Метод основан на использовании ди­фракции на дефекте 3 (рис. 2.79, а) попе­речной волны от преобразователя 1 с трансформацией в продольную и приемом ее преобразователем 2. Принимают как продольную волну, возникшую непосред­ственно в результате дифракции на дефек­те, так и волну, отраженную от дна ОК. Возможен обратный вариант: излучение продольной волны преобразователем 2 с трансформацией ее в поперечную на де­фекте и приемом преобразователем 1. На рис. 2.79, а показан основной вариант.

Метод обычно применяют при кон­троле сварных соединений с удаленным верхним валиком. Приемник 2 перемеща­ют вдоль сварного шва по его поверхно­сти, а излучатель 1 осуществляет попереч­но-продольное сканирование околошов - ной зоны.

Варианты этого метода предполагают возможность перемены функций излуча­теля и приемника (как отмечалось выше), перемещения приемника 2 поперек свар­ного шва, использования однократно или многократно отраженных волн (рис. 2.79, б), изменения типов излучаемых и прини­маемых волн.

Контроль выполняют импульсным дефектоскопом, включенным по раздель­ной схеме. Стробированием выделяют довольно узкий участок развертки, соот­ветствующий изменению времени пробега импульса при перемещении излучателя. На рис. 2.80, б показан вариант устройст­ва для реализации дельта-метода [350]. Изображен контроль без удаления валика шва. Кронштейн 3 с прямым преобразова­телем 4 соединяется с призмой наклонно­го преобразователя 1 шарниром 6, что позволяет изменять взаимное положение преобразователей в зависимости от высо­ты валика. Поворот кронштейна ограни­чен, для чего предусмотрен ограничитель 2. Прямой преобразователь прижимают к ОК магнитным кольцом 5. Отверстия под ось шарнира в кронштейне позволяют из-

Рис. 2.79. Контроль дельта-методом

менять расстояние между излучателем и приемником для последовательного озву­чивания сварного шва по слоям.

Довольно сложная схема сканирова­ния (разные траектории перемещения из­лучателя и приемника), желательность удаления верхнего валика ограничивают область применения метода. Его исполь­зуют при автоматическом контроле срав­нительно тонких (до 20 мм) сварных со­единений.

При контроле более толстых сварных швов метод оказался весьма чувствитель­ным к обнаружению вертикальных пло­скостных и некритичным к ориентации дефектов. В. Г. Щербинский [350] иссле­довал выявляемость реальных несплавле - ний высотой 2 и 11 мм. При использова­нии обычного эхометода изменение угла падения от 0 до 15° вызывало уменьшение амплитуд соответственно на 12 и 20 дБ. При использовании дельта-метода изме­нение амплитуды составило 6 и 10 дБ при отражении вверх дифрагированной про­дольной волны. При использовании пере- отраженной от дна продольной волны из­менение амплитуды составило 3 и 9 дБ.

Рис. 2.80. Устройство для контроля дельта­методом

Использование дельта-метода для опреде­ления формы дефектов будет рассмотрено в разд. 3.2.7.2.

2.2.5.2. Дифракционно­временной метод

Принцип метода. Как отмечалось в разд. 2.1.2, дифракционно-временной ме­тод (ДВМ) реализуется с использованием пары преобразователей, расположенных по разные стороны от дефекта (рис. 2.81, а). Пучок УЗ-лучей, излученных одним преобразователем, взаимодействует с по­верхностью дефекта и принимается дру­гим преобразователем. В дальнейшем рас­сматривается и комментируется британ­ский стандарт [366] по ДВМ контроля, в последующем именуемый БС.

Волны, возникшие на краях дефекта в результате дифракции, складываются с обычными отраженными волнами и рас­пространяются в пределах широкого пуч­ка лучей. Могут излучаться и приниматься как продольные, так и поперечные волны. Практическое применение, однако, полу­чил вариант, при котором излучаются и принимаются продольные волны, по­скольку они первыми приходят на прием­ник, и по этому признаку их легко отли­чить от поперечных волн. Основная об­ласть применения ДВМ - контроль свар­ных соединений.

