вап. Лекции по УК новые. Курс лекций по ультразвуковому контролю материалов и изделий разработал Специалист iii уровня по ук, к т. н
 Скачать 2.27 Mb.
|
|
III.3.1.2. Раздельно-совмещенные (РС) преобразователи (прямой, «тандем», «дуэт») Конструкции прямого РС преобразователя и РС преобразователя типа «тандем» приведены на рисунках III.7 и III.8, а спецификация и назначение элементов – в прила- гаемых к ним таблицах. РС преобразователь типа «дуэт» представляет собой два соединенных боковыми поверхностями наклонных преобразователя с разделительным экраном между ними; пьезопластины имеют общий наклон сообразно углу ввода и некоторый взаимно встречный разворот (сложно поддается иллюстрации). Достоинством РС ПЭП является работа в раздельной схеме включения, которая избавляет от мертвой зоны, обусловленной визуализацией зондирующего импульса в совмещенном режиме. 76 Прямые РС ПЭП широко применяются для поиска и оценки площади расслое- ний, при контроле плоскопараллельных объектов зеркально-теневым методом, а также (и только они) в импульсной ультразвуковой толщинометрии. РС ПЭП типа «тандем» применяются для контроля крупных плоскопараллель- ных или стержневых объектов волнами Лэмба, Рэлея, головными волнами. РС ПЭП типа «дуэт» применяются в тех же целях, что и «тандем», а также для контроля волнами Лэмба и Рэлея кольцеобразных объектов (например, бандажи и обо- дья железнодорожных колес). Некоторые замечания: 1. В прямых РС ПЭП излучающая пластина располагается несколько ниже (на величину не менее длины волны в материале призм), чем принимающая, в целях до- полнительной гарантии исключения прямого (в пределах преобразователя) перехода энергии от излучателя к приемнику. 2. Небольшой взаимно встречный наклон пластин в прямых РС ПЭП обеспечи- вает оптимальную осевую концентрацию акустического поля, а также способствует возникновению слабых головных волн под рабочей поверхностью ПЭП, которые ис- пользуются для индикации акустического контакта и автокалибровки толщиномеров, снабженных специальным блоком (УТ-56, УТ-80). Рис. III.7. Прямой раздельно-совмещенный преобразователь Поз. Наименование Материал Назначение 1 2 3 4 1а Излучающая пьезопластина ЦТС-19 Обратный пьезоэффект 1б Принимающая пьезопластина Прямой пьезоэффект 2а Призма излу- чающего кана- ла Оргстекло Обеспечение слабого (5-7 ) взаимно встречного наклона пластин, поглощение ближней зоны Френеля, механическая защита рабочей поверх- ности пьезопластины 2б Призма излу- чающего кана- ла 77 1 2 3 4 3 Демпферы Эпоксидный ком- паунд с добавлени- ем цемента, эбони- товой крошки, дре- весных опилок Сокращение длительности зондирующего им- пульса, расширение частотной полосы пропуска- ния 4 Коаксиальные кабели Типовые Помехозащищенная связь пьезопластины с разъ- емом 5 Коаксиальные разъемы Типовые Помехозащищенное подключение соединитель- ного кабеля 6 Разделитель- ный экран Медная фольга + фибра Разделение каналов по акустической и электро- магнитной энергии 7 Корпус Алюминий Общая механическая защита и экранирование Рис. III.8. Раздельно-совмещенный преобразователь типа «тандем». Поз. Наименование Материал Назначение 1 2 3 4 1а Излучающая пьезопластина ЦТС-19 Обратный пьезоэффект 1б Принимающая пьезопластина Прямой пьезоэффект 2а Призма излу- чающего кана- ла Оргстекло Обеспечение наклонного ввода сигнала с транс- формацией типов волн, поглощение ближней зоны Френеля, механическая защита рабочей по- верхности пьезопластины 2б Призма излу- чающего кана- ла 3 Демпфер Эпоксидный ком- паунд с добавлени- ем цемента, эбони- товой крошки, дре- весных опилок Сокращение длительности зондирующего им- пульса, расширение частотной полосы пропуска- ния 4 Коаксиальные кабели Типовые Помехозащищенная связь пьезопластины с разъ- емом 78 1 2 3 4 5 Коаксиальные разъемы Типовые Помехозащищенное подключение соединитель- ного кабеля 6 Разделитель- ный экран Медная фольга + фибра Разделение каналов по акустической и электро- магнитной энергии 7 Корпус Алюминий Общая механическая защита и экранирование III.3.1.3. Специальные преобразователи III.3.1.3.1. Преобразователи с переменным углом призмы Конструкции преобразователей с переменным углом призмы приведены на ри- сунке III.9, а спецификация и назначение элементов – в прилагаемой к нему таблице. Изменение угла призмы (ввода) осуществляется: в первом случае – поворотом вставки 3а, во втором случае – перемещением