книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

ном облучении материала в металле возбуждается только про­ дольная волна. Данному способу возбуждения присущи те же преимущества и недостатки, что и лазерному. Известны и дру­ гие бесконтактные способы возбуждения ультразвуковых коле­ баний - магнитострикционный, воздушно-акустический, емко­ стный, электроискровой, которые не применяются для обнару­ жения дефектов и поэтому здесь не рассматриваются.

2.3.Свойства ультразвуковых колебаний

Высокая направленность. При УЗ-контроле используют ПЭП, у которых размеры излучателя (пьезопластины) гораздо больше длины волны ультразвука. Благодаря этому ультразвук распространяется направленным пучком. Вблизи излучателя (рис. 2.15), на участке, называемом ближней зоной или зоной Френеля, ультразвуковой пучок почти не расходится. Протяжен­ ность этой зоны гб для призматического искателя

> c o s a /c o s p ) 2 _	(2 ]7)
где а - радиус пьезоэлемента; X - длина волны в изделии; (J	- угол призмы;
а - угол ввода в металл.

Рис. 2.15. Изменение направленности ультразвукового лучка от параметра а/

Выражение (2.17) справедливо в области « р ^ р ^ При

г > гб начинается постепенное расхождение ультразвуковой вол­ ны, плоская волна переходит в сферическую. Эта зона называется

дальней зоной, или зоной Фраунгофера.
Угол расхождения определяется выражением
1	С	(2.18)
0 = afcsin 0,61 —= arcsin 0,61 — .
a	af

Как видно, из выражения. (2.17), направленность ультразвуко­ вого пучка тем выше, чем больше произведение радиуса излуча­ теля а на частоту. излучаемых колебаний / . Благодаря этому

свойству (высокой направленности) ультразвуком можно контро­ лировать большие* толщины (до 10 м).. При распространении ультразвуковых волн от источника их интенсивность падает.

Затухание ультразвука. В выражении для плоских ультра­ звуковых волн, так.же как и в основном уравнении движения уп­ ругой среды, не учитывается ослабление волны, связанное с зату­ ханием ультразвука. В реальных средах, благодаря внутреннему трению, неидеальным упругим свойствам и другим эффектам, затухание ультразвука имеет существенное значение. Затухание

учитывается введением мнимой части в волновое	число
к =2п / X + /5. Тогда плоскую волну можно записать в виде
м = (уе-.(«'-И-5^	(2.19)

где 5 - коэффициент затухания.

Коэффициент затухания складывается из^коэффициентов по­ глощения 5Пи рассеяния Ьр, т.е. 5 = 8П'+8р\

При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии остается звуковой, но уходит из направленнораспространяющейся волны в результате отражений на границах зерен и неоднородностей.

Поглощение звука в твердых телах обусловливается, в основ­ ном, внутренним трением и теплопроводностью. Поглощение поперечных волн меньше, чем продольных, т.к. они не связаны с адиабатическими изменениями объема, при которых появляются потери на теплопроводность. Коэффициент поглощения в твер­ дых телах пропорционален / (стекло, биологические ткани, ме-

л

таллы) или / (резина, пластмассы).

В монокристаллах затухание определяехся поглощением ультразвука. Металлы, применяемые на практике, имеют поли­

кристаллическое строение, и в них обычно затухание определяет­ ся прежде всего рассеянием. В кристаллах скорость звука имеет разное значение в зависимости от направления его распростране­ ния относительно осей симметрии кристалла. Это явление назы­ вают упругой анизотропией.

В куске металла кристаллы ориентированы различным обра­ зом, поэтому при переходе ультразвука из одного кристалла в другой скорость звука может изменяться в большей или меньшей степени, В результате возникают частичное отражение, прелом­ ление и трансформация ультразвука, что обусловливает механизм рассеяния (рис. 2.16).