Дифракция очень хорошо подходит для обнаружения дефектов, так как сигна­
лы могут быть зафиксированы от концов дефектов различной ориентации с исполь­зованием только одной пары преобразова­телей. Этот эффект также позволяет изме­рять размеры и форму дефектов (см. разд.

3.2.7.5) , поскольку пространственное (или временное) расстояние между сигналами волн, дифрагированных на разных краях дефекта, прямо связано с высотой дефек­та, а амплитуда дифрагированных волн зависит от конфигурации дефекта.

На рис. 2.82 показана типичная А - развертка при использовании ДВМ. Энер­гия от нижнего конца или крайней точки дефекта (Диф) приходит на приемник позже, чем от верхнего конца, и дополни­тельное время пробега характеризует вы­соту дефекта. Кроме того, обычно присут­ствуют еще два импульса: L - вызванный головной волной, бегущей вдоль поверх­ности объекта контроля, и S соответствующий отражению от противоположной поверхности объекта - донный сигнал. Если дефект выходит на верхнюю поверхность, то головная волна исчезает или ослабляется.

Главная информационная характери­стика при использовании метода - время прихода сигнала. Амплитуды эхосигналов существенны в связи с выделением им­пульсов от дефектов на фоне структурных помех, когда относительные амплитуды эхосигналов от верхнего и нижнего кон­цов дефекта могут дать важную информа­цию о характере дефекта и когда амплиту-

при выявлении внутреннего дефекта ДВМ:

L - головная волна; Диф - дифрагированные

волны от дефекта; S- донный сигнал

ды эхосигналов от искусственных дефек­тов нужны для подтверждения, что на­стройка чувствительности не изменилась при переходе от одного измерения к дру­гому.

Амплитуда дифрагированных сигна­лов, возникающих от краев дефектов, за­висит от различных факторов; формы са­мих дефектов и их кончиков; ориентации дефектов по отношению к преобразовате­лям; сил сжатия поверхностей дефекта. Амплитуда дифрагированных сигналов довольно мала, однако она на порядок больше амплитуд дифрагированных сиг­налов, возникающих от кончиков дефек­тов, при контроле по совмещенной схеме [135].

Выбор схемы контроля. Схема кон­троля объекта с плоской поверхностью ввода показана рис. 2.81, а. Такая же схе­ма применяется при контроле поперечных сварных швов труб и сосудов. Для про­дольных швов объектов с криволинейны­ми поверхностями выбор геометрической схемы контроля иной (см. рис. 2.81, б и в), но с использованием однотипного основ­ного подхода. Заметим, что эффективная (проходимая УЗ) и действительная тол­щины объекта при криволинейных по­верхностях различны (эти понятия под­робно будут рассмотрены в разд. 5.1.2.4). На объектах с выпуклой поверхностью УЗ-лучи распространяются по хорде, вследствие этого головная волна, бегущая по поверхности, может прибыть позже,

удлинив мертвую зону. С помощью ДВМ могут быть проверены даже довольно сложные конструкции без каких либо спе­цифических изменений, как, например, угловые и тавровые соединения (рис. 2.81, г).

БС рекомендует два способа скани­рования и представления результатов при контроле ДВМ; поиск и определение раз­меров дефектов с помощью /2-развертки (рис. 2.83, а) и определение размеров де­фектов с помощью Д-развертки (рис. 2.83, б).

Время пробега эхосигналов. Время t, необходимое, чтобы УЗ-энергия от из­лучателя провзаимодействовала с кончи­ком дефекта в точке D и поступила на приемный преобразователь, определяется по рис. 2.84. Оно вычисляется из выраже­ния

ct = [d2 + (S - xf]l/2+ [сі2 + (5 + Xf}l2,

(2.28)

где с - скорость УЗ; d - глубина залегания точки D под поверхностью ввода; X — сдвиг точки, на которой происходит ди­фракция, от центральной плоскости между преобразователями. Значение t минималь­но, когда X = 0. В этом простом случае выражение (2.28) приобретает вид

ct = lid2 + S2J12.

