ARCHIWUM ODLEWNICTWA

211

ULTRADŹWIĘKOWA KONTROLA JAKOŚCI ODLEWÓW

Z ŻELIWA

W. ORŁOWICZ1

Politechnika Rzeszowska, Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa,

ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów

STRESZCZENIE

Badania nieniszczące są jedną z metod zminimalizowania kosztów zarządzania ry-

zykiem w nowoczesnej gospodarce. W referacie opisano sposób prowadzenia badań

ultradźwiękowych odlewów żeliwnych.

Key words: non-destructive testing (NDT), ultrasonic testing, cast iron.

1. WSTĘP

W odlewnictwie od wielu lat widoczna jest tendencja do wprowadzania komplek-

sowych systemów badań, w których materiały odlewnicze i odlewy są kontrolowane

przy wykorzystaniu kilku metod badań nieniszczących. Nieniszcząca kontrola jakości

przy wykorzystaniu metody ultradźwiękowej, radiograficznej, magnetycznej, wiroprą-

dowej czy penetracyjnej jest stosowana na różnych etapach produkcji. Postęp w bud o-

wie aparatury naukowo-badawczej pozwala na uzyskiwanie większej ilości informacji

i wyższej precyzji pomiarów. Rozszerza to możliwości badawcze przy zastos owaniu

poszczególnych technik badań nieniszczących. W przypadku stosowania metod aku-

stycznych informacje uzyskiwane przy zastosowaniu nowoczesnej aparatury wykorzy-

stuje się już nie tylko dla wykrycia wad w postaci nieciągłości materiału, ale także

w badaniach struktury i ocenie właściwości mechanicznych stopów[1, 2].

Do chwili obecnej opracowano szereg procedur pozwalających na szybką nienis z-

czącą kontrolę jakości żeliwa. Przy zastosowaniu badań ultradźwiękowych można:

ustalić jakość metalu tuż przed jego zalaniem do formy,

1 Prof. dr hab. e-mail: inż, zois@prz.rzeszow.pl

Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (1/2)

Archives of Foundry

Year 2001, Volume 1, Book 1 (1/2)

PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308

212

ocenić właściwości mechaniczne,

ocenić strukturę w wybranym miejscu odlewu,

przeprowadzić segregację odlewów ze względu na ich strukturę,

wykryć i ocenić wady wewnętrzne odlewu.

Na rysunku 1 przedstawiono schematyczne zobrazowanie możliwości, jakie daje

wprowadzenie do odlewni żeliwa ultradźwiękowej metody diagnozowania odlewów.

Rys. 1. Ultradźwiękowa kontrola jakości żeliwa

Fig. 1. Ultrasonic quality inspection of cast iron

W badaniach nieniszczących odlewów najczęściej stosuje się fale podłużne.

Charakteryzują się one tym, że kierunek wychyleń drgających cząstek materiału jest

zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fal. Propagacji tych fal towarzyszy występowa-

nie na przemian naprężeń ściskających i rozciągających. Fale te mogą rozchodzić się w

ośrodkach wykazujących sprężystość objętościową (ciała stałe, ciecze, gazy).

Związek pomiędzy wartościami stałych sprężystości oraz gęstością materiału,

a prędkością fal ultradźwiękowych podaje wyrażenie:

2ννν)(1(1

ν1

ρ

EcL

(1)

gdzie:

cL - prędkość podłużnych fali ultradźwiękowych w ośrodku nieogran iczonym,

-gęstość, kg/m3,

-liczba Pissona.

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

213

2. OCENA JAKOŚCI CIEKŁEGO METALU

W praktyce odlewniczej doniosłą rolę odgrywają wszystkie próby technologiczne,

które umożliwiają określenie (jeszcze przed zalaniem formy odlewniczej) charaktery-

stycznych cech metalu. Szybka ocena wytapianego metalu pozwala na podjęcie decyzji

odnośnie przeprowadzenia odpowiednich zabiegów korygujących jego jakość. W pro-

dukcji żeliwa sferoidalnego ważne jest określenie czy prawidłowo przeprowadzono

zabieg sferoidyzacji i modyfikacji oraz czy po zalaniu form uzyska się odlewy z żeliwa

