книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

из-за высокого уровня ложных сигналов. Для решения этой про­ блемы необходимо создать ПЭП с острой фокусировкой УЗ-луча.

Рис. 4.9. Н аклонны е ПЭП с изменяемым углом ввода (45...700) типа УНК (ЦНИИТМ АШ )

Частично это реализовано в ПЭП типа ИЦ-13 с фокусирую­ щей линзой-протектором, имеющей вырез по форме контроли­ руемого изделия. Изменение угла ввода позволяет изменять по­ ложение фокального пятна относительно поверхности изделия и таким образом регулировать разрешающую способность по глу­ бине (см. рис. 4.7ж). Используя пьезоэлементы большого разме­

ра до 75 мм и применяя фокусирующую линзу, можно достигнуть на глубине 300 мм диаметра фокального пятна менее 8 мм. Такие ПЭП, излучающие продольные волны и поперечные с углами

ввода 45 и 60°, с рабочей частотой 2 МГц созданы фирмой «Крауткремер» (ФРГ). В силу большой фронтальной разрешающей способности они позволяют различать отдельные мелкие дефек­ ты в скоплениях, уточнять конфигурацию и ориентацию дефек­ тов. Однако, по нашему мнению, для сохранения высокой произ­ водительности контроля ПЭП должны иметь пьезоэлементы ци­ линдрической формы, создающие линейчатый фокус в плоскости, ортогональной плоскости падения. Для практики весьма необхо­ димо создание наклонных PC-ПЭП с приближенно равномерной чувствительностью по глубине.

В НИИ Мостов ЛИИЖТа А.К. Гурвичем и Г.А. Кругом для обострения ДН предложены ПЭП, состоящие из двух пьезоэле­ ментов. В одном варианте конструкции акустический пакет со­ стоит из внутреннего дискового и наружного кольцевого пьезо­ элементов. Такой ПЭП, в частности, позволяет вести поиск де­ фектов в режиме с широкой ДН (включен только дисковый пье­ зоэлемент), а дефектометрию проводить с включением кольцево­ го пьезоэлемента с более узкой ДН (совмещенный или РС-режим включения).

Для обострения ДН внутренний пьезоэлемент может быть наклонен к плоскости кольца и размещен эксцентрично отвер­ стию кольца. При этом пьезоэлементы размещаются так, что точ­ ка ввода на призме для обоих пластин является общей (рис. 4:10).

я

б

Рис. 4.10. Схема конструкции РС-ПЭП НИИМ остов - а; и ПЭП «Аксикон» - б:

1- втулка; 2 - корпус; 3 - крышка; 4 - разъемы; 5 - демпферы; 6 - кольцо;

7 - акустический экран; 8 - пьезоэлемент 0 18x12; 9 - пьезоэлемент0 10;

10—протектор

Суммарная ДН такого PC ПЭП существенно уже, чем у PC ПЭП с пьезоэлементами, лежащими в одной плоскости.

Эти конструктивные идеи были развиты В.Д. Королевым (ЦНИИТМАШ) при разработке PC ПЭП типа «аксикон».

Акустический пакет ПЭП «аксикон» состоит из центрального дискового пьезоэлемента и концентричного поршневого кольце­ вого пьезоэлемента. Отличительной особенностью является то, что кольцевой пьезоэлемент выполнен в виде элемента конуса с

углом при вершине 170°.

Благодаря такой конструкции ПЭП имеют малую мертвую зону и узкий слабо расходящийся пучок. Ширина ДН у ПЭП типа «аксикон» в 2 раза острее, чем у стандартных ПЭП с такими же параметрами апертуры.

В широкополосных ПЭП типа ИЦК-102Ш (А.Х. Вопилкин, В.Д. Королев, ЦПИИТМАШ) для определения характера дефек­ тов в сварных швах спектральным методом применена плосковогнутая по цилиндру пьезопластина. Работают они в полосе час­ тот от 1 до 10 МГц на уровне 0,5.