Из уравнения (2.28) можно найти со­отношение между X и вычисленной глу­биной дефекта d. Оно имеет вид

d2 = (с2/2 - S2)[o,25-(X/c/)2].

(2.30)

Максимально возможная глубина достигается, если принять Х= 0. При этом уравнение (2.28) превращается в уравне­ние (2.29). Например, если предположить, что X не превосходит значения 0,2с?, то можно определить максимально и мини­мально возможные глубины d, mx и dmm для любого возможного времени задержки:

<4Х= 0,25cV - S2; (2.31)

dL = 0,84(о,25с2/2 - Д2)= 0,84^ .

(2.32)

Часто начинают отсчет от сигнала, соответствующего головной волне, т. е. глубина d рассчитывается исходя из раз­ницы /д времени прихода сигнала, соот­ветствующего головной волне, и времени прихода эхосигнала, отвечающего дифра­гированному импульсу. В этом случае

d = ~[lc2 +4/0cs]1/2. (2.33)

Оборудование состоит из дефекто­скопа с наклонными преобразователями и сканирующего устройства, обеспечиваю­щего перемещение пары преобразователей в двух перпендикулярных направлениях (например, вдоль сварного шва для полу­чения О-развертки и поперек шва для по­лучения S-развертки). Перемещение пре­образователей сканирующим устройством должно быть синхронизировано с разверт­кой на экране дефектоскопа. Обычные дефектоскопы, как правило, не использу­ют для этого метода контроля, но приме­нение их для исследования дефектов, в принципе, возможно с наблюдением изо­бражений типа /)-разверток.

Одно из наиболее существенных тре­бований к аппаратуре - высокая лучевая разрешающая способность. Желательно, чтобы зондирующий импульс имел коло­колообразную форму с высокочастотным заполнением. Ширина импульса была бы < 3/4/. (обычно 1 ... 2 мкс). Приемник дол­жен быть широкополосным, чтобы усиливать такой импульс без искажений. Поскольку получаемые сигналы при рабо­те с ДВМ обычно очень слабы, то хорошо иметь более высокое, чем нормальное, усиление с большим отношением сиг - нал/помеха.

Чаще всего для контроля применяют преобразователи с центральной частотой 2 ... 10 МГц и диаметром 6 ... 20 мм. Пре­образователь должен быть широкополос­ным для получения коротких импульсов. Подбор оптимального преобразователя рекомендуется начинать с использования широкополосного преобразователя на час­тоту 5 МГц с размером пьезоэлемента 12 мм. Целесообразно проводить контроль в дальней зоне.

Если ставится задача максимально охватить всю толщину ОК, то фокальная точка (точка пересечения акустических осей преобразователей) должна распола­гаться в слое на 2/3 толщины объекта, а преобразователи иметь углы ввода между 45 и 60°. Большие углы ввода преобразо-

Рнс. 2.84. Измерение глубины
расположения точки D парой
преобразователей по схеме ДВМ

вателя увеличивают интенсивность голов­ной волны, делая более трудным распо­знавание дефектов, близких к поверхности ввода. Ширина пучка лучей преобразова­теля должна быть выбрана такой, чтобы озвучить все сечение сварного соедине­ния. Благодаря преломлению лучей на поверхности призма - ОК и применению продольных волн, как правило, нетрудно достигнуть большого раскрытия пучка лучей.

Выбор раздвижки преобразовате­лей. Расстояние между преобразователями будем называть раздвижкой преобразова­телей (2S на рис. 2.84). Оптимальная раз­движка преобразователей для озвучивания большой площади сечения ОК - это боль­шая раздвижка. Оптимальная раздвижка преобразователей с целью повышения разрешения и точности измерения - это небольшая раздвижка.

