Наибольшее механическое усилие в процессе эксплуатации металлоконструкции приходится на ее тонкие участки, места соединений и сварных швов. Для определения качества и однородности структуры металла на участке шва используются методы разрушающего и неразрушающего контроля.

Ультразвуковой контроль сварных соединений позволяет выявить объемные и плоские внутренние дефекты без повреждения и разрушения диагностируемых образцов.

Технология ультразвукового контроля (УЗК) основана на принципе сохранения направления волны при прохождении сплошной однородной среды. При полном отсутствии посторонних химических включений, пустот и других дефектов в сварочном соединении ультразвук (УЗ) проходит сквозь материал и отражается от задней стенки исследуемой конструкции.

Если в толще шва присутствует структурный изъян, то волна будет частично отражена его поверхностью, а интенсивность отражения УЗ задней стенкой ослабеет. Оба изменения будут зафиксированы принимающим устройством дефектоскопа. Расстояние между пиками на графике и амплитуда подъема характеризуют размер постороннего включения и расстояние до дефекта.

Для исследования твердых сред, в т. ч. металлов, применяются акустические колебания частотой 0,5-5 МГц (реже - до 10 МГц). Нижний предел ультразвукового диапазона составляет 20 кГц. Ультразвуковая дефектоскопия не влияет на конструктивные характеристики соединения, поэтому данный метод относится к неразрушающим способам контроля.

Контроль качества ультразвуковыми методами регламентируется ГОСТ Р 55724-2013, ПНАЭ Г-7-010-89, Г-7-032-91 и Г-10-032-92, СП 62-13330-2011 и ВСН 012-88.

Нормы ПНАЭ касаются только методик исследования технологических трубопроводов в атомных энергетических установках, а СП 62-13330-2011 и ВСН 012-88 - магистральных трубопроводов, в т. ч. газопроводов и нефтепроводов.

Для получения ультразвука применяются специальные приборы - преобразователи. При прохождении электрического сигнала они превращают его в акустическое излучение с заданной частотой и длиной волны. В технике используются следующие типы преобразователей:

• пьезоэлектрические;
• электроакустические;
• магнитострикционные и др.

Наиболее простым способом получения УЗ является использование пьезоэлектрика - кварцевой пластины. Под воздействием электрического импульса монокристалл кварца изменяет свои геометрические параметры. При переменном напряжении пластина колеблется, испуская акустическое излучение.

Для приема и анализа сигнала применяется обратный принцип: пластина воспринимает колебания и испускает электрический импульс вследствие пьезоэлектрического эффекта. Характеристики этого импульса анализируются встроенным датчиком прибора и отображаются в виде графика.

Частота колебаний подбирается в зависимости от размеров анализируемой конструкции, толщины сварки и размера зерен в металлической структуре. В зависимости от этих параметров для УЗК применяются следующие колебания:

1. Низкочастотные. Ультразвук с частотой 0,5-1,8 МГц используется для дефектоскопии заготовок из крупнозернистого металла и конструкций, выполненных из материалов с высоким коэффициентом затухания (например, чугуна). При анализе сварных швов данный тип УЗ применяется редко.
2. Среднечастотные. Излучение с частотой 1,8-2,5 МГц предназначено для контроля заготовок среднего размера (но не меньше 100 мм в продольном направлении волны). Среднечастотный УЗ активно применяется в дефектоскопии сварных соединений и хорошо обнаруживает дефекты в толстых и крупных швах.
3. Высокочастотные. Ультразвук с частотой более 4-5 МГц используется для исследования мелкозернистого металла, небольших конструкций (менее 100 мм в диаметре или сечении) и сварных швов толщиной не более 20 мм.

Частота колебаний задается типом преобразователя.

Существуют 2 основных типа УЗ-преобразователей: прямые и наклонные. Прямые приборы направляют акустическую волну перпендикулярно поверхности конструкции (заготовки). Наклонные преобразователи или излучатели с наклонной призмой позволяют направить ультразвук под установленным углом к плоскости изделия. Рабочая поверхность преобразовательного устройства при этом остается перпендикулярной к стенке конструкции.

Чаще всего сварные швы исследуются наклонными преобразователями. Угол призмы подбирается в соответствии с типом соединения, его толщиной и другими характеристиками.

