Politechnika Śląska w Gliwicach Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych Zakład Podstaw Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Energetycznych Ćwiczenie laboratoryjne z diagnostyki Temat ćwiczenia: Badanie elementów maszyn za pomocą ultradźwięków Gliwice, 2002
2 1. Cel ćwiczenia A. Poznanie podstawowych informacji o defektoskopii ultradźwiękowej oraz jej zastosowaniach w badaniach nieniszczących części maszyn B. Poznanie sprzętu do badań ultradźwiękowych C. Przygotowanie sprzętu do badań skalowanie podstawy czasu 2. Podstawowe informacje o defektoskopii ultradźwiękowej Prowadzenie badań obiektu metodą ultradźwiękową polega na: wprowadzeniu do obiektu fal ultradźwiękowych (fal sprężystych), tj. drgań mechanicznych o częstotliwościach większych od 20 khz; konieczne jest skanowanie powierzchni obiektu, detekcji sygnałów, wywołanych przez fale przechodzące przez obiekty. Sygnały te zawierają informacje o nieciągłościach obiektów. Na podstawie obserwacji fal przechodzących przez badany materiał lub fal odbitych w materiale możemy wykryć wady, określić jej położenie, a nawet wymiar wady oraz rodzaj. Zdolność metody ultradźwiękowej do wykrywania wad w elementach maszyn jest uznawana za wysoką i w ogromnej większości przypadków wystarczająca. Natomiast niezadowalające są możliwości wyznaczenia rozmiarów i orientacji wad. Za rozwojem i coraz szerszym zastosowaniem badań ultradźwiękowych, przemawia szereg posiadanych zalet: nieniszczący charakter badań, dzięki czemu mogą być stosowane do badań różnych elementów na różnych etapach procesu ich wytwarzania oraz w czasie ich eksploatacji, duża szybkość badania, pozwalająca na natychmiastowe otrzymywanie wyników badań, co umożliwia kontrolę dużej ilości elementów lub dużych odcinków, duża wszechstronność badań ultradźwiękowych, te same metody i aparatura mogą być stosowane do badania małych i dużych przedmiotów wykonywanych z różnych materiałów (beton, guma metale, tworzywa ceramiczne, a nawet wyroby z drewna), łatwość przeprowadzania badań, przenośność urządzeń stosowanych w badaniach ultradźwiękowych, możliwość przeprowadzania badań przy jednostronnym dostępie do badanego elementu (metoda echa). 3. Klasyfikacja badań ultradźwiękowych. Podstawową klasyfikacją badań ultradźwiękowych jest klasyfikacja ze względu na wykorzystywane własności fal ultradźwiękowych: metoda echa, metoda cienia zwana metodą przepuszczania, metoda rezonansu metoda TOFD. Każda z wymienionych metod może być realizowana sposobem kontaktowym lub zanurzeniowym. O sposobie kontaktowym mówimy wówczas gdy głowica ultradźwiękowa oddzielona jest od badanego przedmiotu tylko cienką warstwą substancji sprzęgającej,
3 natomiast w przypadku sposobu zanurzeniowego badany element jest całkowicie zanurzony w cieczy, poprzez którą drgania ultradźwiękowe są do niego wprowadzane. Metoda echa polega na wytworzeniu i wprowadzeniu do badanego materiału impulsów fal ultradźwiękowych oraz ich odbiorze po odbiciu od wady materiałowej lub powierzchni ograniczających. Metoda przepuszczania (cienia) polega na wprowadzeniu fal ultradźwiękowych z jednej strony badanego materiału i odbieraniu ich z drugiej strony po przejściu przez ten przedmiot przy równoczesnej obserwacji natężenia fal przechodzących. Metoda rezonansu oparta jest na zjawisku odbicia fal ultradźwiękowych od wady materiałowej lub powierzchni ograniczających, jednak podczas gdy w metodzie echa odbicie od wady obserwuje się oddzielnie od obrazu fal wysyłanych, to w metodzie rezonansu ma miejsce nakładanie się na siebie fal padających i odbitych. Metoda TOFD (time-of-flight diffraction) oparta jest na wykorzystaniu dyfrakcyjnego ugięcia i rozpraszania fal ultradźwiękowych.
