АППАРАТУРА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

Процессы генерирования, преобразования, приема и измерения амплитуды ультразвуковых колебаний происходят в трех трактах дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.

Электроакустическим трактомназывают участок схемы дефектоскопа, где происходит преобразование электрических колебаний в ультразвуковые и обратно. Электроакустический тракт состоит из пьезопреобразователя, демпфера, тонких переходных слоев и электрических колебательных контуров генератора и приемника. В электроакустический тракт нормальных искателей, работающих в контактном варианте, также входят протектор и слой контактной жидкости. Электроакустический тракт определяет резонансную частоту ультразвуковых колебаний, длительность зондирующего импульса и коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую.

В электрический тракт дефектоскопа входят генератор зондирующих импульсов и усилитель. Он определяет амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления.

Акустическим трактомназывают путь ультразвука от излучателя до отражателя в материале и от отражателя до приемника. Анализ акустического тракта сводится к расчету волновых полей излучателя, отражателя и приемника.

Дефектоскопы

Ультразвуковой контроль сварных соединений является весьма специфичной технологической операцией. Специфика определяется необходимостью работы на монтаже в различных погодных условиях (высота, ветер и т. п.).

Это предъявляет особые требования к конструкции дефектоскопа и, в частности, к его массе, габаритам, автономности питания, простоте индикации дефектов, ударостойкости и другим эксплуатационным качествам. С другой стороны, оператор - дефектоскопист должен надежно обнаруживать дефекты и правильно оценивать их величину и степень допустимости для данного изделия. Поэтому дефектоскоп должен иметь обязательный минимум функциональных блоков, позволяющий выполнить необходимые операции.

Аппаратура ультразвукового контроля состоит из электронного блока (собственно дефектоскопа), набора пьезопреобразователей (ПЭП), содержащих пьезоэлементы для излучения и приема ультразвуковых колебаний, и различных вспомогательных устройств.

Ультразвуковой дефектоскоп предназначен для генерирования импульсов ультразвуковых колебаний, приема отраженных сигналов, преобразования этих сигналов к виду, удобному для наблюдения их на экране и управления дополнительными индикаторами, а также для измерения координат дефектов и сравнения амплитуд сигналов.

Для достоверного контроля дефектоскоп как минимум должен обеспечивать:

а) линейную пропорциональность между амплитудами эхо-сигнала на входе дефектоскопа и на индикаторе;

б) получение максимальной информации о дефекте, точное измерение амплитуды и временных интервалов между зондирующим импульсом и эхо-сигналом от дефекта;

в) селектирование эхо-сигналов из любого заданного временного интервала и автоматическую сигнализацию (звуковую, световую) о их наличии;

г) выравнивание чувствительности дефектоскопа по всей зоне контроля для компенсации затухания ультразвука в металле.

Принцип работы дефектоскопа поясняется структурной схемой, приведенной на (рис. 3.16). К основным узлам функциональной схемы дефектоскопа относятся: генератор зондирующих радиоимпульсов; синхронизатор; усилитель; схема автоматического сигнализатора дефектов; глубиномер, включая генератор стробирующих импульсов; генератор напряжения развертки; экран; блок питания.

Генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ) вырабатывает последовательность импульсов, которые синхронно запускают генератор зондирующих импульсов, глубиномер и генератор напряжения развертки. В качестве ГСИ чаще всего используют автоколебательный блокинг-генератор, который вырабатывает импульсы отрицательной полярности амплитудой до 400 В, или триггер. Частота следования синхро-импульсов обычно регулируется в пределах 200...1000 Гц. Выбор частоты посылок зондирующих импульсов определяется задачами контроля, размерами и геометрической формой объекта контроля. Малая частота посылок ограничивает скорость контроля, особенно в автоматизированных установках, но в этом случае незначителен уровень шумов, возникающих при объемной реверберации в объекте контроля. При повышении частоты посылок надежность обнаружения дефектов возрастает, яркость свечения экрана увеличивается. Однако возникает опасность попадания на рабочий участок экрана дефектоскопа многократно отразившихся от стенок сигналов от предыдущего зондирующего импульса. Рекомендуемая частота посылок при ручном контроле сварных швов 600—800 Гц.

Генератор зондирующих радиоимпульсов (ГЗИ) предназначен для получения короткого импульса высокочастотных электрических колебаний, которые используются для возбуждения пьезопреобразователей. Основными элементами ГЗИ являются колебательный контур, включающий пьезоэлемент, и электронная схема (ключ), обеспечивающая генерацию коротких импульсов.

