| PN-EN 473 | Badania nieniszczące Kwalifikacja i certyfikacja personelu badań nieniszczących Zasady ogólne (oryg.) |
|---|---|
| PN-EN ISO 5817 | Spawanie Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów ( z wyjątkiem spawanych wiązka) Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych |
| PN-EN ISO 10042 | Spawanie Złącza aluminium i jego stopów spawane łukowo Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych |
| PN-EN ISO 11666 | Badania nieniszczące spoin Badania ultradźwiękowe spoin Poziomy akceptacji (oryg.) |
| PN-EN ISO 17640 | Badania nieniszczące spoin Badania ultradźwiękowe złączy spawanych (oryg.) |
| PN-EN 12223 | Badania nieniszczące Badania ultradźwiękowe Opis próbki wzorcowej nr 1 |
| PN-EN ISO 7963 | Badania nieniszczące Badania ultradźwiękowe Warunki techniczne kalibracji bloku nr 2 |
Poziom jakości zgodnie z PN-ISO 5817 lub PN-EN ISO 10042 |
Technika i poziom badań według PN-EN ISO 17640 | Poziomy akceptacji według PN-EN ISO 11666 |
|---|---|---|
B C D |
co najmniej B co najmniej A nie zaleca się przeprowadzania badań |
2 3 nie zaleca się przeprowadzania badań |
Długość fal - 2÷5 MHz
Rodzaje fal ultradźwiękowych:
podłużne – cząstki ośrodka drgają zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali,
poprzeczne – cząstki ośrodka drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali,
powierzchniowe – cząstki ośrodka drgają zarówno w kierunku ich rozchodzenia jak i w kierunku prostopadłym,
płytowe – rozchodzą się w elementach ograniczonych powierzchniami równoległymi, o grubości porównywalnej z długością fali,
Love’a – fale poprzeczne rozchodzące się w cienkich warstwach materiału znajdującego się na podłożu z innego materiału,
podpowierzchniowe – otrzymywane przez dobór kata padania fali podłużnej na powierzchnię ciała stałego, tak aby kąt załamania fali wynosił 90o. Fale są nieczułe na nierówności powierzchni i pozwalają na wykrywanie nieciągłości materiału na głębokości kilku milimetrów pod powierzchnią badaną.
Fale ultradźwiękowe wytwarzane są w przetwornikach głowic ultradźwiękowych, w których wykorzystywane są zjawiska:
piezoelektryczne – pracują najwydajniej przy częstotliwości rezonansowej. W przypadku płytki o równoległych ściankach, rezonans występuje wtedy, gdy grubość płytki jest równa wielokrotności połowy długości fali. Im cieńszy jest przetwornik, tym wyższa jego częstotliwość drgań własnych i tym krótsza długość wytwarzanej fali. Najczęściej stosowane materiały o własnościach piezoelektrycznych to:
a) kryształy naturalne (kwarc, turmalin, sól Seignetta),
b) kryształy sztuczne (siarczan litu, metanobian ołowiu),
c) polikrystaliczne materiały ceramiczne (tytanian baru, tytanian ołowiu, cyrkonian ołowiu, cyrkono-tytanian ołowiu),
d) niektóre tworzywa sztuczne.
magnetostrykcyjne – polega na zmianie wymiarów materiału pod wpływem pola magnetycznego. Właściwości takie przejawiają niektóre metale np. nikiel, kobalt, ich stopy oraz materiały ferromagnetyczne. Rozróżnia się magnetostrykcję liniową, która zachodzi wtedy, gdy odkształceniu nie towarzyszy zmiana objętości oraz magnetostrykcję objętościową, występującą przy przekształcaniu wiążącym się ze zmianą objętości. Zjawisko jest niezależne od kierunku pola magnetycznego. Fale wytworzone tą metoda mają częstotliwość dwukrotnie wyższą od częstotliwości zmian pola magnetycznego. Odbiór fal ultradźwiękowych następuje dzięki zjawisku magnetoelastycznemu, polegającemu na zmianie parametrów magnetoelastycznych pod wpływem fal sprężystych
elektromagnetycznego oddziaływania prądów wirowych – powstającego w elektromagnetycznych przetwornikach akustycznych składających się z cewki wywołującej w przedmiocie metalowym prądy wirowe oraz magnesu wytwarzającego pole magnetyczne. Oddziaływanie prądów wirowych z polem magnetycznym powoduje powstanie w zewnętrznej warstwie materiału naprężeń mechanicznych powodujących powstawanie fal ultradźwiękowych o takiej samej częstotliwości jak częstotliwość zmian prądu w cewce wytwarzającej prądy wirowe. Wadą tego przetwornika jest mała sprawność przemiany elektrycznej na ultradźwiękową.
