УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ULTRASONIC SURFACE WAVE CONVERTER AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF

Группа изобретений относится к области неразрушающего контроля и может быть использована для ультразвуковой дефектоскопии металлов и неметаллов в машиностроении, авиакосмической отрасли, судостроения и др.
кр
кр
Известен ультразвуковой преобразователь поверхностных волн, содержащий корпус, соединительные провода, призму из оргстекла, с наклеенной на ней пьезопластиной [Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. «Методы акустического контроля металлов». М., Машиностроение, 1989 г., стр.145]. Поверхностная волна такого преобразователя формируется за счет трансформации упругих (продольных) волн, распространяющихся в призме из оргстекла на границе раздела сред оргстекло/металл. Условие трансформации продольной волны в поверхностную: β>β2, где β - угол призмы, β2 - 2-й критический угол.
К недостаткам такого преобразователя следует отнести значительные габаритные размеры, невозможность адаптации для контроля изделий с ограниченным доступом и сложной конфигурации, неточности и трудности при определении координат и местоположения дефектов, невозможен также контроль неметаллов, что снижает область его использования.
R
R
Наиболее близким к заявленной группе изобретений является преобразователь с согласующим элементом из металла, гребенчатой структуры со стороны рабочей поверхности преобразователя [Викторов И.А. «Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике». М., изд-во «Наука», 1965 г., стр.14]. Пластина кварца X-среза располагается сверху согласующего элемента, выполненного из металла и параллельно контролируемой поверхности. Шаг, или период гребенчатой структуры согласующего элемента, выбран равным λ/2, где λ - пространственный период совокупности нормальных возмущений на поверхности твердого тела.
Недостатками такого преобразователя являются:
- низкая интенсивность поверхностных волн за счет потерь при возникновении встречных, гасящих, разнонаправленных поверхностных волн под поверхностью гребенки;
- наличие в контролируемой среде, одновременно с поверхностной волной, интенсивной продольной волны, являющейся «паразитной», затрудняющей обнаружение дефектов и определение их координат, особенно при контроле тонкостенных изделий на фоне многократных переотражений продольной волны в контролируемом изделии;
- большая длительность эхо-сигнала, ухудшающая условие разрешающей способности преобразователя;
- отсутствие возможности адаптации такого преобразователя для контроля деталей сложного профиля и ограниченного доступа;
- значительная трудоемкость и неточности при определения координат дефектов на поверхности изделий, такая же как и у призматических преобразователей.
Техническим результатом группы изобретений является создание преобразователя поверхностных волн, обеспечивающего контроль изделий из металлов и неметаллов, обладающего повышенной производительностью и точностью определения координат и местоположения дефектов, а также высокой разрешающей способностью, имеющего высокую чувствительность контроля, возможность адаптации при контроле изделий сложного профиля и ограниченного доступа, обеспечивающего выявление разноориентированных дефектов.
s
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в ультразвуковом преобразователе поверхностных волн, содержащем пьезоэлементы, имеющие возможность соединения с ультразвуковым дефектоскопом, акустический изолятор, корпус, новым является то, что пьезоэлементы преобразователя поляризованные по толщине, установлены гранью перпендикулярно рабочей поверхности, расположены на расстоянии друг от друга, большем пространственной длительности зондирующего импульса (L>τ·c), акустически изолированы друг от друга и электрически соединены совместно или раздельно с тактовым или синхронным включением. В способе изготовления ультразвукового преобразователя поверхностных волн новым является то, что пьезоэлементы преобразователя установлены парами, перпендикулярно рабочей поверхности, взаимноперпендикулярно относительно друг друга, электрически соединены парами по раздельной схеме, с тактовым или синхронным включением, акустически изолированы, а излучение упругих волн в контролируемую среду осуществляют непосредственно или через согласующий слой (протектор).
Ниже, со ссылками на графические материалы, приводятся конструкции и описание некоторых, возможных типов преобразователей, охарактеризованных в формуле изобретения.