Рекомендуется раздвижку устанавли­вать так, чтобы фокус (точка пересечения осей преобразователей) находился на 2/3 толщины объекта при угле встречи 110°. Тонкостенные изделия с большим отно­шением ширины разделки сварного шва к толщине материала требуют применения более широкой раздвижки преобразовате­лей. Если одна настройка раздвижки пре­образователей недостаточна для контроля всей толщины изделия, то может потребо­ваться повторное сканирование с другой раздвижкой.

Разрешающая способность прямо за­висит от выбора раздвижки преобразова­телей. Возможность разрешения дефектов,

близких к поверхности ввода, улучшается, если преобразователи размещены ближе друг к другу. Возможность разрешения дефектов, близких к донной поверхности, улучшается, если они находятся недалеко от точки пересечения акустических осей преобразователей. Для других дефектов разрешающая способность может повы­шаться при увеличении раздвижки преоб­разователей.

Выбор и настройка чувствительно­сти. Рекомендуются четыре способа на­стройки и проверки чувствительности;

по образцам с характерными естест­венными дефектами;

по сигналам, дифрагированным на щели;

по сигналам, отраженным от боковых отверстий;

по уровню структурных помех.

Настройка по образцу с характерны­ми дефектами позволяет убедиться в эф­фективности ДВМ. Настройка с использо­ванием сигналов, дифрагированных на щелях и пропилах, - удобный способ на­стройки на требуемую чувствительность. Искусственные дефекты в виде щелей и V-образных пропилов (рис. 2.85) выпол­няются электроэрозионным или механиче­ским способом. Для щелей рекомендуется, чтобы их максимальная ширина не пре­вышала 1/4 длины УЗ-волны. Образцы должны быть изготовлены такой же тол­щины, как контролируемое изделие, и из

подобного материала.

Для настройки чувствительности па­ру преобразователей располагают симмет­рично по сторонам от щели так, чтобы дифрагированный сигнал получался от кончика щели, а щель должна выходить на поверхность ввода, а не на донную по­верхность. В последнем случае исполь­зуемый сигнал будет содержать нежела­тельную отраженную компоненту, которая прибавляется к дифрагированному сигна­лу. Чувствительность следует настроить так, чтобы дифрагированный недетекти - рованный сигнал от щели имел полную амплитуду, соответствующую ~80 % вы­соты экрана.

Настройка чувствительности по бо­ковому отверстию использует максималь­ный сигнал от стандартных отражателей с помощью пары преобразователей по схе­ме ДВМ. Боковые отверстия в основном дают сигналы большей амплитуды, чем дифракция на краях дефектов, поэтому после калибровки по боковым отверстиям требуется увеличить усиление обычно на 15 ... 30 дБ для достижения чувствитель­ности, необходимой для регистрации де­фектов при сканировании.

Установка усиления по структурным помехам сводится к следующему:

расположить пару преобразователей на боковой поверхности калибровочного блока с раздвижкой преобразователей, установленной для последующего контроля;

зарегистрировать головную волну и продольную волну, соответствующую отражению от донной поверхности;

настроить усиление так, чтобы рас­сеяние на зернах наблюдалось на экране;

обеспечить, чтобы амплитуда при­борных помех была не менее чем на 6 дБ ниже амплитуды структурных помех.

Приложение к БС излагает специ­альные методики, основанные на ДВМ.

Использование дважды отраженно­го эхосигнала. Там, где возникают про­блемы в анализе или измерении характе­ристик дефектов, близких к поверхности ввода, может помочь наблюдение за де­фектами при отражении от донной по­верхности. Это дает такой же эффект, как если бы дефекты были глубже в иссле­дуемом образце, отсюда улучшается раз­решающая способность.

