УЛЬТРАЗВУКОВОЙ НАКЛОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля, а именно к пьезоэлектрическим ультразвуковым преобразователям, которые могут использоваться, в частности, при контроле скрытых дефектов сварных соединений. Наклонные пьезоэлектрические преобразователи предназначены для возбуждения и приема продольных и поперечных волн, распространяющихся под определенным углом к поверхности контролируемого изделия.

Известно устройство ультразвукового наклонного преобразователя, содержащее корпус, расположенную в нем призму, пьезоэлемент, размещенный внутри призмы с демпфером, описанное в книге Ермолова И.Н. «Теория и практика ультразвукового контроля» - М.: Машиностроение, 1981, с.91, рис.40 в.

Известны пьезоэлектрические наклонные преобразователи, содержащие пьезоэлемент и преломляющее тело в виде призмы, осуществляющие контроль путем ввода ультразвуковых колебаний под заданным углом в заданную среду (авторские свидетельства СССР №1755177, 1992 г. и №1777073, 1992 г., а также патент Российской Федерации №2024012, 1994 г., МПК G 01 N 29/04).

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является ультразвуковой наклонный преобразователь по авторскому свидетельству СССР №1099274, G 01 N 29/04, 1984. Указанный преобразователь содержит корпус, на внутреннюю поверхность которого нанесен демпфирующий слой, призму с наружной поверхностью по форме усеченной гиперболы, пьезоэлемент, размещенный в части призмы, предназначенной для установки на контролируемое изделие.

Известно, что для контроля качества сварных соединений тонкостенных изделий используются наклонные ультразвуковые преобразователи, которые наряду с высокой чувствительностью должны обладать небольшими габаритами и малыми стрелами. Общими недостатками известных ультразвуковых преобразователей являются:

- контроль сварных швов изделий ограничен фокусным расстоянием и стрелой преобразователя;

- большая стрела преобразователя не позволяет проконтролировать корень сварного шва изделий малой толщины.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков аналогов, а именно обеспечение ультразвукового наклонного преобразователя такими конструктивными средствами, которые позволяют уменьшить стрелу преобразователя, значительно увеличить возможности контроля сварного соединения центральным лучом, расширить диапазон контролируемых толщин сварных швов и повысить надежность контроля.

Поставленная задача решается за счет того, что ультразвуковой наклонный преобразователь содержит корпус и призму, при этом одно из оснований призмы выполнено в виде большого параболоидного зеркала, на другом основании призмы выполнено малое параболоидное зеркало и поверх него установлен пьезоэлемент с центральным отверстием под малое параболоидное зеркало, при этом к большому параболоидному зеркалу с внешней стороны подсоединен волновод, а зеркальная поверхность малого параболоидного зеркала направлена навстречу зеркальной поверхности большого параболоидного зеркала и их фокальные пятна совмещены.

Полость корпуса преобразователя заполняют демпфирующим материалом.

Волновод преобразователя выполнен с косым срезом на торце и прилегает к краю контактной поверхности корпуса (поверхности, контактирующей с изделием) преобразователя.

Кроме того, диаметр волновода предпочтительно равен внутреннему диаметру центрального отверстия пьезоэлемента.

Технический результат, который получают при осуществлении заявленного изобретения, достигается за счет того, что ультразвуковой наклонный преобразователь снабжают двумя параболоидными зеркалами, зеркальные поверхности которых обращены друг к другу, а фокальные пятна совмещены. Для обеспечения максимальной концентрации ультразвуковой энергии пьезоэлемент выполнен кольцевой формы с центральным отверстием и установлен на плоской поверхности одного из оснований призмы. По центральной оси большого параболоидного зеркала закреплен волновод. Малое параболоидное зеркало имеет размер, который определяется диаметром пучка лучей, проходящих через волновод в контролируемое изделие.

Получаемый технический результат заключается:

- в расширении номенклатуры изделий, которые можно контролировать посредством предложенного преобразователя (расширение диапазона контролируемых толщин сварных швов) за счет уменьшения стрелы преобразователя,

- в обеспечении возможности контроля сварного соединения центральным лучом, что позволяет повысить точность и надежность контроля.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен ультразвуковой наклонный преобразователь (в разрезе).

Ультразвуковой наклонный пьезоэлектрический преобразователь предназначен для возбуждения и приема продольных и поперечных волн, распространяющихся под определенным углом к поверхности контролируемого изделия. Угол ввода в сталь составляет от 30° до 73°.

Преобразователь состоит из корпуса 6, внутри которого наклонно установлена призма, образованная двумя основаниями и боковой поверхностью, выполненная из пластика, например полиамида. Корпус 6 имеет контактную поверхность (плоскость или цилиндрическую поверхность), предназначенную для установки на исследуемое изделие. Внутренняя полость корпуса заполнена износостойким и демпфирующим материалом 7.

