Наклонный пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП)
ПЭП, состоящий из приемопередатчика упругих колебаний (пьезопластина) и призмы (линия задержки в виде клина), обеспечивающей ввод в контролируемое изделие ультразвукового (УЗ) луча под некоторым углом, является чрезвычайно важным для области УЗ неразрушающего контроля, обычно широко используемого в контроле сварных швов, а также для обнаружения трещин, ориентированных перпендикулярно к поверхности в металлических пластинах, трубах, заготовках, и поковках, а так же в механически обработанных деталях и в элементах конструкций. Эта статья является кратким обзором теории применения наклонных ПЭП в совокупности с некоторыми примечаниями и рекомендациями с целью помощи пользователям.
Применение наклонных ПЭП
Трещины и другие нарушения сплошности, перпендикулярные или несколько наклоненные к поверхности контролируемого образца обычно не выявляются при прямом вводе (угол ввода равен 0°) УЗ луча из-за их ориентации относительно последнего. Перпендикулярные трещины не способны отражать в направлении преобразователя достаточное количество звуковой энергии при прямом вводе УЗ луча, потому что луч падает на тонкий край, раскрытие которого намного меньше длины упругой волны. То же самое может быть сказано и о наклонных трещинах.
Эта ситуация может иметь место во многих типах сварных соединений, в металлических частях конструкций и в других ответственных составляющих промышленного производства. Наклонный ПЭП направляет пучок звуковой энергии (УЗ луч) в исследуемый образец под определенным, заранее выбранным углом. Перпендикулярная трещина в этом случае отразит звуковую энергию по направлению, которое определяется так называемым эффектом «угловой ловушки» (в отечественной терминологии – зеркальное отражение от прямого угла), что показано на иллюстрации ниже.
Звуковой луч, введенный в исследуемый объект под углом очень чувствителен к трещинам, перпендикулярным по отношению к задней грани объекта (первая зона контроля, в которой прозвучивание производится лучом, непосредственно вышедшим из ПЭП), а после отражения от задней грани – к трешинам, перпендикулярным по отношению к поверхности контакта (передняя грань) (вторая зона контроля, в которой прозвучивание производится лучом, однократно отраженным от задней грани). Чтобы обеспечить контроль изделий различной геометрической формы и выявление дефектов разных типов, используется большое множество углов вода УЗ колебаний и положений ПЭП по отношению к объекту контроля. Посредством ступенчатого изменения угла ввода можно подобрать наклонный ПЭП, который обеспечивает точный возврат на него отраженного сигнала.
beam index point – точка ввода УЗ луча
skip distance – «непрослушиваемая» зона
LEG 1 — первая зона контроля
LEG 2 — вторая зона контроля
V PATH – V-образная траектория
Принцип работы наклонных ПЭП — закон Снеллиуса, закон преломления
Звуковая энергия в области ультразвуковых частот обладает свойством высокой направленности и поэтому углы ввода, используемые для выявления дефектов могут быть четко определены (работают законы геометрической или лучевой акустики). А именно, при отражении звука от границы раздела сред угол отражения равен углу падения. Звуковой луч, падающий на поверхность перпендикулярно будет отражен строго по направлению падения. Луч, падающий на поверхность под углом, будет отражен под тем же углом.
Звуковая энергия, распространяющаяся из одного материала в другой меняет свое направление в соответствии с законом преломления Снеллиуса. Преломление представляет собой процесс изменения направления распространения звукового луча (или любой другой волны) при пересечении границы раздела двух сред, обладающих разными скоростями упругих волн. Луч, падающий на границу раздела в прямом направлении (угол падения равен 0°) не изменяет своего направления распространения, а луч, пересекающий границу под некоторым углом, изменит направление распространения в соответствии с формулой:
Sin θ1 / Sin θ2 = V1 / V2
θ1 – угол падения в первом материале
θ2 – угол преломления во втором материале
V1 – скорость распространения звука в первом материале
V2 — скорость распространения звука во втором материале
Стандартные наклонные ПЭП в работе используют преобразование мод упругих волн и закон преломления Снелла для возбуждения в контролируемом объекте сдвиговой волны, распространяющейся под заданным углом (обычно 30°,45°, 60° или 70°). При увеличении угла падения продольной волны на границу раздела происходит увеличение части звуковой энергии, преобразующейся в сдвиговую (поперечную) волну во втором материале и, если угол падения будет достаточно велик (угол падения превышает первый критический угол), то вся энергия падающей продольной волны будет преобразована в сдвиговую волну.
Наклонные ПЭП, использующие явление преобразования мод упругих волн (превращение продольной волны в поперечную и обратно) позволяют пользователю получить двойной положительный эффект. Во-первых, передача энергии более эффективна при углах падения, обеспечивающих возбуждение сдвиговых волн в стали или подобных материалах. Во вторых, разрешающая способность (минимальный размер выявляемых дефектов) ПЭП повышается при использовании сдвиговых волн фиксированной частоты, длина которых составляет приблизительно 60% длины волны продольных колебаний и разрешающая способность увеличивается (минимальный размер выявляемых дефектов уменьшается) как только длина волны становится меньше.
