дефектоскопия

ДЕФЕКТОСКОПИЯ (от лат. defectus - недостаток, изъян и греч. skopeo - рассматриваю, наблюдаю) - комплекс физ. методов и средств неразрушающего контроля качества материалов, заготовок и изделий с целью обнаружения дефектов их строения. Методы Д. позволяют полнее оценить качество каждого изделия без его разрушения и осуществить сплошной контроль, что особенно важно для изделий ответств. назначения, для к-рых методы выборочного разрушающего контроля недостаточны.

Несоблюдение заданных технол. параметров при обработке материала сложного хим. и фазового состава, воздействие агрессивных сред и эксплуатац. нагрузок при хранении изделия и в процессе его работы могут привести к возникновению в материале изделия разл. рода дефектов - нарушений сплошности или однородности, отклонений от заданного хим. состава, структуры или размеров, ухудшающих эксплуатационные характеристики изделия. В зависимости от величины дефекта в зоне его расположения изменяются физ. свойства материала - плотность, электропроводность, магнитные, упругие характеристики и др.

Методы Д. основаны на анализе вносимых дефектом искажений в приложенные к контролируемому изделию физ. поля разл. природы и на зависимости результирующих полей от свойств, структуры и геометрии изделия. Информация о результирующем поле позволяет судить о наличии дефекта, его координатах и размере.

Д. включает в себя разработку методов неразрушающего контроля и аппаратуры - дефектоскопов, устройств для проведения контроля, систем для обработки и фиксации полученной информации. Применяются оптич., радиац., магн., акустич., эл--магн. (токовихревые), электрич. и др. методы.

Оптическая Д. основана на непосредств. осмотре поверхности изделия невооружённым глазом (визуально) или с помощью оптич. приборов (лупы, микроскопа). Для осмотра внутр. поверхностей, глубоких полостей и труднодоступных мест применяют спец. эндоскопы - диоптрийные трубки, содержащие световоды из волоконной оптики, оснащённые миниатюрными осветителями, призмами и линзами. Методами оптич. Д. в видимом диапазоне можно обнаруживать только поверхностные дефекты (трещины, плены и др.) в изделиях из материалов, непрозрачных для видимого света, а также поверхностные и внутр. дефекты - в прозрачных. Мин. размер дефекта, обнаруживаемого визуально невооружённым глазом, составляет 0,1-0,2 мм, при использовании оптич. систем - десятки мкм. Для контроля геометрии деталей (напр., профиля резьбы, шероховатости поверхности) применяют проекторы, профилометры и микроинтерферометры. Новой реализацией оптич. метода, позволяющей существенно повысить его разрешающую способность, является лазерная Д., в к-рой используется дифракция когерентного лазерного луча с индикацией при помощи фотоэлектронных приборов. При автоматизации оптич. метода контроля применяют телевиа. передачу изображения.

Радиационная Д. основана на зависимости поглощения проникающего излучения от длины пути, пройденного им в материале изделия, от плотности материала и атомного номера элементов, входящих в его состав. Наличие в изделии нарушений сплошности, инородных включений, изменения плотности и толщины приводит к разл. ослаблению лучей в разл. его сечениях. Регистрируя распределение интенсивности прошедшего излучения, можно получить информацию о внутр. структуре изделия, в т. ч. судить о наличии, конфигурации и координатах дефектов. При этом могут использоваться проникающие излучения разл. жёсткости: рентг. излучение с энергиями 0,01-0,4 МэВ; излучение, полученное в линейном (2-25 МэВ) и циклич. (бетатрон, микротрон 4-45 МэВ) ускорителях или в ампуле с -активными радиоизотопами (0,1-1 МэВ); гамма-излучение с энергиями 0,08-1,2 МэВ; нейтронное излучение с энергиями 0,1-15 МэВ.

Регистрация интенсивности прошедшего излучения осуществляется разл. способами - фотографич. методом с получением изображения просвечиваемого изделия на фотоплёнке (плёночная радиография), на многократно используемой ксерорадиографич. пластинке (электрорадиография); визуально, наблюдая изображения просвечиваемого изделия на флуоресцирующем экране (радиоскопия); с помощью электронно-оптич. преобразователей (рентгенотелевидение); измерением интенсивности излучения спец. индикаторами, действие к-рых основано на ионизации газа излучением (радиометрия).

