CC BY
111
УДК 621.791.722
АНАЛИЗ БЕСКОНТАКТНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
А. С. Мужикбаев, М. П. Скворцов Научный руководитель - В. И. Кириллов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-mail: muzhikbaev93@mail.ru, xnoma@mail.ru
Обзор способов бесконтактной генерации ультразвуковых колебаний в металлах. Рассмотрение их положительных и отрицательных сторон.
Ключевые слова: ЭМА детектор, ультразвуковые колебания, лазер.
ANALYSIS OF NON-CONTACT ULTRASONIK WELD INSPECTION METHODS
A. S. Muzhikbaev, M. P. Skvortsov
Scientific supervisor - V. I. Kirillov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: muzhikbaev93@mail.ru, xnoma@mail.ru
An overview of how the contactless generation of ultrasonic oscillations in metals. Consideration of their positive and negative sides.
Keywords: EMA detector, ultrasonic waves, laser.
Известен целый класс методов, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль (НК) путём бесконтактной генерации ультразвуковых (УЗ) колебаний в материалах. Это широко известные и достаточно исследованные методы: ёмкостной, искровой и электромагнитно-акустический (ЭМА), а также быстро прогрессирующие и находящиеся в стадии интенсивной разработки: оптоакустиче-ский и радиационно-акустический. В основе всех этих методов лежат различные по своей физической сущности процессы бесконтактного возбуждения акустических колебаний в материалах. Кроме того, часть из них обладает свойством обратимости.
В настоящее время для решения задач НК изделий из немагнитных токопроводящих материалов из известных методов относительно широкое распространение получил ЭМА-метод. Это связано с его сравнительно большими функциональными возможностями: обратимостью, способностью генерации в материалах различных типов акустических волн - продольных, сдвиговых и волн Рэлея. Использование в качестве ЭМА-детекторов преобразователей, изготовленных на основе постоянных магнитов из редкоземельных металлов, позволило значительно улучшить технические и эксплуатационные характеристики аппаратуры НК.
Хотя ЭМА-метод позволяет возбуждать акустические волны высокой амплитуды, однако коэффициент двойного преобразования ЭМА-детекторов, работающих в режиме приём-излучение на несколько порядков ниже, чем пьезопреобразователей работающих в аналогичном режиме. К тому же недостаточно высокая стабильность параметров возбуждаемых акустических волн.
Интенсивное развитие лазерной и ускорительной техники, исследования динамических процессов, протекающих при взаимодействии импульсов когерентного электромагнитного излучения и импульсных потоков заряженных частиц с различными материалами позволило разработать и создать принципиально новые способы бесконтактного возбуждения акустических колебаний: опто-акустический и радиационно-акустический. Эти способы отличаются от известных существенно большей степенью дистанционности, большим значением амплитуд возбуждаемых акустических импульсов и более широким частотным спектром генерируемых УЗ-колебаний.
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»
Лазерная генерация УЗ-колебаний в конденсированных средах возможна за счёт взаимодействия групп оптических волн с материалом. Возбуждаемые акустические волны могут распространяться непосредственно от источника на поверхности твёрдого тела, либо могут быть результатом ударного фронта.
Рассмотрим характеристики опто-акустического метода генерации УЗ-колебаний.
Термоупругий (плотность падающей энергии <106 Вт см.2). Амплитуда и форма акустической волны могут репродуцироваться в термоупругом режиме. Экспериментально полученная диаграмма направленности, характерная для продольных волн, генерируемых в термоупругом режиме представляет из себя симметричные лепестки, максимум которых расположен под углом 55° к нормали поверхности (см. рисунок, а). Диаграмма направленности в плазменном режиме для продольных волн характеризуется одним широким лепестком, центрированным по нормали к поверхности и похожим на лепесток от точечного пьезопреобразователя (см. рисунок).
Опто-акустический метод позволяет генерировать различные типы акустических волн - продольные, сдвиговые и поверхностные. Потенциально все волны широкополосные и время их подъёма сравнимо с длительностью оптического импульса.
Подробный теоретический анализ лазерной генерации УЗ-колебаний в различных средах и при различных условиях приведён в работах [1-3].
К основным недостаткам лазерной генерации УЗ-колебаний относят: существует верхний предел величин амплитуд акустических импульсов, генерируемых в термоупругом режиме, т. е. без повреждения поверхности металла. На расстоянии 25 мм амплитуда продольных волн, генерируемых в алюминии ограничивается несколькими нанометрами. Кроме того, сложность и громоздкость, недостаточная надёжность и высокая стоимость оборудования.
