Jacek SZELĄŻEK

Jacek SZELĄŻEK
IPPT PAN Warszawa
„SUCHE" GŁOWICE DO KONTAKTOWYCH BADAŃ ULTRAŹWIĘKOWYCH
1. WSTĘP
Jednym z problemów, z jakim mają do czynienia operatorzy w czasie ręcznych i
automatycznych badań ultradźwiękowych prowadzonych klasycznymi, piezoelektrycznymi
głowicami, jest konieczność zapewnienia stałego sprzężenia akustycznego. W badaniach
ręcznych operator musi nieustannie dbać o to, aby między głowicą a badanym elementem
znajdowała się ciecz czy żel sprzęgający. W badaniach automatycznych konieczne jest
ciągłe dostarczanie znacznych ilości odpowiednio przygotowanej wody a do monitorowania
stanu sprzężenia wykorzystywane są często specjalne zestawy głowic.
Ciekawym sposobem zmniejszenia ilości cieczowego ośrodka sprzęgającego w badaniach
automatycznych były próby wykorzystania do tego cieczy magnetycznych [1]. Głowice
zastosowane w opisywanym automacie obudowane były metalową ramką, w której
umieszczone zostały stałe magnesy. W czasie ruchu głowicy ciecz magnetyczna
utrzymywana była pod nią przez pole magnetyczne wytworzone tymi magnesami. Na
przeszkodzie szerokiemu rozpowszechnieniu tego ciekawego i skutecznego sposobu
sprzęgania stanęła zapewne cena i trudności w zakupie cieczy magnetycznych.
Problemy z zachowaniem ciągłego i stałego sprzężenia akustycznego uwidaczniają się
szczególnie przy badaniach elementów chropowatych czy gorących, na powierzchniach
których ciecze parują. Dlatego od dawna poszukiwane były sposoby wzbudzania i odbioru
fal ultradźwiękowych bez stosowania ośrodków sprzęgających. Celem pracy jest
przedstawienie kilku przykładów głowic do badań „na sucho".
Zdecydowana większość badanych ultradźwiękowe elementów wykonana jest z metali.
Konieczność stosowania cieczy sprzęgających w czasie badania ich klasycznymi głowicami
wynika głównie z ogromnej różnicy oporności akustycznych między powietrzem i metalem.
Oporność akustyczna stali wynosi 46*106 [kg m-2 s-1] a powietrza 0,0004*10 [kg m-2 s-1].
Stąd, przez granicę po wietrze-stal przechodzi jedynie 0,6% energii fal. Wypełnienie
szczeliny wodą o oporności akustycznej około 1,5*10 [kg m-2 s-1] poprawia sytuację 50krotnie (do stali wnika 35%)! Pokazuje to, dlaczego klasyczne głowice, przy badaniu metali,
nie mogą skutecznie działać bez cieczowego sprzężenia akustycznego.
2. GŁOWICE TYPU EMAT (ELEKTROMAGNETO AKUSTYCZNE)
Głowicami działającymi bez potrzeby stosowania cieczy sprzęgających są głowice typu
EMAT (elektromagneto-akustyczne). Głowice te mogą generować i odbierać fale
ultradźwiękowe w materiałach przewodzących, zarówno w ferromagnetykach i
paramagnetykach. Schemat działania głowicy EMAT, na przykładzie głowicy o najprostszej
konstrukcji, generującej fale poprzeczne o kołowej polaryzacji, pokazuje rysunek 1.
Głowica ta składa się jedynie ze stałego magnesu i spiralnej cewki. Magnes ustawiony
jest tak, że linie pola magnetycznego są prostopadłe do powierzchni badanego elementu.
Cewka, w której płynie prąd zmienny, znajduje się w szczelinie miedzy magnesem i
powierzchnią materiału. Prąd płynący w cewce wzbudza w powierzchniowej warstwie
materiału prądy wirowe. Przepływ prądu w materiale znajdującym się w stałym polu
magnetycznym jest źródłem siły Lorenza powodującej cykliczne odkształcenia materiału.
