Методы неразрушающего контроля и ультразвуковые преобразователи
Пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи — ключевые устройства неразрушающего контроля (НК), широко применяемые в различных отраслях промышленности. С развитием современных технологий, особенно в аэрокосмической, ядерной энергетике и интеллектуальном производстве, возрастают требования к стабильности и точности работы преобразователей. Они должны обеспечивать надежный мониторинг оборудования, своевременное предупреждение и предотвращение повреждений критически важных конструкций. В этой статье подробно рассматриваются принципы работы, конструкция и уникальные преимущества пьезоэлектрических преобразователей в неразрушающем контроле.
Что такое неразрушающий контроль?
Неразрушающий контроль (НК) — это методы проверки инженерных материалов, деталей, конструкций и поверхностных дефектов без причинения вреда объекту testing. Методы основаны на изменении физических величин (тепло, звук, свет, электричество, магнетизм), вызванных аномалиями или дефектами внутренней структуры материала.
Методы неразрушающего контроля
1. Ультразвуковой контроль
Основан на принципах распространения и отражения высокочастотных sound waves. Используется для обнаружения дефектов, измерения размеров и характеристики материалов. Ультразвуковые приемники и передатчики применяются для тестирования.
Звуковые волны проходят через материал и отражаются от жесткой поверхности. Время между излучением и приемом волн записывается. Разница во времени в различных частях компонента позволяет выявить дефекты.
Различные режимы ультразвукового контроля применяются для идентификации дефектов, пустот, деградации материала. Тяжелые механические компоненты регулярно проходят ультразвуковой контроль. Пример: обнаружение дефектов и деформаций в колесах и осях железнодорожных вагонов.
2. Вибродиагностика
Распространенный метод мониторинга состояния вращающихся компонентов во время операций. Основной принцип: разные материалы имеют разные характеристики вибрации.
Кроме виброметров, используются различные типы датчиков для измерения вибраций. Они предназначены для измерения смещения, скорости и ускорения, а также смещения, люфта и других неисправностей.
Вибродиагностика предоставляет ценные данные для мониторинга состояния и профилактического обслуживания.
3. Магнитопорошковый контроль (МПК)
Используется для обнаружения приповерхностных дефектов в ферромагнитных материалах. Образец располагается между двумя полюсами электромагнита, и на нем присутствует суспензия магнитных частиц. Метод основан на воздействии магнитного поля на ферромагнитные материалы.
Когда магнитные частицы скапливаются вблизи дефектов и трещин, дефекты на поверхности материала становятся видимыми. Для лучшей видимости используется ультрафиолет.
МПК проводится с помощью мокрых горизонтальных машин или ручных устройств (магнитных ярмов). Применяется для контроля:
- Внутренних и внешних поверхностей котлов и сосудов давления
- Компонентов, поврежденных огнем
- Локомотивов и исторических котлов
- Судов для перевозки сжиженного petroleum gas
- Модификаций сварных ремонтов и проектов под давлением
4. Капиллярный контроль
Применяется, когда магнитопорошковый контроль невозможен. Требует чистоты рабочей поверхности.
Жидкий пенетрант красителя распыляется на область тестирования и удерживается на поверхности. Время выдержки — от 10 минут до часа, в зависимости от характеристик материала.
Проникающая жидкость удаляется сухой тканью. Наносится разработчик. При наличии дефектов красителя обнаружены на поверхности.
Капиллярный контроль проверяет свариваемые поверхности и работает по принципу капиллярного действия.
5. Вихретоковый контроль
Распространенная методика НК, используемая в ручном и автоматизированном тестировании. Основан на принципе электромагнитной индукции.
При подаче напряжения на катушке создалось магнитное поле. При внесении металла в катушку магнитное поле колеблется, и ток в цепи увеличивается. Это вызвано вихревыми токами в металле.
При дефектах или пустотах в материале ток расхода увеличивается. Вихревые токи проходят на большее расстояние, увеличивая сопротивление. Разница в потребляемом токе в разных сечениях материала. Позволяет определить местонахождение и размер дефектов.
Контроль проводится с помощью оборудования: электромагнитных зондов, детекторов тока, кондуктометров (EC-метров). Применяется для сканирования поверхности, обнаружения подповерхностных слоев, проверки сварных швов, проверки труб, проверки термообработки, классификации марок металлов.
