группируются в небольшом диапазоне глубин. Кроме того, часто они имеют протяженность.
При наблюдении эхо-импульсов от раковин в литье можно при достаточно высокой чувствительности наблюдать, как при перемещении ПЭП импульс как бы “переливается” по экрану дефектоскопа, указывая на изменение глубины различных участков поверхности дефекта. Эхо-импульс широкий,его фронты негладкие.
284
в.9.5 Другие способы
В последнее время получили развитие амплитудно-временные ультразвуковые методы, связанные с механизированным сканированием выявленной несплошности, обработкой снимаемых данных на компьютере и получением результата в виде объемного цветного изображения несплошности, где различными цветами отображаются точки с различной интенсивностью принятого эхо-сигнала.
Среди прочих способов определения характера дефекта следует назвать применение альтернативных методов неразрушающего контроля. В первую очередь таким методом является радиография, которая должна выполняться с учетом предполагаемой ориентации исследуемого дефекта. Однако, довольно часто радиография вообще не обнаруживает дефект, найденный при УЗ контроле. Это само по себе является признаком характера дефекта: значит это - дефект с малым раскрытием, расположенный непараллельно направлению просвечивания (например, трещины, расслоения, тонкие неметаллические включения);
Если дефекты распределены в объеме контролируемого материала и, по данным УЗ контроля, на каком-нибудь участке подходят близко к поверхности заготовки, их характер может быть определен травлением.
В некоторых случаях характер дефектов определяют путем выборочных контрольных вскрытий несплошностей, залегающих в заготовках или сварных швах на небольшой глубине. Применяют также метод механического отбора образцов металла, содержащих несплошности, с последующим определением характера дефектов металлографическим путем.
8-9 6 Алгоритм определения характера дефекта
Для оптимального решения задачи об определении характера дефекта целесообразно придерживаться следующего алгоритма (порядка действий):
1,	Анализ технологического процесса изготовления рассматриваемого объекта с целью выявления возможных отклонений. Например, обнаружение нарушения режима противофлокенной обработки указывает на то, что обнаруженные при УЗ контроле несплошности могут быть флокенами.
2.	Анализ предыдущего опыта изготовления аналогичных изделий с целью определения характера дефектов, типичных для данного материала, способа и режимов сварки, формы и размеров изделия и т. д. Например, результаты металлографических исследований нескольких забракованных цилиндрических поковок, изготовленных в течение пос
285
ледних двух лет, показали наличие остаточной усадочной рыхлости в осевой зоне. Это можно считать типичным дефектом для данного изделия.
3.	Оценка возможности определения характера дефектов по типичным несплошностям, выходящим на поверхность, путем выборочного вскрытия или отбора образца. Если возможно, такие работы выполняют на пробах или образцах металла из областей, удаляемых при механической обработке. Например, о характере дефектов, расположенных вблизи осевой зоны заготовки ротора (цилиндрическая поковка большого диаметра) можно судить по несплошностям, имеющимся в осевом трепане (стержне, механически отобранном из центра заготовки).
4,	Исследование обнаруженных дефектов указанными выше ультразвуковыми методами. Обычно применяют такие методы, которые возможны с учетом особенностей конкретного объекта: толщины материала, глубины залегания дефекта, наличия доступа и т.д.
5.	Просвечивание изделия под оптимальными углами, если это технически осуществимо.
По названному алгоритму выполняют такой объем работ, чтобы получить наиболее достоверную информацию о характере дефекта. Заключение о характере дефекта дает специалист высокой квалификации с учетом всей информации, полученной о несплошности.
8.9,7 Определение реальных размеров дефекта
Для расчетной оценки возможности допуска изделия с дефектом в эксплуатацию в расчет должны быть заложены реальные размеры дефекта. Как правило, наибольшее значение при этом имеет размер в направлении толщины стенки. Могут быть рассмотрены три случая.
1.	Размер дефекта превышает размер УЗ пучка. В этом случае дефект озвучивают УЗ лучком, по возможности перпендикулярным его поверхности. Следует применить такой ПЭП, который имеет минимальный размер пучка на глубине залегания дефекта. Наибольшую достоверность для таких случаев дает применение фокусирующих преобразователей, имеющих в фокусе диаметр пучка 5-7 мм. Условные размеры, определенные по указаниям главы 7» будут наиболее близки к реальным размерам несплошности.
2.	Размер дефекта меньше размера УЗ пучка. Оценивают характер и ориентацию дефекта по алгоритму, приведенному в пункте 8.9.6. Для оценки размера дефекта выбирают искусственный отражатель, по форме и ориентации наиболее близкий к найденному дефекту, Определяют эквивалентный размер дефекта путем сравнения с выбранным искусственным отражателем (с помощью образцов, с использованием АРД-диаграммы для отражателей данного типа или расчетным путем).
286
Полученный размер может быть уточнен, если предполагается, что вследствие различного заполнения полостей дефекта и искусственного отражателя они имеют различный коэффициент отражения.
3.	Комбинация первых двух случаев: в одном направлении дефект превышает размер УЗ пучка, а в перпендикулярном направлении - меньше размера пучка. В этом случае реальная протяженность дефекта будет наиболее близка к условной протяженности, определенной с учетом рекомендации п.1. Размер в перпендикулярном направлении определяют путем сопоставления с наиболее близким по форме и ориентации искусственным отражателем.
Во втором и третьем случаях также может быть полезным применение фокусирующего преобразователя.
Рис.8.35 Измерение высоты трещины дифракционным методом
Если дефект представляет собой трещину с очень острыми краями, для определения ее высоты могут оказаться эффективными дифракционные методы. При озвучивании из положения И1 верхнего края трещины волной под углом а, (рис.8.35) возникает дифрагированная волна, принимаемая преобразователем П1 с углом ввода а2. Нижний край трещины озвучивают из положения И2, дифрагированную волну принимают в положении П2. Положения И1, П1 и И2, П2 предварительно определяются тем, что акустические оси преобразователей должны проходить через верхний и нижний края трещины соответственно. После предварительной установки, последовательно перемещая сначала излучающий, а потом приемный ПЭП, их устанавливают в положения, когда дифрагированный импульс имеет максимальную высоту. Работу целесообразно выполнять двум дефектоскопистам. Высоту h трещины, не выходящей на поверхность, определяют по за
287
держке времени At между сигналами, дифрагированными от верхнего и нижнего краев трещины:
h =	 (8.22)
(I /coso; +1 /coso^)
Для измерения высоты трещин в тонкостенных изделиях (толщиной до 20 мм) оптимальной является продольная волна под углом а-| = 60° - 70°. Угол ввода приемника (также продольная волна) мало критичен и может быть принят в диапазоне «2 =	" 50°. Для изме-
рения высоты трещин в толстостенных изделиях (толщиной более 20 мм) лучше использовать поперечную волну под углом = 37° - 47°. Угол ввода приемного ПЭП (также поперечная волна) мало критичен и может быть принят в диапазоне 37° - 50°.
