Ultraljudsdetektering av fel

Ultraljudsfeldetektering  är en metod som föreslagits av S. Ya. Sokolov 1928 och baserad på studien av utbredningen av ultraljudsvibrationer med en frekvens på 0,5 - 25 MHz i kontrollerade produkter med hjälp av specialutrustning - en ultraljudsgivare och en feldetektor [1] ] : 125 . Det är en av de vanligaste oförstörande testmetoderna .

Hur det fungerar

Ljudvågor ändrar inte rörelsebanan i ett homogent material. Reflexionen av akustiska vågor sker från gränssnittet mellan media med olika specifika akustiska resistanser . Ju mer de akustiska impedanserna skiljer sig, desto större del av ljudvågorna reflekteras från gränssnittet mellan media. Eftersom inneslutningar i en metall vanligtvis innehåller en gas (blandning av gaser) som härrör från svetsprocessen, gjutning etc. Och de hinner inte gå ut när metallen stelnar, har gasblandningen fem storleksordningar lägre specifikt akustiskt motstånd än själva metallen, så blir reflektionen nästan fullständig.

Upplösningen av en akustisk studie, det vill säga förmågan att upptäcka små defekter separat från varandra, bestäms av ljudvåglängden , som i sin tur beror på frekvensen av inmatning av akustiska vibrationer. Ju högre frekvens, desto kortare våglängd. Effekten uppstår på grund av det faktum att när storleken på hindret är mindre än en fjärdedel av våglängden, sker reflektionen av svängningar praktiskt taget inte, men deras diffraktion dominerar . Därför tenderar som regel ultraljudsfrekvensen att öka. Å andra sidan, med en ökning av frekvensen av oscillationer, ökar deras dämpning snabbt , vilket minskar det möjliga kontrollområdet. Frekvenser i området från 0,5 till 10 MHz blev en praktisk kompromiss.

Excitation och mottagning av ultraljud

Det finns flera metoder för excitation av ultraljudsvågor i föremålet som studeras. Det vanligaste är användningen av den piezoelektriska effekten . I det här fallet produceras ultraljudsstrålning med hjälp av en givare , som omvandlar elektriska vibrationer till akustiska vibrationer genom den omvända piezoelektriska effekten . Efter att ha passerat genom en kontrollerad miljö faller ultraljudsvibrationer på givarens mottagande piezoelektriska platta och, på grund av den direkta piezoelektriska effekten , blir de återigen elektriska, vilka registreras av mätkretsarna. Beroende på design och anslutning kan givarens piezoelektriska plattor endast fungera som sändare av ultraljudsvibrationer eller endast som mottagare, eller kombinera båda funktionerna.

Den elektromagnetiska akustiska ( EMA ) metoden används också, baserad på applicering av starka växelmagnetiska fält på metallen. Effektiviteten för denna metod är mycket lägre än den för den piezoelektriska metoden, men den kan arbeta genom ett luftgap och ställer inga speciella krav på ytans kvalitet.

Klassificering av forskningsmetoder

De befintliga akustiska metoderna för oförstörande testning är indelade i två stora grupper - aktiva och passiva.

Aktiv

Aktiva kontrollmetoder innebär emission och mottagning av akustiska vågor.

