ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.04.2024
Просмотров: 73
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
г) контактно-иммерсионные преобразователи, имеющие
локальную иммерсионную ванну (столб жидкости) с
эластичной мембраной, которая контактирует с
изделием непосредственно или через тонкий слой
жидкости.
-
По конструктивному исполнению можно выделить:
а) совмещенные преобразователи, имеющие один пьезо-
элемент, который одновременно может служить как
для излучения, так и для приема акустической волны;
б) раздельно-совмещенные преобразователи, имеющие
отдельные излучающий и приемный элементы, кон-структивно объединенные в одном корпусе, но
не имеющие общей электрической цепи.
-
По направлению акустической оси преобразователи
делятся на:
а) прямые (нормальные), которые излучают и принимают
волны под прямым углом (по нормали) к поверхности
контролируемого изделия;
б) наклонные, которые излучают и принимают волны под
углом, меньшим 90°.
В практике ручного ультразвукового контроля наиболее
широко применяются прямой совмещенный, наклонный
совмещенный и прямой раздельно-совмещенный пре-
образователи.
Прямой совмещенный преобразователь.
П
Рис. ба. Конструкция прямого совмещенного преобразователя:
1 - корпус; 2 - разъем; 3 - заливочная масса; 4 - демпфер;
5 - пьезоэлемент; б - протектор.
рямой совмещенный преобразователь состоит из
пьезоэлемента, демпфера, защитного слоя (протектора). Все
эти элементы размещены в корпусе преобразователя, на
котором устанавливается разъем для подключения соедини-
тельного кабеля (рис. ба). ,
Протектор служит для защиты рабочей поверхности
пьезоэлемента от механических повреждений, он выполнен
так, чтобы обеспечить прохождение наибольшей части
излучаемой акустической энергии в контролируемое изделие.
Демпфер предназначен для погашения части энергии,
излучаемой задней (нерабочей) поверхностью пьезоэлемента. 51В результате демпфирования длительность колебаний
пьезопластины уменьшается, как уже рассматривалось выше.
Одновременно демпфер является держателем для пьезо-
элемента и придает ему необходимую прочность, обеспечи-
вающую надежную работу при сжатии, ударах и других видах
нагрузки.
Материал пьезопреобразователя выбирается в зависимости
от предусматриваемой цели его применения (см. выше).
Толщина пьезоэлемента выбирается в зависимости от рабочей
частоты преобразователя и должна составлять половину длины
волны для данного типа керамики. На обе стороны пластины
наносится электропроводящий слой, служащий электродом.
Обычно это выполняется путем нанесения на поверхность
керамики специальной суспензии серебра, которую затем
вжигают при температуре около 800 °С. Толщина проводяще-
го слоя составляет несколько микрон, соединительные провода
можно припаивать непосредственно к этому слою.
Обычно в прямых преобразователях используются пластины
в форме диска с диаметрами от 5 до 40 мм. Дальнейшее
увеличение диаметра пластины нецелесообразно, т. к. в этом
случае начинает сказываться кривизна поверхности контро-
лируемой детали. Уменьшение диаметра, особенно при низких
рабочих частотах, приводит к увеличению бокового излучения
поперечных и поверхностных волн. Кроме того, с уменьшением
размера пьезоэлемента снижается чувствительность.
Оптимальным считается преобразователь, который с одной
стороны обеспечивает хорошую чувствительность в дальней
зоне, а с другой стороны имеет хорошую разрешающую
способность в ближней.
Акустическое сопротивление (импеданс) демпфера
выбирают в соответствии с желаемой степенью демпфиро-
вания пьезоэлементэ. Самое высокое демпфирование
получается в том случае, когда импедансы демпфера и
пьезоматериала совпадают, и вся акустическая энергия от
задней стенки пластины переходит без отражения в тело
демпфера. Демпфер должен поглотить по возможности всю
эту энергию, чтобы не возникли мешающие отражения от
поверхности демпфера. Для изготовления демпферов в
наибольшей степени подходят смеси смол с порошковыми
52 наполнителями. Выбором состава и типа наполнителя можно
изменять значение импеданса в широких пределах - до 10
раз. В качестве наполнителя часто используют тонко
измельченный вольфрамовый порошок, но возможно
применение других мелко гранулированных материалов с
высоким затуханием звука - например, резины. Для уве-
личения рассеяния концевая поверхность демпфера иногда
выполняется наклонной или пилообразной.
