УЗК аустенитных сварных швов с учетом трансформированных волн

Для контроля аустенитных сварных швов в настоящее время широко используются продольные волны. Хорошо известны преимущества и недостатки такого контроля. Среди преимуществ - это относительно меньшие затухание и анизотропия упругих волн в наплавленном металле шва по сравнению с контролем сдвиговыми волнами, а, следовательно, относительно меньший уровень структурных помех. Недостатки - возможность контроля только прямым лучом при условии удаления валика усиления шва, пониженная надежность выявления наиболее опасных дефектов типа трещин и непроваров, присутствие сигналов помех, обусловленных излучением пьезопреобразователем наряду с продольной волной со скоростью CL под углом ввода aL волны сдвиговой со скоростью CT под углом aT. Здесь и в дальнейшем рассматриваются аустенит-ные сварные соединения, для которых CL = 5700 м/с, CT = 3100 м/с. Одновременное распространение волн двух типов в аустенитном сварном шве приводит к возникновению серии сигналов, отраженных как от структурных неоднородностей, так и от реальных дефектов. В общем случае на дисплее могут присутствовать следующие полезные сигналы от дефектов, выявленные:

1) продольной волной на прямом и отраженном лучах;

2) сдвиговой волной на прямом луче и отраженном луче;

3) продольной волной, трансформированной в сдвиговую волну непосредственно на дефекте;

4) головной волной в случае использования пьезопреобразователей с углами ввода продольной волны в диапазоне 60 - 70° (угол ввода сдвиговой волны ~ 30° вблизи третьего критического угла);

5) продольной волной, отраженной от дефекта и трансформированной в сдвиговую на донной поверхности («самотандем»);

6) сдвиговой волной, трансформированной из продольной на донной поверхности;

7) продольной волной, трансформированной из сдвиговой на донной поверхности.

Используя геометрическое приближение, можно рассчитать координаты обнаруженных отражателей с учетом изменений углов ввода и скорости распространения упругой волны при трансформации. Учитывая, что в программу глубиномерного устройства дефектоскопа введены скорость CL и угол ввода aL продольной волны, измеренные этим устройством глубина Z** залегания выявленного дефекта и расстояния X** до дефектного сечения от точки ввода луча должны заметно отличаться от действительной глубины Z и расстояния X. Как правило, Z** > Z и X** = X + AX**. Только при выявлении дефекта продольной волной Z** = Z, а AX** = 0.

Изменения углов ввода и скорости упругой волны при трансформации является причиной ошибок в определении координат дефектов. При выявлении дефекта сдвиговой волной (рис. 1) измеряемые глубиномером его координаты запишутся следующим образом: ZL(T) = Z sin2aL/sin2aT; AXL(T) = Z [tgaL sin2aL/sin2aT - tgaT]. Графики зависимостей относительных значений ZL(T) и AXL(T) от угла ввода продольной волны aL представлены на рис. 1. Следует обратить внимание на то, что для преобразователей с углом ввода продольной волны aL ~ 60° глубина залегания определяется по глубиномер-ному устройству достаточно правильно (ZL(T) ~ Z). Наибольшая ошибка наблюдается для углов aL = 40 и 70°. Во всем диапазоне углов aL измеренная координата XL(T) отличается от реальной на величину AXl(t) = 1,3<у45°.

Трансформация продольных волн в сдвиговые волны непосредственно на дефекте может играть существенную роль в измерении координат обнаруженных дефектов. Выражения для измеренных глубины залегания дефекта ZLT и смещения координаты AXLT записываются следующим образом: = Z (Cl + Ct)/(2Ct); AXlt = Z tgal (Cl - Ct)/(2Ct).

Измеренная глубина залегания ZLT отличается от истинной глубины залегания Z в 1,42 раза, а смещение AXLT пропорционально глубине залегания дефекта, тангенсу угла ввода aL, а также относительной разнице скоростей продольных и сдвиговых волн.

