Основан на возбуждении ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии и регистрации интенсивности и времени прохождения отраженных эхо-сигналов в диапазоне 1,25 - 10 МГц.
В зависимости от направления колебаний частиц в контролируемом материале по отношению к распространению волны различают продольные, сдвиговые (поперечные) и поверхностные волны рис.3.1
Если направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны, то волна называется - продольной. Если перпендикулярно распространению волны, то - поперечная. Она возбуждается только в твердом упругом материале. На свободной поверхности твердого тела - можно возбудить поверхностные волны, локализующиеся в поверхностном слое толщиной, соизмеримой с длиной волны.
В изотропных твердых телах скорость распространения упругих волн зависит от их вида и упругих постоянных материала.
Табл. 3.4. Скорость распространения различных видов УЗ-волн в материалах.
Материал
Скорость м/с
Материал
Скорость м/с
продольная
сдвиговая
Релея
продольная
сдвиговая
Релея
Алюминий
Латунь
Медь
Свинец
Сталь
Для возбуждения упругих колебаний в различных материалах используют пьезоэлектрические преобразователи (пластинка из монокристалла кварца или пьезокерамических материалов – титаната бария, цирконата – титаната свинца и др.). Под действием переменного эл. напряжения пьезопластина (ПП) совершает вынужденные механические колебания, пропорциональные частоте эл. тока. Если ПП приложить к поверхности контролируемой детали, то в ней будет возбуждаться и распространяться упругие волны с амплитудой – менее 10-8 мм.
Упругая волна в направлении распространения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое волной за 1сек. сквозь поверхность площадью 1 кв.м., перпендикулярную направлению распространения волны – называется интенсивностью. Интенсивность плоской гармонической волны: JB=0,5ρVA2
ρ – плотность материала;
V – скорость распространения волны;
A – амплитуда колебательной скорости.
В ультразвуковой дефектоскопии измеряют амплитудные характеристики, выраженные в логарифмических единицах – децибелах. Число децибел – это величина, на которую сигнал интенсивностью JB с амплитудой (А) отличается от некоторого исходного уровня с интенсивностью JBOи амплитудой А0:
dB=10lg(JB/JBO)=20lg(A/A0)
В децибелах выражают уровень амплитуд входных сигналов и отраженных эхо-сигналов, образующихся от встречающихся на пути прохождения упругой УЗ-волны всякого рода несплошности (расслоения, трещины, шлаковые включения, поры). Регистрация Эхо-сигнала осуществляется путем преобразования в эл.импульсы отраженных волн, усиления и регистрации их на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) дефектоскопа.
Усиление сигнала происходит нелинейно, а по соотношению (1), т.е. более мощный эхо-сигнал усиливается в меньшей степени, чем более слабый.
В усилителях предусмотрена поправка на глубину залегания дефекта: чем больше запаздывание эхо-сигнала, тем больше он усиливается.
В современных УЗ-дефектоскопах для идентификации дефекта по эхо-сигналу предусмотрена возможность его стробирования – выделения на ЭЛТ с помощью электронных маркеров, автоматически настраиваемых измерительную систему дефектоскопа на данный сигнал.
В УЗ-дефектоскопии различают несколько методов:
1 – Эхо-метод;
2 - Теневой;
3 – Зеркально-теневой.
Теневой – основан на посылки в контролируемое изделие упругих колебаний и регистрации изменения их интенсивности после однократного прохождения через металл. Ввод УЗ-контроля с одной стороны – прием (приемным преобразователем) с другой стороны.
Зеркально-теневой метод является разновидностью теневого. При контроле приемную и излучающую головки устанавливают с одной стороны изделия. Регистрация изменения интенсивности упругих колебаний осуществляется после их отражения от противоположной поверхности детали.
Схемы контроля с двумя преобразователями (излучающей и приемной), называются – раздельными. В практике используют совмещенную схему (один преобразователь выполняет поочередно функции излучателя и приемника) и раздельно-совмещенную схему прозвучивания (преобразователь имеет две совмещенные головки, соединенные параллельно).
УЗ-преобразователи подразделяют на прямые и наклонные. Прямые - генерируют только продольные волны, наклонные - сдвиговые и поверхностные. Глубину и ориентацию дефектов определяют с помощью наклонных преобразователей (угол ввода УЗ-волны 30 - 60°). Координаты h (глубина) и l (протяженность) выражаются по известным значениям времени t распространения УЗ-волны до дефекта и обратно, а также угла ввода α:
R=0,5Vttcosd=K1t
L=0,5Vttsinα=K2t
K1 и K2 – коэффициенты, учитывающие скорость Vt и уголα ввода сдвиговой волны.
Эти параметры автоматически рассчитываются в электронной части дефектоскопа и выдаются на блок цифрового отсчета (БЦО).
Для достоверности показаний, дефектоскоп настраивают на стандартных образцах по параметрам чувствительности и работоспособности глубиномера.
Чувствительность контроля оценивают наименьшей площадью надежно выявляемого дефекта в данном материале. Она зависит от частоты УЗ-колебаний, применяемой аппаратуры, акустических свойств материала детали, частоты обработки и кривизны поверхности, структурного материала, формы ориентировки и глубины залегания дефекта. В реальных условиях могут быть выявлены трещины площадью 1-10 мм2.
В эксплуатации используют портативные УЗ-дефектоскопы:
ДУК-66П, УД-11ПУ, УД2-12. Два последние прибора – базовые дефектоскопы нового поколения, реализующие все виды УЗК с автоматической обработкою сигналов.
Толщинометры (эхо-метод) применяют для оценки степени поражения коррозией внутренней стороны обшивки планера. Толщина определяется по времени задержки эхо-сигнала и известной скорости прохождения УЗ-волны. УТ-92, УТ-93П – малогабаритны, автономное питание, измерение широких диапазонов толщин с точностью до 0,1мм.
Особое место при УЗК занимает импедансный метод, основанный на различии механических импедансов бездефектного и дефектного участков изделия, определяемых в точке ввода колебаний.
Механических импеданс Zu – отношение возмущающей силы F к вызываемой ею колебательной скоростью V частиц среды в точке приложения силы: Zu=F/V. При возбуждении изгибных колебаний в конструкции последнее колеблется как единое целое и механический импеданс имеет максимальное значение. При нарушении сплошности конструкции механический импеданс будет изменяться. Этот метод подразделяется на амплитудный и фазовый.
Амплитудный – регистрируется изменение уровня сигнала на измерительном пьезоэлементе датчика.
Фазовый – дефект фиксируется по изменению фазы силы реакции изделия на датчик (клеевые соединения обшивки сотовых конструкций). Контроль ИМ соединений однородных слоев одинаковой толщины – невозможен. Дефектоскопы: ИАД - 3, ИАД - 2 - без фазового канала, АД - 40Н, АД-50У с комплектом датчиков - преобразователей. При контроле ось датчика не должна отклоняться от перпендикуляра более 10ْ. И.Л. используется когда модуль упругости материала велик (металлы, стеклотекстолит), а с низким модулем упругости (резина, пенопласт) - невозможен.