Ультразвуковой контроль сварных соединений. Ультразвуковой контроль сварных соединений, методы и технология контроля Инструкция по проведению узк сварных швов

Одним из основных методов неразрушающего контроля является ультразвуковой метод контроля (УЗК ). Впервые осуществить неразрушающий контроль ультразвуковой волной пытались еще в 1930 году. А уже спустя 20 лет ультразвуковой контроль качества сварных соединений приобрел наибольшую популярность, по сравнению с другими методами контроля качества сварки. Кроме того, для некоторых изделий он стал обязательным.

Суть ультразвукового метода заключается в излучении в изделие и последующем принятии отраженных ультразвуковых колебаний с помощью специального оборудования – ультразвукового дефектоскопа и пьезоэлектропреобразовател-я(-ей) и дальнейшем анализе полученных данных с целью определения наличия дефектов, а также их эквивалентного размера, формы (объемный/плоскостной), вида (точечный/протяженный), глубины залегания и пр.

Параметры выявленных дефектов определяются с помощью ультразвуковых дефектоскопов. Так например, п о времени распространения ультразвука в изделии (если известна скорость ультразвука скорость распространения ультразвуковых волн в различных материалах) в данном металле) определяют расстояние до дефекта, а по амплитуде отраженного импульса – его относительный размер.

Для проведения ультразвукового контроля в зависимости от конкретных условий (марки материала, его толщины, геометрических особенностей поверхностей контроля, минимально выявляемых размеров дефектов и др.) имеется достаточно широкий ассортимент средств контроля.

На сегодняшний день существует пять основных методов УЗК : теневой, зеркально-теневой, зеркальный, дельта-метод и эхо-метод. В промышленности ультразвуковой контроль металла проводят, как правило, в диапазоне ультразвуковых волн от 0,5 МГц до 10 МГц. В отдельных случаях неразрушающий контроль сварных швов проводится ультразвуковыми волнами с частотой до 20 МГц, что позволяет выявлять очень небольшие дефекты. Ультразвук низких частот применяют при: работе с объектами большой толщины (ультразвуковой контроль отливок, поковок, сварных соединений выполненных электрошлаковой сваркой); контроле металлов, имеющих крупнозернистую структуру (чугун, медь, аустенитные стали) и большое затухание – “плохо проводят ультразвук”.

К главным преимуществам ультразвукового контроля качества металлов и сварных соединений относятся:

• высокая точность и скорость исследования, а также его низкая стоимость;
• безопасность для человека (в отличие, к примеру, от рентгеновской дефектоскопии;
• высокая мобильность вследствие применения портативных ультразвуковых дефектоскопов;
• возможность проведения ультразвукового контроля (в отдельных случаях) на действующем объекте, т.е. на время проведения УЗК не требуется выведения контролируемой детали/объекта из эксплуатации.
• при проведении УЗК исследуемый объект не повреждается;

К основным недостаткам УЗК относятся:

• при ультразвуковой дефектоскопии невозможно дать ответ на вопрос о реальных размерах дефекта, т.к. размер дефекта определяется его отражательной способностью и поэтому по результатам контроля дается эквивалентный размер дефекта (например: имеющиеся в изделии два реальные дефекта одного размера и формы, расположенные на одной глубине, но один из которых заполнен воздухом, а другой шлаком будут давать отраженные импульсы различной амплитуды и, соответственно оценены как дефекты, имеющие различные размеры). Следует отметить, что, некоторые дефекты в силу их характера, формы или расположения в объекте контроля практически невозможно выявить ультразвуковым методом. Кроме того, затруднителен контроль деталей небольшой размера и толщины, а также деталей, имеющих сложную форму с криволинейными и сферическими поверхностями малого радиуса. Кроме того, при проведении ультразвукового контроля в отличие от радиографического, как правило, невозможно однозначно охарактеризовать дефект (шлаковое включение, пора, вольфрамовое включение и др.);
• трудности при ультразвуковом контроле металлов с крупнозернистой структурой, из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука.
• подготовка поверхности контроля к контролю, для ввода ультразвуковых волн в металл, а именно: очистка поверхности контроля от загрязнений, отслаивающейся окалины, ржавчины, брызг расплавленного металла и др. и создание необходимой шероховатости поверхности не хуже Rz 40 и волнистости не более 0,015, т.к. даже небольшой воздушный зазор между пьезоэлектропреобразователем (ПЭП) пьезоэлектропреобразователи для проведения ультразвукового контроля) и изделием может стать неодолимой преградой для распространения ультразвуковых волн;
• необходимость нанесения на контролируемый участок изделия после его зачистки непосредственно перед выполнением контроля контактных жидкостей (специальные гели, глицерин, машинное масло, и др.) для обеспечения стабильного акустического контакта;

Ультразвуковой Контроль

наряду с другими физическими методами (рентгенографический контроль, капиллярный контроль, магнитно-порошковый контроль) является надежным и высокоэффективным средством для выявления возможных дефектов. Требует наличия специально подготовленных специалистов, специализированного оборудования и вспомогательных средств контроля, и, кроме того, предъявляет особые требования к подготовке поверхности изделия под контроль.

Некоторые производители в целях экономии или некомпетентности игнорируют проведение неразрушающего контроля продукции или вспоминают о нём только на последней стадии - уже непосредственно перед сдачей объекта (а это приводит к дополнительной потери времени и непредусмотренным расходам), когда контроль бывает технически неосуществим. Подобное отношение к контролю качества чаще всего приводит к аварийным ситуациям в процессе эксплуатации и способно привести даже техногенным катастрофам.

