Аустенит - высокотемпературная ал­лотропическая модификация сплава желе­за с углеродом. Благодаря легирующим добавкам эта структура сохраняется при комнатных температурах. Аустенитная сталь не ржавеет, не обладает ферромаг­нитными свойствами.

Сварные соединения из сталей аусте­нитного класса имеют крупнозернистую анизотропную структуру. Гранецентриро­ванные кристаллы аустенита начинают расти перпендикулярно кромке сварного шва и по мере заполнения шва растут вдоль направления теплоотвода, т. е. пер­пендикулярно границе расплавленного металла. При нанесении последующего валика шва в нем продолжается рост кри­сталлитов от предыдущего валика (явле­ние эпитаксиалъности). В результате воз­никают столбчатые кристаллиты, прохо-

Рис. 5.29. Схема контроля поршня двигателя внутреннего сгорания (представлена правая верхняя часть поршня)

дящие через все валики шва - транскри- сталлитная структура (см. разд. 7.8).

В зависимости от направления волн в кристалле скорость звука существенно меняется [5]: до ± 15 % для продольных волн; до ± 35 % для поперечных волн с вертикальной поляризацией; до ± 20 % для поперечных волн с горизонтальной поля­ризацией. Меняется также коэффициент затухания волн. Вследствие транскристал - литной структуры изменение акустиче­ских свойств наблюдают для всего на­плавленного металла шва. Он весь стано­вится анизотропным. Это существенно отличает такой шов от изотропной (в боль­шом объеме) крупнозернистой среды со случайной ориентацией зерен, рассмот­ренной в разд. 2.2.3.5.

Анизотропия сварного шва приводит к тому, что направление вектора фазовой скорости, задаваемой углом призмы ПЭП, отличается от направления вектора груп­повой скорости, которая определяет на­правление распространения импульса (см. разд. 1.1.3). В результате, по расчетам J. A. Ogilvy [396], возникает рефракция, направление лучей искривляется (лучи отклоняются в сторону максимального

а)

Рис. 5.30. Изменение направления лучей в аустенитном сварном шве по результатам расчетов: угол ввода 60°, угол между соседними лучами 6°: а - продольная волна; б - вертикально; в - горизонтально поляризованные поперечные волны

значения фазовой скорости), пучок лучей деформируется (рис. 5.30): в области мак­симального значения фазовой скорости концентрация энергии уменьшается, а в области минимального значения - увели­чивается. Это очень мешает определению координат и размеров дефектов (как по амплитудному признаку, так и по переме­щению преобразователя), вызывает появ­ление ложных донных сигналов. Направ­ление лучей к донной поверхности вызы­вает появление отраженных от нее лож­ных сигналов.

С. П. Горная и Н. П. Алешин рассчи­тали кристаллическую структуру аусте­нитного сварного соединения в зависимо­сти от параметров сварки [427, докл. Б09]. С учетом этой структуры рассчитаны на­правление переноса энергии упругих волн в соединении, коэффициенты прохожде­ния границы сплавления шва, пути УЗ - лучей в сварном соединении, их затуха­ние, интенсивность обратно рассеянных волн в зависимости от угла ввода и поло­жения преобразователя. В частности, реф­ракция вертикально поляризованных по­перечных волн для реально контролируе­мых сварных соединений оказалась суще­ственно меньшей, чем на рис. 5.30.

В процессе УЗ-контроля аустенитных сварных швов на той же чувствительно­сти, на которой проводится контроль сварных соединений перлитных сталей, фиксируется много ложных сигналов, от­ношение полезный сигнал/помеха часто близко к единице или меньше ее, затухание ультразвука велико. Коэффициент затуха­ния продольных волн 0,1 ... 0,45 дБ/мм. В ряде случаев контроль оказывается невоз­можным из-за того, что УЗ-волны, сильно затухая и рефрагируя, не проникают в ме­талл шва.