Reflektioner
  • Ekometoden eller eko- pulsmetoden är  den vanligaste: givaren genererar svängningar (det vill säga fungerar som en generator) och den tar även emot ekosignaler som reflekteras från defekter (mottagare). Denna metod har blivit utbredd på grund av dess enkelhet, eftersom endast en givare krävs för testning, därför, med manuell kontroll, finns det inget behov av speciella anordningar för dess fixering (som till exempel i diffraktionstidmetoden) och inriktning av akustiska axlar vid användning av två omvandlare. Dessutom är detta en av få metoder för ultraljudsdetektering av fel som gör det möjligt att exakt bestämma koordinaterna för defekten, såsom djupet av förekomsten och positionen i föremålet som studeras (i förhållande till givaren).
  • Spegel eller Echo -mirror metod  - två givare används på ena sidan av delen: de genererade vibrationerna reflekteras från defekten mot mottagaren. I praktiken används den för att söka efter defekter som ligger vinkelrätt mot testytan, såsom sprickor.
  • Tidsdiffraktionsmetod - två givare används  på samma sida av delen, placerade mitt emot varandra. Om defekten har vassa kanter (som sprickor) så diffrakterar svängningarna i ändarna av defekten och reflekteras i alla riktningar, inklusive mot mottagaren. Feldetektorn registrerar ankomsttiden för båda pulserna med tillräcklig amplitud. Båda signalerna från defektens övre och nedre gränser visas samtidigt på feldetektorns skärm, så det är möjligt att exakt bestämma defektens villkorade höjd. Metoden är ganska universell, den gör det möjligt att utföra ultraljudstestning på sömmar av vilken komplexitet som helst, men den kräver speciell utrustning för att fixera omvandlarna, såväl som en feldetektor som kan fungera i detta läge. Dessutom är de diffrakterade signalerna ganska svaga.
  • Deltametoden  , en sorts spegelmetod, skiljer sig i mekanismen för vågreflektion från en defekt och i hur signalen tas emot. Inom diagnostik används den för att söka efter specifikt lokaliserade defekter. Denna metod är mycket känslig för vertikalt orienterade sprickor, som inte alltid kan detekteras med den vanliga ekometoden.
  • Efterklangsmetoden  är baserad på den gradvisa dämpningen av signalen i styrobjektet . När man styr en tvåskiktsstruktur, i fallet med en kvalitetskoppling av lagren, kommer en del av energin från det första lagret att gå till det andra, så efterklangen blir mindre. Annars kommer flera reflektioner från det första lagret att observeras, den så kallade skogen . Metoden används för att kontrollera vidhäftningen av olika typer av hardfacing, såsom babbitt hardfacing med gjutjärnsbas. Den största nackdelen med denna metod är detekteringen av ekosignaler från gränssnittet mellan två lager av en feldetektor. Anledningen till dessa ekon är skillnaden i hastigheterna för elastiska vibrationer i anslutningens material och deras olika specifika akustiska impedans . Till exempel, vid gränsen av babbitt-stål, uppstår en konstant ekosignal även på platser med högkvalitativ vidhäftning. På grund av designegenskaperna hos vissa produkter kan det hända att kvalitetskontroll av anslutningen av material med efterklangsmetoden inte är möjlig just på grund av närvaron av ekosignaler från gränssnittet på feldetektorns skärm.
  • Akustisk mikroskopi , på grund av den ökade frekvensen av inmatning av ultraljudsstrålen och användningen av dess fokusering, gör det möjligt att upptäcka defekter vars dimensioner inte överstiger tiondelar av en millimeter. Utbredd tillämpning inom industrin är svår på grund av metodens extremt låga produktivitet. Denna metod lämpar sig för forskningsändamål, diagnostik, såväl som för radioelektronisk industri.
  • Den koherenta metoden  är i huvudsak en variation av pulsekometoden. Utöver ekosignalens två huvudparametrar, såsom amplitud och ankomsttid, används dessutom ekosignalens fas. Med hjälp av en sammanhängande metod, eller snarare flera identiska omvandlare som arbetar i fas. När du använder speciella givare, till exempel en resande våggivare eller dess moderna motsvarighet, en fasad arraygivare . Studier av tillämpligheten av denna metod på verkliga kontrollobjekt har ännu inte slutförts. Metoden befinner sig i vetenskaplig forskning.
Genomgångar

Överföringsmetoder innebär att övervaka förändringen i parametrarna för ultraljudsvibrationer som har passerat genom kontrollobjektet, de så kallade genomgående vibrationerna. Inledningsvis användes kontinuerlig strålning för kontroll, och en förändring i dess amplitud av genomgående svängningar ansågs vara närvaron av en defekt i det kontrollerade objektet, den så kallade ljudskuggan. Därav namnet skuggmetoden . Med tiden ersattes kontinuerlig strålning med pulserad strålning, och förutom amplituden kompletterades de fasta parametrarna även av pulsens fas, spektrum och ankomsttid och andra överföringsmetoder dök upp. Termen skugga förlorade sin ursprungliga betydelse och började betyda en av övergångsmetoderna. I engelsk litteratur kallas överföringsmetoden genom överföringsteknik eller genom överföringsmetoden , vilket helt överensstämmer med dess ryska namn. Termen skugga används inte i den engelskspråkiga litteraturen.