Для диагностики качества сварки подбираются преобразователи с таким углом призмы, чтобы угол ввода акустического излучения составлял одно из стандартных значений: 35°, 40°, 45° (для угловых швов), 50°, 60°, 65° или 70°. Угол ввода луча меньше, чем угол наклона призмы. Наиболее сильно разница выражена при большом коэффициенте затухания в материале.

При больших углах призмы волна распространяется в большей степени по поверхности конструкции, чем вглубь. Это свойство используется для обнаружения поверхностных дефектов.

В зависимости от методики УЗК и угла призмы преобразователя контроль может производиться продольными, поперечными (сдвиговыми), отраженными и преломленными волнами. Сочетание нескольких способов позволяет повысить точность дефектоскопии.

Для диагностики качества швов применяется несколько методов УЗ-дефектоскопии:

1. Теневой. Теневой метод контроля наиболее прост в исполнении. Для дефектоскопии используются два раздельных преобразователя: излучатель ультразвука и искатель (приемник). Они устанавливаются с двух сторон одной плоскости перпендикулярно поверхности шва или изделия. Генератор акустического сигнала направляет его внутрь материала, а искатель - принимает после прохождения. Возникновение глухой зоны или резкое снижение интенсивности сигнала свидетельствует о наличии дефекта - включения другого материала, объемной поры, наполненной газом, трещины и др.
2. Эхозеркальный. Сущность данного метода состоит в направлении волн под углом и приеме отраженного ультразвука (эхо). Приемник и генератор сигнала устанавливаются по одну сторону конструкции. Благодаря наклонной призме УЗ вводится в металл под углом. Импульс проходит через шов после отражения задней стенкой заготовки. При наличии дефектов в соединении он отражается повторно и попадает в приемник. Зеркальный метод позволяет точно определить наличие плоских вертикальных дефектов (трещин сварочного шва).
3. Эхоимпульсный. При импульсной дефектоскопии применяется только 1 прибор, который совмещает функции излучателя и приемника. Ультразвуковая волна проходит сквозь материал до задней стенки, отражаясь от объемных и плоских дефектов. Если посторонние включения отсутствуют или неопределимы УЗК-аппаратом, то сигнал направляется под малым углом к поверхности шва и не фиксируется приемником. При наличии изъяна отраженная волна попадает в зону приема преобразователя. Вследствие совмещения акустических осей устройств расположение дефекта определяется достаточно точно.
4. Зеркально-теневой. Данный метод похож на первый (теневой), но прибор анализирует ослабление сигнала, отраженного задней стенкой (донного сигнала). При наличии дефектов будет наблюдаться снижение амплитуды волны («тень», или глухая зона). За счет глубокого проникновения излучения зеркально-теневым способом можно максимально точно установить наличие изъянов в корневой зоне соединения. Эта методика активно применяется для диагностики стыковых швов.
5. δ-метод. Дельта-метод позволяет уловить отраженные, трансформированные и переизлученные колебания. Падая на дефект, поперечная волна разделяется на 3 составляющих: зеркально отраженную, трансформированную продольную и дифрагированную. Дифракция ультразвука на препятствии дает дополнительный продольный компонент, который улавливается приемником вместе с трансформированным УЗ. δ-метод позволяет обнаружить тонкие вертикальные дефекты, но предъявляет повышенные требования к квалификации дефектоскописта и чистоте поверхности.

Наиболее часто для проверки качества сварки применяются теневой и эхоимпульсный способы УЗК.

Ультразвуковая дефектоскопия проводится в следующей последовательности:

