книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений
..pdfиз-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
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.