Отметим, что контроль осложняется и трансформацией волн на донной поверхности. При УЗК продольными волнами в диапазоне углов ввода лучей 45 - 70° практически вся энергия продольных волн на донной поверхности трансформируется в энергию сдвиговых волн. Диапазон углов трансформированных сдвиговых волн смещается в сторону меньших углов - 25 - 30° (рис. 5).

Трансформированные сдвиговые волны, распространяясь в аустенитном шве и отражаясь от несплошностей, несут информацию о качестве сварного соединения. Изменения угла ввода и скорости упругой волны при трансформации и в этом случае являются причиной ошибок в определении координат дефектов. Измеренные в этих условиях глубина залегания Z'LT и смещение координаты AX'LT точечного отражателя запишутся следующим образом: Z'LT = Н + (Н - Z) sin2aL/sin2aT; AX'LT = (Н - Z) [tgaL sin2aL/sin2aT - tgaT], где H - толщина изделия.

Зависимости значений относительных глубин залегания и смещения координаты точечного отражателя запишутся следующим образом: ZLT/H = Н + (sin2aL/sin2aT - 1) (1 - Z/Н); AX'LT/H = (tgaL sin2aL/sin2aT -- tgat) (1 - Z/Н).

Графики зависимостей относительных изменений измеренных глубины расположения точечного отражателя Z'LT и смещения по координате AX'LT дефектов показаны на рис. 7. Видно, что измеренная на отраженном луче глубина залегания дефекта соответствует реальной при углах ввода продольной волны aL ~ 60°. Наибольшая ошибка наблюдается для углов ввода aL ~ 40°. Причем во всех случаях эта ошибка максимальна для дефектов, расположенных вблизи поверхности ввода луча. Отклонение измеренной координаты XL(T) дефекта от истинной увеличивается с увеличением угла ввода продольной волны, причем оно максимально также для поверхностных и подповерхностных дефектов.

Естественно, наряду с преобразованием продольной волны в сдвиговую на донной поверхности происходит трансформация сдвиговой волны (волны, которая излучается одновременно с продольной) в продольную волну (рис. 6).

Угол ввода продольных трансформированных волн после преобразования на донной поверхности: aL' ~ arcsin(CT/CL)-sinaT.

Трансформированные продольные волны, распространяясь в аустенитном сварном соединении и отражаясь от несплошностей, также несут информацию о качестве сварного соединения. С учетом того, что глубиномер по-прежнему настроен на контроль продольными волнами, выражения для изменений измеряемых значений глубины залегания Z'TL и координаты дефекта AX tl записываются в этом случае следующим образом: Z'TL/H = (sin2aL/sin2aT - 1); АX'TL/H = (tgaL sin2aL/sin2aT - tgaT).

На рис. 8 приведены графики зависимостей этих величин от угла ввода aL. Видно, что максимальное изменение измеряемой глубины залегания дефекта наблюдается при углах ввода продольной волны aL = 40° (aT = 20°). При угле ввода продольной волны aL = 60° (aT = 28°) изменение измеряемой глубины залегания дефекта близко к нулю. Измеряемое относительное смещение дефекта находится в пределах 0,9 + 1,4 Н.

При УЗК трансформированными волнами большое значение имеет также чувствительность, которая может быть достигнута. Отношения амплитуд эхо-сигналов от округлого дефекта при выявлении его отраженными от донной поверхности лучом продольной волны (A'LL) и лучами трансформированных на донной поверхности волн (A'LT, A'TL) запишутся следующим образом: А LT/A ll = = (R-lt/R'll)exp(-2(H - Z)[(8/cosat) - - (8L/cos aL)]}; A TL/A ll = = (Dlt R-tl/DllR'll)exp{-2H[(8t/cosa,) - - (8l/cos al)]}, где Dll, D lt - коэффициенты прозрачности продольных и сдвиговых волн на поверхности ввода ультразвуковых колебаний; R'LT, R'TL - коэффициенты трансформации соответственно продольных волн в сдвиговые и сдвиговых волн в продольные на донной поверхности; 8L, 8T - коэффициенты затухания продольных и сдвиговых волн соответственно.

