книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

Рис. 4.7. Конструкция основных типов УЗ-преобразователей:

а - прямой; б - наклонный ИЦ-1; в - раздельно-совмещенный; г - «дуэт» (МГТУ им. Н.Э. Баумана); д - ИЦ-52 с поворотной вставкой (ЦНИИТМАШ); е - с постоянной точкой ввода (ЦНИИТМАШ); ж - ИЦ-13 с фокусировкой (ЦНИИТМАШ) 1 - пьезоэлемент; 2 - протектор; 3 - демпфер; 4 - корпус;

5 - призма; б- высокочастотный кабель; 7- вставка; 8 - электроакустический экран; 9 - ползун; 10 - рычажно-шарнирный механизм

Для защиты пьезопластины в прямых ПЭП от повреждения к ней с рабочей стороны приклеивают (припаивают) металлическое или керамическое донышко - протектор. В раздельносовмещенных и наклонных ПЭП пьезопластина приклеивается к акустической задержке - призме, изготовляемой обычно из орг­ стекла. С нерабочей стороны пьезопластины приклеивают демп­ фер из материала с большим акустическим сопротивлением и коэффициентом затухания (например, взвесь ферровольфрама или сурика в эпоксидной смоле). Демпфер способствует гашению свободных колебаний пьезопластины и уменьшению длительно­ сти зондирующего импульса. В наклонных и раздельносовмещенных .преобразователях демпфер обычно выполняется из пробки или асбеста и служит только для звукоизоляции от других деталей преобразователя,

Призма в наклонном ПЭП создает наклонное падение про­ дольных волн на границу раздела с изделием. На этой границе происходит трансформация волн, в результате чего в изделие вводится требуемый тип волны, определяемый углом падения и соотношения скоростей звука в призме и изделии.

Враздельно-совмещенных прямых ПЭП призмы выбираются

суглом 5... 10° и служат акустическими задержками, что позволя­ ет минимизировать мертвую зону. Для объективного контроля качества необходимо, чтобы средствами неразрушающего кон­ троля обеспечивались единство и воспроизводимость его резуль­ татов. Поэтому основные характеристики преобразователя нор­ мируются.

Коэффициент преобразования определяется соотношением между взаимосвязанными акустическими и электрическими ве­ личинами.

Вследствие обратного пьезоэффекта при подаче на пьезоэле­ мент электромагнитных колебаний напряжением Ur он будет

излучателем упругой энергии с амплитудой акустического давле­ ния Ра . Коэффициент преобразования при излучении

К и = Р0/U r . В режиме приема в случае падения на пьезоэлемент

акустической волны амплитудой Рп на обкладках пьезоэлемента

возникнет напряжение Un . Коэффициент преобразования при

приеме Кп = £/п/Рп Если преобразователь совмещенный, т.е.

один пьезоэлемент работает как излучатель и приемник, то он

характеризуется двойным коэффициентом преобразования по

напряжению:

к =к„ка= P0uju,ra.

Аналогично выражение для коэффициента преобразования по току.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет изменение величины коэффициента преобразования от частоты / В качестве параметров АЧХ принимают следующие величи­ ны: рабочую частоту / , соответствующую максимуму АЧХ; по­ лосу пропускания A f - f x- f 2, где f x и / 2 - частоты, при кото­

рых АЧХ ниже максимальной на 3 дБ (0,707) при излучении либо на приеме или на 6 дБ (0,5) в режиме двойного преобразователя.

мость амплитуды реверберационных шумов преобразователя от времени - характеризует возможность выявления дефектов, рас­ положенных вблизи поверхности («мертвая зона»), и измеряется длительностью тр от начала развертки при заданном коэффици­

енте усиления дефектоскопа. РШХ зависит прежде всего от ко­ эффициента затухания волн в демпфере и призме. С целью уменьшения РШХ применяют раздельно-совмещенные прямые

инаклонные преобразователи.