Частота высокочастотных колебаний, заполняющих импульс, является основной характеристикой дефектоскопа. Она определяется параметрами колебательного контура и выбирается в зависимости от величины затухания ультразвука в контролируемом материале.

Отраженные от дефекта импульсы упругих колебаний попадают на пьезопластину и за счет прямого пьезоэффекта преобразовываются в ней в электрические сигналы. Приемно-усилительный тракт дефектоскопа служит для усиления этих сигналов и содержит предусилитель, измеритель амплитуд сигналов (аттенюатор), усилитель высокой частоты, детектор и видеоусилитель. Предусилитель обеспечивает электрическое согласование усилительного тракта с приемным преобразователем. Входное сопротивление предусилителя должно быть согласовано с выходным сопротивлением преобразователя. Он содержит ограничитель амплитуды, предохраняющий усилитель от воздействия мощного зондирующего импульса, когда преобразователь включен по совмещенной схеме. При этом сигналы небольшой амплитуды практически не искажаются.

В дефектоскопе предусмотрен специальный переключатель, с помощью которого усилитель может быть непосредственно подключен к ГЗИ (при работе по совмещенной схеме) или отключен от него (при раздельной схеме).

Для измерения отношений сигналов на входе усилителя высокой частоты имеется калиброванный делитель напряжения – аттенюатор, в котором на переднюю панель выведены проградуированные регуляторы с диапзоном измерения 80 – 110 дБ. В последнее время разработаны автоматические измерители амплитуды с цифровым выходом.

В большинстве дефектоскопов аттенюатор проградуирован в отрицательных децибелах, т. е. численная величина отсчета в децибелах пропорциональна вводимому с помощью аттенюатора коэффициенту усиления. При этом максимальному сигналу соответствует минимальный отсчет в децибелах. В ряде приборов отечественного производства по конструктивным причинам аттенюатор проградуирован в положительных децибелах, т. е. большему сигналу соответствует большое значение численного отсчета в децибелах.

Усилители высокой частоты бывают двух типов: узкополосные и широкополосные. Первые обладают высокой помехоустойчивостью, большим коэффициентом усиления (до 80 – 90 дБ) и более просты в изготовлении.

Ширину полосы пропускания обычно выбирают равной 0,2f, что обеспечивает минимальные искажения сигналов. Однако применение узкополосных усилителей увеличивает габариты дефектоскопа при необходимости работы в широком диапазоне частот. Широкополосные усилители имеют коэффициент усиления на порядок меньше, помехоустойчивость их ниже, но зато их габариты меньше.

Усиленные высокочастотные сигналы поступают на детектор, на нагрузке которого выделяется однополярная огибающая радиоимпульса. Продетектированные сигналы поступают на видеоусилитель с коэффициентом усиления 20 – 30 дБ. Видеосигналы подаются на экран дефектоскопа и схему автоматической сигнализации дефектов, предназначенную для фиксации с помощью звукового или светового индикатора сигналов, превышающих заданный пороговый уровень.

В ряде случаев возникает необходимость выявления мелких дефектов на фоне значительных по амплитуде сигналов (от подкладного кольца сварных соединений или донного сигнала при контроле листа продольными волнами). В таких случаях дефектоскопы снабжают двумя усилителями и соответствующими схемами АСД. Устанавливая различный коэффициент усиления каждого канала, можно избавиться от мешающего влияния больших по амплитуде сигналов.

Для получения дополнительной информации о дефекте, например о фазе отраженного сигнала, в некоторых дефектоскопах предусмотрен выход на экран недетектированного сигнала.

Для того чтобы подавить на экране реверберационно – шумовые помехи в начале развертки или выровнять чувствительность по глубине, в усилительном тракте предусмотрена схема временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Эта схема вырабатывает импульс определенной формы (чаще всего экспоненциальный), который подается на усилитель высокой частоты, запирая его непосредственно после излучения зондирующего импульса и изменяя коэффициент усиления во времени. Длительность, амплитуда и форма импульса ВРЧ могут регулироваться в зависимости от задач контроля. В целях выравнивания чувствительности к равным отражателям, залегающим на различной глубине, закон изменения усиления должен быть обратным закону уменьшения амплитуды отраженных сигналов, вызванному затуханием ультразвука и расширением пучка по мере увеличения расстояния.

Генератор напряжения развертки служит для формирования пилообразного напряжения, необходимого для получения линии развертки на экране дефектоскопа, а также импульса подсвета для увеличения яркости изображения во время прямого хода луча.

