Ultradźwiękowe badania spoin austenitycznych

Ultradźwiękowe badania spoin austenitycznych Sławomir Mackiewicz IPPT PAN 1. Wstęp Badania ultradźwiękowe spoin austenitycznych wiązane są najczęściej z sektorem energetyki atomowej gdzie występuje duża ilość odpowiedzialnych elementów reaktorów i instalacji towarzyszących wykonanych ze stali austenitycznych. Z uwagi na to, że przez wiele lat w naszym kraju rozwój energetyki atomowej był wstrzymywany również badania nieniszczące charakterystyczne dla tego sektora nie były rozwijane i są stosunkowo mało znane polskim specjalistom. Brak jest również przepisów i unormowań w tym zakresie, zaś na kursach badań ultradźwiękowych techniki badań spoin austenitycznych omawiane są bardzo pobieżnie. Ponieważ w ostatnim czasie pojawiły się sygnały o możliwości budowy elektrowni jądrowych w Polsce tematyka ta wydaje się godna przypomnienia i dokładniejszego omówienia. Jest to istotne z uwagi na możliwość udziału polskich firm i specjalistów badań nieniszczących w budowie planowanych elektrowni. Dobrym punktem wyjścia do dyskusji o badaniach spoin austenitycznych jest pytanie dlaczego standardowe techniki badań złączy spawanych (np. wg EN 1714) nie mogą być zastosowane również do badań tego typu spoin. Sam skład chemiczny czy też struktura krystalograficzna stali austenitycznych nie stanowią przeszkody w stosowaniu standardowych technik badań ultradźwiękowych. Wiele elementów kutych, walcowanych, tłoczonych czy ciągnionych wykonanych ze stali austenitycznych bada się tak samo jak elementy wykonane ze stali ferrytycznych [1]. Problemy pojawiają się wówczas gdy w wyniku zastosowanego procesu technologicznego w materiale austenitycznym powstaje gruboziarnista struktura krystalitów słupkowych. Sytuacja taka zachodzi np. w odlewach a także w spoinach austenitycznych wykonywanych technikami spawalniczymi charakteryzującymi się dużą energią liniową. Istotna różnica w stosunku do stali ferrytycznych polega tutaj na tym, że powstająca w procesie krzepnięcia struktura gruboziarnista nie może ulec wtórnemu rozdrobnieniu w wyniku przemiany fazowej austenitu w ferryt, jak to ma miejsce podczas stygnięcia zwykłych stali ferrytycznych. Struktura krystalitów słupkowych ma charakter silnie ukierunkowany i prowadzi do anizotropii właściwości sprężystych materiału. W konsekwencji to właśnie anizotropia, obok gruboziarnistości, jest głównym źródłem trudności w stosowaniu standardowych technik ultradźwiękowych do badań tych materiałów. W niniejszej pracy rozpatrzone zostaną problemy związane z badaniem spoin austenitycznych z wyraźnie ukształtowaną gruboziarnistą strukturą krystalitów słupkowych i w związku z powyższym pod pojęciem spoin austenitycznych będziemy dalej rozumieć spoiny o tego typu strukturze. W przypadkach, w których proces spawania pozostawia w materiale spoiny austenitycznej strukturę drobnoziarnistą badanie ultradźwiękowe może być przeprowadzone standardowymi technikami znanymi z badań spoin ferrytycznych. Struktura drobnoziarnista 82

często występuje np. w spoinach austenitycznych o malej grubości spawanych technikami o malej energii liniowej lub przy dużej szybkości odprowadzania ciepła. To czy określone złącza spawane mogą być badane technikami standardowymi należy rozstrzygnąć w oparciu o badania metalograficzne oraz testy ultradźwiękowe przeprowadzone na reprezentatywnych próbkach spoin. 2. Struktura i właściwości akustyczne spoin austenitycznych W wyniku krzepnięcia stopiwa spoiny austenitycznej kształtuje się w niej struktura gruboziarnista charakteryzująca się tym, że poszczególne krystality są wydłużone i zorientowane kierunkiem krystalograficznym [100] równolegle do kierunku odpływu ciepła. Z uwagi na geometrię jeziorka spawalniczego kierunek ten jest generalnie równoległy do kierunku grubości materiału jednak w pobliżu krawędzi bocznych spoiny może odchylać się w kierunku prostopadłości do granicy materiału rodzimego (patrz rys.l). Typowe przekroje złączy austenitycznych ze zobrazowaniem słupkowej struktury metalograficznej pokazano na rys. 1. Rys. 1. Typowe obrazy struktur krystalitu słupkowego w spoinach austenitycznych. Ziarna krystalitów mają często długości przekraczające 10 mm i szerokości ok. 1 mm. Długość krystalitów może być większa niż grubość ściegów spawalniczych co oznacza, że ciągłość ich struktur} 7 krystalicznej zostaje zachowana na granicach między kolejnymi warstwami stopiwa. Dokładny rozkład orientacji i rozmiarów ziaren zależy od rodzaju materiału, geometrii spoiny oraz zastosowanej technologii spawania jednak jego podstawowe cechy są następujące: duże rozmiary i wyraźnie wydłużony kształt ziaren dominująca orientacja krystalitów kierunkiem [100] równolegle do kierunku grubości, brak wyraźnie wyróżnionej orientacji krystalitów w płaszczyźnie poziomej odchylenia od pionowej orientacji krystalitów w pobliżu linii wtopu spoiny Powyższe cechy struktury metalograficznej spoiny austenitycznej wprowadzają określone trudności i ograniczenia w stosowaniu ultradźwiękowej metody badań. 83

