Довольно часто возникают задачи контроля сварных соединений, конфигу­рация которых отличается от рассмотрен­ных ранее. Ниже приведены примеры применения ультразвука для решения по­добных задач.

Контроль сварных соединений ар­матуры железобетонных конструкции.

Наиболее прогрессивным из существую­
щих способов сварки монтажных стыков арматурных конструкций (стержней) яв­ляется ванная сварка в инверторных (разъ­емных) формах. При УЗ-контроле данных соединений основную трудность состав­ляют ввод УЗ-волн в контролируемое со­единение и селекция эхосигналов от де­фектов и неровностей периодического профиля, амплитуды которых соизмери­мы. Оптимальным является применение теневого метода контроля с использовани­ем наклонных преобразователей, при ко­тором один преобразователь выполняет функцию излучателя И, а второй - прием­ника П (рис. 5.61) [7]. О наличии и разме­рах дефекта при такой схеме контроля судят по уменьшению амплитуды А сквозного сигнала на дефектном соедине­нии по сравнению с импульсом Ао от со­единения хорошего качества. Как показа­но в разд. 2.3.1, величина ослабления сиг­нала А/Ао пропорциональна площади дефекта б'д.

Используют наклонные преобразова­тели с параметрами/= 2,5 МГц и а = 53°, предварительно притертые по поверхно­сти стержня для контроля соединений с диаметром стержней 20 ... 25 мм. Преоб­разователи устанавливают в механическое устройство, где они крепятся через фикси­рующие отверстия. Оценка допустимости дефектов в сварных стыках арматуры по результатам ультразвукового контроля производится только по стандартным об­разцам предприятия. В зависимости от типа применяемого дефектоскопа могут использоваться СОП с искусственными дефектами или без них. В первом случае

Рис. 5.62. Схема контроля стыков сплющенных труб (а) и испытательный образец (б) для установления рабочего участка развертки

для каждого типоразмера стыкуемых стержней подбирают искусственный де­фект, который дает такой же сквозной сигнал на экране дефектоскопа, что и ре­альный дефект. На стержни и образец в местах установки преобразователей непо­средственно перед контролем наносят гус­той контактный смазочный материал (со­лидол), который должен полностью за­полнить впадины периодического профи­ля арматуры. Достоверность ультразвуко­вого метода в сравнении с выборочными разрушающими испытаниями составляет 85 ... 90%.

Контроль сварных узлов структур­ных строительных покрытий. В на­стоящее время при сооружении больше­пролетных строительных покрытий (спор­тивные сооружения, автосалоны и др.) применяют сопряженные трубчатые эле­менты со сплющенными концами труб. В зависимости от ширины пролетов и типа сооружаемых конструкций число прива­риваемых труб может быть от 3 до 8. При этом толщина стенок сопрягаемых сплю­щенных концов труб составляет 4 ... 12 мм.

Одной из основных трудностей при УЗ-контроле этих конструкций является ограниченный доступ к зоне шва и невоз­можность пальпирования места отражения ультразвукового луча на сварном соеди­нении [7]. Это затрудняет расшифровку эхосигналов на экране дефектоскопа. Кроме того, в ряде случаев форма шва может быть такой, что помеха будет пре­восходить полезный сигнал.

Конструктивные особенности узлов не позволяют проводить контроль всего сечения шва прямым и однократно отра­женным лучами. Поэтому контроль ниж­ней части шва данного элемента осущест­вляют двукратно отраженным лучом, а верхней части - однократно отраженным лучом (рис. 5.62, а). Оптимальная частота контроля равна 5 МГц, а угол ввода пре­образователей составляет 70 и 75°.

Методика контроля этих соединений имеет следующие особенности. По СОП (рис. 5.62, б), в котором выполнены заруб­ки с двух сторон, устанавливают зону пе­ремещения преобразователя и соответст­вующий участок линии развертки, кото­рый отмечается на экране дефектоскопа. Преобразователь помещают на контроли­руемое соединение, находят сигнал от технологического кольца и убеждаются в правильности определения зоны контроля. Для обеспечения прозвучивания всего сечения стыкуемого кольца трубы кон­троль необходимо проводить с обеих плоскостей сплющенного конца (рис. 5.62, а). В первую очередь следует контролиро­вать основные несущие элементы конст­рукции. Настройку чувствительности де­фектоскопа можно выполнять по зарубкам или по СО-1. При настройке по СО-1 ус­ловная чувствительность должна быть 15 мм. Оценка качества сварного соедине­ния производится по двухбалльной систе­ме: годен, не годен.

