1

Ultrazvuk, vrtložnestruje

v.as.mr. Samir Lemešslemes@mf.unze.ba

Ispitivanje ultrazvukomOpis metodeOsnovna opremaPrednostiNedostaciVarijableMetode ispitivanjaOprema za ispitivanje

2

Ispitivanje ultrazvukomMetod ispitivanja bez razaranja kod kojeg se zrake zvuka visoke frekvencije emituju u materijal s ciljem otkrivanja površinskih i dubinskih grešakaZvučni talasi prodiru u materijal i odbijaju se od prelaznih površinaStepen refleksije uglavnom zavisi od fizičkog stanja materijala na prelazu, a manje od osobina materijala

Ispitivanje ultrazvukomZvučni signali se skoro potpuno reflektuju od prelaza metal/gasParcijalna refleksija se javlja na prelazima metal/tečnost ili metal/čvrsta tijelaUltrazvukom se otkrivaju pukotine, odvajanje laminata, lunkeri, pore, nemetalni uključci i druge nehomogenosti

3

Ispitivanje ultrazvukomVećina UZ uređaja otkriva greške praćenjem jedne od sljedećih veličina:

Refleksija zvuka od prelaznih površina ili diskontinuiteta u metaluVrijeme prolaza zvučnog talasa od ulaza do izlazaSlabljenje zvučnih talasa apsorpcijom ili rasipanjem unutar ispitivanog objektaKarakteristike spektralnog odziva emitovanog ili reflektovanog signala

Ispitivanje ultrazvukomVećina UZ uređaja radi na frekvencijama od 0,1 do 25 MHzLjudsko uho registruje zvuk od 20 Hz do 20 kHz

4

Osnovna opremaElektronski generator signalaSonda koja emituje snop UZ talasa Kuplant za transfer energije iz sonde Kuplant za transfer energije u sonduSonda za prihvatanje odbijenih UZ talasaPojačalo / demodulatorDisplej ili indikatorElektronski referentni sat

Prednosti metodeJako dobra snaga prodiranja u dubinu materijala (nekoliko metara)Visoka osjetljivost na male greškeVelika preciznost otkrivanja lokacije, veličine, orijentacije, oblika greškeDovoljno je da jedna površina bude dostupnaSignal se lako obrađuje elektronskiMogućnost skeniranja po zapremini

5

Prednosti metodeNema opasnosti po osoblje, opremu i materijale u okoliniPortabilnost (prenosivost)Generiše izlaz koji se lako obrađuje računarom

Nedostaci metodeManuelni način rada zahtijeva iskustvo i veliku pažnjuZa razvoj procedura ispitivanja je potrebno veliko tehničko znanjeTeško je ispitivati tanke dijelove, nepravilne oblike, hrapave površineTeško se otkrivaju defekti koji su neposredno ispod površinePotrebni su kuplanti i referentni standardi

6

VarijableOsnovne varijable koje treba uzeti u obzir kod UZ ispitivanja su karakteristike UZ talasa i karakteristike dijelova koji se ispitujuOd tih varijabli zavisi izbor opremeFrekvencija ultrazvučnih talasa: treba naći kompromis između pozitivnih i negativnih efekata izabrane frekvencije

VarijableVisoke frekvencije: veća osjetljivost, veća rezolucija, manja penetracija kod nehomogenih metala (sa većim zrnom)Akustična impedanca kombinacije dva materijala je karakteristika koja određuje stepen refleksije; ako imaju istu impedancu, nema refleksijeJedinica: g/cm2·s

7

VarijableČelik: 4,66·106 g/cm2·s Aluminij: 1,72·106 g/cm2·sBakar: 4,18·106 g/cm2·sOlovo: 2,45·106 g/cm2·sZrak: 0,00004·106 g/cm2·sStaklo: 1,44·106 g/cm2·sUlje: 0,15·106 g/cm2·sVoda: 0,149·106 g/cm2·s