Одно из оснований призмы выполнено с внешней стороны плоским по периферии, и на плоской внешней части основания установлен пьезоэлемент 1 кольцевой формы с центральным отверстием. К электродам пластины пьезоэлемента электрически подсоединен дефектоскоп, то есть электрические выводы от пластины пьезоэлемента 1 припаяны к ламелям, от которых посредством проводников осуществляется соединение с разъемом, к этому разъему подсоединяют дефектоскоп (перечисленные соединения на чертеже не показаны). Второе основание призмы представляет собой большое параболоидное зеркало 2, поверхность которого образована вращением усеченной гиперболы.

Малое параболоидное зеркало 4, выполненное за одно целое с первым основанием призмы, расположено в центральном отверстии пьезоэлемента 1. Зеркальная поверхность малого параболоидного зеркала 4 направлена навстречу зеркальной поверхности большого параболоидного зеркала 2, а фокальные пятна 3 обоих зеркал 2 и 4 совмещены.

К большому параболоидному зеркалу 2 подсоединен волновод 5, расположенный с внешней стороны призмы. Другой конец волновода имеет косой срез и прилегает изнутри к краю контактной поверхности корпуса 6 максимально приближенно к контролируемой площади изделия. Внутренний диаметр волновода 5 равен внутреннему диаметру центрального отверстия в кольцевом пьезоэлементе 1.

Волновод 5 подведен к краю контактной поверхности корпуса 6 в зоне ее сочленения с вертикальной стенкой.

Ультразвуковой наклонный преобразователь работает следующим образом.

Предварительно дефектоскоп настраивается по искусственному дефекту на эталоне на предельную чувствительность в зависимости от толщины стенки контролируемого изделия. Затем преобразователь устанавливается контактной поверхностью (плоскостью, цилиндрической поверхностью) на контролируемое изделие 8 в непосредственной близости от контролируемого сварного шва. Конструкция преобразователя позволяет разместить точку ввода максимально приближенно к месту контроля. Электрический импульс от дефектоскопа (на чертеже не показан) подается на пьезоэлемент 1. При возбуждении кольцевого пьезоэлемента 1, создающего плоские продольные волны, генерируемый им ультразвуковой поток, отражаясь от зеркальной поверхности большого параболоидного зеркала 2, фокусируется в совмещенном фокусном пятне 3 малого 4 и большого 2 зеркал. Далее, отражаясь от зеркальной поверхности малого параболоидного зеркала 4, плоская волна, распространяется по волноводу 5, диаметр которого равен внутреннему диаметру центрального отверстия пьезоэлемента 1, и далее, преломляясь, вводится в контролируемое изделие, сообщая ему ультразвуковые колебания.

При наличии дефекта в сварном шве ультразвуковая волна отражается от него, и часть ее возвращается к пьезоэлементу. Пьезоэлементом 1 акустический эхосигнал и преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный амплитуде акустического эхо-сигнала. С контактов пьезоэлемента 1 электрический сигнал передается в ультразвуковой дефектоскоп.

На экране дефектоскопа наблюдается эхосигнал от дефекта, позволяющий определить его залегания и условные размеры.

Использование: для акустического неразрушающего контроля изделий. Сущность: заключается в том, что ультразвуковой наклонный преобразователь содержит корпус, внутри которого наклонно установлена призма, при этом одно из оснований призмы выполнено в виде большого параболоидного зеркала, на другом основании призмы выполнено малое параболоидное зеркало и установлен пьезоэлемент с центральным отверстием под малое параболоидное зеркало, при этом большое параболоидное зеркало с внешней стороны сочленено с волноводом, а зеркальная поверхность малого параболоидного зеркала направлена навстречу зеркальной поверхности большого параболоидного зеркала и их фокальные пятна совмещены. Технический результат: расширение номенклатуры изделий, которые можно контролировать посредством предложенного преобразователя, обеспечение возможности контроля сварного соединения центральным лучом, повышение точности и надежности контроля. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ультразвуковой наклонный преобразователь, характеризующийся тем, что он содержит корпус, внутри которого наклонно установлена призма, при этом одно из оснований призмы выполнено в виде большого параболоидного зеркала, на другом основании призмы выполнено малое параболоидное зеркало и установлен пьезоэлемент с центральным отверстием под малое параболоидное зеркало, при этом большое параболоидное зеркало с внешней стороны сочленено с волноводом, а зеркальная поверхность малого параболоидного зеркала направлена навстречу зеркальной поверхности большого параболоидного зеркала и их фокальные пятна совмещены.2. Ультразвуковой наклонный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что полость корпуса заполнена демпфирующим материалом.3. Ультразвуковой наклонный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что волновод имеет косой срез и прилегает к краю контактной поверхности корпуса преобразователя.4. Ультразвуковой наклонный преобразователь по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что диаметр волновода равен внутреннему диаметру центрального отверстия пьезоэлемента.