Основными факторами, влияющими на прохождение и рассеяние УЗ-волн в аустенитном сварном шве, являются: раз­мер зерна (точнее, размеры кристаллитов аустенита), направленность роста кри­сталлитов аустенита, содержание феррита и распределение его по сечению шва, со­держание карбидов и их распределение, интерметаллиды, микрорыхлоты и микро­трещины, размер зерна в околошовной зоне (зоне термического влияния).

Рассеяние ультразвука при контроле аустенитных сварных швов происходит на границах кристаллитов и на границе ос­новного и наплавленного металла. Напри­мер, интенсивные сигналы наблюдают от двугранного угла, образуемого границей разделки основного и наплавленного ме­талла и поверхностью соединения.

Несмотря на отмеченные выше отли­чия анизотропной структуры от изотроп­ной, для контроля аустенитных сварных соединений пригодны многие рекоменда­ции, данные в разд. 2.2.4.5. Порог чувст­вительности (т. е. минимальную величину фиксируемого искусственного отражате­ля) при высоком уровне структурных по­мех также снижают тремя путями. Первый заключается в выборе оптимальных пара­метров контроля, второй - в применении статистических методов обнаружения сиг­налов на фоне структурных помех, третий - в компьютерной обработке сигналов и помех. Применяют PC и фокусирующие преобразователи, продольные волны, так как затухание для них в несколько раз меньше, чем для поперечных, а также меньше анизотропия скорости (см. рис. 5.30, а). Перспективно также применение поперечных волн с горизонтальной поля­ризацией, для которых анизотропия мала (см. рис. 5.30, в), но их можно возбудить и принять, как правило, ЭМА-способом.

Для дефектоскопии аустенитных сварных швов рекомендуются способы контроля, приведенные в табл. 5.7 (табли­ца дополнена авторами книги) [98]. При однопроходной сварке швов толщиной 10 мм и менее происходит быстрое осты­вание расплавленного металла, что спо­собствует измельчению зерен. В результа­те толщины до 10 мм часто (но не всегда) удается контролировать сильно демпфи­рованными наклонными преобразователя­ми поперечных SV-волн. Контроль соеди­нений труб проводят притертым совме­щенным или PC-преобразователями попе­речных волн с углом ввода 70 + 5° на час­тоте 5 МГц. Обычно контролю подверга­ют только корневую часть шва, прозвучи - вание которой осуществляют прямым лу­чом. Как отметил В. М. Ушаков, необхо­димо обращать внимание на возможную вариацию скорости в основном металле, которая может достигать 10 %. Это суще­ственно изменяет угол ввода. Рекоменду­ется выполнять измерение скорости перед началом контроля и корректировать угол

	иг	JL отверстия юз мм /
л	Г «Э-			ч
<v—		- .'ГХ1	и___________

Рис. 5.31. СОП для контроля аустенитных сварных швов

призмы преобразователя. Если измерение скорости поперечных волн с, затрудни­тельно, можно измерить скорость про­дольных волн С; и рассчитать по формуле с, = 0,547с(.

Толщины более 10 ... 20 мм контро­лируют продольными и головными вол­нами, хотя некоторые виды соединений удается контролировать поперечными вол­нами. Использованию продольных волн мешает присутствие поперечных волн, возбуждаемых одновременно с продоль­ными и возникающих в результате транс­формации продольных волн при отраже­ниях. Это накладывает на методику кон­троля продольными волнами ряд ограни­чений. Необходимо точно стробировать зону контроля, чтобы выделить время прихода импульсов продольных волн. Нельзя пользоваться однократно отражен­ным лучом для контроля верхней части шва, так как при отражении от нижней поверхности соединения продольные вол­ны в значительной степени трансформи­руются в поперечные. Приходится зачи­щать верхний валик, чтобы проверить весь металл шва. По этой же причине для про­дольных волн слабо проявляется угловой эффект (см. разд. 2.2.2.3), помогающий обнаруживать дефекты вблизи наружной и внутренней поверхностей. Для риски глу­биной 2 мм и угла ввода 45° коэффициент G для продольных волн в 9 раз меньше, чем для поперечных.