8.10 Импульсы помех
Как уже указывалось, одним из признаков наличия дефекта является появление эхо-сигнала в зоне контроля. Однако в некоторых случаях причиной таких импульсов могут быть и другие факторы. Импульсы, возникающие в зоне контроля, но не связанные с наличием дефектов в ожидаемой области объема заготовки, называют импульсами помех. Рассмотрим некоторые случаи возникновения импульсов помех.
Особую группу образуют импульсы помех в начале развертки, связанные с отражениями от элементов конструкции (демпфера и призмы) ПЭП. Такие импульсы называют также реверберационными помехами преобразователя, (реверберация -многократные повторные отражения). Также в начале развертки наблюдаются “контактные” эхо - импульсы, которые возникают от контактной поверхности ПЭП и поверхности изделия. При работе с наклонными ПЭП такие импульсы занимают постоянное положение на горизонтальной развертке ЭЛТ в отличие от эхо-импульсов от дефектов, которые перемещаются по экрану при перемещении ПЭП. При контроле прямым и PC ПЭП дефектоскопист должен в начале процесса контроля '‘привыкнуть” к импульсам помех - они занимают на экране постоянное положение и возникают при установке ПЭП в любую точку изделия. Эхо-импульсы от дефектов возникают между импульсами помех. Если все же имеется сомнение относительно происхождения импульса, целесообразно подключить другой ПЭП того же типа, у которого импульсы помех могут занимать несколько иное положение на разверт-
288
ке, или использовать раздельно-совмещенный ПЭП. Тогда станет понятно, является рассматриваемый импульс помехой, или это - эхо-импульс от дефекта.
Помеху могут создавать импульсы, возникающие вследствие реверберации в слое контактной жидкости между поверхностями ПЭП и заготовки. Их особенностью в отличие от эхо-импульсов от дефектов является неустойчивость (амплитуда меняется на глазах при неподвижном ПЭП), зависимость от слоя контактной жидкости. От таких помех можно избавиться, применив ПЭП с меньшими размерами контактной поверхности. Иногда помехи снимает механическая обработка поверхности с целью удаления ее волнистости.
При работе наклонными ПЭЛ могут существовать импульсы помех, обусловленные поверхностными волнами (ПВ). Особенно часто они возникают при больших углах призмы (р > 50°). ПВ возбуждаются на различных неровностях поверхности контроля - рисках, выступах. Отражаясь от поверхностных царапин, рисок, усиления шва, забоин, они дают эхо-импульсы на экране дефектоскопа. Происхождение таких импульсов легко установить, если провести пальцем по поверхности контроля вокруг ПЭП. При пересечении направления распространения ПВ амплитуда эхо-импульса будет резко падать. Таким же способом можно установить и конкретное место на изделии, откуда отражается ПВ: до этого места пальцем можно менять амплитуду эхо-импульса, после него - амплитуда не меняется. После зачистки установленного участка шлифовальным кругом, эхо-импульс исчезает.
Случается, что при больших чувствительностях контроля ПВ наблюдается при работе с прямым ПЭП. Обычно это бывает на поверхности с рисками от механической обработки. Поверхностная волна
3 ИЛ Л
Рис.8.36 Возбуждение поверхностной волны (ПВ) прямым преобразователем: 1 - направление распространения ПВ;
2 - риски; 3 - грань; 4 - преобразователь. 3 - зондирующий импульс; ИП - импульс помехи; Д - донный сигнал
289
возбуждается на рисках, отражается от грани и дает эхо-импульс (рис.8.36). При перемещении ПЭП в сторону отражателя (например, грани) поверхностной волны импульс на экране дефектоскопа будет непрерывно перемещаться к зондирующему импульсу. Версия ПВ проверяется так же,как и в случае наклонного ПЭП.
При работе с PC ПЭП по поверхностям с рисками от механической обработки может также возбуждаться ПВ. Это случается тогда, когда линия акустического экрана PC ПЭП совпадает с направлением рисок. При расположении акустического экрана перпендикулярно рискам импульсы помехи пропадают. Эти импульсы также можно исключить, зачистив поверхность контроля.
При контроле PC ПЭП по негладкой поверхности импульс помехи может возникнуть от поверхности углубления, заполненного контактной жидкостью. Так как скорость продольной волны в контактной жидкости в 3-4 раза меньше скорости в стали, глубиномер дефектоскопа покажет значение, в 3-4 раза большее глубины впадины на изделии.
Иногда при обнаружении дефекта PC ПЭП на экране дефектоскопа на некотором расстоянии от эхо-импульса от дефекта возникает импульс помехи. Рассмотрим причину его образования (рис.8.37).
Рис.8.37 Образование импульса помехи вследствие повторного отражения в призме раздельно-совмещенного преобразователя
Импульс, излученный пьезоэлементом И, отражается от дефекта д, попадает на приемный пьезоэлемент П, частично преобразуется в электрический импульс и дает эхо-сигнал (ИД). Другая часть импульса отражается от пьезоэлемента П, возвращается на контактную поверхность, отражается от нее, опять попадает на приемный пьезоэлемент П и дает импульс помехи (ИП). Таким образом, расстояние между импульсом от дефекта и импульсом помехи определяется временем двойного прохождения звуком пути от пьезоэлемента П до контактной поверхности ПЭП. Импульс помехи, вызванный этой причиной, для кон-
290
кратного экземпляра ПЭП всегда будет находиться на одном и том же расстоянии от эхо-импульса от дефекта. При подключении другого экземпляра ПЭП такой импульс помехи может возникнуть но, обычно на другом расстоянии, поскольку высота призмы у рабочих экземпляров ПЭП вследствие разного износа, как правило, не совпадает.
Импульсы помехи могут образовываться в разультате трансформации волн на каких-либо поверхностях детали. Так, при контроле из-
делия с цилиндрическим отверстием, от продольной волны С|( падаю-
Рис.8.38 Образование импульсов помехи при трансформации волн
щей в точку А (рис.8.38), отщепляется сдвиговая волнаС^, которая, отражаясь от грани Б, возвращается в точку А, преобразуется в продольную волну и дает на экране дефектоскопа импульс помехи.
Для таких импульсов характерно, что они возникают всегда в опре-
деленных местах детали, в рассмотренном примере - при перемещении ПЭП параллельно оси цилиндра по линии, проходящей через точку О. Их положение на экране можно обосновать подсчитав путь, проходимый волной в детали, с учетом типа волны и ее скорости на каждом участке.
При работе наклонными ПЭП с углами ввода поперечной волны 35° - 40° следует иметь в виду возможность существования продольной волны под углом около 80°. Хотя ее интенсивность значительно ниже, чем у поперечной волны, при высокой чувствительности может возбуждаться импульс помехи.
В изделиях большой толщины и с низким затуханием ультразвука могут возникать реверберационные импульсы помех (фентомы). Физическая причина их образования и особенности, отличающие их от эхо-импульсов от дефектов, указаны в главе 6. Дополнительным способом идентификации таких импульсов является способ ‘‘пальпирования” (прощупывания пальцем) поверхности изделия в области отражения донного сигнала. Если это импульс помехи, то его высота будет изменяться синхронно с касанием поверхности.