2.1. Tłumienie i rozpraszanie wsteczne Duże rozmiary ziaren powodują wzrost rozpraszania fal ultradźwiękowych na granicach ziaren co powoduje zarówno znaczny wzrost współczynnika tłumienia jak też podwyższenie poziomu szumów strukturalnych. Oprócz ogólnego pogorszenia stosunku sygnał-szum interferencje fal rozproszonych na różnych granicach ziaren mogą czasem prowadzić do powstawania wskazań pozornych. Współczynnik tłumienia fal ultradźwiękowych szybko wzrasta z częstotliwością fali zaś przy tej samej częstotliwości jest wyraźnie większy dla fal poprzecznych niż podłużnych. Przykładowo, w typowej spoinie austenitycznej [2] współczynnik tłumienia fal poprzecznych o częstotliwości 2 MHz wynosił ok. 6 db/cm podczas gdy dla fal podłużnych o tej samej częstotliwości był ponad dwukrotnie mniejszy. Dla porównania, współczynnik tłumienia fal poprzecznych o tej samej częstotliwości w drobnoziarnistym materiale blachy austenitycznej wynosił zaledwie 0,5 db/cm. 2.2. Anizotropia materiału stopiwa Wyróżniony kierunek orientacji krystalitów słupkowych powoduje, że materiał spoiny austenitycznej ma właściwości anizotropowe i w konsekwencji prędkość propagujących się w nim fal ultradźwiękowych jest zależna od kierunku i polaryzacji. Do większej części materiału spoiny (poza obszarami bliskimi krawędzi) można z dobrym przybliżeniem zastosować model teoretyczny, w którym wszystkie krystality są zorientowane kierunkiem [100] równolegle do grubości (osi Z) przy braku wyróżnionej orientacji w płaszczyźnie poziomej (izotropia poprzeczna). Model taki pozwala zbadać podstawowe własności akustyczne stopiwa austenitycznego. Na rys. 2. przedstawiono przekroje powierzchni prędkości fazowych dla różnych typów fal ultradźwiękowych propagujących się w płaszczyźnie pionowej prostopadłej do osi spoiny. Rys. 2. Przekroje powierzchni prędkości fal ultradźwiękowych dla stali ASTM 304 SS w płaszczyźnie pionowej (Z-Y). Poszczególne krzywe reprezentują prędkości fazowe fal podłużnych - L, poprzecznych spolaryzowanych w płaszczyźnie pionowej - S V oraz poprzecznych spolaryzowanych horyzontalnie - SH. Punkty reprezentują wyniki doświadczalne [3]. 84

Z wykresu widać, że największe zmiany prędkości w funkcji kąta ( kąt między kierunkiem wektora falowego a kierunkiem osi Z) występują dla fal poprzecznych typu SV tradycyjnie stosowanych do badań zwykłych złączy spawanych. Największe prędkości fal SV występują dla kierunków równoległych oraz prostopadłych do kierunku osi ziaren słupkowych, zaś najmniejsze dla kierunków zorientowanych pod kątem 45. W pracy [3] dla stali ASTM 304 SS uzyskano wartości prędkości fal SV zawierające się w granicach: 2400-4000 m/s. Fale podłużne oraz poprzeczne typu SH charakteryzują się znacznie bardziej równomiernymi rozkładami prędkości niż fale SV. W szczególności fale podłużne mają prędkości zawierające się w zakresie 5100-6200 m/s, przy czym największa prędkość występuje tutaj dla kierunku 45 w stosunku do osi ziaren słupkowych. Dla porównania typowa wartość prędkości fal podłużnych w drobnoziarnistej stali austenitycznej nie wykazującej anizotropii wynosi ok. 5750 m/s. Anizotropia akustyczna materiału stopiwa austenitycznego ma poważne konsekwencje dla badań ultradźwiękowych. Kluczowym efektem fizycznym jest tutaj odchylanie się kierunku przepływu energii fali ultradźwiękowej (efektywnego kierunku wiązki) od kierunku wektora falowego. Zjawisko to dobrze ilustrują szkice przedstawione na rys. 3. a) b) Rys. 3. Odchylenie kierunku przepływu energii fali ultradźwiękowej - A od kierunku wektora falowego fali w materiale anizotropowym: a) dla wiązki z głowicy normalnej, b) dla wiązki z głowicy kątowej. Efektywny kierunek rozchodzenia się wiązki ultradźwiękowej nie jest tutaj prostopadły do czoła fali. Oznacza to np., że wiązka fal wprowadzana do materiału anizotropowego przez głowicę normalną nie będzie rozchodzić się w kierunku prostopadłym do powierzchni próbki lecz pod pewnym kątem A (rys. 3a). Innym aspektem tego zjawiska jest sposób odbijania się fal ultradźwiękowych od nieciągłości materiału. Powszechnie znane prawo odbicia mówiące, że kąt padania równa się kątowi odbicia musi być w materiale anizotropowym doprecyzowane poprzez stwierdzenie, że odnosi się to do kierunków wektorów falowych fali padającej i odbitej nie zaś do kierunków propagacji ich wiązek. Różnicę tą ilustruje rys. 3b na którym wiązka fal odbija się od wady płaskiej. Maksymalne odbicie fal w kierunku głowicy nastąpi wówczas gdy wada jest zorientowana prostopadle do kierunku wektora falowego fali padającej nie zaś do kierunku propagacji wiązki. Różnica między tymi orientacjami jest dana kątem odchylenia kierunku przepływu energii - A. W przypadku silnie anizotropowej struktury spoin austenitycznych wielkość kąta odchylenia może być bardzo znaczna. Na rys. 4 przedstawiono wykresy zależności kąta A od kierunku propagacji fali dla różnych typów fal. Należy podkreślić, że określenia fale podłużne czy fale poprzeczne mają tutaj charakter umowny. Dla materiałów anizotropowych kierunek drgań cząstek ośrodka nie jest na ogół ani ściśle równoległy ani prostopadły do kierunku wektora falowego. Warunki takie mogą być jednak spełnione w przypadku propagacji fal w kierunkach o wysokiej symetrii. 85

