Правильный  выбор частоты обеспечивает необходимую  чувствительность ультразвукового  контроля. Чем выше частота, тем меньше длина УЗК в контролируемом изделии и тем лучше условия отражения их от дефектов. Повышение частоты прозвучивания увеличивает направленность излучения и приема. При этом возрастает отношение отраженной от дефекта энергии к общей энергии, вводимой в изделие, что также способствует повышению чувствительности контроля. Однако с увеличением частоты повышается коэффициент затухания УЗК в металле, ухудшаются условия их прохождения через поверхность ввода, увеличивается интенсивность отражений от границ зерен и неоднородностей металла, не являющихся дефектами.

      Частота колебаний при контроле определяется в основном коэффициентом затухания, уровнем структурной реверберации металла и габаритами контролируемого  изделия. Зная эти характеристики, можно оценить и выбрать оптимальную частоту, которая обеспечит наибольшую чувствительность контроля при минимальных потерях энергии на рассеяние и поглощение ее зернами металла. Для контроля изделий на наличие дефектов, ориентированных в металле под углом к поверхности ввода УЗК, применяются сдвиговые волны. При контроле изделий сдвиговыми волнами возможны два случая: ввод УЗК через плоскую поверхность изделия преобразователем с плоской контактной поверхностью и через кривую поверхность изделия преобразователем с плоской или кривой (по форме изделия) контактной поверхностью. В первом случае при a = a_КР в металле возбуждаются несколько видов волн, распространяющихся под различными углами. Сдвиговые волны эффективно применяются для контроля рельсов, сварных соединений, толстостенных труб, изделий сложной формы. 

7.2. Ввод и прием ультразвуковых волн

      Ультразвуковые  волны вводят в контролируемое изделие  и принимают отраженные сигналы бесконтактным, контактным сухим (без промежуточной жидкости), контактным через тонкий слой жидкости, струйным и иммерсионным способами.

      При контактном способе преобразователь  прижимают к поверхности изделия. Возбужденные УЗК от пьезоэлемента  распространяются в металле в  виде направленного пучка лучей. Если контроль ведется в звуковом диапазоне, то преобразователь и изделие обычно контактируют без смазки (сухой контакт). Когда контроль осуществляется в ультразвуковом диапазоне, для ликвидации возможного воздушного зазора между преобразователем и изделием помещают промежуточную среду – тонкий слой жидкости. Такой зазор может быть даже при очень гладкой поверхности (из-за микронеровностей и шероховатости), благодаря чему УЗК не полностью проходят через границу преобразователь – изделие, и чувствительность контроля резко падает.

      Жидкость, применяемая в качестве контактной среды, должна хорошо смачивать контролируемый материал и поверхность преобразователя, создавать между ними тонкий равномерный слой, не стекать слишком быстро с поверхности, быть однородной, не содержать пузырьков воздуха или твердых частиц, не быть токсичной и не вызывать коррозии изделий. В качестве контактной среды применяют различные минеральные масла, глицерин, воду и другие жидкости. Выбирая контактную среду, следует помнить, что вода обладает недостаточной вязкостью и смачивающей способностью и может вызвать коррозию контролируемого изделия. Поэтому в воду добавляют поверхностно-активные вещества, улучшающие ее смачивающую способность, и вещества, уменьшающие ее способность вызывать коррозию. Высоковязкие минеральные масла применяются при контроле вертикально расположенных поверхностей, поверхностей со значительной шероховатостью, а также в тех случаях, когда температура изделия или окружающего воздуха выше 20°C. Маловязкие масла обычно применяются при контроле деталей в зимних условиях при отрицательных температурах окружающего воздуха (при контроле вне помещения).

      При струйном способе между преобразователем и изделием создается зазор, в  который непрерывно подается контактная жидкость. В этом случае минимальная толщина слоя жидкости задается ограничителем, создающим между преобразователем и изделием определенный зазор. Этот способ акустической связи используется, если поверхность контролируемого изделия расположена вертикально или имеет переменную кривизну.