Вообще способ пальпирования довольно часто оказывается корошей помощью в расшифровке причин тех или иных эхо-импульсов. Следует иметь в виду, что он действует только на продольную волну, либо когда она существует непосредственно (например, при падении продольной волны на плоскость), либо когда она возбуждается в ре
291
зультате трансформации (например, при падении поперечной волны в двугранный угол).
Если выполняется УЗ контроль детали сложной геометрической формы, то в рабочей части экрана могут постоянно находиться эхо-импульсы от элементов формы - выступов, поверхностей цилиндров, двугранных углов и др. Картина может усложняться импульсами, возникающими в результате трансформации.
Во всех случаях тщательный анализ конкретной ситуации с учетом всех особенностей, изложенных в этом разделе, позволит отличить эхо-импульсы от дефектов от импульсов помех. При анализе целесообразно провести сравнение картины на экране ЭЛТ в исследуемом месте с картинами в таких же местах других изделий того же типоразмера. Полная повторяемость картины укажет на наличие импульсов помех.
8.11 Надежность, достоверность и воспроизводимость результатов ультразвукового контроля
Предположим, что при постановке задачи специалистам неразрушающего контроля, описываются фактические размеры и форма несплошностей, обязательных для регистрации. Используя все физические и аппаратурные возможности, разрабатываются две самые совершенные методики: одна * по радиографическому контролю, вторая - по УЗ контролю. В полном соответствии с этими методиками проводят контроль некоторого количества объектов. После этого объекты режут на тонкие пластины или сошлифовывают с целью определения фактического количества всех несплошностей, подлежащих регистрации.
Тогда показателем надежности метода неразрушающего контроля назовем отношение количества несплошностей, подлежащих регистрации и выявленных данным методом контроля, к фактическому количеству таких несплошностей в объектах контроля Не существует каких-либо общих оценок надежности метода контроля в такой постановке вопроса, она может быть определена только для конкретных объектов и при установленных требованиях к фактическим размерам несплошностей, подлежащих выявлению.
При составлении реальных методик УЗ контроля всегда учитывают его физические особенности, поэтому и параметры несплошностей, подлежащих выявлению, описывают на основе косвенных характеристик - измеряемых акустических и условных геометрических параметров. Реальные методики контроля, как правило, ориентируются на выявление наиболее вероятных, а не абсолютно всех несплошностей, с акустическими параметрами, подлежащими регистрации. Так,
292
например, в листовом прокате наиболее вероятны несплошности с ориентацией, параллельной поверхности листа. Поэтому методика и ориентируется на выявление именно таких несплошностей. Несплошности небольших размеров, расположенные наклонно, по такой методике не будут обнаружены.
Поэтому показателем надежности методики УЗ контроля назовем отношение количества несплошностей, подлежащих регистрации и выявленных при УЗ контроле по данной методике, к фактическому количеству несплошностей, которые могут быть выявлены УЗ методом контроля и имеют акустические и условные геометрические параметры, подлежащие регистрации. С этим видом надежности тесно переплетается понятие выявляемое™ несплошностей. Под выявляемостью несплошностей понимают способность системы УЗ контроля, применяемой в соответствии с данной методикой контроля, выявлять в данном материале не-сплошности с заданными параметрами (размерами, ориентацией, типом, местоположением). Так, например, если при контроле сварного соединения не применяется способ тандем, можно говорить о низкой выявляемое™ дефектов с вертикальной ориентацией. При составлении методики УЗ контроля следует стремиться к тому, чтобы ее надежность была не ниже 95%. Существует обоснованное мнение, что для повышения надежности выявления несплошностей с неблагоприятной ориентацией, следует повышать чувствительность УЗ контроля до уровня, соответствующего регистрации волн, дифрагированных на дефекте. Эта чувствительность соответствует плоскодонному отражателю Ф - 0,7-1,5 мм. Однако при этом может резко возрасти количество эхо-импуль-сов, которые должен анализировать дефектоскопист. Увеличивается и вероятность перебраковки объекта контроля.
Сформулируем также понятия о надежности проведения УЗ контроля. При этом предположим, что УЗ контроль выполняется в полном соответствии с предписанными правилами (стандартом, методикой, инструкцией и т.д,): дефектоскопист имеет необходимую квалификацию, в полной мере выполнены требования к рабочему месту, аттестованы и поверены средства контроля, дефектоскопист внимателен, параметры контроля соблюдаются и т.д. Тогда назовем показателем надежности проведения УЗ контроля отношение количества несплошностей, подлежащих регистрации и обнаруженных дефектоскопистом, к количеству всех несплошностей, которые должны быть выявлены при этом контроле -
Последний вид надежности имеет наибольшее значение для практики УЗ контроля, поскольку обычно задачей дефектоскопистов является проведение УЗ контроля по указанным ему методическим
293
документам. Поэтому в дальнейшем будем называть надежность проведения контроля просто надежностью контроля. Показатель надежности контроля при полностью правильном исполнении методики составляет также не менее 95%. Почему все же существует вероятность того, что некоторые дефекты не будут выявлены? Реальный процесс УЗ контроля даже самым опытным дефектоскопистом имеет некоторые отклонения от предписанных требований:
-	ПЭП в процессе перемещения отклоняется вправо-влево относительно предписанного направления;
-	могут произойти локальные ухудшения акустического контакта;
-	могут произойти локальные нарушения скорости или шага сканирования;
-	может произойти моментальное отвлечение внимания.
Вследствие указанных причин могут быть не выявлены локальные. компактные несплошности с отражающей способностью, близкой к уровню регистрации, а также несплошности с резко выраженной направленностью. В основном за счет таких дефектов получают значение надежности ниже 100%. Обычно с высокой надежностью обнаруживаются протяженные дефекты, группы дефектов, компактные объемные дефекты, дающие большую амплитуду эхо-импульса.
Для повышения надежности контроля можно рекомендовать:
-	повысить поисковую чувствительность;
-	уменьшить шаг и скорость сканирования;
-	применять оснастку для принудительного соблюдения параметров сканирования;
-	применять механизированное сканирование;
-	проведение многократного контроля, в том числе разными дефектоскопистами.
При применении указанных мероприятий при ручном УЗ контроле ответственных изделий удается достичь показателя надежности 99,7%
Достоверностью УЗ контроля назовем вероятность обнаружения и правильной оценки несплошностей, а также интерпретации акустических сигналов, которые должны быть выявлены и проанализированы при контроле по заданной методике.
Здесь имеется в виду оценка допустимости несплошностей по предписанной нормативной документации, а интерпретация -точное определение причины отражения и местоположения несплошности, при необходимости подтверждаемое вскрытием или металлографией взятых образцов.
Правильная оценка допустимости несплошностей определяется погрешностью измерений эквивалентных размеров дефектов. Последняя, в свою очередь, зависит от:
294
-	отклонений параметров средств контроля от номинальных значений (в пределах допуска);
-	индивидуальных качеств дефектоскописта;
-	правильного введения корректировочных коэффициентов (например, связанных с различием в состоянии поверхности стандартного образца и изделия, учета кривизны);
-	случайных ошибок, сопутствующих любому измерению (например, точность определения максимума отражения, степень прижатия ПЭП и т.п.).