promień lasera – wytwarzający wiązkę spójnego światła o bardzo dużym natężeniu. Wysokoenergetyczny impuls światła laserowego skierowany na powierzchnię metalu powoduje jego bardzo szybkie udarowe nagrzewanie. Ze wzrostem temperatury wiąże się zmiana objętości. Ponieważ powierzchnia nagrzana w stosunku do całkowitej objętości materiału jest bardzo mała, materiał szybko powraca do stanu wyjściowego. Cykliczne zmiany temperatury nagrzewanego punktu powodują zmiany objętości i mogą stać się źródłem fali ultradźwiękowej.
Wiązka fal ultradźwiękowych składa się z obszaru, w którym wartość ciśnienia akustycznego zmienia się. Długość tego obszaru mierzy się od powierzchni przetwornika do ostatniego maksimum ciśnienia. Obszar ten nazywany jest polem bliskim.
Strefa wiązki znajdującej się poza polem bliskim nosi nazwę pola dalekiego i jest oddalona od przetwornika na odległość nie mniejszą niż 3 długości pola bliskiego.
Fale ultradźwiękowe podlegają prawom ruchu falowego. Na granicy ośrodków typu „ciało stałe – gaz” (np. pęknięcia, pęcherze, rozwarstwienia, przyklejenia, braki przetopu) lub „ciało stałe – ciało stałe” (np. żużle, wtrącenia metaliczne i niemetaliczne) mogą zachodzić zjawiska:
odbicia fal – gdy ośrodki charakteryzują się różnymi akustycznymi opornościami falowymi. Kąt odbicia jest równy kątowi padania dla tego samego rodzaju fal,
załamania fal – występuje tylko przy padaniu na granice ośrodków pod pewnym kątem i jest spowodowane różnicą prędkości rozchodzenia się fali w przylegających do siebie ośrodkach,
transformacji fal – związanej z powstawanie wiązki innego typu fal niż fala padająca. Towarzyszy ukośnemu padaniu fal,
rozproszenia fal – zjawisko zachodzi podczas padania fali na nierówną granicę ośrodków. Towarzyszy temu spadek energii fal na przeszkodach dużo mniejszych od długości fali,
ugięcia fal (dyfrakcja) – polega na odchyleniu wiązki fal na przeszkodach dużo mniejszych od długości fali.
Środki sprzęgające sprzyjają usuwaniu szczeliny powietrznej działającej jak bariera akustyczna, powodująca niemalże całkowite odbicie fal od granicy „głowica – powietrze”. Do badań ultradźwiękowych wykorzystuje się następujące środki sprzęgające:
woda – powszechnie dostępna, powoduje korozję, przed stosowaniem powinna się „odstać” w celu wyeliminowania pęcherzyków powietrza w niej zawartych,
oleje (smary stałe) – bardzo dobry środek sprzęgający, jednak nie wolna go stosować przed malowaniem powierzchni badanej i spawaniem,
klej malarski lub do tapet – szczególnie wygodny przy badaniu powierzchni stromych, łatwo daje się usunąć pop wyschnięciu, powoduje korozję, niekiedy intensywną.
