Выбор метода контроля. Из рас­смотренных в разд. 2.1 методов УЗ - контроля наибольшее применение для проверки металлов находит эхометод. Им проверяется > 80 % металлопродукции, контролируемой УЗ. Другие методы УЗ - контроля применяют тогда, когда они да­ют лучшие результаты; для решения за­дач, где использование эхометода затруд­нено, трудоемко; в качестве дополнитель­ных к эхометоду для более полного обна­ружения и исследования дефектов.

Теневой метод (наряду с другими) служит, например, для контроля много­слойных изделий (панелей, автомобиль­ных шин), поскольку многократные отра­жения от границ между слоями мешают применению эхометода. Этим методом удается проверить на наличие крупных дефектов материалы с большим уровнем структурных помех, не позволяющих об­наружить даже донный сигнал при кон­троле эхометодом.

Теневой метод, методы многократной тени и эхосквозной обычно применяют для автоматического контроля изделий типа листов, поскольку используемая для реализации этих методов многоканальная аппаратура проще и дешевле.

Зеркально-теневым (ЗТ) методом об­наруживаются дефекты, дающие слабое отражение. Он является дополнением к эхометоду. ЗТ-метод также применяют самостоятельно, например для контроля рельсов на вертикальные дефекты.

Эхозеркальный метод, согласно не­которым руководствам, используют как обязательный для поиска вертикальных трещин и непроваров при контроле свар­ных соединений и других изделий средней и большой толщины.

Дифракционно-временной (ДВ) ме­тод служит, как для поиска дефектов (он позволяет хорошо обнаруживать острые края трещин, непроваров), так и для ис­следования обнаруженных дефектов.

Эхозеркальный, дельта-, ДВ, коге­рентные методы применяют для исследо­вания выявленных дефектов. Далее будут даны примеры применения различных методов для оценки характера дефектов.

При выборе схемы контроля для де­фектоскопии изделий (в основном приме­нительно к эхометоду) учитывают сле­дующие факторы:

- преобразователь должен переме­щаться по относительно ровной поверхно­сти;

- должна быть прозвучена каждая точка объема изделия, подлежащего кон­тролю;

- для повышения надежности обна­ружения различно ориентированных де­фектов каждую точку желательно прозву - чивать в нескольких направлениях.

Большие эхосигналы от дефектов по­лучают, когда излучатель и приемник УЗ - волн располагаются так, чтобы получить зеркально отраженные сигналы.

Продольные и поперечные вол­ны применяют для выявления дефектов в толще и вблизи поверхности массивных изделий, толщина которых значительно превосходит длину УЗ-волны. Продоль­ные волны, как правило, используют, ко­гда УЗ необходимо ввести перпендику­лярно или под небольшим углом к по­верхности, поперечные - когда угол ввода должен быть значительным (> 35°). Это обусловлено удобством возбуждения волн данного типа: продольных - прямым или наклонным преобразователем с неболь­шим углом ввода, поперечных - наклон­ным преобразователем с углом падения между первым и вторым критическими углами.

Когда имеется возможность выбора, применение поперечных волн предпочти­тельнее в связи с меньшей длиной волны (при постоянной частоте), что повышает чувствительность к дефектам. Там, где требуется уменьшить затухание, например при контроле изделий из крупнозернистых материалов, целесообразно использовать продольные волны.

При выборе типа и направления волн необходимо иметь в виду (как отмечалось выше), что при контроле по совмещенной схеме большие эхосигналы получаются только от дефектов, перпендикулярных к направлению волны. Например, дефекты, параллельные поверхности ввода (типа расслоений в плитах, "расплющенных" включений в поковках), хорошо обнару­живаются продольными волнами, излу­чаемыми и принимаемыми прямым пре­образователем в направлении, перпенди­кулярном к поверхности (положение пре­образователя А на рис. 3.1), и значительно хуже - наклонным преобразователем.

При возбуждении и приеме продоль­ных волн прямым совмещенным преобра­зователем возникает довольно большая мертвая зона (5 ... 10 мм). Для ее умень­шения применяют PC-преобразователи, у которых мертвая зона 0,5 ... 1 мм в зави­симости от конструкции преобразователя.

Поперечные волны служат для выяв­ления дефектов, близких к поверхности, за счет углового эффекта, т. е. двойного от­ражения от поверхности изделия и дефек­та (см. разд. 2.2.2.3). При этом, однако, не рекомендуются углы падения на поверх­ность изделия 60 ... 65°, так как при отра­жении от дефекта в этом случае попереч­ные волны трансформируются в продоль­ные и амплитуда эхосигнала мала. Далее рассматривается применение других типов волн для контроля изделий.

Основную схему контроля выбирают такой, чтобы обнаруживать наиболее час­то встречающиеся дефекты изделия. До­
полнительная схема контроля должна обеспечить выявление различно ориенти­рованных дефектов, особенно дефектов, сильно влияющих на безопасность экс­плуатации изделий. Например, в дисках турбин чаще всего встречаются дефекты, параллельные плоской поверхности (рас­кованные включения, газовые пузыри), поэтому основная схема контроля - пря­мым преобразователем А с этой поверхно­сти (см. рис. 3.1). Однако очень опасны трещины вблизи шпоночной канавки, по­этому данную зону дополнительно кон­тролируют наклонным преобразователем В после забивки шпонки.