кондуктора 3б по цилиндрической поверхности призмы. с плавающей с фиксированной точкой выхода точкой выхода Рис. III.9. Преобразователи с переменным углом призмы. Поз. Наименование Материал Назначение 1 Пьезопластина ЦТС-19 Прямой и обратный пьезоэффект 2 Призма Оргстекло Обеспечение прямого или наклонного ввода сиг- нала с трансформацией типов волн или без нее, поглощение ближней зоны Френеля 3а Вставка Обеспечение акустического контакта между пье- зопластиной и призмой, смены угла призмы 3б Кондуктор 4 Демпфер Эпоксидный ком- паунд с добавлени- ем цемента, эбони- товой крошки, дре- весных опилок Сокращение длительности зондирующего им- пульса, расширение частотной полосы пропуска- ния 5 Коаксиальный кабель Типовой Помехозащищенная связь пьезопластины с разъ- емом 6 Коаксиальный разъем Типовой Помехозащищенное подключение соединитель- ного кабеля 7 Корпус Алюминий Общая механическая защита и экранирование 79 III.3.1.3.2. Ленточные, матричные и мозаичные преобразователи. Устройство таких преобразователей показано на рисунке III.10. Между собой они отличаются только взаиморасположением пьезопластин на поверхности ОК, жест- ко приклеенных к ней. Ленточные, матричные и мозаичные преобразователи применяют на объектах, недоступных для оператора, совместно с многоканальной аппаратурой, снабженной электронным коммутатором, используя способ сканирования бегающим лучом. Каждой пьезопластине соответствует отдельный канал. Интервал последовательных переклю- чений от канала к каналу кратен интервалу посылок импульсов. Рис. III.10. Ленточные, матричные и мозаичные преобразователи. III.3.1.3.3. Фазированные решетки Фазированные решетки применяют в тех же условиях, что и ленточные, матрич- ные, мозаичные преобразователи, с целью осуществления управляемого наклона уль- тразвукового пучка. Устройство и принцип действия фазированных решеток показаны на рисунке III.11. 80 Говоря обобщенно, фазированная решетка – это единая пьезопластина, нарезан- ная узкими частыми полосами (шириной, приблизительно равной длине продольной волны в ОК). Каждой полосе соответствует отдельный канал многоканальной аппара- туры, снабженной регулировкой межканального сдвига фаз. Принцип действия основан на синфазной интерференции волн. На нижнем рисунке он показан для двух соседних полос решетки. Если сдвиг фаз межу фронтами обеих полос – нулевой, то одинаковые фронты 1а и 1б, как и последующие, сферически расходясь, будут синфазно пересе- каться посередине между полосами в точке, скользящей строго вниз. В этой точке сиг- нал всегда вдвое сильнее, чем в прочих точках однофазных фронтов. Поэтому ее траек- тория – и есть совокупная акустическая ось для двух показанных полос. Если же, как показано на рисунке, сдвиг фаз не равен нулю, то точки пересечения одинаковых фрон- тов движутся наклонно (см. пары фронтов 1а-1б и 2а-2б: стрелка направления пучка соединяет точки их пересечения). Чем больше сдвиг фаз, тем больше угол наклона пуч- ка. Увеличение числа полос расширяет пучок. Рис. III.11. Фазированная решетка. III.3.2. Понятие об электромагнито-акустическом преобразовании и преобразователях III.3.2.1. Общий принцип преобразования энергии Электромагнито-акустическое (ЭМА) преобразование характеризуется бескон- тактным вводом энергии в ОК и возможностью возбуждения любых типов волн, в том 81 числе недоступных для пьезоэлектрического способа подповерхностных горизонтально поляризованных поперечных волн (в. Лява) и крутильных волн в стержнях. Однако применение ЭМА-преобразования возможно только на ферромагнитных материалах. Магнитострикция – это возникновение акустических колебаний в ферромагнит- ном материале под действием локального переменного магнитного поля. Магнитоупругость – это возникновение переменного магнитного поля в сердеч- нике катушки, расположенной вблизи колеблющейся поверхности ферромагнитного материала. Понятия «коэффициент двойного электромеханического преобразования» и «точка Кюри» остаются в силе, с той разницей, что точка Кюри в этом случае – темпе- ратурный предел сохранения магнитных свойств материала. Принцип действия ЭМА-преобразователя (ЭМАП) состоит в следующем (см. рис. III.12). Постоянный магнит 1 создает у поверхности ОК диполь, в котором поверхность ОК играет роль одного из полюсов (в данном случае – N). Между полюсом S магнита и поверхностью ОК расположена катушка с плоским сердечником 2 и плоской