VarijableUgao nagibaKad snop UZ talasa pada okomito na grešku, ugao nagiba je 0° - refleksija ne mijenja pravac snopaKad ugao nagiba nije 0°, dolazi do promjene prirode kretanja talasa i do prelamanja

8

VarijableIntenzitet snopa je energija koja se emituje po poprečnom presjeku snopa, a zavisi od amplitude vibracija česticaObično se koristi termin akustični pritisak (zvučni pritisak) da označi amplitudu naprezanja koja izaziva UZ talas u materijaluAkustični pritisak je proporcionalan kvadratu akustičnog pritiska

VarijableApsorpcija ultrazvučne energije se javlja uglavnom konverzijom mehaničke energije u toplotuRasipanje ultrazvučnog talasa se javlja zato što većina materijala nije homogenaRasipanje se javlja i kod anizotropnih materijala, kod kojih brzina prostiranja talasa nije ista u različitim pravcima

9

VarijableŠirenje snopa se javlja na većoj udaljenosti od sondeUgao širenja zavisi od talasne dužine talasa i prečnika sondeSlabljenje ultrazvučnog snopa zavisi od početnog akustičnog pritiska, dubine dijela koji se ispituje i od koeficijenta slabljenja (dB/mm)

Metode ispitivanjaDvije osnovne metode su metoda transmisije i "puls-eho" metodaKod metode transmisije mjeri se samo slabljenje signalaKod puls-eho metode mjeri se i vrijeme prolaza i slabljenje signala

10

Metode ispitivanjaPuls-eho metoda se koristi kod lociranja grešaka i mjerenja debljineDubina greške se određuje vremenom od početnog impulsa i eha koji proizvede greškaVeličina greške se određuje poređenjem amplitude signala reflektovanog zvuka sa referentnom amplitudom (od poznate veličine)

Metode ispitivanjaRezultati puls-eho ispitivanja se mogu prikazati na razne načine:A-scan: kvantitativni prikaz amplituda signala i vremena putovanja signala dobijenih na jednoj tački površineB-scan: rezultati duž linijeC-scan: rezultati po površini

11

Metode ispitivanjaBlok šema analognog A-scan displeja:

Metode ispitivanjaPrimjer očitanja sa A-scan displeja i sa osciloskopa

12

Metode ispitivanjaBlok šema B-scan displeja:

Metode ispitivanjaBlok šema C-scan displeja:

13

Metode ispitivanjaPrikaz sa C-scan displeja:

Metode ispitivanjaIspitivanje pod uglom se koristi za ispitivanje zavarenih spojeva, cijevi, limova i pločastih materijala, te uzoraka nepravilnog oblika, gdje pravi snopovi ne mogu doći u kontakt sa svim površinama

14

Metode ispitivanjaIspitivanje zavarenih spojeva

Metode ispitivanjaIspitivanje zavarenih spojeva

15

Oprema za ispitivanjePoprečni presjeci piezo-električnih UZ sondi

Oprema za ispitivanje

Sonde za ispitivanje pravim snopom

16

Oprema za ispitivanjeSonde za ispitivanje pod vodomPrednost ovog ispitivanja je veća brzina, mogućnost kontrole smjera snopa i mogućnost automatizacije

Oprema za ispitivanjeSistem za ispitivanje pod vodom

17

Oprema za ispitivanjeUređaji za mjerenje debljine

Kalibracija

18

Proizvođači opreme General Electric Inspection TechnologiesKrautkramer / Agfa / Hocking (www.geinspectiontechnologies.com)Olympus (www.olympusndt.com)NDT Systems (www.ndtsystems.com)Newco (www.newcoinc.com)UE Systems (www.uesystems.com)

Ispitivanje vrtložnim strujamaPodručje upotrebeRazvoj metodePrincip radaRadne varijableInstrumentiSenzoriOčitanje rezultata mjerenjaReferentni standardi