Odkształcenia te, w tym przypadku równoległe do powierzchni materiału, są źródłem
poprzecznej fali rozchodzącej się normalnie do powierzchni i spolaryzowanej kołowo (w
kierunku promieniowym, prostopadłym do przewodów cewki).
W zależności od wzajemnych kierunków przepływu prądów wirowych, zależnych od
ukształtowania cewki, i pola magnetycznego teoretycznie można wzbudzać wszystkie
typy fal ultradźwiękowych. Działanie i budowa różnych głowic typu EMAT opisana jest w
[2].
Rys. l. Schemat działania głowicy typu EMAT na kołowo spolaryzowane ale poprzczne.
Natężenie generowanej fali jest proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego i
prądów wirowych a skuteczność głowicy gwałtownie spada wraz ze wzrostem szczeliny
między głowicą a powierzchnią materiału. Odległość między cewką a powierzchnią
zazwyczaj nie przekracza 1mm. Delikatna cewka musi być zabezpieczona przed
uszkodzeniem warstwą z tworzywa sztucznego, co w praktyce oznacza, że głowica
EMAT musi dotykać powierzchni badanego elementu (badania kontaktowe).
Głowicami EMAT skutecznie generowane są fale powierzchniowe, fale poprzeczne
rozchodzące się prostopadle do powierzchni i podpowierzchniowe fale poprzeczne typu
SH. Ich skuteczność jako głowic normalnych na fale podłużne jest niestety znikoma.
W literaturze często opisywane są jedynie zalety głowic typu EMAT takie jak
„bezkontaktowy" sposób badania, możliwość ich szybkiego przesuwania czy badania
elementów gorących. Niestety głowice te mają również szereg wad ograniczających ich
zastosowania. Podstawową wadą jest niska skuteczność. Dla porównania, napięcie,
jakie powstaje na okładkach przetwornika piezoelektrycznego przy odbiorze echa dużej
wady jest rzędu setek miliwoltów. W przypadku odbioru echa takiej wady głowicą EMAT,
w jej cewce indukowane jest napięcie jedynie rzędu setek mikrowoltów, czyli tysiąc razy
niższe. Drugą wadą jest wysoki pobór prądu przy generacji fal (w cewce nadawczej
konieczne jest
wzbudzenie prądu o natężeniu 10-20A). Uniemożliwia to budowę miniaturowej i
lekkiej, zasilanej bateryjnie aparatury z głowicami EMAT.
Jeszcze inną, rzadko wspominaną a ważną z praktycznego punktu widzenia
wadą jest to, że silne stałe magnesy przyciągają wszelkie metaliczne
zanieczyszczenia (wiórki, opiłki itp.). Zbierają się one na powierzchni cewki i przy
dociśnięciu głowicy do powierzchni materiału mogą być przyczyną uszkodzenia
delikatnej cewki. Dlatego wykorzystanie głowic EMAT jest ciągle jeszcze
ograniczone do przemysłowych, zautomatyzowanych układów. Przykładem
udanego, od blisko ćwierć wieku [3], zastosowania głowic EMAT jest pomiar
dwójłomności akustycznej wykorzystywany w badaniach naprężeń głowicami
normalnymi na fale poprzeczne. Schemat badania pokazuje rysunek 2. W
badaniu wykorzystywane są fale poprzeczne spolaryzowane liniowo i dlatego
cewka takiej głowicy, w odróżnieniu od pokazanej na rysunku l, posiada kształt
owalny a nie spiralny.
Rys. 2. Schemat badania naprężeń w kole kolejowym głowicą EMAT na fale
poprzeczne spolaryzowane liniowo.
Do wytwarzania i odbioru dal wykorzystana jest jedynie ta część cewki, w której
prąd płynie w jednym kierunku, w równoległych przewodach. Reszta powierzchni
cewki jest pokryta warstwą miedzi ekranującą badany materiał przed
indukowaniem w nim niepożądanych prądów wirowych.
