9 Metody badań ultradźwiękowych

W badaniach ultradźwiękowych można wyróżnić następujące metody badań:

• metodę cienia, zwaną też metodą przepuszczania,

• metodę echa,

• metodę rezonansu.

W automatycznych badaniach ultradźwiękowych połączeń spawanych coraz szer­sze zastosowanie zdobywa metoda TOFD (Time Of Flight Diffraction) oraz SAFT (Syn-thetic Aperture Focusing Technique).

Rys. 129. Podstawowe metody badań ultradźwiękowych:

1. metoda przepuszczania (cienia),

2. metoda echa;

G- głowica nadawczo-odbiorcza,

GN - głowica nadawcza.

GO - głowica odbiorcza,

EN - impuls (echo) odbity od niezgodności,

ED - impuls (echo) odbity od „dna" przeciwległej powierzchni,

EP - „impuls przejścia".

W metodzie cienia posługujemy 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:

• Jeżeli w materiale między głowicami nie ma żadnych nieciągłości (niezgodności) to do głowicy odbiorczej dociera cała fala ultradźwiękowa wysłana z głowicy nadawczej.

• Jeżeli 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.

• 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 głowicę nadawczą nie dociera do głowicy odbiorczej.

W skrajnych przypadkach, jeżeli wyeliminujemy możliwość braku sprzężenia akustycznego między głowicami a materiałem, uzyskujemy jednoznaczny wynik badania: dobre - złe. W przypadku, gdy w materiale znajduje się nieciągłość mniejsza od szero­kości wiązki, uzyskana informacja jest niewystarczająca. Zależy nam na określeniu położenia i wielkości niezgodności. Niestety uzyskanie tego typu informacji jest nie­możliwe. Ta sama niezgodność, ze względu na rozbieżność wiązki ultradźwiękowej, znajdując się w różnej odległości od głowicy odbiorczej, będzie przysłaniała większą lub mniejszą część wiązki. Zatem do głowicy odbiorczej będzie docierała większa lub mniejsza część wiązki wysłanej. Sygnał od tej samej niezgodności pojawiający się na ekranie defektoskopu będzie miał różną wysokość, nie związaną z wielkości niezgod­ności, a jedynie z jej odległością od głowicy.

Oprócz wariantu podstawowego metody cienia, w którym dwie głowice proste znaj­dują się po dwóch stronach materiału, można zastosować dwie głowice skośne usta­wione po tej samej stronie materiału. Oczywiście odległość między głowicami musi być ściśle określona, a mianowicie głowice muszą być ustawione tak, aby wiązka fal ultra­dźwiękowych wysłana z głowicy nadawczej, po odbiciu od przeciwległej powierzchni materiału, trafiła do głowicy odbiorczej. Sposób ten nazywany jest metodą tandem.

W metodzie echa posługujemy się pojedynczą głowicą, 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. Mierząc czas upływający od momentu wysłania impul­su do momentu jego powrotu i odebrania przez głowicę można określić, znając pręd­kość fali ultradźwiękowej w materiale, odległość głowicy od przeszkody. 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 wymiary nieciągłości są mniejsze od połowy długości fali, to fala ultradźwiękowa „omija" tę nieciągłość prawie się nie odbijając, a tylko nieznacznie ule­gając rozproszeniu.

Wykrywalność nieciągłości materiału 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. Jeżeli dodatkowo uwzględnimy wpływ tłumienia fali w materiale to okaże się, że nieciągłości znajdujące się za daleko lub za blisko od głowicy są niemożliwe do wykrycia.

Innymi czynnikami wpływającymi 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 fal ultradźwiękowych, a co za tym idzie wzmocnie­nie lub osłabienie echa odbitego docierającego do głowicy. Niezgodności o dużej chro­powatości powierzchni powodują silne rozproszenie wiązki, ale za to istnieje duże prawdopodobieństwo, że mimo niekorzystnego ułożenia powierzchni odbijającej wzglę­dem fali ultradźwiękowej część sygnału odbitego dotrze do głowicy.

Powierzchnia o małej chropowatości będzie dobrze odbijać padającą na nią wiązkę fal ultradźwiękowych, ale przy niekorzystnym skośnym ustawieniu powierzchni względem i wiązki, echo odbite od powierzchni może nie dotrzeć do odbiornika. _; Metoda rezonansu znalazła zastosowanie do pomiarów grubości 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 poło-I wy długości fali. W metodzie rezonansu nadawana jest zwykle fala ciągła.

