Двухматричная решетка для контроля сварных швов с акустическими шумами

Резюме

Сварные швы из разнородных металлов и другие материалы с акустическими шумами можно контролировать с помощью обычных ультразвуковых датчиков с продольной передачей-приемом (TRL). В усовершенствованном методе контроля используются датчики Olympus с двойной матрицей (DMA) и фазированная ультразвуковая решетка для электронного направления, перекоса и фокусировки акустических пучков в материалах.

Задачи

Сварные швы из разнородных и аустенитных материалов трудно поддаются ультразвуковому контролю. Особенно сложно проводить контроль только с одной стороны материала, поскольку анизотропия материала сварного шва приводит к рассеянию ультразвуковых лучей.

Двухэлементные датчики TRL, обычно используемые для контроля таких материалов, содержат один передающий и один принимающий элементы, разделенные акустической изоляцией. Конфигурация с косым и крышеобразным углом позволяет им фокусироваться на одной точке детали, что создает псевдофокусировку. TRL-зонды подходят для этих целей, поскольку они устраняют межфазное эхо, не имеют мертвых зон из-за клинового эха, уменьшают обратное рассеяние сигналов и позволяют использовать более высокий коэффициент усиления.

Однако недостатком TRL-зондов является то, что из-за фиксированного угла преломления и псевдофокальной точки для проведения контроля может потребоваться большое количество таких зондов, чтобы охватить весь диапазон необходимых конфигураций.

Решения

Датчики Olympus DMA в сочетании с приборами ^OmniScan® или FOCUS ^PX™ используют ультразвук с фазированной решеткой (вместо обычного ультразвука), что позволяет расширить диапазон контроля для улучшения оценки крупнозернистых аустенитных материалов и сплавов Inconel®, а также сварных швов. Датчики DMA сочетают в себе преимущества методов S-сканирования с фокусированными продольными волнами и продольного контроля с питч-кэтчем.

В представленном здесь методе контроля DMA используются два типа стандартных датчиков - датчик 2,25 МГц и датчик 4 МГц, которые обеспечивают возможность контроля широкого спектра аустенитных материалов и сварных фасок, включая сварные швы из разнородных металлов и коррозионно-стойких сплавов (CRA).

Описание оборудования

Датчик Olympus 2,25 МГц, A17 DMA содержит крупноэлементную конфигурацию 4×7 в каждом из корпусов массивов и оптимизирован для работы с более толстыми и ослабляющими аустенитными материалами. Апертура каждого массива составляет 12×19 мм. Поскольку датчик A17 DMA содержит четыре элемента на вторичной оси, пучок можно направлять электронным способом с помощью плоского клина, без использования механического угла крыши на клине.

Зонд Olympus 4 МГц, A27 DMA содержит в каждом из корпусов конфигурацию 2×16 малых элементов, оптимизированную для работы с тонкими аустенитными материалами с меньшим коэффициентом ослабления. Каждый массив имеет апертуру 6×16 мм. Поскольку датчик A27 DMA содержит только два элемента на вторичной оси, для каждого диаметра трубы или фокуса клиньев требуется механический угол крыши.

Поскольку элементы TX и RCV акустически изолированы через клин, нет необходимости в демпфирующем материале клина и большом расстоянии между ними. Таким образом, клин DMA имеет меньшие размеры и способен увеличить полезную глубину фокусировки и дальность действия зонда в материале, что приводит к более высокому SNR на большем звуковом пути. Это является улучшением по сравнению с большими клиньями, которые могут терять значительное количество энергии из-за затухания клина, например, при использовании одномерных датчиков линейного массива в импульсно-эхо контроле продольным угловым лучом.

Результаты испытаний

Объемные исследования проводились с помощью датчика A17 DMA с клином DN55L, обеспечивающим двойную номинальную продольную волну с углом 55 градусов. Крупноэлементная конструкция датчика A17 с частотой 2,25 МГц подходит для более толстых и ослабленных материалов, таких как инконель и нержавеющая сталь 316, описанных ниже. Для охвата объема и корневых зон сварных швов в образцах использовался S-скан с фокусировкой примерно 30-75 градусов.

При контроле образцов из инконеля датчик A17 использовался для визуализации 2-миллиметрового надреза EDM в сварном шве CRA из сплава инконеля толщиной 25 мм через плакированный слой. Курсоры дефектоскопа OmniScan использовались для определения длины надреза на дисплее C-скана, а также глубины и высоты на дисплеях A-скана и S-скана. Дельты курсоров и тригонометрия отображались в заголовке OmniScan и записывались в таблицу индикации, формируемую непосредственно из заголовка.

При контроле образцов из нержавеющей стали 316 датчик A17 использовался для обнаружения отверстия длиной 3 мм и глубиной 25 мм через сварной шов на калибровочном блоке сосуда SS316 толщиной 50 мм. Затухание через сварной шов увеличилось на 12 дБ по сравнению с обнаружением через основной материал рядом со сварным швом.