Ультразвуковой преобразователь поверхностных волн (фиг.1-5) содержит: соединительные провода 1, демпфер или акустический изолятор 2 и 3, корпус 4, пьезоэлементы 5. Преобразователь также может содержать протектор 6. Пьезоэлементы преобразователя, поляризованные по толщине, имеют возможность соединения посредством проводов 1 с дефектоскопом (позицией не обозначен). Пьезоэлементы 5 устанавливают при их монтаже на грань, перпендикулярно рабочей поверхности преобразователя A. Пьезоэлементы 5 могут иметь форму пластин (фиг.1-3), установленных в корпусе параллельно друг другу (фиг.1) или под углом друг к другу (фиг.2). Пьезоэлементы 5 могут иметь округлую, например радиусную, форму и расположены перпендикулярно друг другу (фиг.4), или цилиндрическую форму (фиг.5) и расположены коаксиально относительно друг друга.
Преобразователь может содержать (фиг.3) четыре пьезопластины, образующие две пары, в каждой из которых пластины расположены параллельно друг другу, а пластины разных пар расположены перпендикулярно друг другу. Такое расположение пьезопластин образует замкнутый прямоугольник, сторонами которого являются сами пьезопластины, а область внутри пластин является зоной контроля.
s
Во всех случаях пьезоэлементы располагают в корпусе на расстоянии относительно друг друга, большем пространственной длительности зондирующего импульса - L>τ·c.
Сборку (изготовление) преобразователя осуществляют следующим образом.
Пьезоэлементы 5, поляризованные по толщине, с подпаянными контактными проводами, устанавливают на грань пьезоэлемента, перпендикулярно рабочей поверхности преобразователя А и жестко (например, с помощью клея или смолы) соединяют с акустическим изолятором 2 и 3. Пьезоэлементы 5 могут быть установлены на изоляторе параллельно друг другу, под углом друг к другу, перпендикулярно друг другу, коаксиально друг другу или парами, взаимно перпендикулярно друг другу, то есть, как это показано на фиг.1-5.
s
s
В качестве акустического изолятора могут быть использованы пористые или холодного прессования полимеры, например пенополистирол, непрозрачные для ультразвуковых колебаний, также возможно использование эпоксидной смолы с поглощающими порошковыми наполнителями и т.д. При этом толщина изолятора должна быть такой, чтобы обеспечивалось, во-первых, разрешение двух эхо-импульсов (зондирующего и прошедшей поверхностной волны), а во-вторых, поглощение прямой продольной волны через изолятор. Для выполнения первого условия необходимо знать длительность τ зондирующего импульса и скорость распространения поверхностной волны в контролируемом материале c. Таким образом, условие разрешения двух эхо-импульсов: L>τ·c, где L - толщина используемого акустического изолятора. Обычно эти параметры всегда известны, или их можно непосредственно измерить с помощью измерительной аппаратуры. Для выполнения второго условия достаточно подобрать материал с большим затуханием ультразвуковых колебаний; этому условию соответствует пенопласт и прессованный полистирол.
Далее изолятор, с жестко закрепленными на нем пьезоэлементами 5 и проводниками вставляют в корпус 4, так чтобы пьезоэлементы были на некотором расстоянии от стенок корпуса, При этом пьезоэлементы с изолятором должны непосредственно контактировать с поверхностью через тонкий слой клея (например, эпоксидной смолы). После того как клей застынет, корпус заполняют эпоксидной смолой с порошковым наполнителем (например, железный или свинцовый сурик) и отвердителем до некоторого уровня, при котором акустический изолятор с пьезоэлементами полностью закрыт смолой, но при этом подпаянные проводники выведены за уровень смолы и зафиксированы.
После завершения процесса полимеризации эпоксидной смолы (для ускорения процесса, его проводят с подогревом смолы до температуры примерно 40°C) контактные проводники подпаивают к разъемам. В результате проведенных операций получена конструкция ультразвукового преобразователя, который при соответствующем подключении к ультразвуковому дефектоскопу, может работать в различных режимах контроля: раздельно-совмещенном, совмещенном, по отдельности или совместно. При этом пьезоэлементы 5 преобразователя контактируют в процессе работы с поверхностью контролируемого материала непосредственно или через тонкий слой согласующей среды (протектора) 6.