Учитывая то, что дефекты имеют различную ориентацию по азимуту, для повышения достоверности при ручном контроле целесообразно, а при механизированном обязательно, примене­ ние ПЭП со сканированием луча в азимутальной плоскости. В целях упрощения конструкции автором в 1968 г. предложены веерные ПЭП. В них используется выпуклая по цилиндру пьезо­ пластина, радиус кривизны которой находится в дополнительной (азимутальной) плоскости. Соотношение размеров пьезопласти­ ны и радиуса кривизны выбрано таким, чтобы диаграмма направ­ ленности в азимутальной плоскости имела резкий переход на границе света и тени. Это необходимо, чтобы уменьшить уровень ложных сигналов от отражателей за пределами необходимой зо­ ны озвучивания. Проведенные расчеты и эксперименты показали, что «веерная» диаграмма направленности, такого поршневого излучателя в дальней зоне не имеет интенсивных боковых лепе­ стков и характеризуется равномерной чувствительностью в пре­ делах заданного апертурного угла 0Ш(0„ = 0,95 0fm), где 0'т - из­ мерена по границе свет-тень (рис. 4.11).

Сравнительные экспериментальные исследования по выяв-

.ляемости различно ориентированных дефектов веерными ПЭП, а также ПЭП с тремя пьезоэлементами, ориентированными под различными азимутами, показали преимущество первых.

Они обеспечивают равновероятное обнаружение дефектов в пределах заданного сектора обзора при минимальном уровне по­ мех по направлению вторичных лепестков диаграммы направ­ ленности.

Рис. 4.11. Диаграммы направленности в азимутальной плоскости (а) веерно­ го ПЭП (а = 50";/= 1,8 МГц; радиус пластины R = 50 мм; размер 24 * 20 мм) Изменение амплитуды от ненаправленных отражателей, измеренное по схеме рис. 3.6., в зависимости от параметров ПЭП - б:

I - теоретическая; 2 - экспериментальная; 3 - диаграмма ПЭП с плоским пьезо­ элементом тех же параметров

%

Естественно, веерные ПЭП не позволяют точно определить местоположение дефекта по длине шва, а только зону, где он на­ ходится. Но зато позволяют осуществлять сканирование с орто­ гональной ориентацией луча ко шву без проворотов его по ази­ муту. Координаты уже обнаруженного дефекта должны уточ­ няться ПЭП с острой диаграммой направленности.

Основным типом ПЭП, излучающим поверхностные волны, является призматический, у которого угол в призме равен второ­ му критическому. М.И. Ермоловым и Н.П. Алешиным показано, что наиболее эффективны такие ПЭП, у которых передняя грань призмы сдвинута назад относительно точки ввода на 3 мм.

А.С. Анненков, В.С. Борщан, О.Д. Сивкова (ф. «Алтее») предложили, по их мнению, более эффективный ПЭП, конструк­ ция которого видна на рис. 4.12.

Полуволновая сдвиговая металлизированная пьезопластина из ниобата лития Y+1630 среза 1 вклеена между латунными дер­ жателем 2 и демпфером 3. Совершая колебания, ортогональные

поверхности объекта контроля 5, пластина возбуждает в нем нормальную компоненту рэлеевской волны. Регулировочный

Рис. 4.13. К онструкция нндукцнонного пьезопреобразователя:

/ - дисковый пьезоэлеменг, 2 -тороидальная катушка

намагнитом сердечнике

винт 6 служит для выбора оптимальных условий работы преобра­ зователя. ПЭП имеет низкий уровень ложных сигналов, малую площадь контакта с изделием и особенно эффективен при кон­ троле объектов со сложной поверхностью.

Рис. 4.12. ПЭП для возбуждения поверхностных акустических волн

А.Е. Глаголевым предложен и разработан новый вид электроакустических преобразователей - индукционных ПЭП (ИПЭП). Конструктивно ИПЭП выполнен в виде дискового пьезоэлемента, охваченного коаксиальной с ним тороидальной катушкой индук­ тивности на магнитном сердечнике (рис. 4.13) [26].

Пьезоэлемент поляризован по. толщине и при воздействии на его плоскость давления ультра­ звуком в нем возникает электри­ ческое поле сторонних сил (пье­ зоэффект), вектор напряженности которого коллинеарен вектору поляризации, а направление его определяется знаком воздейст­ вующего давления. Основным конструктивным преимуществом такого ИПЭП является отсутст­ вие металлических обкладок на поверхностях пьезопластины и применение в качестве электро­ магнитной антенны катушки индуктивности, механически не

связанной с пьезопластиной, что

,

существенно расширяет функци-

ональные возможности такого ПЭП, позволяет применять под­ вижные относительно катушки или сменные пьезоэлементы раз­ личных форм и рабочих частот, а также пакеты и матрицы из пье­ зоэлементов.

