УДК 620.179.16
Оценка возможности замены на ультразвуковой метод радиационного контроля сварных соединений
Мелешко Н.В.
НУЦ «КАСКАД» МГУПИ
Рассмотрены методические аспекты практического применения ультразвукового дефектоскопа с антенными решетками А1550 IntroVisor. Проанализированы результаты контроля образцов из алюминиевого сплава, полученные радиографическим методом и ультразвуковым с антенными решетками.
Ключевые слова: ультразвуковой контроль (ultrasonic testing), эхометод (echo method), антенная решетка (antenna array).
Ультразвуковой контроль является наиболее распространенным физическим методом неразрушающего контроля [1]. Ультразвуковой контроль имеет ряд преимуществ: высокую чувствительность и производительность, возможность контроля при одностороннем доступе и другие. Однако ему присущи определенные недостатки, в частности, косвенный способ определения параметров дефектов, который далеко не всегда адекватно характеризует их реальные размеры [2]. Для оценки опасности дефектов - несплошностей, не удовлетворяющих требованиям нормативно-технической документации, применялись такие характеристики, как «условные размеры» и «эквивалентная площадь». При использовании современного оборудования – ультразвуковых дефектоскопов, работающих с антенными решетками (АР), реализующими метод SAFT [6, 7], появилась возможность помимо измерения в некоторых случаях фактических размеров дефектов, разделять дефекты по степени опасности – на плоскостные и объемные.
При разработке методики ультразвукового контроля сварных соединений из алюминия следует проработать несколько вопросов.
1. Задание скорости ультразвуковых волн. Не всегда есть данные о точном значении скорости ультразвуковых волн в материале. Поэтому перед проведением контроля необходимо правильно определить скорость УЗ волн. На результат контроля дефектоскопом с пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП) некорректно установленная скорость будет влиять на правильность определения координат несплошности, что может привести к ошибкам из-за некорректной интерпретации ложных сигналов. При работе с антенными решетками, особенно реализующими алгоритм SAFT, помимо неточного определения координат, сложно получить четкое акустическое изображение (допустима погрешность в установке скорости не более 3%).
2. При работе с ПЭП угол ввода по закону Снеллиуса пересчитывается. В алюминиевых сплавах угол ввода будет несколько меньше, чем номинальное значение, указанное на шильдике ПЭП. Для АР при проведении испытаний указывался диапазон сектора сканирования, аналогичный при контроле стальных соединений.
3. Коэффициент затухания в алюминиевых сплавах такого же порядка, что и в стали, поэтому частотный диапазон, используемый при контроле сталей, подойдет и для контроля алюминия.
4. Для сварных швов алюминиевых сплавов наиболее характерным дефектом являются вольфрамовые включения от электрода. Из-за малой разницы в акустических импедансах с основным материалом и хорошей адгезии они плохо отражают ультразвук.
На первом этапе ставилась оценка выявляемости ультразвуковыми дефектоскопами с антенными решетками различного типа несплошностей в сварных соединениях. Реальные алюминиевые сварные соединения предварительно просветили рентгеном, провели измерения объемного типа несплошностей (пор, вольфрамовых включений, шлаковых включений). Требовалось сравнить выявляемость рентгеном и ультразвуком.
На втором этапе тестировались на соединениях алгоритмы, реализованные в дефектоскопах с АР. Ставилась задача установления информационных признаков для разделения дефектов на плоскостные (непровары, трещины) и объемные (поры) для оценки степени опасности.
Эксперимент проводился на ультразвуковом дефектоскопе А1550 IntroVisor с различными режимами работы (рис. 1).
Рисунок 1. А1550 IntroVisor
Предварительно проведены испытания для оценки разрешающей способности дефектоскопа на образцах с боковыми цилиндрическими отверстиями (рис. 2, 3), прорезями (рис. 4), пропилами (рис. 5), по акустическому изображению измерялось расстояние между отражателями и размеры отражателей.
Четко различаются фокусные пятна цилиндрических отражателей диаметром 1 мм и более, расположенных на расстоянии 2,50 по радиусу 25 мм (рис. 2) и расположенных с шагом 3 мм по глубине от 10 до 50 мм (рис. 3). Определив координаты отражателей, можно измерить расстояние между ними.