Metoda TOFD (Time Of Flight Diffraction) wykorzystuje zjawisko dyfrakcji fal ultra-, dźwiękowych do wykrywania i oceny niezgodności.

Rys. 130.Zasady badania metodą TOFD;

1 - fala podpowierzchniowa,

2 - dyfrakcja na górnej krawędzi niezgodności,

3 - dyfrakcja na dolnej krawędzi niezgodności,
4 - echo dna.

Rys. 131. Zobrazowanie w czasie rzeczywistym niezgodności przy wykorzystaniu metody TOFD (30],

Do badań metodąTOFD 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. Badanie spoin polega na zmechanizowanym przesuwaniu układu głowic wzdłuż spoiny i rejestrowaniu w pamięci mikrokomputera zpróbkowanych przebiegów ultra­dźwiękowych w określonych punktach na długości spoiny {co 1 lub 2 mm). Przebiegi zobrazowań typu A w każdym przekroju poprzecznym spoiny są przetwarzane na zobrazowanie typu D przekroju podłużnego spoiny. Przy czym każde zpróbkowane zobrazowanie typu A zmieniane jest na jedną pionową linię zobrazowania typu D.

Odcień szarości linii w danym punkcie odpowiada amplitudzie sygnału. Podczas bada­nia przy użyciu dostępnej obecnie aparatury obróbka cyfrowa obrazu jest prowadzona w czasie rzeczywistym. Umożliwia to operatorom wstępną ocenę połączenia spawane­go. W przypadku kiedy zobrazowanie typu D nie wystarcza do zidentyfikowania i zwymiarowania wykrytej niezgodności, prowadzone jest dodatkowe badanie, które polega na skanowaniu spoiny w kierunku prostopadłym do jej osi, uzyskując w ten sposób zobrazo­wanie typu B przekroju poprzecznego połączenia spawanego. Interpretacja zobrazowań D i B pozwala na jednoznaczne określenie rodzaju nieciągłości i jej wymiarów.

Rys. 132.Zasada badania metodą TOFD połączenia spawanego.

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 wykonującego badania i zmniejszenie kosztów kontroli. Podstawową wadą tej metody jest niska rozdzielczość występująca w obszarze podpowierzchniowym w porównaniu z wysoką rozdzielczością w głębi materiału. Trudne jest także określanie rodzajów niezgodności. Zasady stosowania metody TOFD przedstawiono w normach BS 7706:1093, prEN853-6.

Metoda SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technipue) wiąże technikę skaningo­wego pozyskiwania sygnału z odpowiednim algorytmem obróbki sygnału. Istnieje kilka odmian prowadzenia badań metodą SAFT. Jedna z nich polega na (rys. 133): a) pozy­skiwaniu sygnału wraz z danymi ze skanera, b) przetworzeniu sygnału na postać cyfro­wą, c) zapamiętaniu kolejnych sygnałów, d) korekcji czasu odbioru każdego z sygna­łów, e) obróbce sygnału za pomocą specjalnego algorytmu, f) komputerowej rekon­strukcji obrazu niezgodności. Metoda umożliwia jednoczesną filtrację szumów struktu­ralnych, co jest niezbędne przy badaniu grubych spoin austenitycznych.

1 2 3

Rys. 133. Zasada badania metodą SAFT połączenia spawanego.

W przypadku badania cienkich spoin austenitycznych tą metodą układ do badań składa się z dwóch głowic: nadawczej i odbiorczej, ustawionych skośnie w stosunku do osi spoiny {rys. 134}. Odległość niezgodności od głowicy jest duża, dlatego wykrywa sieje wiązką kilkakrotnie odbitą od powierzchni niezgodności. Stąd nazwa odmiany -multi-SAFT. Ilość odbić wiązki jest zależna od orientacji i kształtu niezgodności. Informacja ta jest wykorzystywana przez komputer w trakcie rekonstrukcji obrazu niezgodności. Zapis wyników dokonuje się w ok. 1 00 położeniach głowicy odbiorczej (5MHz; 60°}, przy stałym kącie między osiami odbiornika i nadajnika, dla pięciu róż­nych położeń nadajnika po obydwu stronach spoiny. Kąt tak jest dobrany, aby zapew­nić jak najmniejsze straty tłumienia wiązki, a dla gruboziarnistej, anizotropowej struktu­ry austenitycznej jest to kąt ok. 45°- Algorytm ogniskowania przenosi odebrany w każ­dym położeniu odbiornika sygnał do tego miejsca, z którego mogło nastąpić odbicie tworząc obraz powierzchni niezgodności.

