Лекция 10 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ УЗ-ДЕФЕКТОСКОПИИ При УЗ-дефектоскопии решаются следующие основные задачи: 1. Обнаружение дефектов. 2. Классификация дефектов отнесение их к тому или иному типу (трещина, раковина, включение, непровар и т.д.). 3. Определение координат и размеров дефектов. 4. Определение степени опасности дефектов. 5. Для решения поставленных задач применяются перечисленные в предыдущих разделах методы контроля и оборудование, реализующее эти методы. Оборудование для УЗ-контроля можно разделить на следующие основные типы: 1. УЗ-дефектоскопы с преобразователями для возбуждения и регистрации акустических волн и колебаний. 2. Комплекты эталонов и тест-образцов для проверки и настройки приборов. 3. Диаграммы для определения размеров дефектов. 4. Вспомогательные приспособления.

Технологически процесс УЗ-контроля включает следующие последовательно выполняемые операции: 1. Оценка дефектоскоп личности (контролепригодности) изделия; 2. Подготовка объекта к контролю; 3. Настройка оборудования; 4. Поиск и обнаружение дефектов, определение их размеров и формы; 5. Оценка качества изделия (допустимости дефектов); 6. Оформление результатов контроля. Рассмотрим основные этапы технологического процесса УЗ-дефектоскопии на примере эхо- и теневого методов контроля. Способы ввода и приема упругих волн в объект контроля Залогом успешного решения задач УЗ-контроля является обеспечение высокой стабильности ввода в контролируемый объект и приема акустических волн, в результате анализа параметров которых делается заключение о наличии и характеристиках обнаруженных дефектов. В современных дефектоскопах для излучения и приема УЗ-волн чаще всего используются пьезопреобразователи. Существует несколько способов ввода УЗ-волн в контролируемый объект и приема сигналов: 1. Бесконтактный; 2. Контактный; 3. Иммерсионный; 4. Струйный.

Бесконтактный способ между преобразователем и объектом существует воздушный зазор толщиной не более, прозрачный для УЗ-волн. Этот способ требует высокого качества поверхности и применяется для ввода низкочастотных волн. Контактный способ преобразователь вводят в контакт с поверхностью. Если ведут контроль на низких частотах, то используют сухой контакт. При контроле на частотах более 10 к Гц ввод УЗ-волн осуществляется через слой масла. Иммерсионный способ между преобразователем и изделием создают толстый слой жидкости, помещая изделие и преобразователь в ванну. Преимущества иммерсионного способа: 1. высокая стабильность излучения и приема УЗ; 2. отсутствие износа преобразователя; 3. низкие требования к качеству поверхности объекта контроля. Струйный способ контакт преобразователя с объектом контроля обеспечивается непрерывной струей жидкости. Толщина слоя регулируется зазором между преобразователем и изделием. Применяется при контроле вертикальных поверхностей или поверхностей с переменной кривизной.

Классификация преобразователей В зависимости от способа ввода УЗ-колебаний используют различные типы преобразователей, которые классифицируются по следующим признакам: 1. По способу введения УЗ-волн: контактные; иммерсионные. 2. По назначению: нормальные (прямые) – для возбуждения продольных волн; наклонные (призматические) – для возбуждения нормальных поперечных и поверхностных волн. 3. По функциональным признакам: раздельные; совмещенные ; раздельно совмещенные.

Типовые схемы преобразователей нормальный совмещенный наклонный раздельно-совмещенный Основными конструктивными элементами преобразователей являются: 1 пьезопластина; 2 демпфер; 3 протектор; 4 корпус; 5 призма (в наклонных и раздельно-совмещенных преобразователей). Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопластины, управления добротностью преобразователя и защиты пьезопластин от механических повреждений.

Материал и форма демпфера должна обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной без многократных отражений в преобразователе. Ослабление колебаний пьезопластины тем сильнее, чем лучше согласованы импедансы пьезопластины и демпфера. В качестве основного материала для демпфера используются эпоксидные смолы с добавкой порошковых наполнителей, обладающих высокой насыпной плотностью, необходимой для получения требуемого характеристического импеданса (вольфрам, свинец или их соединения). Для уменьшения многократного отражения демпфер выполняют в виде конуса. В некоторых случаях в виде конуса выполняют тыльную поверхность демпфера. В ряде случае в материал демпфера вводят рассеиватели. Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений и воздействия иммерсионной или контактной жидкости, а также согласования импеданса пьезопластины с импедансом контролируемого объекта. Материал протектора должен обладать высокой износостойкостью и высокой скоростью звука – кварц, сапфир, керамика, эпоксидные смолы с порошковыми наполнителями (кварцевый песок, корундовый порошок и др.). Толщина протектора составляет 0,1…0,5 мм. Обычно используют четвертьволновые протекторы, обеспечивающие просветление границы пьезопластина- жидкость. Призма обычно изготавливается из материала с небольшой скоростью звука (оргстекло; капролон и др.), что позволяет при относительно небольших углах падения получить большие углы преломления. 1 – пьезопреобразователь; 2 – призма; 3 – ребристая поверхность