19

Područje upotrebeZasniva se na principu elektromagnetske indukcijeKoristi se za identifikaciju niza fizičkih, strukturnih i metalurških stanja u elektroprovodljivim metalnim proizvodima

Područje upotrebeMjerenje električne provodnosti, magnetske permeabilnosti, veličine zrna, stanja termičke obrade, tvrdoće i fizičkih dimenzijaOtkrivanje pukotina i uključakaOtkrivanje razlike u sastavu, mikrostrukturi i drugim osobinama metalaMjerenje debljine magnetski neprovodne obloge na metalu

20

Područje upotrebeNe zahtijeva se direktan električni kontakt sa objektom ispitivanjaPogodno za ispitivanja velikom brzinom –moguće ispitivati 100% proizvodnjeIndirektna metoda: potrebna posebna pažnja prilikom obrade rezultata mjerenja

Razvoj metodeElektromagnetska indukcijaTeorija i primjena indukcionih kalemaRješenje rubnih prolema koji opisuju dinamiku EM polja u blizini indukcionih kalemaTeoretsko predviđanje promjene impendance usljed malih tokovaNapredak u elektronici instrumenata (displeji, registracija, mikroprocesori)

21

Razvoj metodeFaraday je 1831. otkrio EM indukciju: promjenom struje u kalemu žice se indukuje struja u susjednom kalemuMaxwell je 1864. dao dinamičku teoriju EM polja (set jednačina)Hughes je 1879. koristio metodu za otkrivanje promjena osobina metalaKranz je 1925. razvio instrument za mjerenje debljine stjenke

Princip radaSličan indukcionom zagrijavanju, ali koristi izvor struje znatno manje snagePromjene električne struje koje se javljaju kad se EM polje instrumenta nalazi u blizini greške u materijalu se detektuju osjetljivim elektronskim sklopovimaStruja pobude je naizmjenična struja

22

Princip radaStruja koja se indukuje unutar objekta koji se ispituje teče u zatvorenim kolimaAmplituda i faza tih kola zavise od:

Primarnog polja pobudnih strujaElektričnih osobina objekta koji se ispitujeEM polja koje generišu struje koje teku kroz objekatPrisustva diskontinuiteta u objektu

Princip rada

Za cilindrične dijelove i cijevi koristi se solenoid-kalem

Za ravne objekte koristi se ravni kalem

23

Princip radaPresjek A-A ne sadrži greškuU presjeku B-B usljed greške mijenja se smjer toka indukovane struje

Princip rada

24

Radne varijableImpedancakalemaElektrična provodnostMagnetna permeabilnostLift-off faktorFill faktorRubni efekatSkin efekat

Impedanca kalema

Z: impedancaR: omski otporXL: induktivni otporXL =2πfL0

International Annealed Copper Standard (IACS)

2 2LZ R X= +

25

Impedanca kalema

Često se rezultujuće sinusoide prikazuju u fazor (phasor) dijagramuTime se olakšava uočavanje razlika u fazama između indukovanih struja

Impedanca kalema

26

Električna provodnostSvi materijali imaju karakterističan otpor toku električne strujeNajveći otpor imaju izolatori, srednji poluprovodnici a najniži - provodniciKod ovog ispitivanja se koristi mjerenje na osnovu IACS (International Annealed Copper Standard)Žareni čisti bakar: 100% IACS

Električna provodnost

3,1548Titanijum

2,5700Nerđajući čelik

3746Magnezij

6128,2Aluminij

10017,2Bakar

Provodnost %IACS

Otpor μΩmm

Metal

27

Magnetna permeabilnostNeki materijali (željezo, nikl, kobalt,...) koncentrišu fluks magnetnog polja – imaju visoku i promjenljivu permeabilnostMP nije konstanta za materijal nego zavisi od jačine magnetnog poljaKriva koja pokazuje vezu između intenziteta magnetnog polja i magnetnog fluksa se zove kriva magnetizacije