ИПЭП в режиме излучения намного менее эффективны (чув­ ствительны), чем емкостные (на 50...60 дБ). Однако в режиме приема ИПЭП по коэффициенту преобразования на обычных частотах сравнимы с обычным ПЭП, а на более высоких частотах (15,0 МГц) и превосходят последние - почти в 2 раза. Если яге в ПЭП применить пьезоэлемент из керамики с большой диэлектри­ ческой постоянной, то преимущества ИПЭП в режиме приема возрастут еще более. В частности, применение керамики ЦТБС-1 вместо ЦТС-19 позволит увеличить коэффициент преобразования на частоте 18,0 МГц в 8 раз.

ИПЭП обладают целым рядом интересных особенностей, от­ крывающих новые технические возможности. В частности, чув­ ствительность ИПЭП практически не зависит,от целостности пье­ зоэлемента. Эксперимент показал, что разделение дискового пье­ зоэлемента на две половины снизило чувствительность на приеме всего на 1 дБ.

Наложение магнитного поля постоянного магнита, изменяю­ щее магнитную проницаемость сердечника (кольцо К 20x12x6 400 мм на частоту 2,1 МГц с 20 витками провода МГТФ-0,14) более чем в 5 раз, приводит к резкому уменьшению индуктивно­ сти катушки, но практически не изменяет чувствительность ИПЭП.

Акустический сигнал ИПЭП в режиме излучения практиче­ ски обратно пропорционально зависит от числа витков катушки и длины ее витка и не зависит от магнитной проницаемости сер­ дечника катушки.

Существует практически линейная связь между изменением магнитной проницаемости сердечника катушки ИПЭП и его чув­ ствительностью на прием. Поэтому подмагничивание внешним полем позволяет оперативно управлять чувствительностью элек­ троакустического тракта дефектоскопа с целью временной регу­ лировки чувствительности по глубине контроля или временного стробирования при выделении полезных сигналов.

В случае изменения магнитной проницаемости сердечника катушки полем постоянного магнита, установленного в корпусе преобразователя, можно выставлять необходимый уровень чувст­

вительности ИПЭП и тем самым, например, несколько преобра­ зователей одного типа настраивать на один стандартный уровень чувствительности.

Величина такого подмагничивания может регулироваться из­ менением расстояния между магнитом и сердечником преобразо­ вателя, что позволяет производить такую регулировку, не внося существенных потерь и реактивностей в электрические сигналь­ ные цепи.

Электромагнитная связь между катушкой индуктивности и пьезоэлементом может существовать при некотором между ними расстоянии, что позволяет перемещать одну катушку от одного к другому пьезоэлементу в матрице на контролируемой поверхно­ сти изделия и тем самым производить сканирование этой поверх­ ности.

Экспериментально показано, что при изменении расстояния между средней плоскостью пьезопластины и плоскостью сим­ метрии тороидальной катушки индуктивности от 0 до 7 мм поте­ ри сигнала составляют всего 3 дБ.

Это объясняется тем, что пьезоэлемент имеет значительное поле рассеяния и на расстоянии порядка диаметра пьезоэлемента возможен прием сигналов без существенных потерь. Тот же эф­ фект наблюдается и в режиме излучения ИПЭП, т.к. тороидаль­ ная катушка является источником возбуждающего пьезоэлемент электромагнитного поля не только в охватываемой ею области, но и в прилегающем пространстве.

Применение в ИПЭП акустического пакета из нескольких пьезоэлементов (например, в виде дисков) с чередующейся поля­ ризацией повышает чувствительность преобразователя на 20 дБ, хотя и несколько сужает полосу пропускания. В то же время применение пакета из пьезодисков разных толщин позволяет не только повысить чувствительность (в эксперименте до 22 дБ), но и существенно расширить полосу рабочих частот (в 2,5 раза на уровне 3 дБ).

Кроме того, применение пьезоэлемента в виде пакета разнотолщинных пьезопластин может дать возможность обрабатывать модулированные по частоте ультразвуковые сигналы путем од­ новременного селективного выделения из сигнала и преобразова­ ния УЗ-колебаний определенных частот в электромагнитное поле парами пьезопластин, соответствующих по резонансной толщине этим частотам, и преобразования суммарного электромагнитного поля в электрический сигнал с помощью общего индукционного

узла измерения. Это позволяет при электроакустическом преоб­ разовании сложных УЗ-сигналов производить их сжатие.