Использование эхосигналов транс­формированных волн. Когда продольная УЗ-волна, взаимодействуя с отражателем, или донный сигнал испытывают значи­тельную трансформацию из продольной в вертикально поляризованную поперечную волну, тогда появляются эхосигналы по­перечных волн, которые зависят от свойств образца. Эти эхосигналы могут обеспечить очень хорошее разрешение при выявлении мелких дефектов, когда один из преобразователей располагается очень близко к дефекту. При этом раз­движка преобразователей должна быть в

2,5 раза меньше толщины исследуемого образца.

Использование неосевого сканирова­ния. Обычно оборудование для сканиро­вания располагают так, чтобы дефекты находились близко к центральной плоско­сти между преобразователями, т. е. ось шва проходила посередине между преобразо­вателями. Такое сканирование называют осевым. Однако разница между временами прихода головной волны и эхосигналов от неглубоко залегающих дефектов увеличи­вается, если дефект расположен ближе к одному из преобразователей. Это следует из уравнения (2.28). Таким образом, раз­решение этих сигналов может быть улуч­шено, если использовать такое неосевое сканирование. Издержки - большая по­грешность измерений, обусловленная смещением позиции дефекта относитель­но преобразователей.

Отметим исследования по ДВМ, вы­полненные в России. В [101] исследованы амплитуды эхосигналов, полученных по схеме ДВМ для продольных и поперечных волн. Для измерения размеров дефектов в тонких изделиях (толщиной < 20 мм) ре­комендуется применять преобразователи продольных волн с углами ввода 60 ... 70°, а в толстостенных - поперечных волн с углами 37 ... 47°. Такая рекомендация объясняется тем, что при контроле тонких изделий (в том числе сварных соединений) целесообразно применение преобразова­телей с большими углами ввода, а при таких углах максимум отражения наблю­дается на продольных волнах.

В работе [71] выполнен теоретиче­ский расчет акустического тракта для ди­фракции на конце трещины, идущей от поверхности ввода. Экспериментальные измерения велись с помощью наклонных продольных волн и качественно совпадали с теоретическими данными. Установлено, что индикатриса рассеяния не зависит от угла озвучивания. Предложена следующая формула для расчета глубины трещины h: где у их — пути от излучателя и прием­ника до трещины по поверхности ввода; р - показания глубиномера дефектоскопа (пути в призмах исключены). При глубине трещины 22 мм погрешность измерения не превосходила - 0,2 ... +1,4 мм (имелся один выпад) при разных углах ввода и положениях преобразователей относи­тельно трещины.

В [71] для оценки размера по высоте большого дефекта, расположенного внут­ри тела, измеряют разницу времен пробега At для двух положений преобразователей:

Ах - В, и А2-В2. Размер дефекта по вы­соте определяют по формуле

h = cAt/(secax - seca2), (2.35)

где с - скорость продольных или попереч­ных волн. Если углы ввода преобразовате­лей <Х и а2 одинаковы, то

ft = 2cAfcosa. (2.36)

Прямые эксперименты показали, что на частоте 2,5 МГц погрешность измере­ния высоты трещин ±1,5 мм.

На международных конференциях по неразрушающему контролю о применении ДВМ сообщалось в очень многих докла­дах, посвященных контролю сварных со­единений и основного металла. Метод применяют при контроле швов толщиной 6 ... 300 мм [422, с. 1210], причем при контроле небольших толщин используют повышенные частоты: 4 или 5 МГц.

В [422, с. 2979] специалисты Инсти­тута им. Фраунгофера (ФРГ) предлагают использовать горизонтально поляризован­ные поперечные (SH) волны, которые не трансформируются в продольные. В этом институте разработаны ЭМА-преобразова - тели, излучающие и принимающие такие волны, но стоят они довольно дорого.

В [422, с. 766] рассматривают досто­верность контроля сварных соединений различными методами (рентген, гамма-, ручной и автоматизированный УЗ). Для сварных швов толщиной 6 ... 15 мм ана­лизировались 250 дефектов. Наиболее вы­сокая достоверность (1 минус ошибки контроля) - 72 % - получена ДВМ.