В металлическом образце толщиной 20 мм размер тонких, выполненных по всей ширине методом электроэрозии вертикальных прорезей размерами 3, 4 и 5 мм с шириной раскрытия не более 200 мкм можно определить по фокусным пятнам, полученных отражением от двугранного угла пластины и вершины прорези [8]. Применив алгоритм, позволяющий визуализировать ОК в виде пластины для обнаружения зеркально отражающих несплошностей преимущественно вертикальной ориентации, получим изображение прорези (рис. 4).
Выполненные фрезой по всей ширине десятимиллиметрового металлического образца пропилы шириной 1 мм и высотой 2, 3 и 4 мм визуализируются двумя фокусными пятнами, по расстоянию между которыми определяется высота пропила (рис. 5). Также получены изображения пропилов шириной 2 мм и высотой от 2 мм ограниченного размера: использованы фрезы диаметром 60 и 80 мм (рис. 6).
Оценено влияние ширины и высоты засверловок (вертикальных цилиндрических отражателей) на акустическое изображение. Получены акустические изображения засверловок диаметром 2, 3, 4, 5 мм и глубиной от 1,6 до 8 мм на образце толщиной 10 мм (рис. 7). Амплитуды сигналов от начала и вершины засверловок в зависимости от глубины засверловок меняется хаотично. С увеличением произведения высоты на ширину засверловок увеличивается амплитуда сигналов от вершины засверловки (рис. 8).
Рисунок 2. Образец с цилиндрическими отражателями Ø1 мм, расположенными по радиусу 25 мм на расстоянии 2,50 друг от друга и его акустическое изображение
Рисунок 3. Образец с цилиндрическими отражателями Ø1 мм, расположенными на глубине от 10 до 50 мм с шагом 3 мм и его акустическое изображение
Рисунок 4. Образец с отражателями типа «прорезь» высотой 5 мм и ее акустическое изображение
Рисунок 5. Образец с отражателями типа «пропил» высотой 4 мм и его акустическое изображение
Рисунок 6. Акустическое изображение образца с отражателем шириной 2 мм высотой 2,8 мм, выполненный фрезой диаметром 80 мм (ширина реза 35 мм)
Рисунок 7. Акустическое изображение образца с засверловкой диаметром 4 мм и высотой 3,7 мм
Рисунок 8. Зависимость амплитуд сигналов от засверловок
При исследовании тонкостенных (до 20 мм) односторонних сварных соединений из углеродистой стали [5] доказана возможность измерения фактической высоты непроваров.
При рассмотрении двусторонних сварных соединений (рис. 9) метод ААТТ – метод абсолютного времени прихода - применить не представляется возможным.
Рисунок 9. Образец сварного соединения из алюминия
Перед выполнением измерений необходимо подобрать такое значение скорости (рис. 10), чтобы:
- сигналы от верхней и нижней кромки были четкими и по возможности круглыми;
- координаты верхнего и нижнего отражателя были соответствующими реальности;
- при перемещении АР на расстояние, равное ширине валика усиления, амплитуды сигналов от кромок были примерно равными (при отличии более 2 дБ необходимо применить функцию ВРЧ) и глубины залегания верхней и нижней кромки указывались точно[4].
Рисунок 10. Изображение сигналов от кромки листа
Для разделения найденных дефектов на плоскостные и объемные в процессе контроля двусторонних сварных соединений применялись различные алгоритмы для восстановления изображения.
Для исследований были использованы алгоритмы визуализации пространства, визуализации ОК в виде пластины для обнаружения диффузно отражающих несплошностей, визуализация ОК в виде пластины для обнаружения зеркально отражающих несплошностей преимущественно вертикальной ориентации.
Сущность алгоритма SAFT (рис. 11):
- Последовательное зондирование осуществляется каждым элементов АР.
- Прием эхо-сигналов каждым элементом АР независимо от других элементов.
- Использование всех принятых реализаций для реконструкция изображения путем пространственно-временной обработки.
Если ОК – сварное соединения небольшой толщины, то зондирующий импульс приходит к отражателю не только кратчайшим путем, но и отразивший от дна и внешней поверхности. При четном количестве отражений сигнал придет со стороны внешней поверхности, при нечетном – со стороны донной поверхности.
Рисунок 11. Алгоритм SAFT
Если несплошность рассеивает диффрузно (рис. 12), то возможны отражения траектории обоих видов. Пусть падающий сигнал прошел по пути с одним отражение а1. Отраженный – по пути с двумя (а2) и тремя отражениями (а3). Общее количество отражений в траектории (а1+а2) – нечетное, (а1+а3) – четное.