Ю. Н. Козин [426, докл. 4.26] сообща­ет об успешном опыте контроля аустенит­ных сварных швов из стали 08Х18Н10Т толщиной до 40 мм разработанными и изготовленными МГТУ РС-преобразова - телями продольных волн на частоту 2 МГц с углами ввода 60 и 70° и углом схождения 14°. Амплитуда отражения от плоскодонного отверстия площадью 7 мм2 превышала уровень структурных помех на 6 дБ и более. Вероятность обнаружения дефектов, эквивалентных такому плоско­донному отверстию, по всей толщине шва 90 % и более.

Методика контроля сварных соеди­нений из сталей аустенитного класса тол­щиной 20 ... 60 мм предлагается в [323]. Она предусматривает использование про­дольных волн. Возможно также примене­ние поперечных волн, если при этом удов­летворяются сформулированные далее признаки контролепригодности. Для излу­чения и приема продольных и головных волн используют прямые и наклонные (типа дуэт) PC-преобразователи. Верхний валик шва снимают заподлицо. Точку вы­хода и угол ввода преобразователей опре­деляют на образцах подобных СО-3 и СО-2А. Последний изготовляют из аусте­нитной мелкозернистой стали (например, из основного металла), По сравнению с образцами СО-3 и СО-2А по ГОСТ 14782 их ширину увеличивают от 30 до 90 мм, когда предполагается использование РС - преобразователей типа дуэт.

Контролепригодность (т. е. возмож­ность УЗ-контроля) швов толщиной 4,4 ...

9.5 мм, согласно [323], проверяют по вы­явлению зарубки глубиной 1 мм и шири­ной 2 мм волнами, проходящими через наплавленный металл. Максимальная ам­плитуда эхосигнала от зарубки должна превосходит уровень структурных помех на 6 дБ или больше. Если амплитуда эхо - сигнала от зарубки превосходит уровень структурных помех менее чем на 6 дБ, то увеличивают размеры зарубки до глубины

1.5 мм и ширины 3 мм. Если и в этом слу­чае амплитуда эхосигнала от зарубки пре­восходит уровень структурных помех ме­нее чем на 6 дБ, то данный сварной шов считается неконтролепригодным с исполь­зованием описанной методики.

Для проверки контролепригодности более толстых швов используют СОП тол - толщиной, равной номинальной толщине сварного соединения, со сварным швом, аналогичным реальному. В середине и зоне сплавления шва изготовляют шесть сквозных боковых отверстий диаметром 3 мм на разной глубине (рис. 5 31). Отвер­стия 1 ... 3 используют при контроле на­клонными РС-преобразователями, 1,4, 5 — при контроле прямыми РС-преобразо - вателями, 6 — при контроле головными волнами. Длина образца L = 250 мм при толщине соединения 20 ... 40 мм и 350 мм при толщине 40 ... 60 мм.

По СОП проверяют контролепригод­ность конкретного сварного соединения по следующей методике. Первое условие контролепригодности - эхосигналы от отверстий 3 и 5 (рис. 5.32) при использо­вании объемных волн должны быть не менее чем на 6 дБ больше уровня струк­турных помех. Сигнал от отверстия 3 по­лучают, направляя УЗ через наплавленный металл. Уровень помех определяют как максимальный импульс из полученных не менее чем в 10 точках шва.

Направление перемещения преобразователя

Изображение на экране ЭЛТ Рис. 5.32. Схема определения первого показателя контролепригодности аустенитного сварного шва

Второй признак контролепригодно­сти - изменение направления акустиче­ской оси наклонного преобразователя дол­жно быть меньше чем на 5°. Проверку отклонения осуществляют зеркально-тене­вым методом по схеме рис. 5.33 по поло­жению преобразователей, соответствую­щему максимуму эхосигнала, при прохо­ждении лучей в основном металле (как на рисунке) и в наплавленном (и частично в основном) металле.

