5.1.2.1. Контроль стыковых швов

Стыковые сварные соединения толщиной 2 ... 12 мм. Эти сварные со­единения применяют в листовых и труб­ных конструкциях. Их чаще всего выпол­няют односторонней ручной дуговой сваркой или в сварной среде защитных газов. Контроль таких сварных соедине­ний выполняют на высоких частотах (5 ... 10 МГц), поперечными волнами, преобра­зователями с углами ввода 65 ... 75° с возможно меньшей стрелой, чтобы пре­образователь не упирался в валик шва (см. табл. 5.1). Для контроля швов с зачищен-

Рис. 5.7. Сигнал от провисания и дефекта вблизи корня шва: Д - эхосигнал от несплошности (дефекта); эхосигнал от провисания (совпадает с Д) ЗС - зона совпадения эхосигналов от корнево­го дефекта и провисания, вертикальные штри­ховые линии отмечают на экране точки отражения от нижней (Н) и верхней (2Н) поверхностей сварного соединения

ными неровностями поверхности можно использовать наклонные преобразователи с меньшими углами ввода, а также ис­пользовать волны Рэлея и Лэмба. Уровень фиксации соответствует эквивалентной площади 4 ... 5 мм2, а дефекты с эквива­лентной площадью 7 ... 10 мм2 обычно не допускаются.

Применяют поперечно-продольное сканирование, причем за один проход преобразователя поперек шва наплавлен­ный металл и околошовную зону контро­лируют прямым и однократно отражен­ным лучом, как показано на рис. 5.1.

Настройку чувствительности при контроле сварных соединений толщиной до 12 мм в России выполняют, как прави­ло, по угловому отражателю (зарубке). Настройку начинают с установки брако­вочного уровня. Чувствительность должна обеспечивать обнаружение зарубки задан­ного размера в СОП. Для этого находят максимальный эхо-сигнал от соответст­вующего углового отражателя, перемещая преобразователь по образцу. Уменьшают эхосигнал до принятого уровня на экране дефектоскопа. При этом запас чувстви­тельности дефектоскопа должен быть не менее 15 дБ, в противном случае считают, что дефектоскоп непригоден для контроля.

Для установки уровня фиксации (контрольного уровня) повышают чувст­вительность дефектоскопа относительно браковочного уровня на 6 дБ. Для уста­новки поискового уровня повышают чув­ствительность дефектоскопа относительно браковочного на 12 дБ.

Отметим возможные ошибки при контроле. В рассматриваемых сварных соединениях часто появляются ошибки проплавления, т. е. провисание металла в корне шва, утяжины и смещение сты­куемых кромок.

Ошибки проплавления вызывают по­явление на экране дефектоскопа ложных сигналов при контроле прямым лучом, причем ложные эхосигналы от провисания часто совпадают по времени с эхосигна - лами, отраженными от надкорневых де­фектов, обнаруженных однократно отра­женным лучом (рис. 5.7), что сильно ус­ложняет расшифровку сигналов на экране дефектоскопа. В [350] показано, что наи­худшее соотношение сигнал/помеха на­блюдается для преобразователей с углами ввода45 ... 50°.

Эхосигналы от дефекта отличают от сигналов неровностей корневой части шва по следующим признакам:

1. По координате эхосигнала. Если обнаружен сигнал вблизи левой границы рабочей зоны линии развертки при кон­троле прямым лучом (правее отметки Н на развертке на рис. 5.7) и его амплитуда превышает браковочный уровень, то это свидетельствует о наличии недопустимого дефекта.

2. По расположению преобразователя относительно валика шва. Сигналы от провисаний обычно выявляются при меньшем расстоянии между преобразова­телем и швом, чем при выявлении надкор - невых дефектов.

3. По сопоставлению координат и амплитуд эхосигналов, измеренных с обе­их сторон шва. В случае, если оба пара­метра имеют значительное различие, предполагают, что обнаружен сигнал от провисания или утяжины, поскольку фор­ма провисания и утяжины часто бывает несимметричной.

4. По пространственному расположе­нию контролируемого участка шва при сварке. На стыках, плоскость которых расположена вертикально, наиболее веро­ятно появление провисаний в части шва, сварка которого велась в горизонтальном положении. На горизонтальных стыках провисания располагаются более равно­мерно по периметру и возникают реже.