Rys. 134. Badanie cienkich spoin austenitycznych metodą multi-SAFT.

10. Scharakteryzuj zasadę fizyczną takich metod badań jak: badania ultradźwiękowe, badania penetracyjne, badania magnetyczno-proszkowe

10.1 BADANIA PENETRACYJNE

Badania penetracyjne należą do najstarszych metod nieniszczącego badania róż­nych materiałów metalowych i niemetalowych. W zasadzie nie nadają się tylko do badania materiałów porowatych, W spawalnictwie wykorzystywane są do wykrywania niezgodności spawalniczych (nieciągłości materiału) wychodzących na powierzchnię złącza spawanego- Badania penetracyjne wykonuje się zwykle po przeprowadzeniu badań wizualnych złączy i usunięciu z ich powierzchni niedopuszczalnych niezgod­ności spawalniczych.

10.1.1 Zasada badań penetracyjnych

Rys.18, Zjawisko włoskowatości.

Wysokość cieczy w kapilarze określa wzór

Zasada badań penetracyjnych opiera się na wykorzystaniu zjawiska włoskowatości (kapilarności), które polega na wnikaniu cieczy do wąskich przestrzeni i wznosze­niu się w nich nawet wbrew sile ciężkości. Jeżeli, przykładowo, do naczynia z cieczą wstawi się rurki o niewielkich średnicach wewnętrznych (włoskowate), to w rurki te wejdzie ciecz, a jej poziom w rurkach będzie tym wyższy im mniejsza będzie średni­ca rurki.

gdzie: h - wysokość słupa cieczy,

δ- napięcie powierzchniowe cieczy,

θ- kąt między ścianką rurki i styczną do menisku w punkcie styku,

ρ - gęstość cieczy

g - przyspieszenie ziemskie,

r- promień kapilary.

Zjawisko włoskowatości wykazują tylko niektóre ciecze, a mianowicie te, które zwil­żają materia) kapilarny. O tym, czy dana ciecz zwilża materiał informuje kąt jaki tworzy menisk cieczy z materiałem nazywany kątem zwilżania t oznaczony literą 6 (rys.18). Gdy ciecz zwilża materia) kąt e jest ostry, a menisk cieczy wklęsły. Im lepsza zwilżal­ność tym mniejszy kąt 6 i bardziej wklęsły menisk. W przypadku menisku wypukłego t rozwartego kąta 8 ciecz nie zwilża materiału.

Miarą zwilżania statycznego jest kosinus kąta 6 (rys.19).

Rys.19. Rozpływanie się cieczy na powierzchni ciała stałego.

Podczas rozpływania się cieczy na powierzchni ciała stałego na granicy trzech faz następuje równowaga wektorów sił trzech napięć powierzchniowych :

σ_1,2 - napięcia na granicy faz zwilżanego ciała stałego i cieczy,

σ_2,3 - napięcia na granicy faz cieczy i powietrza,

σ₁,₃ - napięcia na granicy faz zwilżanego ciała stałego i powietrza.

skąd kosinus kąta zwilżenia wynosi:

Równanie równowagi posiada postać:

Z ostatniej zależności wynika, że najlepsze zwilżenie osiągnie się wówczas, gdy kąt zwilżania θ = 0°, czyli cos θ = 1

Kąt zwilżania zależy od szeregu czynników, z których należy wymienić: tempera­turę, czas, dokładność oczyszczania powierzchni oraz jej chropowatość. Zwilżanie przez ciecz polepsza się w przypadku, gdy zachodzi ono na powierzchni bardziej chropowatej. W szczelinie ciecz zwilżająca penetruje w głąb nawet wtedy, jeżeli usu­nie się ją całkowicie z powierzchni. Jest to spowodowane pojawieniem się dwóch sił kapilarnych P, i P₂ (rys.20)

Rys.20. Siły działające podczas wnikania cieczy zwilżającej.

Wypadkowa tych dwóch sit jest skierowana w głąb szczeliny, ponieważ promień krzywizny górnego menisku jest większy od promienia krzywizny menisku dolnego. Jeżeli na menisk górny zostanie nałożony środek porowaty, to w jego miejscu utworzy się szereg miejscowych menisków różnego kształtu i o różnych promieniach krzywizny. Każdy z nich powoduje pojawienie się ciśnienia kapilarnego P_n znacznie prze­wyższającego ciśnienie P₁ i mającego kierunek przeciwny. Pod działaniem sumy ciśnień ciecz penetrująca wznosi się opuszczając obszar szczeliny i wychodzi na powierzchnię badanego elementu tworząc obraz nieciągłości.