Р и с . 2 .16. С х ем а р а с п р о с т р а н е н и я у л ь т р а зв у к о в ы х во л и

в н о л н к р н с т а л л н ч с с к о м тв ер д о м т е л е

Большое влияние на коэффициент рассеяния в металлах ока­ зывает отношение средней величины зерна D и длины волны

ультразвука X . При Х « D звук поглощается в каждом зерне

как в одном большом кристалле, затухание определяется в основ­ ном поглощением. При X » D рассеяние ультразвука очень вели­

ко. Ультразвук как бы проникает, диффундирует между отдель­ ными кристаллами. Это область диффузного рассеяния.

Особенно велико затухание при X « (2...4)D Здесь к диф­

фузному рассеянию добавляется поглощение.‘Для соотношения

X <2nD , что является реальным условием контролируемых

сварных швов, Н.М. Лившицем, Г.Д. Пархомовским получены выражения для расчета коэффициента затухания продольной и

поперечной	волн. Задавшись условием Х{ =X, , имеем
8,78/ =7,14.	Видно, что затухание поперечной волны более су-

щественно в сравнении с продольной. На рис. 2.17 показано зату­ хание продольной и поперечной волн в зависимости от частоты.

При А.>(8...10)£> происходит рассеяние мелкими зернами и

коэффициент	5 пропорционален D f4 (рэлеево рассеяние). При
4D <Х< 10£>	коэффициент затухания пропорционален произве­
дению D f2	Наименьшее затухание будет при к > ( 2 0 . . . 1 0 0 ) Z ) .

Если это условие выполняется, то можно контролировать изделия толщиной 8..Л0 м.

Рис, 2.17, Зависим ость коэффициента затухания продольной ( S ,) и попереч­

ной ( 5 ,) волн в зависимости от частоты

Значение 5 в значительной мере определяет частоту УЗ-

колебаний. С одной стороны, с увеличением частоты возрастает амплитуда сигнала вследствие улучшения направленности излу­ чения, а с другой стороны, уменьшается амплитуда сигнала из-за увеличения затухания.

Коэффициент затухания чаще всего выражают числом отри­

цательных децибел на участке	пути в	1м	20lg(A/AQ) =
= 205rlge = 8,686 5 r . На практике	б удобнее всего определить
по выражению:
. _ 2 0 lg 4 M - 2 0 W n			/ , , m
17,36(г2 —г,)		’	{ )

где у4| -амплигудд опорного сигнала на расстоянии г ,; Л2 - т о ж е на расстоянии г2 .

54

Трансформация УЗ-колебаний. При наклонном падении (под углом р ) продольной волны из одной твердой среды на гра­

ницу с другой твердой средой на границе раздела происходят отражение, преломление и трансформация (расщепление) волны и в общем случае возникают еще четыре волны: две преломлен­ ные - продольная С/ и поперечная С( , и две отраженные - про­

дольная С/( и поперечная Ct[ (рис. 2.18а). Направление распро­

странения отраженных и преломленных волн отличается от на­ правления падающей волны, однако все эти направления лежат в одной плоскости - плоскости падения.

Рис. 2.18. Трансформация (а) н вывод закона Снеллнуса (б) ультразвуковой волны на границе раздела двух твердых сред

Плоскостью падения называют плоскость, образованную лу­

чом падающим и нормалью к отражающей поверхности, восста­ новленной в точке падения луча. Углы, образованные с этой нор­ малью, называют соответственно углами падения, отражения и преломления. Эти углы можно определить исходя из следующих рассуждений. При падении плоской волны под углом Р к фронту

AD на границу раздела двух сред она отражается под углом 0 ^ с

фронтом BE и после преломления под углом 0пр распространяет­

ся во второй среде с фронтом ВС. Из рис. 2.186 видно, что время распространения волны в среде I от точки D до точки В и от точки А до точки Е в среде / и до точки С в среде II взаимно рав­ но. Тогда из треугольников ABC, ABD и АBE видно:

		t C—n
	AB =-	отр	(2.21)
		sinG^p
	sinp

где индексами «пад», «отр» и «пр» обозначены величины, характеризующие па­ дающую, отраженную и прошедшие волны соответственно.

