Knepnięcie Metali l Stopów, Nr 26, 1996 PAN - Oddzial KAtowice PL ISSN

Transkrypt

1 26/12 Slidinkatin f Metais and Allys, N 26, 1996 Knepnięcie Metali l Stpów, Nr 26, 1996 PAN - Oddzial KAtwice PL ISSN NOWE TECHNIKI UL TRADŹWIĘKOWYCH BADAŃ MATERIAŁÓW DEPUTAT Julian Instytut Pdstawwych Prblemów Techniki PAN, ul. Świętkrzyska 21, Warszwa Przedstawine przykłady nwych rzwiq;zań w zakresie ultradźwiękwej aparatury d badania materiałów, technik wzbudzania i dbiru fal, a także spsbów ce/'1)1 wad. W szczególnści pisan przetwrniki kmpzytwe, fliwe i mzaikwe, technilq zwierciadła dwrócneg czasu, Jaserwe wzbudzanie i dbiór fal, technilą zbrazwania partą na gniskwaniu za pmcą syntetycznej aparatury (SAFl') w zastswaniu d spin, technilq krywania i ceny rzmiarów wad partą na pmiarach zmian czasu przejścia fal (I'OFD) raz główne zasady badania spin austenitycznych. Sme f the develpments in ultrasnic Nndestructive Testing are described Cmputer cntrlled beam frming, cmpsite and plastic fi/ piezekctric transducers, laser ultrasnics, time reversed mirr,. technique, Synthetic Apel'tul'l Fcusing TechniqU4, Time f F/y Dijfractin Technique and g e nera/ principks f ultrasn/c tuting f austenitic welds are presented. APARATIJRA Nwe defektskpy ultradźwiękwe różnią się wyraźnic d tych, które były wyprdukwane lcilk.a lat temu. Pstęp jest tu dbiciem gólneg rzwju elektrnilei w lcicrunku craz bardziej pwszechneg stswania techniki cyfrwej. Wypsażne w mikrprcesry defektskpy pzwalają na zbieranie, zapamiętywanie i przetwananie danych, autmatyczną ich cenę według zaprgramwanych prcedur i wyknanic prtkłów badania. Dzięki temu mżliwe jest dkładniejsze pisanie wykrytych nicciągłści i lepsza cena własnści i struktury mateńału na pdstawie zmierznych wartści prędkści i współczynnika tłumienia fal ultradźwiękwych. Głwice ultradźwiękwe nic zmieniły się w tak widczny spsób. Pstęp wynika tu głównic z zastswania przetwrników kmpzytwych, fliwych i mzaikwych. Przetwrnilci kmpzytw składają się z pręcików ceramicznych zatpinych w żywicy epksydwej (rys. l). W prównaniu z przetwrnikami z litej ceramiki mają n większą skutecznść elektrakustyczną, mniejszą impc:dancję alcustyczną, mniejsze drgania radialne i znaczną