Чувствительность методов радиац. Д. определяется отношением протяжённости дефекта или зоны, имеющей отличающуюся плотность, в направлении просвечивания к толщине изделия в этом сечении и для разл. материалов составляет от 1 до 10% его толщины. Применение рентг. Д. эффективно для изделий ср. толщин (сталь до ~80 мм, лёгкие сплавы до ~250 мм). Сверхжёсткое излучение с энергией в десятки МэВ (бетатрон) позволяет просвечивать стальные изделия толщиной до ~500 мм. Гамма-Д. характеризуется большей компактностью источника излучения, что позволяет контролировать труднодоступные участки изделий толщиной до ~250 мм (сталь), притом в условиях, когда рентг. Д. затруднена. Нейтронная Д. наиб. эффективна для контроля изделий небольшой толщины из материалов малой плотности. Один из новых способов рентгеноконтроля - вычислит. томография, основанная на обработке радиометрич. информации с помощью ЭВМ, получаемой при многократном просвечивании изделий под разными углами. При этом удаётся послойно визуализировать изображения внутр. структуры изделия. При работе с источниками ионизирующих излучений должна быть обеспечена соответствующая биол. защита.

Радиоволновая Д. основана на изменении параметров эл--магн. волн (амплитуды, фазы, направления вектора поляризации) сантиметрового и миллиметрового диапазона при распространении их в изделиях из диэлектрических материалов (пластмассы, резина, бумага).

Источником излучения (обычно - когерентного, поляризованного) является генератор СВЧ (магнетронный, клистронный) небольшой мощности, питающий волновод или спец. антенну (зонд), передающую излучение в контролируемое изделие. Та же антенна при приёме отражённого излучения или аналогичная, расположенная с противоположной стороны изделия,- при приёме прошедшего излучения подаёт полученный сигнал через усилитель на индикатор. Чувствительность метода позволяет обнаруживать в диэлектриках на глубине до 15-20 мм расслоения площадью от 1 см², измерять влажность бумаги, сыпучих материалов с погрешностью менее 1%, толщину металлич. листа с погрешностью менее 0,1 мм и т. д. Возможны визуализация изображения контролируемой зоны на экране (радиовизор), фиксация его на фотобумаге, а также применение голографич. способов фиксации изображения.

Тепловая (инфракрасная) Д. основана на зависимости темп-ры поверхности тела как в стационарных, так и в нестационарных полях от наличия дефекта и неоднородности структуры тела. При этом используется ИК-излучение в низкотемпературном диапазоне. Распределение темп-р на поверхности контролируемого изделия, возникающее в проходящем, отражённом или собственном излучении, представляет собой ИК-изображение данного участка изделия. Сканируя поверхность приёмником излучения, чувствительным к ИК-лучам (термистором или пироэлектриком), на экране прибора (тепловизора) можно наблюдать светотеневое или цветное изображение целиком, распределение темп-р по сечениям или, наконец, выделить отд. изотермы. Чувствительность тепловизоров позволяет регистрировать на поверхности изделия разность темп-р менее 1 ^оC. Чувствительность метода зависит от отношения размера d дефекта или неоднородности к глубине l его залегания примерно как (d/l)², а также от теплопроводности материала изделия (обратно пропорциональная зависимость). Применяя тепловой метод, можно контролировать изделия, нагревающиеся (охлаждающиеся) во время работы.

Магнитная Д. может применяться только для изделий из ферромагн. сплавов и реализуется в двух вариантах. Первый основан на анализе параметров магн. полей рассеяния, возникающих в зонах расположения поверхностных и подповерхностных дефектов в намагниченных изделиях, второй - на зависимости магн. свойств материалов от их структуры и хим. состава.

При контроле по первому способу изделие намагничивается с помощью электромагнитов, соленоидов, путём пропускания тока через изделие или стержень, продетый сквозь отверстие в изделии, либо индуцирова-ния тока в изделии. Для намагничивания используются постоянные, переменные и импульсные магн, поля. Оптим. условия контроля создаются при ориентировке дефекта перпендикулярно направлению намагничивающего поля. Для магнитно-твёрдых материалов контроль осуществляется в поле остаточной намагниченности, для магнитно-мягких - в приложенном поле.

Индикатором магн. поля дефекта может служить магн. порошок, напр. магнетит высокой дисперсности (метод магн. порошка), к к-рому иногда добавляются окрашивающие (для контроля изделий с тёмной поверхностью) или флуоресцирующие (для повышения чувствительности) компоненты. Частицы порошка после посыпания или поливки суспензией намагниченного изделия оседают на краях дефектов и наблюдаются визуально. Чувствительность этого метода высока - обнаруживаются трещины глубиной ~25 мкм и раскрытием -2 мкм.

При магнитографич. методе индикатором служит магн. лента, к-рая прижимается к изделию и намагничивается вместе с ним. Выбраковка производится по результатам анализа записи на магн. ленте. Чувствительность метода к поверхностным дефектам такая же, как у порошкового, а к глубинным дефектам выше - на глубине до 20-25 мм обнаруживаются дефекты протяжённостью по глубине 10-15% от толщины.