Głowica generuje falę poprzeczną o kierunku polaryzacji prostopadłym do
kierunku przewodów w okienku ekranu. Do wyznaczenia wartości dwójłomności
potrzebna jest znajomość prędkości fal o dwóch wzajemnie prostopadłych
kierunkach polaryzacji. Zmiany kierunku polaryzacji w opisywanej głowicy
dokonuje się przez obrót głowicy, ale zasada działania głowicy EMAT umożliwia
umieszczenie dwóch, wzajemnie prostopadłych cewek, jedna na drugiej. Dolna
cewka, aby nie ekranować górnej, powinna być nawinięta nieco luźniej. W ten
sposób możliwa jest budowa głowicy generującej jednocześnie dwie fale o
wzajemnie prostopadłych kierunkach polaryzacji.
Innym przykładem zastosowania głowic EMAT są automatyczne układy do
wykrywanie wad powierzchniowych w szynach czy rurach, falami
powierzchniowymi, metodą przepuszczania. Układ składa się z dwóch głowic,
nadawczej i odbiorczej, ustawionych we wspólnej obudowie. Rysunek 3
wyjaśnia budowę i sposób działania głowicy na fale powierzchniowe. Cewka ma
kształt meandra. Odsłonięte są fragmenty przewodów biegnących równolegle,
reszta cewki zasłonięta jest ekranem. Odsłonięte przewody wytwarzają w
materiale siły
pokazane na rysunku białymi strzałkami. Są to siły równoległe do powierzchni
powodujące naprzemienne ściskanie i rozciąganie materiału. Jeśli odległości
między poszczególnymi grupami równoległych przewodów cewki odpowiadają
połowie długości fali powierzchniowej w badanym ośrodku, to powstają w nim fale
powierzchniowe rozchodzące się w dwie strony od głowicy (szare strzałki).
Rys. 3. Schemat budowy i działania głowicy EMAT na fale
powierzchniowe. Układ taki zbudowany do badania jakości stalowych
rur opisany jest w [4].
3. GŁOWICE PIEZOELEKTRYCZNE DZIAŁAJĄCE BEZ
OŚRODKA SPRZĘGAJĄCEGO („NA SUCHO")
3.1. GŁOWICE NA FALE POWIERZCHNIOWE Z„SUCHYM" KONTAKTEM
Falami najłatwiej wzbudzanymi i odbieranymi „na sucho" są fale
powierzchniowe. Jeden z układów „suchych" głowic fal powierzchniowych,
nadawczej i odbiorczej, opisany w [5], pokazuje schematycznie rysunek 4.
Klasyczna głowica skośna na fale powierzchniowe osadzona jest na stalowym
falowodzie stykającym się swą krawędzią z powierzchnią badanego elementu.
Fale biegnące po powierzchni falowodu „spływają" na powierzchnię elementu i
w podobny sposób docierają do głowicy odbiorczej osadzonej na drugim,
identycznym falowodzie.
Ciekawą cechą tych głowic jest możliwość wzbudzania i odbioru fal na praktycznie wszystkich
materiałach, niezależnie od prędkości propagacji fal powierzchniowych, poczynając od stali a
kończąc na drewnie czy nawet papierze.
3.2. TWORZYWA SZTUCZNE JAKO „SUCHA" WARSTWA SPRZĘGAJĄCA
Nowe tworzywa sztuczne, elastyczne i charakteryzujące się niskim tłumieniem, umożliwiają
eliminację sprzężenia cieczowego i sprzęganie głowic „na sucho".
W pracy [6] opisane są właściwości akustyczne takiego nowego polimeru opracowanego jako
materiał sprzęgający. Autorzy podają, że tworzywo to może być stosowane do transmisji
podłużnych fal ultradźwiękowych o częstotliwościach do 25 MHz a fal poprzecznych do 2
MHz i może pracować w temperaturach do 200°C.
Fizyczne własności polimeru są następujące: gęstość = 920 kg/m3, prędkość fal L = 1590 m/s,
fal T = 800 m/s, tłumienie fal L (5 MHz) -0,28 dB/mm.