  • Skugga  - två givare används, som är placerade på båda sidor av den del som studeras på samma akustiska axel. I det här fallet genererar en av omvandlarna svängningar (generator), och den andra tar emot dem (mottagare). Ett tecken på närvaron av en defekt kommer att vara en signifikant minskning av amplituden för den mottagna signalen, eller dess försvinnande (defekten skapar en akustisk skugga).
  • Mirror-shadow  - används för att styra delar med två parallella sidor, utvecklingen av skuggmetoden: reflektioner från den motsatta sidan av delen analyseras. Ett tecken på en defekt, som i fallet med skuggmetoden, kommer att vara försvinnandet av reflekterade vibrationer. Den största fördelen med denna metod, i motsats till skuggmetoden, är tillgång till delen från ena sidan.
  • Den temporala skuggan är baserad på fördröjningen av pulsen i tid som spenderas på avrundningen av defekten. Används för att styra betong eller eldfast tegel.
  • Multipelskuggmetoden liknar skuggmetoden, med undantaget att ultraljudsvågen passerar flera gånger genom produktens parallella ytor.
  • Med echo-through-metoden används två givare, placerade på motsatta sidor av testobjektet mitt emot varandra. I frånvaro av en defekt observeras en genomgående signal och en signal som reflekteras två gånger från testobjektets väggar på feldetektorns skärm. I närvaro av en genomskinlig defekt observeras också reflekterad genom signaler från defekten.
  • Reverb-through-metoden inkluderar delar av reverb-metoden och multiple shadow-metoden. På kort avstånd från varandra, som regel, på ena sidan av produkten, är två omvandlare installerade - en sändare och en mottagare. Ultraljudsvågor som skickas till testobjektet efter flera reflektioner når så småningom mottagaren. Frånvaron av en defekt gör det möjligt att observera stabila reflekterade signaler. I närvaro av en defekt förändras utbredningen av ultraljudsvågor - amplituden och spektrumet för de mottagna pulserna ändras. Metoden används för att kontrollera flerskiktsstrukturer och polymerkompositmaterial.
  • Den hastighetsmetriska metoden bygger på att registrera förändringar i hastigheten för elastiska vågor i defektzonen. Det används för att kontrollera flerskiktsstrukturer och för produkter gjorda av polymerkompositmaterial.
Naturliga vibrationer

De är baserade på exciteringen av fria eller påtvingade svängningar i kontrollobjektet och mätningen av deras parametrar: naturliga frekvenser och förluster.

Forcerade vibrationer
  • Väsentlig
  • Lokal
  • Akustisk-topografisk
Fria vibrationer

Fria svängningar exciteras av en kortvarig påverkan på kontrollobjektet, varefter objektet svänger i frånvaro av yttre påverkan. Källan till kortvarig exponering kan vara vilken mekanisk påverkan som helst, till exempel en hammare.

  • Väsentlig
  • Lokal
Impedans
  • böjande vågor
  • Längsgående vågor
  • kontaktimpedans

Passiv

Passiva styrmetoder består i att ta emot vågor, vars källa är själva kontrollobjektet.

Moderna feldetektorer mäter noggrant tiden från emissionsögonblicket till mottagandet av en ekosignal och mäter därigenom avståndet till reflektorn. Detta gör det möjligt att uppnå en hög strålupplösning av studien. Datoriserade system gör det möjligt att analysera ett stort antal pulser och få en tredimensionell visualisering av reflektorer i metall.

Fördelar

Ultraljudstestning förstör eller skadar inte testprovet, vilket är dess främsta fördel. Det är möjligt att utföra kontroll av produkter från olika material, både metaller och icke-metaller. Dessutom kan vi lyfta fram den höga forskningshastigheten till låg kostnad och fara för människor (jämfört med upptäckt av röntgenfel) och den höga rörligheten hos ultraljudsfeldetektorn.

Nackdelar

Användningen av piezoelektriska givare kräver förberedelse av ytan för att införa ultraljud i metallen, i synnerhet skapande av en ytjämnhet av minst klass 5, i fallet med svetsade fogar , även riktningen för grovheten (vinkelrätt mot sömmen) . På grund av luftens höga akustiska motstånd kan minsta luftgap bli en oöverstiglig barriär mot ultraljudsvibrationer. För att eliminera luftgapet appliceras preliminärt kontaktvätskor som vatten, olja, glycerin på det kontrollerade området av produkten . Vid kontroll av vertikala eller starkt lutande ytor är det nödvändigt att använda tjocka kopplingar för att förhindra deras snabba avrinning.

För att testa produkter med en ytterdiameter på mindre än 200 mm är det nödvändigt att använda givare med en krökningsradie för sulan R lika med 0,9-1,1R av radien för det kontrollerade objektet, de så kallade överlappade givare, som i denna form är olämpliga för att testa produkter med plana ytor. Till exempel, för att styra ett cylindriskt smide, är det nödvändigt att flytta givaren i två ömsesidigt vinkelräta riktningar, vilket innebär användning av två injordade givare - en för var och en av riktningarna.

Som regel kan ultraljudsdetektering inte svara på frågan om defektens faktiska dimensioner, bara om dess reflektionsförmåga i riktning mot mottagaren. Dessa värden korrelerar, men inte för alla typer av defekter. Dessutom är vissa defekter nästan omöjliga att upptäcka med ultraljudsmetod på grund av deras natur, form eller placering i testobjektet.

Det är nästan omöjligt att utföra tillförlitlig ultraljudstestning av metaller med en grovkornig struktur, såsom gjutjärn eller austenitiska svetsar (tjocklek över 60 mm) [2] [3] på grund av stor spridning och hög dämpning av ultraljud. Dessutom är det svårt att kontrollera små delar eller delar med en komplex form. Ultraljudstestning av svetsfogar gjorda av olika stål (till exempel austenitiska stål med perlitiska stål) är också svårt på grund av den extrema heterogeniteten hos svetsmetallen och basmetallen.

Applikation

Den används för att söka efter materialdefekter (porer, hårfästen, olika inneslutningar, heterogen struktur, etc.) och för att kontrollera kvaliteten på arbetet - svetsning , lödning , limning etc. Ultraljudstestning är en obligatorisk procedur vid tillverkning och drift av många kritiska produkter, såsom delar till flygplansmotorer, rörledningar till kärnreaktorer eller järnvägsspår.

Ultraljudsprovning av svetsar

Svetsade sömmar är det mest utbredda användningsområdet för detektering av ultraljudsfel. Detta uppnås på grund av ultraljudsenhetens rörlighet, hög testprestanda, noggrannhet, känslighet för inre (volumetriska - porer, metalliska och icke-metalliska inneslutningar; plan - brist på penetration, sprickor), såväl som extern, det vill säga, ytdefekter av svetsar .

Många avdelningsdokument innebär obligatorisk ultraljudstestning av svetsar, eller ett alternativt val av ultraljuds- eller strålningstestning, eller testning med båda metoderna.

Huvuddokumentet i Ryssland för ultraljudstestning av svetsar är GOST R 55724-2013, som fullständigt beskriver metoderna för att testa stum-, tee-, lap- och kälsvetsar gjorda med olika svetsmetoder. Den beskriver också i detalj kalibreringsproverna (måtten) СО-2 (СО-2А) och СО-3 och de inställningsprover som krävs för att ställa in feldetektorn, såväl som deras parametrar för deras tillverkning.

Omfattningen av kontroll och standarder för att bedöma kvaliteten på en svetsfog fastställs av olika regulatoriska dokument i enlighet med hållfasthetskraven för en viss svetsad struktur. Företag som tillverkar särskilt kritiska produkter, liksom olika tillsynsmyndigheter, kan ta fram egna metodmaterial för att bedöma svetskvaliteten [4] . Ett exempel är RD ROSEK-001-96, utvecklad av det ryska expertföretaget för högriskobjekt " RosEK ", och godkänt av Rostekhnadzor för att bedöma kvaliteten på svetsfogar för lyftmaskiner.

Normativ-teknisk dokumentation

  • GOST R 55724-2013 Icke-förstörande testning. Anslutningar är svetsade. Ultraljudsmetoder.
  • GOST 24507-80 Icke-förstörande testning. Smide av järn- och icke-järnmetaller. Metoder för att upptäcka fel med ultraljud.
  • GOST 22727-88 Valsad plåt. Metoder för ultraljudskontroll.
  • GOST 21120-75 Barer och ämnen med runda och rektangulära sektioner. Metoder för att upptäcka fel med ultraljud.
  • RD ROSEK-001-96 Lyftmaskiner. Metallkonstruktioner. Ultraljudskontroll. Grundläggande bestämmelser.
  • OP 501 TsD-97 Kraftutrustning. tryckkärl. Rörledningar av ånga, vatten.
  • PNAE G-7-010-89 Utrustning och rörledningar för kärnkraftverk. Svetsade fogar och överlägg. Kontrollregler.
  • PNAE G-10-032-92 Regler för kontroll av svetsfogar av element för lokalisering av säkerhetssystem för kärnkraftverk.
  • PNAE G-7-032-91 Enade metoder för inspektion av basmaterial i halvfabrikat, svetsfogar och ytbeläggning av utrustning och rörledningar i kärnkraftverk. Ultraljudskontroll. Del IV. Besiktning av svetsfogar av austenitiska stål.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ V. N. Volchenko , A. K. Gurvich, A. N. Mayorov, L. A. Kashuba, E. L. Makarov, M. Kh. Khusanov. Svetskvalitetskontroll / Ed. V. N. Volchenko. — Lärobok för ingenjörsuniversitet. - M . : Mashinostroenie, 1975. - 328 sid. - 40 000 exemplar.
  2. ↑ PNAE G-7-032-91 Ultraljudstestning. Del IV. Besiktning av svetsfogar av austenitiska stål. Klausul 1.4.
  3. ↑ Klyuev V.V. Icke-förstörande testning. Volym 3.: Handbok. I 7 böcker / Ed. Klyueva V.V. - M .: Mashinostroenie, 2004.
  4. ↑ Några "smärtsamma" problem med ultraljudstestning med traditionella metoder // In the world of non-destructive testing", 2013 - nr 2 (60)

Litteratur

  • Shraiber D.S. Ultraljudsdetektering av fel //M.: Metallurgi. - 1965. - T. 392. - S. 29.
  • Gurvich A. K., Ermolov I. N. Ultraljudsfeldetektering av svetsade sömmar - Kiev: Tekhnika, 1972, 460 s.
  • Vybornov B. I. Ultraljudsdetektering av fel - M .: Metallurgy, 1985.
  • Shcherbinsky V. G., Pavros S. K., Gurvich A. K. Ultrasonic detektering av fel: igår, idag, imorgon // I en värld av oförstörande testning. - 2002. - nej. 4. - S. 18.
  • Yermolov IN Prestationer i teoretiska frågor om ultraljudsfeldetektering, uppgifter och framtidsutsikter // Defektoskopi. - 2004. - nej. 10. - S. 13-48.
  • Kretov EF Ultraljudsfeldetektering inom kraftteknik. - 3:e upplagan, reviderad och tillägg. - St. Petersburg: SVEN, 2011, 312 s., ISBN 978-5-91161-014-2
  • Markov A. A., Shpagin D. A. Ultraljudsfeldetektering av skenor, - Ed. 2:a, korrigerad. och ytterligare - St. Petersburg: Education - Culture, 2013, 283 s., ISBN 5-88857-104-0

Länkar