Всвязи с многообразием задач контроля в практике исполь­ зуются преобразователи, формирующие поле заданной конфигу­ рации: веерные и широкозахватные - формирующие широкий пучок лучей, фокусирующие.

Выбор ПЭП определяется конструкцией сварного соедине­ ния, наиболее вероятным местоположением и ориентацией де­ фекта, наличием ложных сигналов и т.п. Поэтому промышленно­ стью выпускаются различные типы ПЭП.

Расчет оптимальных параметров ПЭП должен производиться из условий достижения максимальной чувствительности дефек­ тоскопа, наличия монотонной крутовозрастающей зависимости амплитуды эхо-сигнала от площади дефекта, высокой направлен­ ности, обеспечивающей возможность разрешения двух близко залегающих отражателей и уменьшения уровня прмех, мини-

мальных размеров «мертвой зоны» и уровня реверберационных шумов в призме, стабильности акустического контакта.

При разработке наклонных ПЭП размеры, форму и материал призмы надо выбирать таким образом, чтобы они имели наилуч­ шую РШХ и по возможности удовлетворяли следующим основ­ ным требованиям: обеспечивали эффективное затухание колеба­ ний, переотраженных от границы раздела призма - изделие внутрь призмы, и незначительно ослабляли пучок при прямом прохождении. Кроме того, материал призмы должен обладать хорошей износостойкостью и смачиваемостью, значительным пределом термостабильности.

Наибольшее распространение для изготовления призм на­ шли материалы на основе акрильных смол (оргстекло, полисти­ рол и т.п.). Однако в последнее время все более широкое рас­ пространение находит технология отливки призм из эпоксид­ ных компаундов.

Для улучшения РШХ призму делают ребристой или придают ей сложную форму, предусматривают специальные ловушки, из­ готовленные из материала с большим затуханием, но имеющим тот же импеданс, что и материал призмы..

Важным источником реверберационных шумов являются ко­ лебания, отраженные от рабочей поверхности. Во избежание это­ го оптимизируют высоту размещения пьезоэлемента в призме и величину стрелы.

При выборе размеров пьезоэлемента надо руководствоваться следующими соображениями. Увеличение поперечных размеров сужает характеристику направленности и повышает чувствитель­ ность в дальней зоне, однако увеличивает протяженность ближ­ ней зоны, характеризующейся неравномерной чувствительностью по глубине и сечению пучка и, следовательно, пониженной веро­ ятностью обнаружения дефектов. Кроме того, увеличение разме­ ров пьезоэлемента влечет за собой увеличение стрелы ПЭП

иплощади контактной поверхности, что снижает достоверность

ивоспроизводимость результатов контроля.

Размер и форма пьезоэлемента определяют также уровень и длительность собственных реверберационных шумов в нем вследствие радиальных колебаний и существенно влияют на форму сигнала. С этой точки зрения прямоугольная форма пьезо­ элементов является наименее выгодной.

В то же время пьезоэлемент малых размеров не обеспечивает необходимой мощности излучения, имеет недостаточную разре­ шающую способность и точность определения координат дефек-.

тов из-за широкой диаграммы направленности. По данным раз­ личных исследователей, можно считать, что при перерасчете на поперечные волны оптимальные размеры пьезопластин лежат в области af= 12... 15 мм-МГц.

При выборе размеров пьезоэлемента наряду с изложенными соображениями необходимо учитывать, что при работе в ближ­ ней зоне снижается вероятность обнаружения дефектов и поэто­ му надо стремиться к тому, чтобы пьезоэлемент и дефект нахо­ дились в их дальних зонах. Данное требование выполняется при соблюдении следующих условий [6]:

а < yjO,SXr при г > 862 /А.,

где г - приведенное расстояние между дефектом и пьезоэлементом.

Для снижения уровня собственных реверберационных шумов в пьезоэлементе, формирования заданной диаграммы направлен­ ности, формирования АЧХ заданного вида с достаточно больши­ ми коэффициентами преобразования, формирования сложных фазоманипулированных и частотно-модулированных сигналов и т.п. все шире стали использоваться мозаичные (матричные) апер­ туры (рис. 4.8) [66,123].