В некоторых дефектоскопах генератор напряжения развертки может использоваться в режиме «от поверхности» и в режиме «по слоям». В режиме «от поверхности» запуск генератора напряжения развертки производится одновременно с излучением зондирующего импульса положительным импульсом синхронизатора. Импульсы пилообразного напряжения положительной и отрицательной полярности с выхода генератора подаются на горизонтально-отклоняющие пластины экрана дефектоскопа. Прямоугольный импульс положительной полярности, вырабатываемый этим генератором, используется в качестве импульса подсвета прямого хода луча. В режиме «по слоям» (задержанная развертка) генератор напряжения развертки запускается импульсом глубиномера.

В дефектоскопах обычно предусмотрены плавная регулировка длительности развертки и ступенчатые диапазоны длительности, выбор которых производят в зависимости от толщины изделия.

Глубиномерное устройство служит для определения координат дефектов и толщины изделия путем измерения интервала времени между моментами излучения зондирующего импульса и приходом отраженного сигнала. Для выполнения этой функции глубиномер содержит калиброванную схему временной задержки синхронизирующего импульса. В момент окончания задержки глубиномер вырабатывает импульс, который используется для запуска генератора стробирующего импульса, позволяющего произвести временную селекцию сигналов, отраженных от несплошностей, расположенных в данном слое контролируемого изделия. Стробирующий импульс подается на вертикально отклоняющие пластины экрана дефектоскопа и наблюдается на экране в виде прямоугольного импульса положительной полярности. Передний фронт этого импульса и является меткой глубиномера. Плавный регулятор глубиномера проградуирован в миллиметрах. Осциллоскопический индикатор на экране дефектоскопа служит для визуального наблюдения эхо-сигналов, определения расстояния до дефектов измерения амплитуды.

Дефектоскопы общего назначения обычно снабжены дублированной системой питания от сети и автономной от аккумуляторной батареи. Дефектоскоп имеет выход синхронизации для работы других измерительных приборов и может быть засинхронизирован внешним источником. Кроме того, имеются выходы с видеоусилителя для аналоговой регистрации результатов контроля на самописце и со схемы АСД для использования в автоматических устройствах с альтернативной (больше — меньше) оценкой качества.

Придаваемые к дефектоскопу вспомогательные устройства призваны облегчить труд оператора и повысить достоверность контроля. К ним относятся магнитные держатели, обеспечивающие надежный акустический контакт с изделием, ограничители перемещения в околошовной зоне, приспособления для симметричного одновременного перемещения преобразователей для контроля по схеме «тандем» и др.

Одним из основных недостатков ультразвукового метода ручного контроля является то, что после него не остается объективных документов (дефектограмм), по которым можно было бы контролировать работу самих операторов. Это обуславливает зависимость оценки качества шва от квалификации, психофизиологического состояния и условий работы оператора.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Для возбуждения и приёма ультразвуковых колебаний используют ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП). Их классифицируют по способу создания акустического контакта с изделием; способу включения пьезоэлементов в электрическую схему дефектоскопа и расположению электрода относительно пьезоэлемента; по ориентации акустической оси относительно поверхности изделия; характеристикам направленности акустического поля; ширине полосы рабочих частот, числу пьезоэлементов, динамике сканирования в плоскости падения.

Преобразователь является сложным электроакустическим прибором, состоящим из следующих основных элементов: собственно преобразователя упругих колебаний в электромагнитные и наоборот, протектора (защитного донышка) или акустической задержки (призмы), демпфера, корпуса, токоподвода (рис. 3.18).

В качестве приемно-излучающего элемента в подавляющем большинстве случаев используют пластины из керамики (цирконата титаната свинца или титаната бария), обладающей пьезоэффектом, или, реже, пьезокварца Х- и У-среза с металлизированными поверхностями — электродами.

Толщину d пьезоэлектрической пластины выбирают из условия, чтобы её собственная частота соответствовала частоте возбужденных или принимаемых УЗ-колебаний, т. е. d=λ_П/2=c_П/2f₀, где λ_Пи c_П— соответственно длина волны и скорости звука в материале пьезопластины.

а б в

Рис. 3.17. Конструкция основных типов УЗ-преобразователей:

а) прямой, б) наклонный, в) раздельно-совмещенный; 1 – пьезоэлемент.

Для защиты пьезопластины в прямых ПЭП от повреждения к ней с рабочей стороны приклеивают (припаивают) металлическое или керамическое донышко – протектор. В раздельно-совмещенных и наклонных ПЭП пьезопластина приклеивается к акустической задержке — призме, изготовляемой обычно из оргстекла. В последнее время все шире применяют технологию изготовления призм методом отливки из эпоксидного компаунда.

Допустимая температура пьезоэлемента на 20—50° ниже температуры аллотропического превращения для кварца, точек Кюри для пьезокерамик,

температуры размягчения для ПВДФ.