sferoidalnego. W związku z tym, że w miarę upływu czasu następuje zanik efektu sfero-

idyzacji celowa jest ocena kształtu grafitu z pierwszej i ostatniej porcji metalu. Powinna

ona być szybka i dawać jednoznaczną odpowiedź. W warunkach krajowych kontrola ta

ogranicza się najczęściej do próby klinowej i próby prętowej. Czasem stos uje się także

badania metalograficzne. Powoli zdobywa sobie również uznanie ultradźwiękowa me-

toda kontroli jakości ciekłego metalu. Wymienione metody kontroli mogą być prowa-

dzone równocześnie. Metoda ultradźwiękowa powinna zastąpić, choć nie wyelimin o-

wać badań metalograficznych, gdyż celem obu metod jest ocena stopnia sferoidyzacji

grafitu. Kontrolę ultradźwiękową można prowadzić na surowej powierzchni próbki,

podczas gdy badania metalograficzne wymagają odpowiedniego jej przygotowania, co

wydłuża czas oceny. Metoda ultradźwiękowa powinna znaleźć miejsce szczególnie

w odlewniach, które w ogóle nie stosują badań metalograficznych i mają problemy

z szybką oceną zawartości magnezu w ciekłym metalu.

Procedurę ultradźwiękowej kontroli jakości ciekłego metalu obrazuje rysunek 2.

Próbki zalewane są do piaskowych lub ceramicznych próbników. Mogą mieć kształt

płytek lub prętów o przekroju kwadratu. Dla uzyskania powtarzalnej struktury osnowy

należy dbać o zachowanie powtarzalnego czasu od zalania do wybicia i od wybicia do

ostygnięcia oraz o powtarzalne warunki chłodzenia. Jakość użytych materiałów fo r-

mierskich powinna gwarantować małą chropowatość powierzchni odlewów próbek. Do

pomiarów prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej można stosować aparaty firm: Karl

Deutsch, Krautkrämer, Baugh and Weedon Ltd lub inne. Jako ośrodek sprzęgający

głowicę z powierzchnią próbki można stosować olej.

W oparciu o pomiar prędkości fali ultradźwiękowej i nomogram do ultradźwięko-

wej oceny wytrzymałości żeliwa na rozciąganie (o którym będzie mowa później) po-

dejmuje się decyzję o zabrakowaniu ciekłego metalu lub o zalaniu go do form.

W oparciu o przedstawioną procedurę wykonano pomiary prędkości podłużnej fali

ultradźwiękowej dla żeliwa sferoidyzowanego z wykorzystaniem przewodu elastyczne-

go (w jednej z odlewni w warunkach produkcyjnych). Wyniki pomiarów zawartości

magnezu oraz wyniki pomiarów prędkości fali ultradźwiękowej, realizowanych dla

oceny jakości ciekłego metalu (w miarę upływu czasu jego wytrzymania w kadzi o d-

lewniczej) obrazuje tabela 1.

214

Rys. 2. Procedura ultradźwiękowej oceny jakości ciekłego żeliwa Fig. 2. Procedure of ultrasonic quality evaluation of liquid cast iron

Tabela 1. Zmiany zawartości magnezu oraz zmiany prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej

w żeliwie sferoidalnym w miarę upływu czasu od początku zalewnia

Table 1. Variation in magnesium content and in the speed of longitudinal ultrasonic wave in

spheroidal-graphite cast iron versus time from the start of pouring

Żeliwo sferoidyzowane metodą przewodu elastycznego

Upływ

czasu, min.

0,5

2

4

6

8

10

Zawartość

magnezu, %

0,046

0,050

0,045

0,042

0,040

0,038

Prędkość fali

ultradźwię-

kowej cL,

m/s

5750

5775

5737

5710

5687

5660

Badania wskazują na podobny charakter oddziaływania upływu czasu od początku

zalewania na zmianę zawartości magnezu, zmianę wartości prędkości podłużnej fali

ultradźwiękowej i zmianę wytrzymałości na rozciąganie, co obrazuje rysunek 3. O zan i-

żeniu wartości prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej i wartości wytrzymałości na

rozciąganie w pierwszej porcji metalu decyduje obniżona zawartość magnezu, zanie-

czyszczenia stopu cząstkami fazy stałej i flotacja grafitu.