Изготовленный ультразвуковой преобразователь работает следующим образом.
s
При подключении к ультразвуковому дефектоскопу в раздельно-совмещенном режиме (фиг.1, 2) один из пьезоэлементов, подключенный к генератору, совершает упругие колебания в импульсном режиме, на резонансной частоте, другой, подключенный к приемнику, работает в ждущем режиме. При этом на экране дефектоскопа наблюдается только один зондирующий импульс. При установке преобразователя на смоченную водой (маслом) поверхность контролируемого материала (металла/неметалла), пьезоэлемент, подключенный к генератору зондирующих импульсов, своей гранью излучает в среду упругую поверхностную волну, которая принимается гранью другим приемным пьезоэлементом, работающим в ждущем режиме. Если в месте установки преобразователя нет дефекта, то на экране дефектоскопа на некотором расстоянии от зондирующего сигнала появится эхо-импульс прошедшей поверхностной волны. Если под поверхностью преобразователя в материале имеется дефект (поверхностный/подповерхностный), то эхо-импульс прошедшей поверхностной волны ослабнет на некоторую величину в зависимости от величины дефекта и глубины его залегания. На экране дефектоскопа эхо-импульс уменьшится или пропадет полностью, что и будет зарегистрировано как дефект (реализация теневого метода контроля). Местоположение дефекта при этом оказывается локализовано в зоне контактной поверхности преобразователя, между двумя пьезоэлементами, и фактически определяется только длительностью зондирующего импульса и выбранным расстоянием между пьезоэлементами, при этом минимально возможное расстояние выбирается из условия разрешения двух импульсов, один из которых зондирующий. Поверхностная волна в контролируемой среде образуется за счет знакопеременных сдвиговых деформаций, направленных в разные стороны от колеблющегося с заданной частотой и амплитудой пьезоэлемента, поляризованного по толщине, ориентированных параллельно поверхности ввода. Частицы среды воспринимают импульсные сдвиговые деформации, передающиеся непосредственно или через протектор от пьезоэлементов, и образуют бегущую упругую поверхностную волну со скоростью, равной c. При этом поверхностная волна образуется без трансформации одного типа волны в другой, как это происходит, например, в призме из оргстекла или в согласующей «гребенке», а следовательно, в этом случае отсутствуют и потери на преобразовании. Излучение упругих поверхностных волн от пьезоэлементов, установленных на контролируемую поверхность, происходит в обе стороны, что в обоснованных случаях повышает производительность контроля. В преобразователях, работающих по раздельной схеме, вторая волна становится «паразитной» и от нее избавляются путем применения акустической изоляции.
Следует также отметить, что в предложенной конструкции преобразователя при возбуждении поверхностных волн отсутствует «паразитная» продольная волна, как это происходит в прототипе, которая затрудняет процесс расшифровки осциллограмм/дефектограмм, особенно при контроле тонкостенных изделий. Заложенный в конструкцию принцип формирования поверхностных волн позволяет проводить контроль, например, тонкой фольги толщиной несколько микрон, а также отслоения тонких покрытий. Однако следует учитывать, что поверхностная волна будет иметь место только в твердых материалах, там где возможны сдвиговые деформации среды. Это могут быть металлы и их сплавы, а также неметаллы - композиционные материалы, полимеры: поликарбонаты, органическое стекло, полиамиды и др. Таким образом, данный преобразователь, в отличие от аналогов, одновременно позволяет проводить контроль и неметаллов.
При подключении к дефектоскопу только одного пьезоэлемента, в совмещенном режиме (второй пьезоэлемент отсоединен) преобразователь излучает упругие колебания в обе стороны, за счет чего повышается производительность контроля. Однако при этом затрудняется процесс расшифровки и идентификации дефектов. В каждом конкретном случае разработчики методики контроля оценивают и выбирают тот режим контроля (подключения пьезопластин), который обеспечивает необходимую надежность и производительность контроля.