2 102 elastycznść mechaniczną. Głwice zawierające przetwrniki z flii piezelektrycznej przy takiej samej czułści jak głwice z przetwrnikami ceramicznymi mają znacznie krótszą strefę martwą, pzwalają na łatwiejsze wzbudzanie impulsów fal wyskich częsttliwściach i szerszym widmie, a także na budwf( głwic szerkich wiązkach z jednrdnym ciśnieniem akustycznym w przekrju pprzecznym. pręciki z PZT matryca z ywicy epksydwej Rys. l. Schemat budwy przetwrnika kmpzytweg [l] Na rys.2 pkazan schemat liniweg przetwrnika mzaikweg. Rzmiary składwych przetwrników elementarnych są mniejsze d jednej dziesiątej długści fali. KaZdy z elementów jest dłączny d ddzielneg elektrnicznie sterwaneg nadajnika i dbirnika. Elektrniczne sterwanie jest realizwane przez kmputer według prgramów pzwalających na zmianę czasu pbudzenia pszczególnych elementów. Um:tliwia t sterwanic w szerkim zakresie kształtem i rientacją wiązki fal ultradźwiękwych, a więc np. na dynamiczn gniskwanic w wybranych dległściach czy amiatani wiązką ustalneg sektra matńału. P prawej strnie rysunku 2 pkazan przykładw kształty impulsów ultradźwiękwych w dwóch punktach pla przy liniw narastającym wzdłu:t przetwrnika mzaikweg późnienia mmentu emisji. Na si symetńi przetwrnika amplituda impulsu jest bardz mała. W punkcie 2 le:tącym na prstej dchylnej d si symetńi przetwrnika 33 rejestruje się impulsy maksymalnej amplitudzie. Ten kierunek jest właśnie kierunkiem si wiązki fal ultradźwiękwych przy zastswanym spsbie rzkładu późnienia mmentu startu fal z pszczególnych przetwrników elementarnych. Skśne głw i ce mzaikwe elektrnicznie sterwanym kącie załamania znajdują zastsy.{ania w badaniach złączy spawanych i t zarówn jak pjedyńcze głwice nadawcz-dbircz, jak też w układach głwic. Za pmcą takich głwic łatw dbrać ptymalny kąt załamania dla wykrycia i ceny wad pwierzchniach różnie zńentwanych.

3 103 impuls w punkcie bserwacji 1. impuls w punkcie bserwacji 2. rzk ład pótnlenla emlsjl 0 dla dchylenia 33 ó t Rys.2. Ilustracja zasady elektrniczneg kształtwania wiązki fal ultra.dźwictkwych [2] D zadań specjalnych budwane są głwice hybrydwe stanwiące kmbinacji( głwicy mzaikwej sterwanej elektrnicznie z klasycznymi głwicami ustalnych charakterystykach. W przypadku śrdków aniztrpwych mżna ksztahwać wiązkę z uwzględnieniem zależnśc i prędkści fal d kierunku. Rzwiązania takie są pmcne przy badaniu grubziarnistych dlewów, czy austenitycznych złącz spawanych znanym (np. na pdstawie znajmści technlgii) układz i e mnkrystalicznych ziarn. TECHNIKA ZWIERCIADŁA ODWRÓCONEGO CZASU Znane są trudnści przeprwadzania badań ultradźwiękwych elementów skmplikwanym kształcie nawet wtedy, gdy stsuje się badania zanurzeniwe. Bardz interesujący, samgniskujący wiązkę na wadzie i dpaswujący się d gemetrii pwierzchni badaneg biektu układ z przetwrnikiem mzaikwym pisan w pracy [3). Samgniskwanie i zdlnść adaptacji d gemetrii pwierzchni siągana jest przez wytwarzanie pla ultradźwiękweg dwrócnej gemetrii w stsunku d gemetrii pla dbiteg d wady. Odwrócenie gemetrii pla trzymuje siq przez dwrócenie klejnści czasów emisji impulsów ultradźwiqkwych przez pszczególne elementy głwicy mzaikwej w stsunku d czasów, w których debrane zstały przez te przetwrniki echa wady. Szkice na rys.3 wyj aśniają isttq tej techniki. Każdy przetwrnik elementamy głwicy mzaikwej jest płączny z własnymi urządzeniami elektrnicznymi zawierającymi wzmacniacz, przetwrnik analgw-cyfrwy, układ pamic;ci i prgramwany nadajnik

4 104 Krk. l: rzpznanie ----"\-- wada --'1-- czas " { wada Krk 2: dbiór I..,.. cza.s wada Krk 3: gniskwanie przez dwrócenie czasu --i] (! wada Krk 4: dbiór II Rys.3. Ilustracja techniki zwierciadła dwrócneg czasu impulsów elektrycznych zdlny wytwarzać dwrócne w funkcj i czasu wersje uprzedni debranych i zapamiętanych impulsów, które dtarły d przetwrnika p dbiciu d wady. W pierwszym krku pracy układu nadawany jest d badanej próbki zanurznej w cieczy impuls fal ultradźwiękwych wytwrzny przez jeden lub kilka elementów mzaiki. Impuls ten p dbiciu d wady jest dbierany przez wszystkie przetwrniki elementarne przetwgrnika mzaikweg, przetwarzany z analgweg na cyfrwy i wprwadzany d pamięci (krk 2). Drgi przebywane przez fragmenty fali dbitej d wady d każdeg z przetwrników są różne, a wiqc i czasy ich dbiru bf(dą różne. W trzecim krku pracy każdy