Obserwowane po dłuższym upływie czasu przetrzymania ciekłego metalu, obniże-

nie wartości prędkości i wytrzymałości na rozciąganie żeliwa sferoidalnego jest spowo-

dowane w głównej mierze degeneracją grafitu sferoidalnego.

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

215

Rys. 3. Wpływ czasu wytrzymywania ciekłego żeliwa na zawartość magnezu, prędkość podłużnej

fali ultradźwiękowej i wytrzymałości na rozciąganie w żeliwie sferoidalnym. Zanieczysz-

czenia w pierwszej porcji stopu Fig. 3. The effect of liquid-iron holding time on the magnesium content, speed of longitudinal

ultrasonic wave in spheroidal-graphite cast iron and its tensile strength. Impurities in the

first portion of the alloy

3 OCENA JAKOŚCI ODLEWÓW ŻELIWNYCH

Podstawą odbioru odlewów żeliwnych jest ich struktura i właściwości mechanicz-

ne określane zazwyczaj na materiale próbek oddzielnie lanych. Ocena ta sprowadza się

to do wykonania badań metalograficznych i próby rozciągania. Badania te są kos ztowna

i czasochłonne. W praktyce przemysłowej zdarza się często, że jeszcze przed uzyska-

niem wyników należy podjąć decyzję o wysłaniu odlewów do klienta bądź przekazaniu

ich do obróbki mechanicznej lub przeprowadzeniu obróbki cieplnej. Błędne decyzje

narażają odlewnie na dodatkowe koszty. W związku z tym duże znaczenie mają opra-

cowania pozwalające na szybką nieniszczącą ocenę struktury i właściwości mechanicz-

nych materiału. Ocenę taką można wykonać bezpośrednio na odlewie. W tym celu

należy opracować nomogram do oceny właściwości mechanicznych z pomiarów ultra-

dźwiękowych i atlas struktur próbek po badaniach ultra-dźwiękowych, określić dla

każdej konstrukcji odlewu miejsca pomiarowe (co należy zrobić jeszcze w fazie projek-

towania odlewu) oraz ustalić zakresy prędkości fali dla odlewów akceptowanych i o d-

rzuconych. Schemat postępowania przy opracowaniu nomogramu obrazuje rysunek 4.

Przedstawiony na rysunku 4 schemat przygotowania nomogramu do ultradźwiękowej

oceny jakości odlewów bazuje na odlewie klina. Taki sam schemat postępowania b ę-

dzie obowiązywał przy opracowaniu nomogramu dla konkretnej ścianki odlewu. Waż-

nym jest, aby odlew, z którego będzie wykonana próbka do oceny wytrzymałości na

rozciąganie poddać dokładnej ocenie ultradźwiękowej po to, aby poznać rozkład warto-

ści prędkości na całej długości pomiarowej próbki.

216

Rys. 4. Schematyczne zobrazowanie procesu przygotowania nomogramu do oceny wytrzymałości

na rozciąganie żeliwa na podstawie pomiarów prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej

Fig. 4. Schematic presentation of the process of preparation of nomogram for the evaluation of cast-iron tensile strength on the basis of measurements of the speed of longitudinal ultra-

sonic wave

Pozwala to ustalić później wartość prędkości fali dla obszaru, w którym nastąpiło ze-

rwanie. Określona w ten sposób wartość prędkości i odpowiadająca jej wartości wy-

trzymałości na rozciąganie służą do budowy wykresu R f cm L ( ). Jeżeli obserwacja

powierzchni próbki w miejscu zerwania wykaże obecność zażużleń, zagazowań lub

porowatość, to wynik z takiego pomiaru należy odrzucić. Niewskazane jest wykorzy-

stywanie wyników oceny prędkości fali na materiale próbki po jej zerwaniu, a wręcz

niedopuszczalne wyciąganie wniosków o wytrzymałości z pomiarów prędkości w ob-

szarze zerwania, gdyż ulega on odkształceniu, przez co charakteryzuje się inną gęsto-

ścią, a więc wykaże niższe wartości prędkości fali ultradźwiękowej. Na rysunku 5 zo-

brazowano zmiany gęstości żeliwa w obszarze pomiarowym próbki po badaniach wy-

trzymałościowych [3].

