Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Ультразвуковая дефектоскопия — это способ неразрушающего контроля, при котором в металл вводят упругие колебания ультразвукового диапазона и по отражённым сигналам судят о внутренних нарушениях сплошности. Понять, как работает ультразвуковая дефектоскопия, проще всего через последовательность «ввод волны → распространение в металле → отражение от дефекта → приём эха → расшифровка». Именно так выявляют трещины, непровары, поры и включения в сварных швах и основном металле, не разрушая и не разрезая изделие.
Метод относится к акустическому виду неразрушающего контроля и опирается на физику распространения упругих волн в твёрдом теле. Ниже разобраны физические основы, принцип ввода и приёма волн, эхо-метод и его альтернативы, ключевые параметры контроля и порядок настройки аппаратуры по образцам.
В основе метода лежит акустический неразрушающий контроль — анализ параметров упругих волн, возбуждаемых в объекте. Колебания с частотой выше 20 кГц относят к ультразвуковому диапазону, поэтому для них применим термин «ультразвуковой». В сплошном однородном металле упругая волна распространяется направленно и затухает плавно. Как только на её пути встречается граница раздела двух сред с разным акустическим сопротивлением — например, металл и заполненная воздухом полость трещины, — часть энергии отражается обратно к источнику.
Акустическое сопротивление (импеданс) среды равно произведению плотности на скорость распространения волны: Z = ρ · c. Доля отражённой по амплитуде энергии на границе нормального падения определяется соотношением импедансов двух сред.
Z = ρ · c
R = ((Z₂ − Z₁) / (Z₂ + Z₁))
Z₁
Z₂
Z = ρ·c
Чем резче перепад акустического импеданса на границе, тем сильнее отражённый сигнал — поэтому заполненные воздухом дефекты дают самые мощные эхо-сигналы.
Колебания возбуждает пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП): к пьезоэлементу подводят короткий электрический импульс, он деформируется и излучает в металл механическую волну (обратный пьезоэффект). Тот же элемент принимает вернувшееся эхо и преобразует его обратно в электрический сигнал (прямой пьезоэффект). Историческая основа метода в отечественной школе связана с работами С. Я. Соколова, который в 1928 году предложил использовать ультразвук для обнаружения внутренних пороков металла.
При ультразвуковом контроле сварных соединений используют несколько типов упругих волн: продольные, поперечные (сдвиговые), поверхностные и продольные подповерхностные (головные). Различаются они направлением колебаний частиц относительно направления распространения и, как следствие, скоростью. Скорость — ключевой параметр: через неё дефектоскоп пересчитывает время прихода эха в глубину залегания отражателя.
Поперечная волна примерно вдвое медленнее продольной, поэтому при той же частоте имеет меньшую длину волны и обеспечивает более тонкое разрешение по дефектам. Для контроля сварных швов это решающее преимущество, поэтому наклонные преобразователи работают именно на поперечной волне.
Ультразвуковой импульсный дефектоскоп формирует короткий зондирующий импульс, который ПЭП преобразует в волну и вводит в металл через поверхность. Чтобы колебания прошли из преобразователя в изделие без потерь на тонкой воздушной прослойке, между ними наносят контактную (акустическую) смазку — гель, масло или воду. Без неё воздушный зазор почти полностью отражал бы сигнал ещё на входе.
Прямой ПЭП вводит волну перпендикулярно поверхности и «смотрит» вглубь — он удобен для контроля основного металла и измерения толщины. Для сварного шва нужен ввод под углом: на пути прямой волны мешает валик усиления, а дефекты в шве чаще ориентированы вертикально. Наклонный ПЭП с призмой из оргстекла преломляет волну так, что в стали распространяется поперечная волна под рабочим углом ввода. Подбором угла призмы добиваются того, чтобы в металле остался только поперечный тип волны, — это упрощает расшифровку.
На экране дефектоскопа в режиме развёртки типа A по горизонтали откладывается время (то есть путь ультразвука), по вертикали — амплитуда принятого сигнала. Зондирующий импульс, донный сигнал от противоположной поверхности и эхо-сигнал от дефекта располагаются на развёртке на разном времени. По положению пика судят о глубине отражателя, по амплитуде — о его условной величине, по перемещению ПЭП вдоль шва — о протяжённости несплошности.
Действующий стандарт на ультразвуковой контроль сварных соединений разделяет методы по принципу регистрации сигнала на две группы: методы отражённого излучения и методы прошедшего излучения, а также их сочетания. На практике базовым остаётся эхо-импульсный метод как наиболее универсальный и не требующий двустороннего доступа.
Эхо-импульсный метод требует доступа лишь с одной стороны, даёт прямую оценку глубины залегания и одинаково хорошо работает по объёмным (поры, включения) и плоскостным (трещины, непровары) дефектам. Его слабое место — «мёртвая зона» у поверхности ввода, где эхо от дефекта сливается с зондирующим импульсом. Теневые и дифракционные способы используют как дополняющие, когда нужна оценка по всей толщине или независимое измерение высоты дефекта.