4 4. Rodzaje wad wykrywanych za pomocą badań ultradźwiękowych Przez wadę w szerokim tego słowa znaczeniu, rozumieć będziemy wszelkie odstępstwa od przyjętych parametrów, charakteryzujących stan materiału lub wyrobu. Wadami będą więc : makro niejednorodności, występujące w materiale w postaci różnego rodzaju pęknięć, pęcherzy, wytrąceń substancji obcych, mikro niejednorodności, występujące w materiale w postaci segregacji pierwiastków, odchyleń od prawidłowej struktury materiału (np. nie właściwa wielkość ziarna, skład fazowy itp.), odchylenia od ustalonych wskaźników własności materiałów (np. własności wytrzymałościowych, twardości itp.), zmiany geometryczne (np. odchylenia wymiarowe, zmiany grubości ścianek rur narażonych na działanie korozji, niewłaściwa grubość pokryć galwanicznych itp.). Wady takie są pochodzenia technologicznego lub też powstają w czasie eksploatacji. Wadami pochodzenia technologicznego mogą być : a) wady pierwotne materiału, powstałe po odlaniu lub podczas obróbki plastycznej, b) wady wtórne, powstałe z istniejących uprzednio wad pierwotnych, nie wykrytych w materiale przed wykonaniem z niego przedmiotu, c) wady nowe, wywołane niewłaściwie przeprowadzonym zabiegiem. Do najbardziej charakterystycznych wad pochodzenia technologicznego w elementach maszyn należą: pęknięcia, wtrącenia i inne nieciągłości objętościowe, pozostałości jamy usadowej i zawalcowania w prętach, pęknięcia, pozostałości jamy usadowej, zawalcowania, rozwarstwienia, zanieczyszczenia oraz niewłaściwa grubość ścianki rur, rzadzizny, jamy skurczowe, pęknięcia i porowatości w odlewach, rzadzizny, wtrącenia, duże pęknięcia kuźnicze, pęknięcia cieplne, drobne pęknięcia (płatkowe) i segregacje w odkuwkach, rozwarstwienia, wtrącenia i pęknięcia w blachach rysy i wgłębienia powstające podczas ciągnienia lub tłoczenia, pęknięcia i zażużlenia spoin, braki przetopu, wycieki, podtopienia lica i grani, uskoki w złączach spawanych, braki przyczepności stopów łożyskowych do panwi łożysk ślizgowych, obecność szczelin w połączeniach skurczowych, pęknięcia powstałe w czasie obróbki cieplnej i cieplno chemicznej oraz pęknięcia szlifierskie. Wady eksploatacyjne to przede wszystkim pęknięcia zmęczeniowe i korozja. 5. Sprzęt do badań ultradźwiękowych Defektoskopy ultradźwiękowe Defektoskop ultradźwiękowy jest to aparatura zawierająca układy elektroniczne, których zadaniem jest wytwarzanie i odbieranie drgań elektrycznych oraz ich uwidacznianie na
5 ekranie lampy oscyloskopowej a także pomiar czasu przejścia lub natężenia fal ultradźwiękowych w badanym materiale Głowice ultradźwiękowe Pod podęciem głowicy ultradźwiękowej rozumiemy urządzenie wysyłające i odbierające fale ultradźwiękowe oraz dokonujące przetworzenia drgań elektrycznych na mechaniczne i na odwrót. Przekrój przez głowicę normalną: W wtyk, O obudowa, K przewód doprowadzający napięcie, T tuleja, OP osłona przetwornika, P przetwornik piezoelektryczny, M masa tłumiąca. Przekrój przez głowicę skośną 6. Budowa defektoskopu ultradźwiękowego USK-7B 6.1. Opis schematu defektoskopu ultradźwiękowego USK-7B 1 - kontrola stanu baterii (BATT), 2 - regulator opóźnienia (startu podstawy czasu), 3- dokładny regulator zakresu badania, 4- przełącznik db, 5 - regulator podcięcia, 6 - regulator ostrości (FOC),