W zależności od uzgodnień z odbiorcą ocenę wytrzymałości na rozciąganie żeliwa

można prowadzić na próbkach oddzielnie lanych lub w określonych miejscach odlewu

[4-10]. Warunkiem niezbędnym dla wykonania pomiaru ultradźwiękowego jest równo-

ległość powierzchni ścianki w obszarze pomiaru. Przy braku płaskich, równoległych

powierzchni na odlewie, należy zaprojektować napki pomiarowe (rysunek 6).

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

217

Rys. 5. Zmiany gęstości żeliwa w obszarze zerwanej próbki

Fig. 5. Variation of cast-iron density in the test-piece tensile rupture area

Dla uzyskania poprawnych pomiarów ultradźwiękowych wymagane jest odpowiednie

ich przygotowanie. Powierzchnia punktu pomiarowego powinna być płaska. Głębokość

ewentualnych nierówności powierzchni nie powinna być większa od 1/3 (gdzie

jest długością fali), gdyż po przekroczeniu tej wartości należy liczyć się z dużym

rozproszeniem fali. Należy zwracać uwagę na jakość sprzężenia akustycznego, gdyż

decyduje ono o ilości energii fali wnikającej do materiału. Istotna jest grubość i równ o-

mierność warstwy sprzęgającej. Wszystkie wymienione czynniki wywierają wpływ na

dokładność pomiaru ultradźwiękowego.

Dla każdej konstrukcji odlewu należy opracować instrukcję kontroli ultradźwię-

kowej. Przykład instrukcji kontroli jakości odlewu w oparciu o pomiar prędkości fali

w kołnierzu kolektora wydechowego wykonanego w odlewni Skoda Liaz a.s. przedsta-

wiono w tabeli 2 [11].

Rys. 6. Pomiar na próbce oddzielnie lanej - a) miejsce pomiarowe na odlewie b)

Fig. 6. a) Measurement on a separately cast test piece, b) measurement location on

a casting.

218

4. IDENTYFIKACJA WAD ODLEWNICZYCH

Rosnące wymagania materiałowe odlewanych części maszyn oraz coraz szersze

wprowadzanie do norm i warunków technicznych kryteriów oceny materiału opartych

na mechanice pęknięcia wymuszają postęp prac nad aparaturą do badań nienis zczących.

Aparatura ta powinna pozwolić wykrywać wady o coraz mniejszych wymiarach oraz

dać wiarygodne informacje o ich położeniu. Wymagania dotyczące bezpiecznego czasu

eksploatacji odlewanych części maszyn wymuszają na konstruktorze uwzględnienie

obecności wad o rozmiarach określonych graniczną czułością stosowanego systemu

kontroli. Nie przyjęcie tego faktu do wiadomości wiąże się z możliwością nie wykrycia

takich wad w odpowiedzialnych elementach. Szkodliwość wad w postaci nieciągłości

wynika z tego, że powodują one zmniejszenie czynnego wytrzymałościowo przekroju

elementu. Naprężenie, które zgodnie z oczekiwaniem konstruktora miał przenosić cały

przekrój, w przypadku obecności wady jest przejęte przez część przekroju. W sąsiedz-

twie wady będzie więc większe naprężenie niż w przekroju bez wady. Materiał będzie

bardziej wytężony, bliższy granicy wytrzymałości.

Najpopularniejsze metody oceny rozmiaru wad opierają się na pomiarze amplitudy

echa. Przy czym stosowane do oceny rozmiaru wad zależności OWR, OKA, PP są

opracowane dla wad wzorcowych i swobodnie ukształtowanych wiązek fal, czyli ta-

kich, w których rozkład ciśnienia akustycznego nie jest zaburzony. Rozkład ciśnienia

akustycznego w wiązce fal z tego samego przetwornika jest inny w ośrodku izotop o-

wym i anizotropowym. W związku z tym celowym jest stosowanie wzorców do badań

ultradźwiękowych wykonanych z materiałów o takiej samej anizotropii jak w badanych

detalach. Z tego też względu wykresy OWR lub OKA winny być opracowane dla mat e-

riału o podobnej anizotropii jak w materiale odlewu. W przeciwnym wypadku można

podać mylną interpretację wady.