Magnetna permeabilnost

28

Magnetna permeabilnostMP jako utječe na indukovanu strujuRadi toga se metode ispitivanja za magnetične i nemagnetične materijale razlikujuIsti faktori koji utječu na električnu provodnost (sastav, tvrdoća, zaostali naponi, greške) utječu i na MPZa kompenzaciju utjecaja MP koristi se dodatni kalem sa istosmjernom strujom –da se postigne saturacija

Lift-off faktorKad se instrument za ispitivanje izloži naponu u zraku, dat će neki otklon čak i kad nema provodljivog materijala u bliziniKako se kalem približava materijalu, otklon se povećavaTe promjene otklona pri promjeni rastojanja između kalema i provodnika se nazivaju "lift-off"Posebno važno kod složenih oblika

29

Fill faktor / Edge / SkinFill faktor je ekvivalent "Lift-off" faktora, ali kod cilindričnih objekataEdge efekat (rubni efekat) se javlja kad se kalem približi rubu objekta koji se ispituje, jer dolazi do izobličenja toka magnetnog poljaIndukovano polje je gušće blizu površine, a progresivno opada po dubini; ta pojava se naziva "Skin" efekat

Skin efekat

30

Ponašanje materijala

InstrumentiAnalogni i digitalniKlasifikacija na osnovu displeja za prikaz rezultataNajosnovniji instrument se sastoji od izvora izmjenične struje, kalema žice spojenog na taj izvor, i od voltmetra za registrovanje promjene napona

31

InstrumentiPored osnovnih dijelova, koristi se niz dodatnih kola i uređaja:

Rezonantna kola (za promjenu frekvencije pobudne struje)Maxwell-Wien most (za mjerenje induktivnosti iz poznatog omskog otpora i kapaciteta)

InstrumentiInstrumenti za vrtložne struje se mogu podijeliti u sljedeće kategorije:

a) Sistem otpornik-kalemResistor and single-coil system

b) Sistem debalansa mostaBridge unbalance system

c) Sistem indukcijskog mostaInduction bridge system

d) Transmisijski sistem Through transmission system

32

Sistem otpornik-kalemJednostavan instrument, kod kojeg se prati napon u kalemu senzora Pogodan za mjerenje velikih lift-off varijacija ako nije bitna velika preciznost

Sistem debalansa mostaInstrument veće preciznosti Mjeri se razlika napona između impedance kalema senzora i referentne impedanceProblem koji sejavlja usljedpromjene temperature

33

Sistem indukcijskog mostaReferentni kalem i kalem senzora su spojeni u transformator

Transmisijski sistemSignal se prenosi iz kalema kroz metal, a detektuje se na suprotnoj strani metalaAko je udaljenost dva kalema fiksna i kola imaju visoku impedancu, signal ne zavisi od položaja metalaOvo potpuno eliminiše lift-off, ali zahtijeva postavljanje dva kalema

34

Senzori

Izbor senzora s kalemom zavisi od geometrije površine objekta koji se ispituje: štap, potkovica, prsten

SenzoriČesto se koriste parovi senzora, u apsolutnom ili diferencijalnom spojuApsolutni: kod sortiranjaDiferencijalni: kod cijevi

35

SenzoriSenzori mogu biti različitihoblika i veličinaIzbor senzora zavisi od vrste diskontinuiteta koji se ispitujeZa ispitivanje cijevi na kratke greške, koriste se prstenasti kratki senzori

Očitanje rezultata mjerenjaSvjetlosni alarmZvučni alarmRelejni prekidačiAnalogni pokazivači s kazaljkomDigitalni pokazivači (displeji)XY ploteri za crtanje grafika impedance

XY osciloskopi"Strip-chart" rekorderiRekorderi s magnetnom trakomRačunari

36

Referentni standardi