10.2 BADANIA ULTRADŹWIĘKOWE

10.2.1 Wprowadzenie

Badania ultradźwiękowe należą do metod badań nieniszczących, które informują o stanie w jakim znajduje się cała objętość kontrolowanego elementu oraz pozwalają na określenie ilości, wielkości i rozmieszczenia nieciągłości w materiale. W badaniach ultradźwiękowych wykorzystuje się zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal o czę­stotliwości ultradźwiękowej, tzn. większej od górnej granicy słyszalności ucha ludzkie­go (ponad 16 000 Hz lub ponad 20 000 Hz - wg różnych źródeł).

Metoda ultradźwiękowa jest powszechnie uznana i stosowana w przemyśle hutni­czym, maszynowym i transporcie, w kontroli jakości produkowanych wyrobów i półwy­robów oraz do wykrywania i obserwacji zachowania się niezgodności w pracujących już konstrukcjach. Oprócz zastosowań technicznych jest szeroko stosowana w diagnosty­ce (ultrasonografia) i terapii medycznej.

10.2.2 Rodzaje i własności fal ultradźwiękowych

W badaniach ultradźwiękowych stosuje się fale o częstotliwości od ok. 50 kHz do kilku MHz (w niektórych przypadkach nawet do 1 GHz). Do badań złączy spawanych stosuje się częstotliwości od 0,5 MHz do 10 MHz, przy czym najczęściej wykorzystuje się fale o częstotliwości pomiędzy 2 MHz do 5 MHz.

Fale ultradźwiękowe są drganiami mechanicznymi wokół położenia równowagi czą­steczek ośrodka, w którym się rozchodzą. Różnią się one między sobą kierunkiem ruchu cząsteczek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali. Jedynymi ośrodkami, w których możliwe jest rozchodzenie się wszystkich rodzajów fal ultra­dźwiękowych, są ciała stałe. Podstawowe, najczęściej stosowane rodzaje fal ultra­dźwiękowych to:

• fale podłużne,

• fale poprzeczne,

• fale powierzchniowe (Rayleigha),

• fale płytowe (Lamba),

• fa!e love'a,

• fale podpowierzchniowe.

Fale podłużne - to fale, w których cząstki ośrodka drgają zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali (rys. 115). Drganiom tym towarzyszą zmiany ciśnienia akustycz­nego oraz zmiany gęstości ośrodka. Mogą one rozchodzić się w ciałach stałych, cie­czach i gazach. Prędkość rozchodzenia się fali podłużnej C_L można przedstawić za pomocą wzoru:

gdzie: E - moduł sprężystości podłużnej (Young'a) p - gęstość ośrodka, v - liczba Poissona.

Rys.115. Rodzaje niektórych fal ultradźwiękowych - schemat drgań cząsteczek ośrodka

Fale poprzeczne - tzw. fale ścinania to fale, w których cząstki ośrodka drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fal (rys. 115). Drganiom tym towarzyszą na prężenia ścinające. W fali poprzecznej nie występują zmiany gęstości ośrodka i rozchodzi się ona tylko w ośrodkach stałych. Prędkość rozchodzenia się fali poprzecznej C_T można przedstawić za pomocą wzoru:

gdzie: G - moduł sprężystości poprzecznej (Kirchhoffa).

Fale powierzchniowe (Rayleigha) - to fale, w których cząstki ośrodka drgają zarówno w kierunku ich rozchodzenia się, jak i w kierunku prostopadłym do tego kierun­ku. Z tego powodu wypadkowy ruch cząsteczek odbywa się po smukłej elipsie (rys. 115). Rozchodzą się one po swobodnej powierzchni ośrodka stałego, którego gru­bość jest znacznie większa od długości fali. Za pomocą fal powierzchniowych można badać tylko warstwę blisko powierzchni. Prędkość rozchodzenia się fali powierzchnio­wej C_R można przedstawić za pomocą wzoru:

gdzie: dla stali α~ 0,93

Fale płytowe (Lamba) - to fale, które rozchodzą się w elementach, ograniczonych powierzchniami równoległymi, o grubości porównywalnej z długością fali. Mogą one przebiegać w ośrodkach cienkościennych na wiele sposobów, zależnie od sposobu ich wzbudzania. Fale te mogą mieć postać symetryczną lub asymetryczną.