Fizycznym warunkiem uzyskania w idealnych warunkach echa od pojedynczej

nieciągłości jest zastosowanie przynajmniej takiej częstotliwości, aby połowa długości

fali była równa liniowemu wymiarowi nieciągłości. Współcześnie stosowane techniki

badań nieniszczących umożliwiają wykrycie nieciągłości o grubości nie mniejszej niż

1-3m i powierzchni nie mniejszej od 0,2-0,5m [12].

Ze względu na różny charakter i położenie wad może występować inny typ odb i-

cia (rys. 7) i transformacja fali ultradźwiękowej, co znajdzie odzwierciedlenie w ampli-

tudzie ech. W większości przypadków od jednej wady otrzymuje się kilka wskazań

o różnym czasie przebiegu. Ponadto w stopach metali spodziewać się należy niejedn o-

rodności struktury, co powoduje różnice w tłumieniu fal. Istotna jest również geometria

odlewu i wybór miejsca przyłożenia głowicy. O kształcie wiązki fal ultradźwiękowych

i rozkładzie ciśnienia w jej osi, a więc o potencjalnej zdolności do wykrywania wad

decydują parametry głowicy (głównie wymiary przetwornika i częstotliwość) i własno-

ści akustyczne ośrodka (prędkość fal, współczynnik tłumienia). Jeżeli ograniczenia

geometrii detalu nie pozwalają na swobodne kształtowanie się wiązki to w wyniku

częściowego lub całkowitego jej odbicia w zależności od kąta padania może dokonywać

się transformacja i nakładanie się fal.

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

219

Tabela 2. Instrukcja kontroli jakości odlewu kolektora wydechowego

Table 2. Instructions for quality inspection of exhaust-manifold casting

Data 12.02.96r.

Instrukcja kontroli ultradźwiękowej odlewu Odlewnia żeliwa Aparatura: prędkościomierz ultradźwiękowy CL 204

Detal: kolektor wydechowy

Kontrola udziału wolnego cementytu i kształtu grafitu

Prędkość fali ultradźwiękowej mierzy się prędkościomierzem.

Wzrostowi udziału cementytu odpowiada większe zużycie narzędzi skrawających przez co

rosną koszty obróbki skrawaniem.

Pomiędzy udziałem procentowym grafitu sferoidalnego w strukturze żeliwa, a prędkością

fali ultradźwiękowej cL istnieje zależność liniowa.

Wzrostowi udziału cementytu w strukturze osnowy towarzyszy wzrost prędkości fali.

Tabela granicznych wartości prędkości obszaru ścianki kołnierza. W odlewach po obróbce

cieplnej (wyżarzaniu) prędkość obniża się o 100-150m/s.

Żeliwo

Udział grafitu, % Udział ce-

mentytu, %

Twardość, HB

Prędkość fali

cL , m/s sferoidalnego płatkowego

Stan surowy

100

100

100

0

0

0

0

0

25

158

240

240

5642

5700

5745*

* zakres prędkości fali w odlewach dopuszczonych do dalszej produkcji.

Z powierzchni odlewu w miejscu pomiaru (pilnikiem) usunąć nierówności.

Należy utrzymać równoległość powierzchni ścianki kołnierza

L=3mm

220

Powoduje to deformację wiązki i zaburzenia rozkładu ciśnienia akustycznego. W efek-

cie oddziaływania tych czynników rozmiar, charakter i odległość zalegania wady oce-

nione ultradźwiękowo odbiegają od rzeczywistych.

Trzeba mieć na uwadze, że otrzymane w wyniku badań ultradźwiękowych obrazy

są efektem określonych zjawisk fizycznych i dlatego ważne jest, aby kontroler posług u-

jący się systemem posiadał niezbędną wiedzę z zakresu tworzenia się struktury odlewu

i fizyki rozchodzenia się fal ultradźwiękowych.

Prawidłowa identyfikacja wad odlewniczych metodą ultradźwiękową wymaga du-

żego doświadczenia. Często niezbędne są dodatkowe badania radiograficzne, a nawet

badania niszczące. Na rysunku 8 podano przykłady typowych zobrazowań wad przy

badaniach kompleksowych.