Как правило, погрешность оценки эквивалентной площади в пределах одного подразделения контроля не превышает 30% S3K8 , а межлабораторная не превышает 50% S3K8.
Достоверность УЗ контроля зависит от вида конкретных объектов контроля и при совершенной методике достигает 90-95%.
Воспроизводимостью результатов УЗ контроля назовем характеристику контроля, отражающую близость друг другу результатов контроля, выполняемого в различных условиях (в различное время, в различных местах, различными средствами).
Воспроизводимость результатов УЗ контроля определяется совокупностью организационных и технических мероприятий, позволяющих через любые промежутки времени получить результаты контроля, совпадающие с точностью до погрешности измерения, при условии, что в течение этого времени несплошности не изменялись.
К техническим относят мероприятия, обеспечивающие идентичное состояние поверхности контролируемых изделий, однозначную привязку обнаруженных несплошностей к какой-либо базе, полное воспроизведение методики контроля, применение однотипных средств контроля, обучение и сертификацию персонала.
К организационным относят мероприятия, обеспечивающие надзор за исполнением предписаний по выполнению неразрушающего контроля, разработку программ и методик, контроль за текущей деятельностью дефектоскопистов и т.п.
295
ГЛАВА 9 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ
9.1 Терминология
Измерение - нахождение значения толщины с помощью специальных технических средств.
Результат измерения - значение величины, найденное путем ее измерения.
Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.
Случайная погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.
Грубая погрешность измерения - погрешность измерения, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях измерения.
Доверительные границы случайного отклонения результата измерения - верхняя и нижняя границы интервала, накрывающего с заданной вероятностью случайное отклонение результата измерения.
Доверительная вероятность - вероятность, с которой погрешность измерения не выходит за доверительные границы.
Истинное значение измеряемой толщины - значение, идеально соответствующее толщине объекта в данной точке.
Действительное значение толщины - значение толщины, определенное техническими средствами и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.
Независимое измерение - измерение, выполняемое при отсутствии информации о предыдущих измерениях или измерение толщины, выполняемое после расстройки, а затем - повторной настройки толщиномера.
Номинальная толщина - толщина, относительно которой определяются предельные толщины и которая служит началом отсчета отклонений.
Отклонение верхнее - разность между максимальным допускаемым значением толщины и номинальной толщиной (указывается со знаком
296
Отклонение нижнее - разность между минимальным допускаемым значением толщины и номинальным значением (указывается со знаком
Поле допуска - разность между максимальным и минимальным допускаемыми значениями толщины.
Приемочные границы - интервал результатов измерений, в пределах которого объект признается годным по измеряемой величине.
9.2 Условия применимости УЗ толщинометрии
Как правило, УЗ метод измерения толщины применяют в местах, недоступных или труднодоступных для измерения толщины механическим измерительным инструментом. Особенно широко этот метод используют для определения толщины стенок труб, котлов, сосудов, то есть объектов замкнутого типа или с односторонним доступом. Обычно измерения производят на эквидистантных (равноудаленных друг от друга) поверхностях или участках поверхности, хотя принципиально возможны измерения и в других случаях.
Необходимость и возможность проведения измерений должна быть согласована между заказчиком и специалистами по УЗ контролю с целью:
-	оценки технической возможности измерения толщины с заданной погрешностью;
-	проведения своевременной подготовки производства (разработка методики измерения толщины, изготовление образцов, приспособлений и т.п.).
Погрешность измерений обычно определяют при доверительной вероятности Р = 0,95. При необходимости она может быть оценена при более высоком значении доверительной вероятности.
В соответствии с принятыми в метрологии правилами оценка годности объекта по фактическим показаниям прибора (без учета погрешности) производится, если выполняется одно из следующих условий:
1.	Погрешность измерений не превышает 35% от половины поля допуска на контролируемый размер. При одностороннем до-пусковом контроле (отдельно по верхнему или по нижнему отклонению) погрешность измерения не превышает 35% соответствующего предельного отклонения;
2.	В конструкторской документации указаны предельные значения измеряемой величины и погрешность измерения;
3.	Погрешность измерения превышает значения, указанные в п.1, и нет возможности применить более точное средство измерения,
297
назначены сокращенные приемочные границы, смещение Д которых определено по правилу:
Д=|5|-0,35(Д/#+Дй)/2	(9.1)
где 8 * погрешность измерения;
Д*, Дв - нижнее и верхнее отклонения от номинального размера.
Если условия 1 - 3 не выполняются, а также в тех случаях, когда конструкторская документация предусматривает факультативное измерение толщины УЗ методом, оценка годности объекта не производится.
Как правило, ручные измерения толщины производят дискретно в отдельных точках. В настоящее время могут быть разработаны методики непрерывного контроля толщины с целью выявления участков, выходящих за пределы приемочных границ.
Документация, содержащая требование измерения толщины должна включать в себя схему разметки объекта на точки, в которых необходимо производить измерения. Схема разметки должна иметь привязку начала отсчета,
9.3 Средства ультразвуковой толщинометрии
Для измерения толщины следует применять следующую аппаратуру:
-	эхо-импульсные УЗ толщиномеры с цифровой индикацией результата измерения;
-	УЗ дефектоскопы второй и выше групп по ГОСТ 23 049. Дефектоскопы с блоком цифрового отсчета (БЦО) применяют в диапазоне действия этого блока, а без БЦО - в диапазоне действия задержки развертки;
-	импортные дефектоскопы и толщиномеры, если они имеют технические параметры, аналогичные указанным выше приборам.
Современные УЗ толщиномеры и дефектоскопы позволяют:
-	измерять толщину стенки стальных объектов в диапазоне от 0,15 мм до нескольких метров;
-	измерять скорость УЗ волн в материале;
-	запоминать результаты измерений с последующей их распечаткой или выводом на персональную ЭВМ;
-	производить допусковый контроль (прибор сигнализирует о выходе за установленные пределы);
-	производить измерения на поверхностях с кривизной R > Змм;
-	автоматизировать операции настройки;
-	на малых толщинах (менее 10 мм ) получать погрешность измерения менее менее 0,1 мм;
-	работать на свежезаряженном комплекте батарей до 300 часов. 298
Основные технические параметры современных УЗ толщиномеров приведены в таблице 9,1.
Для измерения толщины следует применять прямые и PC ПЭП с
Таблица 9.1
Основные технические данные УЗ толщиномеров
Тип толщиномера, страна, фирма изготовитель	Диапазон измерений (по стали), мм	Точность индикации, мм	Тип индикатора	Габариты, мм/мм/мм
УТ-93П, Молдова	0,8-300	0.1	ЖК 2)	40/85/160
T-GAGE. Англия, Senates!	0.56-199,9	0.02	ЖК	32/62/127
Echometer-70, Германия Karl Deutsch	0,7-250	0,01 или 0,1 1)	ЖК	35/80/130
DM2, Германия, Krautkramer	1,2-300	0.1	сд	33/65/150
DM3, Германия, Kraut kramer	0,8-300	0.1	ЖК	30/65/115
CL304, Германий, Kraut kramer	0,13-380	0,003 или 0,03	ЖК	63/190/29
DME. Германия, Kraut kramer	0,75*300	0.1	ЖК	41/72/165
AT-100. Россия, АО "НПО Альянс"	1,0-600	0,01 или 0,1	СД или ЖК	40/65/170
Примечания: 1. Меньшее значение относится к диапазону до 9,99 мм.