Rys. 4. Kąt odchylenia wiązki - A w zależności od orientacji wektora falowego fali względem osi krystalitów słupkowych (oś Z). Poszczególne wykresy przedstawiają zależności dla fal podłużnych - L, fal poprzecznych typu SV oraz fal poprzecznych typu SH. Z przedstawionego wykresu wynika, że największe kąty odchylenia A, dochodzące do 44, występują dla fal poprzecznych typu SV. Jest to zatem rodzaj fal, dla którego kierunek wiązki ultradźwiękowej może ulegać największym zmianom przy przechodzeniu z izotropowego materiału rodzimego do anizotropowego stopiwa spoiny austenitycznej. Dla fal podłużnych maksymalne kąty odchyleń są dwukrotnie mniejsze. Należy także zauważyć, że najmniejsze kąty odchylenia wiązki, zarówno dla fal podłużnych jak i poprzecznych typu SV, uzyskuje się przy wprowadzeniu fali pod kątami bliskimi 45. Nieco odmienny charakter ma wykres kąta odchylenia przepływu energii dla fal poprzecznych typu SH. Maksymalne wartości kąta odchylenia są tutaj stosunkowo małe (poniżej i i zmieniają się wolniej niż dla pozostałych typów fal. Zerowe wartości kąta A uzyskuje się w tym przypadku dla kierunków równoległego oraz prostopadłego względem osi krystalitów słupkowych. Pokazane na rys. 4 zależności pozwalają wyjaśnić jeszcze jeden istotny efekt ultradźwiękowy spowodowany anizotropią materiału stopiwa. Jest to zmiana kąta rozbieżności wiązki przy przechodzeniu z materiału rodzimego do materiału spoiny. Zjawisko to najłatwiej wyjaśnić zakładając, że kąt wprowadzenia wiązki ultradźwiękowej do materiału spoiny jest taki że oś wiązki nie ulega załamaniu (np. 43 względem osi krystalitów dla fal SV) Skrajne promienie wiązki będą wchodziły do materiału spoiny, jeden pod nieco większym, drugi pod nieco mniejszym kątem niż kąt wejścia promienia środkowego (rys. 5). Rozpatrując proces wejścia wiązki fal poprzecznych SV widzimy (z wykresu na rys. 4), że dolny promień wiązki odchyla się o ujemną wartość kąta A, zaś górny o wartość dodatnią. Daje to w efekcie zwiększenie kąta rozwarcia pomiędzy skrajnymi promieniami wiązki czyli wzrost jej rozbieżności. Zwiększona rozbieżność wiązki ultradźwiękowej prowadzi do szybszego spadku amplitudy fali a także do wzrostu ogólnego poziomu szumów (szersza wiązka rozprasza się na większej ilości ziaren). Rozpatrując z kolei proces wejścia wiązki fal podłużnych znajdujemy, że dolny promień wiązki odchyla się o dodatnią wartość kąta A, zaś górny o wartość ujemną dając w efekcie zmniejszenie rozbieżności wiązki w materiale spoiny. W tym przypadku jest to efekt 86

