Вопросы подготовки объектов к кон­тролю рассмотрены в разд. 2.2.4.9, 3.1.3 и

3.3.1.2. Здесь изложены особенности под­готовки к контролю применительно к сварным соединениям и повторены неко­торые основные положения.

УЗ-контроль следует вести после внешнего осмотра соединения и контроля электромагнитными или капиллярными методами на поверхностные и подповерх­ностные дефекты, если такой контроль предусмотрен. Найденные дефекты обыч­но устраняют до УЗ-контроля. Подготовка к УЗ-контролю должна включать:

- выбор основных параметров кон­троля и параметров сканирования;

- настройку дефектоскопа на задан­ные параметры;

- подготовку поверхности ОК и на­несение контактирующего смазочного материала на поверхность ввода.

Основные параметры контроля выбирают исходя из типоразмеров соеди­нения, подлежащего контролю, в соответ­ствии с имеющейся нормативно-техни­ческой документацией (НТД) на контроль. В табл. 5.1 приведены рекомендуемые параметры наклонных преобразователей для контроля стыковых соединений, а в табл. 5.2 - параметры контроля прямых совмещенных или РС-преобразователей, которые применяют для контроля около­шовной зоны и при контроле наплавлен­ного металла при удалении валика шва.

Обоснуем выбор рекомендованных параметров. Частота УЗ-колебаний/долж­на быть такой, чтобы длина волны была меньше размеров дефектов, которые требуется обнаруживать. За размер дефек­та принимают диаметр плоскодонного отверстия d, соответствующего уровню фиксации. Отсюда следует требование

f>c/d. (5.1)

Обычно в сварных соединениях ма­лой толщины требуется обнаруживать дефекты меньшего размера, чем в более толстых. Из таблицы видно, что с умень­шением толщины и размера выявляемого дефекта частота повышаться.

Обоснование параметров при кон­троле тонких сварных соединений (тол­щиной Н < 10 мм, рис. 5.3) является наи­более трудной задачей. В этом случае применяют преобразователь с большим углом ввода, поскольку необходимо обес­печить надежное обнаружение дефектов в нижней части сварного шва (в частности, непроваров в корне сварного шва с V-образной разделкой) прямым лучом. При этом преобразователь не должен по­падать на валик шва. Такие дефекты ими­тируют искусственным отражателем типа зарубки. Допустимая глубина корневых непроваров обычно не более 0,15Н. Как отмечено в разд. 2.2.2.3, эхосигналы от зарубки и других угловых отражателей резко уменьшаются при их глубине мень­ше 1,5 длины поперечной волны. Отсюда следует дополнительное условие для вы­бора частоты

(5.2)

Наконец, при выборе рабочей часто­ты / необходимо обеспечить достаточно высокую лучевую разрешающую способ­ность, чтобы отличить сигналы от дефек­тов от недостаточного или повышенного проплавления корня. Для того чтобы при контроле тонких сварных соединений от­личить этот ложный сигнал и сигнал от дефекта, необходима лучевая разрешаю­щая способность не ниже HI4. Учитывая оценку лучевой разрешающей способно­сти, данную в разд. 2.2.4.7, получим усло­вие на выбор частоты

f>6cjH, (5.3)

Условие (5.2) наиболее жесткое. Из него следует, что для контроля сварных швов толщиной 2 мм необходима частота 13 Мгц, а для контроля швов толщиной 3,5 мм частота 7,4 МГц. В табл. 5.1 реко­мендованы более низкие значения частот исходя из практики контроля.

Угол наклона призмы преобразовате­ля р и размер пьезоэлемента 2а выбирают из двух условий. Первое из них состоит в том, чтобы корневая часть шва (будем считать, что это слой толщиной Я/3 вбли­зи корня) контролировалась прямым лу­чом. При этом передняя часть призмы не должна "налезать" на верхний валик свар­ного шва. Ширину валика примем равной толщине шва. Отсюда следует условие

т + g + Н/2< 2Нtga/З,

где a - угол ввода, член g ~ 1 мм введен в качестве резервной величины, стрелу пре­образователя т определяют из условия a/cos(3 (см. рис. 2.15). Отсюда

a/cos(3 + l + H/2 < 2#tga/3 . (5.4)

5.1. Рекомендуемые параметры дефектоскопа и наклонных преобразователей для контроля стыковых сварных соединений из углеродистых сталей

Номинальная толщина свариваемых элементов, мм	Частота, МГц	Размер пьезо­пластины, мм	Угол ввода, °	Уровень фик­сации, мм2
2 ..	.3,5	10	3 .	. 4	70 .	. 75	0,5	.. 1
3,5	.. 10	4 .	. 5	4 .	. 6	60 .	. 70	1 ..	. 2
10 .	.. 60	2 ..	2,5	10 .	. 15	50 .	. 70	2 ..	. 7
60 .	. 200	1,5	... 2	15 .	. 20	35 .	. 50	7 ..	15
200 .	. 2000	1 ..	1,5	30 .	. 50	35 .	. 45	15 .	. 50

Углы а и (3 связаны законом синусов sin p/crip = sin а/с, , сПр - скорость звука в

призме преобразователя.