Достоверность контроля определяется правильным выбором рабочей частоты, угла ввода и чувствительности. Эти параметры назначают в технологической документации под конкретный типоразмер соединения.
Преобразователи общего назначения выпускают на номинальные частоты в широком диапазоне — приблизительно от 0,5 до 30 МГц. Чем выше частота, тем короче длина волны, тоньше разрешение и выше чувствительность к мелким дефектам, но тем сильнее затухание и рассеяние на структуре металла. Поэтому высокочастотные ПЭП применяют для тонких мелкозернистых изделий, а более низкие частоты — для толстого и крупнозернистого металла, где важна проникающая способность.
Угол ввода задаётся призмой наклонного ПЭП и связан с преломлением волны на границе «призма — металл» по закону, аналогичному закону Снеллиуса. По мере роста угла падения сначала исчезает преломлённая продольная волна (первый критический угол), а затем — поперечная (второй критический угол). Между этими углами в металле существует только поперечная волна, что и используют при контроле швов. Для пары «оргстекло — сталь» рабочий диапазон углов призмы подобран так, чтобы возбуждать чистую поперечную волну.
Перед контролем дефектоскоп с преобразователем настраивают по стандартным образцам — мерам с известной геометрией и аттестованными акустическими свойствами. По ним проверяют точку выхода и угол ввода луча, глубиномер, мёртвую зону, разрешающую способность и задают уровень чувствительности. Чувствительность дополнительно настраивают по настроечным образцам с искусственными отражателями, изготовленным из материала, аналогичного контролируемому.
Образец СО-1 изготавливают из органического стекла; для него нормирована скорость продольной волны на частоте 2,5 ± 0,2 МГц при температуре 20 ± 5 °C, равная 2670 ± 133 м/с. Стабильная скорость в оргстекле позволяет проверять глубиномер и разрешающую способность независимо от стального изделия.
Ультразвуковой контроль сварных соединений предназначен для обнаружения несплошностей: трещин, непроваров, пор, неметаллических и металлических включений. При этом стандарт на метод не регламентирует определение реального типа, формы и истинных размеров дефекта — фиксируются эквивалентные и условные характеристики (амплитуда, условные размеры, координаты), по которым несплошность относят к допустимой или к браковочной.
Необходимость, объём контроля и браковочные нормы устанавливают в стандартах или конструкторской документации на конкретную продукцию.
Ультразвук обеспечивает большую глубину прозвучивания при одностороннем доступе, высокую чувствительность к плоскостным дефектам (трещинам, непроварам), мгновенный результат и отсутствие ионизирующего излучения. По выявляемости вертикальных трещин он часто превосходит радиографический контроль.
Метод чувствителен к структуре металла: крупное зерно и аустенитная структура сильно рассеивают и затухают ультразвук, снижая достоверность. У поверхности ввода существует мёртвая зона. Результат во многом зависит от квалификации оператора и корректности настройки, а тип и истинная форма дефекта стандартным эхо-методом напрямую не определяются.
Преобразователь вводит в металл короткий ультразвуковой импульс. В сплошном металле волна идёт дальше, а на дефекте — границе с воздухом — почти полностью отражается. Вернувшееся эхо тот же преобразователь принимает и преобразует в сигнал. По времени прихода эха прибор вычисляет глубину дефекта, по амплитуде — его условную величину.
Дефект (трещина, пора, непровар) — это граница между металлом и воздухом или включением с другим акустическим импедансом. Чем резче перепад импеданса, тем больше доля отражённой энергии. Для границы «сталь — воздух» отражается практически вся волна, поэтому несплошность даёт чёткий эхо-сигнал.
В эхо-методе один преобразователь и излучает, и принимает, а признаком дефекта служит появление отражённого сигнала; доступ нужен с одной стороны. В теневом методе излучатель и приёмник стоят с разных сторон, а о дефекте судят по ослаблению прошедшей волны; требуется двусторонний доступ.
Даже тончайшая воздушная прослойка между преобразователем и металлом почти полностью отражает ультразвук и не даёт ввести его в изделие. Гель, масло или вода вытесняют воздух и обеспечивают акустический контакт, через который волна проходит в металл.
Трещины, непровары, поры, неметаллические и металлические включения внутри шва и околошовной зоны. При этом метод фиксирует условные и эквивалентные характеристики несплошности, а её точный тип и истинные размеры стандартным эхо-методом не определяются.
Прямой ввод перекрывается валиком усиления шва, а дефекты в шве часто ориентированы вертикально и плохо отражают волну, идущую сверху. Наклонный ПЭП вводит поперечную волну под углом, прозвучивает шов сбоку и зигзагом по толщине и лучше «ловит» плоскостные дефекты.
Образцы с известной геометрией и аттестованной скоростью волн позволяют привязать показания прибора к реальным размерам и глубинам: проверить угол ввода и точку выхода луча, откалибровать глубиномер, задать уровень чувствительности и оценить мёртвую зону. Без настройки результаты несопоставимы.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.