Суть изобретения состояла в том, что «в жидкости при помощи пьезокварца или иным способом возбуждаются упругие колебания высокой частоты и по степени поглощения этих колебаний находящимся в жидкости или в соприкосновении с нею испытуемым металлическим образцом судят о его свойствах, например, о степени его закалки, о химической его однородности, о наличии в нем раковин или трещин и т. д.». Изобретение С. Я. Соколова (авторское свидетельство № 23246 с приоритетом от 2 февраля 1928 года) положило начало одному из важных научно-технических направлений: использованию ультразвука для контроля материалов и изделий без разрушения.

Стремительно развивающаяся техника испытывает острую нужду в совершенных неразрушающих методах контроля, способных обеспечить «поголовную» проверку качества продукции.

Такая стопроцентная проверка необходима, когда речь идет об определении качества, надежности ответственнейших деталей, изделий, выход из строя которых может оказаться по своим последствиям катастрофическим.

Например, у атомной электростанции или мощного парового котла, предназначенного для работы с гигантским турбогенератором, число сварных соединений достигает десятков тысяч! Разве можно удовлетвориться выборочным разрушающим контролем нескольких из них, чтобы по этим результатам вынести суждение о работоспособности всех остальных швов? Конечно, нет. Ведь выход из строя хотя бы одного шва может привести к тяжелой аварии.

Столь же строги требования к проверке качества деталей современных турбинных реактивных и поршневых двигателей, многих энергетических и химических установок, транспортных средств, аппаратов, приборов, работающих при очень высоких температурах, испытывающих напряжения, близкие к предельным, подвергающихся воздействию агрессивных сред.

Развитие неразрушающих методов началось с хорошо всем известной рентгенографической дефектоскопии. Однако очень скоро выяснились ее недостатки: жесткие требования по обеспечению безопасности персонала, довольно длительное время контроля, возможность обнаружения лишь объемных пороков (типа раковин и шлаковых включений). Тонкие, слабо раскрытые дефекты, например, трещины, очень плохо выявляются рентгеновскими или гамма-лучами. А ведь именно такие дефекты относятся к числу наиболее опасных, так как могут быстро расти в процессе эксплуатации изделия.

Открытие С. Я. Соколова оказалось чрезвычайно плодотворным. Это объясняется тем, что в основе предложенного им способа лежало наблюдение за распространением акустических волн, которое определяется упругими свойствами материала, а с ними, как известно, тесно связаны прочностные характеристики. Именно поэтому акустические методы в настоящее время широко применяются не только для выявления тончайших трещин и других дефектов. Они используются также для неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов, измерения геометрических размеров изделий, контроля качества поверхности деталей и других целей.

Ультразвуковой метод не имеет равных при обнаружении тонких трещин. Если радиационные методы при самых благоприятных условиях позволяют обнаруживать трещины шириной 0,1 мм, а магнитный и электромагнитный контроль — шириной 0,001—0,01 мм, то ультразвук «замечает» трещины шириной 0,00001 мм, практически полностью отражаясь от них.

Естественно, что акустические методы контроля не универсальны, имеют свои области эффективного применения. Наряду с ними широко используются и другие способы контроля.

Не случайно мы говорим методы, а не метод, так как акустических методов, отличающихся по целому ряду признаков, довольно много.

С. Я. Соколов предложил наблюдать за степенью поглощения упругих волн, прошедших через изделие или образец.

Для этого излучатель и приемник ультразвука (их еще иначе называют искатель или преобразователь) необходимо расположить на противоположных поверхностях изделия.

Ультразвуковые волны, достигшие дефекта, частично отразятся от него, а частично в результате явления дифракции обогнут дефект (доля излучения, прошедшего сквозь дефект, обычно мала). Если длина ультразвуковых волн значительно меньше размеров дефекта, то позади него образуется четкая геометрическая тень, как при экранировании световых волн. Поэтому и сам метод получил название теневого.

С уменьшением длины волны ультразвука растет степень его рассеивания в материале изделия. Это-то и ограничивает возможность применения для контроля волн короче примерно 0,5 мм. При обнаружении такими волнами дефектов размером в несколько миллиметров четкой геометрической тени не образуется и чувствительность контроля оказывается недостаточной. Большое неудобство теневого метода связано также с тем, что необходимо иметь доступ к двум противоположным поверхностям изделия, что очень часто просто невозможно.

