Defektoskopia ultradÿwiêkowa polietylenu

Transkrypt

1 58 ukasz WIERZBICKI ukasz WIERZBICKI Politechnika Œl¹ska Instytut Materia³ów In ynierskich i Biomedycznych Defektoskopia ultradÿwiêkowa polietylenu Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badañ wykrywalnoœci defektów w próbkach polietylenowych z wykorzystaniem metody ultradÿwiêkowej. W badaniach wykorzystano polietylen wysokiej gêstoœci, z którego wykonano próbki, wprowadzaj¹c do nich wady w postaci otworów przelotowych. Czêœæ defektów o ró nej wielkoœci zosta³a umieszczona w tej samej odleg³oœci od powierzchni badania. Pozosta³e defekty, których œrednice s¹ równe, rozmieszczono równomiernie w przekroju próbki. W ten sposób przygotowane próbki poddano badaniom na defektoskopie ultradÿwiêkowym i porównano wyniki. ULTRASONIC FLAW DETECTION OF POLYETHYLENE Summary. This paper presents the results of the detection of defects in polyethylene samples using ultrasonic methods. For investigation purposes used high density polyethylene, from where samples have been made with hole shape defects. Some part of defects which have a different size have been situated in the same distance from testing surface. The rest of defects, which have identical diameters, have been situated uniformly in the intersection of sample. Samples prepared in this way have been investigated on the ultrasonic defectoscope and the results have been compared. 1. WSTÊP Badania nieniszcz¹ce s¹ zespo³em procedur badawczych umo liwiaj¹cym uzyskanie informacji o wadach, niezgodnoœciach, stanie fizycznym i w³aœciwoœciach materia³ów obiektów badanych bez spowodowania zmiany ich cech u ytkowych [1]. W badaniach nieniszcz¹cych istotn¹ rolê odgrywa ocena uzyskanego wyniku badania. St¹d staje siê konieczne odniesienie wyników do próbek wzorcowych. Jednym z wa niejszych dzia³ów badañ nieniszcz¹cych jest defektoskopia zespó³ metod s³u ¹cych do okreœlenia po³o enia, kszta³tu, wielkoœci anomalii struktury. Przyczyn¹ tych e anomalii s¹: pêkniêcia, pustki i obce wtr¹cenia w materiale. Analizuj¹c obraz defektoskopowy nale y zwróciæ uwagê na kszta³t, wielkoœæ i charakter anomalii. Defekty o ostrych kszta³tach zazwyczaj s¹ przyczyn¹ koncentracji naprê êñ w materiale i mog¹ zarodkowaæ zniszczenia wyrobu. Nieci¹g³oœci w postaci sferycznych pustek, s¹ najmniej niebezpieczne. W zale noœci od obiektu, nieci¹g³oœci mog¹ byæ w ró ny sposób usytuowane [2,3]. Przy obci¹ eniach zmiennych nale y zwracaæ szczególn¹ uwagê na nieci¹g³oœci powierzchniowe, gdy stanowi¹ one ogniska pêkniêæ zmêczeniowych. Defektoskopia ultradÿwiêkowa jest jedn¹ z najbardziej znanych metod nieniszcz¹cego okreœlenia wielkoœci i po³o enia wad w materia³ach. Najbardziej popularn¹ technik¹ detekcji jest metoda echa. W metodzie tej wykorzystuje siê g³owicê, która pocz¹tkowo stanowi nadajnik impulsów, a nastêpnie odgrywa rolê odbiornika. Sygna³ wysy³any przez g³owicê do materia³u ulega odbiciu od przeciwleg³ej powierzchni lub/i od defektu, wraca do g³owicy. Ilustracjê przedstawiaj¹c¹ zasadê prowadzenia badañ przy wykorzystaniu metody echa przedstawia rysunek 1. Na rysunku, u góry przedstawiono g³owicê, która wprowadza do obiektu pod³u n¹ falê ultradÿwiêkow¹, natomiast poni ej przedstawiono obraz wyœwietlany na ekranie defektoskopu. Kiedy g³owica znajduje siê w po³o eniu 1, na ekranie defektoskopu widoczne jest echo dna obiektu. Je eli g³owica znajduje siê w po³o eniu 2 i jeœli nieci¹g³oœæ nie przys³ania ca³kowicie wi¹zki fal ultradÿwiêkowych, na ekranie defektoskopu obserwuje siê zarówno echo nieci¹g³oœci jak i echo dna obiektu. Wykryte nieci¹g³oœci maj¹ ró ny wp³yw na dalsze u ytkowanie obiektu mog¹ dyskwalifikowaæ obiekt, ale mog¹ byæ przyczynkiem do naprawy lub w uzasadnionych przypadkach nie wp³ywaæ na dalsz¹ eksploatacje obiektu. Badania ultradÿwiêkowe nie s¹ tak popularne w diagnostyce materia³ów polimerowych, jak to zachodzi w przypadku materia³ów metalowych. Jednak e w przypadku materia³ów polimerowych fale ultradÿwiêkowe IN Rys. 1. Nieci¹g³oœæ obiektu, przebieg pod³u nej fali ultradÿwiêkowej i sygna³y obserwowane na ekranie defektoskopu przy wykorzystaniu metody echa [3]

