Ультразвуковой контроль односторонних стыковых сварных соединений при использовании антенных решеток

КОНОВАЛОВ Н.Н.

д.т.н.

ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность»

МЕЛЕШКО Н.В.

НУЦ «КАСКАД» МГУПИ

Получены результаты контроля ультразвуковыми дефектоскопами с антенными решетками односторонних стыковых сварных соединений с их последующим вскрытием. Показаны акустические изображения различных типов дефектов. Предложены информационные признаки для определения характера выявленных дефектов. Рассмотрен способ измерения высоты непроваров в сварных соединениях по расстоянию между сигналами (фокусными пятнами).

Ключевые слова: ультразвуковой контроль, когерентные методы, антенная решетка, стыковое сварное соединение.

Наиболее распространенным и востребованным физическим видом неразрушающего контроля является ультразвуковой контроль (УЗК), к одному из главных преимуществ которого можно отнести высокую вероятность выявления наиболее опасных плоскостных дефектов: трещин, непроваров и несплавлений. Недостатком УЗК, кроме необходимости разработки специальных методик и технологических карт при дефектоскопии изделий различных типов, является сложная интерпретация результатов контроля.

В «классических» некогерентных методах УЗК используется только амплитудная характеристика акустического поля, а информация, содержащаяся в полях, рассеянных дефектами, не фиксируется. В последние годы в связи с развитием вычислительной техники перспективными к применению в УЗК стали когерентные методы визуализации дефектов. Когерентные методы используют больше информации о дефекте, что позволяет получать изображения с очень высоким разрешением - порядка длины волны, с хорошим соотношением сигнал/шум. Эти изображения в значительно большей степени зависят от фазовых составляющих измеренного акустического поля, рассеянного дефектами, чем от его амплитуды. В некогерентных методах получают изображение квадрата амплитуды поля, рассеянного несплошностью, в области регистрации, в когерентных - за счет дополнительной обработки данных получают изображение амплитуды поля в области залегания рассеивателей [1]. Анализ измерений поля позволяет сделать заключение о размерах, форме и ориентации выявленной несплошности. Когерентные методы реализуются в приборах, работающих с ультразвуковыми фазированными антенными решетками (ФАР).

Особую важность приобретает использование ФАР при УЗК сварных соединений небольшой толщины (от 6 до 20 мм). Существенно повышающий информативность контроля дифракционно-временной метод (time of flight diffraction - TOFD) УЗК, основанный на приеме волн, рассеянных на концах плоскостных дефектов, для объектов контроля (ОК) такой толщины практически не применяется.

ФАР представляет собой набор пьезоэлектрических элементов, расположенных на одной подложке. Самые распространенные типы ФАР - линейные. Дефектоскопы с ФАР формируют изображение в виде двумерного сечения из набора эхо-сигналов когерентными (синфазными) способами. На российском рынке ручного УЗК представлены два типа дефектоскопов с ФАР.

Первый тип приборов (например, «OmniScan» компании Olympus, «Х-32» компании Harfang Microtechniques и др.) обеспечивает электронное сканирование объекта контроля. На рисунках 1, 2, и 3 показан принцип формирования прямой антенной решеткой наклонного луча. В первый момент времени возбуждается крайний элемент ФАР (рис. 1), спустя некоторое время (рис. 2) - соседний, и т.д. Результирующий фронт (рис. 3) оказывается под углом к поверхности. Угол ввода УЗ луча - линия, перпендикулярная фронту. Меняя времена задержек возбуждения элементов, можно управлять углом ввода. На экране дефектоскопа наблюдается результат в виде S-ската - двумерного изображения, полученного из множества A-сканов, из одного положения преобразователя под различными углами ввода. Обычный S-скан представляется в диапазоне углов с использованием одного фокусного расстояния. Для ввода в объект контроля поперечной волны ФАР устанавливают на призму. Изменяя задержку сигналов возбуждения каждого элемента решетки, можно также изменить фокусировку. Используются фокусировки по «постоянному пути», по «постоянному смещению» или по «постоянной глубине». В поставляемых дефектоскопах с ФАР для ручного УЗК не реализована поочередная фокусировка пучка на разные глубины (DDF - Dynamic Depth Focusing).

