Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) применяются в ультразвуковом НК, выступая в качестве излучателя и приемника ультразвукового импульса, обрабатываемого УЗ дефектоскопом. Принцип действия ПЭП основан на пьезоэлектрическом эффекте – явлении возникновения электрической поляризации под действием механических напряжений.

Требования к УЗ ПЭП указаны в ГОСТ Р 55725-2013 - Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования (взамен ГОСТ 26266-90) и ГОСТ Р 55808-2013 - Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний. (взамен ГОСТ 23702-90). Расширенный перечень нормативов касающихся УЗ ПЭП приведен в конце данной страницы. УЗ ПЭП можно условно классифицировать по следующим признакам:

По углу ввода колебаний различают:

Прямые преобразователи вводят и (или) принимают колебания по нормали к поверхности объекта контроля в точке ввода.
Наклонные преобразователи вводят и (или) принимают колебания в направлениях отличных от нормали к поверхности объекта контроля.

По способу размещения функций излучения и приема УЗ сигнала различают:

Совмещенные ПЭП где один и тот же пьезоэлемент, работает как в режиме излучения так и в режиме приема.
Раздельно-совмещенные преобразователи, где в одном корпусе размещены два и более пьезоэлемента, один из которых работает только в режиме излучения, а другие в режиме приема.

По частоте колебаний:

Высокочастотные УЗ ПЭП условно можно ограничить диапазоном 4-5 МГц, такую частоту обычно применяют при контроле мелкозернистых заготовок небольшой толщины (обычно менее 100мм) и сварных соединений толщиной менее 20мм.
Среднечастотные УЗ ПЭП с диапазоном частот 1,8-2,5 МГц. Преобразователи с данным диапазоном частот применяются для контроля изделий большей толщины и с большим размером частиц.
Низкочастотные УЗ ПЭП с диапазоном частот 0,5-1,8 МГц, используются для контроля заготовок с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания, например чугуна, бетона или пластика.

По способу акустического контакта:

Контактные ПЭП где рабочая поверхность соприкасается с поверхностью ОК или находится от нее на расстоянии менее половины длины волны в контактной жидкости.
Иммерсионные которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и ОК слоя жидкости толщиной больше пространственной протяженности акустического импульса.

По типу волны, возбуждаемой в объекте контроля:

Продольные волны - колебания которых происходит вдоль оси распространения;
Сдвиговые (поперечные) волны - колебания которых происходит перпендикулярно оси распространения;
Поверхностные волны (волны Реллея) - распространяющиеся вдоль свободной (или слабонагруженной) границы твердого тела и быстро затухающие с глубиной.
Нормальные ультразвуковые волны (волны Лэмба) – ультразвуковые волны, которые распространяются в пластинах и стержнях. Существуют симметричные и антисимметричные волны.
Головные волны – савокупность акустических волн, возбуждаемых при падении пучка продольных волн на границу раздела 2 твердых сред под первым критически углом.

Выбор ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя

Выбор преобразователя, зависит от параметров контролируемого объекта, таких как материал, толщина, форма и ориентация дефектов и т.д.

Выбор ПЭП по углу ввода (прямой или наклонный) выбирают исходя из схемы прозвучивания конкретного объекта. Схемы прозвучивания содержатся в государственных и ведомственных стандартах, а также технологических картах контроля. В общем случае угол ввода выбирают таким образом, чтобы обеспечивалось пересечение проверяемого сечения акустической осью преобразователя (прямым или однократно отраженным лучём). Выявление дефектов, выходящих на поверхность, наиболее эффективно обеспечивается при падении поперечной волны под углом 45 °±5° к этой поверхности.

Выбор ПЭП по схеме включения (совмещенный или РС) выбирается в зависимости от толщины изделия или расстояния зоны контроля от поверхности ввода. Прямые совмещенные ПЭП обычно применяют при контроле изделий толщиной более 50мм, а прямые РС ПЭП для контроля изделий толщиной до 50мм включительно, или приповерхностного слоя до 50мм.

Наклонные РС ПЭП в основном используются по совмещенной схеме включения. Наклонные РС ПЭП с поперечной волной используют преимущественно для контроля сварных соединений тонкостенных (до 9мм) труб диаметром не более 400мм (хордовые преобразователи). Наклонные РС ПЭП с продольной волной применяют для контроля соединений с крупнозернистой структурой и высоким уровнем шумов (аустенитные швы).