Обращайтесь к нам вовремя!

Наша лаборатория неразрушающего контроля качественно выполнит ультразвуковой контроль сварных швов, основного металла , проведет толщинометрию (измерение толщины стенки) трубопроводов, емкостей, сосудов и металлоконструкций различного назначения.

Неразрушающий контроль соединений – современный метод диагностики наличия и глубины дефектов в узлах и деталях. В отношении оценки последующей работоспособности сварных соединений особенно эффективной признана ультразвуковая дефектоскопия. Дело в том, что в подавляющем большинстве производственных ситуаций имеющиеся неоднородности сварного шва располагаются так, что хорошо отражают именно акустические волны сверхвысокой частоты. Этот метод проверки и заключает в себе ультразвуковой дефектоскоп.

В чём заключается эффективность неразрушающего контроля сварных соединений?

Идеально однородные среды в процессе взаимодействии с источником ультразвуковых колебаний не ослабляют амплитуду звуковых волн. Совсем иное происходит, если сканируются реальные объекты. При наличии в них участка с искажениями первоначальной структуры всегда наблюдается существенное искажение и уменьшение амплитуды звукового давления, которое количественно проявляется в виде ослабления или даже полного поглощения ультразвуковых волн.

Интенсивность таких искажений устанавливается законом ослабления

P=Р 0 exp(-αd),

где: Р 0 – исходное значение амплитуды звукового давления; Р – значение на выходе из диагностируемого сварного шва; d – толщина шва; α – коэффициент ослабления.

Поскольку параметр d чаще представляют как расстояние до источника ультразвукового излучения, то считается, что звуковая волна имеет вид полусферы, а потому ослабление будет равномерным по всем направлениям. В практике измерений оно обычно устанавливается в децибелах (дБ), поэтому может быть вычислено по формуле

α = 20/d∙lg(P 0 /Р)

Промышленный ультразвуковой дефектоскоп, применяемый для определения сплошности и качества сварных швов, оценивает интенсивность эхо-сигнала, которая пропорциональна амплитуде звукового давления:

где: Н 0 и Н соответственно — амплитуды звукового сигнала на входе и выходе из прибора.

Для практически применяемого диапазона частот 1…15 МГц (что и случается для подавляющего большинства металлических изделий) интенсивность эхо-сигналов соотносится с относительным ослаблением ультразвукового сигнала следующими соотношениями:

Из представленной таблицы следует, что применение оценочного критерия логарифмической интенсивности ультразвукового сигнала может эффективно фиксировать изменения в его амплитуде.

Причинами ослабления ультразвуковых волн происходит вследствие поглощения и рассеивания сигналов. Энергия поглощения превращает колебательную энергию в тепловую. Она пропорциональна частоте ультразвуковых колебаний, поэтому ультразвуковые дефектоскопы для контроля сварных соединений изготавливаются с максимально возможными генерируемыми частотами.

С повышением частоты облегчается фокусировка прибора, благодаря чему распознавание неоднородностей или дефектов улучшается. При этом должны соблюдаться следующие условия:

1. Размер оцениваемой неоднородности должен быть больше половины длины волны.
2. Направление сканирования должно быть перпендикулярным направлению хода звукового луча.
3. Прибор не должен использовать так называемые критические частоты (для металлических конструкций это, например, частоты близкие к 6 МГц), при которых из-за явления дифракции ультразвуковых волн чувствительность метода резко снижается.

Энергия рассеивания более существенна для поликристаллических тел. Поэтому для крупнозернистых структур (например, чугуна) ультразвуковая дефектоскопия малочувствительна. Также неэффективно ультразвуковое сканирование при пониженных температурах окружающей среды.

Для получения ультразвуковых колебаний применяются два вида источников: магнитострикционные генераторы и пьезоэлектрические преобразователи. Каждое из устройств имеет свои рациональные области применения.

Конструкции ультразвуковых пьезоэлектрических дефектоскопов

Пьезоэффект заключается в том, что при силовом воздействии на определённые кристаллические вещества (изоляторы с полярно расположенными осями) в них возникают напряжения определённого знака, которые, в свою очередь, инициируют электрические поверхностные заряды. При этом величина напряжений прямо пропорциональна механической нагрузке, что очень важно именно в конструктивном смысле, поскольку упрощает конструкцию прибора. Таким образом цена ультразвукового дефектоскопа для контроля сварных соединений будет невысокой.

Пьезоэлектрический эффект обратим, а потому использующие его ультразвуковые дефектоскопы быстро переналаживаются, и не нуждаются в сложной регулировке. При этом при помощи прямого пьезоэффекта ультразвуковые волны обнаруживаются, а при помощи обратного – генерируются.

Принцип работы пьезогенератора дефектоскопа следующий. На конденсаторные пластины, которые наложены на кристалл, подаётся переменное электрическое напряжение. Это вызывает колебание кристалла с той же частотой. В качестве преобразователей используют такие материалы, как кварц, титанат бария, сульфат лития и др. При наличии внешнего давления атомы в структурной ячейке пьезоэлемента сдвигаются, что и является моментом начала разряда конденсаторных пластин. При изготовлении ультразвукового дефектоскопа для контроля сварных соединений, использующего подобный принцип, излучатель вырезается таким образом, чтобы плоскость колебания по отношению к толщине рассматриваемого сварного шва излучала продольные волны. Если требуется оценить неравномерность структуры соединения на значительной площади, то используют пластину, вырезанную в перпендикулярном направлении. Тогда с приложением напряжения она будет излучать поперечные волны, которые будут равномерно распространяться в толще исследуемого соединения.