2. ЖК - жидкокристаллический; СД - светодиодный.
3. Вес толщиномера CL304 - 1.8 кГ, остальных - не более 0,4 кГ.
жестким протектором, обладающие высокой чувствительностью, низким уровнем собственных шумов, в диапазоне частот 2,0 * 10,0 МГц. Для особо точных измерений толщины металла (при толщинах менее 10 мм) могут применяться высокодемпфированные ПЭП с частотой до 20 МГц. Диаметры ПЭП от 5 до 25 мм.
Для настройки толщиномеров используют стандартные образцы предприятия (СОП), изготовленные из материала измеряемого объекта, имеющие толщину, равную номинальной или ми
299
нимальной толщине объекта, кривизну и шероховатость поверхности соответствующие тем же характеристикам объекта. При измерении толщины труб и гибов с наружным диаметром менее 100 мм, целесообразно выполнять ООП в виде фрагментов этих изделий.
Рис.9.1 Стандартные образцы предприятия для настройки скорости развертки при измерении толщины антикоррозионной наплавки: а -со стороны основного металла; б - со стороны антикоррозионной наплавки. 1 - основной металл, 2 - антикоррозионная наплавка
Если измеряется толщина биметалла,то СОП также должен быть изготовлен из биметалла. Для настройки скорости при измерении толщины антикоррозионной наплавки применяют образцы, примеры которых представлены на рис.9.1.
Толщина металла образца в точках, по которым производится настройка, должна быть измерена с погрешностью не более + 0,01 мм.
9*4 Подготовка к измерению толщины
Объект контроля должен быть размечен, точки измерения пронумерованы в соответствии со схемой, указанной в чертежно-тех
300
нической документации. Разметку следует выполнять так, чтобы она не мешала измерению и не стиралась при осуществлении процесса измерения. Например, разметка может быть сделана с помощью маркировочного фломастера.
Для измерения толщины основного металла подготавливается площадка 30 х 30 мм с центром а точке измерения. Для измерения толщины антикоррозионной наплавки готовят площадку 50 х 50 мм. Подготовленная площадка должна быть свободна от загрязнений, отслаивающейся окалины и краски. Шероховатость поверхности изделия со стороны ввода УЗ колебаний должна быть не более Яа = 6.3 мкм по ГОСТ 2789.
Допускается проводить измерения по поверхности, покрытой плотной пленкой окиси или тонким ровным слоем краски. Возможность выполнения толщинометрии и точностные характеристики измерения в этих условиях должны быть предварительно установлены экспериментальной проверкой специалистами по контролю. В некоторых случаях выполняют контроль по поверхности без предварительной обработки, однако точностные характеристики при этом ухудшаются.
Допускается выполнять измерения сосудов и трубопроводов, наполненных водой или другой жидкостью.
При измерении толщины на участках зачистки поверхностных дефектов в месте максимальной глубины выборки для установки ПЭП должна быть подготовлена плоская площадка Ф15 мм, параллельная поверхности изделия. В некоторых случаях измерение может быть выполнено со стороны, противоположной выборке.
Если выборка имеет крутой профиль и обеспечить плоскую площадку для установки ПЭП не представляется возможным, следует измерить толщину в точках вокруг выборки. Глубину выборки измеряют микрометрическим либо индикаторным глубиномером. Толщину изделия в месте выборки находят как разницу между минимальной его толщиной в окрестности выборки по данным измерений УЗ методом и максимальной глубиной выборки по результатам измерения глубиномером. Погрешность этого измерения принимается равной погрешности измерения УЗ прибором.
Настройку толщиномеров и глубиномеров дефектоскопов выполняют с учетом рекомендаций главы 8 и инструкции по эксплуатации конкретного типа прибора. Для настройки глубиномера дефектоскопа иногда могут быть составлены более рациональные методики, чем это указано в инструкции по эксплуатации (это относится, например, к дефектоскопу УД2-12). Настройку выполняют с использованием СОП, Если возможно, целесообразно настроенный прибор проверить хотя бы в одной точке по кромке контролируемого объекта.
301
9.5 Проведение измерений
На каждом из заранее намеченных участков выполняют однократное измерение толщины. Если произошла грубая ошибка, то есть погрешность измерения существенно превысила ожидаемую в данных условиях, то этот результат отбрасывают и выполняют три измерения взамен ошибочного. За результат измерения принимают среднеарифметическое значение.
При измерении толщины труб раздельно-совмещенным преобразователем акустический экран должен быть ориентирован перпендикулярно образующей трубы.
При измерении УЗ дефектоскопами следует обеспечить равенство амплитуд измеряемых импульсов и идентичность считывания результатов измерений.
Измерения толщины антикоррозионных покрытий выполняют УЗ дефектоскопами. При измерении со стороны основного металла используют прямые совмещенные ПЭП с частотой 2 - 6 МГц с жестким протектором. Для измерения антикоррозионных покрытий номинальной толщиной от 2 до 8 мм со стороны покрытия применяют PC ПЭП с частотой 4 - 6 МГц, имеющие фокусное расстояние от 4 до 10 мм и максимальный размер контактной поверхности 16 мм, а покрытий номинальной толщиной более 8 мм - PC ПЭП с частотой 4 - 5 МГц, имеющие фокусное расстояние от 20 до 30 мм и максимальный размер контактной поверхности 30 мм.
На площадке, выделенной для измерения толщины, выбирают такое положение ПЭП, при котором эхо-импульс от границы раздела двух металлических сред имеет наиболее гладкую форму и крутой передний фронт.
Заведомо недостоверные показания-эхо-импульсы от дефектов вблизи зоны сплавления, границ отдельных слоев или проходов, структурные шумы из наплавки-не учитывают.
При измерении со стороны основного металла толщина покрытия определяется как разность положений эхо-импульсов от дна и зоны сплавления (рис.9.2).
При измерении со стороны покрытия его толщина определяется положением эхо-импульса от зоны сплавления.
Некоторые особенности имеет измерение остаточной толщины в местах коррозионных повреждений. Перед измерением целесообразно получить сведения о характере ожидаемых коррозионных повреждений внутренней поверхности (например, визуальным осмотром, с помощью оптических приборов, в частности, с использованием приборов на основе волоконной оптики или радиографическим контро
302
лем) и, по возможности, произвести зачистку поверхности, подвергнутой коррозии. При измерении остаточной толщины изделий в местах пятнистой или язвенной коррозии внутренней поверхности в заранее намеченных местах должны быть выполнены измерения с шагом не более 3 мм. За результат измерения принимают минимальное показание прибора. При измерении остаточной толщины изделий толщиной до 20 мм со стороны, противоположной подвергнутой коррозии, прибор не фиксирует изменения толщины, связанные с наличием одиночных язв сферической формы диаметром до 2,5 мм.