Стандартные призмы изготавливаются механическим способом из единого куска пластика. Призмы Olympus (Panametrics-NDT) Accupath изготавливаютя из материала со сложной структурой, в котором частицы чистого пластика, обеспечивающего необходимую звукопроводность, окружены конструкционным материалом, который, в свою очередь, придает призме демпфирующие свойства и долговечность. Все это в совокупности улучшает отношение сигнал-шум и повышает износостойкость, по сравнению с призмами из монолитного куска пластика.
sound absorbent material – звукопоглощающий материал
axis – ось наклонного ПЭП, проходящая через точку выхода центрального УЗ луча из призмы
XDCR – собственно преобразователь
wedge – призма
soundpath – звуковой пучок (область распространения и направление УЗ колебаний)
longitudinal wave – падающая продольная волна
θi – угол падения
θrS – угол преломления сдвиговой (поперечной) волны
θrL — угол преломления продольной волны
refracted shear – преломленная сдвиговая волна
refracted longitudinal – преломленная продольная волна
Стандартный наклонный ПЭП
Все стандартные призмы обеспечивают ввод в контролируемое изделие сдвиговой (поперечной) упругой волны. Для некоторых специализированных случаев, призмы могут также разрабатываться для возбуждения продольных или поверхностных волн. Призмы продольных волн иногда используются для контроля крупнозернистых материалов чтобы минимизировать рассеяние звука, но при этом увеличение длины продольной волны вместе с уменьшением рассеяния звука приводит к уменьшению чувствительности к мелким нарушениям сплошности материала. Призмы поверхностной волны используются, как следует из названия, для обнаружения поверхностных дефектов.
Выбор наклонных ПЭП
Во многих случаях, контролер (дефектоскопист) направит свой выбор на специализированный тип наклонного ПЭП. Этот выбор обусловлен спецификой задачи, которую необходимо решить в процессе контроля (при этом составляется карта контроля или перечень контрольных процедур). Параметры, определяющие выбор исполнения наклонного ПЭП, включают в себя не только угол ввода, задаваемый призмой, но и рабочую частоту ПЭП и размер пъезоэлемента. Оптимальный угол ввода обусловлен, в основном, геометрией контролируемого объекта и ориентацией дефектов, которые должны быть выявлены.
Рабочая частота ПЭП определяет глубину прозвучивания и разрешающую способность к выявляемым дефектам. При увеличении частоты глубина прозвучивания уменьшается, но разрешающая способность к мелким дефектам возрастает. При понижении частоты глубина прозвучивания увеличивается, но при этом минимально выявляемый размер дефектов также растет. Аналогично, увеличение размеров пъезопластины может уменьшить время контроля за счет увеличения сканируемой зоны, но при этом амплитуда отраженного сигнала от мелких несплошностей будет уменьшаться. Уменьшение размеров пъезопластины приведет к увеличению амплитуды отраженного от мелкого дефекта сигнала, но увеличит время контроля за счет уменьшения зоны прозвучивания. Эти противоречивые факторы должны быть сбалансированы в каждом конкретном случае применения наклонных ПЭП.
Некоторые рекомендуемые углы ввода могут быть найдены в соотвнтствующих нормативных документах на контроль (ВСН-012, ОП 501 и т.д.). Перед началом контроля обычно необходимо провести проверку основных параметров наклонных ПЭП, таких как чувствительность, установка нуля, угол преломления, используя при этом стандартный образец СО-3 или другой подобный.
В случае отсутствия стандартной или нормированной методики контроля выбор наклонного ПЭП может быть проведен на основе практического исследования образца с заранее известными параметрами дефекта или образца с искусственно изготовленными дефектами. Соответствующие стандартные образцы позволят контролеру выбрать комбинацию пъезопластины и призмы (наклонный ПЭП), которая обеспечит наилучшие результаты при контроле.
Иногда для удобства используются интегральные ПЭП (пъезопластина и призма выполнены как одно целое). Использование ПЭП с пристегивающейся призмой или ПЭП с резьбовым присоединением призмы – это вопрос предпочтения дефектоскописта, не влияющий на функциональные характеристики ПЭП.
Контроль материалов отличных от стали
Если нет специальных требований, стандартные призмы от Olympus (Panametrics-NDT) и всех других поставщиков разрабатываются для возбуждения сдвиговых волн под определенным углом в стали со скоростью распространения порядка 3250 м\с. Поскольку угол преломления зависит от скорости звука в среде, то призмы, разработанные и рассчитанные для возбуждения упругих волн в стали, будут способствовать возбуждению волн с другими углами преломления для любых других материалов. Призмы, разработанные для использования по алюминию имеются в распоряжении как стандартный продукт. Для других материалов специальные призмы должны быть оговорены в технических требованиях заказчика.