5. При контроле по схеме корневой тандем (см. разд. 2.2.5.1) эхосигналы от провисаний обычно не возникают. Кон­троль ведут спаренным (PC) преобразова­телем с большим углом ввода, что необ­ходимо для озвучивания корня шва пря­мым лучом. Как известно, для возникно­вения эхосигнала по схеме эхозеркального метода необходимо, чтобы лучи от излу­чателя отражались от дефекта и дна ОК, а в случае провисания отражения от дна не происходит, эхосигнал не возникает. Даже если сигнал от провисания попадет на приемник, ему будет соответствовать большее время пробега и он будет нахо­дится за пределами рабочего участка раз­вертки.

6. Сам факт наличия провисания или утяжины может быть установлен измере­нием толщины свариваемых элементов (например, труб) на сварном соединении и основном металле. В случае провисания толщина увеличивается, в случае утяжи­ны- уменьшается. Наружный валик шва удаляется или немного заглаживается и его высота учитывается при измерениях.

Отражение от смещения кромок сты­куемых элементов может быть ошибочно принято за корневой дефект. Смещение

Эхосигнал от кромки трубы Зондирующий импульс

Рис. 5.8. Сигнал от смещения кромок стыкуемых труб из-за разностеииости (в) и несоосности (б) труб

кромок из-за разной толщины сваривае­мых элементов (рис. 5.8, а) характеризует­ся обнаружением сигнала, выявляемого с одной стороны шва по всей его длине прямым лучом. С другой стороны шва ложный сигнал отсутствует при контроле как прямым, так и однократно отражен­ным лучом. В этом случае следует изме­рить толщину стенок элементов, чтобы оп­ределить причину появления эхосигналов.

Смещение кромок из-за несовпадения поверхностей стыкуемых листов при кон­троле прямым лучом вызывает появление эхосигнала при контроле с одной стороны шва, в то время как при контроле прямым лучом с другой стороны ложный сигнал отсутствует, но возникает эхосигнал при контроле однократно отраженным лучом. Смещение кромок возникает также при несоосности стыкуемых труб. В этом слу­чае появляются ложные сигналы с разных сторон шва в диаметрально противопо­ложных точках шва (рис. 5.8, б).

В некоторых сварных соединениях с V-образной разделкой допускается корне-

Рис. 5.9. Измерение глубины непровара А зеркальио-теиевым методом: а - схема контроля; б - огибающие донных сигналов идтп/ий при перемещении преобразователей; в - минимум донного сигнала для параметров: 1 - f= 5 МГц, а = 55°, Го = 53 мм; 2 -/= 5 МГц, а = 50°, L0 = 38 мм; 3 -/= 2,5 МГц, а = 50°, Г0 = 38 мм

вой непровар, если его высота не превы­шает 1 ... 1,5 мм или определенной доли от толщины шва. Превышение непрова­ром заданной высоты можно оценить по амплитуде эхосигнала или условной высо­те, которые сравнивают с амплитудой эхо - сигнала и условной высотой искусствен­ного дефекта типа зарубки или риски [289]. Для этого должны быть предвари­тельно построены графики, связывающие условную и реальную высоты непровара или амплитуды эхосигналов от непровара и искусственного дефекта. Подробно этот способ рассмотрен применительно к свар­ным соединениям толщиной 12 ... 60 мм, где он чаще используется.

Здесь рассмотрим способ оценки вы­соты непровара зеркально-теневым мето­дом, предложенный Л. И Смирновой и

А. П Смирновой. Одинаковые наклонные преобразователи располагают на расстоя­нии L0 друг от друга (рис. 59, а), соответ­ствующем максимуму донного сигнала Uq. Перемещая их совместно, наблюдают ос­лабление огибающей донного сигнала t/д mm /Uо (рис. 5.9, б). Минимальное зна­чение донного сигнала Umm позволяет определить высоту непровара h (рис. 5.9, в).

Возможны также ложные отраже­ния от наружного валика шва (выпукло­сти). Ложный сигнал определяют по коор­динате отражателя. Такие ложные сигналы обычно уменьшаются при пальпировании. Радикальный способ устранения этих сиг­налов - локальная зачистка валика.

Довольно широкое распространение для контроля стыковых сварных соедине­ний труб диаметром до 530 мм с толщи­ной стенки 2 ... 10 мм получили РС - преобразователи хордового типа (см. разд. 2.2.1.2). Они позволяют сформиро­вать в середине шва акустическое поле, параметры которого обеспечивают эффек­тивную выявляемость дефектов в наплав­ленном металле сварного шва и относи­тельно низкий уровень сигналов, отра­женных от неровностей валика усиления и провисания.