2 Defektoskopia ultradÿwiêkowa polietylenu 59 stosowane s¹ jako wyk³adnik stanu degradacji materia³u [4,5,6]. Natomiast stosunkowo ma³o jest publikacji [7,8,9] traktuj¹cych o mo liwoœci wykorzystania metod ultradÿwiêkowych w odniesieniu do tradycyjnej defektoskopii materia³ów polimerowych. Taka sytuacja by³a przyczynkiem do napisania tego artyku³u Materia³ badawczy 2. BADANIA P³ytê z polietylenu wysokiej gêstoœci, przeciêto na pile ramowej i poddano frezowaniu na frezarce uniwersalnej. Z materia³u otrzymano cztery próbki w kszta³cie prostopad³oœcianu o wymiarach 23, mm, po czym, przy u yciu wiertarki sto³owej, wprowadzono do nich defekty w postaci otworów o œrednicy zmieniaj¹cej siê od 10 do 2 mm, rozmieszczonych jak pokazano na rysunku 2. W trzech próbkach, otwory o tak zró nicowanej W badaniach pos³u ono siê ultradÿwiêkowym defektoskopem cyfrowym UMT 17 firmy ULTRAMET, komunikuj¹cym siê z komputerem standardu PC za poœrednictwem ³¹cza USB. Defektoskop jest wyposa ony w specjalistyczne oprogramowanie umo liwiaj¹ce ustalanie parametrów badania, a tak e przebiegu fali ultradÿwiêkowej. Program obs³ugi defektoskopu umo liwia prowadzenie pomiarów automatycznych oraz pomiarów manualnych (kursorowych). Pomiary automatyczne dokonywane s¹ w obszarze monitorów pomiarowych M1 i M2. Wykorzystano je do wyznaczenia maksymalnej amplitudy badanych sygna- ³ów oraz okreœlenia odleg³oœci, na jakiej je uzyskano. Zdolnoœæ do wykrywania makroskopowych defektów wykazano stosuj¹c g³owicê typu 2LDL13 firmy UNI- PAN, o nastêpuj¹cych parametrach: czêstotliwoœæ drgañ w³asnych przetwornika: 2 MHz, rodzaj wzbudzanych fal: pod³u ne, œrednica przetwornika: 13 mm, rodzaj g³owicy: dwuprzetwornikowa. G³owicy tej u yto ze wzglêdu na stosunkowo niewielkie zak³ócenia w³asne, w porównaniu do innych testowanych g³owic oraz jej uniwersalnoœæ, gdy g³owica emituj¹ca fale ultradÿwiêkowe z czêstotliwoœci¹ 2 MHz umo- liwia zarówno badanie stali, jak i materia³ów polimerowych, co stanowi tak e u³atwienie w przeprowadzeniu badañ porównawczych Badania polietylenu Rys. 2. Wymiary otworów i sposób ich rozmieszczenia w próbkach. œrednicy umieszczono na jednakowej g³êbokoœci, wynosz¹cej 3 mm, po to, aby mo liwe by³o zbadanie, jak ich wielkoœæ wp³ywa na wykrywalnoœæ defektów. Czwarta próbka posiada wy³¹cznie otwory o œrednicy 5 mm, usytuowane w przekroju próbki tak, by ich odleg³oœæ od powierzchni, po której porusza siê g³owica ultradÿwiêkowa, wzrasta³a. Taka lokalizacja nieci¹g³oœci umo liwia sprawdzenie, w jaki sposób zró nicowanie g³êbokoœci zalegania wad wp³ywa na otrzymane wskazania Badania wykrywalnoœci defektów ultradÿwiêkow¹ metod¹ echa Po odpowiednim wyskalowaniu defektoskopu zosta³ uzyskany wyraÿny obraz odbicia od dna próbki, o czym œwiadczy odleg³oœæ, w której pojawi³ siê refleks, wynosz¹ca 24 mm (rys. 3). Pomiar gruboœci próbki by³ obarczony b³êdem ±0,5mm, czego dowiod³y badania na kolejnych próbkach. U yty defektoskop potrafi zobrazowaæ pojedyncze odbicie od dna próbki. Fala propaguj¹ca w badanym polietylenie ulega stosunkowo szybkiemu wygaszeniu. Prêdkoœæ jej wnikania do materia³u wynosi³a 2450 m/s. G³owicê ultradÿwiêkow¹ przesuwano stopniowo z obszaru litego materia³u w stronê wady o œrednicy 10 mm. Odleg³oœæ (na osi x) 4,75 mm, na jakiej uzyskano drugi refleks (rys 4), odpowiada g³êbokoœci zalegania wady, jednak nie jest to centralne po³o enie g³owicy nad nieci¹g³oœci¹, gdy przesuwaj¹c j¹ dalej amplituda refleksu wzrasta, co jest charakterystyczne przy zwiêkszaj¹cej siê dok³adnoœci usytuowania przetwornika nad wad¹. Nasuwa siê wiêc stwierdzenie, e fala ultradÿwiêkowa uleg³a odbiciu od krawêdzi przeszkody, a poniewa ma ona kszta³t cylindryczny, wskazanie pojawi³o siê na g³êbokoœci wiêkszej ni 3 mm. Wartoœæ ta, jest najwiêksz¹ odleg³oœci¹ pomiêdzy otworem sztucznej wady a powierzchni¹ próbki. W celu uzyskania wyraÿnego obrazu odbicia fali od defektu, zwiêkszono wartoœæ wzmocnienia do 72,40 db, przy niezmienionej wartoœci podciêcia -49,46 %. Przy tak du ym stopniu wzmocnienia, refleks powsta³y po odbiciu od dna próbki zosta³ przesuniêty w lewo, w kierunku mniejszej odleg³oœci od dna, równej 23,36 mm. Odleg³oœæ ta zwiêksza siê do 23,63 mm, kiedy wi¹zka fal napotyka na swej drodze wadê. Wynika to prawdopodobnie z powodu przes³oniêcia przez otwór fal padaj¹cych prosto-

3 60 ukasz WIERZBICKI Rys. 3. Obraz odbicia od dna próbki polietylenowej w odleg³oœci 24,08 mm, przy wzmocnieniu 59,20 db i podciêciu -49,46 % Rys. 4. Drugi refleks ukazuj¹cy siê na g³êbokoœci 4,75 mm (po lewej) w chwili napotkania przez g³owicê przeszkody w postaci otworu o œrednicy 10 mm. padle do dna badanego materia³u. Przesuwaj¹c g³owicê po powierzchni nad otworem, w stronê powierzchni materia³u litego, nastêpuje stopniowy zanik piku pochodz¹cego od wady i pojawienie siê refleksu, utworzonego w wyniku odbicia od dna próbki. Odczyt z defektoskopu by³ bardzo podobny dla pozosta³ych otworów, sztucznych wad, o ró nej wielkoœci, umieszczonych w odleg³oœci 3 mm od powierzchni próbki badawczej. Wraz ze zmniejszaniem siê ich œrednicy, mala³a amplituda sygna³u otrzymanego po odbiciu od wady. Jednak przy œrednicach wad mniejszych ni 4 mm zauwa ano dwa piki w tym jeden pojawiaj¹cy siê w odleg³oœci odpowiadaj¹cej gruboœci próbki. Przy centralnym ustawieniu g³owicy ultradÿwiêkowej nad tymi stosunkowo niewielkimi defektami, wi¹zka fal nie uleg³a ca³kowitemu przes³oniêciu przez nieci¹g³oœci. Znaczna jej czêœæ odbija³a siê od dna próbki. Ju przy ustawieniu przetwornika bezpoœrednio nad otworem o œrednicy 4 mm pojawia³ siê drugi pik, co ilustruje rys. 5. Dla otworów o œrednicy 5 mm, usytuowanych w ró - nej odleg³oœci od powierzchni badania, otrzymano nastêpuj¹ce wyniki: otwór umieszczony najbli ej powierzchni, w odleg³oœci 2,5 mm, da³ refleks o najmniejszej amplitudzie. Przy wiêkszych odleg³oœciach wady od powierzchni, po której przemieszczano g³owicê, zaobserwowano wzrost amplituda pochodz¹cej od echa wady co zosta³o przedstawione na rys. 6 i 7 dla otworów po³o onych na g³êbokoœciach odpowiednio 2,5 mm i 5,5 mm. Efekt ten mo e byæ spowodowany obecnoœci¹ wady blisko powierzchni badania. Wada zalegaj¹ca na g³êbokoœci 2,50 mm przypuszczalnie jest wykrywana w zakresie pola bliskiego g³owicy ultradÿwiêkowej. Mog¹ o tym œwiadczyæ zalecenia dotycz¹ce u ywania g³owicy 2LDL13 do wykrywania wad zalegaj¹cych w stali, w od- Rys. 5. Ilustracja odbicia fali od otworu 4 mm, w odleg³oœci 3,31 mm i pojawiaj¹cy siê po prawej stronie zaznaczony refleks od dna próbki w odleg³oœci ok. 25,00 mm, przy centralnym ustawieniu g³owicy nad nieci¹g³oœci¹