Rys. 7. Typ odbić fali ultradźwiękowej: a – odbicie powierzchniowe, b – odbicie od naroża,

c – odbicie rozproszone

Fig. 7. Types of ultrasonic wave reflections: a - surface reflection, b - corner reflection c - scat-

tered reflection

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

221

wady blisko powierzchni górnej wady blisko powierzchni dolnej

nakłucia ospowatość żyłki strup

wady rozproszone mała wada

rzadzizna zapiaszczenia bąbel jama skurczowa

(skupiona)

pęcherze gazowa zażużlenie pęknięcie skupiona jama

Rys. 8. Ultradźwiękowe i radiograficzne zobrazowanie wybranych wad odlewniczych [13,14] Fig. 8. Ultrasonic and radiographic imaging of selected casting defects [13,14]

222

Użytkownicy odlewanych części maszyn stają się coraz bardziej wymagający. Na

przykład o ile dopuszczają jakiekolwiek wady wewnętrzne mogące mieć wpływ na

szczelność to życzą sobie ich zobrazowania. Wady można zobrazować za pomocą

wskaźników oscyloskopowych typu A, B, C. Porównanie zobrazowań A,B,C tej samej

wady przedstawia rysunek 9 [15].

Rys. 9. Porównanie zobrazowań typu A, B, C tej samej wady. Obraz typu A uzyskano przy poło-

żeniu głowicy nad wadą. Obraz typu B powstał przy przesuwie głowicy wzdłuż tej samej

linii. Obraz typu C powstał przy przesuwaniu głowicy po całej powierzchni badanego

przedmiotu.

Fig.9. Comparison of the A, B and C type images of the same defect. Image of type A obtained in

head-over-defect arrangement. Image of type B obtained while shifting the head along the same line. Image of type C obtained while moving the head all over the surface of in-

spected object.

Zobrazowanie typu A stanowi wizualizację sygnału ultradźwiękowego, w którym

odcięta przedstawia czas przebiegu fali ultradźwiękowej, a rzędna jej amplitudę. Odle-

głość echa od impulsu początkowego jest miarą odległości wady od głowicy, a amplit u-

da, która zależy od zdolności wady do odbijania fal, jest pewną miarą wielkości wady.

Zobrazowanie to dotyczy konkretnego położenia głowicy na powierzchni detalu.

Zobrazowanie typu B stanowi wizualizację sygnału ultradźwiękowego, w którym

odcięta stanowi czas przejścia fali ultradźwiękowej, a rzędna odległość głowicy od

określonego punktu na linii przesuwu głowicy. Głowica przesuwana jest tam i z powro-

tem. W momencie odbioru echa od dna lub wady obserwuje się rozświetlenie plamki

lampy oscyloskopowej, której jasność jest modulowana wartością ciśnienia akustyczn e-

go. Uzyskany obraz daje jakby przekrój detalu wzdłuż linii przesuwu głowicy. Można

z niego odczytać głębokość zalegania wady i jej rozmiar w kierunku przesuwu.

Zobrazowanie typu C stanowi wizualizację sygnału ultradźwiękowego, w którym

odcięta i rzędna określają odległości od punktu początkowego położenia głowicy na

powierzchni detalu. Rozświetlenie plamki następuje w momencie wykrycia wady. Dla

uzyskania obrazu lampa oscyloskopowa powinna charakteryzować się długą poświatą.

Otrzymany obraz stanowi rzut wady na powierzchnię badania podobnie jak na zdjęciach

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

223

otrzymywanych metodą radiograficzną. Z obrazu tego ocenić można rozmiar wady, ale

nie można określić głębokości jej zalegania. Tego typu zobrazowanie stos owane jest

przykładowo w systemie MAPSCAN firmy RTD czy SEESCAN firmy AEA Techno-

logy do sporządzania ultradźwiękowych map korozji. Zautomatyzowany system ultra-

dźwiękowy MAPSCAN umożliwia ciągłą automatyczną rejestrację wyników pomiaru

grubości w powiązaniu ze współrzędnymi punktu pomiarowego. (rys. 10) [16].

Rys. 10. Urządzenie MAPSCAN i ultradźwiękowa mapa korozji

Fig. 10. The MAPSCAN inspection unit and ultrasonic map of corrosion

Do ujawniania wad materiałów stosuje się także techniki mikroskopii akustycznej.