Rys. 5. Zwiększenie rozbieżności wiązki ultradźwiękowej fal SV przy przejściu z materiału rodzimego do stopiwa spoiny austenitycznej korzystny dla badań ultradźwiękowych, prowadzący do lepszego skupienia energii ultradźwiękowej i poprawy stosunku sygnału do szumu. W celu lepszego zilustrowania skali tych efektów wykonano przykładowe obliczenia dla typowej głowicy kątowej fal poprzecznych MWB45-2 o częstotliwości 2 MHz i rozmiarach przetwornika 8x9 mm. W materiale rodzimym kąt rozbieżności wiązki tej głowicy wynosi ok. 5,5. Przy wejściu do materiału spoiny austenitycznej (o właściwościach akustycznych pokazanych na rys. 2) kąt rozbieżności w płaszczyźnie pionowej wzrasta niemal 5 krotnie aż do wartości ok. 25. Gdyby zamiast głowicy kątowej fal poprzecznych zastosować w tym miejscu głowicę kątową fal podłużnych o tej samej rozbieżności wiązki wówczas, przy wejściu do materiału spoiny, kąt rozbieżności uległby zmniejszeniu do wartości ok. 2. Widać więc, że rozpatrywany efekt jest korzystny dla badań wykonywanych falami podłużnymi i zdecydowanie niekorzystny dla badań wykonywanych falami poprzecznymi SV. Oprócz zmiany kierunku i zwiększenia rozbieżności wiązki istnieje jeszcze jeden efekt fizyczny utrudniający prowadzenie badań ultradźwiękowych spoin austenitycznych falami poprzecznymi typu SV. Wiąże się on z kształtem powierzchni prędkości fazowej tego typu fal (patrz rys. 2). Jak wynika ze szczegółowej analizy problemu załamania fal ultradźwiękowych na granicy ośrodków anizotropowych [4] odchylenia powierzchni fazowej od kształtu kulistego mogą powodować, że dla pewnych kątów padania fal SV na granicę ośrodków w materiale 2 ośrodka mogą pojawić się dwie załamane fale typu SV. Oznacza to, że wiązka ultradźwiękowa wchodząca do spoiny od strony materiału rodzimego może ulegać na granicy stopiwa rozszczepieniu na dwie wiązki fal poprzecznych SV propagujące się w różnych kierunkach (patrz rys. 6). Znaczenie tego rodzaju zjawiska dla interpretacji wskazań ultradźwiękowych jest oczywiste. 2.2. Niejednorodność materiału stopiwa Rozważania przedstawione w ostatnim punkcie oparte były na anizotropowym ale jednorodnym modelu stopiwa spoiny austenitycznej. Jak wynika z rys. 1, w rzeczywistych spoinach austenitycznych struktura krystalitów słupkowych nie jest całkowicie jednorodna a ich wyróżniony kierunek [100] odchyla się od ustawienia pionowego w pobliżu granicy wtopu spoiny. Fala ultradźwiękowa propagująca się w takim niejednorodnym materiale może zmieniać w sposób ciągły swój kierunek oraz prędkość. Obliczenia tego rodzaju efektów możliwe są jedynie na drodze numerycznej przy założeniu określonego rozkładu kierunkowego krystalitów słupkowych w strukturze spoiny. Przykłady wyliczonych trajektorii 87

wiązek ultradźwiękowych fal poprzecznych i podłużnych wprowadzanych do modelowej struktury spoiny austenitycznej przedstawiono na rys. 6 i 7. Rys. 6. Obliczone przebiegi wiązek fal poprzecznych SV wprowadzanych do modelowej struktury spoiny austenitycznej uwzględniającej anizotropię oraz niejednorodność rozkładu kierunkowego krystalitów słupkowych. Przedstawione przebiegi wiązek fal poprzecznych typu SV ilustrują zarówno omówione w poprzednim punkcie efekty załamania i rozszczepienia wiązki na linii wtopu jak również zjawisko silnego zakrzywiania się promieni wiązki w samej spoinie. Uzyskane profile wskazują wyraźnie, że zastosowanie fal typu SV do badań spoin austenitycznych o gruboziarnistej strukturze słupkowej jest zdecydowanie niekorzystne. Rys. 7. Obliczone przebiegi wiązek fal podłużnych L wprowadzanych do modelowej struktury spoiny austenitycznej uwzględniającej anizotropię oraz niejednorodność rozkładu kierunkowego krystalitów słupkowych. Analogiczne profile wiązek fal typu podłużnego dowodzą, że ten rodzaj fal wykazuje znacznie mniejszą wrażliwość na efekty zakłócające wywołane anizotropią i niejednorodnością materiału. W szczególności nie występuje tutaj rozszczepienie wiązki na granicy spoiny a sama wiązka nie ulega tak dużym zmianom kierunku i deformacjom. Nadal jednak należy liczyć się z istotnymi efektami zakłócającymi jak np. możliwość powstawania echa dna podczas badań głowicami kątowymi. 88

3. Dobór głowic ultradźwiękowych Analiza zjawisk fizycznych związanych z propagacją fal ultradźwiękowych w anizotropowym stopiwie spoin austenitycznych wskazuje jednoznacznie, że fale poprzeczne o polaryzacji pionowej (SV) nie są odpowiednie do badań tego typu materiałów. W przypadku gruboziarnistych spoin austenitycznych standardowe głowice fal poprzecznych mogą być zastosowane, co najwyżej, do badań obszarów materiału rodzimego przylegających do spoiny (SWC). Drugi rodzaj fal poprzecznych (SH) wykazuje dobre właściwości akustyczne jednak praktyczne wykorzystanie tych fal natrafia na trudności związane z możliwościami ich wytworzenia i wprowadzenia do badanego materiału. Wykorzystanie w tym celu głowic opartych na przetwornikach piezoelektrycznych wymaga zastosowania specjalnych ośrodków sprzęgających (wosk, żywica epoksydowa) przenoszących drgania postaciowe. W przypadku badań spoin, gdzie występuje konieczność płynnego przesuwu głowic po powierzchni obiektu, sprzężenie takie jest wysoce nieefektywne. Drugi znany sposób generacji fal SH polegający na wykorzystaniu przetworników EMAT jest trudny do zastosowania ze względu na niemagnetyczne właściwości materiałów austenitycznych i niską sprawność takich głowic. W efekcie, podstawowym rodzajem fał jaki wykorzystuje się w ultradźwiękowych badaniach spoin austenitycznych są fale typu podłużnego. Z uwagi na geometrię złącza spawanego zastosowanie standardowych głowic normalnych jest niewystarczające. Konieczne są także głowice skośne wprowadzające fale podłużne pod określonymi kątami. Schemat budowy głowicy kątowej fal podłużnych pokazano na rys. 8. Rys. 8. Zasada działania głowicy kątowej fal podłużnych. Fala podłużna, wprowadzona przez przetwornik do w klina załamującego głowicy, pada na jego powierzchnię (granicę PMM - materiał badany) pod kątem mniejszym od pierwszego kąta krytycznego. W takim przypadku w materiale badanym powstają dwie fale załamane: fala podłużna oraz fala poprzeczna typu SV. Oznacza to, że w obiekcie badanym wytwarzane są jednocześnie dwie wiązki fal ultradźwiękowych, z których każda propaguje się pod innym kątem i z inną prędkością. Zjawisko to stanowi poważne utrudnienie przy interpretacji wyników badań co zostanie dokładniej omówione w następnym punkcie. Głowice kątowe fal podłużnych mogą być wykonane zarówno jako zwykłe głowice pojedyncze jak również jako głowice podwójne o rozdzielonych torach nadawczym i odbiorczym. W przypadku badań spoin austenitycznych zdecydowaną wyższość wykazują głowice podwójne charakteryzujące się ograniczoną strefą czułości oraz znacznie lepszym stosunkiem sygnału do szumów. Rozdzielenie torów nadawczego i odbiorczego jest w tym przypadku znacznie ważniejsze niż dla standardowych głowic fal poprzecznych stosowanych 89

