Ispitivanje ultrazvukom

Salkanović Dino

Rezime: Za razliku od konvencionalnih metoda, ispitivanja bez razaranja je  ispitivanje i karakterizacija problema bez uništavanja. Ove metode imaju prednost smanjenja broja ispitnih uzoraka i veću količinu mjernih podataka i informacije koje se mogu dobiti. Najbitnije prednost je činjenica da se na gotovim proizvodima mogu obavljati inspekcije i to da se proizvod ne uništi. Nedostatak je veliki napor pri ispitivanju. U ovom radu bit će objašnjeno ispitivanje proizvoda različitim ultrazvučnim metodam, prikaza primljenog signala kao i mali osvrt na prostiranje ultrazvuka.

Ključne riječi: Ultrazvuk, metoda “puls-eho“, metoda transmisije, akustična impedancija , refleksija, refrakcija, transmisija apsorcija, A;B;C;D;P-prikaz

1. Uvod

Ispitivanje ultrazvukom se primjenjuje od četrdesetih godina i do danas su razvijene mnoge tehnike primjene. Ispitivanje ultrazvukom se bazira na činjenici da su čvrsti materijali dobri vodiči zvučnih talasa. Na granicama čvrstih materijala dolazi do odbijanja (refleksije) zvučnih talasa i ta pojava je iskorištena za ispitivanje volumena materijala.

Ispitivanje ultrazvukom je uz radiografiju jedina metoda za ispitivanje volumnih grešaka. Uz odgovarajuće poznavanje mogućnosti i ograničenja metode i korištenjem modernih tehnika, ultrazvuk postaje jedna od najmoćnijih metoda ispitivanja bez razaranja. [11]

1.1 Najnovija istraživanja

M. Vural i A. Akkuş 2006 g.Dva različita lima (lim od AISI 304 austenitnog nehrđajućeg čelika i pocinčani čelični lim) koji su međusobno zavareni ispitivani su ultrazvučnom metodom na terenu aparatom posebno dizajniran za ispitivanje na terenu. [7]

Slika 1. Ispitivanje ultrazvukom dva međusobno zavarena lima[7]

A.Voleišis, R. Šliteris, R. Kažys, B. Voleišienė 2010 g.Razvijen je ultrazvučni pretvarač za visoke temperature na temelju zlato-zlato difuzije. Pogodni za za ispitivanja na 400 °C i u tečnosti na 290°C. [8]

1

Slika 2. Ultrazvučno ispitivanje pod vodom[8]

E. Jasiūnienė 2010g.Ispitivanje zavara na željezničkim mrežama korištenjem CIVA softvera za mjerenje ultrazvučnog faznog polja.[9]

Slika 3. Ispitivanje zavara na željezničkim mrežama[9]

2

2. Ultrazvuk

Ultrazvuk je pojava oscilacija gustoće čije su frekvencije toliko visoke da ih čulo sluha čovjeka više ne može osjetiti. Granica na kojoj se završava područje zvuka je frekvencija od 20 KHz.[2]Frekvencija koja se koristi za ultrazvučno ispitivanje je između 50 kH i 10 MHz ovisno o materijalu koji se ispituje.

Slika 4. Frekvencijska područja zvuka [4]

2.1 Rasprostiranje ultrazvuka

Unutar čvrstih tijela talasi se mogu rasprostirati na četiri načina u ovisnosti o načinu oscilovanja čestica. Ultrazvuk se može rasprostirati kao longitudinalni talas, transverzalni talas, površinski talas i kod vrlo tankih metala kao tzv.pločasti talas (eng. plate vawe). [4]

Ultrazvuk se može proizvesti mehaničkim putem, ali najčešći i efikasniji način je elektromehaničko stvaranje ultrazvuka odgovarajućim pretvaračima. Oni najčešće rade na magnetostrikcijskom ili piezoelektričkom principu, i napajani su iz odgovarajućih elektroničkih generatora.

Magnetostrikcija je pojava da neki materijali (npr.meko željezo) u prisustvu promjenljivog magnetnog polja mijenjaju dimenzije.

Piezoelektrični efekat se zasniva na činjenici da izvjesni kristali (npr. kvarc) se dimenzionomijenjaju kada električna struja protiče kroz njih. [2]

3

Longitudinalni i transverzalni talasi se najčešće koriste pri ultrazvučnom ispitivanju materijala. Kod longitudinalnih talasa čestice osciluju u smjeru širenja talasa, dok se kod tranverzalnih talasa čestice gibaju okomito na smjer širenja talasa. Za efektivno širenje transverzalnih talasa potrebno je akustički čvrsto (kruto) tijelo, dok se tranzverzalni šire kroz sva tri agregatna stanja tvari.