Корпуса пьезоизлучателей изготавливают из керамики, что повышает уровень требований к условиям работы ультразвуковых дефектоскопов для контроля сварных соединений. В частности, им противопоказаны удары и сотрясения корпуса.

Магнитострикционные преобразователи ультразвуковых дефектоскопов

Магнитоскрикция заключается в деформации ферромагнитной детали, которая размещена в силовом магнитном поле. Длина этой детали изменяется в зависимости от вида силовых линий магнитного поля, её материала, температуры и степени намагниченности. В ультразвуковых дефектоскопах используются ферромагнетики, относительное изменение длины которых – не менее 10 -5 .

Работают такие преобразователи следующим образом. В приборе создаётся переменное электромагнитное поле, при этом ферромагнитный стержень начинает совершать колебания удвоенной амплитуды. Поскольку линейная деформация магнитостриктора не зависит от направления силовых линий магнитного поля, то подмагничивания такого элемента не требуется.

Как и пьезоэффект, магнитострикция обратима. В качестве излучателей применяются химически чистый никель, а также его сплавы с медью или железом. Минимальная частота, при которой обнаружение дефектов сварных конструкций окажется эффективным, составляет 60 Гц, хотя в приборах обычно реализуются частоты от 300 Гц.

Магнитострикционные преобразователи конструктивно проще, однако уступают пьезогенераторам по параметрам минимальной площади диагностируемой зоны: она должна быть достаточно большой. Кроме того, такие ультразвуковые дефектоскопы теряют свою чувствительность при обследовании только что полученных сварных швов. Ещё одним ограничением магнитострикционных источников получения ультразвуковых волн считается их повышенная энергоёмкость. Зато они более компактны, а потому применимы в стеснённых для диагностики условиях.

Промышленные конструкции ультразвуковых дефектоскопов для контроля сварных соединений

Для измерения необходимы:

1. Сам регистрирующий прибор.
2. Искательная головка (передатчик).
3. Контрольная головка (приёмник).
4. Устройство отображения (монитор или цифровой дисплей).

Напряжение от источника переменного тока (аккумулятор или генератор — для стационарных дефектоскопов) подаётся на излучатель, а от него ультразвуковые волны передаются в исследуемый сварной шов. Интенсивность ослабления исходного сигнала определяет степень неоднородности шва. Возникающая амплитуда сигнала далее усиливается и регистрируется, при этом возможна как визуальная оценка качества, так и запись результатов на цифровой носитель информации.

Перед использованием ультразвуковой дефектоскоп для контроля сварных соединений подлежит юстировке. Как образец, используется сварной стык с идеальными параметрами качества, при этом отклонение шкалы/стрелки должно быть максимально возможным.

В качестве приёмника дефектоскопы некоторых фирм используют преобразователь изображения. При этом фиксируется фактическое значение плотности энергии звукового поля за швом. Этот способ получения конечной информации более нагляден, но требует определённого пространства за исследуемым соединением.

Излучение звуковой энергии в ультразвуковых дефектоскопах может быть выполнено двумя способами – резонансным или импульсным. В первом случае излучение ультразвука происходит непрерывно, а применяемые частоты находятся в диапазоне 1…12,5 кГц. При импульсном методе используется сигнал (эхо) звуковой волны, который отражается от дефектной зоны или задней поверхности сварного стыка. Подача звукового импульса происходит через 1…2 мкс, чем обеспечивается высокая точность сканирования объекта. Конечный импульс отражается на мониторе, и может регистрироваться цифровым устройством записи. Энергопотребление дефектоскопов такого типа значительно меньше.

Признанным мировым лидером в производстве переносных дефектоскопов для контроля сварных соединений, цена которых вполне соответствует их качеству, считаются аппараты от компании SONATEST (Франция). Данные приборы отличаются компактностью и точностью получаемых данных. Например, применяемые для тестирования качества сварки труб, листовых материалов и т.п. ультразвуковые дефектоскопы линейки Harfang Veo характеризуются следующими эксплуатационными достоинствами:

• большим диапазоном регулировки направления и силы излучения, а также скорости диагностики;
• точностью измерения;
• воспроизводимостью результатов, включая и 3D-моделирование структуры сварного шва;
• удобствами настройки;
• возможностью подключения для целей сканирования нескольких источников;
• ёмкими батареями, допускающими замену непосредственно в ходе измерений.

Наиболее существенные преимущества ToFD при контроле сварных швов по сравнению со стандартным эхо-методом заключаются в следующем:

возможность достижения более высокой точности при проведении измерений, как правило, ±1мм, а при повторном обследовании ±0,3 мм;

почти полная независимость вероятности обнаружения дефекта от его ориентации;

при калибровке аппаратуры учитываются только временные характеристики;

высокая производительность контроля, так как сканирование проводится вдоль путем продольного перемещения акустического блока вдоль шва;

документирование и хранение результатов контроля;

полная воспроизводимость результатов контроля.