Графики зависимости относительных значений A'LT/A'LL и A'TL/A'LL от угла ввода aL продольной волны без учета затухания приведены на рис. 9. Видно, что амплитуды эхо-сигналов от дефекта при контроле отраженным лучом трансформированными волнами значительно больше амплитуд эхо-сигналов при контроле продольными отраженными волнами (на 14 - 16 дБ при угле ввода продольных волн 60°).

При углах ввода 40 - 45° преимущество сохраняется только для сдвиговых волн, трансформированных из продольных (A'LT). Для продольных волн, трансформированных из сдвиговых (A'TL), наблюдается иная картина: амплитуда эхо-сигнала отраженной продольной волны (A'LL) больше амплитуды эхо-сигнала продольной волны, трансформированной из сдвиговой (A'TL).

Для проверки результатов расчетов по полученным выражениям были выполнены исследования на аустенитном сварном соединении из стали типа Х18Н10Т толщиной ~ 40 мм. В сварном соединении дисковой фрезой были выполнены надрезы глубиной 1, 3 и 5 мм. Длина надрезов 20 - 25 мм. Кроме надрезов были выполнены боковые сверления 0 3 мм длиной 15 мм. Соединение было проконтролировано c помощью системы Авгур 4.2 компании «ЭХО +» продольными волнами пьезопреобразователем с углом ввода 60° на частоте 2,5 МГц. Результаты контроля представлены на рис. 10 в виде голографических изображений (В- и С-изображения). Положения секущих плоскостей показаны пунктирными линиями, направление распространения упругой волны - стрелкой. Белыми пунктирными окружностями показаны расчетные положения изображений отверстий,зафиксированных трансформированными волнами. На В-изображении видны изображения двух отверстий на глубинах Z2 ~ 20 мм и Z3 ~ 30 мм, выявленных прямым лучом продольной волны (зеленый цвет), а также изображения тех же отверстий на трансформированных волнах (белый цвет). Глубина залегания и положение относительно сварного соединения достаточно хорошо согласуются с расчетными данными. Заметим, что продольной волной, преобразованной из сдвиговой на донной поверхности, выявлены все три отверстия (смещение изображений AXTL = 52 мм). В то же время сдвиговой волной, преобразованной из продольной волны, выявлены только два отверстия (смещения AX'LT= 10 - 20 мм).

Кроме изображений отверстий, выявленных на прямом и отраженном лучах продольными и трансформированными волнами, на рис. 9 показано также изображение отверстия (Z = 30 мм - dLTS), выявленного по схеме самотандем. Надрезы глубиной 1, 3 и 5 мм выявляются не только продольными волнами на прямом луче (N1, N2, N3), но и вторичными головными волнами, распространяющимися вдоль донной поверхности (N1TC, N2TC, N3TC). Изображения надрезов, получаемые на головных волнах, смещены в поперечном направлении относительно надрезов на величину ~ 15 мм. Некоторое смещение вдоль оси сварного соединения изображения N1TC можно объяснить влиянием бокового отверстия (Z = 30 мм), расположенного вблизи этого надреза.

Выводы

1. Получены выражения для расчета сдвига измеряемых координат выявленных несплошностей относительно их реального положения в зависимости от угла ввода продольных волн и типа трансформированных волн.

2. Оценены амплитуды эхо-сигналов от несплошностей при выявлении их волнами, трансформированными на донной поверхности.

3. Использование трансформированных волн при контроле аустенитных сварных соединений позволяет получить дополнительную информацию.

4. Наличие дополнительных индикаций от одних и тех же несплошностей может явиться причиной ошибок в определении их координат, а также в оценке качества соединения.

5. При контроле аустенитных сварных соединений волнами, трансформированными на донной поверхности, оптимальным углом ввода продольных волн является угол ~ 60°: отсутствует сдвиг глубины залегания выявленных несплошностей, а амплитуда сигнала достигает максимального значения.

Результаты работы создают возможности для дальнейшего развития методологии УЗК аустенитных сварных соединений с целью повышения помехозащищенности контроля и достоверности оценки качества соединений.



Просмотров: 1807

Дата: Пятница, 07 Сентября 2012

Новости