Для иллюстрации характеристик и возможностей хордовых преобразователей на рис. 5.10 показаны результаты выявле­ния отверстий с плоским дном в фрагмен­тах труб [80]. На рис. 5.10, а представлено изменение амплитуды эхосигнала при пе­ремещении преобразователя по поверхно­сти трубы на постоянном расстоянии от сечения, в котором расположены отража-

А, дБ

Рис. 5.10. Огибающие амплитуд эхосигналов от отражателей в металле трубы диаметром 42 х 4 при перемещении хордового преобразователя: а - вдоль сварного шва 1Х 1,2- эхосигналы от торца трубы, 3,4 - ложные сигналы на бездефект­ных участках; 5-10 эхосигналы от отверстий с плоским дном (ось отверстия параллельна оси трубы) на глубине' 1 мм (5, 8), 2 мм (6, 9), 3 мм (7,10); кривые 5-7 - от отверстий диаметром 1 мм, кривые 8 ..10- от отверстий диаметром 1,2 мм); б - вдоль оси трубы 1} (огибающие эхосигналов в зависимости от глубины залегания отражателя по высоте сварного стыка)

тели. Максимальные амплитуды эхосиг- налов от отражателей, расположенных на разной глубине по толщине стенки трубы, отличаются не более чем на 10 дБ. Разни­ца амплитуд минимального сигнала от отражателя и уровня помех не менее 8 дБ, т. е. отношение сигнал-помеха достаточно велико.

Важно, что при перемещении преоб­разователя по поверхности образца в на­правлении к отражателю (рис. 5.10, б), т. е. перпендикулярно оси сварного шва, ус­ловный размер отражателя не превышает 3 ... 4 мм на уровне 6 дБ от максимума отраженного сигнала. Это означает, что контроль реальных сварных стыков можно проводить, перемещая преобразователь только вдоль оси сварного шва. Попереч­ное перемещение практически исключает­ся, что существенно упрощает процедуру контроля по сравнению с традиционными технологиями. При этом также упрощают­ся требования к аппаратуре и повышается производительность контроля.

Для настройки чувствительности ультразвукового контроля с применением хордовых преобразователей разработаны специальные СОП в виде трубных сегмен­тов с торцевым отверстием с плоским дном. Такие образцы обязательно входят в комплект с преобразователями при изго­товлении и применении. Это позволило решить вопрос о метрологическом обес­печении хордовых преобразователей и настройке чувствительности при контро­ле. Весьма эффективен также контроль тонких сварных соединений системой "Скаруч", как описано в разд. 5.1.7.7.

Ремонт тонких сварных соединений сравнительно прост и недорог, поэтому оценку качества выполняют по упрощен­ному алгоритму - по двухбалльной (одно­уровневой) системе, т. е. без диференциа - ции швов на баллы 2а и 26. Критерием является амплитуда эхосигнала. Если ам­плитуда превышает заданное значение (обычно эхосигнал от зарубки определен­ного размера), сварное соединение браку­ется. Иногда (в частности, при контроле хордовыми преобразователями и системой "Скаруч") дополнительно используют ус­ловную протяженность дефектов и коли­чество дефектов на 100 мм длины сварно­го шва.

Стыковые сварные соединения толщиной 12 ... 60 мм. Швы толщиной 12 ... 30 мм обычно выполняют односторон­ней сваркой, а швы толщиной 30 ... 60 мм - многослойной двусторонней сваркой или односторонней сваркой с вырубкой и под­варкой корня.

Параметры контроля выбирают в со­ответствии с табл. 5.1. С увеличением толщины соединения частоту понижают, угол ввода уменьшают, а размеры настро­ечных дефектов увеличивают. Для соеди­нений толщиной 12 ... 15 мм иногда при­меняют частоту 5 МГц и те же параметры, что для контроля более тонких швов.

При контроле швов, выполненных од­носторонней сваркой, эхосигналы от не­качественного проплава(особенно от про­висания металла) в корне шва также ме­шают расшифровке сигналов на экране дефектоскопа, как и при контроле более тонких соединений. Контроль произво­дится одним преобразователем прямым и однократно отраженным лучом за один проход. Способы отстройки от сигналов, связанных с провисанием, утяжиной, смещением кромок, разной толщиной сва­риваемых элементов, те же, что при кон­троле более тонких соединений.

Если ложные сигналы от провисаний велики, то с целью повышения надежно­сти и помехоустойчивости целесообразно проводить контроль раздельно корневой и остальной части шва. При этом верхнюю часть шва предпочтительнее контролиро­вать однократно отраженным лучом пре­образователем с меньшим углом ввода: 45 ... 50°.