Brzine širenja zvučnih talasa se bitno razlikuju u različitim materijalima. Brzina širenja talasa zavisi o osobinama materijala i temperaturi. [4]

Longitudinalni talasi -smjer prostiranja duž smjera vibracija

Transverzalni talasi -smjer prostiranja okomito smjeru vibracija

v-brzia širenja [m/s]E-modul elastičnosti [N/mm2]μ- Poisonov koeficijentρ- gustina [g/cm3]

Tabela 1. Zavisnost brzine talasa od vrste materijala [1]Materijal Brzina longitudinalnih talasa

[m/s]Brzina transferzalnih talasa

[m/s]Aluminijum 6320 3130

Željezo 5900 3230Bakar 4730 2300Nikel 5864 3219

Kvarzno staklo 5570 3520PMMA 2730 1430Voda 1481 -Zrak 330 -

4

2.1.1 Akustična impedancija

Akustična impedancija definira se kao produkt gustoće materije i brzine rasprostiranja ultrazvuka . [4] Računa se prema izrazu:

Z- akustična impedancija [kg/m2 s]c- brzina rasprostiranja zvuka u mediju [m/s]ρ- gustoća [kg/m3]

Akustična impedancija važna je pri:

1.određivanju akustične transmisije i refleksije na granici dvaju materijala različitih akustičnih impedancija

2. konstrukciji ultrazvučnih pretvornika (sondi)3. procjeni apsorbcije zvuka unutar medija

2.1.2 Zakoni raspostiranja ultrazvuka

-Zakon refleksije

Zbog različitih akustičkih impedancija materijala dio energije se reflektira na granici dva materijala, a dio prenosi u drugi materijal. [4]

Intenzitet reflektiranog talasa računa se prema izrazu:

Ir- intenzitet reflektiranog talasa [W/m2]Ii- intenzitet upadnog talasa [W/m2]Z1- akustička impedancija materijala upadnog talasa [kg/m2 s]Z2- akustička impedancija materijala prenesenog talasa [kg/m2 s]

-Zakon refrakcije

Ultrazvučni talasi se lome pri prijelazu iz jednog sredstva u drugo.

Pri tome vrijedi:

5

-Zakon transmisije

Pri prijelazu ultrazvuka iz jednog materijala u drugi dolazi do djelomične refleksije ultrazvuka ako mediji nisu jednake impedancije, a dio će se ultrazvučne energije prenijeti u drugi materijal. [4]

-Zakon apsorcije

Apsorpcija ultrazvuka je proces u kojem ultrazvuk slabi pri prolasku kroz neko sredstvo. Prilikom apsorpcije veći se dio energije pretvara u toplinu tj. zvuk se u nekom materijalu apsorbira tako da se pretvori u drugi oblik energije i onda u toplinu. [4]

3. Ultrazvučna metoda za ispitivanje materijala

Za ultrazvučno testiranje koriste se visoke frekvencije energije zvuka u svrhu provođenja testa i mjerenja. Ultrazvučna metoda ima široku primjenu. Koristi se za detekciju (procjenu) pukotina unutar materijala, ispitivanje zavarenog spoja, mjerenje dimenzija, karakterizaciju materijala itd. [4]

U svrhu ultrazvučne kontrole (ispitivanja) koriste se dvije metode:

metoda “puls-eho“ - temelji se na mjerenju reflektiranih talasa i vremena između slanja i primanja signala

Slika 5. Metoda “puls-eho“[10]

metoda transmisije (prozvučavanja) - temelji se na mjerenju slabljenja signala (UZ talasa)

6

3.1 Princip rada ultrazvučne metode

Princip rada ultrazvučne metode može se objasniti na jednostavnom primjeru ultrazvučne inspekcije na principu impulsa i odjeka (eng. pulse-echo). Za tu metodu potreban je uređaj koji generiše impulse (ultrazvučne talase) i prima reflektirane impulse (eng. pulser/receiver), pretvornik (eng. transducer) i uređaj za prikaz odziva. Pogonjen pulserom (davač impulsa), pretvornik generira ultrazvučnu energiju visoke frekvencije. Energija zvuka se unosi i širi kroz materijal u obliku talasa. Kada signal dođe do neke vrste diskontinuiteta (npr.pukotine, ili granice materijala različitih akustičkih impedancija) dio energije signala će se reflektirati natrag od površine (npr. pukotine ili drugog materijala.). Reflektirani ultrazvučni signal se zatim pretvara u električni signal i šalje na obradu i na uređaj za prikaz odziva. Za utrazvučne pretvornike koriste se materijali koji imaju piezoelektrička svojstva. [4]