Демпфер на задней стенке пьезопластины гасит в основном
ее колебания по толщине. Однако радиальные колебания,
особенно у титаната бария, также создают мешающие сигналы.
Эти колебания можно уменьшить путем заключения кромки
пьезопластины в демпфирующую массу.
Защитный слой, наносимый на рабочую поверхность
пьезоэлемента, тоже зависит от назначения преобразователя.
Толщина защитного слоя должна быть меньше 0,05 длины
волны в материале протектора. Хорошая прочность на истира-
ние при высокой разрешающей способности и чувстви-
тельности достигается за счет применения тонких защитных
слоев из оксида алюминия, сапфира, карбида бора или
кварца, которые приклеиваются на переднюю поверхность
пьезоэлемента. Однако при работе на твердой поверхности
детали у таких преобразователей акустический контакт
нестабильный, что приводит к колебаниям чувствительности
при контроле. Кроме того, такие протекторы чувствительны к
ударам, особенно у высокочастотных преобразователей.
Наклонный совмещенный преобразователь.
Наклонный совмещенный преобразователь используется для
возбуждения и приема ультразвуковых волн, распространяю-
щихся под углом к поверхности контролируемого изделия,
отличным от 90°. При этом используется не только явление
преломления, но и преобразование видов волн (так назы-
ваемая трансформация волн). В принципе наклонный
преобразователь можно рассматривать как комбинацию
прямого преобразователя с клинообразной линией задержки
(клином, призмой). Пьезоэлемент излучает в призму про-
дольные волны, которые на границе призмы с изделием
отражаются, преломляются и трансформируются.
Тип волны, распространяющейся в материале изделия, и
ее энергия зависят от угла падения, а также скорости звука в 53
материале призмы и изделия. При углах падения меньше
первого критического в изделии возбуждаются продольная
и поперечная волны.
При угле падения, равном первому критическому, в изделии
возбуждаются продольная головная волна и поперечная волна.
При углах падения в интервале между первым и вторым
критическим в изделии возбуждается одна поперечная волна.
При угле падения равном второму критическому углу в
изделии возбуждается поверхностная волна.
Конструкция наклонного совмещенного преобразователя
показана на рис. бб. Преобразователь состоит из пьезоэле-
мента, демпфера и призмы, которые размещаются в корпусе
с разъемом для кабеля.
Рис. бб. Конструкция наклонного совмещенного преобразователя:
1 - корпус; 2 - звукопоглотитель; 3 - призма; 4 - разъем;
5 - демпфер; б - пьезоэлемент.
Призма является не менее важным элементом, чем
пьезоэлемент или демпфер. Размеры, форму и материал
призмы выбирают такими, чтобы они удовлетворяли ряду
требований. Призма должна обеспечивать эффективное
затухание волн, отраженных от границы раздела призма-
изделие и распространяющихся в призме. В то же время
призма не должна сильно ослаблять волну на пути от
пьезоэлемента до изделия. Скорость звука в призме должна
быть минимальной, обеспечивая тем самым высокий
коэффициент преломления. Кроме того, материал призмы
должен обладать хорошей износостойкостью, смачиваемостью
и т^рмостабильностыо.
Какой-то один материал не может отвечать всем перечне-ленным требованиям, поэтому выбор материала определяется
конкретными требованиями на контроль. Для частот от 2 до 8
МГц чаще всего используют материалы на основе акрильных
пластмасс (оргстекло, полистирол). Благодаря хорошей
смачиваемости эти материалы обеспечивают достаточно
стабильный акустический контакт. Иногда используют капролон
и поликарбонат, которые отличаются от оргстекла более
высокой износостойкостью и термостабильностью. Однако ад-
гезия этих материалов и смачиваемость контактными жидкос-
тями значительно хуже, чем у оргстекла.