Рис. 4.8. Сравнение формы эхо-сигналов у наклонного ПЭП WSY-70-4: а - со сплошной пьезопластиной; б - с мозаичной пьезопластиной

из метаниобата свинца; в - конструкция пьезопластнны

В мозаичном ПЭП пьезопластина прямоугольной формы толщиной d стандартных размеров поделена на квадратные эле­ менты с помощью узких надрезов (0,1 мм) на глубину 0,8d. Над­

резы заполнены звукопоглотителем (эпоксидные или акрильные смолы) с заданным импедансом и высоким коэффициентом зату­ хания ультразвука.

Предложенные В.П. Попко в МЭИ мозаичные ПЭП из узко­ полосных разночастотных пьезоэлементов малого размера, обес­ печивают полосу пропускания до 100% при уменьшении коэф­ фициента преобразования всего на 10... 15 дБ [66].

Мозаичные композитные ПЭП имеют достаточно высокий коэффициент преобразования, низкий уровень реверберационных шумов, широкую полосу пропускания, низкое значение акустиче­ ского импеданса и механической добротности, что делает их весьма перспективными для промышленного использования.

Возбуждая каждый элемент мозаичного ПЭП по заданным законам, можно управлять шириной диаграммы направленно­ сти, качать луч относительно оси аппертуры на любой угол; излучать и принимать фазоманипулированные и другие слож­ ные сигналы и, применяя современные методы их оптимальной обработки, резко повысить чувствительность и достоверность контроля; при прозвучивании слоистых пластиков, аустенитных сварных швов, литья, железобетонных конструкций и т.п. Ф. «Крауткремер», ФРГ освоила серийный выпуск мозаичных ПЭП на частоту 2...4 МГц [123].

Следует заметить, что управляемое изменение характеристик поля излучения, в частности диаграммы направленности, может быть достигнуто за счет создания в пластине функционального распределения колебательной скорости на ее поверхности. По­ следнее может быть реализовано различными путями. Например, выполнение одного из электродов в виде розочки; использование разнесенного электрода различного профиля (4.2.5.); различная степень поляризации пластины от центра к периферии и т.п. В.М. Ушаковым и В.Н. Даниловым показано, что эта задача мо­ жет быть также решена с помощью переменного демпфирования. При этом наибольшее обострение ДН достигается в случае изме­ нения импеданса демпфера от центра к периферии по параболи­ ческому закону.

Рабочая частота ПЭП определяется толщиной соединения и коэффициентом затухания в материале. Стали строительных конструкций обладают незначительным уровнем структурных

помех, а коэффициент затухания у них невелик и лежит в пре­ делах 0,01...0,075 см-1 Практически установлено, что для со­ единений толщиной 4... 15 мм оптимальный диапазон рабочих частот составляет 4...5 МГц, для соединений толщиной 15.. .40 мм - 2,5 МГц, для соединений толщиной 40... 100 мм - 1.5.. .2 МГц. Эти значения в каждом конкретном случае могут уточняться в зависимости от состояния поверхности изделия, требуемого уровня чувствительности и т.д. Для обеспечения воспроизводимых результатов контроля, выполненного разной аппаратурой, необходимо, чтобы отклонение рабочей частоты от номинального значения не превышало 10... 15 %.

Степень демпфирования пьезоэлемента существенно влияет на форму и длительность зондирующего импульса и, следова­ тельно, на разрешающую способность контроля. ПЭП со слабым демпфированием имеют невысокую разрешающую способность, но зато применяются в тех случаях, когда нужна высокая чувст­ вительность. Сильно демпфированные ПЭП применяются там, где основную pojfb играет высокая разрешающая способность, например при обнаружении подповерхностных дефектов или толщинометрии. Но чувствительность у них значительно ниже, чем у слабодемпфированных. Эти ПЭП могут быть рекомендова­ ны для контроля сварных швов малых толщин. В качестве мате­ риала демпфера используются эпоксидные или акрильные смолы с наполнителями - ферровольфрамом, суриком, свинцовой стружкой и т.п.