Рис. 9.2 Схема измерения толщины антикоррозионного покрытия со стороны основного металла: 1 -основной металл, 2 - антикоррозионное покрытие
При отсутствии сведений о характере коррозионных повреждений изделия они могут быть ориентировочно получены при установке ПЭП в заранее намеченном месте изделия на основе следующих рекомендаций:
-	прибор стабильно показывает значение толщины, равное номинальной толщине изделия или близкое к нему,- изделие коррозионным повреждениям не подвергнуто;
-	прибор стабильно показывает значение толщины меньше номинальной толщины изделия - объект подвергнут равномерной коррозии;
-	прибор показывает номинальное значение толщины, а при дальнейшей перестановке ПЭП на ограниченном участке - нулевое (или нестабильное) значение и значение меньше номинального - изделие подвергнуто язвенной коррозии (нулевое и нестабильное показания соответствуют установке ПЭП над скосом язвы).
Если результат измерения существенно отличается от ожидаемого и не связан с грубой ошибкой измерения, целесообразно эти участки проконтролировать дефектоскопом, так как причиной уменьшения показания толщины может быть нарушение сплошности металла. Применение дефектоскопа может быть полезным и в других случаях, когда возникает неопределенность в оценке показаний толщиномера-
Контроль с целью определения миниального значения проводят дефектоскопом путем непрерывного сканирования. Крайнее левое положение эхо-импульса фиксируется фронтом строба АСД.
303
Считывание результата измерения производится после получения устойчивого и достоверного показания. Для цифровых приборов оно характеризуется либо одним значением, либо двумя, изменяющимися в пределах дискретности прибора, В последнем случае записывают более неблагоприятное значение.
Проверка настройки прибора по СОП производится периодически, а также после окончания измерений.
При оформлении протокола (заключения) результат измерения должен быть представлен в виде:
х, Л от Д до Дм: Р	(9.2)
х, мм - результат измерения;
Дм, Дй, мм - нижний и верхний пределы погрешности измерений;
Р - вероятность, с которой погрешность измерения находится в этих границах.
Пример: 3,80 мм + 0,20 мм, Р = 0,972
Наименьшие разряды числовых значений результата измерения и численного показателя точности должны быть одинаковы.
9.6 Некоторые сведения об ошибках измерений
При выполнении любых измерений следует помнить, что никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Различают три вида ошибок:
1. Систематическими называют ошибки, величина которых одинакова во всех измерениях, проводимых одним и тем же методом с помощью одних и тех же измерительных приборов.
Рассмотрим подробнее причины возникновения систематических ошибок.
Окончательную настройку УЗ толщиномера производят по контрольной точке, замер в которой выполнен мерительным инструментом. Очевидно, что ошибка измерения при такой настройке не может быть меньше той, которая определяется погрешностью мерительного инструмента. Предположим, что при измерении толщины мерительным инструментом вместо истинного значения 72,21 мм получено значение 72,33 мм. Систематическая ошибка в этом случае составляет 0,12 мм. Много это или мало?
Прежде всего следует отметить, что чем точнее мы хотим измерить, тем труднее это сделать, Поэтому не следует требовать от измерения большей точности, чем это необходимо для решения поставленной задачи. Однако, если мы производим измерение толщины 304
толщиномером с приборной погрешностью +0,1 мм, а учет только одной систематической ошибки дает большее значение, то становится очевидным, что этот результат может удовлетворить нас в довольно редких случаях. Поэтому измерение толщины в контрольной точке мерительным инструментом должно выполняться особенно тщательно.
Существует и другая группа систематических ошибок, природа которых известна и величина может быть определена достаточно точно. Такие ошибки могут быть устранены путем введения поправок. Примером является измерение толщины изделия из материала со скоростью звука Сн если настройка толщиномера производилась по СОП со скоростью звука Со = Сг
Пример. Контролируют изделие с действительной скоростью звука Сд = 5850 м/с. Номинальная толщина изделия составляет 140 мм. Настройка толщиномера выполнена по СОП со скоростью звука Со = 5920 м/с. Определим погрешность измерения, связанную с систематической ошибкой настройки.
Решение. Действительное значение толщины изделия
= g
(9.3)
Показание толщиномера
Н - С * /_
" Р Я
(9.4)
Здесьt* - действительное время прохождения ультразвуком толщины изделия (туда и обратно). Из уравнений (9.3, 9.4) определим действительную толщину:
Н =С/С * Н = кН Л	fJ О	V	f
(9.5)
где к - поправочный коэффициент. Погрешность измерения, связанная с систематической ошибкой настройки
лн = н -н
р о
(9.6)
Для нашего примера Нс = 141,7 мм, АН = 1,7 мм.
2. Случайными называют ошибки, действие которых неодинаково в каждом измерении и не может быть учтено. Величина случайных ошибок различна даже для измерений, выполненных одинаковым образом. Случайные ошибки при измерении толщины возникают из-за:
305
-	колебания параметров толщиномера (дефектоскопа) и преобразователей в допустимых пределах;
-	неточной установки нуля глубиномера;
-	смещения ПЭП при повторных его установках в точку измерения;
*	колебания толщины прослойки контактной жидкости вследствие неравномерного прижима ПЭП к изделию;
-	неточного считывания результата измерения с экрана дефектоскопа;
-	других факторов.
В теории измерений показано, что влияние случайной ошибки на результат измерения уменьшается с увеличением числа измерений. В практике для получения удовлетворительного значения ошибки при наименьших трудозатратах достаточно выполнить в контролируемой точке 5 {реже 7) измерений.
3. Грубыми называют ошибки (промахи), приводящие к результату, существенно отличающемуся от ожидаемого в данных условиях. Источником таких ошибок является недостаток внимания оператора. Для исключения промахов нужно соблюдать аккуратность и тщательность в работе и записи результатов. Иногда можно выявить промах, повторив измерение в несколько иных условиях {например, настроить прибор на другую цену деления). Следует иметь в виду, что многократное измерение подряд одной и той же величины не всегда дает возможность установить промах. Для надежного выявления промаха нужно либо повторить измерение спустя некоторое время, когда оператор уже забыл полученные им цифры, либо произвести повторное измерение, начиная с настройки прибора, другим дефектоскопистом, который не знает результатов, полученных первым.
9.7 Методика определения погрешности измерений толщины
За наиболее вероятное значение измеряемой величины обычно принимают ее среднее арифметическое значение, вычисленное из всего ряда измеренных значений:
п
&
X =	(9-7)
П
где Xj - результат i-ro измерения толщины; л - число измерений.
Для оценки величины случайной ошибки измерения пользуются средней квадратической ошибкой, которой называется величина
306
(9.8)
Обозначим действительное значение измеряемой величины через х, погрешность измерения этой величины Ах. Пусть а означает вероятность того, что результат измерения отличается от действительного значения на величину, не большую, чем Ах. Это принято записывать в виде:
Р(х - А < х < х 4- Ах) =«
(9.9)
Эта вероятность носит название доверительной вероятности или коэффициента надежности. Интервал значений от х - Ах до х + Лх называется доверительным интервалом.