Другой тип оборудования с ультразвуковыми антенными решетками (АР) реализует алгоритм фокусируемой синтезируемой апертуры (SAFT - Synthetic Aperture Focusing Technique). Используются данные об амплитуде эхо-сигналов и времени их прихода в каждую точку приемной апертуры решетки. Зондирование выполняется поочередно каждым элементом решетки, прием производится сразу всеми элементами при каждом зондировании. Полный набор принятых сигналов содержит сигналы, полученные при всех возможных сочетаниях излучающего и приемного элементов решетки. Временной интервал приема сигналов равен времени распространения ультразвука от решетки до наиболее удаленной точки в ОК. Каждый принятый сигнал содержит эхо-сигналы от возможных отражателей и шум от структуры материала и границ ОК. Суммирование выборок эхо-сигналов определяет яркость или цвет каждой точки изображения. В результате величина сигнала в каждой точке изображения эквивалентна сигналу фокусирующего УЗ преобразователя, сфокусированного в соответствующую точку сечения ОК. Подробно этот метод описан в [2, 3] и реализован в ультразвуковом приборе «А1550 IntroVisor» (ООО «АКС»).

Надо понимать, что фокусные пятна - это не реальные размеры дефектов, а некая проекция, образ дефекта или его части, характеризующейся способностью отражать или рассеивать УЗ волны. При прозвучивании преобразователем с одним углом ввода, вблизи дефекта возникает область, которая содержит зоны с переменным акустическим давлением. Если бы ультразвук распространялся только по законам геометрической оптики, то при отображении информации о сигнале в плоскости изображения объекта получилась бы точка, интенсивность изображения которой была бы пропорциональна амплитуде. При прозвучивании пучком лучей на экране вместо точки с координатами места отражения появляется размытое пятно. При прозвучивании под двумя углами неопределенность уменьшается. При дальнейшем увеличении количества лучей под разными углами область положения точки, где происходит отражение лучей, сужается. Однако говорить, что размер дефекта соответствует размеру фокусного пятна, неверно.

Для оценки возможностей повышения информативности УЗК сварных соединений небольшой толщины при использовании дефектоскопов, работающих с АР, контролировались образцы сварных соединений (рис. 4), которые затем вскрывались. Исследовались широко применяемые в конструкциях различных машин и оборудования односторонние со скосом одной кромки стыковые сварные соединения (тип C8 по ГОСТ 5760-80, рис. 5) из стали 09Г2С толщиной 8 и 10 мм. Ставились задачи установления информационных признаков для определения характера выявленных дефектов, подготовки «атласа изображений дефектов» и оценки возможности измерения реальной высоты плоскостных дефектов (непроваров) на основе приема волн, рассеянных на их концах.

Следует отметить, что в ряде случаев полученное с помощью АР изображение дефекта позволяет определить его реальные размеры. Например, можно довольно точно определить высоту такого распространенного плоскостного дефекта как непровар (рис. 6). При выявлении непровара в корне одностороннего сварного соединения на экране присутствуют два фокусных пятна, одно из которых является сигналом от углового отражателя, образованного двугранным углом пластины соединения, а другое - сигналом от дифракционного рассеяния на конце непровара. По расстоянию между фокусными пятнами можно определить размер (высоту) непровара, а не получаемый при работе с классическими УЗ дефектоскопами и преобразователями условный размер дефекта.

Таблица 1. Результаты измерения пропилов

Особенности выявления плоскостных несплошностей предварительно оценивались при выявлении пропилов, которые хорошо моделируют непровары в корне односторонних сварных соединений. На образце толщиной 10 мм были выполнены пропилы высотой 1, 2, 3 и 4 мм. Изображения экранов прибора А1550 IntroVisor от пропилов высотой 2, 3 и 4 мм приведены на рисунках 7-9. На рисунках слева показаны амплитуды и координаты сигналов от углового отражателя, на правом - амплитуды и координаты сигналов от дифракционного рассеяния на вершинах пропилов.

Пропил высотой 1 мм (рис. 10) можно оценить только по амплитуде сигнала от угла, т.к. не вполне корректно различать дефекты, размеры которых и/или расстояние между ними порядка длины волны ультразвука и менее.

В таблице 1 и на рисунках 11, 12 приведены значения амплитуд сигналов от начала и вершины пропила, а также полученные значения высоты пропила, измеренной по фокусным пятнам.