Метод генерации УЗ-колебаний в материалах импульсными пучками заряженных частиц является наиболее универсальным средством возбуждения акустических волн бесконтактным способом. Этот метод может быть использован для бесконтактной генерации УЗ-колебаний практически в любых материалах и изделиях любой формы. Механизм взаимодействия импульсных пучков заряженных частиц, в частности электронов, с твёрдым телом существенно зависит от плотности тока. При плотностях тока в десятки и сотни кА/см2 происходит поверхностное разрушение металлических изделий и образование плазмы, распространяющейся с большой скоростью, что вызывает образование ударных волн, а в некоторых случаях приводит к разрушению материала или к изменению его физико-механических параметров. При плотностях тока электронов единицы кА/см.2 и менее взаимодействие импульсных пучков заряженных частиц с материалом идёт без разрушения.
Теоретическому рассмотрению некоторых вопросов генерации акустических волн в твёрдых телах импульсными пучками заряженных частиц посвящён ряд работ [4-5]. Эффект генерации акустического излучения в конденсированных средах определяется тремя механизмами - динамическим, черенковским и термоупругим. Доказано, что основной вклад в процесс возбуждения акустических волн в твёрдых телах при умеренных плотностях тока вносит термоупругий механизм. Термоупругий
л.
а
б
Экспериментальные диаграммы направленности для продольных акустических волн, генерируемых лазерным импульсом: а - термоупругий режим; б - абляционный режим
механизм, как и в случае лазерной генерации УЗ-колебаний, определяется потерями энергии заряженных частицами в среде, которые приводят к возникновению в объёме твёрдого тела области повышенной температуры.
Образование области повышенной температуры приводит к формированию в объёме твёрдого тела поля термоупругих механических напряжений.
Наибольшее распространение в качестве детекторов акустического излучения в исследованиях по радиационной акустике получили пьезоакустические преобразователи, что объясняется их доступностью и простотой использования, а также достаточно высокой чувствительностью.
Значительный научный и практический интерес представляют исследования амплитудно-частотных и пространственно-временных характеристик акустического излучения генерируемого импульсными пучками электронов для целей НК и, в частности, для НК изделий из алюминиевых сплавов. В настоящее время число публикаций по исследованию радиационно-акустического эффекта для целей дефектоскопии крайне ограничено.
По сравнению с известными способами бесконтактной генерации УЗ-колебаний в материалах, радиационно-акустический обладает следующими преимуществами:
обеспечивает более высокое значение коэффициента трансформации падающей энергии в поглощённую;
крайне слабая зависимость коэффициента трансформации энергии от состояния поверхности изделия;
расширяет функциональные возможности метода дефектоскопии акустическими волнами за счёт возможности дополнительной информации использования путём регистрации прошедшего ионизирующего излучения.
Серьёзным недостатком радиационно-акустического метода является его необратимость. Однако использование бесконтактных детекторов УЗ-колебаний для регистрации акустических сигналов, генерируемых импульсными пучками заряженных частиц, позволяет эффективно компенсировать это неудобство. Для этих целей наиболее подходящими являются ЭМА-преобразователи. Следует отметить, что проводятся исследования по сочетанию ЭМА-детектирования с опто-акустическим методом.
Библиографические ссылки
1. Буденков Г. А. Возбуждение упругих волн в упругом полупространстве при тепловых воздействиях конечной длительности // Дефектоскопия. 1979. № 3. С. 75-81.
2. Буденков Г. А. Возбуждение упругих волн в твердых телах лучом лазера вследствие термоупругого эффекта // Дефектоскопия. 1979. № 2. С. 75-81.
3. Касоев С. Г., Лямшев Л. М. О генерации звука в жидкости лазерными импульсами произвольной формы // Акуст. Журнал. 1978. Т. 24, вып. 4. С. 534-539.
4. Залюбовский И. И., Калинченко А. И., Лазурик В. Т. Введение в радиационную акустику. Харьков : Вища шк., 1986. С. 167.
5. Симанчук В. И., Янисов В. В., Генерация ультразвуковых колебаний в твердых телах импульсными пучками заряженных частиц // Дефектоскопия. 1984. К. 3. С. 30-38.
© Мужикбаев А. С., Скворцов М. П., 2015
