2.4. Специальные преобразователи и контактные среды

Если один современный дефектоскоп может быть ис­пользован для контроля практически любой дефектоско­пической продукции, то вариации в геометрии и типораз­мере сварных швов требуют применения различных преобразователей. Полная унификация здесь невозмож­на. Поэтому преобразователи разрабатываются для конт­роля конкретных швов.

Преобразователи для контроля швов труб. Основной трудностью при УЗ-контроле сварных стыков труб с толщиной стенки менее 10 мм является наличие ложных эхо-сигналов от обратного валика шва, мало отличаю­щихся по времени и амплитуде от ожидаемых сигналов от дефектов. Кроме этого, из-за большой ширины валика шва, которая в 2—3 раза превосходит толщину стенки трубы, нельзя приблизить преобразователь к шву на­столько, чтобы обеспечить прозвучивание центра шва акустической осью диаграммы преобразователя.

Общими требованиями к наклонным преобразовате­лям для контроля стыковых соединений труб малых диа­метров (28—64 мм) с толщиной стенки 3—7 мм явля­ются:

большой угол призмы, обеспечивающий прозвучива­ние возможно большей части рабочего сечения шва;

максимальное приближение пьезопластины к рабочей (контактной) поверхности преобразователя, что позволя­ет уменьшить реверберационные шумы в призме;

минимальная стрела преобразователя, обеспечиваю­щая максимальное приближение преобразователя к шву;

высокая рабочая частота.

Ранее разработанные миниатюрные наклонные преоб­разователи (угол призмы =55°, рабочая частота 5 МГц, стрела преобразователя 5 мм) работают по совмещенной схеме. Однако эти ПЭП обладают некоторыми недостат­ками: прозвучивание прямым лучом возможно только нижней части шва; поиск дефектов осуществляется в ближней зоне (зоне Френеля), где имеются осцилляции амплитуды отраженных сигналов, что существенно затрудняет оценку размеров дефектов.

Попытки перейти в дальнюю зону путем увеличения длины пути УЗК в призме или уменьшения диаметра пьезопластины не дали желаемого результата. Так, при увеличении длины призмы существенно возрастает время реверберационных шумов, а уменьшение диаметра пьезо­пластины приводит к снижению абсолютной чувствитель­ности и к увеличению уровня поверхностной волны за счет расширения диаграммы направленности.

С целью уменьшения уровня поверхностной волны были созданы преобразователи с фокусирующими ци­линдрическими линзами. Фокусирующая линза цилинд­рической формы, выполненная из алюминиевого сплава, расположена между призмой и контролируемым издели­ем (рис. 2.6). Линза одновременно служит протектором и предохраняет преобразователь от изнашивания. Однако наличие линзы-протектора увеличивает стрелу преоб­разователя до 6—8 мм, что ухудшает выявление дефек­тов в стыковых швах труб с толщиной стенки менее 5 мм.

Рис. 2.6. Схема прозвучивания сварного шва преоб­разователем с фокусирую­щей линзой.

Рис. 2.7. Схема прозвучивания сварного шва РС-преобразователем типа РСМ-2П.

Для уменьшения уровня шумов от обратного валика шва и повышения надежности обнаружения объемных дефектов созданы PC-преобразователи типа РСМ-2П, у которых акустическая ось находится в плоскости, проходящей через середину стенки трубы перпендикулярно к вертикальной оси шва (рис. 2.7).

Такая конструкция преобразователя обеспечивает прозвучивание всего сечения шва прямым лучом, при этом соотношение сигнал — шум на 12 дБ

Рис. 2.8. Схема фокусирования УЗ-лучей цилиндрической фокуси­рующей линзой:

/ — цилиндрическая линза из полисти­рола; 2 — пьезопластина; 3 — призма (оргстекло); 4 — контролируемая труба.