Для избежания ошибки, связанной с возможным приемом трансформирован­ной при отражении от донной поверхно­сти волны, необходимо предварительно рассчитать приближенное расстояние L по формуле І, = 2Н tga, где Н - толщина

стенки OK, a - угол ввода, определенный на образцах, подобных СО-2 и СО-3. Преобразователи устанавливают на рас­стоянии L, а затем, изменяя расстояние между ними на 3 ... 5 мм, добиваются максимальной амплитуды эхосигнала. Измеряют уточненное расстояние L и рассчитывают угол распространения УЗ

по формуле

а' = arctg(jLj/2#).

Перемещают преобразователи так, чтобы УЗ частично проходил через на­плавленный металл и повторяют измере­ние угла а'. Если разность измеренных углов а' на основном металле и основном и частично наплавленном металлах пре­вышает 5°, данное сварное соединение считают неконтролепригодным.

Настройку чувствительности при контроле продольными (или поперечны­ми) волнами также выполняют по СОП (см. рис. 5.31). При контроле сварных со­единений толщиной 10 ... 19,5 мм прямым и наклонным преобразователями чувстви­тельность настраивают по отверстию 2. При контроле сварных соединений тол­щиной 20 ... 60 мм наклонным преобра­зователем чувствительность настраивают по отверстию 3, а прямым преобразовате­лем - по отверстию 5. Отверстия озвучи­вают со стороны наплавленного металла, добиваются получения максимальной ам­плитуды эхосигнала и фиксируют показа­ния аттенюатора, при котором амплитуда достигает стандартного уровня (30 ± 5 мм) по высоте экрана. Это уровень фик­сации. Затем аттенюатором повышают чувствительность на 6 дБ, устанавливая

вень фиксации. Затем аттенюатором по­вышают чувствительность на 6 дБ, уста­навливая поисковый уровень.

Достигнутый уровень чувствительно­сти для каждого преобразователя фикси­руют относительно эхосигнала от СО-2 или подобного образца. В документах по результатам контроля отмечают этот уро­вень чувствительности, а также диаметр отверстий, по которым выполнялась на­стройка чувствительности.

Контроль продольными (или попе­речными) волнами наклонными преобра­зователями выполняют, перемещая преоб­разователи по основному и наплавленно­му металлу, направленными поперек шва с двух сторон от него, а также вдоль оси шва (рис. 5.35) для проверки на попереч­ные трещины. При невозможности досту­па контроль проводят с одной стороны шва. Контроль повторяют с разворотом преобразователя на углы ±15°. Шаг скани­рования - не более половины размера пье­зоэлемента all. Прозвучивают наплавлен­ный металл шва и зоны термического влияния.

Контроль головными волнами прово­дят, направляя волны поперек оси шва. Преобразователь перемещают по наплав­ленному металлу и по основному металлу на расстоянии до 20 ... 25 мм от кромок.

Контроль прямым РС-преобразова- телем проводят, перемещая его по наплав­ленному металлу и основному металлу на расстоянии до 20 мм от кромок. Экран между излучателем и приемником должен находится в положении, перпендикуляр­ном оси сварного шва. Одновременно с наблюдением за появлением эхосигналов от дефектов наблюдают за ослаблением донного сигнала (зеркально-теневой ме­тод). Признаком дефекта является ослаб­ление донного сигнала до уровня фикса­ции эхометода. Контроль зеркально­теневым методом выполняют только при возможности получения донного сигнала на бездефектном ОК.

Для найденных несплошностей опре­деляют координаты и максимальную ам-

Рис. 5.35. Схема сканирования аустенитного сварного соединения: а - продольное сканирование; б - поперечное сканирование; в - разворот преобразователя при продольном и поперечном сканировании

плитуду эхосигнала. Ее сравнивают с мак­симальной амплитудой эхосигнала от бо­кового отверстия, наиболее близкого к несплошности по глубине залегания и траектории УЗ-волн (через наплавленный металл или через основной металл).