В [422, с. 1308] отмечается возмож­ность применения ДВМ для контроля Т-образных сварных швов, угловых швов приварки патрубков с толщиной стенки 28 ... 45 мм к корпусу. Неудобно приме­нять ДВМ для контроля нахлесточных соединений. Сварные соединения с К - образиой разделкой ДВМ может контро­лировать лишь опытный дефектоскопист.

В [422, с. 1760] исследована надеж­ность обнаружения дефектов в кольцевых сварных швах магистральных трубопро­водов. Сравнивалась надежность резуль­татов контроля радиационным, традици­онным УЗ и ДВМ при различных критери­ях приемки. Установлено, что дефекты высотой до 2 ... 3 мм лучше всего обна­руживаются радиационным методом и хуже всего ДВМ. Дефекты высотой до 4 мм и более надежнее всего обнаружива­ются ДВМ, хуже - радиационным мето­дом и совсем плохо традиционным УЗ - методом.

В [425, с. 521/461] ДВМ применен для контроля выпущенного в 1962 г. тур­бинного литья в процессе его эксплуата­ции. Контролировали возникновение тре­щин вблизи резьбовых гнезд под болты и шпильки. Использовали преобразователи на частоту 2 МГц с размером пьезоэле­мента 12 мм и углом ввода 45°. Усиление дефектоскопа увеличивали на 40 дБ по отношению к калибровочному образцу. Отмечены возможность довольно точного определения размеров трещин, слежения за их развитием, а также высокая досто­верность и повторяемость результатов. В числе недостатков названа трудность вы­полнения процедуры сканирования.

В [425, с. 518/634] говорится, что ДВМ обнаруживается 100 % дефектов, выявленных при радиационном и ручном УЗ-контроле с выравниванием чувстви­тельности по глубине, однако для этого чувствительность должна быть повышена на 16 дБ по сравнению с настройкой по калибровочному блоку, по-видимому бло­ку V-2. Однако длина дефекта завышалась в отдельных случаях в 4 раза. Например, длины, измеренные при радиографиче­ском контроле, были 40, 25 и 53 мм, а при контроле ДВМ 150, 60 и 200 мм соответ­ственно. За 4 года ДВМ проверено 30 ре­акторов с толщиной стенки до 280 мм.

Известны также доклады с критиче­скими замечаниями в отношении ДВМ. Особенно четко они сформулированы в докладах немецких ученых [422, с. 1236]. Отмечались следующие недостатки. Го­ловная волна мешает выявлению дифрак-

ционного сигнала от верхнего кончика трещины. На частоте 5 МГц хорошо демпфированными преобразователями удается раздельно фиксировать (разре­шать) дифракционные сигналы только при высоте дефекта > 5 мм. Разрешающая спо­собность ухудшается при отклонении ори­ентации дефекта от нормали к поверхно­сти ввода более чем на 10°. Не удается измерять паукообразные трещины. Отме­чается плохое отношение сигнал/помеха: в мелкозернистых материалах - порядка 9 ... 12 дБ, а аустенитные сварные швы совсем не удается контролировать. Рас­шифровке изображения при примене­нии метода мешает дифракция на объем­ных дефектах.

Приводятся результаты сопоставле­ния измерения высоты шести трещин в кольцевом сварном шве ДВМ, методом синтезированной апертуры (вариант аку­стической голографии) и по данным ме­таллографии. По ДВМ оценена высота трещин в 5 ... 10 мм. Действительная вы­сота трещин достигала 33 мм. Измерения методом фокусированной синтезирован­ной апертуры (SAFT) отличались от дан­ных металлографии не более чем на 5 мм, причем в сторону завышения высоты. Ме­тод акустической голографии имеет зна­чительно более высокую разрешающую
способность и повышенное отношение сигнал/помеха по сравнению с традицион­ным эхометодом, методом синтезирован­ной апертуры и, тем более, ДВМ. Он, од­нако, требует специальной аппаратуры, и его преимущества теряются при контроле тонких (< 10 мм) сварных соединений.