Ленский О.В., специалист УК, III уровень
Дефектоскописту ультразвукового контроля (УЗК) приходится решать разные задачи контроля разных объектов, включая сварные соединения вместе с их зонами термического влияния – ЗТВ, где может иметь место никудышная - «видманштедтова» - структура, не обладающая должным уровнем когезии. Или, другими словами, должным уровнем комплекса механических свойств.
А также ОК могут быть, по их материалам, с крупным зерном: чугун, аустенитные швы. Крупногабаритные слитки – слябы, - так же обладаюткрупным ориентированным зерном. Такие объекты контроля – ОК – трудные для УЗК.
В состав УЗД (дефектоскопа) неотъемлемой его частью входит ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь. Его основной элемент – пьезоэлектрический, он может быть прямоугольной пластинкой, обычно размерами 8х9 мм, или диск Ø6-12 мм, толщиной 0.3 - 0.8 мм.
Таким образом, подавая переменное электрическое напряжение на обкладки пластины, осуществляется генерация уз-волны частотой 2-5 МГц.
Самый обычный контроль ведётся, как правило, в совмещённом режиме, когда один и тот же элемент используется и как генератор, и как приёмник акустических импульсов.
В паузах между посылками ультразвуковых зондирующих импульсов – УЗИ, тот же пьезо-элемент ПЭ выполняет роль микрофона, обладающего некоторой конечной пороговой чувствительностью.
Одна пластинка – и как излучатель, и как приёмник, - на компромиссе чувствительности и некоторой - тоже конечной – мощности посылаемого в материал АИ (акусто-импульса).
Можно взять чувствительнее пластинку - из другого пьезо-электрика, - но тогда она не будет давать достаточной энергии в режиме генерации, или, наоборот, взять пластинку, которая даст мощный импульс, но тогда не будет чувствительности.
Всё универсальное, как понятно, хуже специализированного.
Тогда используют другой режим –раздельно-совмещённый: в одном корпусе под некоторыми небольшими углами навстречу друг другу и разделёнными перегородкой выставляются на призмы из оргстекла два ПЭ – один на излучение зондирующего импульса, другой – на приём акустического эхо-сигнала от дефекта в материале ОК.
Но какой бы ПЭ мы ни выбрали, мощность (амплитуда) АИ всё равно недостаточная!
Кроме того, есть понятие разрешающей способности УЗК, оно опирается на величину длительности реализации УЗИ: чем короче УЗИ, тем выше разрешающая способность УЗД, - можно «видеть» детали (дефекта сплошности).
Например, ультразвуковой импульс длительностью в 1 микросекунду будет занимать в объёме стали высоту в 6 мм, а если импульс имеет длительность 1 наносекунду, то его развитие по высоте будет уже в 1000 раз меньше – 6 микрометров, - образуется возможность различения шероховатости отражающей границы.
Импульс с пространственной протяжённостью в 6 мм более большинства недопустимых по размеру дефектов. 6-мкм импульс столь нюансирован, что по его характерному временному профилю эхо-сигнала, в принципе, можно идентифицировать отражатель.
Однако, не всё так просто: спектр эхо-сигнала в реальных средах претерпевает преобразование, и для разных сред - разных металлов - это преобразование может быть столь существенным, что успехи укорочения импульса могут стать нивелированными, и, потому, бесполезными.
Однако общая тенденция остаётся справедливой: короче импульс – шире его спектральная полоса - точнее результат УЗК.
Приходим к выводу: нужен короткий и мощный уз-импульс. Это может быть импульс лазера при его падении на термо-упругую подкладку, атомарно-сопряжённую с призмой преобразователя.
Этим сказано, что между подкладкой и призмой для ввода-вывода у-звука существует не только акустический контакт, но и хороший термический контакт, обладающий небольшим термосопротивлением, или не имеющим его вовсе. Подкладка преобразует световую энергию импульса в звуковую посредством явления термо-упругости, а нагрев-охлаждение от импульсного лазерного луча успевает обеспечить посылку куда более мощных и более коротких УЗИ, чем это делает пьезоэлемент - ПЭ.