Особой конструктивной проблемой для наклонных преобра-
зователей является устранение мешающих отражений,
возникающих под влиянием волны, отраженной от границы
раздела преобразователь - изделие. Эта волна может пре-
терпевать многократные отражения от элементов конструкции
преобразователя (так называемая реверберация), которые
попадают на пьезоэлемент. Так как в совмещенном пре-
образователе один и тот же пьезоэлемент используется для
излучения и приема акустической волны, реверберационные
отражения, следующие сразу за зондирующим импульсом,
затрудняют обнаружение отражателей, лежащих в изделии
вблизи поверхности ввода УЗК.
Реверберационная характеристика наклонного совмещенного
преобразователя в значительной мере зависит от материала
и конструкции призмы и прежде всего от стрелы призмы -
расстояния от точки выхода центрального луча (акустической
оси пьезоэлемента) до передней грани призмы. Стрела должна
быть такой, чтобы крайний луч от края пластины не падал на
переднюю грань призмы или двугранный угол между
передней гранью и основанием призмы. В призме должна
гаситься и возникшая на границе раздела отраженная
поперечная волна. Это требование выполняется при условии,
что поперечная волна, вызванная лучом от нижнего края
пластины, не попадает на пьезоэлемент (рис. бб).
Для уменьшения реверберации поверхности призмы, на
которые падают отраженные волны, покрывают веществом,
которое мало отражает, но сильно поглощает звуковую волну.
В дополнение к этому можно рассеять часть энергии отра-
женных волн путем нанесения на отражающие поверхности
рифления клинообразной формы.Прямой раздельно-совмещенный преобразователь.
Прямой раздельно-совмещенный преобразователь (РС-
преобразователь), в отличие от прямого совмещенного, может
использоваться для обнаружения в изделии отражателей,
которые лежат вблизи границы раздела преобразователь-
изделие. Это достигается тем, что излучение волны произ-
водится одним пьезоэлементом, а прием - другим, поэтому
излучаемый импульс не "заглушает" приемник. Конструкция
PC - преобразователя приведена на рис. бв.
5
Рис. бв. Конструкция прямого раздельно-совмещенного преобразователя.
1 - электрический экран; 2 - акустический экран; 3 - приемник;
4,8 - призма; 5 - заливочная масса; б - излучатель; 7 - корпус.
Излучающий и приемный пьезоэлемент, которые обычно
имеют форму полукруга или прямоугольника, наклеиваются
на призмы (линии задержки), которые разделены между
собой акустическим и электрическим экранами, и заливаются
демпфирующим материалом. Акустический экран выполняется
из пенополистирола, а электрический - из медной фольги.
В идеальном случае звуковая волна попадает на приемный
элемент только через материал изделия. На практике не
удается избежать прямого прохождения некоторой части
акустической энергии от излучателя к приемнику (прямой
сигнал), которая ограничивает разрешающую способность в
подповерхностном слое. У хороших преобразователей разность
амплитуд эхо-сигнала от донной поверхности и прямого
сигнала достигает 40-ьбО дБ.
Характер звукового поля PC-преобразователей зависит от
угла скоса грани призмы, на которую наклеиваетсяпьезоэлемент. Если этот угол равен нулю, то зона макси-
мальной чувствительности (область пересечения основных
лепестков диаграммы направленности пьезоэлементов) будет
удалена на наибольшее расстояние. С увеличением угла скоса
зона максимальной чувствительности приближается к
поверхности контролируемого изделия. Область оптимальных
значений углов призмы составляет 4-ИО0 При угле призмы
более 10° увеличиваются акустические помехи, источником
которых являются поверхностные волны, распространяющиеся
от излучателя к приемнику. Поэтому на практике используют
PC-преобразователи с углом призмы, не превышающим 12°.