Погрешность измерения высоты пропила по расстоянию между амплитудами фокусных пятен, составляет не более 5% (рис. 11).

Таким образом, чем больше высота пропила, тем больше амплитуда сигнала от начала пропила (рис. 12), а разница амплитуд между сигналами от начала и вершины пропила (рис. 13) составляет более 6 дБ.

Вскрытие образцов осуществлялось срезами (рис. 14) и последующими изломами (рис. 15, 16). В зафиксированных при УЗК точках были измерены реальные высоты непроваров.

Результаты при контроле со стороны без скоса кромок достаточно легко интерпретируются. Например, результаты УЗК на расстоянии 41 мм от начала сканирования, т.е. начала образца (рис. 14) со стороны без скоса кромки показаны на рис. 17.

Можно довольно точно определить высоту непровара по расстоянию между фокусными пятнами. При этом амплитуда сигнала от начала непровара больше амплитуды сигнала от конца непровара более чем на 6 дБ. Погрешность измерения высоты непровара составляет не более 20% (рис. 18).

Корреляции между амплитудами сигналов от начала непровара или конца непровара с реальной высотой непровара получить не удалось. Однако установлено, что разница амплитуд между сигналами от начала и конца непровара вне зависимости от высоты непровара всегда больше 6 дБ (рис. 19).

При контроле со стороны скоса кромки на экране может появиться сигнал не только от дифракционного рассеяния на конце, но и сигнал, соответствующий зеркальному отражению от скоса кромки (рис. 20, 21). В этом случае амплитуда сигнала от угла может быть меньше амплитуды сигнала от скоса кромки. На рис. 21 слева показаны амплитуда и координаты сигнала от угла, на рис. 21 справа - сигнала от зеркального отражения со стороны скоса. К сожалению, напрямую по расстоянию между фокусными пятнами определять высоту непровара не удается. Контролируемые сварные соединения также содержали поры (рис. 22, 23).

На рис. 23 присутствует несколько фокусных пятен от начала непровара (рис. 23а), поры (рис. 23б), скоса кромки (рис. 23в), конца непровара.

УЗК и последующее вскрытие сварных соединений показали, что при контроле со стороны без скоса кромок возможно довольно точно (погрешность менее 20%) определить высоту непровара. Высота непровара определяется по разнице координат двух фокусных пятен разной амплитуды сигналов от начала и конца непровара. При контроле со стороны скоса не всегда удается получить сигнал от конца непровара, т.к. его экранирует довольно большой сигнал, получаемый от скоса кромки. Дополнительный информационный признак, по которому можно судить об отражателе, это разница амплитуд. Если разница амплитуд сигналов от начала и конца предполагаемого непровара положительная и составляет более 6 дБ, то сигнал получен от дифракционного рассеяния на конце непровара.

Следует отметить, что важным преимуществом использования дефектоскопов с АР является повышение информативности эксплуатационного неразрушающего контроля, так как благодаря дополнительным информационным признакам, позволяющим идентифицировать характер выявленных дефектов, расширяются возможности по оценке степени опасности дефектов, возникших в процессе эксплуатации оборудования.

Выводы:

1.         Использование ультразвуковых дефектоскопов с антенными решетками позволяет в ряде случаев на основе измерений расстояний между фокусными пятнами на акустических изображениях перейти от дефектоскопии к дефектометрии.

2.         Анализ акустических изображений, получаемых при контроле с антенными решетками, дает дополнительные информационные признаки, позволяющие идентифицировать характер выявленных дефектов.

3.         Применение антенных решеток расширяет возможности по оценке степени опасности дефектов, возникших в процессе эксплуатации оборудования.

Список литературы

1.         Бадалян В.Г., Базулин Е.Г., Вопилкин А.Х. и др. Ультразвуковая дефектометрия металлов с применением голографических методов/ под ред. А.Х. Вопилкина. - М.: Машиностроение, 2008.-368 с

2.         Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. Сканирование в ультразвуковой томографии. - В мире НК, 2010, №3(49), с.7-10.

Воронков В.А., Воронков И.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. О применимости технологии антенных решеток в решении задач УЗК опасных производственных объектах. - В мире НК, 2011, №1(51), с.64-70.