Если просверлить пластинку из высокочувствительного пьезо-электрика и вставить в отверстие волокно лазера, а в качестве термо-упругого преобразователя использовать ту же призму, что и у стандартного ПЭП, то такая организация УЗД будет обладать куда большими возможностями для УЗК: эффективность, достоверность, однозначность идентификации.
Более того, можно игнорировать ложную опасность, исходящую от фантомных сигналов переотраженийот границ ОК: столь короткий эхо-сигнал теперь имеет сложный, но индивидуальный профиль во времени, что даёт нам целую гамму характеристик, сопряжённых с таковыми отражателей. Естественно ожидать, что возникает основа для прямого различения эхо-сигналов от разных отражателей по их временным индивидуальным профилям: трещина, шлак, пора, несплавление, и т.п. Это потребует соответствующей осциллографической системы УЗД.
Аналогия такая: мы входим в плохо освещённую комнату и мало что там видим, «в потьмах».
Меняем лампочку освещения комнаты на более яркую, или открываем доступ солнечному
свету в комнату, и всё в ней преображается: мы замечаем детали и нюансы обстановки в комнате, становимся свидетелями такой в ней обстановки, которой в тусклом свете просто не было видно.
Вот почему целесообразен симбиоз лазера и пьезоэлектрического преобразователя: Л-ПЭП. Динамический диапазон лазерного ПЭП становится существенно больше. Появляется возможность, например, проводить УЗК через слои изоляции, краски, полимерные покрытия, если таковые
не содержат расслоений с поверхностью ОК. Кроме того, появляется возможность УЗК крупнозернистых объектов, к каковым относятся: крупногабаритные слитки (слябы), аустенитные швы, чугуны.
Большая и очень большая амплитуда сверхкороткого зондирующего импульса, которую может обеспечить лазер, значима для проведения более достоверного УЗК.
При падении его сверхкороткого импульса в единицы пикосекунд, где сосредотачивается
громадная плотность выделяемой в тепло мощности энергии на плёнке-преобразователе за счёт
её термо-упругого эффекта, и, в некоторых случаях, порождённой импульсом плазмы, может оказаться достаточной для передачи вполне ощутимой его части, чтобы УЗ-Дефектоскоп мог оказаться в состоянии его восприятия - вопреки крупному зерну и большому рассеянию у-звука
на нём, как это следует из классических представлений: они не ведали такую концентрацию энергии
во времени.
Рисунок ниже поясняет схему реализации лазерно-пьезоэлектрического преобразователя в системе
«Лазер-ПЭП».
| Пьезоэлемент-микрофон, кольцевая пластина Волокно лазера - передатчик светового импульса Лазер с блоком управления импульсами Призма для ввода-вывода у-звука, она же термо-преобразователь «свет – тепло – звук» ОК объект контроля Следует предусмотреть акустическую изоляцию между световым импульсом волокна и ПЭ-микрофоном. |
В настоящее время разработаны варианты лазерных многофункциональных ультразвуковых дефектоскопов [4, 5, 6].
Литература, эл. ресурсы:
1. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. — М.: Наука, 1991. — С. 304. — ISBN 5-02-14172-0.
2. Ахунов С.А., Гусев Э.В. ЛАЗЕРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ СВЕРХКОРОТКИХ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ. УФН, 1992, 162, №3
3. https://keepslide.com/no_category/121685
4. https://www.findpatent.ru/patent/254/2544257.html
5. https://promvest.info/ru/innovatsii/portativnyiy-ultrazvukovoy-lazernyiy-mnogofunktsionalnyiy-defektoskop-udl-2m-dlya-nekontaktnogo-issledovaniya-narusheniy-strukturyi-materialov/.
6. https://www.ilc.edu.ru/innovations/2in.pdf