w badaniach spoin ferrytycznych. Wynika to, po pierwsze, z dużo wyższego poziomu szumów strukturalnych przy badaniach spoin austenitycznych, po drugie zaś, z relatywnie dłuższej strefy martwej pojedynczych głowic kątowych fal podłużnych niż analogicznych głowic fal poprzecznych. Efekt rozdzielenia torów głowicy kątowej fal podłużnych pokazano schematycznie ńa rys. 9. Profile wiązki przetwornika nadawczego i odbiorczego nakładają się jedynie w ograniczonym obszarze materiału, który jest faktyczną strefą czułości takiej głowicy. Rys. 9. Strefa czułości kątowej głowicy podwójnej fal podłużnych - SEL. Ograniczenie efektywnej strefy czułości głowicy oznacza mniejszą ilość szumów strukturalnych, które przychodzą z mniejszej objętości materiału. Jednocześnie głowica taka wykazuje lepszą rozdzielczość kierunkową przy wykrywaniu i lokalizowaniu nieciągłości. Kątowe głowice podwójne fal podłużnych określane są często skrótem SEL. Kolejnym parametrem głowic ultradźwiękowych, który wymaga optymalizacji w przypadku badań spoin austenitycznych jest częstotliwość podstawowa głowicy oraz szerokość pasma częstotliwości. Aby zredukować negatywne efekty wywołane silnym rozpraszaniem fal ultradźwiękowych na granicach ziaren częstotliwość fali powinna być możliwie niska. Jednak z drugiej strony niska częstotliwość fal oznacza małą rozdzielczość głowicy i związane z tym trudności w precyzyjnej lokalizacji reflektorów oraz rozróżnianiu wskazań położonych blisko siebie. Parametrem, którego optymalizacja pozwala, w pewnym stopniu, złagodzić te sprzeczności jest szerokość pasma częstotliwości głowicy. Należy tutaj zauważyć, że zwiększanie szerokości pasma częstotliwości jest równoznaczne ze skracaniem czasu trwania impulsu ultradźwiękowego danej głowicy. Wpływ długości impulsu ultradźwiękowego na amplitudę szumów strukturalnych powodowanych przez rozpraszanie fal ultradźwiękowych na granicach ziaren zilustrowano na rys. 10. Przy tej samej częstotliwości podstawowej, krótsze impulsy dają niższy poziom szumów niż impulsy dłuższe o kilku cyklach sinusoidalnych. Wysoki poziom szumów w tym ostatnim przypadku wynika z interferencji impulsów rozpraszanych wstecznie na sąsiadujących granicach ziaren. 90

Rys. 10. Powstawanie szumów strukturalnych wskutek wstecznego rozpraszania fal ultradźwiękowych na granicach ziaren. Przypadkowa koincydencja fazowa kilku impulsów rozproszonych na kolejnych granicach ziaren może doprowadzić do lokalnego wzrostu poziomu szumów, tak dużego, że może to być pomylone ze wskazaniem od rzeczywistej wady. Stosowanie szerokopasmowych impulsów ultradźwiękowych jest korzystne również z uwagi na mniejszą szybkość zaniku amplitudy takich impulsów podczas ich przechodzenia przez silnie tłumiący materiał. W skład szerokiego widma takiego impulsu wchodzą bowiem również niskie częstotliwości, które są słabiej tłumione przez materiał niż częstotliwość podstawowa. W efekcie widmo propagującego się impulsu szerokopasmowego ulega przesunięciu w kierunku niższych częstotliwości ale dzięki temu jego efektywne tłumienie w materiale ulega zmniejszeniu. Wpływ silnego tłumienia materiału na zmiany widma wąsko i szerokopasmowych impulsów ultradźwiękowych pokazano na rys. 11. Rys. 11. Wpływ silnego tłumienia materiału na zmianę widma dwóch impulsów ultradźwiękowych o początkowo jednakowej częstotliwości podstawowej (f = 2 MHz); a) impuls wąskopasmowy, b) impuls szerokopasmowy Jak wynika z przeprowadzonych rozważań do badań gruboziarnistych spoin austenitycznych najlepiej stosować głowice fal podłużnych o stosunkowo niskiej 91