Slika 6. Jednostavna blok shema uređaja za ultrazvučnu kontrolu na principu impuls/odjek [4]

Slika 7. Sonda sa sistemom za očitavanje[12]

7

Slika 8. Ispitivanje uzorka sa i bez greške [2]

Ultrazvučne glave moraju biti u bliskom kontaktu sa površinom uzorka, u protivnom će se pojaviti lažni eho. Kontakt se ostvaruje stavljanjem uljnog filma između ultrazvučne glave i površine uzorka kako je prikazano na slici 9, tako da između ne postoji vazdušni međuprostor.

Slika 9. Kontaktna tekićina između sonde i testnog materijala[12]

Upotreba jedne ultrazvučne glave za emitovanje i prijem će otkriti većinu slučajno orijentisanih grešaka, međutim mogu se propustiti tanke i duge greške čija je osa paralelna sa putem ultrazvučnog talasa. Da bi se prevazišao ovaj problem koristi se složenija tehnika sa odvojenim ultrazvučnim glavama za emitovanje i prijem kako je prikazano na slici 10. [2]

8

Slika 10. a) upotreba jede ultrazvučne glave; b) upotreba sa odvojenim ultrazvučnim glavama [2]

Osnovna oprema za ultrazvučno testiranje :

Elektronički generator signala Sonda koja emitira ulrazvučne valove Fluid (eng. couplant) za prijenos energije iz(u) sondu Sonda za prihvaćanje reflektiranih talasa Pojačalo / demodulator Uređaj za prikaz signala (npr. računalo, osciloskop) Elektronski referentni sat

4. Načini prikaza primljenog (reflektiranog) signala (odziva)

Dobiveni rezultati ultrazvučnog testiranja mogu se prikazati na nekoliko načina u ovisnosti o informacijama koje želimo prikupiti prilikom testiranja.

A-prikaz

A- prikaz je grafički prikaz koji se zasniva se na analizi amplitude primljenog signala. Kod A-prikaza amplituda reflektiranog signala je funkcija dubine i razlike u impendancijama. A –prikaz se može koristiti npr. za ispitivanje zavarenih spojeva feritnih i neferitnih materijala na tlačnim spremnicima, cjevovodima, rezervoarima, mostovima.

U slučaju kada je struktura materijala gruba, metoda daje samo kvalitativnu ocjenu i nepouzdane rezultate.

B-prikaz

B- prikaz je dvodimenzionalni grafički prikaz u pravouglom kordinatnom sistemu, gdje je vrijeme putovanja ultrazvučnih impulsa prikazano kao pomak duž jedne osi (x-osi), a kretanje pretvornika (sonde) je prikazano kao pomak duž druge osi (y-osi). B-prikazom dobije se dubina na kojoj se nalazi reflektor, i njegove približne dimenzije u smjeru ispitivanja. B

9

slikom se inače prikazuje poprečni presjek testnog uzork. Reflektirani valovi predstavljeni su kao tačke različitog intenziteta, a funkcije su amplitude.

Slika 11. A i B prikaz [4]Pomicanjem sonde po testnom uzorku u vremenskoj domeni, pojavljuju se na zaslonu signali od pojedinih diskontinuiteta, kako je prikazano na slici 11. Zato prema slici 11. za A – prikaz imamo slijedeće signale :

IP - inicijalni impuls, približno u nultoj sekundiA - signal od diskontinuiteta koji se nalazi na nekoj dubini dB - signal od diskontinuiteta na nekoj dubini manjoj od dC - signal od diskontinuiteta na dubini manjoj od d, ali i onoj od signala CBW - signal od stražnje plohe uzorka

Prema slici 11. za B – prikaz imamo slijedeće signale :

IP - inicijalni impuls, približno u nultoj sekundiA - signal od diskontinuiteta koji se nalazi na nekoj udaljenosti r od početka skeniranja, dužine l, na dubini d u vremenu tB i C - isto kao i A , ali su diskontinuiteti na manjim dubinama , većoj udaljenosti i kraći suBW - signal od stražnje plohe uzorka

C-prikaz

C-prikaz je dvodimenzionalni grafički prikaz, u kojem su diskontinuiteti u testnom uzorku prikazani u pogledu odozdgo na gornju površinu testnog uzorka. C-prikaz se dobije projekcijom geometrije diskontinuiteta u objektu na horizontalnu ravninu testnog uzorka. C- prikaz daje nam informaciju o položaju i veličini indikacije (diskontinuiteta). C-prikaz je sličan standardnom radiografskom snimku.