Последовательно применяя простую формулу, основанную на законе Снелла, можно рассчитать угол преломления упругих волн, возбуждаемых стандартной призмой:
Sin θ1 / Sin θ2 = V1 / V2
θ1 – номинальный угол призмы
θ2 – угол преломления в контролируемом материале
V1 – номинальная скорость распространения сдвиговых волн в стали (3250 м/с)
V2 — скорость распространения сдвиговых волн в контролируемом материале
В случае неметаллических материалов, в которых скорость звука очень сильно отличается от скорости звука в стали, таких как пластмасса (пластик) или керамика, преломленная волна может существовать в виде, отличном от сдвиговой волны. В пластмассах, имеющих маленькую скорость распространения звука, преломленная волна является продольной, и скорость продольной волны V2 должна быть использована в вычислении преломленного угла. В керамике, имеющей высокую скорость распространения звука, звуковая энергия может быть преобразована в поверхностную волну.
Профильные призмы
Профильные или изогнутые по радиусу (повторяющие форму контролируемого объекта) призмы рекомендуются для использования при контроля труб маленького диаметра и других объектов с изогнутой поверхностью, чтобы обеспечить надежный акустический контакт. Увеличение кривизны пропорционально уменьшает поверхность призмы, находящейся в контакте с контролируемым объектом, что, с одной стороны, уменьшает величину энергии акустической связи, а, с другой стороны, увеличивает отраженные шумы в контактном слое.
Профильные призмы могут быть представлены в четырех видах:
Axial Outside Diameter – профилирование по оси наружного диаметра
Circumferential Inside Diameter — профилирование по окружности внутреннего диаметра
Circumferential Outside Diameter — профилирование по окружности наружного диаметра
Axial Inside Diameter — профилирование по оси внутреннего диаметра
Руководство по ультразвуковому контролю сварных соединений рекомендует использование профильных призм всякий раз, когда зазор между призмой и поверхностью контролируемого объекта превышает 0,5 мм (приблизительно 0,020 дюйма). Согласно этому документу, профильные линзы могут быть использованы, когда радиус контролируемого объекта меньше геометрических величин, характеризующих площадь призмы (длина или ширина), деленных на четыре:
R <, W²/4
R = радиус поверхности контролируемого объекта
W = ширина призмы при контроле вдоль образующей (по оси), длина призмы при контроле перпендикулярно образующей (по окружности) цилиндрических изделий.
Переход на использование призм малого размера, если это допустимо требованиями на контроль, безусловно, улучшит акустический контакт на искривленных поверхностях.
Практика подсказывает, что использование профильных призм обосновано всякий раз, когда мощность полезного УЗ сигнала уменьшается или увеличиваются шумы в контактном слое, что приводит к снижению надежности контроля.
Для любого типа и размера призмы в каждом из четырех исполнений существует минимально возможный (допустимый) радиус кривизны, для которого допустимо удаление материала призмы (притирка призмы под контролируемый профиль) без ухудшения ее технических характеристик.
Фокусирующие раздельно-совмещенные наклонные ПЭП
Абсолютное большинство наклонных ПЭП имеют один пьезоэлемент, это нефокусирующие ПЭП.
Однако, в некоторых видах контроля материалов с высоким затуханием и рассеиванием, таких, как крупнозернистое стальное литье, использование фокусирующих раздельно-совмещенных ПЭП весьма эффективно.
Поскольку они имеют разделенные приемный и передающий пьезоэлементы, то такие ПЭП могут возбуждаться импульсами повышенной энергии без проблем, связанных с шумами ударного возбуждения или шумами собственно самой призмы.
Фокусирование позволяет повысить концентрацию акустической энергии на заданной глубине контролируемого объекта, увеличивая при этом чувствительность к дефектам в этой области объекта.
Высокотемпературные призмы
Стандартные наклонные ПЭП разработаны для использования только при нормальной температуре окружающей среды. В ситуациях, когда металл должен быть проверен при повышенной температуре, будут весьма полезны ПЭП со специальными высокотемпературными призмами.
Некоторые типы призм допускают кратковременный контакт с поверхностями, имеющими температуру в диапазоне от 480°С до 900°С. Однако важно отметить, что высокотемпературные призмы требуют специального внимания по отношению к направлению распространения генерируемого звука.
В высокотемпературных призмах скорость звука с повышением нагревания уменьшается, что приводит к увеличению угла преломления в контролируемом металле.
При необходимости угол преломления может быть проверен при данной температуре. На практике определение действительного угла преломления при изменениях температуры представляется довольно трудным.
Для получения дополнительной информации по контролю с применением наклонных ПЭП или по другим вопросам ультразвукового контроля обращайтесь в Диагност.