Metody badań ultradźwiękowych:
metoda cienia – zwana metodą przepuszczania polega na posługiwaniu się dwoma głowicami o jednakowych parametrach, z których jedna jest nadajnikiem, a druga odbiornikiem. Jeśli głowice ustawimy naprzeciw siebie, to sygnał wprowadzony do materiału przez głowicę nadawczą powinien dotrzeć do głowicy stanowiącej odbiornik. Podczas badania metodą cienia możemy spotkać się z następującymi możliwościami:
a) jeśli w materiale między głowicami nie ma żadnych nieciągłości (niezgodności), to do głowicy odbiorczej dociera cała fala ultradźwiękową wysłana z głowicy nadawczej.
b) Jeśli w materiale między głowicami istnieje nieciągłość materiału mniejsza od szerokości wiązki ultradźwiękowej, która przysłania (odbija) część wiązki fali, to do głowicy odbiorczej dociera część fali wysłanej przez głowicę nadawczą, sygnał odbierany jest słabszy i niższy od sygnału uzyskanego dla materiału bez nieciągłości.
c) Jeżeli występuje brak sprzężenia między materiałem badanym a którąś z głowic lub w materiale między głowicami występuje nieciągłość większa od szerokości wiązki ultradźwiękowej, to fala wysyłana przez głowice badawczą nie dociera do głowicy odbiorczej.
Oprócz wariantu podstawowego metody cienia, w którym dwie głowice proste znajdują się po dwóch stronach materiału, można stosować dwie głowice skośne ustawione po tej samej stronie materiału.
W metodzie cienia niemożliwe jest uzyskanie rzeczywistego obrazu niezgodności spowodowane rozproszeniem wiązki
metoda echa – wykorzystuje się w niej pojedynczą głowicę, która początkowo stanowi nadajnik impulsów, a następnie zostaje „przełączona” i odgrywa rolę odbiornika. Sygnał wysyłany przez głowicę do materiału odbija się od nieciągłości lub od przeciwległej powierzchni i wraca do głowicy. Na podstawie wysokości echa niezgodności na ekranie defektoskopu, można określić jej przybliżony wymiar. Graniczna, najmniejsza wielkość niezgodności, jaką możemy wykryć przy pomocy fal ultradźwiękowych, zależy od długości fali, czyli od częstotliwości drgań przetwornika głowicy. Jeśli wymiar nieciągłości jest mniejszy od połowy długości fali, to fala ultradźwiękowa „omija” nieciągłość prawie się nie odbijając, a tylko nieznacznie ulega rozproszeniu.
Wykrywalność nieciągłości zależy także od ich odległości od głowicy. Zjawisko to wynika z charakterystyki wiązki fali ultradźwiękowej w materiale oraz tłumienia. W niewielkiej odległości od głowicy w polu bliskim występują lokalne minima i maksima ciśnienia akustycznego fali. Dalej, w polu dalekim wiązka fali jest rozbieżna i ciśnienie fali spada wraz ze wzrostem odległości. Przy uwzględnieniu wpływu tłumienia fali w materiale okaże się, że nieciągłości znajdujące się za daleko lub za blisko głowicy są niemożliwe do wykrycia.
Innym czynnikiem wpływającym na wykrywalność niezgodności podczas badań ultradźwiękowych jest zdolność niezgodności do odbijania fali ultradźwiękowej. Zdolność ta zależy od kształtu niezgodności, chropowatości jej powierzchni, a także od kąta padania wiązki fal na jej powierzchnię. Kształt nieciągłości może spowodować skupienie lub rozproszenie wiązki, a co za tym idzie wzmocnienie lub osłabienie echa odbitego docierającego do głowicy. Duża chropowatość niezgodności powoduje rozproszenie wiązki, ale za to istnieje duże prawdopodobieństwo, że mimo niekorzystnego ułożenia powierzchni odbijającej względem fali część sygnału odbitego dotrze do głowicy.