6 7 - gniazdko ładowania, 8 - gniazdko przyłączowe kabla pomiarowego (odbiornik), 9 - gniazdko przyłączowe kabla pomiarowego (nadajnik), 1 0 - zgrubny przełącznik zakresu badania, 1 1 - zgrubny przełącznik db, 12- przełącznik Zał./ Wył. N/O (energia impulsu nadawczego), 3 2 4 5 12 9 8 7 6 6.2. Obsługa defektoskopu ultradźwiękowego USK-7B 1) Kontrola stanu baterii (BATT) 2) regulator opóźnienia Regulator ten (zwany także regulatorem punktu początkowego) umożliwia przesuwanie ech na ekranie defektoskopu. Nie powoduje to zmiany odległości między echami. Regulator ten, wraz z regulatorem zakresu (3) jest konieczny do skalowania zakresów. Przesunięcie maksymalne (patrz dane techniczne pod pojęciem przesunięcie impulsu. 3) regulator zakresu (3, 10). Przełącznik obrotowy ustawia się na najbliższy, najniższy zakres badania (patrząc od strony żądanego zakresu badania). Regulatorem można ustawić wszystkie wartości pośrednie aż do maks. 10m. W położeniu 1,0 regulatora (3) ą wyskalowane zakresy 10mm, 50mm, 250mm oraz 1000mm dla stali tzn. po wybraniu jednego z tych zakresów przełącznikiem (10) do skalowania należy tylko odpowiednio przesunąć impuls regulatorem (2). 4) przełącznik db (decybelowy). Przełącznik skokowy (4) umożliwia zmianę wzmocnienia w skokach po 2 db w zakresie 40 db (np. przy dokładnym pomiarze różnicy amplitud ech). Przełącznik (11) umożliwia dodanie 20, 50 lub 60 db. W sumie uzyskuje się zakres wzmocnienia 0-100 db (0-40 db, 20-60 db, 40-80 db, 60-100 db), który można zmieniać w skokach co 2 db. 5) regulator podcięcia regulator ten umożliwia podcięcie wszystkich ech do ok. 40% wysokości ekranu. a) podcięcie jest wyłączone jeżeli regulator (5) jest przekręcony w lewo do oporu,
7 b) podcięcie jest najważniejsze jeżeli regulator (5) jest przekręcony w prawo do oporu. 6) regulator ostrości (FOC) umożliwia on nastawienie właściwej ostrości obrazu na ekranie. 7) gniazdo ładowania do tego gniazda podłącza się ładowacz aby naładować akumulatory znajdujące się w defektoskopie. 8,9) gniazda przyłączowe kabli pomiarowych do tych gniazd należy podłączyć głowice, wykorzystując do celu odpowiednie kable pomiarowe. 10) przełącznik Zał./ Wył. N/O (energia impulsu nadawczego). a) przełącznik w położeniu (OFF): defektoskop jest wyłączony, b) przełącznik w położeniu 1 :defektoskop jest załączony i pracuje z rozdzielczością i średnią energią impulsu nadawczego (średnia moc nadajnika), c) przełącznik w położeniu 2 defektoskop jest załączony i pracuje z dużą energią impulsu nadawczego (duża moc nadajnika oraz z obniżoną rozdzielczością, praca taka jest zalecana tylko wtedy, gdy rezerwa wzmocnienia w położeniu 1 przełącznika jest niewystarczająca. d) Przełącznik w położeniu :defektoskop jest przygotowany do pracy z głowicą dwudzielną (zważać na punkt 10,11) albo z dwoma głowicami jednoprzetwornikowymi, z których jedna jest nadawczą, a druga odbiorcza (metoda przepuszczania). 