Подставляя в (2.21.) конкретные углы и соответствующие им

скорости, получим
sin (3 _ sin Р/ _ sin р,		_ sin а/	_ sin а
С	С	С,	С

Выражение (2.22) часто называют законом Снеллиуса, или законом синусов. Эффективность преломления определяется от­ ношением скоростей прошедшей и падающей волн п = Спр/С пад ,

называемым коэффициентом преломления. Чем больше п, тем

сильнее преломляется падающий луч, поэтому прошедшая про­ дольная волна преломляется значительнее, чем поперечная.

Угол, при котором исчезает преломленная продольная волна

( ос, = 90°),	называют	первым	критическим углом ркр|
(рис. 2.19я),	Ркр] = arcsinC^/С/		Угол, при	котором	исчезает
преломленная поперечная волна			( а / =9(Г),	называют	вторым
критическим углом		(рис. 2.19б), PKp2=arcsinС/,/С,

С

а

б

С,

Рис. 2.19. Образование критических углов: 'а —первого; б - второго; в - третьего

При Ркр, < Р < Pupj в среде II преимущественно распростра­

няется поперечная волна. Для пары плексиглас - сталь p^j w 28°,

а Р^з ~ 59° Из этих соображений углы призмы искателей выби­

рают в пределах 30°...55° В случае падения поперечной волны на границу раздела сред

возможен случай, когда продольная отраженная волна отсутству­ ет (рис. 2.19в). Угол, при котором выполняется это условие, на­ зывают третьим критическим р^з =arcsin(C//C/) . Для стали он

равен 33° 30' Отражение и преломление ультразвуковых волн. Одно из

основных свойств ультразвуковых волн - способность отражать­ ся от границ раздела сред с разными акустическими сопротивле­ ниями. Именно на этом свойстве основано выявление дефектов при ультразвуковом контроле.

При прохождении плоской монохроматической упругой вол­ ны с определенной поляризацией через границу раздела двух кристаллических сред в общем случае возникают три волны по каждую сторону от границы (продольная и две поперечных вол­ ны). Наиболее простым является случай двух изотропных сред, поскольку в этом случае волна порождает не более двух волн в каждой из сред, а их поляризации являются чисто продольными или чисто поперечными.

Задача об отражении и преломлении ставится следующим образом. При известных направлении распространения, поляри­ зации, амплитуде падающей волны и заданных свойствах обеих сред требуется найти направления распространения, поляризации и амплитуды отраженных и преломленных волн.

Решение получается с помощью уравнений распространения для каждой из сред и граничных условий на поверхности раздела.

Рассмотрим два варианта:

1) среды жестко связаны между собой (сваркой, пайкой или

тонким твердым слоем клея, граница сплавления сварных швов); 2) среды связаны между собой через тонкий слой жидкости.

Этот случай особенно важен для практики ультразвукового кон­ троля (граница раздела плексиглас - сталь через слой контактной жидкости).

В первом случае граничные условия требуют непрерывности смещений и, и механических напряжений а/ в каждой точке гра­ ницы в любой момент времени:

»/

(2.23)

о ' +

Здесь индексами /, Л, Т обозначены соответственно падаю­

щие, отраженные и прошедшие волны.

Во втором случае на границе должны выполняться следую­ щие граничные условия: 1) непрерывность нормальных смеще­ ний; 2) непрерывность нормальных напряжений; 3) обращение в

ноль касательных напряжений.

При решении задачи отражения ультразвука эффективно вос­ пользоваться понятием нормального импеданса, представляюще­ го собой отношение акустического давления к нормальной со­ ставляющей колебательной скорости, вследствие которой энер­ гия переносится из одной среды в другую:

Z = P / V n .	(2.24)
В свою очередь, V - /Аф; Р = нор<р;
PI V = i*copcp/(//t<p) = 2л /р /(2 п/Х) = рС .	(2.25)
Нормальная составляющая колебательной скорости падаю­
щей волны
V„ = VcosQm .	(2.26)
Подставляя (2.25) и (2.26) в (2.24), получим
Z = P/V„ =pC /cos0nafl.
Отсюда
Vn =PcosQnJ p C .	(2.27)

Из граничных условий (принцип непрерывности) следует, что

суммарные импедансы волн сверху и снизу от границы равны:

( М Х Ц * = = z» • <2-28>

Давление в отраженной волне / >отр= P0R.