В качестве индикатора поля дефекта могут использоваться пассивные индукционные преобразователи. Изделие, движущееся с относит. скоростью до 5 м/с и более, после прохождения через намагничивающее устройство проходит через преобразователь, индуцируя в его катушках сигнал, содержащий информацию о параметрах дефекта. Такой способ эффективен для контроля металла в процессе прокатки, а также для контроля железнодорожных рельсов.

Феррозондовый метод индикации использует активные преобразователи - феррозонды ,в к-рых на тонкий пермаллоевый сердечник намотаны катушки: возбуждающая, поле к-рой взаимодействует с полем дефекта, и измерительная, по эдс к-рой судят о напряжённости поля дефекта или о градиенте этого поля. Феррозондовый индикатор позволяет обнаружить в изделиях простой формы, движущихся со скоростью до 3 м/с, на глубине до 10 мм дефекты протяжённостью (по глубине) ~10% от толщины изделия. Для индикации поля дефекта применяются также преобразователи на основе Холла эффекта и магниторезисторные. После проведения контроля методами магнитной Д. изделие должно быть тщательно размагничено.

Вторая группа методов магн. Д. служит для контроля структурного состояния, режимов термич. обработки, механич. свойств материала. Так, коэрцитивная сила углеродистой и низколегиров. стали коррелируется с содержанием углерода и, следовательно, с твёрдостью, магнитная проницаемость - с содержанием ферритной составляющей (ос-фазы), предельное содержание к-рой лимитируется из-за ухудшения механич. и технологич. свойств материала. Спец. приборы (ферритометры, a-фазометры, коэрцитиметры, магн. анализаторы), использующие зависимость между магн. характеристиками и др. свойствами материала, также позволяют практически решать задачи магн. Д.

Методы магн. Д. используются также для измерения толщины защитных покрытий на изделиях из ферромагн. материалов. Приборы для этих целей основаны либо на пондеромоторном действии - в этом случае измеряется сила притяжения (отрыва) пост. магнита или электромагнита от поверхности изделия, к к-рой он прижат, либо на измерении напряжённости магн. поля (с помощью датчиков Холла, феррозондов) в магнитопроводе электромагнита, установленного на этой поверхности. Толщиномеры позволяют производить измерения в широком диапазоне толщин покрытий (до сотен мкм) с погрешностью, не превышающей 1-10 мкм.

Акустическая (ультразвуковая) Д. использует упругие волны (продольные, сдвиговые, поверхностные, нормальные, изгибные) широкого частотного диапазона (гл. обр. УЗ-диапазона), излучаемые в непрерывном или импульсном режиме и вводимые в изделие с помощью пьезоэлектрич. (реже - эл--магнитоакустич.) преобразователя, возбуждаемого генератором эл--магн. колебаний. Распространяясь в материале изделия, упругие волны затухают в разл. степени, а встречая дефекты (нарушения сплошности или однородности материала), отражаются, преломляются и рассеиваются, изменяя при этом свою амплитуду, фазу и др. параметры. Принимают их тем же или отд. преобразователем и после соответствующей обработки сигнал подают на индикатор или записывающее устройство. Существует неск. вариантов акустич. Д., к-рые могут применяться в разл. комбинациях.

Эхо-метод представляет собой УЗ-локацию в твёрдой среде; это наиб. универсальный и распространённый метод. Импульсы УЗ-частоты 0,5-15 МГц вводят в контролируемое изделие и регистрируют интенсивность и время прихода эхо-сигналов, отражённых от поверхностей изделия и от дефектов. Контроль эхо-методом ведётся при одностороннем доступе к изделию путём сканирования его поверхности искателем с заданной скоростью и шагом при оптим. угле ввода УЗ. Метод обладает высокой чувствительностью, к-рая ограничивается структурными шумами. В оптим. условиях могут быть обнаружены дефекты размерами в неск. десятых долей мм. Недостаток эхо-метода - наличие неконтролируемой мёртвой зоны у поверхности, протяжённость к-рой (глубина) определяется гл. обр. длительностью излучаемого импульса и обычно составляет 2-8 мм. Эхо-методом эффективно контролируются слитки, фасонное литьё, металлургич. полуфабрикаты, сварные, клеёные, паяные, заклёпочные соединения и др. элементы конструкций в процессе изготовления, хранения и эксплуатации. Обнаруживаются поверхностные и внутр. дефекты в заготовках и изделиях разл. формы и габаритов из металлов и неметаллич. материалов, зоны нарушения однородности кристаллич. структуры и коррозионного поражения металлич. изделий. Может быть с высокой точностью измерена толщина изделия при одностороннем доступе к нему. Вариант эхо-метода с использованием Лэмба волн, обладающих полноводным характером распространения, позволяет осуществлять контроль листовых полуфабрикатов большой протяжённости с высокой производительностью; ограничением является требование к постоянству толщины контролируемого полуфабриката. Контроль с применением Рэлея волн позволяет выявлять поверхностные и приповерхностные дефекты; ограничением является требование к высокой гладкости поверхности.