Jak widać gęstość i prędkość w polimerze są bardzo bliskie wartościom dla wody.
Głowica z warstwą tego tworzywa, przyłożona na sucho do stali, pracuje jak klasyczna
głowica z linią opóźniającą wykonaną na przykład z Plexi. Na rysunku 5 pokazano zależności
widma i amplitudy echa dna stalowej od siły docisku głowicy sprzęgniętej warstwą polimeru
do próbki. Głowica sprzęgnięta została z polimerem małą ilością cieczy natomiast granica
polimer - stal pozostawała sucha. W badaniach zastosowano głowicę normalną, na fale
podłużne o częstotliwości 5 MHz. Fakt, że po zmniejszeniu nacisku amplituda pozostawała
wysoka (niskie wzmocnienie), autorzy tłumaczą tym, że raz dociśnięty polimer pozostaje
„przyklejony" do powierzchni próbki.
Rys. 5. Zmiany częstotliwości głównej oraz amplitudy (wzmocnienia) echa dna podczas cyklu
dociskania i odciążania głowicy sprzęgniętej ze stalową próbką za pośrednictwem warstwy
polimeru hydrofilicznego, na sucho.
3.3. GŁOWICA KULKOWA
Opisane w poprzednim rozdziale „klejenie" się polimeru do powierzchni próbki z jednej
strony zmniejsza współczynnik odbicia fal na granicy tworzywo-stal, z drugiej jednak
utrudnia lub uniemożliwia przesuwanie głowicy po powierzchni, szczególnie po
powierzchni chropowatej. Ciekawym rozwiązaniem, wykorzystującym nowe tworzywa i
umożliwiającym łatwe przesuwanie pracującej „na sucho" głowicy jest głowica kulkowa
[7]. Schemat działania i budowę głowicy kulkowej wyjaśnia rysunek 6. Głowica składa się
z płaskiego przetwornika piezoelektrycznego na fale podłużne umieszczonego na górnej,
płaskiej powierzchni elementu wykonanego z tworzywa sztucznego. W dolnej części
element ten posiada sferyczne zagłębienie, dopasowane do stykającej się z nim kulki
wykonanej z elastomeru. Między kulką a elementem z tworzywa nałożona jest mała ilość
żelu sprzęgającego. Uszczelka otaczająca kulkę zabezpiecza przed wypływaniem żelu.
Całość umieszczona jest w obudowie umożliwiającej łatwe operowanie głowicą. Impulsy
fal generowanych przez przetwornik docieraj ą do powierzchni kulki. Wielkości kulki i
przetwornika oraz prędkości propagacji fal w elementach głowicy dobrane są tak, że po
załamaniu fal na powierzchni kulki fale tworzą ognisko na dolnej powierzchni kulki. Czyli w
punkcie, w którym kulka styka się z powierzchnia badanego elementu.
W czasie badania głowicę dociska się do powierzchni, co powoduje częściową
deformację kulki i dopasowanie się jej powierzchni do nierówności powierzchni materiału.
Głowicę można przesuwać w dowolnym kierunku a mechanizm jej ruchu jest taki sam jak
mechanizm pisania długopisem kulkowym. Żel sprzęgający między kulką a elementem,
na którym osadzony jest przetwornik, służy również jako smar dla obracającej się kulki.
Rys. 6. Schemat budowy głowicy kulkowej.
W opisanej w pracy [7] głowicy zastosowano kulkę o średnicy 25 mm i przetwornik
ultradźwiękowy o średnicy 9 mm i częstotliwości 5 MHz. Badania opisanej głowicy
wykazały, że może ona być z powodzeniem wykorzystana do pomiarów grubości
elementów
metalowych, o grubościach powyżej 2 mm, i do wykrywania wad. Siła, z jaka należy
głowicę dociskać do powierzchni elementu wynosi mniej niż l kG.