Поэтому наибольшее распространение получил эхо-метод. В нем искатель генерирует короткий ультразвуковой импульс, который отражается от дефектов, различных неоднородностей, от поверхностей изделия, а затем принимается тем же или другим искателем. Одновременно с посылкой ультразвукового импульса включается генератор развертки электроннолучевой трубки. По положению отраженных импульсов на линии развертки можно фиксировать время их прихода и различать импульсы, отраженные от передней, задней поверхностей изделия и от дефектов, измерять толщину изделия и глубину залегания дефекта. Амплитуда сигнала от дефекта позволяет ориентировочно оценить его размер.

Чувствительность эхо-метода очень высока. Например, советский дефектоскоп УД-10-УА обнаруживает в стальных поковках толщиной до 0,5 м дефекты диаметром 2—3 мм. (Реальные дефекты имеют сложную форму, поэтому чувствительность прибора измеряется по искусственным дефектам в виде отверстия с плоским дном, расположенным перпендикулярно направлению ультразвука; диаметр такого обнаруживаемого отверстия и принимают за меру чувствительности.) Максимальная толщина изделий, контролируемых этим прибором,— 5 м. Для сравнения скажем, что радиационными методами (используя в качестве источника линейный ускоритель) удается проверять изделия лишь толщиной до 0,5 м и выявлять дефекты размером не менее 5 мм (в направлении хода лучей).

Расшифровка импульсов на экране электроннолучевой трубки дефектоскопа — довольно сложная операция. Наблюдая такие импульсы, трудно составить правильное представление о форме и размерах дефекта в изделии.

Чтобы устранить этот недостаток, разрабатывают способы визуального изображения дефекта при контроле эхо-методом. Один из них, например, реализован во французской установке типа «Металлорадар». В ней синхронно с автоматическим перемещением искателя по поверхности изделия смещается линия развертки по экрану дефектоскопа. Приходящие отраженные сигналы используются для управления яркостью луча электроннолучевой трубки. Когда отражений нет, то линия развертки не видна, но когда приходит отраженный сигнал, появляется светлая точка. Электроннолучевая трубка выбрана такой, чтобы она сохраняла изображение достаточно долго (с большим послесвечением). В результате светлые точки, соответствующие отражениям от передней, задней поверхностей и от дефекта, сливаются, и на экране представляется как бы разрез изделия в месте расположения дефекта.

Однако этим способом можно получить достаточно четкое изображение лишь относительно крупных дефектов: 10—15 мм и более. Меньшие дефекты, соизмеримые с длиной волны ультразвука, представляются в виде пятен, форма которых слабо связана с формой дефекта.

При контроле эхо-методом вблизи поверхности изделия существует мертвая, то есть неконтролируемая, зона. Это объясняется резким ослаблением чувствительности прибора в момент излучения импульса. Чем короче импульс и чем быстрее заканчиваются переходные процессы, связанные с его излучением, тем меньше мертвая зона. Однако даже в самых совершенных эхо-дефектоскопах ее невозможно сделать меньше 1—2 мм.

Для контроля более тонких изделий (доступ к которым возможен только с внешней поверхности) применяется резонансный метод.

В изделие, например, стенку трубы, посылаются не импульсы, а непрерывные колебания, частота которых плавно изменяется. На частоте, при которой по толщине стенки укладывается целое число полуволн ультразвука, возникают резонансы колебаний. Зная их частоту, а следовательно, и длину волны, легко определить толщину изделия. Резкое уменьшение толщины, или пропадание резонансов, служит признаком наличия дефектов.

Небольшие изделия целиком можно проверить по изменению частот свободных колебаний, возбуждаемых в них после удара. Именно этот способ применяется для контроля стеклянной посуды. Ударит продавец карандашом по бокалу и слушает, не раздастся ли дребезжание. В технике для такого контроля применяют спектральные анализаторы, позволяющие количественно определять амплитуды и частоты свободных колебаний проверяемых изделий (лопаток турбин, абразивного инструмента и других). Такой метод пригоден для контроля протяженных изделий по участкам.

Рассмотренные методы малопригодны для контроля некоторых пластмасс, стеклопластиков и слоистых конструкций, широко применяемых в авиации, химии, ракетной технике. Дело в том, что в таких материалах ультразвуковые колебания частотой 1—10 МГц (мегагерц), применяемые для контроля металлов, очень сильно затухают. Уменьшить затухание можно, снижая частоту ультразвука, но одновременно возрастает длина волны и (вспомните о явлении дифракции) увеличивается минимальный размер обнаруживаемых дефектов. Для проверки пластмасс и им подобных материалов приходится снижать частоту в сотни раз, соответственно в сотни раз ухудшается чувствительность метода. Поэтому для контроля таких материалов разработаны специальные методы.