Таким образом, разработанные А.Е. Глаголевым различные конструкции высокочастотных (12,0... 17,0 МГц), в том числе миниатюрных ИПЭП для контроля паяных и сварных швов ма­ лых толщин 0,5...3,0 мм имеют высокую чувствительность на прием при малой входной апертуре; широкую полосу при ис­ пользовании пакета пьезопластин; преобразователи с наборным волоконным звукопроводом имеют более низкий уровень аку­ стических помех за счет отсутствия перераспределения энергии ультразвукового импульса между различными видами нормаль­ ных колебаний.

		На рис. 4.14 показан прием­
		ный ИПЭП -			микрозонд, аку­
		стический		пакет которого		со­
		стоит	из	пьезоэлемента		на
		частоту 15,0 МГц и магниевого
		волоконного			звукопровода,
		площадь поперечного сечения
		которого 0,1 мм2 Этот микро­
		зонд	имеет фронтальную			раз­
		решающую способность менее
		0,5 мм. Его применение в со­
		ставе		автоматизированной
		установки		обеспечило" в диф­
		фузионно-сварных и паяных
		соединениях металлокерамиче­
		ских изделий выявление дефек­
	Рис. 4.14. Индукционный	тов размером от 0,3 мм и выше
		с достоверностью 0,93.
	приемный ПЭП типа К 997:
		В ЦНИИТМАШ разработа­
	1 - корпус; 2 - звукопровод;
	2 —конус; 4 - катушка индуктивно­	ны ультразвуковые устройства
	сти; 5 - пьезопластина; 6 - разъем	для	контроля		эхо-зеркальным
		методом.
	На рис. 4.15 а показано устройство ИЦ-76, предназначенное
	для поиска дефектов и измерения		в сварных швах толщиной

до 200 мм. ПЭП в нем кинематически связаны между собой бес­ конечным стальным тросиком и тювершают взаимно противопо­ ложное поступательное симметричное движение, причем с регу­ лируемым шагом. В устройстве ИЦ-92 кинематическая связь ме­ жду ПЭП осуществляется с помощью кулачкового механизма.

т3 - длительность зондирующего импульса). Разная высота

призм делается с целью уменьшения электрических помех на приемнике. Благодаря акустическому и электрическому разделе­ нию излучателя и приемника «мертвая зона» РС-ПЭП незначи­ тельна (0.5...2 мм).

Разработаны и применяются на ряде заводов РС-ПЭП без за­ держек (призм), а также с кварцевыми задержками, последние используются при контроле изделий с температурой до 600° С.

РС-ПЭП широко применяется при контроле сварных тавро­ вых соединений и стыковых соединений со снятым усилением шва. Кроме того, их используют для обнаружения расслоений в листах и дефектов пайки. Оптимальные параметры РС-ПЭП рас­ считывают исходя из тех же условий, что и при расчете призма­ тических ПЭП [9].

Чувствительность этих ПЭП зависит от тех же факторов, что и призматических. Область максимальной чувствительности, а также максимальная и минимальная глубина прозвучивания («мертвая зона») зависят от угла наклона пьезоэлементов [9].

Максимальная амплитуда достигается, когда дефект находит­ ся примерно в точке пересечения акустических осей. Зона макси­ мальной чувствительности соответствует зоне пересечения ос­ новных лепестков диаграмм направленности пьезоэлементов.

Значение угла наклона р , при котором предполагаемая глу­ бина залегания выявляемых дефектов будет лежать в области максимальной чувствительности ПЭП, выбирается по соотноше­ нию:

а	с,	а +т
р = arctg	—---------------
где Ня - высота призмы; Н -	расстояние от поверхности изделия до центра
пересечения акустических осей;	т -	половина расстояния между верхними
краями пьезопластины.

К сожалению, в РС-ПЭП, особенно в варианте без акустиче­ ских задержек, при высокой чувствительности имеются акусти­ ческие помехи, источником которых являются поверхностные волны, распространяющиеся по поверхности изделия от излу­ чающего пьезоэлемента к приемному. Спектральный состав им­ пульсных помех - более низкочастотный, а излучение носит на­ правленный характер, зависящий от размеров, формы и располо­ жения пьезоэлементов.