Конструктивные особенности преобразователей

Основные акустические параметры наклонных преоб­разователей — ширина диаграммы направленности, раз­решающая способность (по оси пучка), чувствитель­ность— определяются их конструкцией, а именно: раз­мерами и конфигурацией, углом ввода, акустическими константами призмы и степенью демпфирования.

Преобразователь состоит из следующих основных элементов: пьезопластины, демпфера, призмы, протекто­ра и корпуса.

Пьезопластина — является основным элементом ПЭП. Ее изготавливают из пьезоэлектрических материа­лов: кварца, цирконата-титаната свинца (ЦТС), титаната бария и др. Пьезопластина обычно имеет толщину, рав­ную половине длины волны УЗК в пьезоматериале на рабочей частоте. На противоположных поверхностях пластины располагаются металлические (обычно сереб­ряные) электроды для приложения электрического поля. От формы электродов зависят работающие участки пьезопластин. Во избежание пробоя по краям пластины часто оставляют неметаллизированную полоску.

Оптимальным размером пьезопластины считается такой, при котором обеспечивается максимум амплитуды отраженного сигнала при минимальном уровне ложных сигналов и акустических шумов в преобразователе.

При выборе диаметра пьезоэлемента необходимо учи­тывать следующее. Увеличение диаметра пьезоэлемента приводит к повышению абсолютной чувствительности преобразователя и сужению его диаграммы направлен­ности. Более высокая направленность ПЭП повышает точность оценки координат дефектов и их условных раз­меров, улучшает фронтальную разрешающую способность и снижает уровень помех от различных структурных неоднородностей. Однако с увеличением размеров пьезоэлемента возрастает протяженность ближней зоны, кото­рая характеризуется неравномерной чувствительностью по глубине и сечению УЗ-пучка, а следовательно, пони­женной вероятностью обнаружения дефектов и неодно­значностью оценки их величины. Кроме того, чем больше диаметр пьезоэлемента, тем больше стрела преобразова­теля и площадь его контактной поверхности, что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля. Излучатель, имеющий небольшие размеры, не обеспечивает достаточной мощности генерируемых колебаний и не дает нужной точности при определении координат дефектов из-за широкой диаграммы направленности.

Для каждой частоты УЗК имеется оптимальный раз­мер излучателя. Размеры пьезопластины рекомендуется выбирать в области аf=12—15 мм*МГц, где а — радиус пьезопластины. При этом пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны УЗК в пьезоматериале на рабочей частоте.

При выборе диаметра пьезоэлемента необходимо стремиться к тому, чтобы пьезопластина и дефект нахо­дились в дальней зоне относительно друг друга. Это особо следует учитывать при контроле сварных соедине­ний малых толщин.

Демпфер служит для гашения свободных колеба­ний пьезопластины, т.е. для получения коротких УЗ-импульсов, а также для предупреждения механических по­вреждений пьезопластин, особенно тонких. Материал демпфера и его форма должны обеспечивать достаточно сильное затухание УЗК без многократных отражений. В некоторых ПЭП (например, наклонных) демпфер час­то отсутствует.

Степень демпфирования пьезоэлемента существенно влияет на форму и длительность зондирующего импуль­са и, следовательно, разрешающую способность преобра­зователя. Преобразователи со слабым демпфированием имеют невысокую разрешающую способность, но зато применяются в тех случаях, когда нужна высокая чув­ствительность. Сильно демпфированные преобразователи применяют там, где основную роль играет высокая раз­решающая способность, например при обнаружении под­поверхностных дефектов или при толщинометрии. Но чувствительность у них значительно ниже, чем у слабо демпфированных. Эти преобразователи можно рекомендовать для контроля сварных швов малых толщин.