Второе условие состоит в том, что не должна возбуждаться поверхностная вол­на в сварном соединении. Такая волна будет отражаться от верхнего валика шва, других неровностей поверхности и вызы­вать появление ложных сигналов. Поверх­ностные волны возбуждаются при угле падения лучей в призме

Р, =arcsm(cnp/cj,

где cs - скорость распространения поверх­ностной волны в изделии.

Если выполнить условие р < , по­

верхностная волна все равно может поя­виться в результате действия боковых лу­
чей расходящегося от излучателя пучка. Используем теорию акустического поля преобразователя (см. разд. 1.3.2), согласно которой расходящиеся лучи как бы обра­зуются уже в призме преобразователя (не­смотря на то, что она находится в преде­лах ближней зоны пьезопластины), а затем преломляются на границе призма - изде­лие. Из этого следует условие для лучей в призме: Р + Др < Ps. Угол Др соответству­ет углу раскрытия в призме, для которого амплитуда сильно ослабляется (на 20 дБ) относительно центрального луча в режиме излучения - приема.

Считаем пластину прямоугольной. Для нее угол раскрытия определяется формулой (1.30) и табл. 1.10. В результате второе условие связи угла наклона призмы из размера пьезопластины формулируется как

(3 + arcsin[o,38cnp / (af )J < arcsin^p Jcs).

(5-5)

Если условия (5.4) и (5.5) одновре­менно за счет выбора а и (3 удовлетворить не удается, то возможно потребуется по­вышение частоты / по сравнению с вы­бранным значением. При подстановке из­вестных значений полагаем, что для плек­сигласа спр = 2,7 мм/мкс, для поверхност­ных волн в стали cs = 3 мм/мкс. Поскольку достаточно выполнить неравенства, нет необходимости в точном определении неизвестных. Например, подстановка по­казывает, что для сварного соединения толщиной 4 мм неравенства выполняются при 2а = 5 мм и Р = 53° (а = 70°). Спра­ведливость выбора таких значений под­тверждена реальными конструкциями раз­работанных преобразователей, обеспечи­вающих эффективный контроль тонких сварных швов.

Как отмечалось, при традиционном контроле сварных швов преобразователем с большим углом наклона и вертикально поляризованными волнами возникает рэ - леевская волна, а она очень чувствительна к неровностям поверхности. Ее отражение от валика сварного шва очень мешает кон­тролю.

При контроле толстых сварных швов (60 ... 200 мм и более) чувствительность дефектоскопа может оказаться недоста­точной, поэтому применяют пониженные частоты (с меньшим коэффициентом зату­хания), преобразователи с пластинами большого размера, уменьшенный угол ввода (путь УЗ от преобразователя до от­ражателя короче).

При контроле поперечных сварных швов в изделиях цилиндрической формы (например, кольцевых швов труб) диамет­ром 150 мм и менее рекомендуется прити­рать поверхность преобразователя к по­верхности трубы. В процессе притирки наблюдаются небольшие осцилляции чув­ствительности в пределах ±2,5 дБ.

При контроле продольных сварных швов в изделиях цилиндрической формы вводят понятие эквивалентной толщины шва [321]. Ее определяют с учетом факти­ческого пути ультразвука в изделии с уче­том его кривизны (см. разд. 5.1.2.4). Пара­метры контроля (частоту, угол ввода) вы­бирают исходя из эквивалентной толщины шва.

Настройка дефектоскопа состоит прежде всего в настройке развертки и чув­ствительности, а также временной регули­ровки чувствительности и автоматическо­го сигнализатора дефектов.

Настройка /1-развертки должна быть выполнена так, чтобы на экране дефекто­скопа был изображен весь путь УЗ- импульса в металле в возможно более крупном масштабе. Способы настройки подробно изложены в разд. 3.1.3; ее прие­мы продемонстрированы на рис. 3.4 и 3.5.

Строб-импульс сигнализатора дефек­тов настраивают так, чтобы его начало соответствовало концу зондирующего импульса (при контроле наклонным пре­образователем - вхождению импульса в ОК) и помех преобразователя, а конец - времени прохождения однократно отра­женного луча через сварное соединение (толщине 2И). На линии развертки следует отметить точку, соответствующую време­ни прохождения прямого луча через свар­ное соединение (соответствующее толщи­не соединения К).