По той же причине основная схема контроля вала (например, ротора турбины) - прямым преобразователем А по цилинд­рической поверхности (рис. 3.2), посколь­ку чаще всего встречаются дефекты, па­раллельные цилиндрической поверхности. Однако очень опасны радиальные дефек­ты вблизи внутреннего канала, поэтому подобную зону дополнительно контроли­руют наклонным преобразователем В, на­правляя луч так, чтобы он прошел по ка­сательной к поверхности канала или падал на внутреннюю поверхность под углом, близким к 45°.

При контроле прямым преобразова­телем вблизи края изделий (положение преобразователя левее поз. А на рис. 3.1) у боковой поверхности возникает зона не­уверенного контроля вследствие распро­странения продольной волны вдоль этой поверхности и трансформации ее в попе­речную волну (см. разд. 2.2.3.4). В этой зоне размеры и координаты дефекта могут быть определены с большими ошибками.

При контроле ответственных изде­лий, чтобы устранить зону неуверенного контроля, применяют поперечную волну, вводимую наклонным преобразователем с боковой поверхности (преобразователи и Fx на рис. 3.1). Его перемещают по бо­ковой поверхности с последующим разво­ротом на 180°, чтобы надежнее обнаружи­вать различно ориентированные дефекты.

Рассмотрим области применения других типов волн, кроме продольных и поперечных.

Поверхностные волны рэлеев - ского типа используют для обнаруже­ния дефектов, непосредственно выходя­щих на поверхность ввода или залегаю­щих на глубине не более длины поверхно­стной волны. При этом следует иметь в виду, что такие дефекты хорошо выявля­ются магнитными, вихретоковыми и ка­пиллярными методами. Контроль поверх­ностными волнами целесообразен, когда применение этих методов затруднено, на­пример когда контролируемая поверх­ность труднодоступна для осмотра. При­меры эффективного применения поверх­ностных волн - эксплуатационный кон­троль турбинных лопаток в кожухе турби­ны, топливных баков, глубины проплав­ления поверхностных сварных швов с удаленным валиком.

Амплитуда поверхностной волны убывает с расстоянием в дальней зоне

пропорционально 1 fyfr (если не учиты­вать затухание УЗ и рассеяние на неров­ностях поверхности), а не 1/г, как для объ­емных волн, поэтому поверхностные вол­ны ослабляются медленно и хорошо реги­стрируют дефекты на расстоянии 0,5 ... 2 м от точки ввода. Они следуют всем изгибам поверхности ОК. Затухание в материале - такого же порядка, как для
объемных волн. Дополнительное затуха­ние (рассеяние) наблюдается, если по­верхность ввода неровная, загрязненная, вогнутая.

Чаще всего при контроле поверхно­стными волнами применяют эхо-, реже - теневой метод. Для определения местопо­ложения отражателя поверхностных волн пальпируют поверхность по ходу распро­странения УЗ-волны. При этом на экране появляется небольшой импульс, отражен­ный от пальца, а эхосигналы от отражате­лей, находящихся позади пальца, умень­шаются по амплитуде. Передвигая палец по поверхности изделия и наблюдая за амплитудами сигналов, легко найти ме­стоположение отражателя.

Изменение амплитуды эхо - и тенево­го (сквозного) сигналов поверхностной волны рассмотрено в разд. 1.1.2. Заметим, что если глубина прорези, имитирующей дефект, составляет половину длины вол­ны, то амплитуда прошедшего сигнала уменьшается в 2 раза по сравнению с без­дефектным участком, а амплитуда отра­женного сигнала уменьшается в 2 раза по сравнению с глубокой прорезью.

Поверхностными волнами можно об­наруживать как дефекты, выходящие на поверхность, так и подповерхностные де­фекты. Прорезь с вершиной на глубине Л/2 от поверхности дает амплитуду эхо - сигнала, в 0,85 раза меньшую, чем от про­
рези, выходящей на поверхность.

В [425, с. 767/097] рассматривалось распространение поверхностных волн, когда объект находится под землей. При этом возникает дисперсия скорости. От­мечается возможность увеличения фазо­вой скорости до 40 % и влияния на нее акустических свойств окружающей среды.

Головные волны применяют для обнаружения подповерхностных дефектов. Эти волны распространяются прямолинейно, не следуя изгибам поверх­ности подобно поверхностным. Они быст­ро затухают с расстоянием из-за того, что в каждой точке поверхности трансформи­руются в боковые поперечные волны. От неровностей на поверхности ввода глуби­ной порядка 0,5 мм головные волны не отражаются, такие неровности не мешают контролю, в то же время головные волны позволяют обнаруживать дефекты на глу­бине 1 ... 10 мм от поверхности. Контро­лю головными волнами мешают отраже­ния боковых волн от донной поверхности.