6. Рентгеновский контроль и промышленная компьютерная томография (КТ)
Рентген и КТ широко используются в медицинской сфере, но также применяются в промышленности в составе НК.
Рентген и КТ используются для промышленной радиографии, визуализации детальных изображений тестируемого материала. Рентгеновские лучи проходят через компонент, а изображения можно распечатать на пленке или просмотреть в режиме реального времени на компьютерах.
Методы КТ позволяют маркировать цветом различные объекты на основе композитных металлов или с наличием пустот. Рентгеновские лучи могут направляться через исследуемый объект под разными углами для получения более детальных изображений. Рентгеновский контроль и КТ относятся к рентгенографическим исследованиям, где используются различные виды ионизирующего излучения.
Принципы ультразвукового неразрушающего контроля
В ультразвуковом контроле в материале передаются высокочастотные звуковые волны для обнаружения дефектов или изменений свойств материала. Наиболее распространенная методика — импульсно-эхо, когда звук вводится в испытуемый объект, а отражения (эхо) от внутренних дефектов или геометрии поверхности детали, принимаемой приемником. Пример: контроль сварных швов поперечных волн. Отражения от дефектов сварного шва показаны на экране.
Какие пьезоэлементы используются в ультразвуковом НК?
В приложениях УЗ НК обычно используются однослойные пьезоэлектрические датчики. Преобразователи для НК — это тонкие диски или пластины из материала PZT-40, которые работают на очень высоких частотах для генерации очень коротких импульсов и хорошего разрешения по глубине.
Конструкция пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователей
Для преобразователей, подключенных к НК, выбор сердечника из пьезоэлектрического материала особенно важен. Пьезоматериал преобразует электрические сигналы в звуковые сигналы (передающий преобразователь) для преобразования волн ультразвукового контроля в контролируемый объект, а также принимает отраженные звуковые сигналы и преобразует их в электрические сигналы (приемный преобразователь). Поэтому пьезоматериалы должны обладать высокими пьезоэлектрическими константами, коэффициентами электромеханической связи и удельным сопротивлением (для обеспечения звукопотери) как предпосылки для создания высокоэффективных преобразователей. Для преобразователей, работающих в широком диапазоне температур, также важна температурная стабильность пьезоэлектрических свойств.
Согласующий слой
Обычно существует несоответствие акустической импедансной нагрузки и пьезоэлектрического слоя, поэтому выбор согласующего слоя играет важную роль в конструкции преобразователя.
- Материал согласующего слоя: При комнатной температуре смесь эпоксидной смолы и металлического порошка в обратной пропорции дает желаемый акустический импеданс. Для широкого температурного диапазона выбираются оксид алюминия высокой чистоты и другие материалы.
- Толщина согласующего слоя: Обычно вы берете равную 1/4 длины волны звуковой волны и обеспечиваете условию согласования импеданса: Zm = √(Z1 × Zt), где Zm — слой согласования акустического импеданса, Z1 и Zt — нагрузка акустического импеданса и пьезоэлектрический слой соответственно.
Демпфирующий слой
Демпфирующий слой (подложка) расположен за пьезоэлектрическим преобразователем и влияет на производительность. Для получения широкой полосы пропускания, узкого импульса и высокой чувствительности обнаружения необходим защитный слой с соответствующим значением импеданса. Он принимает обратно излучаемые звуковые волны, улучшая разрешение обнаружения.
При комнатной температуре использовали смеси эпоксидной смолы с металлическим порошком (вольфрам, железо, медь). Для высокотемпературных применений применяют циркониевую керамику с изменяющейся пористостью.
Температурная стабильность
Для преобразователей, работающих в широком диапазоне температур, различия в тепловом расширении между внутренними структурами могут привести к повреждению напряжения под напряжением. Поэтому следует выбрать конструкционные материалы с подобранными коэффициентами теплового расширения.
Заключение
Преобразователи пьезоэлектрические ультразвуковые необходимые в ультразвуковой НК. Выбор подходящих пьезоматериалов, согласующих и демпфирующих слоев имеет решающее значение для достижения высокопроизводительных преобразователей с широким диапазоном температур. Эти соображения направлены на эффективное обнаружение и определение характеристик дефектов материалов.
HE-SHUAI производит высококачественные пьезокерамические элементы для преобразователей неразрушающего контроля. Получите консультацию для вашего проекта.