Среди недостатков ToFD-метода следует отметить:

отсутствие критерия для классификации несплошностей по опасности (степени влияния на качество);

подповерхностные несплошности, расположенные близко к поверхности контролируемого изделия, могут быть скрыты головной волной, в связи с чем снижается вероятность их обнаружения .

Акустическая микроскопия отличается от эхометода повышением на один-два порядка частоты УЗ, использованием острой фокусировки и автоматическим или механизированным сканированием объектов небольшого размера. В результате удается зафиксировать небольшие по размеру изменения акустических свойств в ОК. Метод позволяет достичь разрешающей способности в сотые доли миллиметра. Возможна акустическая микроскопия с использованием прохождения волн.

Когерентные методы отличается от других методов отражения тем, что в качестве информационного параметра помимо амплитуды и времени прихода импульсов используется также фаза сигнала. Благодаря этому повышается на порядок разрешающая способность методов отражения и появляется возможность наблюдать изображения дефектов, близкие к реальным. Наиболее эффективным когерентным методом является компьютерная акустическая голография.

Методы прохождения в России чаще называемые теневыми, основаны на наблюдении изменения параметров прошедшего через ОК акустического сигнала (сквозного сигнала) и имеют следующие разновидности:

амплитудный метод прохождения;

временной метод прохождения;

метод многократной тени;

акустическая микроскопия;

ультразвуковая томография.

На начальном этапе развития использовали непрерывное излучение, а признаком дефекта было уменьшение амплитуды сквозного сигнала, вызванное образуемой дефектом звуковой тенью. Поэтому термин «теневой» адекватно отражал содержание метода. Однако в дальнейшем применение рассматриваемых методов расширилось. Методы начали применять для определения физико-механических свойств материалов, когда контролируемые параметры (упругие постоянные, коэффициент затухания, плотность и т.п.) не связаны с образующими звуковую тень нарушениями сплошности. При этом в большинстве случаев непрерывное излучение было заменено импульсным. Существенно расширено также число информативных параметров сквозного сигнала, к которым, кроме амплитуды, добавились фаза, время прихода и спектр. Таким образом, теневой метод может рассматриваться как частный случай более общего понятия «метод прохождения». При контроле методами прохождения излучающий и приемный преобразователи располагают по разные стороны ОК или контролируемого его участка. В некоторых методах прохождения преобразователи располагают с одной стороны ОК на определенном расстоянии друг от друга. Информацию получают, измеряя параметры прошедшего от излучателя к приемнику сквозного сигнала.

Амплитудный метод прохождения (или амплитудный теневой метод) основан на регистрации уменьшения амплитуды сквозного сигнала под влиянием дефекта, затрудняющего прохождение сигнала и создающего звуковую тень. Для контроля этим методом можно использовать тот же импульсный дефектоскоп, который включают по раздельной схеме, причем излучающий и приемный преобразователи располагают по разные стороны ОК. Иногда применяют специализированные более простые по схеме приборы.

Временной метод прохождения (временной теневой метод) основан на измерении запаздывания импульса, вызванного огибанием дефекта. Информационным параметром служит время прихода сквозного сигнала. Метод эффективен при контроле материалов с большим рассеянием УЗ, например, бетона, огнеупорного кирпича и т.п.

Метод многократной тени аналогичен амплитудному методу прохождения (теневому), но о наличии дефекта судят по амплитуде сквозного сигнала (теневого импульса) многократно (обычно двукратно) прошедшего между параллельными поверхностями изделия. Метод более чувствителен, чем теневой или зеркально-теневой, т. к. волны проходят через дефектную зону несколько раз, но менее помехоустойчив.

Термин "ультразвуковая томография" часто применяют к различным системам визуализации дефектов эхо и теневым методами. Между тем этот термин первоначально применялся к ультразвуковым системам, в которых пытались реализовать подход, повторяющий рентгеновскую томографию, то есть сквозное прозвучивание ОК по разным направлениям с выделением особенностей ОК, полученных при разных направлениях лучей.

Активные комбинированные методы содержат признаки, как методов отражения, так и методов прохождения и бывают следующих видов:

зеркально-теневой;

эхо-теневой.

Зеркально-теневой (ЗТ) метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. По технике выполнения (фиксируется эхосигнал) это метод отражения, а по физической сущности (измеряют ослабление дефектом сигнала, дважды прошедшего ОК) он близок к теневому методу, поэтому его относят не к методам прохождения, а к комбинированным методам. ЗТ метод часто применяют совместно с эхо-методом. Наблюдают одновременно за появлением эхосигналов и за возможным ослаблением донного сигнала дефектами, которые не дают четких эхосигналов и плохо выявляются эхо-методом. Это может быть скопление очень мелких дефектов или дефект, расположенный так, что отраженный от него сигнал уходит в сторону и не попадает на приемный преобразователь.

Эхо-теневой метод основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн.

Существуют также другие активные методы, находящие ограниченное применение для контроля металлов. Это, например, эхо-сквозной метод, методы собственных колебаний, импедансные методы, велосиметрический метод.

Для контроля ультразвукового контроля применяют импульсный дефектоскоп, упрощенная блок-схема которого показана на рис. 3..

