Эволюция ультразвукового контроля (УЗК) от обычного УЗК к методу полной фокусировки

Источник изображения: Getty Images

Ультразвуковой контроль — один из многих методов неразрушающего контроля, используемых для контроля компонентов. Он используется во многих отраслях промышленности, включая стальное и алюминиевое строительство, металлургию, обрабатывающую промышленность, аэрокосмическую, автомобильную и другие транспортные отрасли. Этот метод обеспечивает множество преимуществ, включая простоту использования, скорость, проникновение, точность и чувствительность. За прошедшие годы технология значительно и постоянно совершенствовалась, предлагая теперь расширенные возможности визуализации с высоким разрешением.

Ультразвуковой контроль, или УЗ, выполняется путем подачи электрического импульса на преобразователь, состоящий из одного или нескольких пьезоэлектрических кристаллов. Кристалл(ы) преобразует электрическую энергию в механические вибрации, передаваемые в компонент через связующую среду. Акустическая волна взаимодействует со всеми неоднородностями внутри детали (дефектами, геометрией и т. д.) и возвращается к преобразователю, где вибрации преобразуются обратно в электрический сигнал. Затем данные могут отображаться в нескольких различных видах, таких как A-скан, B-скан, C-скан или T-скан, каждый из которых обеспечивает свой взгляд на данные проверки.

Когда начались ультразвуковые испытания, ультразвуковые приборы полностью полагались на одноэлементные преобразователи, в которых один пьезоэлектрический кристалл генерирует и принимает ультразвук. Этот метод был распространен на двухэлементные преобразователи, которые имеют два кристалла: один излучающий, а другой принимающий.

В зависимости от типа контроля измерения обычно выполняются под нормальным углом наклона (толщиномер, картирование коррозии) или с использованием наклонной балки (контроль сварных швов). Проверку при нормальном падении можно проводить, когда датчик находится в непосредственном контакте с испытуемым образцом, или с использованием линии задержки (погружной или клиновой L0), чтобы защитить переднюю поверхность датчика; это особенно полезно при сканировании преобразователем вдоль поверхности компонента. Проверка угловым лучом выполняется путем изменения угла падения датчика либо при погружении, либо с помощью клина. Операторы могут выбирать угол распространения внутри материала, используя закон Снелла, который описывает взаимосвязь между углами падения и преломления на основе скорости ультразвука (продольных или поперечных волн) внутри компонента и клина.

Поскольку используется только один (или два) пьезоэлектрический кристалл, чувствительность и разрешающая способность контроля во многом зависят от выбора характеристик преобразователя. Чувствительность — это способность обнаруживать небольшие показания, а разрешение (осевое и латеральное) — это способность различать два отдельных показания, расположенных близко друг к другу. И то, и другое зависит от формы луча, главным образом от размера, относительно размера показаний и характеристик электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлектрический элемент.

Осевое разрешение можно улучшить за счет увеличения центральной частоты (меньшей длины волны) и демпфирования преобразователя. Однако более высокие частоты обычно связаны с более высоким затуханием внутри клина и испытательного образца, а чрезмерное затухание приводит к потерям амплитуды, что приводит к снижению чувствительности.

Латеральное разрешение высокое, когда ширина луча узкая. Обычно ширина луча равна ширине преобразователя, расположенного вблизи преобразователя. Затем луч сходится к самой узкой ширине на расстоянии, называемом пределом ближнего поля. Наконец, луч расходится в зоне, называемой дальним полем. Расстояние в ближнем поле и распространение луча в дальнем поле зависят от размеров и центральной частоты преобразователя. Латеральное разрешение можно улучшить, используя фокусированные преобразователи, т. е. преобразователи с пьезоэлектрическим кристаллом сферической или цилиндрической формы. Хотя боковое разрешение улучшается, глубина резкости уменьшается.

Чаще всего операторам приходится идти на компромисс между чувствительностью и разрешением и выбирать датчики на основе ожидаемой обнаруживаемости и возможностей определения размеров, требуемых стандартами.