В зависимости от требуемого демпфирования, рабо­чей частоты и других конкретных условий демпфер обыч­но изготавливают из искусственных смол (чаще всего эпоксидных и акрильных) или компаундов с добав­ками порошка (наполнителя) с высокой плотностью (карбиды титана, вольфрама и свинца). Свойства демп­фера, особенно его затухание, сильно зависят от связую­щего компонента. При изготовлении демпферов широко применяются силикон, полиуретан, каучук, сырая резина.

Для уменьшения многократных отражений на демп­фере со стороны, противоположной пластине, делают ско­сы, наносят канавки, добавляют пузырьки воздуха,

С увеличением акустического сопротивления демпфе­ра уменьшается чувствительность ПЭП, но повышается разрешающая способность и сокращается мертвая зона.

Призма изготовляется обычно из износостойкого материала с небольшой скоростью ультразвука (оргстекло, полистирол, поликарбонат, деклон, капролон и др.), что позволяет при относительно небольших углах падения получать углы преломления до 90°. Размер приз­мы зависит главным образом от размера и формы пьезопластины.

При разработке и изготовлении преобразователей размеры, форму и материал призмы выбирают таким образом, чтобы они по возможности удовлетворяли сле­дующим основным требованиям: обеспечивали достаточное гашение УЗК, возникающих при отражении волн на границе раздела призма — изделие, при этом незначи­тельно ослабляли УЗК в самой призме. Кроме того, ма­териал призмы должен обладать износостойкостью и смачиваемостью, а в ряде случаев и термостабильностью.

Для устранения шумов в наклонном преобразователе нужно выбирать стрелу преобразователя (расстояние от точки выхода УЗК до передней грани призмы) та­кой, чтобы крайний луч от верхней части пьезопластины не падал на переднюю грань призмы или на двугранный угол. Если это условие не соблюдается, то луч значитель­ной интенсивности отражается назад к пьезопластине, создавая при этом шумы в преобразователе. Максималь­ная стрела преобразователя, при которой шумы будут незначительными, должна быть .

В призме должны гаситься также и поперечные вол­ны, которые возникают при отражении продольной вол­ны от границы раздела призма — изделие. Это условие выполняется, если нижний луч поперечной волны не по­падает на верхнюю часть пьезопластины.

Высокое затухание ультразвука в призме обеспечива­ет быстрое гашение многократных отражений. Для улуч­шения гашения УЗК призму делают ребристой или при­дают ей сложную форму. В некоторых преобразователях для гашения УЗК ставят специальные ловушки, которые изготавливают из материала, сильно поглощающего УЗ-колебания.

Преобразователи на частоту 5 МГц и выше благодаря большему затуханию УЗК в призме обладают значитель­но меньшим уровнем собственных шумов, чем преобра­зователи на частоту 1,8 и 2,5 МГц. Вследствие этого преобразователи на 5 МГц получаются малогабаритными.

Важное значение для постоянства параметров преобразователя имеет выбор материала призмы. Длитель­ное воздействие воды и других жидкостей может изме­нить акустические характеристики призмы. Это может быть вызвано как изменением акустических свойств ма­териала призмы, так и ее разбуханием или короблением. На рис. 2.3 показано изменение скорости ультразвука в

 

Рис. 2.3. Относительное изменение скорости ультразвука в образцах из полимеров при выдержке в воде:

/ — поликарбонат; 2 — деклон; 3 — капролон; 4 — оргстекло; 5 — поли-амид-12; 6 — полиамидоимид.

 

различных полимерных материалах в зависимости от времени их пребывания в воде и масле.

Из рис. 2.1 следует, что для преобразователей автома­тизированных установок, рассчитанных на длительную непрерывную работу, в качестве материала призмы луч­ше всего подходят полиамидоимид и поликарбонат. Несколько худшие, но все же достаточно стабильные свой­ства имеет также оргстекло.

В PC-преобразователях конструкция призмы должна удовлетворять дополнительным требованиям. Например, в PC-преобразователях толщиномеров важно, чтобы вре­мя прохождения УЗК сквозь призму не зависело от тем­пературы, поэтому се изготавливают иногда из плавлен­ного кварца, имеющего малый коэффициент линейного расширения.