Генератор зондирующих импульсов 7 возбуждает короткие электрические импульсы. В преобразователе 3 они преобразуются в импульсы УЗ колебаний, которые распространяются в ОК 4, отражаются от несплошности 6 и противоположной поверхности (дна) ОК, принимаются тем же (совмещенная схема включения) или другим (раздельная схема включения) преобразователем 2. Преобразователь превращает сигналы из УЗ в электрические. От него сигнал поступает на усилитель 1, а затем на экран 5 дефектоскопа.

Ультразвуковой метод контроля был предложен советским физиком С.Я. Соколовым в 1928 году и в настоящее время является одним из основных методов неразрушающего контроля. Методы ультразвуковой дефектоскопии позволяют производить контроль сварных соединений, сосудов и аппаратов высокого давления, трубопроводов, поковок, листового проката и другой продукции. Ультразвуковой контроль является обязательной процедурой при изготовлении и эксплуатации многих ответственных изделий, таких как части авиационных двигателей, трубопроводы атомных реакторов или железнодорожные рельсы.

По сравнению с другими методами неразрушающего контроля ультразвуковой метод обладает важными преимуществами:

• высокая чувствительность к наиболее опасным дефектам типа трещин и непроваров
• низкая стоимость
• безопасность для человека (в отличие от рентгеновской дефектоскопии)
• возможностью вести контроль непосредственно на рабочих местах без нарушения технологического процесса
• при проведении УЗК исследуемый объект не повреждается
• возможность проводить контроль изделий из разнообразных материалов, как металлов, так и неметаллов.

К недостаткам ультразвукового метода контроля можно отнести невозможность оценки реального размера и характера дефекта, трудности при контроле металлов с крупнозернистой структурой из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука, а также повышенные требования к состоянию поверхности контроля по шероховатости и волнистости. Согласно РД 03-606-03 максимально допустимая шероховатость при ультразвуковом контроле составляет Ra 6,3 / Rz 40

Сущность ультразвукового метода неразрушающего контроля (видео ИКБ Градиент)

Многообразие задач, возникающих при необходимости проведения неразрушающего контроля различных изделий, привело к разработке и использованию ряда различных акустических методов контроля. Согласно акустические методы контроля делятся на 2 большие группы: использующие излучение и приём акустических колебаний и волн (активные методы) и основанные только на приёме колебаний и волн (пассивные методы).

Методы	Описание
Методы прохождения	выявляют глубинные дефекты типа нарушения сплошности, расслоения.
Методы отражения	выявляют дефекты типа нарушения сплошности, определяет их координаты, размеры, ориентацию путём прозвучивания изделия и приёма отраженного от дефекта эхо-сигнала.
Импедансный метод	предназначен для контроля клеевых, сварных и паяных соединений, имеющих тонкую обшивку, приклеенную или припаянную к элементам жёсткости.
Методы свободных колебаний	применяются для обнаружения глубинных дефектов.
Методы вынужденных колебаний (резонансные)	применяются в основном для измерения толщины изделия и для обнаружения зоны коррозионного поражения, расслоений в тонких местах из металлов.
Акустико-эмиссионный метод	обнаруживает и регистрирует только развивающиеся трещины или способные к развитию под действием механической нагрузки (квалифицирует дефекты по степени их опасности во время эксплуатации).

Наиболее широкое распространение в практике ультразвуковой дефектоскопии нашли методы прохождения и отражения (импульсные методы), реже применяют другие методы: резонансный, импедансный и метод акустической эмиссии.

Импульсные методы (прохождения и отражения)

Среди многочисленных методов прохождения и отражения на сегодняшний день наибольшее применение в дефектоскопии нашли: теневой, зеркально-теневой, и эхо-метод. Эхо-метод, в отличии от других, применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, и при этом позволяет определить размеры дефекта, его координаты и характер. В общем случае, суть перечисленных методов заключается в излучении в изделие и последующем принятии отраженных ультразвуковых колебаний с помощью специального оборудования - и (ПЭП) и дальнейшем анализе полученных данных с целью определения наличия дефектов, а также их эквивалентного размера, формы, вида, глубины залегания и пр. Чувствительность ультразвукового контроля определяется минимальными размерами выявляемых дефектов или эталонных отражателей, выполненных в (ранее СОП). В качестве эталонных отражателей обычно используют плоскодонные сверления, ориентированные перпендикулярно направлению прозвучивания, а также боковые сверления или зарубки.

Самой массовой областью применения ультразвуковой дефектоскопии являются сварные соединения. Основным документом в России по ультразвуковому контролю сварных швов является ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые» (), в котором рассмотрены в полном объёме методы контроля стыковых, тавровых, нахлесточных и угловых сварных швов, выполненных различными способами сварки. Также в нём подробно описаны меры (калибровочные образцы) , и , и настроечные образцы, а также параметры для их изготовления. Проведение ультразвукового контроля сварных соединений и наплавок оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок регламентируется документом ПНАЭ Г-7-030-91 «Унифицированные методики контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Ультразвуковой контроль» ()

В зависимости от области использования, различают ультразвуковые дефектоскопы общего и специального назначения. Дефектоскопы общего назначения могут использоваться для контроля самой разнообразной продукции, а специализированные дефектоскопы созданы для решения узкоцелевых задач. К наиболее популярным моделям ультразвуковых дефектоскопов общего назначения относятся:

Ультразвуковая толщинометрия (резонансный и импульсный метод)

Как правило, ультразвуковой метод толщинометрии применяют в случаях недоступности или труднодоступности объекта для измерения его толщины механическим измерительным инструментом. Ультразвуковая толщинометрия - неотъемлемая процедура при определении толщины стенок труб, котлов, сосудов, то есть объектов замкнутого типа или с односторонним доступом, а также объектов судостроительного и судоремонтного производства. Современные ультразвуковые позволяют измерять толщины от 1 до 50 мм с точностью ±0,001 мм. По физическим принципам, используемым для измерения толщины, акустические толщиномеры делят на резонансные и эхо-импульсные.