Ispitivanje sa C-prikazom koristi se najčešće za detektiranje grešaka nastalih u proizvodnji, pri eksploataciji proizvoda i otkrivanje grešaka u osnovnom materijalu.

10

D-prikaz

D-prikaz je dvodimenzionalni grafički prikaz sličan C-prikazu, ali daje i informaciju o dubini na kojoj se nalazi diskontinuitet. Da bi se dobila informacija o dubini na kojoj se nalazi diskontinuitet potrebna je informacija o protečenom vremenu između slanja UZ talasa (početnog impulsa) sa predajnika (eng. pulser) i primljenog reflektiranog UZ talasa (eha) od strane prijemnika (eng. receiver).

P-prikaz

P–prikaz prikazuje geometriju diskontinuiteta u materijalu u tri dimenzije. P–prikaz je projekcija rezultata B-prikaza koja je izvedena u pogledu odozgo na testni uzorak, na bilo koju stranu testnog uzorka. Upotrebljava se za 3D vizualizaciju defekata ili korozije. Na slici 12. prikazan je P-prikaz koji se sastoji od tri projekcije : C-prikaza (pogled odozgo), B-prikaza (stražnji pogled) i bočnog pogleda. [4]

Slika 12. P-prikaz zavarenog spoja sa tri projekcije [4]

11

5. Prednosti i nedostaci ultrazvučne metode

Prednosti ultrazvučne metode su :

velika preciznost u određivanju lokacije objekta refleksije i procjeni veličine objekta velika preciznost otkrivanja orijentacije i oblika diskontinuiteta detaljnost prikaza (P-prikaz) relativno lahka obrada signala dobivenih od prijemnika (eng. receiver) elektronička oprema pruža trenutno dobivanje rezultata testiranja prenosivost opreme za testiranje

Nedostaci ultrazvučne metode su:

osjetljivost na nečistoće (npr. u cijevi) teškoće pri ispitivanju materijala koji imaju grubu i nepristupačnu površinu teškoće pri ispitivanju materijala koji su vrlo tanki, maleni i nepravilnog oblika teškoće pri ispitivanju nehomogenih materijala potreban je fluid (eng. couplant) za prijenos energije zvuka u testni uzorak potreba za etalonima i referentnim uzorcima pri kalibraciji ultrazvučne opreme i

provjere karakteristika opreme [4]

Slika 13. Uređaji za ultrazvučnu kontrolu [10]

12

Slika 14. Uređaj za ultrazvučnu kontrolu (lijevo) i određivanje grešaka ultrazvučnom metodom (desno) [10]

13

6. Zaključak

Ultrazvučna metoda se koristi za ispitivanje poluproizvoda a takođe i gotovih proizvoda. Odbijanje zvučnih talasa se ne javlja samo na vanjskim granicama materijala, već i prilikom nailaska zvučnog talasa na unutrašnje nepravilnosti u materijalu. Zahvaljujući takvim svojstvima, ultrazvučno ispitivanje je postalo, zajedno s radiografijom, najčešće primjenjivana metoda za ispitivanje unutarnjih grešaka u materijalu.

14

Literatura

[1] Dr.W.-D.Müller; Zerstörungsfreie Prüfverfahren[2] MAŠINSKI FAKULTET SARAJEVO - Materijali 2 – Vježbe ;Ispitivanja bez razaranja [3] http://pondt.hr/djelatnosti.html#[4] Viktor Mihljević; Detekcija zavara u metalnim šavnim cijevima Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje[5] Klassifikation von Schweißnahtfehlern mittels Ultraschall; Peter Holstein, Andreas

Tharandt, Stefan Langrock[6] „Ispitivanje proizvoda -Ispitivanje ultrazvukom“ doc.dr. Samir Lemeš[7] Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering[8] Investigation of diffusion bonding quality by ultrasonic technique; A.Voleišis, R.

Šliteris, R. Kažys, B. Voleišienė[9] Testing of the middle zone of the rail weld; E. Jasiūnienė[10] Google picture ultrasonic testing[11] http://pondt.hr/djelatnosti.html#[12] Dino Novosel „ Konstrukcija modula za ispitivanje stijenke vodilica u kapi reaktora“

15