Fale Love'a - to fale poprzeczne, które rozchodzą się w cienkich warstwach mate­riału znajdujących się na podłożu z innego materiału (powłoki, warstwy galwaniczne, hartowane, nawęglane, azotowane, itp.). Cząstki ośrodka, podczas przechodzenia fali Love'a, drgają w płaszczyznach równoległych do powierzchni warstwy.

Fale pod powierzchniowe - to fale, które otrzymuje się dobierając tak kąt padania fali podłużnej na powierzchnię ciała stałego, aby kąt załamania fali wynosił 90°. Cechą charakterystyczną tych fal jest brak czułości na nierówności powierzchni. Fale te po­zwalają na wykrywanie nieciągłości materiału na głębokości do kilku milimetrów pod powierzchnią badania.

10.2.3 Sposoby wytwarzania fal ultradźwiękowych

Fale ultradźwiękowe wytwarzane są w przetwornikach głowic ultradźwiękowych. Do tego celu wykorzystuje się takie zjawiska fizyczne jak: zjawisko piezoelektryczne, zjawisko magnetostrykcyjne, zjawisko elektromagnetycznego oddziaływania prądów wirowych lub np. promień lasera,

Przetworniki piezoelektryczne

Zjawisko piezoelektryczne polega na powstaniu ładunków elektrycznych na powierzch­ni materiału poddanego ściskaniu lub rozciąganiu. Jest to zjawisko odwracalne, tzn. że po przyłożeniu ładunku elektrycznego następuje odkształcenie (zmiana wymiaru) ma­teriału (rys. 116). Zatem zmienne napięcie powoduje drgania przetwornika w rytm zmian tego napięcia.

Jeśli wysokie napięcie zmienne zostaną podane w formie krótkiego impulsu, to drgania przetwornika będą trwały jeszcze po zniknięciu impulsu elektrycznego. Prze­twornik będzie drgał z częstotliwością drgań własnych.

Częstotliwość drgań własnych przetwornika jest odwrotnie proporcjonalna do jego grubości. Wynika stąd, że im cieńszy jest przetwornik, tym wyższa jego częstotliwość drgań własnych i tym krótsza długość wytwarzanej fali.

Najczęściej stosowane materiały o własnościach piezoelektrycznych to:

• kryształy naturalne:

- kwarc (Si0₂),

- turmalin,

- sól Seignetta;

• kryształy sztuczne:

- siarczan litu (LiSO₄),

- metanobian ołowiu;

• polikrystaliczne materiały ceramiczne:

- tytanian baru (BaTi0₃),

- tytanian otowiu (PbTiÓ₃),

- cyrkonian ołowiu (PbZrO₃),

- cyrkono-tytanian ołowiu;

• niektóre tworzywa sztuczne.

Przetworniki magnetostrykcyine

Zjawisko magnetostrykcji przejawiają niektóre metale, np. nikiel, kobalt, ich stopy oraz materiały ferromagnetyczne. Polega ono na zmianie wymiarów materiału pod wpły­wem pola magnetycznego.

Rozróżnia się magnetostrykcję liniową, która zachodzi wtedy, gdy odkształceniu nie towarzyszy zmiana objętości oraz magnetostrykcję objętościową, występującą przy odkształceniu wiążącym się ze zmianą objętości. Zjawisko jest niezależne od kierunku pola magnetycznego. Z tego powodu fale ultradźwiękowe wytworzone tą metodą mają częstotliwość dwukrotnie wyższą od częstotliwości zmian pola magnetycznego. Od­biór fal ultradźwiękowych następuje dzięki zjawisku magnetoelastycznemu, polegają­cemu na zmianie parametrów magnetoelastycznych (współczynnika magnetostrykcji, natężenia pola magnetycznego) pod wpływem fal sprężystych.

Przetworniki elektromagnetyczne

Elektromagnetyczne przetworniki akustyczne składają się z cewki wywołującej w przedmiocie metalowym prądy wirowe oraz z magnesu wytwarzającego pole magne­tyczne. Oddziaływanie prądów wirowych z polem magnetycznym powoduje powstanie w zewnętrznej warstwie metalu naprężeń mechanicznych. Naprężenia te z kolei powo­dują powstanie fal ultradźwiękowych o takiej samej częstotliwości, jak częstotliwość zmian prądu w cewce wytwarzającej prądy wirowe. Zmieniając kierunek zewnętrznego pola magnetycznego, w stosunku do kierunku prądów wirowych, można wytwarzać różne rodzaje fal ultradźwiękowych. Podstawową wadą przetwornika elektromagnetycz­nego jest mała sprawność przemiany elektrycznej na falę ultradźwiękową.