Если в процессе контроля какого- либо участка сварного шва наблюдается высокий уровень сигналов с характерны­ми признаками структурных помех, то его проверяют на контролепригодность. Если участок признается неконтролепригод - ным, то в заключении по результатам кон­троля отмечается его местоположение и длина.

В рекомендациях Международного института сварки (МИС) предлагается методика контроля [372], близкая к рас­смотренной выше. Настройку чувствитель-

ности и ВРЧ осуществляют по образцу с боковыми отверстиями диаметром 3 мм и рисками глубиной 0,5 и 1 мм, подобному показанному на рис. 2.62. Окончательную настройку чувствительности выполняют на образце из аустенитного шва контроли­руемого типа, в котором сверлят боковые отверстия по границе основного и наплав­ленного металлов через 20 мм по глубине толщины шва, располагая преобразователь как со стороны основного металла, так и со стороны шва.

Отметим разработки, направленные на улучшения возможностей УЗ-контроля аустенитных сварных соединений. Отме­чается важность выбора оптимального угла ввода поперечных волн. По исследо­ваниям В. М. Лантуха, наибольшее отно­шение сигнал/помеха достигается, когда угол между акустической осью и зоной сплавления лежит в пределах 80 ... 90° или 130 ... 150°. По рекомендациям Н. П. Алеши­на и других, оптимален угол между аку-

стической осью и осями столбчатых кри­сталлов аустенита 45° [5]. При контроле толстых швов (40 мм и более) применяют несколько разных РС-преобразователей продольных или поперечных волн с уменьшающимися углами ввода и увели­чивающимся расстоянием от преобразова­теля до точки фокуса с увеличением глу­бины контролируемого слоя.

Один из перспективных способов контроля аустенитных сварных швов - двухчастотный, разработанный В. В. Гре­бенниковым и др. [98]. Дефектами счита­ются только отражатели, дающие эхосиг - нал на двух частотах, отличающихся в 1,5 раза. Для реализации этого способа необ­ходимы аппаратура и преобразователи, обеспечивающие требуемую вариацию частоты без смены преобразователя. Ис­пытания двухчастотного способа на ре­альных дефектах показали, что в сварных соединениях толщиной 8 ... 40 мм из ста­ли 1Х18Н9Т им было выявлено 85 % имевшихся одиночных пор, 83 % цепочек пор и 100 % непроваров. При корректи­ровке норм оценки удается добиться сов­падения с радиографическим контролем.

Развитие двухчастотного способа - двухмодовый способ, согласно которому
дефектами считаются только отражатели, дающие эхосигнал при контроле и про­дольными, и поперечными волнами [426, докл. 4.25].

В [425, с. 365/176] предполагалось выбирать оптимальные преобразователи из 40 типов преобразователей различных фирм (Krautkramer, Karl Deutsch, Leman, Simens, и др.). По результатам исследова­ний отобрано 7 преобразователей, у кото­рых наивысшее соотношение сиг - нал/помеха (больше 18 дБ), наименьшее ослабление сигнала при прохождении че­рез шов, наименьшая мертвая зона и ста­бильный угол ввода, равный 45°.

Для отбора использовали образцы толщиной 20 мм со сварными швами, от­ражатели типа боковых цилиндрических отверстий диаметрами 3 мм и канавок глубиной 1 ... 3 мм (рис. 5.36). Лучшие результаты получены на преобразовате­лях: типа 3XW с композитным пьезоэле­ментом на частоту 2,25 МГц, работающем на продольных волнах, и MWB SV на час­тоту 4 МГц, работающем на поперечных волнах. Для них отношение сигнал/помеха было 28 ..30 дБ. Попутно сделан вывод, что и другие преобразователи на попереч­ные волны с композитными пьезоэлемен­тами также дают хорошие результаты.