Для контроля сварных соединений трубных конструкций ма­ лого диаметра (обычно до 150...200 мм) контактная поверхность призмы наклонного ПЭП должна притираться по диаметру тру­ бы. Это обеспечивает большую стабильность акустического кон­ такта и воспроизводимость результатов.

Однако В.Н. Даниловым и В.М. Ушаковым показано, что чувствительность ПЭП (т.е. амплитуда сигнала от опорного от­ ражателя) существенно зависит от ширины зоны притирки. При­ чем в большинстве случаев эта зависимость не монотонная, а осциллирующая. Эти осцилляции объясняются интерференцией в точке регистрации волн, излучаемых разными участками притер­ той поверхности с соответствующими различными фазовыми набегами, пока их различие не превышает я/2. При этом с увели­ чением отношения а2/а\ (где 2ai - размер излучающего прямо­ угольного пьезоэлемента; 2а2 - ширина зоны притирки; для дис­ кового пьезоэлемента радиусом а среднее значение ее размера,

т.е. проекции на вертикальную плоскость - а, = п/4-а) за счет

возрастания излучающей поверхности непосредственного кон­ такта призмы с изделием (притертой) наблюдается рост чувстви­ тельности, который, однако, замедляется, когда разность хода лучей от крайних периферийных точек до лежащих на оси пучка приближается к я/2, а затем достигает локального максимума и начинает убывать.

Поэтому максимальная чувствительность контроля достига­ ется, когда а2 ! ах < 1. То есть существует оптимум ширины зоны

притирки, который определяется из простого соотношения:

Если дефектоскоп, являясь универсальным прибором, может быть практически использован для контроля любой продукции, то вариации в геометрии и типоразмере шва требуют применения различных ПЭП. Полная унификация здесь невозможна.

Особенно сложные задачи стоят в создании ПЭП для контро­ ля сварных швов малой толщины 3...5 мм. Необходимо предель­ но локализовать пучок, чтобы исключить ложные сигналы, вы­ званные отражением от усиления шва. Кроме того, такие ПЭП должны быть технологичны, т.к. потребность в них велика и тре­ буется крупносерийный выпуск.

В гл. 3 описаны впервые предложенные Н.П. Алешиным и А.Ю. Могильнером специализированные раздельно-совмещен­ ные хордовые ПЭП типа РСМП для контроля сварных швов тру­ бопроводов диаметром 28...67 мм.

Принципиальной особенностью хордовых ПЭП является озву­ чивание дефекта горизонтально поляризованной SH (по отноше­ нию к плоскости дефекта) нерасходящейся поперечной волной.

Основным преимуществом применения SH-волн, в отличие от SV-волн, является независимость коэффициента отражения их от угла падения на плоский отражатель, т.е. для них отсутствует третий критический угол и соответственно трансформация волн, что часто является причиной появления ложных сигналов (рис. 2.26).

Всилу высокой помехоустойчивости, в настоящее время сфера применения хордовых ПЭП непрерывно расширяется.

Ф. «Политест» (Г.А. Гиллер, Л.Ю. Могильнер) серийно вы­ пускает широкую гамму хордовых ПЭП для контроля сварных швов трубопроводов диаметром до 159 мм.

ВЦНИИТМАШ созданы хордовые ПЭП для прозвучивания

сварных швов паропроводов 0 219...273 с толщиной стенки до 26 мм.

Также весьма помехоустойчивы и информативны разрабо­ танные в Уралтехэнерго и МГТУ им. Н.Э. Баумана ПЭП, состоя­ щие из четырех пьезодатчиков, попарно симметрично располо­ женных с обеих сторон шва. Электронный коммутатор обеспечи­ вает поочередное прозвучивание по раздельной схеме вдоль и поперек шва. При таком контроле хорошо обнаруживаются и идентифицируются продольные и поперечные плоскостные де­ фекты. Симметричное расположение ПЭП позволяет селектиро­ вать эхо-сигналы в узком временном диапазоне и исключить ложные сигналы от неровностей шва. Уровень полезный сигнал - шум в такой системе составляет 20...22 дБ, что оказалось доста­ точным для обнаружения дефектов округлой формы (пор) диа­ метром 0,6 мм и более.