Написанное выражение означает, что с вероятностью, равной а, результат измерения не выходит за пределы доверительного интервала от х - Ах до х + Ах. Разумеется, чем большей надежности мы требуем, тем большим получается соответствующий интервал. Доверительные вероятности для доверительного интервала, выраженного в долях средней квадратической ошибки
£ = (910)
сведены в таблицу 9.2.
Таблица 9.2 Доверительные вероятности для доверительного интервала, выраженного в долях средней квадратической ошибки
£	1,0	1.5	2,0	2,2	2,4	2,5	2,6
а	0,683	0,866	0,955	0,972	0,984	0,988	0,990
Приведем пример пользования таблицей. Определим, какой доверительный интервал нужно выбрать, чтобы примерно 98% результатов попали в него, если х - 1,27, о = 0,032. Из таблицы находим, что значению а= 0,98 соответствует значение с= 2,4, следователь-
307
но, о*£~ 0,032 х 2,4 - 0,077, и указанной доверительной вероятности соответствует интервал:
1,193 < х < 1,347
Округлив, получаем
1,19 < х < 1.35
Иногда этот результат записывают в виде: х = 1.27 ± 0,08 с доверительной вероятностью 0,98.
В тех случаях, когда систематическая ошибка превышает 1/3 средней квадратической ошибки, ее также необходимо учитывать при определении доверительного интервала. Систематическая составляющая погрешности измерений вычисляется по формуле:
У (Хгг -X,.)
. Тг 7	(’-и)
п
где Хд - результат измерения, выполненного мерительным инструментом.
Доверительный интервал в этом случае принимает вид:
х -Ах +Д<х +Дг + Д	(9J2)
С	v
Таким образом, для правильного описания погрешности измерений должны быть указаны доверительный интервал и вероятность, с которой суммарная погрешность не выходит за его пределы.
Возможно определение указанных величин двумя способами. По первому для измерений подготавливают 2-3 образца изделий, действительная толщина Хд которых, определенная с погрешностью, не превышающей 20% приборной погрешности для данного диапазона, лежит в пределах одного диапазона измерений прибора.
Производят настройку прибора. На подготовленных участках выполняют 50 измерений толщины. По приведенным выше формулам вычисляют систематическую составляющую погрешности Дс, среднее квадратическое отклонение а и доверительный интервал. Последний обычно определяют для доверительной вероятности Р = 0,955.
По второму способу производят настройку прибора. На образце изделия выполняют измерения а 50 точках. После этого изделие разрезают и в тех же точках измеряют действительную толщину хд.
Дальнейшие вычисления производят по формулам так же, как описано для первого способа.
308
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.	Щербинский В.Г., Алешин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных соединений.-М.: Стройиздат, 1989, 320 с,
2.	Гурвич А.К.. Ермолов И.Н. Ультразвуковой контроль сварных швов.-Киев: Техника. 1972, 460 с.
3.	Розина М.В., Яблоник Л.М., Васильев В.Д. Неразрушаюший контроль в судостроении. Справочник дефектоскописта. -Л.: Судостроение. 1983, 147 с.
4.	Шрайбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. -М.: Металлургия, 1965, 361 с.
5.	Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник. -М.: Металлургия, 1991, 751 с.
6.	Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х., Вощанов А.К., Ермолов И.Н., Гурвич А.К. Методы акустического контроля металлов. -М.: Машиностроение, 1989, 456 с.
7.	Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Слравочник/Под редакцией В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1986, т.2, 352 с.
8.	Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. -М.: Машиностроение, 1981, 240 с.
9.	Ермолов И.Н. Контроль ультразвуком (краткий справочник). -М.: НПО ЦНИИТМАШ, 1992. 86 с.
10.	Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. Под редакцией Самойловича Г.С. ~М.: Машиностроение, 1976, 456 с.
309
СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ
используются при контроле основного металла, сварных и заклепочных соединений различных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей Унифицированы по ГОСТ 14782-86 и ГОСТ 185756-85
Стандартный образец СО-1
Предназначен для проверки условной чувствительности и настройки на заданную условную чувствительность эхо-импульсных ультразвуковых дефектоскопов с пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП) на частоту 1 (5 до 5,0 МГЦ.
Стандартный образецСО-2Р
Предназначен для:
•	определения местоположения точки выхода луча (стрелы ПЭП) и угла ввода ультразвуковых колебаний в сталь;
•	определения погрешности глубиномера и погрешности измерения координат отражателя (дефектов);
•	проверки условной чувствительности и настройки на заданную условную чувствительность эхо-импульсных ультразвуковых дефектоскопов с ПЭП на частоту от 1,5 до 5,0 МГц с углами падения в сталь менее второго критического;
•	оценки величины мертвой зоны;
•	определения ширины основного лепестка диаграммы направленности;
•	проверки предельной чувствительности и настройки на заданную предельную чувствительность эхо-импульсных ультразвуковых дефектоскопов.
Стандартный образец СО-ЗР
Предназначен для:
•	определения местоположения точки выхода луча (стрелы ПЭП) и угла ввода ультразвуковых колебаний в сталь;
•	определения погрешности глубиномера и погрешности измерения координат отражателя (дефектов);
•	проверки условной чувствительности и настройки на заданную условную чувствительность эхо-импульсных ультразвуковых де
313
фектоскопов с ПЭП на частоту от 1,5 до 5,0 МГц с углами падения в сталь менее второго критического;
•	оценки величины мертвой зоны;
•	определения ширины основного лепестка диаграммы направленности;
•	проверки предельной чувствительности и настройки на заданную предельную чувствительность эхо-импульсных ультразвуковых де фе ктос копов;
•	определения среднего времени распространения ультразвуковых колебаний в призме наклонного ПЭП.
Стандартный образец СО-4
Предназначен длЛпределения длины поперечной волны, частоты ультразвуковых колебаний и длительности импульса, излучаемых наклонным ПЭП.
Стандартный образец СО-5
Предназначен для:
♦ проверки эквивалентной чувствительности и настройки на заданную эквивалентную чувствительность эхо-импульсных ультразвуковых дефектоскопов с ПЭП на частоту 2,5 до 5,0 МГц с углами ввода ультразвуковых колебаний 65 - 750 при контроле сварных стыковых соединений листов толщиной 10-20 мм из сталей;
• оценки величины мертвой эоны.
314
КРАБ
портативный прибор
для оперативной проверки работоспособности ультразвуковых дефектоскопов в условиях эксплуатации
Позволяет:
оперативно (за 1-3 мин) проверить работоспособность дефектоскопов (включая многоканальные);
проверить функционирование всего тракта дефектоскопического канала: от пьезоэлектрических преобразователей до индикаторов (экрана электронно-лучевой трубки или жидко-кристаллического и звукового);
частично локализовать причину отказа неработающего канала дефектоскопа;
имитировать сигналы от “дефектов” в эхо- и(или) зеркальнотеневых каналах.
