Зарубка і бічне циліндричний отвір, shearwave

Зарубка та бічний циліндричний отвір

Мелешко Н.В., НУЦ «КАСКАД» МГУПД Петров А.А., ВАТ «РосЕК»

Аннотація У статті порушується питання про перехід при налаштуванні ультразвукових дефектоскопів від плоских кутових відбивачів до бокових циліндричних отворів. Наведено теоретичні розрахунки та наведено результати експериментів.

В даний час у кожній галузі промисловості діють свої нормативно-технічні документи з неруйнівного контролю, що вказують розмір допустимої непорушності. При ультразвуковому контролі найчастіше критерієм «шлюбу» є перевищення амплітудою сигналу від знайденої несплошности рівня, що визначається сигналом від плоского кутового відбивача (зарубки). Рівень може називатися «бракувальним» [3, 4], «першим бракувальним» [5], у деяких документах для його завдання використовують поправочні коефіцієнти [6]. Для вимірювання умовної довжини використовують «контрольні» [3,4], «другі бракувальні» [5], «пошукові» рівні. Особливо слід зазначити, що норми допустимості дефектів зазвичай не розрахунковими, а призначаються вольовим рішенням і у різних країнах, галузях і фірмах норми за одним і тим самим сполукам різняться до 10 разів і більше (рис. 1).

Малюнок 1 Залежність Sекв від товщини зварного з'єднання відповідно до різних нормативних документів

В одних документах регламентовано проводити контроль для кожного діапазону товщин п'єзоелектричними перетворювачами з певним кутом введення та частотою [4, 7], в інших документах [3] дозволяється фахівцеві самому вибрати із запропонованого діапазону кут введення та частоту перетворювача. Існують документи [5], де не вказано кутвведення та частота перетворювача для проведення контролю. У фахівців, завданням яких варто проконтролювати виріб у відповідність до зарубіжних норм, виникає питання, чи можна підібрати зарубку, яка відповідає бічному циліндричному отвору діаметром 3 мм, найбільш поширеному як завдання рівнів контролю за зарубіжними стандартами [8]. У літературі з ультразвукового контролю [1, 2] наведено формули акустичного тракту для бічного циліндричного отвору та для плоскодонного відбивача, до якого можна віднести зарубку з введенням поправочного коефіцієнта [9]. Формули для розрахунку акустичного тракту похилого поєднаного ПЕП з круглим п'єзоелементом наступні:

де: Ad – амплітуда прийнятого перетворювачем сигналу від плоскодонного відбивача; Ac – амплітуда прийнятого перетворювачів сигналу від бічного циліндричного отвору; A0 – амплітуда випромінюваного сигналу; D – коефіцієнт проходження через межу розділу; S – площа випромінювача; s – площа диска; α – кут введення; λ – довжина хвилі; r – відстань між ПЕП та відбивачем; β – кут нахилу призми; b - радіус циліндричного отвору; δ - коефіцієнт загасання. Еквівалентна площа бокового циліндричного отвору після перетворень дорівнює:

Зі збільшенням глибини залягання бічного циліндричного відбивача амплітуда змінюється згідно із законом

зі збільшенням залягання плоскодонного відбивача (диска, зарубки) амплітуда змінюється згідно із законом . Використовуючи наведені формули, отримаємо криві, за якими можна визначити на потрібній відстані по променю еквівалентну площу, що відповідає бічному циліндричному відбивачу діаметром 3 мм (рис. 2).

Малюнок 2 Залежність Sекв дляциліндричного відбивача діаметром 3 мм

На рис. 3 і 4 наведені графіки, за якими можна визначити на потрібній глибині еквівалентну площу і розміри зарубки, відповідні бічному циліндричному відбивачі діаметром 3 мм залежно від кута введення, що використовується: 60°, 65° або 70°.

