26/12 Slidinkatin f Metais and Allys, N 26, 1996 Knepnięcie Metali l Stpów, Nr 26, 1996 PAN - Oddzial KAtwice PL ISSN 0208-9386 NOWE TECHNIKI UL TRADŹWIĘKOWYCH BADAŃ MATERIAŁÓW DEPUTAT Julian Instytut Pdstawwych Prblemów Techniki PAN, ul. Świętkrzyska 21, 00-049 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
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.
103 impuls w punkcie bserwacji 1. impuls w punkcie bserwacji 2. rzk ład pótnlenla emlsjl 0 dla dchylenia 33 ó t... ----1 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
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
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
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
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
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() -4-6 8-10 -12 Q <n.... b() -2-4 -6-2 -12 2 4 6-2 2 4 6 - 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
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 7706 - "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)
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 8-10.03.1995, 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. 13-17. [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.519-523. [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. 1001-1004. [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.397-402. [7] Verkijcn J., TOFD used t replace radigraphy. Insight, 37(1995), 6, pp.433-435.