częstotliwości podstawowej i możliwie szerokim widmie. Z szeregu badań porównawczych przeprowadzonych na rzeczywistych spoinach austenitycznych [2,3,6] wynika, że w większości przypadków optymalny jest wybór głowic o częstotliwości podstawowej ok. 2 MHz i szerokości pasma 80-100 %. Przykładem produkowanych seryjnie głowic SEL, zoptymalizowanych pod kątem badań spoin austenitycznych, są głowice serii VRY oraz VSY firmy Krautkramer. Obie serie produkowane są dla częstotliwości nominalnych ok. 2 MHz i standardowych kątów załamania 45, 60 i 70. Podstawowa różnica między seriami VRY oraz VSY dotyczy wymiarów przetworników, odpowiednio: 10 x 22 oraz 5x10 mm. 4. Technika badań Technika badań spoin austenitycznych głowicami SEL w znacznym stopniu różni się od technik stosowanych przy badaniach typowych spoin ze stali ferrytycznyeh. Pierwszym poważnym utrudnieniem jest fakt, że głowica typu SEL wytwarza w badanym materiale dwie wiązki fal ultradźwiękowych, podłużnych i poprzecznych, z których każda propaguje się pod innym kątem i z inną prędkością (rys. 12). Co więcej, przy odbiciu Rys. 12. Tory wiązek fal ultradźwiękowych wytwarzanych przez głowicę kątową fal podłużnych. od powierzchni przeciwległej każda z wiązek, ulega ponownemu rozszczepieniu na dwie kolejne wiązki fal podłużnych i poprzecznych. Komplikacje związane z interpretacją wskazań uzyskiwanych wiązkami odbitymi, ograniczają w praktyce użyteczny zakres obserwacji do połowy skoku głowicy. Generalną zasadą przy badaniach spoin austenitycznych jest więc skanowanie objętości spoiny wyłącznie wiązką bezpośrednio padającą. W celu rozróżnienia wskazań pochodzących od poszczególnych wiązek można wykorzystać fakt, że fale poprzeczne rozchodzą się pod mniejszym kątem oraz z mniejszą prędkością niż fale podłużne. Oznacza to, że echa wad spoiny uzyskiwane falami podłużnymi będą mogły być identyfikowane przez swoje położenie w odpowiednio bliskim zakresie podstawy czasu. Ewentualne wskazania tych samych nieciągłości uzyskane falami poprzecznymi będą zawsze charakteryzować się znacznie większymi opóźnienieniami. W pewnych przypadkach, zjawisko transformacji fal można skutecznie wykorzystać do wykrywania niektórych typów wad. Ważne przykłady tego typu technik badawczych pokazano na rys. 13. W literaturze niemieckojęzycznej nazywane są one odpowiednio: techniką echa towarzyszącego NI (Nebenecho 1) oraz techniką echa towarzyszącego N2. Obie techniki są użyteczne przy wykrywaniu wad płaskich zorientowanych, w przybliżeniu, prostopadle do powierzchni badanego elementu (np. pęknięcia, przyklejenia). 92

Rys. 13. Techniki wykrywania wad płaskich głowicami SEL wykorzystujące zjawisko transformacji fal na powierzchni przeciwległej materiału badanego. W technice NI wykorzystuje się zjawisko transformacji pierwotnej wiązki fal poprzecznych na wiązkę fal typu podłużnego. Zjawisko to zachodzi szczególnie silnie dla głowic SEL 60, które wprowadzają towarzyszącą wiązkę fal poprzecznych pod kątem ok. 30. Przy takim kącie padania na powierzchnię przeciwległą wiązka fal poprzecznych ulega niemal całkowitej transformacji na wiązkę fal typu podłużnego, która odchodzi pod kątem 60 (znany efekt silnej transformacji T30 <-> L60 ). W przypadku gdy fale te natrafią na wadę płaską zorientowaną prostopadle do powierzchni próbki odbijają się od niej w kierunku głowicy. Kąt padania fali podłużnej na powierzchnię takiej wady wynosi ok. 30 co oznacza, że w tym przypadku nie zachodzi zjawisko silnej transformacji i fala odbija się, w większości, jako fala typu podłużnego. Z prostych rozważań geometrycznych wynika ponadto, że fala ta powraca w kierunku głowicy pod kątem równym jej kątowi nominalnemu (60 ) przez co jest bardzo skutecznie odbierana. W wyniku opisanej sekwencji odbić na ekranie defektoskopu powstaje silny impuls, nieco opóźniony w stosunku do bezpośredniego odbicia fali L od danej wady. Amplituda echa NI jest zazwyczaj znacznie wyższa niż amplituda echa bezpośredniego. Opisana technika jest najbardziej skuteczna w wykrywaniu wad płaskich zlokalizowanych w środkowej strefie grubości spoiny. Dotyczy to również przyklejeń do ścianki bocznej pod warunkiem, że kąt ukosowania krawędzi nie przekracza kilku stopni. Skuteczne zastosowanie techniki NI w takim przypadku wymaga jednak przeprowadzenia szczegółowych obliczeń w celu optymalizacji kąta głowicy SEL stosownie do grubości i geometrii rowka spoiny. W technice echa towarzyszącego N2 również wykorzystuje się zjawisko transformacji fal z tym jednak, że w tym przypadku ważny jest efekt generacji podłużnej fali podpowierzchniowej rozchodzącej się wzdłuż powierzchni przeciwległej (rys. 13). W celu zapewnienia odpowiedniej amplitudy fali podpowierzchniowej nominalny kąt załamania głowicy SEL powinien wynosić 70-85. Wytworzona fala podpowierzchniowa odbija się od ewentualnych wad zlokalizowanych w pobliżu powierzchni i tą samą drogą powraca do głowicy ultradźwiękowej. W efekcie uzyskuje się echo towarzyszące N2 opóźnione w stosunku do echa bezpośredniego jeszcze bardziej niż echo NI (impuls propaguje się przez większość drogi jako fala typu poprzecznego). Specjalne znaczenie techniki N2 w badaniach spoin austenitycznych wynika z faktu, że jest to podstawowa technika do wykrywania wad wychodzących od przeciwległej powierzchni elementu (np. pęknięć w grani, braków przetopu). W przypadku badań głowicami SEL nie można bowiem wykorzystywać efektu zwierciadlanego odbicia od naroża, ponieważ fale podłużne nie wykazują takiego efektu [2], Dobrym potwierdzeniem powyższych rozważań jest obraz ech uzyskanych głowicą SEL od typowej wady przetopu (rys. 14). Na ekranie widać wyraźne echa towarzyszące NI i N2, nie widać natomiast echa powstającego wskutek bezpośredniego odbicia fali L od naroża. 93