Резонансный метод контроля основан на возбуждении и анализе резонансных колебаний в исследуемом объеме изделия, при этом исследование проводится при доступности одной стороны изделия, а погрешность метода составляет менее 1%. Резонансным методом измеряют толщину стенок металлических и некоторых неметаллических изделий (керамика, стекло, фарфор). Кроме того, при помощи резонансной дефектоскопии можно выявлять зоны коррозионного поражения, зоны непроклея и непропоя листовых соединений, зоны расслоения в биметаллах, тонких листах. Резонансные методы вынужденных колебаний в настоящее время не имеют широкого применения, так как задачи дефектоскопии и толщинометрии более точно решают импульсные ультразвуковые методы.

Принцип ультразвуковой импульсной толщинометрии основан на измерении времени прохождения ультразвукового импульса в изделии или в слое и умножении измеренного времени на коэффициент, учитывающий скорость звука в материале изделия. Основные нормативные документы по проведению ультразвуковой толщинометрии:

• ГОСТ Р 55614-2013 «Контроль неразрушающий. Толщиномеры ультразвуковые. Общие технические требования».
• ГОСТ Р ИСО 16809-2015 «Контроль неразрушающий. Контроль ультразвуковой. Измерение толщины».
• ПНАЭ Г-7-031-91 «Унифицированные методики контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Ультразвуковой контроль. Часть III. Измерение толщины монометаллов, биметаллов и антикоррозионных покрытий».

К наиболее популярным моделям ультразвуковых толщиномеров можно отнести:

Импедансные дефектоскопы и твердомеры (импедансный метод)

Импедансный метод разработан советским ученым Ю.В. Ланге в 1958 году. Он основан на использовании зависимости полного механического сопротивления (импеданса) контролируемого изделия от качества соединения отдельных его элементов между собой. Этим методом можно выявлять дефекты в клеевых, паяных и других соединениях, между тонкой обшивкой и элементами жёсткости или заполнителями в многослойных конструкциях. Импедансные дефектоскопы широко используются в авиастроении, автомобильной и космической промышленности. Они способны обнаружить непроклеенные участки, расслоения, нарушения целостности и пустоты в различном оборудовании, приборах, конструкциях. Кроме того, метод ультразвукового контактного импеданса широко применяется для измерения твёрдости изделий из металлов и сплавов, таких как сосуды давления различного назначения (реакторы, парогенераторы, коллекторы, котельные барабаны) роторы турбин и генераторов, трубопроводы, детали различных транспортных средств, промышленные полуфабрикаты (отливки, поковки, листы) и т.д. Метод контактного импеданса основан на измерении режима колебаний преобразователя, соприкасающегося с объектом. По амплитудам и резонансным частотам такого преобразователя (часто имеющего вид стержня) судят о твердости материала изделия, податливости (упругому импедансу) его поверхности.

К наиболее популярным моделям ультразвуковых твердомеров можно отнести:

Средства для проведения ультразвукового контроля

Следующим важнейшим инструментом для проведения ультразвукового контроля являются (ПЭП), которые выступают в качестве излучателя и приемника ультразвукового импульса, обрабатываемого дефектоскопом или толщиномером. Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект представляет собой способность некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный пьезоэффект заключается в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля. В качестве пьезоэлектрических материалов обычно используют естественный материал кварц, турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (ВаТiO3), титаната свинца (PbTiO3) и цирконата свинца (PbZrO3)

Основные требования к ультразвуковым преобразователям указаны в:

• ГОСТ Р 55725-2013 «Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования» ()
• ГОСТ Р 55808-2013 «Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний» ()

Подробнее о ультразвуковых преобразователях, их классификации, маркировке и применении можно посмотреть .

Для обеспечения хорошего контакта между ультразвуковым преобразователем и контролируемой поверхностью, а также для предотвращения образования воздушного зазора, создающего помехи звуковому импульсу, необходимо использовать различные контактные . Контактная жидкость должна иметь специальный химический состав, соответствующий диапазону температур той или иной контролируемой поверхности и ее структуре. Так, для контроля арматурных стержней и неровных поверхностей необходимо использовать контактный гель высокой степени вязкости, при контроле нагревающихся поверхностей рекомендуется применять контактные гели на водной основе, а при очень низких температурах (до -60ºC) в качестве контактной жидкости можно использовать пропиленгликоль. Также стоит отметить, что в некоторых случаях (в частности, при контроле оборудования, используемого в ядерной промышленности) требуются контактные среды с ограниченным галогенным и серным составом. Подробнее о контактных жидкостях для ультразвукового контроля можно посмотреть .

Одним из важных факторов качественного ультразвукового контроля изделий является обеспечение достоверности и единообразия при проведении контроля, особенно при диагностике объектов повышенной опасности. Метрологическое обеспечение оборудования подразумевает обязательную проверку работоспособности аппаратуры перед проведением ультразвукового контроля с использованием специальных . Существует два вида образцов: меры (калибровочные образцы) и настроечные образцы (ранее стандартные образцы предприятия СОП).

