Ультразвуковой дефектоскоп: как работает и что находит

Ультразвуковой дефектоскоп посылает в деталь короткий импульс ультразвука и принимает эхо от трещин, пустот и границ материала. На экране A-скана положение эха показывает глубину отражателя, а высота эха — его отражающую способность. Прямыми датчиками ищут расслоения и пустоты, наклонными — дефекты сварных швов.

Принцип импульс-эхо

Метод основан на том, что высокочастотный звук проходит через твёрдый материал и отражается от скрытых дефектов и границ по предсказуемым законам. По руководству Evident:

• в дефектоскопии обычно используют частоты от 500 кГц до 10 МГц, человеческое ухо слышит примерно до 20 кГц;
• на мегагерцовых частотах звук плохо проходит через воздух и газы, но хорошо — через жидкости, металлы, пластики, керамику и композиты, поэтому между датчиком и деталью наносят контактную жидкость;
• высокочастотный ультразвук более направленный, чем слышимый звук, а короткая длина волны делает его чувствительным к небольшим отражателям.

Порядок работы:

1. Генератор подаёт на датчик электрический импульс, датчик излучает ультразвук.
2. Звук проходит через деталь. Если на пути есть трещина или несплошность, часть энергии отражается от неё, остальная идёт дальше до донной поверхности.
3. Приёмник усиливает и фильтрует вернувшиеся эхо-сигналы.
4. Прибор показывает их на калиброванной шкале глубины или расстояния, а стробы с сигнализацией отмечают эхо в заданной зоне.

Тот же принцип лежит в основе толщиномера, но толщиномер выдаёт одно число, а дефектоскоп показывает всю картину сигналов. Подробно о толщиномере — в статье «Ультразвуковой толщиномер: принцип работы и ограничения».

Из чего состоит дефектоскоп

Узел	Что делает
Генератор и приёмник	Формирует импульс возбуждения датчика, усиливает и фильтрует эхо. Амплитуда, форма импульса, демпфирование, усиление и полоса приёмника настраиваются для лучшего соотношения сигнал/шум
Тактовый генератор	Синхронизирует импульсы и задаёт калибровку по расстоянию
Обработка сигнала	От простого отображения амплитуды во времени до коррекции по расстоянию и тригонометрических расчётов для наклонного луча
Экран	Отображает сигнал на шкале глубины или расстояния
Регистратор	Сохраняет A-скан и настройки или выбранные данные: амплитуду, глубину, срабатывание сигнализации

Как читать A-скан

A-скан — основной вид отображения дефектоскопа. По горизонтали слева направо откладывается время прохождения импульса, то есть путь звука или глубина. По вертикали — амплитуда эха.

Что на экране	Что это значит (прямой датчик)
Только донное эхо	Звук прошёл до донной поверхности без помех
Эхо перед донным	Часть звука отразилась от дефекта. Положение эха показывает глубину, амплитуда связана с размером отражателя

Перед контролем записывают картину сигналов на заведомо годной детали: донное эхо и постоянные эхо от геометрии (пазы, фланцы). Шум от рассеяния на зёрнах материала не считают дефектом. Любое значимое эхо раньше донного указывает на трещину или пустоту, параллельную поверхности, и требует дальнейшего анализа глубины, размера и формы.

Прямые датчики

Прямой датчик вводит в деталь продольную волну перпендикулярно поверхности. Для прямого контроля используют контактные датчики, датчики с линией задержки, двухэлементные (раздельно-совмещённые) и иммерсионные.

Что находят: прежде всего трещины и расслоения, параллельные поверхности, а также пустоты и пористость.

Где применяют: листы, прутки, поковки, отливки; болты, пальцы подвесок и другие детали, в которых трещина может развиваться параллельно доступной поверхности; стеклопластик и композиты. Прямым датчиком проверяют и паяные соединения: при отсутствии сцепления эхо от границы становится сильнее, поэтому контроль ведут сравнением с годным образцом.

Наклонные датчики и контроль сварных швов

По данным Evident, контроль наклонным лучом — самый распространённый приём ультразвуковой дефектоскопии. Дефекты в сварных швах обычно не параллельны поверхности, а валик шва мешает поставить датчик сверху, поэтому шов прозвучивают сбоку под углом.

Наклонный датчик состоит из преобразователя и призмы (отдельной или встроенной). За счёт преломления на границе призмы и детали он вводит в металл поперечную волну. Стандартные углы преломления в стали — 45, 60 и 70 градусов. Луч идёт под заданным углом к донной поверхности, отражается от неё под тем же углом и уходит вверх. Перемещая датчик вперёд и назад, оператор проводит луч по всей высоте шва и по линиям сплавления.