Таблица 3.2. Технические характеристики пьезоматериалов

Допустимая температура пьезоэлемента на 20—50° ниже температуры аллотропического превращения для кварца, точек Кюри для пьезокерамик, температуры размягчения для ПВДФ.

Максимальное допустимое электрическое напряжение зависит от электрической прочности пьезоматериала, определяемой напряженностью максимального электрического поля

E_m=U_m/h₁ (3.10)

Для ЦТС-19 Е_m=3000 В/мм. Однако уже при 0,3Е_m наблюдается непропорционально замедленный рост амплитуды акустического сигнала с ростом напряжения.

Из пьезоматериалов наибольшее применение получила пьезокерамика цирконат-титанат свинца (ЦТС). Кварц применяют, если необходимо обеспечить высокостабильные изменения. Метаниобат свинца имеет низкую механическую добротность и его можно применять без демпфера. Кроме того, у него очень малы радиальные колебания, являющиеся источником помех. Ниобат лития имеет высокую температуру точки Кюри (1160 °С).

Поливинидденфгорид (ПВДФ) - это эластичная полимерная пленка. Ей можно придавать практически любую форму. У нее небольшое удельное волновое сопротивление, что облегчает согласование с иммерсионной жидкостью. Радиальные колебания близки к нулю, механическая добротность очень низкая. Существуют пленки на очень высокие частоты (до 100 МГц).

С нерабочей стороны пьезопластины приклеивают демпфер 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 длительности зондирующего импульса. В наклонных и раздельно-совмещенных преобразователях демпфер обычно выполняется из пробки или асбеста и служит только для звукоизоляции от других деталей преобразователя.

Призма в наклонном ПЭП создает наклонное падение продольных 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.

В раздельно-совмещенных прямых ПЭП призмы выбираются с углом 5 – 10° и служат акустическими задержками, что позволяет минимизировать мертвую зону. Для объективного контроля качества необходимо, чтобы средствами неразрушающего контроля обеспечивались единство и воспроизводимость его результатов. Поэтому основные характеристики преобразователя нормируются.

Коэффициент преобразования определяется соотношением между взаимосвязанными акустическими и электрическими величинами.

В связи с многообразием задач контроля в практике используются преобразователи, формирующие поле заданной конфигурации: веерные и широкозахватные — формирующие широкий пучок лучей, фокусирующие.

Выбор ПЭП определяется конструкцией сварного соединения, наиболее вероятным местоположением и ориентацией дефекта, наличием ложных сигналов и т. п. Поэтому промышленностью выпускаются различные типы ПЭП.

Расчет оптимальных параметров ПЭП должен производиться из условий достижения максимальной чувствительности дефектоскопа, наличия монотонной крутовозрастающей зависимости амплитуды эхо-сигнала от площади дефекта, высокой направленности, обеспечивающей возможность разрешения двух близко залегающих отражателей, и уменьшения уровня помех, минимальных 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 наилучшую реверберационно-шумовую характеристику (РШХ) и по возможности удовлетворяли следующим основным требованиям: обеспечивали эффективное затухание колебаний, 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 нашли материалы на основе акрильных смол (оргстекло, полистирол и т. п.). Однако в последнее время все более широкое распространение находит технология отливки призм из эпоксидных компаундов.

Для улучшения РШХ призму делают ребристой или придают ей сложную форму, предусматривают специальные ловушки, изготовленные из материала с большим затуханием, но имеющим тот же импеданс, что и материал призмы. Важным источником реверберационных шумов являются колебания, отраженные от рабочей поверхности. Для избежания этого 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 чувствительность в дальней зоне, однако увеличивает протяженность ближней зоны, характеризующейся неравномерной чувствительностью по глубине и сечению пучка и, следовательно, пониженной вероятностью обнаружения дефектов. Кроме того, увеличение размеров пьезоэлемента влечет за собой увеличение стрелы ПЭП и площади контактной поверхности, что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля.

В то же время пьезоэлемент малых размеров не обеспечивает необходимой мощности излучения, имеет недостаточную разрешающую способность и точность определения координат дефектов из-за широкой диаграммы направленности.

При выборе размеров пьезоэлемента наряду с изложенными соображениями необходимо учитывать, что при работе в ближней зоне снижается вероятность обнаружения дефектов и поэтому надо стремиться к тому, чтобы пьезоэлемент и дефект находились в их дальних зонах.

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 пределах 0,01-0,075 см^-1. Практически установлено, что для соединений 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.п. Для обеспечения воспроизводимых результатов контроля, выполненного разной аппаратурой, необходимо, чтобы отклонение рабочей частоты от номинального значения не превышало 10 – 15 %.