Один из них предложен и реализован в нашей стране инженером Ю. В. Ланге. Он получил название импедансного. Возбуждаются колебания стержня, опирающегося на поверхность контролируемого изделия. Импеданс поверхности характеризует силу ее сопротивления колебаниям стержня. Наличие дефекта, близкого к поверхности изделия, уменьшает акустический импеданс этого участка, то есть делает его «мягким». Это приводит к увеличению амплитуды колебаний стержня, изменению режима колебаний (фазы, резонансных частот). По одному из этих признаков судят о наличии дефекта. Импедансный дефектоскоп АД-40И не имеет мертвой зоны и позволяет выявлять дефекты диаметром 3—5 мм на глубине до 3 мм.

Существуют методы, основанные на регистрации акустических колебаний, порождаемых в самом изделии. Применяя приспособление, подобное медицинскому стетоскопу, контролер выслушивает шумы работающего механизма и улавливает нарушение нормальных ритмов. Этот метод называют шумовибрационным; в нем используются не ультразвуковые, а звуковые колебания. Если же перейти в область ультразвуковых частот, то можно уловить слабые акустические сигналы (как бы треск металла), возникающие при появлении и развитии трещин. Этот метод получил название метода акустической эмиссии. Чувствительность его настолько высока, что он позволяет проследить перемещения дислокаций, предшествующие зарождению макротрещины.

Разнообразие акустических методов (здесь были упомянуты лишь основные) создает очень широкие возможности для использования их в целях технической Диагностики и контроля. К этому нужно добавить, что, применяя те или иные методы, можно использовать различные типы акустических волн, а это открывает еще более широкие перспективы.

Какие волны выбрать?

Возможности применения волн различного типа рассмотрим на примере эхо-метода. Вернемся к схеме метода. К поверхности твердого тела прижата пьезопластина, колеблющаяся по толщине под действием переменного электрического поля (пьезоэлектрические преобразователи получили наибольшее распространение в качестве излучателей и приемников в ультразвуковой дефектоскопии). Колебания пластины вызывают сжатия и растяжения поверхностного слоя тела. В результате возникает волна, распространяющаяся перпендикулярно поверхности. Частицы в этой волне колеблются вдоль направления распространения волны, поэтому такая волна называется продольной.

Применяя продольные волны, контролируют поковки, штамповки, прокат, литье, строительные материалы, огнеупоры, некоторые пластмассы и целый ряд других изделий. Следует отметить, что волна, перпендикулярная к поверхности тела, хорошо отражается лишь от дефектов, ориентированных параллельно поверхности. А как же выявить вертикальные дефекты?

Попробуем направить волну от пьезапластины под углом к поверхности изделия. Для этого между пьезопластиной и изделием придется ввести клин (призму). Оказывается, что в процессе преломления волн на границе призмы с изделием в изделии появятся сразу две волны: кроме продольной, еще и поперечная волна, в которой колебания частиц происходят перпендикулярно направлению ее распространения.

Если представить среду, в которой распространяется ультразвук, состоящей из бесчисленного числа слоев, то распространение продольных волн соответствует передаче колебаний от одного слоя к другому в результате расширения — сжатия слоев по толщине. В твердом теле слои жестко связаны между собой, поэтому сдвиговые колебания также передаются от одного слоя к другому. В результате и возникает поперечная (или сдвиговая) волна. Скорость распространения ее почти вдвое ниже продольной. (В жидкостях и газах слои свободно скользят друг относительно друга, поэтому сдвиговые волны в этих средах не распространяются.)

Наличие сразу двух волн в изделии очень мешает расшифровке результатов контроля.

Кандидат технических наук А. С. Матвеев с сотрудниками предложил искатели, которые позволяют создать в изделии при наклонном вводе ультразвука только одну волну. Для этого угол наклона призмы делают настолько большим, что продольная волна испытывает полное внутреннее отражение, и в изделии остается лишь поперечная волна. Призматические искатели очень удобны не только для обнаружения вертикальных трещин в поковках, но и для контроля сварных соединений. Миллионы сварных соединений трубопроводов, мостов, рельсов, резервуаров и других изделий контролируют сейчас с помощью таких призматических искателей.

Увеличивая угол преломления призмы, можно возбудить в твердом теле новый тип волн — поверхностные. Скорость распространения таких волн несколько меньше, чем поперечных. Поверхностная волна концентрируется в тонком слое твердого тела, достигая максимума интенсивности на его поверхности и уменьшаясь практически до нуля на глубине, равной длине волны.