Контроль приварки заглушек к клапанам. В современных двигателях применяют полые клапаны 1 с отводом тепла от верхней части клапана парами разогретого натрия. Сверху полость за­крывается привариваемой заглушкой 2, после чего плоскость тарелки клапана шлифуется (рис. 5.63). Была поставлена задача контроля глубины оставшегося после шлифовки провара /ц, которая должна быть не меньше 0,6 мм.

В. И. Рыжовым-Никоновым (ЦНИ - ИТмаш) была разработана иммерсионная установка для контроля глубины провара поверхностными волнами. Возбуждение этой волны обеспечивалось выбором угла наклона преобразователя 3. Частота / = 5 МГц обеспечивала контроль слоя глубиной ht = X, = cjf = 3/5 = 0,6 мм. Уменьшение глубины провара приводит к возникновению эхосигнала.

Контроль сварных кромок лопаток турбин. Штампованную заготовку толщи­ной 1,5 ... 2 мм стыкуют под углом 4 ... 5°, и кромки соединяются сваркой. Глуби­на проплавления должна быть 1,5 мм, но не менее 1,3 мм. А. И. Сафоновым и В. П. Савченко (Николаевский корабле­строительный институт) для решения этой задачи был разработан излучающий пре­образователь на частоту 5 МГц с концен­тратором из аустенитной стали длиной

6,5 мм с торцами диаметрами 6 мм (рав­ным диаметру пьезопластины) и 0,5 мм. Применяли теневой метод. В качестве приемника использовали обычный прямой преобразователь (рис. 5.64). Расхождение глубины провара, измеренной ультразву­ком, с фактической глубиной, измеренной на шлифах, не превосходило 0,3 мм.

Позднее авторы отметили, что сразу после концентратора происходит расши­рение пучка лучей [295]. Это не дает воз­можности выявлять одиночные дефекты. Для контроля рассматриваемых соедине­ний разработана иммерсионная установка. Контроль выполнялся эхометодом фоку­сирующим преобразователем. При частоте 5 МГц и расстоянии в иммерсионной жид­кости 30 мм диаметр фокального пятна не превосходил 2 мм, что позволяло обнару­живать дефекты размером 0,1 мм и более.

Контроль приварки труб к труб­ным решеткам. Сварное соединение труб с трубными решетками (досками) - широко распространенный и очень ответственный узел, применяемый в энергетике и хими-

Рис. 5.63. Контроль глубины проплавлення приварки заглушки к клапану

ческом машиностроении. Торец трубы сваривается с краем отверстия в решетке. Методика контроля разрабатывалась при­менительно к трубам из аустенитной стали диаметром 56 мм с толщиной стенки 4 мм.

В. А. Феоктистов и В. В. Гребенников (НИКИМТ) предложили контролировать глубину провара соединения изнутри трубы (рис. 5.65). Преобразователи имели частоты 2,5 или 5 МГц, угол призмы 56°. Применяли совмещенную или раздельную схемы включения. Возбуждалась нор­мальная волна, мода которой не определя­лась. Глубина расположения преобразова­теля относительно плоскости решетки точно фиксировалась.

От сварного соединения наблюдали два эхосигнала: от границы сплавления (он имелся даже при зачистке выпуклости) и от поверхности сварки. Глубину про­плавления измеряли по времени пробега первого эхосигнала. Погрешность измере­ния составляла 0,25 мм. Отмечены случаи

Рис. 5.64. Контроль глубины проплавления сварных кромок лопаток турбин

К приемнику К излучателю Рис. 5.65. Контроль глубины проплавления при приварке труб к трубиым решеткам: 1 - разъемы; 2 - направляющие; 3 - втулка; 4 - трубная решетка; 5 - иммерсионная ванна; 6 - центрирующие приспособления; 7 - труба; 8 - преобразователь

обнаружения трещин (размером не менее 1 мм) и крупных пор в сварном соедине­нии.

УЗ-контроль сварных соединений труб с трубными решетками на дефекты различного вида прорабатывался М. Ф. Кра­ковяком и И. Л. Гребенник в ЦНИИТмаш.