Как выглядят типовые дефекты шва на A-скане по учебному руководству Evident:

Дефект	Характер сигнала
Непровар корня	Очень сильное отражение от корня шва, видно с обеих сторон
Несплавление	Сильное отражение с крутым фронтом и спадом со стороны разделки, с противоположной стороны слабее или отсутствует
Трещина в корне	Сигнал первой ветви луча рядом с эхом от проплава
Трещина у кромки	Сигнал второй ветви луча у верхней поверхности, рядом с эхом от валика
Поры и шлак	Группа эхо, форма и амплитуда которых быстро меняются при повороте датчика; обычно слабее, чем от плоских дефектов и крупных трещин

Evident прямо оговаривает: такие примеры служат для иллюстрации, а интерпретация сигналов всегда требует обучения и опыта оператора и знания требований конкретной методики.

Условная протяжённость. При обнаружении индикации датчик перемещают до максимума амплитуды, затем ведут поперёк дефекта и отмечают две точки, где амплитуда падает до 50 % от максимума (спад на 6 дБ). Расстояние между ними принимают за размер дефекта. Другие методики могут задавать иной опорный уровень.

Калибровка и эталонные образцы

Evident выделяет три вида калибровки.

Вид	Что делается	Чем
По скорости и нулю	Прибор вводит скорость звука в материале и поправку нуля (задержка в призме, кабеле, контактной жидкости), чтобы время перевести в расстояние	Двухточечный метод по двум отражателям с известным расстоянием, часто на образце IIW
Опорная (по эталону)	Задаётся опорная амплитуда сигнала, с которой сравнивают индикации в детали	Эталонные образцы по применяемой методике контроля; для наклонного датчика — образец IIW тип 1 или ASTM E-164, боковое отверстие
Сертификация прибора	Проверка линейности по горизонтали и вертикали	По стандарту, например ASTM E-317 или EN 12668

Важные правила:

• точность измерений не выше точности калибровки по скорости и нулю;
• образец должен быть из того же материала, что и деталь: калибровочные образцы выпускают из нескольких марок стали, алюминия и титана;
• скорость звука зависит от плотности, упругости, состава, структуры зерна и температуры.

Кривая DAC и TVG. Эхо от одинаковых отражателей ослабевает с глубиной из-за затухания и расхождения луча. Кривая DAC строится по отражателям одного размера на разной глубине: эхо от отражателя калибровочного размера попадает на кривую на любой глубине, больший отражатель даёт эхо выше кривой, меньший — ниже. TVG решает ту же задачу без кривой: усиление растёт с путём звука так, чтобы все опорные эхо были одной высоты, обычно 80 % экрана.

Ограничения

• Метод требует контактной жидкости или иммерсии: через воздушный зазор мегагерцовый ультразвук не проходит.
• Прямой луч плохо подходит для дефектов, не параллельных поверхности, поэтому сварные швы контролируют наклонным лучом.
• На экране присутствует шум от рассеяния на зёрнах материала, и оператор должен отличать его от индикаций дефектов.
• Результат зависит от калибровки, образцов и квалификации оператора. Учебные материалы не заменяют обучения, практики и требований применимых норм.

Когда хватит толщиномера, когда нужен дефектоскоп EPOCH, а когда фазированная решётка, разобрано в статье «Толщинометрия, дефектоскоп или PAUT».

Какой прибор выбрать

• Контроль сварных швов, сосудов, поковок с оценкой дефектов — EPOCH 650: DGS/AVG, DAC/TCG и AWS D1.1/D1.5 в стандарте.
• Работа одной рукой, на высоте и канатном доступе — EPOCH 6LT массой 890 г.

KEG TRK поставляет ультразвуковые дефектоскопы Evident (Olympus) в Казахстане. Цена по запросу.

Источники

• Evident. Ultrasonic Flaw Detection Tutorial.
• Evident. General Introduction.
• Evident. What is Ultrasound?.
• Evident. General Description.
• Evident. Calibration Concepts.
• Evident. 4.3 Typical Angle Beam Setup Procedure.
• Evident. 5.1 Straight Beam Tests.
• Evident. 5.2 Angle Beam Inspection.
• Evident. 6.6 Basic Waveform Interpretation.
• Evident. DAC/TVG.