Распространяясь вдоль гладкой поверхности, поверхностная волна очень слабо затухает, и при этом она следует за всеми изгибами поверхности. Ею можно контролировать участки поверхности протяженностью 0,5—1 м, не перемещая искателя. Так, например, контролируют турбинные лопатки.

Иногда возникает необходимость проверки слоя, находящегося непосредственно под довольно грубой поверхностью, например, выявление трещин под наплавкой, валиком усиления сварного шва или под винтовой резьбой. Поверхностные волны для этого не годятся, так как они будут очень сильно рассеиваться неровностями самой поверхности. Недавно в нашей стране для такого контроля предложено использовать продольные волны, распространяющиеся вдоль поверхности.

В заключение скажем еще об одном типе волн. В телах ограниченных размеров (пластинах и стержнях) звук распространяется, как в волноводе (аналогично распространению света в стеклянном волокне), образуя так называемые нормальные волны; скорость их зависит от частоты и размеров волновода. Если условия распространения таких волн изменятся, например, они встретят на своем пути расслоение в пластине, то это вызовет изменение их скорости и отражение. Напомним, что продольные и поперечные волны от дефектов, расположенных вдоль направления их распространения, не отражаются, а поэтому такие дефекты ими не обнаруживаются. Другое дело нормальные волны. Используя их, выявляют продольные и поперечные дефекты в проволоке, стержнях, листах, тонких оболочках, тонкостенных трубах. В нашей стране выпускается, например, серия установок типа «Микрон» для автоматического контроля труб диаметром от 3,5 до 120 мм; в трубах с толщиной стенки 1 мм удается обнаружить трещины и риски глубиной 0,03 мм.

Пути совершенствования

Когда речь идет об ультразвуковой волне, распространяющейся в реальном металле, то нельзя забывать, что он состоит из множества зерен — кристаллов. Скорость распространения в каждом кристалле зависит от направления звука. В поликристаллической среде кристаллы ориентированы случайным образом относительно друг друга. В результате изменения на границе двух кристаллов скорости акустических волн возникает их рассеяние. Интенсивность рассеяния невелика, когда размеры кристаллов в сотни раз меньше длины волны, но она резко возрастает, когда размеры кристаллов достигают 0,1—0,2 длины волны.

Каждый отдельный рассеянный сигнал невелик, но происходит сложение сигналов от большого количества отдельных отражателей. В зависимости от случайного соотношения фаз интерферирующих сигналов суммарный сигнал может обратиться в нуль, а может достичь значительной амплитуды.

Выявление сигналов от дефектов на фоне таких помех — одна из самых сложных задач ультразвуковой дефектоскопии. В решении ее наметились два направления.

Первое направление связано с выбором оптимальных параметров контроля. Именно оно приносит пока наибольшие успехи.

Подбирая волны, которые меньше рассеиваются, увеличивая долю энергии, отраженной от дефекта (за счет сужения пучка лучей и уменьшения длительности импульса), удается в 10—20 раз улучшить соотношение между полезными сигналами и помехами. Это особенно существенно для контроля крупнозернистых материалов.

Другое направление работ основывается на корреляционной обработке информации. В чем суть этого способа? Как уже говорилось, в реальном металле (а не идеальном твердом теле) информация о волнах, отраженных от дефектов и от границ кристаллов, хаотически перемешана. Из весьма сильных шумов надо выделить полезный сигнал. Для этого в процессе последовательного излучения ультразвуковых импульсов изменяют один из параметров, который по-разному влияет на шумы и полезный сигнал, например, диаметр искателя, частоту ультразвука, положение искателя на поверхности изделия. Полученные результаты проходят корреляционную обработку, направленную на выделение полезной информации. В одном из приборов (УЗДМ-1) реализована, например, система с изменением частоты. В этом случае дефектами признаются только такие объекты, сигналы от которых получены при контроле на двух частотах, отличающихся в 1,5 раза.

Совершенствование методов ультразвуковой дефектоскопии идет и в другом направлении.

Как известно, при ультразвуковом контроле необходимо постоянно поддерживать акустический контакт пьезопреобразователя с изделием. Промежуток между ними должен быть обязательно заполнен жидкостью, иначе ультразвуковые волны будут испытывать очень большое отражение от границы раздела. Поэтому пьезопреобразователь либо прижимается к поверхности изделия через слой масла (контактный способ), либо между ними создается довольно толстый водяной промежуток (иммерсионный способ). В первом случае необходима довольно высокая чистота поверхности (4—6-й класс), но даже при соблюдении этого условия чувствительность может изменяться в десятки раз при изменении толщины масляной пленки на десятые доли миллиметра. Второй путь требует создания довольно сложных устройств, например, ванн, в которые погружается изделие, координатных приспособлений, обеспечивающих точное направление ультразвука на поверхность контролируемой детали. Вместо легких (6—8 кг) приборов приходится иметь дело с установками, масса которых измеряется тоннами.