Оптимальной оказалась схема кон­троля изнутри трубы РС-преобразователем

Рис. 5.66. Дефектоскопия сварных швов приварки труб к трубным решеткам: I - сварной шов; 2 - дефект; 3 - призмы; 4 - приемник; 5 - излучатель

иммерсионным способом (рис. 5.66). Кон­тролю очень мешает неправильная форма трубы, возникающая после опрессовки взрывом.

Контроль сварных швов тепловы­деляющих элементов (твэл). Тепловыде­ляющий элемент - очень ответственный элемент атомных энергетических устано­вок. Он имеет вид тонкостенной (0,6 мм) трубы из циркониевого сплава диаметром около 10 мм, в которой находится распа­дающееся радиоактивное вещество. К концам трубы приваривают концевые элементы - заглушки (пробки, концевые детали). Задача заключается в контроле этих швов.

Методика контроля электронно­лучевой сварки твэл разработана В. Т. Пронякиным и др. Контроль выпол­няют эхометодом в иммерсионном вари­анте (рис. 5.67, а) на автоматической уста­новке, которая обеспечивает вращение трубы [271]. Применяют фокусирующий преобразователь на частоты 2,5 и 5 МГц диаметром 12 мм с углом падения около 30°. Лучшие результаты получены с пье­зопластиной в форме полусферы. Фокаль­ную точку располагают на внутренней поверхности трубы; точку ввода - на рас­стоянии 2 мм от сварного шва. Настройку выполняли по образцу с непроваром глу­биной 150 мкм. При контроле обнаружи­вались непровары глубиной 150 + 50 мкм и поры размером более 350 мкм.

УЗ-метод лучше, чем радиография, выявляет непровары с раскрытием от 5 до 150 мкм. Радиография лучше выявляет дефекты типа пор. Для повышения чувст­вительности к порам предложена схема УЗ-контроля в имерсионном варианте, в которой сфокусированные лучи направ­ляются непосредственно на шов (он имеет гладкую поверхность) под углом 30° к нормали (рис. 5.67, а). Кроме того, изме­няются направления прозвучивания: пре­образователь поворачивают вокруг норма­ли. Контролю мешают неровности по­верхности изделия.

а)

Рис. 5.67. Дефектоскопия сварных швов
электронно-лучевой сварки приварки заглушек к трубе:

а - контроль на непровары; б - контроль на поры зеркально-теневым методом; 1 - труба;
2 - заглушка; 3 - сварной шов; 4 - фокусирующий преобразователь; 5 - пора

Другой вариант контроля, повы­шающий чувствительности к порам, - зер­кально-теневым методом с отражением от внутренней поверхности (рис. 5.67, б). Зона перемещения преобразователя - 2 мм. Ослабление донного сигнала вызы­вают не только дефекты, но также затуха­ние в литом металле сварного шва и пре­ломление на границе сплавления [270].

В настоящее время сварку труб с концевыми элементами выполняют также контактным методом, так как при этом виде сварки в швах значительно реже встречаются дефекты типа непроваров, трещин и газовых пор, чем при электрон­но-лучевой сварке. Сварные соединения обладают более высокой коррозионной стойкостью. Процесс автоматической кон­тактной сварки более экономичен. На рис. 5.68 показаны конструкция сварного соединения и способ контроля в иммер­сионной ванне [272].

Проводилось исследование сварных соединений методом акустической микро­скопии на частотах 25 ... 50 МГц. Уста­новлено, что граница шва при нормальном режиме сварки не имеет резко выражен­ных структурных неоднородностей и от­ражения ультразвука от нее не наблюдает­ся даже на частоте 50 МГц.

Наиболее часто встречающийся де­фект - непровар с раскрытием менее

1 мкм. Эксперименты показали, что на частоте 50 МГц регистрировалось отраже­ние от зазора толщиной приблизительно 0,4 мкм. Сведений о выявляемое™ реаль­ных дефектов в работе не приводится. Контроль, по-видимому, проводился с помощью акустического микроскопа.