б)

В [425, с. 674/192] сообщается о раз­работке фазированных решеток для контроля аустенитных сварных соеди­нений. Требовалось заменить наклонные PC-преобразователи для излучения и при­ема продольных волн одним наклонным РС - преобразователем с призмой и ФР. Стави­лась задача, чтобы при различных углах ввода главный лепесток оставался прибли­зительно постоянным, а угловое расстоя­ние между главным лепестком и боковы­ми лепестками было не меньше, чем меж­ду главным лепестком и возбуждаемой поперечной волной.

Размер корпуса разработанных фази­рованных решеток был 25 х 25 мм, часто­та 3 МГц. Для излучения и приема про­дольных волн использовались разные ре­шетки, состоящие из 12 элементов каждая. Размер отдельного элемента -2x6 мм. Конструкция была подобна преобразова­телю с композитным пьезоэлементом. На рис. 5.37 показаны диаграммы направлен­ности для фазированных решеток с раз­личными углами ввода. Различие макси­мальных амплитуд эхосигналов при раз­личных углах составляло не более 3 дБ. Исключение составил преобразователь с углом ввода а = 70°.

Эффективность работы преобразова­телей типа фазированных решеток прове­рялась на искусственных дефектах типа рисок глубиной 2 ... 7 мм, выполненных на внешней и внутренней поверхностях сварных образцов. Преобразователем с углом ввода 45° выявлялись все риски с отношением сигнал/помеха 16 дБ, а при угле 70° плохо выявлялись риски при про­хождении лучей через наплавленный ме­талл шва.

Явление трансформации волн ис­пользуют для расширения возможности контроля [419]. При угле ввода продоль­ной волны а, - 64 ... 70° образуется до­вольно интенсивная поперечная волна (рис. 5.38, а). При ее падении на донную поверхность ПОД углом OL/ Si 20 ... 26° про­исходит практически полная трансформа­ция поперечной волны в продольную. Продольная волна отражается под углом а; ~ 65°. Предположим, что далее про­дольная волна падает на вертикальный дефект, зеркально отражается от него как продольная волна и принимается тем же преобразователем. Возникает ситуация, когда (как в методе тандем-Т) происходит зеркальное отражение от дна и дефекта, но с трансформацией типов волн, причем излучает и принимает волны один преоб­разователь. Такой способ называют само - тандем. Дефекты выявляются в диапазоне h = (0,2 ... 0,8)#, но лучше всего на глуби­не 0,63 Я.

Применяя преобразователь с углом ввода продольной волны 80 ... 90°, полу­чают помимо объемной поперечной волны головную волну (рис. 5.38, б). Ею выяв­ляют подповерхностные дефекты. Попе­речная волна на донной поверхности так­же частично трансформируется в голов­ную, бегущую вдоль донной поверхности. Ею выявляют дефекты вблизи этой по­верхности.

Очень хорошие результаты при кон­троле аустенитных сварных швов дало применение когерентных методов контро­ля, а именно акустической голографии (см. разд. 2.2.5.6). Как отмечалось, эффект когерентной обработки подобен примене­
нию фокусирующего преобразователя очень большого размера, т. е. с очень ост­рой фокусировкой во всем контролируе­мом металле. Это обусловило эффектив­ность метода с применением продольных или поперечных волн, что подтверждается результатами контроля, показанными на рис. 3.26. Голографический метод при контроле продольными волнами повышает отношение сигнал/помеха на 4 ... 6 дБ, а сдвиговыми - на 8 ... 10 дБ.

Система "Авгур" для контроля мето­дом акустической голографии позволяет реализовать двухчастотный и двухмодо­вый способы контроля путем объединения изображений на двух частотах (конкретно 1,65 и 2,5 МГц) при одном и том же угле ввода (60°) продольными и поперечными волнами. Это дало дополнительный выиг­рыш более чем в 6 дБ [424, докл. 7-2]. По - видимому, методика контроля системой "Авгур" с двухмодовым способом обра­ботки является оптимальным способом контроля аустенитных сварных швов с высоким уровнем структурных помех.