Rys. 14. Echa towarzyszące NI i N2 uzyskane od pęknięcia w grani spoiny austenitycznej [6] Należy podkreślić, że prawidłowe stosowanie technik NI i N2 wymaga wykonania obliczeń przewidywanych położeń tych ech w zależności od grubości spoiny, kąta głowicy oraz położenia ewentualnych wad. Bardzo wskazane jest wykonanie badań testowych na reprezentatywnych próbkach spoin z wadami naturalnymi lub sztucznymi. W oparciu o przedstawione powyżej ogólne zasady badań spoin austenitycznych zaplanować można szczegółową technikę badania dla określonej struktury, geometrii i grubości złącza spawanego. W szczególności należy dobrać kąty załamania oraz strefy czułości poszczególnych głowic SEL tak aby zapewnić pokrycie całej objętości spoiny oraz przylegających stref wpływu ciepła. Przykładowy podział grubościennej spoiny austenitycznej na 4 strefy badania, z których każda skanowana jest za pomocą odpowiednio dobranej głowicy SEL lub SEK pokazano na rys. 15. Rys. 15 Przykładowy podział spoiny austenitycznej na strefy badania wraz z przypisaniem do nich odpowiednich głowic. Strefa nr 1 skanowana jest za pomocą miniaturowej głowicy SEL70-7 wytwarzającej (ze względu na dużą rozbieżność generowanej wiązki) zarówno fale objętościowe jak też fale podpowierzchniowe typu podłużnego. Głowicą tą można dobrze wykrywać pęknięcia oraz przyklejenia wychodzące od powierzchni zewnętrznej. Głowica jest typu miniaturowego również z uwagi na to, że jej strefa czułości powinna leżeć możliwie blisko głowicy. Ponadto, ze względu na szybki zanik amplitudy fal podpo wierzchnio wy eh z odległością ważna jest możliwość maksymalnego zbliżenia punktu wejścia tych fal do krawędzi lica spoiny. 94

Strefy nr 2 i nr 3 badane są głowicami SEL65-20 oraz SEL60-30 zapewniającymi pokrycie swoimi strefami czułości głębszych obszarów spoiny. Optymalizacja tych głowic do głębokości strefy badania polega tutaj na odpowiednim doborze średnicy przetwornika (w celu dostosowania rozbieżności wiązki) oraz kąta głowicy (w celu skrócenia drogi dojścia do badanego obszaru spoiny). Strefa nr 4 badana jest za pomocą głowicy SEK (czyli głowicy SEL o kącie nominalnym równym 80-85 ) zoptymalizowanej do wykrywania wad przetopu technikami transformacyjnymi NI i N2. Przedstawiony podział spoiny na strefy badania oraz dobór głowic należy traktować jako przykład pokazujący istotne aspekty planowania techniki badań ultradźwiękowych spoin austenitycznych. W praktyce, dla każdego typu spoin należy przygotować szczegółową instrukcję badania bazującą na ogólnych regułach badań ale uwzględniającą specyficzną strukturę, grubość oraz geometrię danego złącza spawanego. Przy planowaniu kierunków wprowadzania fal należy wziąć pod uwagę zjawiska deformacji profilu oraz zmian kierunku wiązki ultradźwiękowej w stopiwie austenitycznym omówione w pkt. 3 a także, nie wspomniany wcześniej, efekt całkowitego odbicia fal podłużnych od granicy wtopu spoiny przy dużych kątach padania (rys. 16). Rys. 16. Całkowite odbicie fal podłużnych od granicy wtopu spoiny przy dużych kątach padania. Efekt ten wynika z faktu, że prędkość fal podłużnych w anizotropowym stopiwie spoin austenitycznych może być, w pewnych kierunkach, znacząco większa niż w materiale rodzimym. Przykładowo fala typu L wprowadzona do stopiwa austenitycznego pod kątem 45 ma prędkość ok. 6200 m/s podczas gdy w drobnoziarnistym materiale rodzimym osiąga zaledwie ok. 5750 m/s. Oznacza to, że przy padaniu fali podłużnej na granicę materiału rodzimego i stopiwa występuje zjawisko pierwszego kąta krytycznego, powyżej którego w materiale spoiny nie propaguje się załamana fala typu podłużnego. Dla podanych wyżej prędkości fal pierwszy kąt krytyczny wynosi ok. 68. W przypadku gdy wiązka pada na granicę spoiny pod kątem większym (jak np. na rys. 16) fala podłużna nie wchodzi do wnętrza spoiny lecz odbija się od jej granicy pod kątem równym kątowi padania. W wyniku tego mogą powstać silne odbicia od powierzchni przeciwległej, które mogą być mylnie zinterpretowane jako wady wewnątrz spoiny. Praktyczny wniosek jest taki, aby przy planowaniu badań spoin austenitycznych unikać dużych kątów padania wiązki na granicę materiału rodzimego i stopiwa. Osobnym problemem przy prowadzeniu badań ultradźwiękowych spoin austenitycznych jest sposób nastawiania czułości badania oraz ustalenie kryteriów akceptacji. 95