Контроль сварных соединений с ограниченным доступом. Встречаются сварные соединения с ограниченным про­странством основного металла около шва, на котором обычно размещают наклонный преобразователь. Примером такого соеди­нения служит стыковое соединение свар-

1 2 3 4 5 Рис. 5.68. Схема контроля сварного шва приварки заглушки к трубе: 1 - труба; 2 - урановое топливо; 3 ~ грат; 4 - сварной шов; 5 - заглушка; 6 - преобразователь; L - ширина зоны шва

б)

Рис. 5.69. Контроль сварных соединений роторов с ограниченным доступом к корню шва

ного ротора (рис. 5.69, а), где зону пере­мещения наклонного преобразователя ог­раничивает плоскость диска. Наиболее трудно контролируемая часть - корень шва, где могут образовываться трещины. Эту область шва контролируют преобра­зователями с минимальным углом ввода поперечных волн 37°.

Как отмечено в разд. 3.2.2, при этом угле амплитуда эхосигнала от углового отражателя достигает максимального зна­чения уже при небольшой глубине дефек­та (2 ... 2,5 мм) и не увеличивается при дальнейшем увеличении глубины (рис. 5.69, б, кривая 1). Причины этого пояс­няются в разд. 2.2.2.3. Для оценки допус­тимости трещин было необходимо изме­рять их глубину (4,5 мм и более).

Для расширения диапазона измеряе­мых глубин О. Н. Щербаков и В. Н. Ворон­ков (ЦНИИТмаш) применили два наклон­ных преобразователя (рис. 5.69, в), вклю­ченных по схеме тандем, но расположен­ных на постоянном расстоянии друг от друга (спаренные преобразователи, схема корневой тандем). Такая схема обеспечила возможность измерения по амплитуде эхосигнала глубины трещин до 5 мм (рис. 5.69, б, кривая 2).

Была проанализирована возможность контроля таких сварных соединений с других поверхностей изделия. В рассмот­ренном примере оказалось возможным применение схемы контроля через сосед­ние диски ротора (луч L). Путь ультразву­ка при этом значительно больше, чем в схеме, показанной на рисунке, но условия отражения от дефекта благоприятные.

Сходная ситуация складывается при приварке коллекторов к парогенераторам атомных станций типа ВВЭР-1000 (рис. 5.70). Сварной шов имел толщину 72 мм. Зону перемещения наклонного преобразователя (93 мм) ограничивает конструкция коллектора [427, докл. С15]. При этом требовалось измерить рост тре­щин глубиной 2... 15 мм. Для решения

Рис. 5.70. Контроль сварных соединений коллектора с парогенератором с ограниченным доступом к корню шва

4гЬ

6)

Рис. 5.71. Контроль приварки замка к бурильной трубе:

а - бездефектное соединение; б - соединение с дефектом в шве или зоне термического
влияния; 1 - зондирующий импульс; 2 - строб-импульс; 3 - импульсы от паза; 4 - импульсы
от возможных дефектов; 5 - импульс от плеча замка

задачи также были использованы схема контроля корневой тандем и способ кон­троля наклонным преобразователем с по­верхности скоса.

При разработке в ЦНИИТмаше мето­дики контроля сварных соединений буро­вых долот пришлось размещать наклон­ный PC-преобразователь непосредственно на валике шва, тем не менее ультразвуко­вой контроль существенно повысил каче­ство сварки.

Контроль соединения бурильных труб. К трубам диаметром 60,3 мм приваривают соединительный резьбовой замок. Контроль этого сварного шва вы­полняют преобразователем с углом призмы 55°, расположенным на расстоянии 180 ... 200 мм от шва (рис. 5.71). О способе контроля упоминалось ранее для случая выполнения сварки трением, тот же способ используется для контроля других типов стыковой сварки [122]. Чувстви­тельность, скорость развертки и положе­ние строб-импульса настраивают по об­разцу в виде отрезка трубы с приваренным замком, в котором выполнены пропилы глубиной 1; 2 и 3 мм и длиной до 20 мм. Пропилы делают в зонах термического влияния и на самом шве, их сдвигают от­носительно друг друга на угол 90° по окружности трубы. Качество акустическо­го контакта проверяют по отражениям от пазов и плеча замка.