5 los z przetwrników mzaiki pracując jak nadajnik wysyła impuls takim kształcie, jaki uprzedni debmł, ale w dwrtnej chrnlgii. Oznacza t, że najpierw nadaje ten przetwrnik, który debrał statni. Teg typu "zwierciadł" wytwrzy wiązkq_ fal biegnących z pwrtem d źródła, którym była wada. Wysłana teraz wiązka ie zgniskwana na wadzie wykrytej i rzpznanej wstępnie przez impuls "zwiadwczy". Ciśnienie akustyczn fali zgniskwanej na wadzie będzie teraz wielkrtnie większe niż w impulsie rzpznawczym. Ostatni krk t rejestracja echa wady. Dziqki technice cyfrwej cały cykl rzpznawania gemetrii pwierzchni przedmitu i własnści rzpraszających wady, frmwanie skupinej na wadzie wiązki badawczej i rejestracja echa wady zachdzi w czasie rzeczywistym. Opisana technika w znacznym stpniu eliminuje także szumy strukturalne. LASEROWE WZBUDZANIE I ODBIÓR FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH Za pmcą wiązki światła laserweg mżna wzbudzić fale ultradźwiękwe wykrzystując zjawisk termsprężyste alb drzut przy gwałtwnym wyparwaniu materiału z pwierzchni badaneg elementu. W pierwszym przypadku dbiera sic( tak długść fali światła laserweg, by wiązka laserwa była pchłaniana nie na samej pwierzchni, lecz na pewnej krótkiej drdze w głąb badaneg materiału. Wzrst tempemtury w tczeniu miejsca absrpcji krótkieg impulsu światła pwduje pwstanie naprężeń prstpadłych i stycznych d pwierzchni, a wic(c wytwrzenie impulsu fal sprężystych. W drugim przypadku impuls światła dużej energii jest pchłaniany w warstwie pwierzchniwej bardz małej grubści pwdując nagłe wyparwanie materiału. Na zasadzie drzutu w materiale pwstaje impuls fal pdłużnych rzchdzących siq praktycznie w kierunku prstpadłym d pwierzchni. Ułatwia t badania elementów skmplikwanym kształcie pwierzchni. Przy wzbudzaniu fal przez dparwanie materiału mże djść d nieznaczneg uszkdzenia pwierzchni. Dlateg ten spsób wzbudzania mże być stswany przy badaniu elementów przed kńcwą bróbką mechaniczną. Na rys.4 pkazan schemat stanwiska d laserwych badań ultradźwiękwych. W układzie nadawczym znajduje siq silny laser z ptyką d gniskwania i prwadzenia wiązki światła p pwierzchni badaneg materiału. Prpnwane są układy światłwdwe pzwalające wzbudzać fale w wielu punktach płżnych na pwierzchni wybranym kształcie. Nasuwa t mżliwść budwania laserwych głwic ultradżwiqkwych elektrnicznie kształtwanych wiązkach, tak jak t ma miejsce w przypadku piezelektrycznych głwic mzaikwych [4]. Wracające impulsy ultradźwiqkwe pwdują drgania pwierzchni, które są rejestrwane przez układ dbirczy. Główne elementy teg układu t laser dbirczy, interfermetr ptyczny i ftdidy. Drgania pwierzchni pwdują przesuniqcia fazwe w wiązce światła lasem dbirczeg padającej na pwierzchnię badaneg materiału. Za pmcą ptyczneg interfermetru dknuje siq demdulacji wiązki dbitej, a ftdidy przekształcają zmiany