Протектор защищает пьезоэлемент от изнашива­ния и воздействия контактной жидкости, улучшает акус­тический контакт при контроле контактным способом. Для повышения износостойкости преобразователя к пьезопластине приклеивают протекторы толщиной 0,1 — 0,5 мм из кварца, бериллия, стали, смол с порошковым наполнителем (например, порошком из компаунда или бериллия) и т. п. Протекторы также изготавливают в виде сменных пленок из эластичных пластмасс, например из полиуретана. В этом случае между пьезопластиной и протектором вводят контактную жидкость (масло).

Корпус преобразователя обеспечивает прочность конструкции, а также экранирование пьезоэлемента и выводов от электронных помех (для этого корпус из пластмассы металлизируют).

Электрические контакты паяют легкоплавкими при­поями, особенно на пьезокерамических пластинах, во избежание потери поляризации.

Преобразователь с дефектоскопом соединяют макси­мально гибким кабелем. Применяют микрофонный или коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.

Серийные преобразователи

Преобразователи типа ИЦ (рис. 2.4). Эти преобра­зователи делаются разборными, пьезопластина прижи­мается к призме с помощью съемного разъема. Пьезо­пластина изготавливается из пьезокерамики ЦТС-19. Материалом для пьезопластины могут быть также кварц и титанат бария. Кварц обладает наиболее стабильными свойствами, ЦТС обеспечивает наибольшую чувствитель­ность, но подвержен влиянию температуры.

Форма пластины может быть различной: круглая, по­лукруглая, квадратная, прямоугольная. Практика по­казала, что наиболее эффективна прямоугольная или квадратная форма, так как в этом случае УЗ-колебания в пределах ближней зоны распределены более равномер­но по сечению.

Рис. 2.4. Схема наклонного совмещенного преобразователя

типа ИЦ:

1 — призма; 2 — пьезоэлемент; 3 — корпус излучателя; 4 — изоляцион­ное кольцо; 5 — демпфер; 6 — контактный штырь; 7 — изоляционная втулка; 8 — зажимная гайка.

 

Призмы преобразователей типа ИЦ выполняют из плексигласа, который, с одной стороны, обеспечивает достаточное гашение УЗ-волн в призме и, с другой сто­роны, не сильно ослабляет ультразвуковые колебания на участке от пьезоэлемента до изделия. Благодаря хо­рошей смачиваемости плексигласа преобразователи ИЦ обладают наибольшей стабильностью акустического кон­такта по сравнению с другими серийными преобразователями. Преобразователи подобного типа легко изгото­вить в производственных условиях.

Однако наряду с отмеченными преимуществами пре­образователи ИЦ имеют некоторые недостатки: малый срок службы, изменение акустического контакта между пьезоэлементом и призмой в процессе эксплуатации, не­совершенный высокочастотный разъем, относительно большую стрелу, малый температурный диапазон.

Преобразователи конструкции ИЦ, которыми комп­лектовались дефектоскопы УДМ-3, ДУК-66 и ДУК-66П, имеют углы наклона призмы 30, 40, 50 и 53°.

Преобразователь КГН-1 (см. рис. 2.1, в). Данный пре­образователь состоит из призмы, к которой приклеен пьезоэлемент прямоугольной формы. Такое конструктив­ное исполнение преобразователя обеспечивает постоянный акустический контакт между пьезоэлементом и приз­мой и постоянную чувствительность преобразователя в процессе эксплуатации.

Для повышения степени демпфирования, а следова­тельно, разрешающей способности преобразователя, демпфирующая масса выполняется на основе эпоксидной смолы с вольфрамовым наполнителем и добавкой пластификатора. Оптимальное демпфирование достигается, когда частицы вольфрама распределены по высоте демп­фера по экспоненте. Причем большая часть вольфрамо­вых включений должна прилегать к пьезопластине, так как при этом достигается сильное демпфирование пьезоэлемента, а частицы, расположенные в верхней части, обеспечивают наибольшее рассеяние УЗ-колебаний.

