Способ №2. Использование оптико-акустического преобразования
Рис. 4.10. Принцип лазерного термооптического возбуждения ультразвука.
Принцип лазерного термооптического возбуждения ультразвука схематически показан на рис.4.10. Лазерный импульс падает из прозрачной среды по нормали на поверхность поглощающей среды. На рис. 4.10 ось Z направлена вглубь поглощающей среды, плоскость z = 0 — граница поглощающей и прозрачной сред.
При поглощении лазерного импульса происходит неоднородный нестационарный нагрев приповерхностного слоя среды, который приводит к возникновению механических напряжений в поглощающей среде. При этом как в прозрачную, так и в поглощающую среду начинают распространяться импульсы продольных акустических волн. Амплитуда и временная форма (и, соответственно, частотный спектр) термооптически возбуждаемого ультразвукового импульса — оптико-акустического (ОА) сигнала — определяется временной зависимостью интенсивности поглощенного лазерного импульса и теплофизическими параметрами поглощающей среды (коэффициентом поглощения света, коэффициентом теплового расширения и теплоемкостью). При использовании импульсных лазеров с модуляцией добротности (Lτ имеет порядок десятков наносекунд, энергия в импульсе порядка 10 мДж) амплитуда ОА сигналов может достигать десятков и сотен атмосфер, а их спектр — простираться от долей до сотен мегагерц.
Рис. 4.11. Принцип работы источника УЗ с использованием ОА генератора.
При поглощении лазерного импульса в ОА источнике в нем возбуждается ультразвуковой импульс продольных акустических волн с известными амплитудой и частотным спектром — зондирующий (опорный) импульс, который затем распространяется в исследуемом образце и регистрируется с помощью специально разработанного широкополосного пьезоприемника, находящегося в акустическом контакте с образцом. Для обеспечения такого контакта ОА источник, образец и пьезоприемник разделяются слоями иммерсионной жидкости (дистиллированной воды) толщиной 1,8 мм.
Применение лазерных источников ультразвука позволяет использовать метод измерения фазовой скорости продольных акустических волн «по тройному пробегу» для образцов малой толщины (от 0,1…0,3 мм). Такая возможность обусловлена малой длительностью опорного ультразвукового сигнала; соответственно, импульс, однократно прошедший образец, и импульс после тройного пробега в образце, не будут перекрываться. В этом заключается основное преимущество лазерного оптико-акустического метода перед традиционными методиками ультразвуковой спектроскопии, которые позволяют исследовать образцы металлов и сплавов с толщиной более нескольких миллиметров.
Рис. 4.12. Формы ультразвуковых сигналов ПЭП и лазерного источника с ОА – генератором.
При одинаковых частотах УЗ импульсов длительность импульса лазерного ультразвука в 6-7 раз меньше, чем для ПЭП.
ЛЕКЦИЯ №5. ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ КОНТРОЛЯ
Ультразвуковой контроль сварных соединений проводится в соответствии с ГОСТ 14782-86. «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые». Данный нормативный документ устанавливает методы ультразвукового контроля стыковых, угловых, нахлесточных и тавровых соединений, выполненных дуговой, электрошлаковой, газовой, газопрессовой, электронно-лучевой и стыковой сваркой оплавлением в сварных конструкциях из металлов и сплавов для выявления трещин, непроваров, пор, неметаллических и металлических включений.
Рассмотрим основные схемы ультразвукового контроля сварных соединений.
Эхо-метод контроля
Рис. 5.1. Схема эхо-метода ультразвукового контроля.
Эхо-метод УЗ-контроля основан на регистрации сигнала, отраженного от несплошности (дефекта) (рис. 5.1). Если дефект найден – на экране дефектоскопа появляется сигнал, если дефекта нет – нет и сигнала на экране прибора.
О величине дефекта судят по амплитуде принимаемого сигнала.
Преимущества: односторонний доступ, высокая чувствительность, высокая точность определения координат дефектов, возможность слежения за качеством акустического контакта, наличие одного ПЭП.
Недостатки: низкая помехоустойчивость, резкая зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта. Этим методом контролируют около 90% сварных соединений толщиной 4мм и более.
Теневой метод
Рис. 5.2. Теневая схема ультразвукового контроля.
Теневая схема работает следующим образом: при отсутствии несплошности приемник устойчиво принимает сигнал от источника, если на пути следования луча появляется несплошность, то сигнал, который принимает приемник, резко ослабевает или исчезает полностью. Если есть дефект – нет сигнала, дефекта нет – сигнал присутствует (рис. 5.2.).
О величине дефекта судят по уменьшению амплитуды УЗ-колебаний от излучателя к приемнику. Чем больше размер дефекта, тем меньше амплитуда прошедшего сигнала. Излучатель и приемник расположены при этом соостно как противоположных поверхностях изделия. При этом методе можно контролировать изделия ограниченного сечения небольшой толщины.
Недостатки: сложность ориентации ПЭП относительно друг друга; более низкая чувствительность (10 – 20 раз) по сравнению с эхо-методом, неточность определения координат дефектов.
Преимущества: высокая помехоустойчивость сигнала от ориентации дефекта.