укладкой витков 3. На обмотку катушки импульсами подается переменный электрический ток. Частота смены его направления соответствует требуемой частоте ультразвука. В ре- зультате в катушке создается собственное переменное электромагнитное поле, и ниж- няя грань ее сердечника попеременно меняет свою полярность. В результате катушка и поверхность ОК взаимно то притягиваются, то отталкиваются. Масса постоянного маг- нита, к которому катушка прикреплена жестко, и сила его общего притяжения к ОК способствуют тому, что колеблется преимущественно поверхность ОК. В этом и прояв- ляется магнитострикция, создающая под катушкой вертикально направленный поток продольных ультразвуковых волн. Прием отраженного сигнала в промежутке между возбуждающими импульсами происходит следующим образом. В момент прихода эха на поверхность ОК под катуш- кой эта поверхность то приближается к сердечнику, то удаляется от него. Магнито- упругость сердечника вызывает переменное электрическое поле в обмотке – слабую ЭДС, которая и является электрической формой эхо-сигнала. Рис. III.12. Электромагнито-акустическое преобразование (вариант возбуждения вертикального потока продольных волн). 82 III.3.2.2. ЭМАП для возбуждения вертикального потока поперечных волн В этом случае катушка 2 расположена между полюсами магнита 1 (см. рис. III.13). На обмотку катушки так же импульсно подается переменный электрический ток требуемой частоты ультразвука. Электромагнитное поле катушки под поверхностью ОК имеет преимущественно горизонтальную ориентацию, но переменное направление, которое то совпадает с направлением поля постоянного магнита, то противоречит ему. В результате металл под катушкой приобретает упругие деформации сдвига параллель- но поверхности, которые передаются. вглубь ОК. Прием отраженного сигнала проис- ходит аналогично предыдущему варианту. Рис. III.13. ЭМАП для возбуждения вертикального потока поперечных волн. III.3.2.3. ЭМАП для возбуждения наклонного потока волн (фазированные ЭМАП) Схемы действия таких ЭМАП показаны на рисунке III.14: а – для продольных волн; б – для поперечных волн. Принцип обеспечения наклона потока волн аналогичен принципу действия фазированной решетки: импульсы переменного тока подаются по- следовательно на катушки со сдвигом фаз. а) б) Рис. III.14. ЭМАП для возбуждения наклонного потока волн: а – продольных; б – поперечных. III.4. Стандартные образцы для ультразвукового контроля. Конструкции, назначение и методики применения III.4.1. Стандартный образец СО-1 Стандартный образец СО-1 (см. общий вид на рис. III.15) выполнен из оргстекла и предназначен для следующих целей: - проверка угла призмы наклонных ПЭП (по отверстию поз. 2); - настройка глубиномера при работе прямым ПЭП (по прорези поз. 3); 83 - настройка условной чувствительности дефектоскопов с калиброванным и нека- либрованным аттенюатором (по отверстиям поз. 1); - оценка лучевой разрешающей способности импульса при работе прямым и наклонным ПЭП (по элементам поз. 4). Рис. III.15. Стандартный образец СО-1. Возможность настройки чувствительности по пластмассовому образцу СО-1 для контроля стальных объектов обеспечивается значительным превышением коэффициен- та затухания ультразвука в оргстекле над аналогичным показателем по стали. За счет этого превышения требуемая чувствительность интерпретируется как способность "пробить" ультразвуком определенное расстояние в оргстекле и поэтому указывается в миллиметрах глубины расположения достигаемого отверстия в СО-1 (см. поз. 1). Так как скорость распространения продольных УЗ волн в оргстекле (2,73 км/с) значительно меньше, чем в углеродистой стали (5,9 км/с), то элемент для настройки глубиномера при прямом ПЭП в СО-1 (поз.3: пространство между площадкой на ниж- ней рабочей поверхности и прорезью, высота 27,3 мм) значительно более компактен, чем аналогичный в стандартном образце №2 из стали (собственно высота СО-2, состав- ляющая 59 мм). На каждый из СО-1 должен быть построен аттестат-график по приложению 2 ГОСТ 14782-86. III.4.1.1. Проверка угла призмы по СО-1 (материал призмы – оргстекло) 1. Установить ПЭП на нижнюю рабочую поверхность СО-1 по рисунку III.16 в положение направления луча на контрольное отверстие; отыскать позицию максимума. Рис. III.16. Проверка угла призмы по СО-1. 2. По положению точки выхода ПЭП относительно шкалы определить угол призмы. 