Высокое затухание УЗ в призме обеспечивает ослабление волны, которое также увеличивается за счет многократных переотражений. Для улучшения этого эффекта в призме часто используется ловушка, удлиняющая путь отраженных волн, в частности, на пути волны располагают небольшие отверстия; грани призмы выполняют ребристыми или приклеивают к ним материалы с приблизительно одинаковым характеристическим импедансом, но со значительным затуханием. Для возбуждения в объекте волн одного типа угол наклона призмы делают либо небольшим (при этом поперечные волны практически не возбуждаются), либо выбирают его в интервале между первым и вторым критическими углами (). В этом случае продольные волны трансформируются в поперечные. Призмы с углами 60º (оргстекло – сталь) применяют для возбуждения волн Рэлея. Для получения произвольных углов ввода применяют универсальные преобразователи (с переменным углом ввода). универсальные преобразователи (с переменным углом ввода) В раздельно-совмещенных преобразователях излучатель и приемник разделены акустически, но при этом объединены конструктивно в одном корпусе. Благодаря такому разделению излучающий (зондирующий) импульс практически не попадает на приемник. В результате «мертвая зона» уменьшается до 1…2 мм, вместо 5…10 мм для прямых преобразователей. Изменяя углы призм в раздельно-совмещенном преобразователе можно менять глубину прозвучивания.

Иммерсионные и щелевые преобразователи – отличаются от прямых преобразователей тем, что имеют повышенный импеданс демпфера. Протектор изготавливают обычно из эпоксидной смолы толщиной равной четверти длины волны, обеспечивающей просветление границы пьезоэлемент – гидроизоляция – иммерсионная жидкость. 1 – демпфер; 2 – пьезопреобразователь; 3 – жидкость; 4 – мембрана Главным достоинством иммерсионных преобразователей является стабильность акустического контакта. Поэтому разработаны конструкции локально- иммерсионных преобразователей, в которых сохраняются достоинства иммерсионного способа без применения громоздкой ванны. Одна из стенок корпуса такого преобразователя выполняется в виде мембраны, препятствующей вытеканию жидкости, и хорошо прилегающей к неровностям поверхности объекта. Мембрана сделана из маслостойкой резины или полиуретан, характеристический импеданс которых близок к импедансу воды, поэтому УЗ-волна практически от нее не отражается.

В щелевом преобразователе мембрана не соприкасается непосредственно с поверхностью объекта. Между ними имеется слой воды. Это предохраняет мембрану от износа и улучшает возможности контроля изделий с грубой поверхностью. Волновые сопротивления сред между мембраной и жидкостью, сверху и снизу от мембраны, подбираются максимально близкими, что сводит к минимуму эффект отражения волны. Для устранения эхо- сигнала от мембраны ее располагают под углом 80…85º к акустической оси преобразователя. Небольшие размеры нижней части ванны позволяют обеспечить ее надежное заполнение при небольшом расходе жидкости.

Основные требования к преобразователям При расчете и проектировании преобразователей для эхо- и теневых дефектоскопов ставятся и решаются следующие основные задачи: 1. Достижение максимальной чувствительности, то есть максимальные значения модуля коэффициента преобразования на некоторой оптимальной рабочей частоте. 2. Достижение максимальной ширины пропускания частот, определяемой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Широкополосность преобразователя обеспечивает возможность излучения и приема коротких акустических импульсов без искажения их формы. Последнее важно для достижения минимального значения «мертвой зоны» при контроле эхо-методом. Отраженные от дефекта импульсы по амплитуде всегда меньше излучаемого зондирующего. Поэтому, пока амплитуда зондирующего импульса не уменьшится в 10…102 раз, отраженный от дефекта импульс не может быть надежно зарегистрирован. 3. Достижение максимальной стабильности акустического контакта. 4. Снижение шумов преобразователя. Главным источником шумов преобразователя является многократное отражение волн в протекторе, демпфере и других его элементах. 5. Согласование полного электрического импеданса преобразователя с выходным импедансом генератора и входным усилителем дефектоскопа. 6. Оптимизация акустического поля преобразователя. 7. Повышенная износостойкость преобразователя, зависящая от сопротивления истиранию протектора.