При подключении двух пьезоэлементов в совмещенном режиме контроля, производительность увеличивается в два раза, однако возможно нежелательное влияние колебаний одного пьезоэлемента на другой. Чтобы этого не происходило, пьезоэлементы включают в разные такты: в первом такте частоты следования работает первый, во втором - второй, в третьем такте - опять первый, в четвертом - второй и т.д. Либо каждый пьезоэлемент подключают к разным независимым каналам. Это возможно при наличии двухканального дефектоскопа. Работа такого преобразователя аналогична описанному выше, только индикация дефектов происходит по каждому из независимых каналов.
Для работы преобразователя с двумя парами пьезопластин (фиг.3) их соединяют парами, например, по раздельной схеме с тактовым, синхронным или канальным, независимым включением. Тактовое включение - в первом такте частоты следования идет возбуждение и прием первой пары пьезоэлементов, во втором - соответственно второй пары, в третьем такте - опять первая пара, в четвертом - вторая и так далее по всему циклу контроля. Синхронное включение - работают одновременно обе пары пьезоэлементов. Канальное, независимое включение - работа каждой пары пьезоэлементов в преобразователе осуществляется по двум независимым каналам дефектоскопа, с независимой индикацией информации по дефектам в раздельном или совмещенном режиме. Также возможно включение двух смежных пьезопластин к генератору зондирующих импульсов для работы в режиме излучения, а двух других смежных - в режиме приема. Возможны и другие варианты включения пьезопластин, не рассмотренные в этом описании. При включении преобразователя в работу по одному из описанных режимов (например, раздельному режиму с тактовым переключением) наблюдают только один импульс в начале развертки - зондирующий (при ненагруженном на акустическую среду преобразователе). При установке преобразователя на смоченную контактной средой поверхность контролируемого изделия на развертке появятся два эхо-импульса на расстоянии, определяемом величиной задержки. При сканировании преобразователем по поверхности изделия с заданными шагом и траекторией контроля в момент попадания в область контроля под преобразователем дефекта (несплошности среды) амплитуда двух эхо-импульсов уменьшится до некоторой величины, что будет зафиксировано индикатором дефектоскопа. И независимо от ориентации дефекта материала он будет выявляться соответствующей парой пьезопластин преобразователя, по отношению к которой он ориентирован оптимально, с точки зрения выявляемости. Т.е. при таком расположении пьезоэлементов реализуется теневой метод контроля с выявлением в контролируемом изделии дефектов, расположенных в произвольном месте и любой ориентации, независимо от материала (металла/неметалла).
Преобразователь, показанный на фиг.4, снабжен пьезоэлементами формой части цилиндра 5 (частный случай пьезоэлемента - полуцилиндр).
Характерная особенность преобразователя с пьезоэлементами радиусной формы в том, что если пьезоэлемент плоской формы излучает в среду в обе противоположенные стороны плоский фронт поверхностной волны, то при использовании пьезоэлементов данной формы за счет их кривизны, с одной стороны формируется сходящийся фронт упругой волны (с эффектом фокусировки) и фокальной зоной на расстоянии, пропорциональной радиусу кривизны, в обратную сторону распространяется расходящийся фронт упругой поверхностной волны, ненаправленный (сферическая волна). Оба этих явления выгодно использовать при контроле в следующих случаях: эффект фокусировки важен с точки зрения повышения чувствительности и разрешающей способности, а эффект формирования ненаправленной (сферической) волны повышает производительность контроля и выявление разноориентированных дефектов контролируемого материала.
Использование в преобразователе пьезоэлементов цилиндрической формы (фиг.5) наиболее целесообразно для выявления разноориентированных дефектов, которые попадают в кольцевую зону прозвучивания, между двумя коаксиально расположенными пьезоэлементами. При подключении преобразователя к ультразвуковому дефектоскопу, преобразователь работает также, как и преобразователь на фиг.1, отличие - в форме пьезоэлементов, поэтому описывать его работу нецелесообразно. Его преимущество в том, что он за счет формы цилиндра формирует в контролируемой среде ненаправленную поверхностную волну, обеспечивающую выявление разноориентированных дефектов материала.
Источники информации
1. Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы акустического контроля металлов. М., Машиностроение, 1989, стр.145.
2. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М., изд-во «Наука», 1965 г., стр. 14.