Уже много лет ведутся поиски эффективных способов бесконтактного ввода ультразвука. Наибольшие успехи достигнуты в реализации электромагнитно-акустического способа.

При этом способе в металле изделия возбуждаются вихревые токи, которые взаимодействуют с внешним постоянным магнитным полем; в результате появляются силы, вызывающие механические колебания, частота которых равна частоте вихревых токов. Таким образом, механические (акустические) колебания возбуждаются в самом изделии, а не передаются в него из пьезопластины. Чувствительность электромагнитно-акустического способа возбуждения и приема ультразвуковых волн пока еще на один-два порядка меньше, чем традиционного способа с пьезоэлектрическими преобразователями. Однако имеются такие области техники, где преимущества нового способа возбуждения ультразвуковых волн исключительно ценны. С его помощью можно возбуждать поперечные волны, распространяющиеся перпендикулярно поверхности (задача, трудно решаемая с помощью пьезопреобразователя), и, измеряя их скорость, определять модуль сдвига материалов. Благодаря бесконтактности электромагнитно-акустический метод возбуждения ультразвуковых волн используют для измерения толщины стенок труб в потоке работающего трубопрокатного стана (установка УТ-80Б).

И в заключение еще об одном важном направлении работ.

Один из самых серьезных недостатков ультразвукового метода контроля состоит в том, что сведения, которые он сообщает, недостаточны, чтобы составить полную характеристику дефекта. Например, с помощью эхо-метода можно с высокой достоверностью установить наличие дефектов и довольно правильно измерить их координаты, но размеры дефектов определяются с низкой точностью. Сравнительно недавно оценка формы дефекта считалась вообще невыполнимой задачей. Между тем именно характер, форма дефекта имеют наиболее важное значение для решения вопроса о его допустимости. В сварных соединениях, например, вполне допустимы небольшие дефекты округлой формы (шлаки, поры), но недопустимы такого же размера непровары и особенно трещины.

Многочисленные попытки сделать дефекты видимыми на экране прибора, как уже отмечалось, оказались малоуспешными. Гораздо более эффективными оказались способы, при которых определение характера дефектов основано на разной отражательной способности округлых и плоских дефектов при изменении направления озвучивания. Например, в одном из способов, наиболее успешно применяемых при контроле сварных швов, сравниваются амплитуды двух сигналов: рассеянного на дефекте в направлении излучателя и рассеянного в направлении зеркального отражения, то есть направлении максимального отражения от плоских дефектов типа трещин и непроваров. Для сварных соединений толщиной более 40 мм этот способ дает правильную оценку формы дефекта в 9 случаях из 10.

Очень перспективен спектральный способ определения характера дефектов. Он основан на том, что изменение частоты ультразвука по-разному будет влиять на амплитуду сигналов, отраженных от округлых и от плоских дефектов. Например, в случае округлых дефектов изменение частоты вообще мало сказывается на величине амплитуды. Значит, плавно меняя частоту ультразвука и анализируя зависимость получаемых значений амплитуды, можно получить информацию о форме дефектов.

Создание дефектоскопа-спектроскопа оказалось весьма трудной задачей. Особенно сложной была разработка искателя, который бы обеспечивал плавное изменение частоты в 3—4 раза. Сейчас уже основные трудности преодолены. Опробование спектрального способа в заводских условиях дало хорошие результаты, однако иногда возникали и ошибки в определении характера дефектов. Это, например, происходило в тех случаях, когда ультразвуковые лучи падали на плоский участок поверхности округлого дефекта. Следовательно, для повышения достоверности определения характера дефекта нужно изучать спектры отражения от дефектов при различных ракурсах озвучивания. Информация, получаемая в этом случае, оказывается столь обширной, что обработка ее под силу лишь ЭВМ.

Применение ультразвука для выявления дефектов, измерения толщины, контроля упругих и других физико-механических свойств материалов — это и сегодняшний и завтрашний день техники. Развитие ультразвуковой дефектоскопии оказывает серьезное влияние на ускорение технического прогресса, повышение качества многих видов продукции. В нашей стране ежегодно выпускаются тысячи различных ультразвуковых приборов и установок. Экономический эффект от их применения исчисляется сотнями миллионов рублей.

Доктор технических наук И. Ермолов.