-
Стандартные образцы.
Стандартные образцы (СО) применяются для измерения и
проверки основных параметров аппаратуры и контроля.
Различают государственные стандартные образцы (ГСО),
отраслевые стандартные образцы (ОСО) и стандартные
образцы предприятия (СОП), которые утверждаются
соответственно государственными, отраслевыми стандартами
и стандартами предприятий.
ГОСТ 14782-86 предусматривает государственные образцы
СО-1, СО-2, СО-3 и СО-4, которые используются при эхо-
импульсном методе и совмещенной схеме включения
пьезопреобразователя с плоской пластиной на частоту 1,25 МГц
и более, при условии, что ширина преобразователя не
превышает 20 мм. В остальных случаях для проверки основных
параметров аппаратуры и контроля должны использоваться
стандартные образцы отрасли (предприятия),
Стандартный образец СО-1 применяют для определения
условной чувствительности, проверки разрешающей
способности и погрешности глубиномера дефектоскопа.
Образец СО-1 изготавливается из органического стекла, в
котором скорость распространения продольной ультразвуковой
волны на частоте 2,5 МГц при температуре 20° С должна
быть равна 2670 м/с. Коэффициент затухания продольной
волны в образце должен находиться в пределах от 0,026 до
0,034 мм-1.
Стандартный образец СО-2 применяют для определения
условной чувствительности, мертвой зоны, погрешности
глубиномера, угла а ввода луча, ширины основного лепестка 57
диаграммы направленности, а также для определения
предельной чувствительности. Образец СО-2 изготавливается
из стали марки 20 или стали марки 3. Скорость распростране-
ния продольной волны в образце при температуре 20°С должна
быть равна 5900 м/с.
Стандартный образец СО-3 применяют для определения
точки выхода ультразвукового луча и стрелы преобразователя,
а также для калибровки глубиномера.
Стандартный образец СО-4 предназначен для определения
длины волны УЗК и последующего расчета частоты при
известной скорости звука.
Порядок применения указанных образцов должен быть из-
ложен в технологических инструкциях на контроль конкретного
изделия.
Проверочные вопросы.
-
В каких приборах ультразвукового контроля используется
эхо-метод? -
Какие дефекты обнаруживаются с помощью ультразву-
кового дефектоскопа? -
Какие параметры эхо-сигнала определяются с помощью
дефектоскопа? -
Какой тип изображения применяется в дефектоскопах
для ручного контроля? -
Для чего служит автоматический сигнализатор дефектов? -
Для чего используется схема временной регулировки чув-
ствительности? -
Какие параметры эхо-сигнала регистрируются в эхо-
импульсном толщиномере? -
Какие регулировки определяют погрешность толщино-
мера? -
Какие объективные факторы сказываются на погреш-
ности толщиномера? -
На какой частоте погрешность толщиномера меньше -
на высокой или на низкой? -
Что такое прямой и обратный пьезоэффект?
58 12. Что такое собственная частота пьезоэлемента?
-
Что такое резонансная частота пьезоэлемента? -
Что такое рабочая частота пьезоэлемента? -
Что такое демпфирование пьезоэлемента? -
Что такое акустическое поле преобразователя? -
Что такое диаграмма направленности преобразователя? -
Что называют основным лепестком диаграммы направ-
ленности? -
Назовите типы пьезоэлектрических преобразователей по
способу акустического контакта с объектом. -
Назовите типы преобразователей по конструктивному
исполнению. -
Назовите типы преобразователей по направлению акус-
тической оси. -
Какие преобразователи применяются при ручном
контроле? -
Назовите основные элементы прямого совмещенного
преобразователя. -
Назовите основные элементы наклонного совмещенного
преобразователя. -
Назовите основные элементы прямого раздельно-
совмещенного преобразователя.
-
Какие типы стандартных образцов используются в прак-
тике ультразвукового контроля?ТЕХНОЛОГИЯ РУЧНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ.
