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*10 6 [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 50- krotnie (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/m 3, 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)