Теневой метод предусматривает ввод УЗ с одной стороны изделия, а приём - с противоположной. О наличии дефекта судят по уменьшению амплитуды в зоне звуковой тени, образующейся за дефектом, либо по изменению фазы или времени приёма сигнала, огибающего дефект (временной вариант метода). При одностороннем доступе к изделию используется зеркальный вариант теневого метода, при к-ром индикатором дефекта является уменьшение сигнала, отражённого от дна изделия. По чувствительности теневой метод уступает эхо-методу, однако преимуществом его является отсутствие мёртвой зоны.

Резонансный метод используется гл. обр. для измерения толщины изделия. Возбуждая в локальном объёме стенки изделия УЗ-колебания, модулируют их по частоте в пределах 2-3 октав, по значениям резонансных частот (когда по толщине стенки укладывается целое число полуволн) определяют толщину стенки изделия с погрешностью ок. 1%. При возбуждении колебаний во всём объёме изделия (интегр. вариант метода) можно по изменению резонансной частоты судить также о наличии дефектов или об изменении упругих характеристик материала изделия.

Метод свободных колебаний (интегральный вариант) основан на ударном возбуждении упругих колебаний в контролируемом изделии (напр., бойком НЧ-вибратора) и последующем измерении с помощью пьезоэлемента механич. колебаний, по изменению спектра к-рых судят о наличии дефекта. Метод успешно применяется для контроля качества склейки низкодобротных материалов (текстолит, фанера и др.) между собой и с металлич. обшивкой.

Импедансный метод основан на измерении локального механич. сопротивления (импеданса) контролируемого изделия. Датчик импедансного дефектоскопа, работающий на частоте 1,0-8,0 кГц, будучи прижат к поверхности изделия, реагирует на силу реакции изделия в точке прижима. Метод позволяет определять расслоения площадью от 20-30 мм² в клеёных и паяных конструкциях с металлич. и неметаллич. заполнением, в слоистых пластиках, а также в плакированных листах и трубах.

Велосиметрический метод основан на изменении скорости распространения изгибных волн в пластине в зависимости от толщины пластины или от наличия расслоений внутри многослойной клеёной конструкции. Метод реализуется на НЧ (20-70 кГц) и позволяет обнаруживать расслоения площадью 2-15 см² (в зависимости от глубины), залегающие на глубине до 25 мм в изделиях из слоистых пластиков.

Акустико-топографич. метод основан на наблюдении мод колебаний, в т. ч. "фигур Хладни", с помощью тонкодиоперсного порошка при возбуждении в контролируемом изделии изгибных колебаний с модулируемой (в пределах 30-200 кГц) частотой. Частицы порошка, смещаясь с участков поверхности, колеблющихся с макс. амплитудой, к участкам, где эта амплитуда минимальна, обрисовывают контуры дефекта. Метод эффективен для контроля изделий типа многослойных листов и панелей и позволяет обнаруживать дефекты протяжённостью от 1 - 1,5 мм.

Метод акустич. эмиссии (относящийся к пассивным методам) основан на анализе сигналов, характеризующих волны напряжения, излучаемые при возникновении и развитии трещин в изделии в процессе его механич. или теплового нагружения. Сигналы принимаются пьезоэлектрич. искателями, расположенными на поверхности изделий. Амплитуда, интенсивность и др. параметры сигналов содержат информацию о зарождении и развитии усталостных трещин, коррозии под напряжением и фазовых превращениях в материале элементов конструкций разл. типов, сварных швах, сосудах высокого давления и т. д. Метод акустич. эмиссии позволяет обнаруживать развивающиеся, т. е. наиб. опасные, дефекты и отделить их от обнаруженных др. методами дефектов, неразвивающихся, менее опасных для дальнейшей эксплуатации изделия. Чувствительность этого метода при использовании спец. мер защиты приёмного устройства от воздействия внешних шумовых помех достаточно высока и позволяет обнаруживать трещины на нач. стадии их развития, задолго до исчерпания ресурса изделия.

Перспективными направлениями развития акустич. методов контроля являются звуковидение, в т. ч. акустич. голография, акустич. томография.

Вихретоковая (электроиндуктивная) Д. основана на регистрации изменений электрич. параметров датчика вихретокового дефектоскопа (полного сопротивления его катушки или эдс), вызванных взаимодействием поля вихревых токов, возбуждённых этим датчиком в изделии из электропроводящего материала, с полем самого датчика. Результирующее поле содержит информацию об изменении электропроводности и магн. проницаемости из-за наличия в металле структурных неоднородностей или нарушений сплошности, а также о форме и размерах (толщине) изделия или покрытия.