Сварные соединения секторных отводов. Особенностью контроля сектор­ных отводов является неперпендикуляр - ность оси шва образующей трубы (рис. 5.72). При контроле сварных соеди­нений отводов диаметром равным или более 160 мм для прозвучивания всей толщины сварного шва следует переме­щать преобразователь перпендикулярно оси шва (рис. 5.72, а). Контролируя соеди­нения секторных отводов меньших диа­метров, следует перемещать преобразова­тель параллельно образующей трубы (рис. 5.72, б). Во избежание ложной бра­ковки необходимо учитывать признаки смешения кромок и превышение проплава по разд. 5.1.2.1.

Контроль первого слоя соединения.

В V-образных многослойных соединениях наиболее вероятно возникновение дефек­тов в первом (корневом) слое. Целесооб­разно проводить его контроль и ремонт перед нанесением других валиков шва.

А. З. Райхман и др. разработали методику такого контроля для швов толщиной 17 ... 35 мм. Рекомендуется применять преобра­зователи с углом ввода 55 ... 65° на часто­ту 5 МГц и возможно более точно срав­нивать время пробега импульса до воз­можного дефекта и до разделки несварен - ного шва.

Сварка рельсов [226]. Сварные со­единения рельсов выполняются электро-

Рис. 5.72. Контроль сварных соединений секторных отводов диаметром: а - свыше 160 мм; б - до 160 мм

контактным и (реже) термитным способа­ми. Электроконтактная сварка выполняет­ся методом оплавления при изотовлении новых плетей и при ремонте эксплуати­руемых (старогодных) рельсовых плетей в бесстыковом пути. Плети имеют длину до 800 м и даже до 3000 м. Термит - это по­рошкообразная смесь, обычно алюминия с оксидами железа, интенсивно сгорающая при воспламенении с выделением большо­го количества тепла. При термитной сварке зазор между рельсами, предвари­тельно нагретыми до 400 ... 700 °С, запол­няется расплавом, полученным при сгора­нии термита. Кроме того, осуществляется восстановление изношенных рельсов электродуговой наплавкой.

При электроконтактной сварке воз­никают дефекты, отмеченные в разд. 5.1.4. Наиболее опасный дефект - трещины. По­перечные трещины возникают в головке, косые или продольные трещины - в шейке и в подошве. Очень опасны непровары, слипания, возникшие по всему сечению рельса. Другие дефекты: рыхлости (пере­жоги), пузыри (свищи), кратерные усадки, силикатные скопления. Причины возник­новения дефектов: плохая обработка по­верхности под сварку, нарушение техно-

Рнс. 5.73. Схема прозвучивания сварного стыка рельсов: перьев подошвы сверху и снизу (а), шейки сбоку (б), головки сверху и с боковых поверхностей (в), шейки и участка подошвы под шейкой с поверхности катания головки рельса (г)

логин сварки. После испытания более 500 дефектных стыков было установлено, что дефекты, расположенные в головке и шейке, меньше влияют на долговечность стыков, чем дефекты в подошве.

На рельсосварочных предприятиях (РСП) ультразвуковой контроль зоны сварки осуществляют контактным спосо­бом, эхометодом, наклонным преобразо­вателем с углом ввода 50° на частоте

2,5 МГц. Контроль стыка целесообразно производить при комнатной температуре, но не ниже +10° и не выше +60 °С. Про­верку и настройку дефектоскопа с преоб­разователем на заданные параметры и не­обходимую чувствительность выполняют на стандартных образцах СО-1 и СО-Р.

Контроль сварного стыка проводят в следующей последовательности (рис. 5.73): перья подошвы - сверху и снизу (а); шейку - сбоку (б), головку - сверху и с боковых поверхностей (в), шейку и участ­ки подошвы под шейкой - с поверхности катания головки рельса (г). Каждую зону рельса прозвучивают с двух сторон от сварного шва. Контроль переходного сты­ка (т. е. стыка между рельсами двух разных типоразмеров) в зоне подошвы осуществ­ляют, перемещая преобразователь по по­дошве рельса более легкого типа.

Шаг перемещения вдоль стыка не должен превышать 3 мм (что соответству­ет приблизительно 1/4 размера пьезоэлек­трической пластины), а скорость - 100 мм/с. Для контроля подошвы, шейки, головки сверху и сбоку в зоне сварного стыка преобразователем с а = 50° следует
установить длительность развертки де­фектоскопа, равной 100 мм глубины кон­троля. Не рекомендуется устанавливать длительность развертки, соответствую­щую высоте контролируемого рельса, так как при этом ухудшается вероятность вы­явления дефектов. Устанавливают дли­тельность стробирующего импульса на такую же глубину. Контроль шейки и уча­стка подошвы под шейкой с поверхности катания проводят в режиме по слоям или по-другому - в режиме "задержанной раз­вертки".