Wytwarzanie Jal ultradźwiękowych za pomocą lasera

Jednym z nowszych sposobów wzbudzania fal ultradźwiękowych w badanym mate­riale jest metoda oparta na wykorzystaniu silnych impulsów światła wysyłanych przez laser. Laser wytwarza wiązkę spójnego światła o bardzo dużym natężeniu. Wysoko energetyczny impuls światła laserowego skierowany na powierzchnię materiału 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 (tempera­tura miejsca nagrzanego promieniem lasera wyrównuje się z temperaturą reszty mate­riału). Cykliczne zmiany temperatury nagrzewanego punktu powodują zmiany objętości i mogą stać się źródłem fali ultradźwiękowej.

Rejestracja drgań powierzchni materiału, wywołanych docierająca do niej falą ultradźwiękową, odbywa się za pomocą odpowiedniego układu optycznego (układ luster oświetlonych promieniem lasera).

10.2.4 Własności wiązki fal ultradźwiękowych i zjawiska zachodzące na granicy ośrodków

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 {rys. 117). Obszar ten nazywany jest polem bliskim. Jego długość oblicza się ze wzoru:

gdzie:

λ - długość fali w [mm],

f - częstotliwość w [MHz],

c - prędkość rozchodzenia się fali w [mm/μs],

D _k - średnica skuteczna przetwornika; w przypadku przetwornika kołowego D_sk=0,97D.

Rys. 117. Zmiany ciśnienia wzdłuż osi wiązki fali.

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. Cechą charakterystyczną tego obszaru jest brak wahań ciśnienia, rozbieżność wiązki oraz zmiany ciśnienia są odwrotnie proporcjonalne do odległości,

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,

• załamania fal.

• transformacji fal,

• rozproszenia fal,

• ugięcia fal.

Odbicie zachodzi, gdy ośrodki charakteryzują się różnymi akustycznymi oporno­ściami falowymi. Kąt odbicia jest równy kątowi padania dla tego samego rodzaju fali.

Załamanie występuje tylko przy padaniu fali na granicę ośrodków pod pewnym ką­tem i jest spowodowane różnicą prędkości rozchodzenia się fali w przylegających do siebie ośrodkach.

Transformacja to zjawisko związane z powstawaniem wiązki fal innego typu niż fala padająca. Towarzyszy ukośnemu padaniu fali.

Rozproszenie fali to zjawisko, które zachodzi podczas padania fali na nierówną gra­nicę ośrodków. Towarzyszy temu spadek energii fali w wyniku jej odbić i załamań.

Ugięcie fali (nazywane dyfrakcją) polega na odchyleniu wiązki fal na przeszkodach dużo mniejszych od długości fali.

Związek między kątami padania, odbicia i załamania na granicy ośrodków określa się prawem Snelliusa (rys. 118):

gdzie:

α_l - kąt padania fali podłużnej,

γ_L- kąt odbicia fali podłużnej,

γ_T - kąt odbicia fali poprzecznej,

β_L - kąt załamania fali podłużnej,

β_T - kąt załamania fali poprzecznej,

C_L1 - prędkość rozchodzenia się fali podłużnej w ośrodku 1 ,

C_L2 - prędkość rozchodzenia się fali podłużnej w ośrodku 2,

C_T1 - prędkość rozchodzenia się fali poprzecznej w ośrodku 1 ,

C_T2 - prędkość rozchodzenia się fali poprzecznej w ośrodku 2.

Rys. 118. Odbicie i załamanie oraz transformacja fali na granicy dwóch ośrodków.

Przytoczona zależność dotyczy przypadku, gdy na granicę ośrodków pada fala po­dłużna,

Amplituda ciśnienia fali rozchodzącej się w materiale maleje wraz ze wzrostem prze­bytej drogi z powodu:

• strat związanych z rozbieżnością wiązki,

• procesów rozpraszania,

• tarcia wewnętrznego (pochłaniania, absorpcji).