Для возбуждения и приема головной волны обычно применяют наклонные РС - преобразователи с углом падения, равным первому критическому. Разделение излу­чателя и приемника необходимо ввиду высокого уровня помех.

Схема тандем (преобразователи один за другим, см. рис. 1.9) позволяет осуще­ствлять контроль на расстоянии до 100 ... 150 мм вдоль поверхности. Схема дуэт (излучатель и приемник рядом) локализу­ет область чувствительности фокальной областью, но обеспечивает лучшее выяв­ление дефектов [278]. Преобразователем типа дуэт в фокальной точке на расстоя­нии 25 мм от ПЭП обнаруживается плос­кодонное отверстие диаметром 3 мм на глубине 5 ... 6 мм, а преобразователем типа тандем на той же глубине фиксиру­ется отверстие диаметром 4 мм на рас­стоянии до 70 мм от точки ввода.

В [422, с. 3064] сообщается о разра­ботке совмещенного преобразователя го­ловных волн на частоту 5 МГц. Конструк­ция преобразователя не приводится. Со­общается, что преобразователь не имеет мертвой зоны. На глубинах 0,5 ... 29,5 мм от поверхности в бета-титане (обладаю­щем высоким уровнем структурных по­мех) обнаруживаются плоскодонные от­верстия диаметром 0,8 мм.

Отмеченные выше свойства опреде­ляют область применения головных волн: выявление дефектов под валиком выпук­лости сварного шва, мелкой резьбой, ан­тикоррозионной наплавкой. Ограничения применения заключаются в общем высо­ком уровне помех, а также в возникнове­нии ложных сигналов от боковых попе­речных волн, порождаемых головными, поэтому последние применяют, когда толщина ОК > 10 ... 12 мм. В этом случае от ложных сигналов поперечных волн от­страиваются с учетом времени их прихода.

Волны в пластинах на часто­тах порядка нескольких мегагерц приме­няют для контроля листов, оболочек сосу­дов, труб толщиной < 3 ... 6 мм. Причины этого ограничения рассмотрены в разд. 1.2. Волны в пластинах позволяют обнаруживать дефекты, расположенные как поперек, так и вдоль пластины (типа расслоения).

Различным модам этих волн соответ­ствуют различные распределения напря­жений колебательного процесса по тол­щине пластины. Расслоение, на поверхно­стях которого напряжения равны нулю, не будет выявлено, если оно совпадет с плос­костью, где в силу распределения напря­жений последние и так равны нулю. В целях надежного обнаружения расслоений в любом месте по толщине пластины для контроля используют две моды с разным распределением напряжений по толщине пластины.

Для контроля обычно применяют низшие моды аь sb s2- Выбираются участки дисперсионных кривых волн Лэмба, где минимально изменение фазо­вой скорости. Этим участкам соответству­ет максимум групповой скорости. Возбу­жденные при этих условиях волны Лэмба реализуются в виде наиболее коротких импульсов. Самый распространенный тип искусственного дефекта - сквозное верти­кальное отверстие диаметром 1 ... 5 мм или риска глубиной > 3 % толщины стен­ки ОК.

В [425, с. 290/167] рассмотрен вопрос применения волн Лэмба для контроля до­вольно толстых листов (5 ... 25 мм) на частотах порядка сотен килогерц. Такие волны Лэмба позволяют контролировать стенки химических реакторов без скани­рования на расстоянии 200 ... 300 мм.

В [425, с. 760/272] рассмотрены не только обычно применяемые волны Лэмба с вертикальной поляризацией плоскости колебаний, но и горизонтально поляризо­ванные 5Я-волны Лэмба. Для моды 5Я, коэффициенты отражения от дефектов, как правило, больше, чем SF-волн, их ос­цилляции с изменением глубины дефекта меньше, что говорит о целесообразности применения этой моды для контроля, од­нако ее возбуждение - непростая задача. Подробнее эти вопросы будут рассмотре­ны в разд. 3.3.2.1.

Волны в стержнях применяют для контроля тонких прутков, проволоки. Подобные им волны используют для кон­троля труб и рельсов на больших расстоя­ниях (порядка 20 ... 50 м). В этих случаях частоту снижают с мегагерцового диапа­зона до десятков килогерц.

В трубах можно возбуждать про­дольные, изгибные и крутильные моды волн различных порядков. Трубы при этом рассматриваются как волноводы, подобные стержням [425, с. 763/166 и 764/273]. Подробнее об этом см. в разд. в

3.3.2.2.

Дальнейшее изложение относится преимущественно к контролю эхометодом объемными волнами. Применение других типов волн оговаривается.

Изделия, контроль которых неразру­шающими методами возможен, называют контроледоступными. С позиций УЗ - контроля контроледоступность может на­рушаться, если:

- не удается прозвучить весь объем изделия из-за его сложной геометрии (из­делие может быть ограниченно контроле- доступньш)',

- высок уровень структурных помех (больше половины уровня фиксации);

- не удается различить сигналы от дефектов и ложные;

- дефект не вызывает отражения УЗ (например, некоторые типы непроваров в сварных соединениях).