4 Defektoskopia ultradÿwiêkowa polietylenu 61 Rys. 6. Obraz przedstawiaj¹cy odbicie fali ultradÿwiêkowej od wady zalegaj¹cej na g³êbokoœci 2,50 mm od powierzchni badania. Rys. 7. Obraz przedstawiaj¹cy odbicie fali ultradÿwiêkowej od wady zalegaj¹cej na g³êbokoœci 5,50 mm od powierzchni badania. Rys. 8. Obraz refleksu powsta³ego od otworu po³o onego na g³êbokoœci 16,60 mm od pow. badania, oraz refleksu utworzonego po odbiciu od dna próbki w odleg³oœci 23,72 mm leg³oœci od 5 do 200 mm od powierzchni materia³u [10]. W polu bliskim najwiêksze znaczenia uzyskuj¹ zjawiska interferencji wynikaj¹ce z ró nicy faz miêdzy falami docieraj¹cymi do danego punktu wady [11], co mo e byæ powodem stosunkowo ma³ej amplitudy echa wady w tym przypadku. Pozosta³e obrazy powsta³e po odbiciu wi¹zki fal od defektów po³o onych na g³êbokoœci odpowiednio 10,8 mm i 16,6 mm zosta³y wykonane ze zwiêkszon¹ wartoœci¹ podciêcia do -67,35 %. Gdyby nie zmieniono wartoœci tego parametru, szczyty impulsów nie by³yby widoczne, gdy znajdowa³yby siê poza obszarem okna sygna³owego. Przemieszczaj¹c g³owicê nad otwory umieszczone coraz bli ej dna próbki, wykonano zobrazowania przy ustawieniu g³owicy czêœciowo nad wad¹ i czêœciowo nad materia³em litym, po to by uzyskaæ widok dwóch refleksów jednoczeœnie. Dziêki temu wyraÿnie widoczne jest, e piki mniejsze, pochodz¹ce od defektów, zbli aj¹ siê do refleksu powsta³ego po odbiciu od dna materia³u (rys. 8). 3. PODSUMOWANIE Metoda ultradÿwiêkowa jest skutecznym narzêdziem wykrywanie defektów w polietylenie. Zarówno zró nicowane po³o enie, jak i ró na wielkoœæ wprowadzonych defektów, nie wp³ywa³y na mo liwoœæ ich wykrycia w materiale. Nale y zaznaczyæ tutaj, e z powodu ograniczenia wynikaj¹cego z niewielkich gabarytów próbek, ró nice w g³êbokoœci usytuowania wad, nie by³y zbyt du e i trudne jest okreœlenie maksymalnej g³êbokoœci zalegania nieci¹g³oœci, na jakiej mo liwe by³oby ich wykrycie. W trakcie badañ zarejestrowano nawet najmniejsze defekty, rzêdu 2 mm. Dok³adnoœæ z jak¹ wykrywano po³o enie wad waha³a siê w granicach kilku dziesi¹tych milimetra.

5 62 ukasz WIERZBICKI Literatura [1] Tabor A., Zaj¹c A., R¹czka M.: Zarz¹dzanie jakoœci¹. Tom III. Metody oceny jakoœci w materia³oznawstwie, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków [2] Dobosiewicz J.: Badania diagnostyczne urz¹dzeñ cieplno-mechanicznych w energetyce. Czêœæ I. Zagadnienia ogólne. Turbiny i generatory, Biuro Gamma, Warszawa [3] Lewiñska-Romicka A.: Badania nieniszcz¹ce: podstawy defektoskopii, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa [4] Wróbel G., Wierzbicki.: Ultrasonic methods in diagnostics of polyethylene, Archives of Materials Science and Engineering 28 (7), [5] Wróbel G., Wierzbicki.: Ultrasonic methods in diagnostics of glass-polyester composites, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 20, [6] Szymocha P., Wróbel G., Wierzbicki.: Wp³yw czasu starzenia na wybrane w³asnoœci mechaniczne i akustyczne PMMA, Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne 2006, [7] Raišutis R., Voleišis A., Ka ys R.: Application of the through transmission ultrasonic technique for estimation of the phase velocity dispersion in plastic materials, ULTRA- GARSAS (ULTRASOUND), Vol.63, No.3, [8] Babiak W., Wierzbicki. Stabik J.: Defektoskopia ultradÿwiêkowa laminatu bawe³niano-fenolowego, Polimery i kompozyty konstrukcyjne 2008, [9] Wierzbicki., Stabik J., Wróbel G., Szczepanik M., Efficiency of two non-destructive testing methods to detect defects in polymeric materials, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 38 (2010), [10] [11] Œliwiñski A. UltradŸwiêki i ich zastosowania. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa 2001.