Выбор ПЭП по частоте колебаний, выбирается в основном исходя из толщины ОК и требуемой чувствительности контроля. Благодаря более короткой волне, высокочастотные преобразователи позволяют находить дефекты меньшего размера, тогда как УЗ волны низкочастотных ПЭП глубже проникают в материал, т.к. коэффициент затухания уменьшается с частотой. Низкочастотные ПЭП применяются при контроле крупнозернистых материалов и материалов с высоким коэффициентом затухания.

При выборе частоты надо учитывать, что ее увеличение вызывает:

увеличение ближней зоны
уменьшение мертвой зоны, связанное с уменьшением длительности свободных колебаний пьезоэлемента;
улучшение лучевой и фронтальной разрешающей способности;
сужение характеристики направленности;
увеличение коэффициента затухания и связанное с ним падение чувствительности на больших толщинах
увеличение уровня структурных шумов в крупнозернистых материалах; уменьшение уровня собственных шумов ПЭП, связанное с увеличением затухания звуковой волны в элементах ПЭП при возрастании частоты;
Далее приведены основные типы и характеристики преобразователей, наиболее часто применяемых в процессе ультразвукового контроля.

П111 - Прямые совмещенные преобразователи

Преобразователи типа П111 используются для дефектоскопии и толщинометрии изделий продольными волнами. На практике, прямые совмещенные преобразователи применяются для контроля листов, плит, валов, отливок, поковок, а также для поиска локальных утонений в стенках изделий. Преобразователи П111 используются для выявления объемных и плоскостных дефектов – пор, волосовин, расслоений и т.д.

П112 - прямые раздельно-совмещенные преобразователи

Контактные раздельно-совмещенные преобразователи, типа П112, как правило используются для применяются для определения остаточной толщины стенки изделий и для поиска дефектов, расположенных на относительно небольших глубинах под поверхностью. Толщина контролируемых П 112 объектов, как правило, находится в диапазоне от 1 до 30мм.

П121 наклонные совмещённые преобразователи

Наклонные преобразователи, типа П121, широко применяются в задачах контроля сварных соединений, листов, штамповок, поковок и других объектов. Преобразователи П121 позволяют выявлять трещины, объемные дефекты, такие как неметаллические включения, поры, непровары, усадочные раковины и т.п. С помощью преобразователей типа П121, как правило, определяются характеристики вертикально ориентированных дефектов.

П122 – наклонные раздельно-совмещенные преобразователи

Хордовые преобразователи типа П122 в основном применяют для контроля кольцевых сварных швов трубных элементов из сталей и полиэтилена диаметром от 14 до 219 мм. с толщиной стенки от 2 до 6 мм., используются контактные раздельно-совмещенные хордовые преобразователи. Применение преобразователей хордового типа особенно эффективно для контроля тонкостенных сварных швов от 2 до 4 мм.

Преобразователи типа П122 предназначены для контроля тонкостенных сварных швов, как правило из нержавеющих, малоуглеродистых сталей и сплавов алюминия Характерная особенность ПЭП – минимальная мертвая зона и фокусировка УЗ поля в определенном диапазоне толщин.

Под заказ возможна поставка специальных преобразователей:

для контроля деталей железнодорожного подвижного состава;
наклонные контактные совмещенные ПЭП типа П121 для контроля гибов труб;
фокусирующие и с плоской излучающей поверхностью для иммерсионного контроля дисков из титановых сплавов и других деталей и заготовок;
для контроля лопастей летательных аппаратов;
широкозахватные;
на фазированных решетках
для контроля дифракционно-временным методом TOFD
электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП)

Для основных типов ПЭП в России принято буквенно-цифровое обозначение, которое формируется следующим образом:

первый знак – буква П – Преобразователь;
первая цифра – 1 – контактный, 2 – иммерсионный, 3 – контактно-иммерсионный;
вторая цифра – 1 – прямой, 2 – наклонный;
третья цифра – 1 – совмещенный, 2 – раздельно-совмещенный, 3 – раздельный;
кроме этого, производители обычно указывают частоту, угол ввода, размер пьезоэлемента.

Обозначение ультразвуковых преобразователей

Помимо ГОСТ Р 55725-2013 и ГОСТ Р 55808-2013, ультразвуковым преобразователям посвящен ряд методических отраслевых документов.