      При иммерсионном способе акустическая связь между преобразователем и  изделием создается значительный слой жидкости. Для этого преобразователь  и изделие полностью погружаются  в ванну с водой. Так как  скорость распространения продольных волн в воде примерно в четыре раза меньше, чем в металлах, то расстояние от преобразователя до передней поверхности изделия должно быть больше четверти толщины изделия. Иначе вторично отраженный сигнал от передней поверхности изделия будет виден на экране левее донного, что затруднит расшифровку результатов контроля. Этот способ имеет ряд преимуществ по сравнению с контактным: высокую стабильность излучения и приема УЗК за счет постоянства акустической связи между преобразователем и изделием; отсутствие износа преобразователя, так как при контроле между преобразователем и изделием нет трения; возможность контроля изделий с грубо обработанной, корродированной или защищенной покрытием поверхностью без предварительной подготовки. Кроме того, этот способ позволяет автоматизировать контрольные операции, что существенно повышает производительность контроля. 

7.3. Мертвые зоны и способы их сокращения

      Важной  характеристикой чувствительности ультразвукового контроля является размер мертвой зоны. Наличие мертвой  зоны – основной недостаток эхо-метода, который в некоторых случаях ограничивает его применение, снижает надежность и эффективность контроля.

      Мертвая зона представляет собой неконтролируемый поверхностный слой, в котором  сигнал от дефекта накладывается  на зондирующий импульс. Наличие большой мертвой зоны нежелательно, так как приходится увеличивать припуск на обработку изделия и повышать, таким образом, стоимость изготовления. Величина мертвой зоны для прямых преобразователей составляет 40 мм при f=0.7 МГц, 15 мм при f=1.5 МГц, 6-8 мм при f=2.5 МГц и 5-6 мм при f=4-5 МГц.

      Одним из путей повышения разрешающей  способности и сокращения мертвой  зоны является уменьшение длительности зондирующего импульса путем механического демпфирования пьезоэлемента преобразователя, электрической компенсации колебаний пьезоэлемента в режиме излучения и т.д. Механическое демпфирование заключается в том, что к пьезоэлементу приклеивают массивный демпфер, жесткая связь с которым приводит к тому, что после действия возбуждающего колебания последнего быстро затухают. Однако при таком демпфировании снижается добротность колебательного контура и мощность возбуждаемых УЗК. 

7.4. Преобразователи

      В современных ультразвуковых дефектоскопах  применяются преобразователи, рассчитанные на работу по контактному и иммерсионному способам, с возбуждением в контролируемом изделии преимущественно продольных, сдвиговых, поверхностных и нормальных волн. По конструктивному исполнению преобразователи бывают прямыми и наклонными, раздельными, совмещенными и раздельно-совмещенными, с плоской или фигурной контактной поверхностью. Они могут посылать УЗК в изделие по нормали к его поверхности, под углом к нормали или по самой поверхности.

      Все преобразователи имеют следующие  элементы: корпус, пьезоэлемент, электроды, демпфер, защитное донышко и контактное устройство. В преобразователь могут входить дополнительные элементы для стабилизации силы его прижатия к поверхности контролируемого изделия, подачи контактной среды, изменения угла наклона пьезоэлемента, фиксирования преобразователя относительно детали и т. п.

      Пьезоэлемент  является одним из основных элементов  преобразователя. Он изготавливается из естественных или искусственных пьезоэлектрических материалов – сегнетоэлектриков. Известно, что мощность излучаемых УЗК пропорциональна площади пьезоэлемента. Поэтому для повышения чувствительности контроля эту площадь стремятся увеличить. Иногда размеры пьезоэлемента увеличивают с целью повышения производительности контроля. Так при контроле листового материала выгодно иметь широкозахватные преобразователи, позволяющие прозвучивать большие площади, чем обычными преобразователями. Однако в некоторых случаях желательно иметь габариты преобразователя, а, следовательно, и пьезоэлемента минимальными, например, при контроле небольших деталей или изделий, имеющих сложную конфигурацию. От диаметра пьезоэлемента существенно зависит протяженность ближней зоны, величина угла расхождения пучка УЗК и диаграмма направленности. Прямые преобразователи рассчитаны на возбуждение в контролируемом изделии продольных волн и  предназначены в основном для обнаружения глубинных дефектов в изделиях простой геометрической формы, имеющих плоские участки для установки преобразователя. Наклонные преобразователи рассчитаны на возбуждение в контролируемом изделии УЗК с преобладанием (в зависимости от цели контроля) поверхностных, нормальных или сдвиговых волн, распространяющихся под различными углами к нормали, и предназначены для обнаружения глубинных, подповерхностных и поверхностных дефектов.