6 106 ptyczne w sygnał elektryczny dpwiadający impulswi ultradżwic(kwemu, który dtarł d pwienchni. Układ dbirczy mże rejestrwać impulsy ultradźwiękwe dchdzące zarówn d pwienchni, z której wprwadzn fale (metda echa), jak też z pwierzchni przciwnej (metda przepuszczania). laser dbirczy (ech) wiazka impulsów laserwych fale pwierzchniwe próbka laser dbirczy (przepuszczanie) Rys.4. Laserwa technika ultradźwiękwa [4] BADANIE STALI AUSTENITYCZNYCH Trudnści w ultradźwiękwych badaniach stali austenitycznych mają swje źródł w grubziarnistej strukturze i znacznej aniztrpii tych stali. Dla badań ultradźwiękwych znacza t silne rzpraszanic fal, mżliwść pwstawania impulsów pdbnych d ech wad w miejscach, gdzie wad nie ma i isttnych dchyleń d prstliniweg rzchdzenia się wiązek fal ultradźwiękwych. Utrudnia t wykrywanie, cenę i lkalizację wad. Najwic;,cej trudnści sprawia badanie austenitycznych płączeń spawanych. Niskie przewdnictw cieplne stali austenitycznych jest przyczyną pwstawania dużych ziarn w spinach. Ziarna te są krystajgraficznie zrientwane według kierunków dpływu ciepła, a te z klei zależą d gemetrii złącza i spsbu jeg wyknania. Przy badaniu głwicami skśnymi część drgi fal przypada na materiał rdzimy, któreg struktura mże różnić się znacznie d struktury stali w spinie. Sytuacja jest wic;,c zasadnicz różna w prównaniu z tą, jaka występuje przy badaniu spin stali ferrytycznych. Pprawę wykrywalnści wad w spinach austenitycznych uzyskuje sic;, przez stswanie głwic skśnych na fale pdłużne zamiast na fale pprzeczne, przez stswanie bardz krótkich impulsów fal, przez wykrzystanie fal pprzecznych splaryzwanych równlegle d pwierzchni, z której wprwadza się fale, przez stswanie technik wizualizacji wad i elektrni<;1znej bróbki sygnałów. Ultradźwiękwe badania stali austenitycznych, a szczególnie badania austenitycznych złączy spawanych stały się ddzielną specjalizacją w badaniach [S]. By nie ppełnić zasadniczych