Комплект калибровочных образцов необходим для проверки основных параметров аппаратуры (разрешающей способности, мертвой зоны, угла ввода, стрелы ПЭП), а по контрольным образцам предприятия СОП осуществляют настройку глубиномера дефектоскопа и определение уровней чувствительности для проведения контроля конкретного изделия по определенному НД. К используемым калибровочным образцам (мерам) относятся:

Калибровочный образец		Материал	Основное назначение
Основные калибровочные образцы (входят в обязательный перечень оборудования необходимого для )
		органическое стекло марки ТОСП	Определение условной чувствительности в мм. Оценка лучевой разрешающей способности прямого ПЭП Оценка лучевой разрешающей способности наклонного ПЭП
			Измерение угла ввода преобразователя Проверка мертвой зоны дефектоскопа с преобразователем Определение условной чувствительности в децибелах
		Сталь марки 20 или сталь марки 3	Определение точки выхода и стрелы ПЭП Настройка глубиномера наклонного ПЭП Настройка глубиномера для прямого и РС ПЭП
Специальные калибровочные образцы
		сталь марки S355J0	Образец выполнен в соответствии с ISO/DIS 19675 и предназначен для для настройки дефектоскопов на фазированной решетке. Данный образец должен заменить часто используемый для настройки приборов на ФР образец V1 который не может обеспечить запросы пользователей в полной мере.
		Сталь марки 20	Специальный образец для калибровки ультразвуковых дефектоскопов при контроле качества рельсов, а также деталей и узлов железнодорожного подвижного состава при совмещенной и раздельной схеме работы ПЭП, ISO2400-2013 для настройки и проверки параметров дефектоскопа с использованием малогабаритных и миниатюрных преобразователей .
Подробнее о калибровочных образцах, их классификации и схемах применения можно посмотреть

Контрольные образцы предприятия (СОП) предназначены для настройки глубиномера и чувствительности при проведении ультразвукового контроля конкретного изделия. Наиболее распространенными типами применяемых отражателей при контроле сварных соединений являются: плоскодонные отражатели, «зарубки» и сегменты. Подробнее о назначении, типах и области применения контрольных образцов можно посмотреть здесь.

Помимо технических требований, предъявляемых к процессу ультразвукового контроля, существует и установленный порядок организации работ. Так лаборатории, выполняющие ультразвуковой контроль должны быть аттестованы в соответствии с

• «Правила аттестации и основные требования к лабораториям неразрушающего контроля»

В зависимости от сферы деятельности, специалисты, проводящие ультразвуковой контроль должны быть аттестованы в соответствии с:

Подробнее о разработке и согласовании технологических карт, а также примеры технологических карт на различные методы неразрушающего контроля можно посмотреть .

Купить оборудование и заказать услуги по ультразвуковому контролю можно в следующих городах: Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Саратов, Амурск, Ангарск, Архангельск, Астрахань, Барнаул, Белгород, Бийск, Брянск, Воронеж, Великий Новгород, Владивосток, Владикавказ, Владимир, Волгоград, Волгодонск, Вологда, Иваново, Ижевск, Йошкар-Ола, Казань, Калининград, Калуга, Кемерово, Киров, Кострома, Краснодар, Красноярск, Курск, Липецк, Магадан, Магнитогорск, Мурманск, Муром, Набережные Челны, Нальчик, Новокузнецк, Нарьян-Мар, Новороссийск, Новосибирск, Нефтекамск, Нефтеюганск, Новочеркасск, Нижнекамск, Норильск, Нижний Новгород, Обнинск, Омск, Орёл, Оренбург, Оха, Пенза, Пермь, Петрозаводск, Петропавловск-Камчатский, Псков, Ржев, Ростов, Рязань, Самара, Саранск, Смоленск, Сочи, Сыктывкар, Таганрог, Тамбов, Тверь, Тобольск, Тольятти, Томск, Тула, Тюмень, Ульяновск, Уфа, Ханты-Мансийск, Чебоксары, Челябинск, Череповец, Элиста, Ярославль и других городах, кроме того, в Республике Крым. А так же Республики Казахстан, Белоруссия и другие страны СНГ.

Являются новообразованиями на любых конструкциях и их дальнейшая безопасная эксплуатация во многом зависит от качества их наложения, а это, в свою очередь, можно выявить только специальной проверкой. Качество сварных швов металлических соединений проверяют, используя для этого различные методики дефектоскопии. Из всего существующего на сегодняшний день разнообразия видов дефектоскопии можно выделить ультразвуковой контроль сварных соединений, который является наиболее доступным и недорогим методом диагностики. Причем УЗК практически не уступает по точности измерений таким видам неразрушающего контроля, как рентгеноскопия, гамма-скопия, радиоскопия и другим.

Методика ультразвукового неразрушающего контроля является далеко не новым видом дефектоскопии и впервые была применена на практике в 1928 году, а с развитием технического прогресса и промышленных технологий стала использоваться во многих сферах деятельности человека.