Mogą one być stosowane tam gdzie obrazy radiograficzne są za mało kontrastowe.

Cechą charakterystyczną mikroskopu akustycznego (ultradźwiękowego) jest to, że ko n-

trast jego obrazu zależy od parametrów elastycznych próbki. W niektórych przypadkach

zdolność rozdzielcza skanującego mikroskopu akustycznego jest większa od zdo lności

rozdzielczej najlepszych mikroskopów optycznych. Mikroskop akustyczny umożliwia

zobrazowanie wnętrza próbek na trzy sposoby:

poprzez tworzenie obrazów typu B-scan przedstawiających przekroje próbki w

płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni (rys. 11a),

poprzez tworzenie obrazów typu C-scan przedstawiających przekroje próbki w

płaszczyźnie równoległej do jej powierzchni na ściśle określonej głębokości.

(rys.11b),

poprzez tworzenie sumarycznego obrazu typu C-scan, w którym sumowane są

przekroje w płaszczyźnie równoległej do powierzchni próbki ze ściśle określonego

zakresu głębokości (rys. 11c)

224

a) b) c)

Rys. 11. Obrazy wnętrza aluminiowego odlewu wirnika sprężarki odśrodkowej a) obraz B-scan,

b) obraz C-scan z głębokości od 6 do 8,7mm pod powierzchnią, c) obraz C-scan z głę-

bokości 6,5mm [17] Fig. 11 Images of the interior of aluminium casting of centrifugal compressor rotor a) B-scan

image, b) C-scan image from depth of 6 to 8.7 mm under the surface, c) C-scan image

from depth of 6.5 mm [17]

Dla lepszej oceny kształtu i orientacji wady stosowana jest obecnie technika wizu-

alizacji wad SAFT (Synthetic Aperture Focusing Techniqe) i technika oparta na pomia-

rze czasu przejścia fal ugiętych na granicach konturu wady znana w literaturze pod

nazwą TOFD (Time of Flight Diffraction). W technikach tych stosuje się kompleksowe

systemy zbierania i analizy danych (zmiany amplitudy i czasu przejścia fali do wady

i z powrotem) pozwalające na ocenę wyników w czasie rzeczywistym[18,19].

a) b)

Rys.12. Automatyczne badanie odlewów – a, ręczne badanie odlewów metodą ultradźwiękową– b

Fig. 12 Automatic (a) and manual (b) ultrasonic inspection of castings

Badania nieniszczące to system złożony z aparatury, personelu i metodyki. W o d-

lewni stosowane są automatyczne i ręczne sposoby ultradźwiękowego diagnozowania

odlewów (rys.12) [20-22]. W badaniach automatycznych określa się parametry, które

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

225

zapewniają wykrycie wady. Badania takie stosuje się przy 100% kontroli wybranych

obszarów odpowiedzialnych odlewów. Charakteryzują się one wysoką skutecznością.

W badaniach ręcznych niezawodność badań zależy bardzo silnie od czynnika ludzkiego.

Długi czas pracy w warunkach produkcyjnych powoduje utratę koncentracji operatora

wskutek zmęczenia. Monitoring operatorów wykazał, że w efekcie tego coraz częściej

zdarzało się niedokładne skanowanie obszaru przesuwu, słabe sprzężenie głowicy

z powierzchnią badanego elementu oraz błędne zapisy wyników [23].

LITERATURA

[1] Filipczyński L., Pawłowski Z., Wehr J.: Ultradźwiękowe metody badań materia-

łów. WNT, Warszawa (1963).

[2] Malecki J.: Przewidywane kierunki światowego rozwoju akustyki. Problemy

współczesnej akustyki. IPPT PAN, s. 32-40, Warszawa (1991).

[3] Toshihiko Abe, Katsuya Ikawa: Effect of voids on density and sound velocity of

cast iron. Imono No 2 116-122 (1986).

[4] Orłowicz W.: Kontrola ultradźwiękowa żeliwa w praktyce przemysłowej.

Krzepnięcie Metali i Stopów Nr 26, 235-144 (1996).

[5] Mayer H.: New possibilites of routine inspection of grey iron castings by ultrason-

ic attenuation test shown by the example of bearing caps for Diesel engines. Mate-

rialprűfung Nr 9, 335-341 (1969).