      Отечественные преобразователи выполнены, как правило, разъемными, зарубежные – неразъемными. Призму разъемного преобразователя изготавливают обычно из органического стекла. Пьезоэлемент размещают на площадке, ориентированной в соответствии с коэффициентом затухания для гашения УЗК и в то же время не очень сильно ослабляет их на пути от пьезоэлемента до изделия. На гранях призмы фрезеруют канавки, служащие для рассеяния волн, отраженных от контактной поверхности. 
 
 
 
 

7.5. Эталонирование чувствительности ультразвукового контроля

      В условиях массового контроля серийной продукции особое значение приобретают  надежность и воспроизводимость  результатов контроля, а также  их объективность. Чтобы исключить  влияние субъективных факторов на результаты ультразвукового контроля, необходимо создавать стандартные условия контроля. Одним из существенных моментов стандартизации контроля является настройка чувствительности дефектоскопов по эталонам. Под чувствительностью ультразвукового метода понимается минимальная площадь отражателя, расположенного в однородной среде на определенном расстоянии от точки ввода УЗК в плоскости, перпендикулярной направлению прозвучивания, и уверенно регистрируемого индикатором дефектоскопа. Под точкой ввода УЗК подразумевается точка падения центрального луча пучка УЗК на поверхность изделия. Чувствительность метода зависит от характеристики контролируемого материала, акустического контакта изделия с искательной головкой, а также от электрических и акустических параметров прибора.

      Приступая к контролю изделий, дефектоскоп необходимо настроить на определенную чувствительность, позволяющую выявить недопустимые по техническим условиям дефекты. Настройка на заданную  чувствительность осуществляется по специальным эталонным образцам, имеющим различные контрольные отражатели (искусственные дефекты). При выборе эталонов важно знать, насколько выбранные контрольные отражатели полно имитируют естественные дефекты. Известно, что амплитуды эхо-сигналов, отраженных от естественного дефекта и контрольного отражателя, расположенных на одинаковой глубине залегания в одном и том же материале, имеющих равные площади и ориентированных перпендикулярно оси пьезоэлемента, неодинаковы. Амплитуда эхо-сигнала от естественного дефекта будет менбьше, так как его отражающая поверхность в ряде случаев имеет кривизну, неровности и значительную шероховатость, которые способствуют диффузному отражению УЗК. Это приводит к уменьшению энергии УЗК, отраженной в направлении головки. Контрольный отражатель, выполненный, например, в виде сверления с плоским дном, имеет гладкую поверхность, от которой если и происходит отражение УЗК с рассеянием, то в значительно меньшей степени, чем от поверхности дефекта. В этом случае доля отраженной энергии УЗК в направлении искательной головки будет большей.

      Для оценки размеров обнаруженных дефектов по сравнению с размерами контрольных отражателей вводится поправочный коэффициент – коэффициент выявляемости.  Мерой коэффициента выявляемости служит отношение площади контрольного отражателя к площади естественного дефекта, расположенного на одинаковой глубине в аналогичном материале и дающего амплитуду эхо-сигнала, одинаковую с контрольным отражателем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Выборнов  Б.И. Ультразвуковая дефектоскопия. М.: Металлургия, 1974. 240 с.
2. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я, Методы неразрушающего контроля. М.:  Высшая школа, 1988. 368 с.
3. Рети П. Неразрушающие методы контроля. М.: Машиностроение, 1972. 208 с.
4. Ультразвук: Маленькая энциклопедия/Под ред. И.П. Голямина М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с.