7 107 błc(dów przy badaniu austenitycznych płączeń spawanych trzeba przestrzegać kilku pdstawwych zaleceń. Prcedury badań pszczególnych spin pwinny być parte na wynikach badań pneprwadznych na reprezentatywnych próbkach tej samej gemetrii i wyknane w taki sam spsób c elementy badane. Próbki te pwinny zawierać wady sztuczne lub naturalne. Rejestrwać należy wskazania pcząwszy d wskazań mżliwie bliskich pzimwi szumów, ale z uwzglctdnieniem mżliwści zarejestrwania wskazań fałszywych. Kryteria niedpuszczalnści wad pwinny brać pd uwagi( zarówn amplitudq echa wady jak też rzmiar wyznaczny w parciu pmiar przesunic;_cia głwicy dpwiadający kreślnym zmianm amplitudy echa. Wykrywalnść i zdlnść d ceny rzmiarów wad różnią siq znacznie w pszczególnych pnypadkach, ale typwe rzmiary wykrywanych wad t wady przecinające pwienchniq zewncttrzną 2 mm głc;.bkie i lo mm długie, i wady wewnqtrzne pniżej l 0% gmbści na granicy płączenia, a 20% grubści w materiale spiny, długści 20 mm. Ogółnie tmdnści w ultradźwic;.kwych badaniach płączeń spawanych ze stali austenitycznych rsną ze wzrstem gmbśc i spiny. Jednakże należy stwierdzić, że znaczne kłpty z interpretacją sygnałów mgą wystąpić także w pnypadku cienkich złącz(< 6 mm) i rzmiar wady niedpuszczalnej dla spin grubych mże być mniejszy d granicznych wad wykrywalnych. W takich przypadkach pmcne jest dwłanie sic( d wyników badań radigraficznych. Bardz ważny jest ds!c(p d spiny z dwóch strn, płaska i gładka pwienchnia spiny raz dstc(p d dkładnej dkumentacji spsbu spawania. Znajmść spsbu spawania pzwala na identyfikacje;_ typweg rzkładu rientacji ziarn, a t umżliwia najbardziej knystny dbór głwic i techniki badania. OCENA CHARAKTERU I ROZMIARU WAD Wielką zaletą metdy ultardźwic(kwej jest duża zdlnść wykrywania wad, a grmnym graniczeniem mała skutecznść w kreślaniu ich charaktem, kształtu i rzmiarów. Pwdem jest wykrzystywanie w stswanych metdach ceny (OWR, OKA, czy wyznaczanie rzmiarów na pdstawie pmiaru przesunic;_cia głwicy przy kreślnym spadku amplitudy echa) bardz granicznej ilści infrmacji wadzie z tych, jakie niesie wiązka dbitych d wady fal ultradźwiqkwych. Sytuacja zmienia siq diametralnie gdy stsuje sic( techniki kmputerwe d zbieraniua i ceny wyników badań. TECHNIKA "MULTI-SAFT" Obraz wady jest dtwarzany na pdstawie zarejestrwanych w pamic;_ci kmputera zmian amplitudy i czasu pnejścia d wady i z pwrtem pdczas przesuwania głwicy nad wadą znajdującą się w wiązce fal ultradźwic;.kwych. Kmputer dtwarza braz wady tak, jakby wadę widział k, a więc przy wyknystaniu twm i gniskwania, których w badaniach ultradźwiqkwych nie ma. Technika la umżliwia jedncześnie dyskryminacji( szumów

8 108 strukturalnych, c zdecydwał jej sukcesach w badaniu grubych austenitycznych złącz spawanych. a) głwica.:;::_;dj_,.'dkkljlli j))./ b) c) d) -2 Q <n.8... b() Q <n.... b() dleg ł ść [mm] dległść {mm) 8 10 Rys. S. Układ d zbierania danych przy badaniu techniką multi-saft i przykładwe zbrazwanie wad: a) widk z góry, b) widk z bku (zaznaczne są dwa krańcwe płżenia głwicy), c) zbrazwanie braku przetpu, d) zbrazwanie żużla

9 109 W pracy [6] pisan zastswanie techniki zbrazwania SAFT d badania cienkich spin austenitycznych. Wykrzystan przedstawiny na rys.5 układ rzdzielnych głwic nadawczej i dbirczej ustawinych skśnie w stsunku d si spiny. Odległść głwicy d wady jest tak duża, że wadq wykrywa siq wiązką kilkakrtnie dbitą d pwierzchni blachy. Płżenie wady, jej kształt i rientacja wpływa na ilść dbić wiązki na drdze d wady d głwicy dbirczej i infrmacja ta jest wykrzystywana w twrzeniu brazu wady przez kmputer. Jakść brazu jest lepsza niż w przypadku badania wady wiązką bezpśredni padającą na wad«(. Ta dmiana techniki SAFT jest nazywana "multi-saft". Zapisu wyników dknuje się w kł 100 płżeniach głwicy dbirczej (5 MHz, 60") przy stałym kącie mic(dzy siami nadajnika i dbirnika dla pitciu różnych płżeń nadajnika p bydwóch strnach spiny. Algrytm gniskwania przensi debrany w każdym płżeniu sygnał d teg miejsca, z któreg mgł nastąpić dbicie, a wic(c twrzy się braz pwierzchni wady. Technika multi-saft pzwala na dróżnienie wad plaskich d wad bjl(tściwych w cienkich spinach (k. 10 mm), gdzie cena charakteru wad dtychczaswymi spsbami bywa szczególnie prblematyczna. TECHNIKA TOFD Drugą, bk wizualizacji, techniką craz cztściej wykrzystywaną d wykrywania i wyznaczania rzmiarów wad jest technika parta na pmiarze czasu przejścia fal ugic;_tych na granicach knturu wady, znana w literaturz pd nazwą TOFD (Time f Flight Diffractin). Technika ta jest pisana w nrmie brytyjskiej BS "Calibratin and Setting up f the Ulirasnic Time f Flight Diffractin TOFD Techniquc fr the Detectin, Lcatin and Sizing f Flaws". Trwają prac nad nrmą eurpejską. r L -.- :==L drukarka Rys.6. Układ d badania złącz spawanych techniką TOFD [7)