1. Внешний осмотр соединения. Шов и зону термического влияния нужно осмотреть на предмет видимых дефектов. Также необходимо выбрать метод исследования в зависимости от конфигурации и ответственности конструкции.
2. Подготовка поверхности шва. Чтобы обеспечить плотное прилегание и исключить ложное срабатывание приемника, надо тщательно зачистить место сварки и прилегающие к нему зоны конструкции. Область очистки околошовной зоны - от 50 до 70 мм с обеих сторон.
3. Улучшение контакта на границе металла. На поверхность шва наносится иммерсионная жидкость, которая улучшает прохождение волн: глицерин, солидол, машинное масло или сочетание нескольких компонентов (например, воды, глицерина и этилового спирта). На наклоненные и вертикальные соединения наносится густая иммерсионная масса, напоминающая клейстер. Ее густота препятствует быстрому стеканию и снижению точности диагностики.
4. Настройка преобразователя. Коррекция параметров волны (скорости распространения, угла ввода, задержки в призме и др.) производится по стандартным эталонам. Чувствительность прибора и уровень отбраковки шва настраиваются по испытательным образцам с искусственным изъяном (отражателем). Размеры отражателя подбираются в соответствии с требованиями чувствительности дефектоскопии. Изъян должен находиться дальше 20 мм от края изделия. Глубина его залегания должна повторять расположение наиболее частых и (или) опасных дефектов.
5. Установка и включение прибора. Генератор устанавливается по одну сторону конструкции, а приемник - по другую. При импульсном методе контроля излучение и прием ультразвука производятся одним устройством в цикличном режиме. Приемник следует зигзагообразно перемещать вдоль оси шва. Угол поворота приемника должен составлять не более 10-15°, а скорость перемещения - не более 100 мм/с.
6. Анализ и фиксация дефектов. После установления устойчивого сигнала преобразователя нужно искать участки, на которых образуются дополнительные пики. При обнаружении возможного дефекта необходимо удостовериться, что причиной появления пика не является неровная поверхность сварного соединения. После проверки изъяна его координаты фиксируются. Для исключения погрешности шов исследуется 2-3 раза.
7. Заполнение журнала дефектоскопии. В журнале контроля указываются тип шва, его индекс, индекс изделия, длина контролируемой зоны, тип дефектоскопа, нормативная база УЗК, дата контроля и фамилия специалиста, который провел исследование. В разделе результатов контроля описывается каждый изъян, указываются его протяженность, эквивалентная площадь и глубина расположения.

Например, небольшой одиночный дефект, находящийся на глубине 6 мм, будет описан как «АГ-6». Скопление крупных дефектов (больше площади отражателя), которое имеет протяженность 20 мм и залегает на глубине 8 мм, будет зафиксировано как «ДВ-8-20».

Преимуществами ультразвуковых методов контроля являются:

• возможность обнаружения наиболее распространенных дефектов сварного соединения - раковин, газовых пор, трещин, расслоений в наплавке и посторонних включений;
• мобильность контролирующих устройств и высокая скорость анализа;
• отсутствие опасного влияния на оператора дефектоскопа (в сравнении с рентгенографическими методами);
• невысокая себестоимость исследования;
• отсутствие необходимости готовить специальные опытные образцы для разрушающих испытаний, возможность проверить каждое соединение.

К недостаткам УЗ-дефектоскопии относятся:

• необходимость тонкой настройки преобразователей;
• зависимость чувствительности дефектоскопа от длины волны и частоты ультразвука;
• высокие требования к квалификации дефектоскописта;
• необходимость специальной подготовки поверхности (зачистка шва до 5 класса шероховатости, нанесение иммерсионной жидкости);
• сложность дефектоскопии швов на деталях сложной конфигурации;
• необходимость подготовки испытательных образцов с заданными параметрами среды и отражателей для настройки чувствительности прибора;
• низкая эффективность УЗ-метода при анализе крупнозернистых структур (аустенита в высоколегированной стали, чугуне), особенно при большой толщине шва;
• сложность оценки качества соединения разнородных сталей;
• неточное определение размеров и характера дефектов;
• необходимость применения специальных способов анализа (например, δ-метода) для обнаружения плоских дефектов, расположенных перпендикулярно к движению волны.

При анализе округлых конструкций необходимо использовать устройство, подошва которого обладает похожим радиусом кривизны. Это создает дополнительные сложности для дефектоскопии.

Чувствительность дефектоскопа - основной фактор, который влияет на оценку результата. Она отражает минимальный размер изъяна, который будет обнаружен при проверке. Определение чувствительности происходит при настройке прибора на испытательном образце.

Для каждого дефекта уточняются:

• условная протяженность - по размерам участка, на котором фиксируется эхосигнал или затухание основного сигнала;
• высота и глубина залегания - по интервалу между излучением и отражением УЗ от дефекта;
• форма изъяна - по характеру отраженного сигнала на графике.

Из-за сложности определения точных размеров в расчет принимается эквивалентная площадь дефекта. Она соответствует площади искусственного изъяна, который дает отраженную волну похожей амплитуды. В большинстве случаев эквивалентная площадь меньше действительной.

С учетом размера и количества дефектов проводится оценка их допустимости для конструкции.