Нередко при односторонней сварке листовых конструкций образуются значи­тельные провисания (3 ... 5 мм). Их жела­тельно удалить шлифовальной машинкой. Если этого не сделать, контроль нижней части швов будет сильно затруднен.

Относительная амплитуда сигнала < А-Аш> Относительная амплитуда сигнала < А - Аа0>

б) г)

Рис. 5.11. Определение высоты непровара и
"висящей" трещины в корневой части шва по амплитуде эхосигнала:

а - схема контроля "корневой тандем"; б - график для определения высоты корневых и
"висящих" трещин; в - схема контроля совмещенным преобразователем; г - график для
определения расстояния "висящей" трещины до внутренней поверхности

В сварных швах, выполненных дву­сторонней сваркой, как правило, ложные сигналы от задней (по отношению к пре­образователю) кромки валика меньше по амплитуде, чем в односторонних швах от провисания, за счет более плавных очер­таний валика шва, и к тому же они распо­ложены дальше по развертке на экране дефектоскопа. В этих швах наиболее ха­рактерным дефектом являются непровары в корне шва. Иногда эти непровары на­столько сжаты (стянуты) остывающим металлом шва, что эхосигнал от них очень слабый. Причины образования таких не­проваров рассмотрены выше. Подобные стянутые непровары встречаются в свар­ных соединениях также при других тол­щинах.

В многопроходных швах опасны шлаковые включения, которые лучше вы­
являть при контроле с обеих сторон шва. При одностороннем прозвучивании воз­можен пропуск шлаковых включений, прилежащих к противоположной стороне разделки шва.

Наиболее опасные дефекты - трещи­ны и непровары, ориентированные пре­имущественно в вертикальной плоскости. Эти дефекты плохо выявляются при про­звучивании одним преобразователем; луч­шие результаты дает контроль по схеме тандем, как рассмотрено в разд. 2.2.5.1 и

3.2.7.3. В судостроительной промышлен­ности предусмотрен обязательный кон­троль рассматриваемых сварных соедине­ний как совмещенным преобразователем, так и по схеме тандем.

Как отмечалось ранее, в сварных со­единениях с V-образной разделкой по ам­плитуде эхосигнала или условной высоте,

которые сравнивают с эхосигналом от искусственного дефекта типа зарубки или риски, можно оценить реальную высоту непровара ши корневой трещины [289]. Для этого должны быть предварительно построены графики связи условной высо­ты (или амплитуды) и реальной высоты дефекта.

Для построения графиков использу­ют образцы сварных соединений с искус­ственными дефектами (рисками) или ре­альными дефектами различной высоты. Желательно иметь набор рисок с высота­ми, равномерно распределенными в диа­пазоне значений 2 ... 20 % номинальной толщины сварного соединения. Рекомен­дуется следующий минимальный набор высоты рисок: 2; 5; 10; 15 и 20 % от тол­щины.

Графики строят для конкретной схе­мы прозвучивания и конкретного типа преобразователя. Для определения реаль­ной высоты трещин могут быть использо­ваны схемы прозвучивания, отличные от схемы, по которой проводится контроль сварного соединения, например схема с двукратным отражением луча. В этом слу­чае раствор пучка лучей увеличивается и расширяется диапазон высот измеряемых дефектов.

На рис. 5.11, а и б приведена схема контроля и график для определения высо­ты корневых непроваров и трещин по ам­плитуде сигнала при измерении по схеме корневой тандем. На оси абсцисс графика отложена разность (в децибелах) амплитуд сигнала от дефекта А и от двугранного угла Ах, на торце образца. График постро­ен для преобразователей с углом ввода 45° на частоту 1,8 МГц с размером пьезопла­стины 14 х 20 мм, которые обеспечивают положение максимума чувствительности на расстоянии 5 мм от внутренней по­верхности сварного соединения. График позволяет определять высоту трещин как выходящих на внутреннюю поверхность, так и невыходящих на нее ("висящих" над поверхностью, рис. 5.11, в). Точность оп­ределения высоты трещин по графику ±0,5 мм.

На рис. 5.11, г приведен график для определения расстояния "висящей" тре­щины от внутренней поверхности сварно­го соединения по амплитуде эхосигнала. График построен для совмещенного ПЭП из комплекта ПРИЗ-Д5 с углом ввода 40°, частотой 2,5 МГц.