10 110 Na rys.6 pkazan schamat układu przeznaczneg d badania złącz spawanych. Ultradźwikwe głwice skśne nadawcza (T) i dbircza (R) są ustawine p bu strnach spiny. Wiązka fal ultradźwikwych jest silnie rzbieżna. Głwica dbircza rejestruje zarówn impulsy rzchdzące się, blisk pwierzchni (fala pdpwierzchniwa l) jak i dbite d dna (4). Czasy przejścia tych impulsów są słe dla danej gemetrii. Gdy w bszarze wiązki znajduje si wada, bk impulsów l i 4 pjawią się impulsy dchdzące d głwicy dbirczej p ugiqciu na górnej krawdzi wady (impuls 2) i na dlnej krawl(dzi wady (impuls 3). Zarejestrwane czasy przejścia impulsów pzwalają wyznaczyć ro'.z:miar wady w kierunku grubści. D wypełnienia wiązką ultradźwikwą całej grubści elementu nie zawsze wystarcza jedna głwica nadawcza. Przy badaniu grubych złącz spawanych stswane są bardziej rzbudwane układy głwic. W badaniach przemysłwych rejestrwane są zmiany czasów przejścia pdczas przesuwania układu głwic w kierunku prstpadłym d spiny i wzdłuż spiny. Stswane są precyzyjne skanery i cyfrwa technika zapisu impulsów. Zapisywane są frnty impulsów debranych w kreślnych płżeniach głwic. Przez dbór dległści mil(dzy głwicami, częsttliwści i wymiarów przetwrników mżliwa jest ptymalizacja układu dla kreślnych grubści, krzywizn i spsbów spawania. Obróbka zapisanych danych pzwala wykryć i kreślić wymiary wad ze znacznie wyższym prawdpdbieflstwem i większą dkładnścią, niż jest t mżliwe metdą radigraficzną czy ultradźwikwą metdą echa. Literatura [l] Splitt G., Speier P., Głwice ultradźwikwe d zadań specjalnych. właściwa jakść jak pmc dla eklgii i eknmii. Materiały seminarium "Uitradźwikwe Badania Materiałów", Zakpane , str.j-10. [2] Behm R., Erhard A., WUstenberg H., Sund field distributin in simulated ply erystal Prc. 6th Eurpean Cnference n Nn Destructive Testing, Nicea 1994, pp [3] Fink M., Time-reversal rnirrrs. Jurnal f Appl. Phys., 26, 1993, pp.l-18. [41 Chquet M., Aussel J.-D., Buchard P., Padileau C., Hen R., Industrial applicatin f laser ultrasnics. Prc. 6th Eurpean Cnference n Nn Destructive Testing, Nicea 1994, pp [5] Shcpherd B.W.O., Ultrasanic inspectin f austenitic welds an verwiev based n 15 years practical cx:perience. Prc. 6th Burpean Cnference n Nn Destructive Testing, Nicea 1994, pp [6] De Krn M.G.M., van't Veen P.P., Lrenz M., Ul trasnic characterizatin f defects in thin stel plates using multi-saft, Prc. 6th Eurpean Cnference n Nn Destructive Testing, Nicea 1994, pp [7] Verkijcn J., TOFD used t replace radigraphy. Insight, 37(1995), 6, pp