выше, чем у преобразователей совмещенного типа. Это позволило уве­личить выявляемость дефектов округлой формы. Однако этим преобразователям также свойственны определен­ные недостатки. Основные из них — неравномерная чув­ствительность (до 18 дБ) по высоте шва и высокий уровень амплитуды от поверхностной волны. Выровнять чувствительность по высоте шва удалось, используя в преобразователях РСМ-2П цилиндрические фокусирую­щие линзы (рис. 2.8). При этом соотношение полезный сигнал — шум достигло 22 дБ относительно сигнала от плоскодонного отражателя диаметром 1 мм, выполнен­ного в торце трубы.

Преобразователи для контроля по грубой поверхно­сти. Рассмотрим некоторые конструкции специальных преобразователей, применяющихся для контроля метал­ла и сварных швов по грубой поверхности.

Широкое применение нашли эластичные преобразо­ватели с герметизированной иммерсионной локальной ванной, внутри которой размещен пьезоэлемент. Эти пре­образователи обеспечивают высокую стабильность чув­ствительности, однако имеют следующие недостатки: большие габариты, относительно высокий уровень реверберационных шумов, нестабильный угол ввода ультра­звука в контролируемое изделие, необходимость частой замены резинового донышка ванны вследствие проколов. Эти недостатки отсутствуют у наклонных преобразо­вателей, на рабочую поверхность которых наклеена рези­на. Однако преобразователи такой конструкции недолго­вечны.

Преобразователь ИЦ-15Б со свободно скользящим трубчатым протектором не имеет указанных недостат­ков. В качестве материала протектора в нем использует­ся маслостойкая резина, из которой изготавливается кольцо диаметром 28—30 мм, толщиной 0,8—1,2 мм. В кольце делается большое число проколов или сверле­ний. При перемещении преобразователя по изделию эла­стичный протектор вращается, облегает неровности конт­ролируемого металла, что способствует улучшению акустического контакта. В зазор между преобразователем и протектором вводится масло.

Преобразователи с иммерсионной локальной ванной и менискового типа фактически не требуют специальной подготовки поверхности. Они закрепляются внутри ко­жуха с регулируемым контактным зазором. С помощью штуцеров и двух трубок внутренний объем кожуха со­единен с герметичным бачком для воды. При работе в бачке создается небольшое разряжение, которое удер­живает воду внутри кожуха; в результате создается ста­бильный акустический контакт даже на очень грубой по­верхности. Такая конструкция обеспечивает ничтожный расход воды, но допускает возможность работы лишь в нижнем положении.

Разновидностью преобразователя с иммерсионной ванной является менисковый преобразователь, предна­значенный для контроля сварных швов толщиной 3 — 5 мм. Ультразвук вводится в изделие через миниатюрную локальную иммерсионную ванну — мениск. В менисковых преобразователях ИЦИ-2 размер локальной ванны по сечению равен размеру пьезоэлемента и составляет все­го 2,6 мм. Это обеспечивает стрелу преобразователя 3 — 4 мм. Вода в мениск подается из небольшого бачка по тонкой трубке. Поэтому расход воды достаточно мал. Стабильность акустического контакта практически не за­висит от пространственного положения преобразователя, что является его важным достоинством.

Хорошие результаты по повышению стабильности чувствительности ультразвукового дефектоскопа достиг­нуты при использовании капиллярных эффектов. Здесь возможны различные конструктивные решения.

Во-первых, акустическую задержку (призму) можно выполнить из капиллярно-активных слоистых материа­лов, подобных тем, которые используются в сердечниках фломастеров.

Во-вторых, непосредственно на рабочую поверхность обычной призмы из оргстекла можно нанести слой ка­пиллярно-пористого протектора небольшой толщины.

В-третьих, по периферии призмы можно сделать ка­пиллярные каналы (сверлением или фрезерованием).

Во всех конструкциях капилляры служат аккумуля­тором контактной жидкости и обеспечивают автоматиче­скую подпитку контактного зазора, что ускоряет восста­новление сплошности контактного слоя.