При контроле подошвы, головки и шейки рельса сбоку преобразователь пе­ремещают в зоне, ограниченной расстоя­ниями 25 и 100 мм от стыка. Для надежно­го выявления дефектов, расположенных по краям перьев подошвы, последние сле­дует прозвучивать под различными угла­ми, перемещая преобразователь по по­верхности пера подошвы рельса и повора­чивая его в пределах 0 ... 30°.

Сварной стык в подошве и шейке рельса прозвучивают многократно отра­женным лучом, благодаря чему обеспечи­вается выявление дефектов, расположен­ных у поверхности, по которой переме­щают преобразователь, т. е. исключается таким образом влияние мертвой зоны на выявляемость дефектов в приповерхност­ном слое. Сварной стык в головке рельса прозвучивается только прямым лучом.

Для повышения надежности обнару­жения дефектов, расположенных в голов­ке под поверхностью катания, при контро­ле головки сбоку перемещают преобразо-

Рнс. 5.75. Возможный зеркальный способ озвучивания головки рельса с целью обнаружения поперечной трещины в заданной зоне

ватель, поворачивая его в сторону поверх­ности катания под углом 0 ... 20°.

Контроль зоны сварного стыка в пути практически выполняют по той же мето­дике, что и на РСП. При этом, естествен­но, доступ к рельсу со стороны подошвы исключен, поэтому, учитывая, что наибо­лее сильно на долговечность стыков влияют дефекты в подошве, наиболее тщательно необходимо контролировать зону подошвы со стороны перьев подош­вы и с поверхности катания рельса. Изме­рение условных размеров обнаруженных дефектов весьма трудоемко, поэтому ог­раничиваются определением координат выявленного дефекта и минимальной ус­ловной чувствительностью, при которой дефект еще обнаруживается.

Плоскостные вертикально ориенти­рованные дефекты в сварных швах как на

Рис. 5.76. Контроль сварного стыка пера подошвы с помощью наклонного (притертого к выкружке) ПЭП

РСП, так и в пути более эффективно мож­но обнаруживать с помощью двух преоб­разователей, озвучивающих контролируе­мое сечение эхозеркальным методом с помощью тандема из двух ПЭП (рис. 5.74). В зависимости от глубины за­легания озвучиваемой зоны расстояние В между преобразователями должно изме­няться. При поиске дефекта только в оп­ределенной зоне два преобразователя мо­гут быть установлены в систему с жестко заданным базовым расстоянием В’, при­чем преобразователи, образующие тандем, могут располагаться на разных поверхно­стях рельса (рис. 5.75).

Для обнаружения поперечных тре­щин в перьях подошвы рельса, в том числе и в сварных стыках, предложено устанав­ливать наклонный преобразователь на выкружку шейки и подошвы рельса со стороны, противоположной зоне контро­лируемого пера подошвы (рис. 5.76). Не­смотря на свою эффективность, рассмот­ренные выше два способа контроля свар­ных стыков рельсов из-за трудностей в реализации пока не находят широкого применения.

Контроль рельсов, сваренных терми­том, выполняют прямым РС-преобра - зователем по поверхности катания; на­клонным преобразователем с углом ввода 70° (контроль перьев подошвы, а также головки с поверхности катания и с боко­вых поверхностей рельса); наклонным преобразователем с углом ввода 45° (кон­троль головки, шейки и участка подошвы рельса под шейкой с поверхности катания головки рельса) [427, докл. С22].

Для выявления дефектов в соедине­нии металла термитного шва с металлом рельса выполняют контроль методом тан­дем двумя наклонными преобразователя­ми с углом ввода 45° с поверхности ката­ния головки рельса, шейки и на участке подошвы рельса под шейкой, а также дву­мя наклонными преобразователями с уг­лом ввода 70° с боковых граней головки.

Прозвучивание каждого стыка вы­полняется с двух сторон. После образова-

ния на поверхности катания головки рель­са накатанного слоя (исчезновения ребри­стости шлифовки) повторяют контроль с поверхности катания головки рельса.