Малюнок 3 Залежність площі плоскодонного відбивача (Sекв) для циліндричного отвору діаметром 3 ммМалюнок 4 Залежність площі зарубки для циліндричного отвору діаметром 3 мм З теоретичних розрахунків слід, що зі збільшенням відстані по променю сигнал від бічного циліндричного відбивача повинен зменшуватися слабше, ніж від зарубки, тобто. Для отримання однакового сигналу від бічного циліндричного відбивача та від зарубки зі збільшенням відстані по променю, розміри зарубки слід збільшувати. Необхідно перевірити, чи спостерігається подібна залежність практично. Дослідження проводилися на ультразвуковому дефектоскопі А1212 МАЙСТЕР із перетворювачами П121-5-65 та П121-5-70 з діаметрами п'єзоелементів 6 мм. Використані 46 стандартних зразків підприємств товщинами від 6 до 20 мм із зарубками розмірами від 1,5×1,4 мм до 4×3,5 мм. Отримано амплітуди сигналів на прямому і одноразово відбитому променях. Для порівняння норм бракування за українськими нормативними документами із закордонними зафіксовано сигнали від циліндричного отвору діаметром 3 мм на глибинах від 4 до 25 мм. Для виключення впливу зазначеного в [9] коефіцієнт N отримані амплітуди від плоскодонних відбивачів діаметрами 1, 2, 3, 4, 5, 6 і 7 мм.

де: N - розмір ближньої зони; a – радіус п'єзоелементу; λ – довжина хвилі; α – кут введення; β – кут нахилу призми.

Отже, при куті 65° на глибині понад 4 мм і при куті 70° на глибинібільше 3 мм ближня зона закінчилася, та вимірювання здійснюємо у дальній зоні. Кожна крива на рис. 5 (кут введення 65°) та рис. 6 (кут введення 70°) відповідає значенню амплітуд, отриманих від плоскодонних отворів (Sп), від зарубок з введенням поправочного коефіцієнта N [9] (Sекв по зарубці) і від циліндричного отвору діаметром 3 мм.

Малюнок 5 Амплітуди сигналів для різних типів відбивачів отримані перетворювачем з кутом введення 65°Малюнок 6 Амплітуди сигналів для різних типів відбивачів отримані перетворювачем з кутом введення 70° Висновок, зроблений за результатами теоретичних припущень, практично однозначно не підтвердився. На товщинах від 10 до 20 мм крива, побудована за сигналами від бічного циліндричного відбивача, по амплітуді наближена до кривої, отриманої по зарубках з Sекв=1,5÷2,0 мм. Чим більша відстань, тим потрібніший менший розмір зарубки для налаштування відповідно до вимог [8]. Одним з пояснень розбіжності експериментів і теоретичних розрахунків є те, що формули акустичного тракту вірні за умови, якщо розмір відбивача набагато менше діаметра п'єзоелемента перетворювача та/або на амплітуду сигналу сильно впливає дифракція на отворі діаметром 3 мм. Також при порівнянні амплітуд сигналів від плоскодонних відбивачів та зарубок з аналогічною еквівалентною площею виявилася невідповідність: амплітуда сигналу від плоскодонного відбивача трохи більше, ніж амплітуда від зарубки з відповідною еквівалентною площею. Виготовлення зарубок з точними розмірами досить складна операція. Безумовно, вони добре імітують непровари в односторонніх стикових зварних з'єднаннях. За сигналами, отриманими на прямому та одноразово відбитим променями, частоналаштовують зону контролю, ВРЧ. Але, можливо, для завдання рівня рівня зручніше використовувати більш технологічний бічний циліндричний отвір? І ще одна важлива міркування говорить на користь бічного циліндричного відбивача - впровадження в практику неруйнівного контролю дефектоскопів, що працюють з антенними ґратами. При традиційному використанні зарубки для одержання рівня бракування спостерігаємо дві плями – одну, утворену сигналами від кута, іншу – сигналами від кінця зарубки (рис. 7).Малюнок 7 Зображення на приладі А1550 IntroVisor зарубки розміром 2,5x2 мм на глибині 12 мм

У зв'язку з великою кількістю перетворювачів з різними розмірами та характеристиками потрібне проведення серйозних додаткових досліджень для отримання зв'язку сигналів від плоскодонних відбивачів, зарубок та циліндричних отворів.

---