Уникальным преимуществом датчика A17 является возможность внеосевого отклонения луча, при котором S-скан может быть направлен под углом, отличным от прямого перед датчиком. Это было возможно только с датчиком A17, поскольку он имеет достаточное количество элементов (четыре) на вторичной оси. (Зонд A27 DMA не способен отклонять луч от оси, поскольку имеет только два элемента на вторичной оси).

Основное назначение внеосевых S-сканов - обнаружение и определение размеров осевого и поперечного IGSCC (межкристаллитного коррозионного растрескивания под напряжением) в сварных швах аустенитных труб. Предельный перекос внеосевого луча определяется количеством элементов на вторичной оси зонда, а также размером и частотой элементов. Хотя при использовании плоского клина зонд A17 способен перекосить луч не менее чем на 45 градусов, при использовании клиньев AOD этот предел перекоса снижается, а осевой наружный диаметр трубы (AOD) уменьшается.

Датчик A27 DMA использовался для объемного и поверхностного контроля дополнительных образцов сварного шва из инконеля. (Под поверхностным контролем понимается обнаружение, определение размеров и характеристик неглубоких дефектов сварного шва или дефектов, связанных с наружной поверхностью шва). Мелкоэлементная конструкция датчика A27, работающего на частоте 4 МГц, подходит для тонких и менее ослабленных материалов этих образцов. Можно было бы использовать клин DN55L или DNCR. Однако для данной задачи был выбран клин DNCR, а не DN55L, поскольку он более универсален как для объемного, так и для поверхностного контроля. Конструкция клина DNCR была оптимизирована для поверхностного контроля, когда толщина сварных фасок не превышает примерно 25 мм. Поверхностный контроль дополняет объемный контроль и, таким образом, обеспечивает полное покрытие сварного скоса.

При объемном контроле с использованием датчика A27 и клина DNCR сварной шов CRA исследовался с помощью S-скана с углом 30-80 градусов, сфокусированного через звуковой тракт диаметром 30 мм. Известно, что продольная скорость звука в сварном шве из сплава Inconel 625 составляет 5830 м/с, а скорость звука в основном материале - углеродистой стали - 5890 м/с. Эта разница скоростей привела к незначительному изменению угла наклона луча на границе сварного шва. Точность построения глубины и высоты зависела от точности определения значений скорости звука в основном материале и сварном шве.

Датчик A27 продемонстрировал высокий SNR на обнаруженном им дефекте дальней фаски. Дефект был правильно отображен на графике в соответствии с его известной глубиной и расположением на линии сварного шва. Глубина дефекта (DA) была измерена с помощью А-скана с наибольшей амплитудой. Показания тригонометрии строба для звукового пути (SA), глубины (DA), расстояния между датчиками (PA) и объемного положения относительно нуля на индексной оси (VIA) были нанесены на график правильно.

Для контроля поверхности зонд A27 был ограничен контролем под большим углом и первой ногой. Зонд A27 был настроен на сканирование под высоким углом S примерно 70-85 градусов с мелким или коротким фокусом. Выше 70-75 градусов все лучи А-скана распространялись, по сути, параллельно поверхности с продольной скоростью. Это позволило аналогичным образом обнаружить неглубокий SDH, надрез или дефект сварного шва. Результаты контроля поверхности не менялись в зависимости от формы сварной коронки (заподлицо или нет).

В образце сварного шва из сплава 625 Inconel датчик A27 с клином DNCR обнаружил поверхностную выемку глубиной 1 мм и длиной 10 мм, выполненную методом ЭДМ, на расстоянии более 20 мм от торца клина.

В образце сварного шва из сплава Инконель 800 диаметром 152 мм (6 дюймов) датчик A27 с клином DNCR обнаружил три неглубоких дефекта и один дефект, связанный с наружным диаметром.

Заключение

Стандартные двухматричные датчики Olympus с частотой 2,25 МГц (A17) и 4 МГц (A27) могут расширить возможности контроля аустенитных и инконелевых сплавов и сварных швов с помощью приборов OmniScan или Focus PX.

Конфигурация датчика A17, состоящая из 4×7 крупных элементов, подходит для аустенитных материалов большой толщины и с более высоким коэффициентом ослабления. Зонд A27 с конфигурацией 2×16 малых элементов подходит для более тонких и менее ослабляющих аустенитных материалов.

Совместимые с OmniScan датчики DMA являются дополнительным инструментом контроля фазированных решеток как для начинающих, так и для опытных пользователей.

В образце сварного шва из сплава 625 Inconel датчик A27 с клином DNCR обнаружил поверхностную выемку EDM глубиной 1 мм и длиной 10 мм на расстоянии более 20 мм от торца клина.