Powierzchnia o małej chropowatości będzie dobrze odbijać padającą na nią wiązkę fal, ale przy niekorzystnym, skośnym położeniu powierzchni względem wiązki, echo odbite od powierzchni może nie dotrzeć do odbiornika.
metoda rezonansu – znalazła zastosowanie do pomiarów i polega na wzbudzaniu w materiale fali stojącej, wchodzącej w rezonans z długością fali. Ma to miejsce wówczas, gdy spełniony jest warunek, że grubość materiału jest wielokrotnością długości fali. W metodzie rezonansu nadawana jest zwykle fala ciągła.
metoda TOFD – wykorzystuje zjawisko dyfrakcji fal ultradźwiękowych do wykrywania i oceny niezgodności. Do badań stosuje się dwie głowice skośne na fale podłużne, umieszczone po obu stronach spoiny poza SWC, przy czym jedna głowica pracuje jako nadawcza, a druga jako odbiorcza. Z głowicy nadawczej wysyłana jest fala ultradźwiękowa. Która w swoim przekroju obejmuje cały obszar badany (spoinę i SWC). Do głowicy odbiorczej dociera sygnał z kontrolowanego obszaru. Podczas badania rejestrowane są impulsy fal ultradźwiękowych, które zostały rozproszone na krawędziach niezgodności
Zalety metody TOFD to: lepsza wykrywalność niezgodności w porównaniu z klasyczną metodą ultradźwiękową i radiologiczną, duża prędkość wykonywania badań dochodząca do 5 m/s, zmniejszenie wymagań dotyczących przeszkolenia personelu i zmniejszenie kosztów kontroli. Podstawową wadą tej metody jest niska rozdzielczość występująca w obszarze podpowierzchniowym w porównaniu z wysoką rozdzielczością w głębi materiału oraz określanie rodzajów niezgodności.
Technika badania
Przed przystąpieniem do badań ultradźwiękowych złączy spawanych operator powinien posiadać informacje dotyczące:
gatunku stali,
przygotowania i wymiarów złącza, technologii spawania,
sposobu przeprowadzania ewentualnych napraw lub obróbki cieplnej złącza,
kryteriów akceptacji,
procedury działań korygujących w przypadku stwierdzenia wskazań niedopuszczalnych.
Wszystkie złącza badane ultradźwiękowo należy wcześniej poddać badaniom wizualnym na całej długości połączenia.
Przeprowadzanie badań metodą ultradźwiękową można podzielić na kilka etapów:
Działania podstawowe mające na celu wykrycie, lokalizację i wyznaczenie wymiarów charakterystycznych niezgodności.
Działania uzupełniające mające na celu lokalizację i wyznaczenie wymiarów charakterystycznych nie wykrytych wcześniej niezgodności płaskich (pęknięć i przyklejeń) usytuowanych prostopadle i skośnie do spoiny.
Działania dodatkowe mające dostarczyć jak najwięcej dodatkowych informacji o niezgodnościach wykrytych i zlokalizowanych w dwóch poprzednich etapach.
W zależności od wymaganej dokładności, badania dzielą się na kategorie
A – badania uproszczone,
B – badania pełne,
C – badania z podwyższoną dokładnością.
Badania mogą być prowadzone z jednego, dwóch i czterech obszarów przesuwu oraz z jednego lub dwóch kierunków wysyłania fal ultradźwiękowych. W zależności od kategorii badania, badania dodatkowe są uwzględniane lub pomijane.
Badanie spoin pachwinowych nie jest jeszcze całkowicie miarodajne ze względu na brak odpowiednich głowic, zarówno normalnych jak i skośnych, pozwalających na dokładne określenie linii wtopienia. Stąd trudności w wykryciu tak groźnych niezgodności jak braki przetopu lub przyklejenia.
Klasyfikację niezgodności przeprowadza się na tzw. odcinku normalnym czyli w miejscu, gdzie występuje największa wadliwość połączenia. Długość odcinka normalnego ustala się zależnie od grubości złącza:
100 mm dla złączy o grubości do 10 mm,
10xg dla złączy o grubości 10÷30 mm,
300 mm dla złączy o grubości powyżej 30 mm.