Рисунок 12. Алгоритм SAFT с диффузным рассеянием
При зеркальном отражении УЗ сигнала от несплошности (рис. 13) возможны только траектории с общим нечетным количеством отражений, т.к. сигнал, падающий в эту точку со стороны одной границы слоя, отражается в сторону другой границы, и любая траектория складывается из путей с четным и нечетным количеством отражений. Общее количество отражений в траектории (а1+а2) – нечетное.
Рисунок 13. Алгоритм SAFT с вертикальным отражением
Если использовать сигналы с четным количеством отражений от границ ОК, то в изображении будут присутствовать образы несплошностей, диффузно отражающих УЗ колебания. Если использовать сигналы с нечетным количеством отражений, то на экране будут прорисованы зеркально отражающие несплошности с преимущественно вертикальной ориентацией (по нормали к поверхностям ОК). Т. е. можно реконструировать изображение одного и того же сечения ОК, выделяя отражатели разного вида. Использование всех сигналов, как с четным, так и с нечетным числом отражений, обеспечивает наилучшую прорисовку поверхностей объемных несплошностей, имеющих сложную форму.
Проведен контроль с двух сторон сварного соединения. Например, по результатам рентгеновского контроля обнаружена пора диаметром 2 мм на расстоянии 148 мм от начала точки сканирования (рис. 14). При использовании алгоритма визуализации ОК в виде пластины для обнаружения зеркально отражающих несплошностей преимущественно вертикальной ориентации акустическое изображение не содержит фокусных пятен (рис. 15).
Рисунок 14. Акустическое изображение поры в сварном соединении
Рисунок 15. Акустическое изображение поры в сварном соединении после применения алгоритма для обнаружения зеркально отражающих несплошностей
По результатам рентгеновского контроля не обнаружен дефект на расстоянии 95 мм от начала точки сканирования (рис. 16). При использовании алгоритма акустический образ дефекта хорошо виден на экране (рис. 17).
Рисунок 16. Акустическое изображение непровара в сварном соединении
Рисунок 17. Акустическое изображение непровара в сварном соединении после применения алгоритма для обнаружения зеркально отражающих несплошностей
Представлены акустические изображения различных типов несплошностей: боковых цилиндрических отражателей; прорезей, выполненных электроэрозией с шириной раскрытия не более 200 мкм; отражателей типа «пропил» шириной от 1 мм, выполненных фрезой конечными размерами и по всей ширине образца; вертикальных цилиндрических отражателей типа «засверловка» различных диаметров и высот.
Протестирован алгоритм, позволяющий визуализировать ОК в виде пластины для обнаружения зеркально отражающих несплошностей преимущественно вертикальной ориентации, а также повышающий достоверность ультразвукового контроля двусторонних сварных соединений.
Литература:
1. Report on the situation of INSTITUTE DR.FORSTER. Information for customer and friends of INSTITUTE DR.FORSTER, N 12/Dec, 1993.
2. Бадалян В.Г., Базулин Е.Г., Вопилкин А.Х. и др. Ультразвуковая дефектометрия металлов с применением голографических методов. Под ред. А.Х. Вопилкина. – М. Машиностроение, 2008. – 368 с.
3. Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications: R/D Tech Guideline. – Quebec: R/D Tech Inc., 2004. – 368 p.
4. Мелешко Н.В., Петров А.А., Шитиков В.С., Мезенцев Е.Д. Обнаружение и оценка размеров отражателей различного типа дефектоскопами с фазированными антенными решетками.// Вестник МЭИ. – №2. - 2012. - С. 91-94.
5. Коновалов Н.Н., Мелешко Н.В. «Измерение фактической высоты непроваров в односторонних стыковых сварных соединениях с помощью ультразвуковых дефектоскопов с антенными решетками».// В мире НК. – №1(59). - 2013. - С. 45-47.
6. Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. Сканирование в ультразвуковой томографии. – В мире НК, 2010, №3(49), с.7-10.
7. Воронков В.А., Воронков И.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. О применимости технологии антенных решеток в решении задач УЗК опасных производственных объектах. – В мире НК, 2011, №1(51), с.64-70.
8. Коновалов Н.Н., Мелешко Н.В. Визуализация дефектов сварных соединений при ультразвуковом контроле фазированными антенными решетками.// MEGATECH Новые технологии в промышленной диагностике и безопасности. - №2-3. – 2011. - С. 24‑28.