Generalnie zagadnienie to wymaga indywidualnego podejścia i uzgodnień między specjalistą badań ultradźwiękowych stopnia 3 a nadzorem spawalniczym a także innymi specjalistami odpowiedzialnymi za jakość i bezpieczeństwo konstrukcji. Ogólnie stwierdzić można, że ze względu na zniekształcenia profilu wiązki ultradźwiękowej, czułość badania nie może być nastawiana techniką DGS. W przypadku głowic SEL penetrujących wewnętrzne obszary spoiny (strefy nr 2 i 3 na rys. 15) czułość badania można nastawiać techniką DAC przy wykorzystaniu otworów poprzecznych usytuowanych na różnych głębokościach próbki odniesienia. Ważne jest aby wzorzec do techniki DAC wykonany był z reprezentatywnej spoiny austenitycznej a otwory kalibracyjne znajdowały się np. w pionowej osi spoiny tak aby uwzględnić zarówno silne tłumienie jak też zmiany kierunku i prędkości wiązki ultradźwiękowej zachodzące w materiale spoiny Wynikiem skalowania powinny być specjalne krzywe DAC obrazujące zarówno spadek amplitudy echa jak też nieliniowe zmiany głębokości. Do nastawiania czułości badania głowic skanujących strefy nr 1 i 4 falami podpowierzchmowymi bardziej właściwe jest zastosowanie reflektorów odniesienia, w postaci nacięć lub rowków prostopadłych do powierzchni. 5. Podsumowanie W pracy przedstawiono najważniejsze zagadnienia związane z badaniami ultradźwiękowymi spoin austenitycznych. Omówiono podstawowe zjawiska fizyczne związane z propagacją fal ultradźwiękowych w anizotropowym materiale spoin austenitycznych. Zjawiska te determinują zasady i sposoby badań ultradźwiękowych tego typu spoin. Opisano specjalne głowice oraz techniki badawcze stosowane w manualnych badaniach spoin austenitycznych. Pominięto jednak szereg technik badawczych (LLT, ADEPT, SLIC), które wymagają specjalnych głowic wieloprzetwornikowych i stosowane są głównie w badaniach zautomatyzowanych. Szersze informacje na ten temat znaleźć można w pozycjach literaturowych [2,6]. Należy podkreślić, że badania spoin austenitycznych są jednym z najtrudniejszych rodzajów badań ultradźwiękowych i w sposób znaczący różnią się od standardowych badań spoin wykonanych ze stali ferrytycznych. Stosowane techniki badawcze oraz zasady interpretacji wskazań wymagają zarówno specjalistycznej wiedzy ultradźwiękowej jak też dużego doświadczenia praktycznego. W perspektywie rozwoju krajowej energetyki jądrowej, temat badań ultradźwiękowych spoin austenitycznych może wkrótce stanąć przed polskimi firmami i specjalistami badań nieniszczących. W celu przygotowania się do tego wyzwania wskazane byłoby przygotowanie specjalnych kursów badań spoin austenitycznych podwyższających kwalifikacje operatorów ultradźwiękowych w tym zakresie. Kluczowym zadaniem w przygotowaniu właściwego szkolenia byłoby zgromadzenie odpowiedniej ilości próbek spoin austenitycznych obrazujących typowe problemy występujące podczas badań ultradźwiękowych. Szkolenia takie wymagałyby również zakupu głowic SEL oraz innych specjalistycznych układów głowic stosowanych w badaniach spoin austenitycznych. 96

Literatura 1. Deputat J., Ultradźwiękowe badania spoin austenitycznych., Dozór Techniczny Nr 1/1991, s. 5-11 2. Materiały szkoleniowe UDT-CERT na kurs podstawowy UT-3, rozdz. 9.1 3. Kupperman D.S., Reinman K.J. and Kim D.I., Ultrasonic Characterization and Microstructure of Stainless Steel Weld Metal, Nondestructive Evaluation: Microstructural Characterization and Reliability Strategies, Conference Proceedings, The Metallurgical Society of AIME, New York 1981, s. 199-216 4. Auld B. A. Acoustic Fields and Waves in Solids, Vol II, John Wiley & Sons, New York, London, Sydney, Toronto, 1973, s. 1-56 5. Simpson W.A., Adler L., Bolland T.K., Boundaries Between Isotropic and Anisotropic Solids and their Effect on Quantitative Nondestructive Evaluation., Nondestructive Evaluation: Microstructural Characterization and Reliability Strategies, Conference Proceedings, The Metallurgical Society of AIME, New York 1981, s. 217-231 6. Schmid R, Ultrasonic Testing of Austenitic and Dissimilar Metal Welds, Chapter 4 of the Book: "Ultraschallprufung von austenitischen Plattierungen, Mischnahten und austenitischen SchweiBnahten" by Eberhard Neumann et al 97