Настройку чувствительности чаще всего выполняют по образцам с искусст­венными отражателями, например по за­рубкам, плоскодонным отверстиям, сег­ментным отражателям, боковым цилинд­рическим отверстиям, двугранному углу. Если отражатель дает большой эхосигнал, то после настройки выполняют корректи­ровку чувствительности на заданную ве­личину аттенюатором. Иногда настройку выполняют по отражателям в государст­венных стандартных образцах, например, по отверстию диаметром 6 мм в СО-2. Требуемую корректировку чувствительно­сти определяют по формулам акустиче­ского тракта, АРД-шкалам или АРД - диаграммам, а иногда экспериментально.

Например, настройку скорости раз­вертки выполняют по двугранным углам А и В (см. рис. 3.5, а) изделия или по стан­дартному образцу предприятия, в котором выполнены искусственные отражатели А' и В' (см. рис. 3.5, б). По последнему об­разцу очень удобно настраивать и прове­рять в процессе контроля как развертку, так и чувствительность дефектоскопа. Ес­ли двугранного угла нет, а искусственные отражатели выполнить нельзя, то исполь­зуют отражение от дна изделия (см. рис.

3.5, в) и схему с двумя преобразователями.

Отметим часто встречающиеся ошибки в рекомендациях по настройке чувствительности. Иногда рекомендуют настраивать чувствительность по отраже­нию от вогнутой цилиндрической поверх­ности в образцах CO-3, V-1 или V-2 (см. рис. 2.25, 2.27, 2.28). При этом не учиты­вают, что в результате такого отражения практически все расходящиеся УЗ-лучи в плоскости падения собираются обратно к преобразователю. Таким образом, ампли­туда эхосигнала будет определяться почти всей УЗ-энергией, излученной преобразо­вателем, а не энергией центральных лучей УЗ-пучка, используемых для выявления дефектов. Указанное обстоятельство мо­жет способствовать существенному уменьшению чувствительности к реаль­ным дефектам при контроле, особенно в том случае, когда часть пьезопластины не работает (например, отклеилась от приз­мы), в результате чего увеличился угол раскрытия диаграммы направленности.

Эта погрешность не возникает при настройке по компактным искусственным дефектам типа плоскодонного отверстия или зарубки. Она минимальна при на­стройке по боковому цилиндрическому

отверстию или двугранному углу.

Иногда при контроле стыковых свар­ных соединений труб рекомендуют на­страивать чувствительность по образцу с плоской поверхностью ввода, применяя наклонные преобразователи с плоской контактной поверхностью (без притирки к поверхности трубы). Далее рекомендуют увеличивать чувствительность на опреде­ленную величину (с учетом различного качества контакта) и переходить к контро­лю стыковых сварных соединений труб.

Эта рекомендация также ошибочна, поскольку в процессе сканирования по цилиндрической поверхности трубы на контактной поверхности преобразователя довольно быстро образуется цилиндриче­ский желобок. Под его влиянием зазор между преобразователем и плоской по­верхностью образца увеличивается, ам­плитуда эхосигнала от настроечного от­ражателя падает и чувствительность при настройке приходится увеличивать. В то же время с поверхностью трубы преобра­зователь в результате образования желоб­ка контактирует лучше, и сигналы от ре­альных дефектов возрастают. В результате возникает перебраковка. Эта ошибка осо­бенно существенна при контроле сварных соединений труб диаметром 150 мм и ме­нее.

По экспериментам В. Г. Щербинско - го, при диаметре трубы 50 мм через 20 мин работы фактическое завышение чувствительности составляло 10 ... 15 дБ [347]. Подобный эффект наблюдался на преобразователях, изготовленных различ­ными фирмами. Оба отмеченных отрица­тельных эффекта не проявляются (или проявляются очень слабо) при настройке чувствительности по двугранному углу между торцом и цилиндрической поверх­ностью трубы.

В некоторых сварных конструкциях считаются допустимыми несплошности в основном металле типа заполненных включениями расслоения, полупрозрач­ные для ультразвуковых волн. Обнару­жить эти расслоения можно прямым или

PC-преобразователями. Необходимо, од­нак, компенсировать уменьшение ампли­туды, возникающее при прохождении ультразвука через эти дефекты, поскольку в образцах для настройки таких несплош - ностей обычно нет. Способ оценки был рекомендован ранее.

Подготовка поверхности ввода очень важна для надежного выявления дефектов и достоверности контроля, а также для сохранности преобразователей, повышения срока их службы. Прежде все­го следует определить ширину зон пере­мещения преобразователя при контроле сварных соединений. Это существенно для определения размеров подготавливае­мых поверхностей (поверхностей скани­рования). При контроле совмещенным наклонным преобразователем сварного соединения с незачищеным валиком шва зона перемещения начинается от самого валика (рис. 5.4). Если валик зачищен, то преобразователь перемещают также по поверхности наплавленного металла.