Высокую чувствительность и удовлетворительную РШХ

тимизации геометрии призмы и введения четвертьволновых со­ гласующих слоев между пьезоэлементом, призмой и.демпфером. «Мертвая зона» таких ПЭП может составлять 0,5... 1 мм.

Для контроля сварных швов труб диаметром 28... 100 мм В.Д. Королевым созданы малогабаритные раздельносовмещенные ПЭП типа РСП-1, РСП-2 на частоту 5 МГц, а в по­ следнее время на 10... 15 МГц. Они выполнены цельнолитыми из эпоксидной смолы. Пластины имеют небольшой угол схождения, обеспечивающий попадание фокуса лучей в валик сварного шва после однократного отражения от внутренней поверхности тру­ бы. Малые размеры ПЭП позволяют проводить контроль при ми­ нимальном расстоянии между трубами 30 мм.

Автором разработаны ПЭП типов ИЦ-52, ПРЦ-1, ПРЦ-2, ИЦ-13 с регулируемым углом ввода на частоту 1,8; 2,5 и 5 МГц. Они состоят всего из двух деталей: призмы и поворотной встав-

ки, в которой размещен пьезоэлемент. Сопрягающиеся конусные поверхности призмы и вставки обеспечивают хороший акустиче­ ский контакт между собой и простое фиксирование заданного угла ввода. Уровень реверберационных шумов в этих ПЭП не выше, чем у стандартных. Основные достоинства - технологич­ ность изготовления, простота эксплуатации, возможность полу­ чения дополнительной информации о дефекте за счет озвучива­ ния его под различными углами ввода (см. рис. 4-7).

В ПЭП типа ПРЦ-2 использована вогнутая по цилиндру с ра­ диусом 50 мм в плоскости падения пьезопластина приклеенная к призме из оргстекла. Рабочая частота 1,8 и 2,0 МГц. Наружный электрод разделен на 5 элементов. С помощью переключателя, смонтированного на ПЭП, производится подключение электро­ дов в комбинации 3 из 5. Это позволяет дискретно изменять угол

ввода и устанавливать его равным 43, 55 и 64° при сохранении постоянной точки ввода и равной чувствительности.

В.Д. Королевым (ЦНИИТМАШ) предложена оригинальная идея и разработаны наклонные ПЭП типа УНК-1 М3, УНК-2МЗ, УНК-5МЗ с изменяемым углом, но с постоянной точкой ввода. Рабочие частоты 1,8; 2,5 и 5,0 МГц. ПЭП состоят из призмы из оргстекла, в которой под углом 45° расточен канал (отверстие) с плоским дном, и цилиндрической вставки с пьезоэлементом, раз­ мещенным в торце этой вставки под углом 5... 10° к плоскости торца. Клиновой протектор вставки выполнен из эпоксидного компаунда или норакрила. Пьезоэлемент смещен (эксцентричен) относительно продольной оси вставки. Путь УЗ-колебаний в призме соответствует значению этого же параметра в стандарт­ ных ПЭП. На выступающей из призмы части вставки имеется лимб, а на призме нониус (рис. 4.9).

Акустический контакт между вставкой и призмой может обеспечиваться глицерином, машинным маслом или, что наибо­ лее предпочтительно, силиконовым эластомером. Последний' имеет акустический импеданс близкий к импедансу оргстекла.

Такая конструкция позволяет при провороте вставки изме­ нять угол ввода в металле в пределах 45...700. При этом точка ввода ультразвука из призмы в металл смещается от среднего положения всего на ± 1,5 мм.

Многие сварные швы сложной конструкции, например угло­ вые швы с конструктивным зазором, невозможно контролировать