[6] Pohl D., Ott A.: Quality control by means of ultrasonic in the production of nodu-

lar cast iron. Giesserei Nr 19 (1979). Sonderdruck. Karl Deutsch.

[7] Schmidt B., Sell B.: Praxis der Ultraschall Prűfung zur Fehlerermittlung bei

Gusseisen. Sonderdruck. Karl Deutsch. Giesserei Nr 19 (1979).

[8] Richter H.: Zerstőrungfreie Bestimmung der Zugfestigkeit an GGL-Bauteilen des

Diesselmotorenbaus mittles Ultraschall. Giessereitechnik H4, 119-125 (1988).

[9] Nowikow A., Fedorow W .: Nierazruszajuszczij kontrol kaczestwa detalej awto-

mobilej na wołżskom awtomobilnom zawodie. Metałłowiedienije

i Termiczeskaja Obrabotka Metałłow Nr 10, 34-37 (1996).

[10] Iwanuszkin J., Dworkin K., Kuleszowa G.: Ultrazwukowoj kontrol kaczestwa

otliwok po nieobrabotannoj powierchnostii. Litiejnoje Proizwodstwo Nr 7, 17-19

(1981).

[11] Skrbek B.: Pomoc nedestruktivni strukturoskopie jakosti odliatku. Krzepnięcie

Metali i Stopów Nr 32, 132-133 (1997).

[12] Deputat J.: Nowe techniki badań nieniszczących. Nieniszczące Badania Materia-

łów. Pracownia Ultradźwiękowych Badań Materiałów IPPT PAN, Biuro Gamma,

Ref 7, Zakopane (2000).

[13] Fallon M.: Practice and problems during ultrasonic examination.

The Foundryman, April 140-144 (1991).

[14] Orłowicz W., Paluch C., Rzeźnicki T.: Opracowanie kompleksowej metody wy-

krywania wad wewnętrznych w odlewach staliwnych metodami nieniszczącymi.

Praca niepublikowana. Rzeszów (1986).

226

[15] Deputat J.: Badania ultradźwiękowe. Podstawy. Instytut Metalurgii Żelaza. Ośro-

dek Doskonalenia Kadr Kierowniczych i Specjalistycznych MH. Gliwice (1979).

[16] Mackiewicz S., Śliwowski M.: Metody badania ubytków korozyjnych. Nieniszczą-

ce Badania Materiałów. Materiały seminaryjne. IPPT PAN. Biuro Gamma, ref. 8,

Zakopane (1999).

[17] Litniewski J., Wytrykowski D., Orłowicz W.: Obrazowanie warstwy wierzchniej i

mikrodefektoskopia materiałów za pomocą skanującego mikroskopu akustyczn ego.

Krzepnięcie Metali i Stopów Nr 26, 119-126 (1996).

[18] Deputat J.: Nowe techniki ultradźwiękowych badań materiałów. Krzepnięcie Meta-

li i Stopów Nr 26, 101-110 (1996).

[19] Kurzydłowski K.: Ilościowe metody opisu struktury w aspekcie degradacji struktu-

ralnej materiałów. Ultradźwiękowe Badania Materiałów. Materiały seminaryjne.

IPPT PAN. Biuro Gamma, ref. 11, Zakopane 1996.

[20] A staff raport. Ultrasonic and eddy current inspection. Foundry. May 1991, 42-45

[21] Heine H.: Introduction to nondestructive testing. Foundry Managment and

Technology, p. 37-39, May 1996.

[22] BICRA Cast Metal Technology Centre Alvechurch, Birmingam. Process controls

for guality castings. Foundry Trade Journal, No 11, 803-808 (1991).

[23] Schneider E., Oesterlein L., Brucho D.: Ultrasonic charakterization of state and

properties of Al Base metal matrix composites. Proc. 6-th EC NDT, p. 1013-1017,

Nicea (1994).

ULTRASONIC QUALITY INSPECTION OF IRON CASTINGS

SUMMARY

Non-destructive testing (NDT) is one of the methods to minimize costs of risk

management in modern economy. The paper describes the manner of conducting the

ultrasonic testing of iron castings.

Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski