Ультразвуковая дефектоскопия

Метод, основанный С.Я. Соколовым, позволяющий осуществлять поиск дефектов в материале изделия путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, отраженных от внутренних несплошностей (дефектов), и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа. Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Рисунок 2 - Принцип действия ультразвуковой дефектоскопии

Физические основы ультразвуковой дефектоскопии:

Данный метод позволяет определить зарождающиеся и прогрессирующие дефекты в массиве металла. Ультразвуковой контроль сварных соединений и материалов основывается на возможности ультразвука распространяться в контролируемом изделии, отражаясь от границ материалов и внутренних дефектов. Звуковые волны в однородном материале при ультразвуковом контроле не изменяют траектории движения. Многообразие задач, возникающих при необходимости проведения неразрушающего контроля различных изделий, привело к разработке и использованию ряда различных акустических методов контроля. Наиболее широкое распространение в практике ультразвуковой дефектоскопии нашли импульсные методы, в том числе – эхо-метод и метод звуковой тени (теневой метод). Реже применяют другие методы: резонансный, акустического импеданса, свободных колебаний и акустической эмиссии.

Эхо - импульсный метод
Эхо - импульсный метод основан на явлении отражения ультразвуковых волн от поверхности дефекта и регистрации отражённых сигналов. Этим методом контролируют оси колёсных пар (КП), поковки, штамповки, прокат, сварные швы, детали из пластмассы, а также измеряют толщину изделия и оценивают структуру материала.

Для этой цели в контролируемое изделие излучается последовательность коротких ультразвуковых импульсов. Излучаемые ультразвуковые импульсы называют «зондирующими». Признаком дефекта является наличие эхо-сигнала, отражённого от несплошности. Отражённые ультразвуковые импульсы несут информацию о наличии какого-то отражателя, его удалённости от излучателя и о его размерах. Размеры и местоположение дефекта оценивают по амплитуде и времени задержки (положению на экране) отражённого эхо-сигнала.
Широкое распространение метода обусловлено простотой его реализации, высокой чувствительностью к выявлению многих типов дефектов и возможностью одностороннего доступа к изделию.

Теневой метод
Теневой метод заключается в сквозном прозвучивании изделия импульсами ультразвуковых колебаний. Этот метод одним из первых стал применяться для контроля металлоизделий. Для излучения и приема ультразвука используют два соосно-расположенных преобразователя, а о наличии дефектов судят по уменьшению амплитуды принимаемых колебаний.
Излучатель ультразвуковых волн, проверяемая деталь и приёмник образуют «акустический тракт», по которому распространяется ультразвуковая волна. Решение о дефектности проверяемой детали принимают по величине амплитуды (уровню) принятого сигнала на выходе принимающего преобразователя. Если на пути ультразвуковых волн от излучателя до приёмника нет препятствий (несплошностей), отражающих или рассеивающих ультразвуковые волны, то уровень принятого сигнала максимален. Однако он резко уменьшается или падает почти до нуля, если на пути ультразвуковой волны есть несплошность (дефект). Решение принимается при соблюдении требований соосного расположения преобразователей и стабильного их акустического контакта с контролируемой деталью.
Метод наиболее часто применяют для контроля тонкостенных изделий, т.к. при его использовании отсутствуют мертвые зоны. Недостатками метода являются необходимость двустороннего соосного доступа к изделию, низкая чувствительность при контроле изделий средней и большой толщины и невозможность определения глубины залегания дефекта.

Зеркально-теневой метод
Зеркально-теневой метод является комбинацией эхо - импульсного и теневого методов. Он принципиально не отличается от теневого, но удобен, когда к детали имеется только односторонний доступ.
При контроле этим методом используют один или два ПЭП, размещенные на одной поверхности изделия. Признаком дефекта является ослабление амплитуды (уровня ультразвуковой волны), прошедшей через контролируемое изделие и отражённой от его противоположной поверхности. Размеры дефекта оценивают по уменьшению амплитуды «донного» сигнала.
Этот метод применяется, например, при контроле железнодорожных рельсов, а также при контроле различных деталей (осей колесных пар различных вагонов, валов двигателей и т.д.) на прозвучиваемость.

При ультразвуковом контроле обычно используют пьезопреобразователи, принцип работы которых основан на пьезоэлектрическом эффекте, заключающимся в преобразование механических колебаний в электрические и наоборот. Активный элемент такого ПЭП (пьезоэлемент) изготавливают из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, а торцевые поверхности его металлизированы и являются электродами.
При подаче на них электрического напряжения пьезоэлемент изменяет свою толщину вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пьезоэлемент колеблется в такт с этими изменениями, создавая в окружающей среде упругие колебания, т.е. работает в качестве излучателя (рис. 3). И, наоборот, если пьезоэлемент воспримет импульс давления, то на его обкладках вследствие прямого пьезоэффекта появятся электрические разряды.