Osłabienie fali spowodowane rozproszeniem i pochłanianiem nazywamy tłumieniem. Jest ono zależne od rodzaju fali i od rodzaju materiału, w którym rozchodzi się fala ultradźwiękowa.

Rozproszenie jest związane, przede wszystkim, ze zjawiskami:

• odbicia na granicach ziaren krystalicznych,

• załamania na granicach ziaren krystalicznych,

• odbicia i załamania na drobnych wtrąceniach, porach, wydzieleniach, itp.

Pochłanianie powodują takie zjawiska jak:

• strata energii fali spowodowana zamianą drgań mechanicznych na ciepło w wyni­ku tarcia,

• wprawianie w ruch drgający elektronów i jonów oraz dyslokacji przez fale ultra­ dźwiękowe,

• wprawianie w ruch drgający elementarnych dipoli magnetycznych w materiałach magnetycznych.

Amplituda ciśnienia fali rozchodzącej się w materiale maleje wraz ze wzrostem prze­bytej drogi z powodu:

• strat związanych z rozbieżnością wiązki,

• procesów rozpraszania,

• tarcia wewnętrznego (pochłaniania, absorpcji).

Osłabienie fali spowodowane rozproszeniem i pochłanianiem nazywamy tłumieniem. Jest ono zależne od rodzaju fali i od rodzaju materiału, w którym rozchodzi się fala ultradźwiękowa.

Rozproszenie jest związane, przede wszystkim, ze zjawiskami:

• odbicia na granicach ziaren krystalicznych,

• załamania na granicach ziaren krystalicznych,

• odbicia i załamania na drobnych wtrąceniach, porach, wydzieleniach, itp.

Pochłanianie powodują takie zjawiska jak:

• strata energii fali spowodowana zamianą drgań mechanicznych na ciepło w wyni­ku tarcia,

• wprawianie w ruch drgający elektronów i jonów oraz dyslokacji przez fale ultra­ dźwiękowe,

• wprawianie w ruch drgający elementarnych dipoli magnetycznych w materiałach magnetycznych.

10.3 BADANIA ELEKTROMAGNETYCZNE

10.3.1 Wprowadzenie

W elektromagnetycznych metodach badań nieniszczących wykorzystuje się, naj­ogólniej ujmując, zjawiska towarzyszące wzbudzaniu pola elektromagnetycznego w obiekcie przeznaczonym do kontroli. Wśród tych metod najszersze zastosowanie znalazły badania magnetyczne i wiroprądowe.

Badania magnetyczne polegają na wzbudzaniu w kontrolowanym obiekcie pola magnetycznego i poszukiwaniu tzw. lokalnych, magnetycznych pól rozproszenia, po­wstających nad powierzchnią obiektu w miejscu występowania lub bezpośredniej bli­skości niezgodności spawalniczych. Do wykrywania pól rozproszenia można zastoso­wać proszek ferromagnetyczny, taśmę magnetyczną, cewki indukcyjne, sondę Halla lub sondę Fórstera.

W zależności od sposobu wykrywania pola rozproszenia rozróżnia się:

• badania magnetyczne - proszkowe,

• badania magnetograficzne,

• badania wykorzystujące przetworniki pomiarowe reagujące na pole magnetyczne.

Badania wiroprądowe polegają na wzbudzaniu w badanych obiektach zmiennego pola magnetycznego o odpowiednio wysokiej częstotliwości tak, aby powstały prądy wirowe oraz na poszukiwaniu miejsc, w których pole magnetyczne tych prądów (przeciw pole) ulega nagłej zmianie.

Obiekt z materiału ferromagnetycznego wprowadzony w obręb pola magnetycznego ulega namagnesowaniu. Stan tego namagnesowania w postaci magnetycznych linii sil w obiekcie bez nieciągłości jest regularny. W przypadku istnienia nieciągłości, np. w postaci pęknięcia wychodzącego na powierzchnię, przebieg linii sił w jej otoczeniu niezgodności ulega zakłóceniu. Przejawia się to tym, że linie sit omijają nieciągłość: część linii zagęszcza się w materiale, część natomiast wychodzi na zewnętrz obiektu Konfiguracja tego lokalnego pola magnetycznego jest taka, jak pola wytworzonego przez bieguny magnetyczne „N" i „S" rozmieszczone na brzegach nieciągłości (rys.54).

Rys,54, Konfiguracja magnetycznego pola rozproszenia

Lokalne pole magnetyczne powstające nad powierzchnią namagnesowanego obiek­tu w pobliżu nieciągłości materiału dochodzących do powierzchni lub leżących pod nią, nosi nazwę magnetycznego pola (strumienia) rozproszenia.