-
Понятие об акустическом тракте.
Все методы ультразвукового контроля основаны на общем
принципе оценки обнаруженных дефектов, который заклю-
чается в сравнении амплитуд сигналов от дефекта с некото-
рым опорным (пороговым) сигналом от отражателя извест-
ного размера. Выбор способа получения опорного сигнала и
его значения основывается на анализе акустического тракта
- пути звуковой волны от излучателя к дефекту и от него к
приемнику. Целью анализа тракта является оценка степени
ослабления зондирующего импульса при распространении.
Анализ может проводиться расчетным (теоретическим) или
экспериментальным путем. При теоретическом анализе в
расчетах учитываются только основные факторы, которые
влияют на результирующий сигнал, а модели дефектов
представляются в виде отражателей правильной формы
(сферы, диск, цилиндр). Влияние же всех факторов можно
учесть только при экспериментальных исследованиях.
Наиболее существенное влияние на амплитуду эхо-сигнала
оказывают следующие факторы:
а) рассеивающие свойства отражателя;
б) акустические свойства материала контролируемого из-
делия;
в) геометрические параметры контролируемого изделия;
г) электроакустические и геометрические параметры из-
лучателя и приемника.
Рассеивающие свойства отражателя зависят от его размеров,
ориентации (относительно излучателя и приемника), конфи-
гурации, шероховатости поверхности, вещества, заполняющего
несплошность.
Влияние размеров отражателя на рассеяние (отражение)
падающей волны зависит от волнового размера отражателя,
который определяется отношением линейного размера к длине
волны.
Условно выделяют три области волновых размеров:
-
длинноволновая (релеевская), где линейный размер
отражателя намного меньше длины волны; -
резонансная, где размер отражателя соизмерим с дли-
ной волны;коротковолновая, где размер отражателя намного боль-
ше длины волны.
В релеевской области амплитуда эхо-сигнала практически
не зависит от размера отражателя.
В резонансной области отражение носит сложный характер,
эта область волновых размеров наименее изучена.
В коротковолновой зоне отражатели обладают четко
выраженным направленным свойством. По мере увеличения
пространственной кривизны отражающей поверхности
амплитуда отраженной волны уменьшается. Поэтому в случае
перпендикулярного падения волны на отражатель плоской
формы (например, диск или плоское дно цилиндрического
отверстия) амплитуда эхо-сигнала будет больше, чем амп-
литуда отражения от сферы того же диаметра, и пропор-
циональна площади плоского отражателя (до определенного
предела). Однако в случае бокового падения волны на
плоский отражатель часть зеркально отраженных лучей
пройдет в стороне от приемника, в результате амплитуда
принятого сигнала уменьшится и может быть меньше, чем
отражение от сферы.
Естественные отражатели (дефекты) в изделии имеют ряд
отличий от идеальных, которые рассматривались выше. Чаще
всего они имеют неправильную форму, их поверхность не
плоская и часто имеет большую шероховатость.
Естественные отражатели иногда бывают проницаемы для
ультразвука. В стали это наблюдается редко, т. к. сталь имеет
большое акустическое сопротивление и, например, оксидные
включения в стали имеют коэффициент отражения близкий
к единице. Однако в легких сплавах разница волновых
сопротивлений уже не будет столь большой, и амплитуды
отражений от несплошностей одного размера, заполненных в
одном случае воздухом, а в другом - оксидами, будут
различаться.
В некоторых случаях трещины, заполненные воздухом, могут
быть настолько тонкими (или даже смыкаться под действием
механических напряжений), что они будут частично пропускать
ультразвук, в результате чего эхо-сигнал уменьшается.
Шероховатость естественного отражателя начинает умень-
шать амплитуду отражения тогда, когда ее величина превы-
шает 0,1 длины волны.
Если в зоне дефекта плотность вещества и скорость звука
изменяется не скачкообразно, а постепенно, т. е. отсутствует