7. Przygotowanie sprzętu do badań ultradźwiękowych 7.1. Wzorce i wady wzorcowe Wzorce umożliwiają kontrolę i ustawienie parametrów aparatury na żądanym poziomie, dzięki czemu uzyskuje się powtarzalność wyników nadań dokonywanych w różnych ośrodkach i przy pomocy odmiennej aparatury. Możliwa staje się również dzięki temu odtwarzalność badań. Wzorce stanowią próbki o określonym kształcie. Mogą one zawierać wady sztuczne wykonane w postaci otworów z płaskim dnem, otwory cylindryczne lub nacięcia o różnym kształcie. Wzorce w zasadzie można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią wzorce do kontroli parametrów aparatury jak wzmocnienie, skalowanie podstawy czasu dla fal poprzecznych oraz do sprawdzenia czy raz ustawione parametry nie uległy w czasie badania zmianie. Dodatkowo, za pomocą takich wzorców, można kontrolować kąt załamania głowic skośnych, środek głowicy skośnej, energia układu aparat głowica. Umożliwiają one również wyznaczenie charakterystyk pola ultradźwiękowego. Istnieje szereg różnych wzorców w poszczególnych krajach. W Polsce obowiązują: wzorzec W1 zgodnie z normą PN-75/M-70051,,Badania nieniszczące metodami ultradźwiękowymi. Wzorzec kontrolny W1 wzorzec W2 zgodnie z normą PN-75/M-70054,,Badania nieniszczące metodami ultradźwiękowymi. Wzorzec kontrolny W2. Wzorce te pozwalają na przeprowadzenie skalowanie podstawy czasu aparatu ultradźwiękowego, wyznaczania środka głowicy skośnej, wyznaczania kąta załamania głowicy skośnej, kontrolę maksymalnej energii układu aparat-głowica normalna, badanie rozdzielczości głowic normalnych, nastawianie czułości głowic skośnych, przybliżoną kontrolę strefy martwej.
8 Do drugiej grupy zaliczyć można wzorce specjalne lub porównawcze. Wykonuje się je przede wszystkim wtedy, gdy badaniom podlegają większe partie elementów o określonych własnościach. W takim przypadku wzorce wykonuje się, w miarę możliwości, z tego samego materiału i o tym samym kształcie co badany element. Do tej grupy możemy zaliczyć wzorce mikrosekundowe (PN-75/M-70056) do pomiaru czasu przejścia fal ultradźwiękowych. Są one wykonane w postaci walców o średnicy 30-40 mm i długości zależnej od wymaganego czasu przejścia fal ultradźwiękowych. Wzorce mogą być wykonane z dowolnego materiału, najdogodniejszy jest jednak materiał słabo tłumiący fale ultradźwiękowe. Wzorce mikrosekundowe mają nacięcia na bocznej powierzchni walcowej aby uniknąć transformacji fal przy ślizgowym padaniu fali podłużnej na boczne powierzchnie. Wzorce mikrosekundowe znajdują zastosowanie przy pomiarach prędkości fal podłużnych, przy skalowaniu podstawy czasu dla wyznaczania wytrzymałości żeliwa szarego oraz zmian prędkości fal ultradźwiękowych spowodowanych przez różne czynniki zewnętrzne (temperatura, obciążenie itp.) i strukturalne. 7.2. Skalowanie podstawy czasu dla fal podłużnych Skalowanie podstawy czasu sprowadza się do ustalenia dwóch (lub większej ilości) ech, pochodzących od reflektorów znajdujących się w znanej odległości, we właściwym położeniu na ekranie lampy oscyloskopowej. 7.2.1. Skalowanie podstawy czasu dla fal podłużnych z zastosowaniem wzorca W1 Skalowanie podstawy czasu dla zakresu 200mm Dla zakresu podstawy czasu do 250 mm głowicę ustawiamy w położeniu jak na rysunku. Na ekranie obserwujemy impulsy odbite co 25 mm. Jeżeli podstawa czasu na ekranie lampy oscyloskopowej ma 10 działek, a zakres jej ma wynosić 20 mm, to na ekranie zaobserwujemy 8 kolejnych odbić, przy czym obraz należy tak, by 1,2,3,... odbicie przypadło dokładnie na 1,25; 2,5; 3,75; 5;... 10 działce. Tak przeprowadzony sposób skalowania podstawy czasu pozwala na uwzględnienie tych odchyłek z wystarczającą dla praktyki dokładnością. Dla zakresu 500 mm i więcej głowicę należy ustawić w położeniu jak na rysunku poniżej.