Имеет:
минимальную массу и габариты (“карманный” вариант); минимальное потребление.
Предназначен для:
начальников дефектоскопических подразделений и их заместителей;
работников ремонтных дефектоскопических подразделений;
операторов ультразвуковых дефектоскопов;
специалистов, занятых разработкой технологии контроля.
Краткие технические характеристики: частота ультразвковых колебаний проверяемые методы контроля
количество одновременно проверяемых ультразвуковых каналов напряжение питания потребляемый ток масса, не более
габаритные размеры, не более:
-	электронного блока
-	акустического блока
2,5 МГц
эхо- и(или) зеркально-теневой
до 4'Х
9-12 В
2,0 мА
200 г
130 х 65 х 45 мм
200 х 65 х 10 мм
315
ГЛАВА 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО НЕРАЗРУШАЮЩЕМУ КОНТРОЛЮ 57
2 Л Задачи, решаемые с применением
неразрушающего контроля и требования к нему  57 2.2 Виды контроля полуфабрикатов и изделий 59 2.3 Требования к обеспечению дефектоскопичности
изделий  61
2.4	Общие требования к средствам
дефектоскопического контроля 63
2.5	Требования к дефектоскопистам________________ 64
2.6	Выбор методов НК 66
ГЛАВА 3 МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ 70
3.1	Визуально-оптический контроль ________________ 70
3.2	Капиллярная дефектоскопия  72
3.3	Магнитные методы контроля 75
3.4	Электромагнитный метод контроля 79
3.5	Радиационные методы контроля__________________ 80
3.6	Ультразвуковая дефектоскопия  84
ГЛАВА 4 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ 85
4.1	Колебательный процесс	85
4.2	Простое гармоническое движение ___________ 88
4.3	Ультразвуковые волны__________________________ 92
4.4	Параметры, характеризующие ультразвуковую волну_____________________________________________ 96
4.5	Шкала децибел ________________________________ 100
4.6	Явления на границе раздела двух сред________ 101
4.6.1 Частные случаи______________________________ 103
4.6.2 Энергетические соотношения__________________ 104
4.6.3 Отражение от двугранного угла 110
4.7	Нормальные волны	111
4.8	Головные волны________________________________ 115
4.9	Распространение ультразвуковых волн___________ 117
4.10	Дифракция волн ______________________________ 125
4.11	Затухание ультразвука в твердых средах  128
4.12	Расчет акустического тракта прямого контактного преобразователя 134
324
4.13	Поле излучения-приема наклонного преобразователя 137
4.14	АРД - диаграмма  141
4.15	Пересчет отражателей одного вида в отражатели другого вида  144
4_16 Отражение от реальных дефектов 146
4.17	Электроакустический тракт ультразвукового дефектоскопа 147
4.18	Способы возбуждения ультразвуковых колебаний_ 151
ГЛАВА 5 МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
МЕТАЛЛОВ 157
5.1	Классификация акустических методов 157
5.2	Теневой метод (амплитудный) 158
5.3	Эхо ’ метод___________________________________ 159
5.4	Зеркальный эхо - метод 169
5.5	Дельта - метод________________________________ 161
5.6	Зеркально - теневой метод (ЗТМ) 161
5.7	Эхо - теневой метод 162
5.8	Сквозной эхо - метод__________________________ 162
5.9	Акустико-эмиссионный метод 163
ГЛАВА 6 СРЕДСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ 165
6.1	Состав средств ультразвукового контроля____165
6.2	Классификация ультразвуковых дефектоскопов 165
6.3	Функциональная схема ультразвукового дефектоскопа общего назначения  167
6.4	Технические параметры ультразвукового дефектоскопа  180
6.5	Функциональная схема эхо-импульсного толщиномера 132
6.6	Технические параметры ультразвуковых
толщиномеров 134
6.7	Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи___________________________________ 186
6.8	Параметры, характеризующие преобразователи 190
6.9	Образцы для ультразвукового контроля 204
6.9.1 Стандартные образцы_________________________ 204
6.9.2 Стандартные образцы предприятия 213
325
6.10	Метрологическое обеспечение средств ультразвукового контроля 218
ГЛАВА 7 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ИЗМЕРЯЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  219
7.1	Основные параметры ультразвукового контроля____ 219
7.2	Измеряемые характеристики несплошностей________ 226
7.3	Классификация несплошностей на протяженные и непротяженные___________________________•_______ 230
7.4	Измерение координат отражателей 231
ГЛАВА 8 ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ___________ 234
8.1	Выбор параметров контроля и режимов настройки_____ 234
8.1.1 Тип и конструкция преобразователя ______________ 234
8.1.2 Диапазон контроля ______________________________ 238
8.1.3 Зона автоматической сигнализации дефектов (АСД)_ 239
8.1.4 Система временной регулировки чувствительности (ВРЧ) 239
8.1.5 Отсечка_________________________________________ 240
8.1.6 Частота следования______________________________ 240
8.1.7 Мо щкост ь_____________________________________ 241
8.2	Настройка глубиномера____________________________ 241
8.3	Настройка чувствительности дефектоскопа и оценка размеров дефектов по амплитудному признаку___________ 244
8.3.1 Способ стандартных образцов предприятия_________ 246
8.3.2 Способ АРД-диаграмм 246
8.3.2.1 Оценка коэффициента затухания УЗ волн_________ 246
8.3.2.2 Настройка чувствительности дефектоскопа_______ 249
8.3.2.3 Определение эквивалентных размеров дефектов___ 252
8.4	Схемы прозвучивания ______________________________ 255
8.4.1 Листовой прокат _______________________________ 255
8.4.2 Поковки________________________________________ 256
8.4.3 Сварные швы____________________________________ 259
8.4	-4 Наплавки_________________	  264
8.5	Подготовка к контролю___________________________  267
8.6	Проведение контроля__________________;____________ 272
8.6.1 Общие положения_________________________________ 272.
8.6.2 Особенности контроля массивных поковок и поковок со структурными помехами  273
8.7	Формулировка нормативных требований _________ 276
8.8	Оформление заключения 280
8.9	Получение дополнительной информации о форме, ориентации и реальных размерах дефекта  282
8.9.1 Об щи е с в еде н и я______________________282
8.9.2 Способ озвучивания по контуру______________ 283
8.9.3 Способ коэффициента формы _____________...	283
8.9.4 Характер индикации на ЭЛТ__________________„ 284
8.9.5 Другие способы_____________________________ 285
8.9.6 Алгоритм определения характера дефекта 285
8.9.7 Определение реальных размеров дефекта 286
8.10	Импульсы помех 288
8.11	Надежность достоверность и воспроизводимость результатов ультразвукового контроля	,  292
ГЛАВА 9 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ 296
9,1	Терминология_________________________________296
9.2	Условия применимости УЗ толщинометрии 297
9.3	Средства ультразвуковой толщинометрии_______ 298
9.4	Подготовка к измерению толщины______________ 300
9.5	Проведение измерений_________________________302
9.6	Некоторые сведения об ошибках измерений 304
9.7	Методика определения погрешности измерений толщины 306
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА  309