Стыковые сварные соединения толщиной 60 мм и более. Такие швы вы­полняют многослойной или электрошла - ковой сваркой. Последняя производится в один проход при щелевой разделке.

Для швов толщиной более 150 мм, если есть доступ к обеим поверхностям стыка, контроль ведут с обеих поверхно­стей. При еще больших толщинах (более 200 мм) швов целесообразен контроль по слоям, причем в каждом слое (примерно через 50 мм по глубине) необходимо ме­нять поисковую чувствительность и на­страивать развертку заново.

При контроле толстостенных швов, ремонт которых весьма дорог, важно не только найти дефект, но и распознать его тип. Для исключения неоправданной пе - ребраковки необходимы количественные информативные признаки, о которых го­ворилось в разд. 3.2.7. Существенно мо­жет помочь дефектоскописту в правиль­ной оценке характера дефекта знание его качественных информативных признаков.

Ложные сигналы - это импульсы от неровностей формирования внутреннего и наружного валиков шва при контроле прямым и однажды отраженным лучами. Для исключения возможной ошибки при оценке результатов контроля следует ис­ключить из обзора сигналы, появляющие­ся на экране дефектоскопа правее грани­цы, соответствующей координате Г, рав­ной одной (прямой луч) или двойной (од­нажды отраженный луч) толщине свари­ваемого элемента. Эта же рекомендация относится к контролю угловых, тавровых и крестообразных соединений со стороны привариваемого элемента. Зону переме­щения преобразователя при его движении к шву следует ограничить положением, соответствующим отражению прямого луча от зоны, прилегающей к границе вы­пуклости шва, на поверхности, противо­положной той, по которой перемещают преобразователь.

Далее рассмотрим пример контроля шва, выполненного электрошлаковой сваркой (рис. 5.12). Односторонний не­провар вблизи одной из поверхностей из­делия наиболее уверенно выявляется при контроле с противоположной стороны изделия (положение преобразователя С). В данном случае амплитуда эхосигнала и его пробег по линии развертки будут больши­ми благодаря угловому эффекту. Из поло­жения В этот дефект выявляется хуже, так как поверхность наплавленного металла неровная, а из положения А - очень плохо.

Односторонний непровар в середине шва характеризуется появлением одиноч­ного отраженного сигнала с координата­ми, соответствующими расположению его по одной из границ поверхностей сплав­ления шва. Со стороны наплавленного металла (положение G преобразователя) непровар характеризуется значительными неровностями, что способствует формиро­ванию эхосигнала большой амплитуды. При прозвучивании со стороны основного металла (положение F) механически обра­ботанная и несплавившаяся кромка основ­ного металла почти зеркально отражает ультразвук. Эхосигнал может появиться лишь от отдельных оплавленных неров­ных участков.

Двусторонний непровар характеризу­ется тем, что в положении G преобразова­теля на экране дефектоскопа могут поя­виться одновременно два сигнала (С), соответствующие отражению УЗК от не­проваров по обеим кромкам сварного шва. Несплавление отличается от непровара тем, что поверхность основного металла расплавляется, но не сплавляется с наплав­ленным металлом. Выявленные несплав - ления характеризуются теми же признака­ми, что и непровар. Однако в некоторых

Рис. 5.12. Схемы контроля и выявления дефектов в сварном шве толщиной более 60 мм, выполненном электрошлаковой сваркой

случаях несплавление можно отличить от непровара, так как от него возникает эхо - сигнал значительной амплитуды при кон­троле со стороны наплавленного и основ­ного металла, поскольку обе поверхности несплавления являются неровными.

Отличием трещин от непроваров и несплавлений является то, что они распо­лагаются обычно в средней части наплав­ленного металла (положение D), таким образом, трещины, особенно в швах, вы­полненных электрошлаковой сваркой, можно квалифицировать путем определе­ния координат. При контроле совмещен­ными преобразователями трещины часто дают небольшие эхосигналы и плохо об­наруживаются. В этом случае рекоменду­ется проведение контроля по схеме тан­дем, дифракционно-временным методом или акустической голографией (см. разд. 3.2.7).

Для шлаковых включений характерно то, что амплитуда эхосигнала от них при­близительно одинакова при прозвучива - нии под различными углами (см. табл. 3.2, способ 1). Скопления мелких шлаков и пористые зоны в сварном шве характери­зуются появлением группы эхосигналов небольшой амплитуды. Рыхлость характе­ризуется появлением широкого эхосигна­ла неопределенной формы.