Весь эффект УЗК основан на том, что акустические ультразвуковые волны при прохождении однородной среды не меняют свою прямолинейную траекторию движения, а вот при разделе сред, имеющих различную структуру и обладающих разными величинами удельного акустического сопротивления, происходит их частичное отражение. При этом чем существеннее разница в физических и химических свойствах материалов, тем больше будет звуковое сопротивление в месте раздела сред, тем ощутимее и заметнее эффект при отражении звуковых волн.

К примеру, при образовании сварного шва в структуре металла обычно остается смесь газов, которая не успела выйти во время затвердевания наружу. При этом газообразная среда обладает фактически в пять раз меньшим волновым сопротивлением прохождению ультразвуковых колебаний, чем металлическая кристаллическая решетка, что и позволяет практически полностью отражаться ультразвуковым колебаниям.

Ультразвуковой контроль, либо дефектоскопия сварных соединений являются неразрушающим их целостность методом по поиску внутренних структур, имеющих химические или физические отклонения от заданных норм, которые при недопустимой величине и определяются как механические .

Достоинства УЗК

С помощью методики ультразвукового контроля осуществляется диагностика всех видов сварки, пайки и склейки, что позволяет выявлять такие дефекты соединений, как:

• воздушные пустоты и поры,
• расслоения в наплавленном металле шва,
• околошовные трещины,
• химически неоднородные вкрапления,
• шлаковые отложения,
• неоднородность структуры,
• искривление геометрических размеров.

Главными преимуществами ультразвуковой дефектоскопии можно назвать возможность проведения контроля:

• соединений как из однородных, так и из разнородных материалов;
• структур, состоящих как из металлов, так и неметаллов;
• без разрушения и без повреждения исследуемых образцов;
• с высокой мобильностью;
• с высокой скоростью исследований;
• при низкой себестоимости;
• без опасных факторов для персонала в сравнении с рентгено- или радио-дефектоскопией.

Недостатки УЗК

Использование ультразвукового контроля имеет ряд особенностей, а именно - требуется существенная подготовка исследуемых поверхностей для прохождения от пьезоэлектрических преобразователей ультразвуковых волн по структуре металла. Необходимо:

• создание шероховатостей 5 класса на поверхности сварного соединения с направлением полос перпендикулярно шву;
• нанесение на исследуемый участок контактной массы (в виде воды, масел) для полного исключения воздушного зазора, а в случае с вертикальной или при сильнонаклоненной поверхности использовать густые клейстеры, неспособные к быстрому стеканию;

Непосредственно к недостаткам этой методики дефектоскопии можно отнести:

• необходимость в использовании специальных пьезоэлектрических преобразователей, имеющие радиус кривизны подошвы в диапазоне величины +-10% от радиуса исследуемого объекта для диагностики округлых форм конструкцией с диаметром менее 200 мм;
• существенные сложности при исследовании крупнозернистых структур металлов, к примеру, чугуна или аустенита при толщине более 60 мм, связанного со значительным затуханием и с существенным рассеванием ультразвуковых колебаний;
• невозможность проведения контроля деталей с малыми и сложными формами;
• затруднительность в оценке соединений разных видов сталей, что связано с неоднородностью основных металлов и сварного шва;
• невозможность установления реальных размеров различных типов дефектов из-за их формы, физических свойств и расположения в структуре сварного шва.

Виды ультразвукового контроля швов

Технология проведения ультразвуковой дефектоскопии основывается на способности акустических колебаний высокой частоты, порядка 20 кГц, проходить однородную структуру и частично отражаться от различных препятствий в виде пор, трещин и других неоднородностей. Существует несколько методов получения отражения ультразвукового сигнала, а именно:

• теневой, который определяет разницу амплитуды между прошедшими и отраженными колебаниями;
• зеркально-теневой, основанный на определении коэффициента затухания отраженных волн;
• эхо-зеркальный или тандемный, использующий для своей работы два аппарата;
• дельта метод, заключающейся в определении энергии отраженных от дефекта колебаний;
• эхо-импульсный, который основывается на регистрации отраженных ультразвуковых волн.

Наиболее распространенными являются два вида дефектоскопии сварных швов при помощи ультразвука - это теневая и эхо-импульсная методика проведения контроля.

Методика проведения УЗК

Несмотря на существование нескольких методик ультразвуковой дефектоскопии их проведение практически схоже и различается лишь в наборе диагностического оборудования. Так, проведение процедуры дефектоскопии можно описать следующей последовательностью:

1. Производиться тщательная подготовка исследуемой поверхности путем механического удаления остатков шлака, краски и ржавчины со сварочного шва. Вдобавок очищают полосы по 50 мм с обеих сторон от него.
2. Место проведения дефектоскопии обильно покрывают жидкой массой в виде воды, минеральных масел или густых специальных клейстеров - это необходимо для возможности беспрепятственного прохождения ультразвуковых волн.
3. Производиться предварительная настройка прибора на определенную методику, рассчитанную на решение конкретных задач.
4. Пьезоэлектрический преобразователь УЗК последовательно начинают перемещать по зигзагообразной траектории по сварочному шву.
5. После получения устойчивого сигнала необходимо периодически поворачивать пьезоэлектрический преобразователь в разные стороны вокруг своей оси так, чтобы получить на экране прибора сигнал с максимальной четкостью изображения.
6. При обнаружении дефектов их фиксируют и записывают соответствующие координаты.
7. При необходимости, ультразвуковой контроль сварных швов проводят в один или несколько проходов.
8. Полученные результаты дефектоскопии заносятся в журнал проверки.