Зону перемещения отсчитывают от видимой границы валика. При контроле нижней части шва прямым лучом ширина зоны перемещения /| определяется форму­лой

/, = Htga + А + В. (5.6)

При контроле верхней части шва од­нократно отраженным лучом ширина зоны перемещения /2 определяется формулой

/2 =2Htga + A + B, (5.7)

где Н - толщина шва; а - угол ввода; А - длина призмы преобразователя; В - шири­на зоны термического влияния.

Для швов, выполненных дуговой сваркой с h = 5 мм принимают В = 5 мм; для швов с 5 < h < 20 мм принимают В = h, для швов с h > 20 мм принимают В = 20 мм. Для сварных соединений ответ­ственного назначения зона термического влияния подлежит контролю по той же схеме и по тем же нормам, что и наплав­ленный металл, что учтено в формулах (5.6) и (5.7). Для менее ответственных со­единений зону термического влияния не учитывают и не контролируют, т. е. счи­тают В = 0.

Вопросы подготовки поверхности из­делия к контролю упомянуты в разд. 2.2.4.9 и 3.1.3. Здесь отметим, что при контроле контактным способом вол­нистость поверхности ввода должна быть не более 0,015. Оптимальная шерохова­тость поверхности для контроля контакт­ным способом прямым преобразователем - Rz = 10 ... 20 мкм, а для контроля наклон­ным - Rz = 20 ... 40 мкм. Более гладкая поверхность нежелательна, так как при движении преобразователь будет соскаб­ливать контактную жидкость, предвари­тельно нанесенную на поверхность изде­лия. Более грубая поверхность приведет к нестабильности акустического контакта. При контроле щелевым и особенно им­мерсионным способами шероховатость поверхности допускается значительно больше, чем при контактном способе.

Поверхность изделий после горячей прокатки, термообработки бывает покрыта окалиной. Если она плотная и хорошо сцеплена с поверхностью, контроль можно проводить по окалине. Не мешает контро­лю также хорошо приставшая и высохшая краска. При зачистке поверхности абра­зивным кругом лучше пользоваться его торцевой, а не цилиндрической поверхно­стью, чтобы не возникали "рытвины", уве­личивающие волнистость. Хорошо приме­нять лепестковые шлифовальные круги.

Технология сварки, при которой в околошовной зоне остаются налипшие брызги металла, неблагоприятна для кон­троля. Например, это относится к некото­рым способам полуавтоматической сварки в среде углекислого газа. В подобных слу­чаях следует предусматривать время и средства для очистки зон сканирования вблизи контролируемого шва.

Проверку достаточной чистоты по­верхности изделия проводят, наблюдая за стабильностью донного сигнала при пере­мещении прямого преобразователя. Изме­нение амплитуды этого сигнала в преде­лах 2 дБ показывает, что чистота поверх­ности изделия вполне удовлетворительна. Чувствительности при контроле прямым и наклонным преобразователями сильно отличаются, поэтому лучше наблюдать за стабильностью донного сигнала зеркаль­но-теневым методом двумя наклонными преобразователями по схеме рис. 3.5, в.

Очень хорошее средство проверки пригодности поверхности изделия для проведения УЗ-контроля - шероховатомер ЦНИИТмаш типа ДШВ (см разд. 6.4). Он позволяет учесть неодинаковое качество поверхностей изделия и стандартного об­разца, по которому настраивают чувстви­тельность дефектоскопа, и скомпенсиро­вать чувствительность.

Если предусмотрен контроль одно­кратно отраженным лучом, то важно так­же состояние донной поверхности. Обыч­но требуют, чтобы ее шероховатость была не более Rz = 160 мкм, а волнистость не более 0,025. Рекомендации по выбору контактных сред, предназначенных для обеспечения акустического контакта пре­образователь-изделие, были даны в разд. 2.2.4.9.

Должны быть предусмотрены удоб­ные условия для проведения контроля. Температура в зоне контроля должна, как правило, быть не ниже +5 и не выше +45 °С. При контроле на монтаже следует предусмотреть защиту от ветра, защиту экрана прибора от излишнего солнечного освещения, должно быть обеспечено удобное, устойчивое расположение при­бора и легкий доступ к нему. Если кон­троль ведут, например, в северных усло­виях зимой, необходимо устраивать теп­ляки, а при контроле летом нужно, чтобы оператор был защищен от гнуса, в кон­тактный смазочный материал добавлены репелленты, отпугивающие насекомых.