Najsilniejsze magnetyczne pole rozproszenia wywołane jest przez nieciągłości ma­teriału dochodzące do powierzchni, tj. przez nieciągłości powierzchniowe. Nieciągłości znajdujące się pod powierzchnią{niezgodności podpowierzchniowe) wywołują pole znacz­nie słabsze. Jest ono tym słabsze, im większe jest ich oddalenie od powierzchni. O bezwzględnej wielkości pola rozproszenia decyduje wielkość i kształt niezgodności spawalniczej oraz jej orientacja względem linii sił wzbudzonego w obiekcie pola magne­tycznego. Najkorzystniejszym do wykrycia niezgodności jest przypadek, gdy płasz­czyzna nieciągłości jest skierowana prostopadle do kierunku wzbudzonego pola.

• Podstawowe wielkości wektorowe opisujące pole magnetyczne to:

• indukcja magnetyczna, B;

• magnetyzacja, M;

• natężenie pola magnetycznego, H.

W ośrodku magnetycznym występuje zależność:

gdzie: B - indukcja magnetyczna (gęstość strumienia) określająca w dowolnym punkcie przestrzeni pole magnetyczne,

μ₀- przenikalność magnetyczna próżni wynosząca 4Π• 10 ^-7H/M;

H - natężenie pola magnetycznego,

M-magnetyzacja.

W przypadku, gdy wektory H, M i B są stałe (niezmienne w czasie)-istnieje stałe pole magnetyczne. Gdy którykolwiek z wektorów zmienne kierunek, zwrot lub wartość w czasie to występuje zmienne pole magnetyczne.

Pole magnetyczne może być jednorodne w przypadku, gdy wektory mają jednako­we zwroty, kierunki i wartości. W innych przypadkach występuje pole magnetyczne niejednorodne.

Materiały można podzielić na niemagnetyczne i ferromagnetyczne. Wśród ma­teriałów niemagnetycznych rozróżnia się paramagnetyki, dla których podatność ma­gnetyczna K = M/H >0 oraz diamagnetyki, dla których K < O . Materiały ferromagne­tyczne charakteryzują się tym, że momenty magnetyczne atomów lub jonów w dome­nach są ustanowione w tym samym kierunku nawet podczas nieobecności zewnętrz­nego pola magnetycznego. Własności ferromagnetyczne posiada większość stali i stopów żelaza (z wyjątkiem stali austenitycznych).

10.3.2 Badania magnetyczne - proszkowe

Badania magnetyczne - proszkowe polegają na wykrywaniu magnetycznych pól rozproszenia za pomocą drobnoziarnistego, ferromagnetycznego proszku, który nanosi się na powierzchnię badanego obiektu podczas jego namagnesowania.

Magnetyczne pole (strumień) rozproszenia, będące polem silnie niejednorodnym, wywiera na cząsteczki proszku stosunkowo dużą siłę skierowaną do powierzchni obiektu tj. do miejsca, w którym linie sił tego pola przecinają badaną powierzchnię. Siłę tę można opisać zależnością :

gdzie: F - siła z jaką oddziaływuje strumień (pole) rozproszenia na cząstkę proszku, μ₀- przenikalność magnetyczna próżni (stała magnetyczna), K_p - podatność magnetyczna postaci, V - objętość cząstki proszku, H - natężenie pola magnetycznego, l - długość mierzona wzdłuż linii sił strumienia rozproszenia.

Siła ta jest tak duża, że gromadzenie się cząstek proszku następuje pomimo nawet intensywnego ich ruchu.

Rys.55. Schemat siłowego oddziaływania magnetycznego pola rozproszenia na cząstki proszku powodującego ich skupienie w miejscu nieciągłości.

Skupiska proszku odwzorowują swym kształtem rzeczywisty kształt niezgodności spawalniczych, będących przyczyną pól rozproszenia. Skupiska proszku magnetycz­nego będące wynikiem oddziaływania magnetycznych pól rozproszenia nazywane są defektogramami proszkowymi.

Badania magnetyczne - proszkowe, jak również i inne metody magnetyczne, mogą być stosowane do badania obiektów wyłącznie z materiałów ferromagnetycznych. Pozwalają one na skuteczne wykrywanie niezgodności zalegających pod powierzchnią na głębokości rzędu kilku milimetrów.

1

---