9 Skalowanie podstawy czasu dla zakresu 500 mm Przy zasięgu 500 mm kolejne echa powierzchni odległej o 100 mm powinny przypadać na 2,4,6,8 i 10 działce, ze względu na transformację powstającą przy niemal równoległym podaniu fali na boczne ścianki wzorca powstają po pierwszym odbiciu w odległości 100 mm dodatkowe echa, które utrudniają przeprowadzenie skalowania dla zakresów większych niż 1000 mm. Niedogodność powyższą można usunąć przez odpowiednią obróbkę powierzchni bocznych wzorca. 7.2.2. Przykład skalowania defektoskopu Procedurę skalowania przedstawiono poniżej ilustrując za pomocą przykładu: a. ustalić zakres obserwacji ZO, ZO = 250 mm b. obliczyć podziałkę podstawy czasu ppc ppc = ZO : 10 działek = 25 mm/dz, c. wybrać grubość, spełniającą warunek g 0 ZO przyjmujemy g 0 = 100 mm, d. wybrać dwa echa m i n grubości g 0 widoczne na ekranie przy wybranym zakresie obserwacji nr echa, i 1 2 3 grubość, i g 0, 100 200 300 m = 1 n = 2 e. obliczyć położenie na ekranie lampy oscyloskopowej l m i l n ech grubości m g 0 i n g 0 ze wzoru: l i = (ig 0 opc) : ppc l 1 = l 100 = 100 mm : 2 5mm/dz = 4dz l 2 = l 200 = 200 mm : 25 mm/dz = 8dz, opc = 0
10 gdzie: opc oznacza opóźnienie startu podstawy czasu lampy oscyloskopowej. Początek impulsu nadawanego, nie musi się pokrywać z początkiem skali na ekranie. Przyczyną tego może być opóźnienie impulsu elektrycznego w stosunku do momentu nadania sygnału mechanicznego lub warstwa ochronna na przetworniku [2]. f. ustawić echa m i n w położeniach l m. i l n obliczonych w punkcie e. Ustalenie echa m i n na ekranie oscyloskopu. 7.3. Skalowanie podstawy czasu dla fal poprzecznych z zastosowaniem wzorca W1 Głowicę fal podłużnych ustawia się w położeniu A jak na rysunku. Czas przejścia fali podłużnej przez odcinek 91 mm w stali czasowi przejścia fali poprzecznej przez odcinek 50 mm, ponieważ stosunek 50/91 odpowiada dokładnie stosunkowi prędkości fali poprzecznej do prędkości fali podłużnej. Z kolei przykładamy głowicę fal poprzecznych w położenie B. Echo powierzchni zakrzywionej o promieniu 100 mm będzie przesunięte w stosunku do drugiego echa uzyskanego na długości 91 mm w prawo ze względu na to, że fala ultradźwiękowa przechodzi dodatkowo przez osłonę z polimetakrylanu metylu. Należy więc przesunąć całą podstawę czasu w lewo tak, by oba echa pokryły się. Np. w przypadku skalowania podstawy czasu dla zakresu 250 mm głowicę fal podłużnych umieszczamy w położeniu A na wzorcu. Pięć kolejnych odbić ustawiamy tak, by pokrywały się z 2, 4, 6, 8 i 10 działką skali podstawy czasu. W ten sposób zakres podstawy czasu, mającej 10 działek odpowiada dokładnie 250 mm (1działka = 25mm) dla fal poprzecznych w stali. Głowicę fal poprzecznych ustawiamy w położeniu B na wzorcu. Echo powierzchni walcowej o promieniu 100 mm doprowadzamy do pokrycia się z czwartą działką skali podstawy czasu. W tym celu przesuwamy poziomo podstawę czasu o odpowiedni odcinek w lewo. Przy tak wywzorcowanej podstawie czasu początek skali na ekranie odpowiada dokładnie momentowi wejścia fal poprzecznych do badanego materiału.
11 Skalowanie podstawy czasu dla fal poprzecznych: a) położenie głowicy na wzorcu, b) kolejne odbicia z odległości 91mm równoważnej grubości 50mm przebywanej przez fale poprzeczne, c) przesunięcie echa powierzchni walcowej o promieniu 100mm do pokrycia się ze znacznikiem 100mm dla fali poprzecznej.