Подставляя (2.27) в (2.28), получим нормальный импеданс сверху от границы

Z„ = (1 + Л )/[со50пад/( Р|С,) + «cos в ^ Д р .С ,)] . (2.29)

Из рис.	2.18	видно,	что 0пад= р . Дня отраженной				волны
0отр = 180° - р . С		учетом	этих	соотношений		выражение	(2.29)
можно записать:		1 + R
				1 + й	_
		cosp -P cosp		1-7?	1Г
		р,С,		Zj
Решая относительно R , получим
		/J = (Z „ -Z 1)/(ZH+Z1).					(2.30)
Снизу	от границы		в рассматриваемом			случае ZH=Z =

=рС cos а , поэтому

^_ Z - Z] _ рС/cos а - pjCj / cos р

(231)

Z + Z, pC/cosa + p,C,/cosp

Используя равенство импедансов сверху и снизу от границы, можно получить 1 4- R = D Отсюда

D = 2Z/(Z+ Zl):	(2.32)
Коэффициенты отражения R и прозрачности D,	рассчи­

тываемые соответственно* по выражениям (2.31) и (2.32), пред­ ставляют коэффициенты отражения по амплитуде. На практике, в частности, при контроле совмещенным искателем, коэффициент отражения и прохождения характеризуется не амплитудой, а энергией. Коэффициенты отражения R и прозрачности D по энергии определяются как отношение плотности потоков энергии

отраженной	и прошедшей Wap волн к падающей WQ
	а = W ^jW ,	и £> = W jW a .	(2.33)
Эта форма записи справедлива и для интенсивности звука I ,
поскольку	W0 = IQ/ 2. Так	как W = \p f/рС > и	зная, что

Ротр = RP0 , то из (2.33) получим
p = № L = R2-	(2.34)
Ро
В соответствии с законом сохранения энергии	R + D = 1. Следо­
вательно,
D = \ - R 2	(2.35)

Подставляя (2.31) и (2.32) в (2.34) и (2.35), соответственно получим:

	R = f 2 -		z , T -	(2.36)
		[ z + z j		’
	п -	4ZZ,		(2.37)
		( z + z , ) 2 '
Последнюю формулу можно записать в виде
D =	2Z		2Z,—' = 5 5 .

( z + z , ) ( z + z , )

Это означает, что коэффициент прозрачности по энергии ра­ вен произведению коэффициентов прозрачности по амплитуде в

прямом D и обратном D направлениях.

Формулы коэффициентов отражения и прозрачности для слу­ чая двух твердых тел или жидкости и твердого тела получены строгим решением задачи на границе раздела двух сред при сле­ дующих граничных условиях - это равенство нормальных на­ пряжений и отсутствие касательных напряжений. Формулы для

R и D при прямом падении аналогичны (2.36) и (2.37). При на­ клонном падении продольной волны выражения для расчета R и D имеют вид:

		( 7. г п .ч ^ On. 4 - 7. 4 i n ^ On. — 7,	(2.3S)
		Z, cos22a( + Zt sin2 2a, + Zj j
	D,=	4Z,Z1 cos2 2a,	(2.39)
		{Zj cos2 2a, + Z, sin2 2a, + Zx)
		4Z,Z; sin2 2a,	(2.40)
	D( =
		(z ( cos2 2a, + Z, sin2 2a, + Zxj
	Расчет коэффициентов прохождения продольной		D, и попе­
	речной D, волн по энергии для границы плексиглас -		сталь, рас­

считанные по (2.39) и (2.40), представлен на рис. 2.20. Из него видно, что в области малых углов падения (0... 10°) в стали суще­ ствует только практически продольная волна. Эту область ис­ пользуют для возбуждения продольных волн раздельносовмещенными искателями. Далее вплоть до первого критическо­ го угла идет область существования одновременно двух типов волн. Эту область углов используют в дефектоскопии редко.