Поскольку с увеличением степени демпфирования наряду с положительным эффектом (сокращение мерт­вой зоны и увеличение разрешающей способности) про­исходит снижение чувствительности преобразователя, то при контроле изделий большой толщины, когда требует­ся высокая чувствительность, применяют демпфер с ма­лым акустическим сопротивлением.

Призмы преобразователей КГН-1 изготавливают из капролона, который обладает высокой износостойкостью и может эксплуатироваться в широком температурном диапазоне. Преимуществом таких преобразователей являются также небольшая стрела и удобный высокочас­тотный разъем.

Чувствительность преобразователей КГН-1 ниже чув­ствительности преобразователей ИЦ. Смачиваемость капролона значительно хуже смачиваемости плексигласа, что делает эти преобразователи чувствительными к ка­честву контролируемой поверхности.

 

Рис. 2.5. Схема наклон­ного совмещенного пре­образователя типа «Сне­жинка»:

1 — призма; 2 — пьезопластина; 3 — демпфер; 4 — кор­пус.

В комплекте преобразователей КГН-1 имеются ПЭП с углами наклона призм 30, 40, 50, 53 и 55°.

Миниатюрные преобразователи «Снежинка» (рис. 2.5). Эти преобразователи выпускаются с углами призм 30, 40 и 50° на частоту 5 МГц. Призмы преобразователей изготавливают из поликарбоната дифлок — материала с высокой теплостойкостью, морозостойкостью и низким водопоглощением. Стабильность свойств поликарбоната сохраняется в диапазоне температур от -100 до +100°С. Затухание в нем УЗ-колебаний примерно в 3—4 раза выше, чем в плексигласе, что обеспечивает уменьшение реверберационных помех. Износостойкость поликарбоната в 3 раза выше износостойкости оргстекла.

Пьезоэлементы данных преобразователей имеют пря­моугольную форму.

Демпфирующий материал в преобразователях «Сне­жинка» аналогичен материалу в КГН-1. По чувствитель­ности преобразователи этого типа также уступают преобразователям типа ИЦ. Данные преобразователи наиболее целесообразно применять для контроля качест­ва сварных швов тонкостенных конструкций с обработан­ной поверхностью, а также в труднодоступных местах.

В современных дефектоскопах используются различ­ные комплекты преобразователей: «Приз-3», «Приз-4», «Приз-5». Низкочастотные контактные прямые совмещенные преобразователи «Приз-3» предназначены для конт­роля качества неметаллических изделий, в том числе и строительных, а также для измерения их физико-меха­нических свойств. Преобразователи комплекта «Приз-4» служат для контроля качества толстостенных изделий, листового проката и изделий с грубообработанными по­верхностями. Комплект «Приз-5» предназначен для контроля качества сварных швов изделий из аустенитных сталей.

Из преобразователей, выпускающихся за рубежом, наибольшее применение нашли преобразователи фирмы «Крауткремер». Пьезоэлемент квадратной формы, изго­товленный из кварца, приклеивается к призме. Для гаше­ния шумов в преобразователе к призме в свою очередь приклеивается ловушка из звукопоглощающего мате­риала. Отличительной особенностью данных преобразо­вателей является высокая чувствительность, износостойкость и хорошая смачиваемость. В связи с тем что в наклонных преобразователях фирмы «Крауткремер» от­сутствует демпфер, они имеют большую величину мерт­вой зоны и более низкую разрешающую способность по сравнению с отечественными преобразователями. Стре­ла этих преобразователей значительно больше стрелы отечественных преобразователей, что не позволяет про­изводить контроль прямым лучом нижней части шва тонкостенных сварных изделий.

На преобразователях фирмы «Крауткремер» обозна­чаются углы ввода УЗ-колебаний по стали, которые со­ставляют 35; 45; 60; 70 и 80°.