3.3. GŁOWICE OPONOWE Z NOWYCH TWORZYW.
Głowice tego typu (koło Sperry) znane są od wielu lat. Ich „opony" wykonywane były
z różnego rodzaju gum a ich wnętrza wypełniano wodą lub olejem. Nowe tworzywa,
o własnościach zbliżonych do wody, pozwalają na budowę takich głowic
pozbawionych ich podstawowych wad - odbić fal na granicy cieczy - wewnętrzna
powierzchnia „opony" oraz umożliwiają operowanie takimi głowicami „na sucho". W
pracy [8] opisana jest budowa i działanie takiej głowicy.
Opona głowicy, pokazanej schematycznie na rysunku 7, ma 13 mm grubości i
średnicę zewnętrzną równą 67 mm. Miniaturowa głowica normalna do badań
zanurzeniowych (wodoszczelna, dopasowana akustycznie do wody, ogniskująca, o
częstotliwości 5 MHz) została umocowana wewnątrz wypełnionej wodą opony.
Intencją autorów nowej głowicy było uzyskanie wykrywalności wad i rozdzielczości
badania zbliżonej do uzyskiwanych w badaniach zanurzeniowych. Dlatego testując
ją porównali wyniki badania grubości skorodowanej blachy otrzymane nową głowicą
pracującą „na sucho" oraz z mała ilością wody między oponą a powierzchnia blachy,
z wynikami uzyskanymi metodą zanurzeniową, z wykorzystaniem tej samej głowicy
skupiającej.
Rezultaty porównania pokazuje rysunek 8. Górna część to wyniki badania
zanurzeniowego, środkowa - głowicą oponową zwilżoną dwiema kroplami wody,
dolna - głowicą oponową kontaktującą się na sucho.
Rys. 7. Schemat budowy głowicy oponowej.
4. PODSUMOWANIE
W literaturze opisywane są różnego typu nowe głowice pracujące bez konieczności
stosowania cieczowego sprzężenia akustycznego w tym głowice wykorzystujące
nowe tworzywa sztuczne. Pomimo wielkich ułatwień, jakie nowe typy głowic oferują,
głowice te mają jeszcze liczne ograniczenia i dlatego zapewne w badaniach spoin
czy odlewów, prowadzonych zgodnie z obowiązującymi normami, nieprędko zastąpią
klasyczne (i znacznie tańsze) głowice piezoelektryczne.
7
Rys. 8. Porównanie wyników skanowania grubości skorodowanej blachy
stalowej. a - badanie zanurzeniowe, b - badania głowicą oponową
zwilżoną, c - badania głowicą oponową na sucho.
7. LITERATURA
[1]. Niepublikowane informacje o budowie rosyjskiego, automatycznego układu do
ultradźwiękowych badań spoin.
[2]. Alers G.A., Burns L.R., EMAT Designs for Special Applications, Materials Evaluation,
Vol.45, October 1987, pp.l 184-1194.
[3]. Schneider G., PitshH., Goebbels, Nondestructive Detection and Analysis of S tress
States with Polarized Ultrasonic Shear Waves, Rev. of Progress in Quantitative NDE,
D.O.Thompson and D.E. Chimenti, eds., Plenum Press, New York, 1984
[4]. EMAT do badania rur
[5]. Pęski Z., Ranachowski J., Sposób i urządzenie do wytwarzania powierzchniowych
fal akustycznych, Patent 142 739, 21 stycznia 1984.
[6]. E.A. Ginzel, R.K. Ginzel, Ultrasonic properties of a new Iow attenuation dry couplant
elastomer (NDTnet - February 1996, Yol.l, No.02,
www.ndt.net/article/ginzel/ginzel.htm).
[7]. E.A. Ginzel, R.K. Ginzel, The Ballprobe, NDTnet - February 1996, Vol. l, No. 02,
www.ndt.net/article/ginzel/ginzel2/ginzel2.htm
[8]. S. Bourne, M. Newborough, D. Highgate, Novel Solid Contact Ultrasonic Couplant
based on hydrophilic Polymers, proc. 15yh WCNDT, Roma 2000,
(www.ndt.net/article/wcndtOO/papers/idn406/idn406.htm)