84 III.4.1.2. Калибровка задержки нуля при настройке глубиномера (контроль прямым ПЭП) 1. Установить ПЭП на нижнюю рабочую поверхность СО-1 по рисунку III.17. 2. Органом калибровки задержки нуля глубиномера в режиме табло «микросе- кунды» вывести показание, соответствующее нанесенному на боковой поверхности СО- 1 числу. Рис. III.17. Калибровка задержки нуля глубиномера по СО-1. III.4.1.3. Калибровка условной чувствительности по СО-1. Условная чувствительность должна быть задана в миллиметрах глубины залега- ния контрольного отражателя в СО-1. Порядок настройки: 1. Установить ПЭП на верхнюю рабочую поверхность СО-1 по рисунку III.18 в положение направления луча на отверстие заданного номера. Рис. III.18. Настройка чувствительности по СО-1. 2. Органами регулировки чувствительности вывести вершину эхоимпульса на среднюю горизонталь экрана. Эта горизонталь становится браковочным уровнем. III.4.1.4. Оценка лучевой разрешающей способности по СО-1. Установить ПЭП на верхнюю рабочую поверхность СО-1 в одно из положений рис. III.19. При удовлетворительной лучевой разрешающей способности три эхоим- пульса должны изображаться раздельно, не сливаясь друг с другом. Рис. III.19. Оценка лучевой разрешающей способности по СО-1. 85 III.4.1.5. Назначение, построение аттестат-графика СО-1 и его применение Оргстекло обладает существенной неоднородностью по акустическим свой- ствам. Поэтому настройка чувствительности по одной единице СО-1 может не соответ- ствовать настройке по другой. Для установления единства настройки в ГОСТ 14782 предусмотрен аттестат-график, который должен быть выстроен для каждой единицы СО-1 и ежегодно проверяться. Основа для аттестат-графика показана на рисунке III.20. Рис. III.20. Аттестат-график. Построение аттестат-графика производят для каждого СО-1 в следующем по- рядке. 1. Производят градуировку левой ординаты в децибелах, для чего поочередно настраивают условную чувствительность 5, 10, 15, …, 60 мм по базовому СО-1 и оце- нивают ее в децибелах по СО-2. 2. Поочередно настраивают условную чувствительность 5 и 60 мм по аттестуе- мому СО-1 и оценивают ее в децибелах по СО-2. 3. По точкам пересечения вертикалей «5» и «60» с соответствующими горизон- талями в децибелах определяют концы рабочей линии, которые соединяют прямой 2. Пользование аттестат-графиком: 1. Находят заданную условную чувствительность (мм) на правой ординате и проводят через нее горизонталь до пересечения с рабочей линией 2. 2. Проекция точки пересечения на абсциссу есть то значение, на которое следует настроить чувствительность по данному СО-1, чтобы получить заданную. На графике указывают заводской номер аттестуемого СО-1 и условия аттестации (частота, угол ввода, температура объекта, дата). 86 III.4.2. Стандартный образец СО-2. Стандартный образец СО-2 (см. общий вид на рис. III.21) выполнен из стали 3 или стали 20 и предназначен для следующих целей: - проверка угла ввода наклонных ПЭП и оценка вертикального углового расхож- дения пучка (по отверстию поз. 1 и шкале поз. 2, 3); - настройка глубиномера при работе прямым ПЭП (по высоте образца); - настройка глубиномера при работе наклонным ПЭП (по отверстию поз. 1); - настройка условной чувствительности дефектоскопов с калиброванным атте- нюатором (по отверстию поз. 1); - оценка мертвой зоны при работе прямым и наклонным ПЭП (по отверстиям поз. 4, 5). Рис. III.21. Стандартный образец СО-2. III.4.2.1. Проверка угла ввода по СО-2. Устанавливают ПЭП на верхнюю или нижнюю рабочую поверхность СО-2 (в зависимости от номинального значения угла ввода) в положение направления луча на контрольное отверстие 6 мм (поз. 1) и в позиции максимума эха по положению точки выхода ПЭП относительно шкалы 2 или 3 определяют угол ввода в материал образца. III.4.2.2. Оценка вертикального углового расхождения пучка (после настройки чувствительности) 1. Установить ПЭП на верхнюю или нижнюю рабочую поверхность СО-2 (в за- висимости от номинального значения угла ввода) в положение направления луча на контрольное отверстие 6 мм (поз. 1). 2. Приблизить ПЭП к отверстию так, чтобы амплитуда эха снизилась на 6 дБ от- носительно максимума, и по точке выхода считать первое значение угла 1 3. Отодвинуть ПЭП от отверстия за позицию максимума так, чтобы амплитуда эха снизилась на 6 дБ относительно максимума, и по точке выхода считать второе зна- чение угла 2 4. Вычислить вертикальное угловое расхождение пучка как разность 2 - 1 |