Badania ultradźwiękowe - Ultrasonic testing

Przykład badania ultradźwiękowego (UT) na nasadach łopat silnika lotniczego V2500 IAE . Krok 1 : Sonda UT jest umieszczana na nasadzie ostrzy, które mają być kontrolowane za pomocą specjalnego narzędzia boroskopowego (sondy wideo). Krok 2 : Wprowadzane są ustawienia przyrządu. Krok 3 : Sonda jest skanowana na nasadzie ostrza. W tym przypadku wskazanie (szczyt danych) przez czerwoną linię (lub bramkę) wskazuje na dobre ostrze; wskazanie po lewej stronie tego zakresu wskazuje na pęknięcie.

Zasada badań ultradźwiękowych. LEWO: Sonda wysyła falę dźwiękową do badanego materiału. Istnieją dwa wskazania, jedno z początkowego impulsu sondy, a drugie z powodu echa tylnej ściany. PRAWO: Wada tworzy trzecie wskazanie i jednocześnie zmniejsza amplitudę wskazania tylnej ściany. Głębokość wady określa stosunek D / E _p

Badania ultradźwiękowe ( UT ) to rodzina nieniszczących technik badań opartych na propagacji fal ultradźwiękowych w badanym obiekcie lub materiale. W większości typowych zastosowań UT bardzo krótkie ultradźwiękowe fale impulsowe o częstotliwościach środkowych w zakresie od 0,1-15 MHz, a czasami do 50 MHz są przesyłane do materiałów w celu wykrycia wad wewnętrznych lub scharakteryzowania materiałów. Typowym przykładem jest ultradźwiękowy pomiar grubości , który sprawdza grubość badanego obiektu, na przykład w celu monitorowania korozji rurociągów .

Testy ultradźwiękowe są często wykonywane na stali i innych metalach i stopach, chociaż można je również stosować na betonie , drewnie i kompozytach, aczkolwiek z mniejszą rozdzielczością. Znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, m.in. w budownictwie stalowym i aluminiowym, metalurgii, produkcji, lotnictwie , motoryzacji i innych sektorach transportu .

Historia

Pierwsze próby zastosowania testów ultradźwiękowych do wykrywania wad w materiale stałym miały miejsce w latach 30. XX wieku. 27 maja 1940 r. amerykański naukowiec dr Floyd Firestone z University of Michigan złożył wniosek o patent USA na pierwszą praktyczną metodę testowania ultradźwiękowego. Patent został przyznany 21 kwietnia 1942 r. jako patent USA nr 2280226 zatytułowany „Urządzenie do wykrywania wad i przyrząd pomiarowy”. Wyciągi z pierwszych dwóch akapitów patentu dotyczące tej całkowicie nowej metody badań nieniszczących zwięźle opisują podstawy takich badań ultradźwiękowych. „Mój wynalazek dotyczy urządzenia do wykrywania obecności niejednorodności gęstości lub elastyczności w materiałach. Na przykład, jeśli odlew ma w sobie dziurę lub pęknięcie, moje urządzenie pozwala na wykrycie obecności wady i zlokalizowanie jej położenia, nawet jeśli wada tkwi w całości w odlewie i żadna jego część nie wystaje na powierzchnię... Ogólna zasada mojego urządzenia polega na wysyłaniu wibracji o wysokiej częstotliwości do kontrolowanej części i określeniu odstępów czasowych przybycie bezpośrednich i odbitych wibracji na jednej lub kilku stacjach na powierzchni części."

James F. McNulty (amerykański inżynier radiowy) z Automation Industries, Inc., następnie w El Segundo w Kalifornii, wczesny ulepszacz wielu słabości i ograniczeń tej i innych nieniszczących metod testowania, szczegółowo wykłada na temat badań ultradźwiękowych w swoim Patent USA 3,260,105 (wniosek złożony 21 grudnia 1962, przyznany 12 lipca 1966, zatytułowany „Ultrasonic Testing Apparatus and Method”), że „Zasadniczo badanie ultradźwiękowe przeprowadza się przez przykładanie do piezoelektrycznego kryształowego przetwornika okresowych impulsów elektrycznych o częstotliwości ultradźwiękowej. Kryształ wibruje z częstotliwością ultradźwiękową i jest mechanicznie sprzężony z powierzchnią badanej próbki. To sprzężenie można uzyskać przez zanurzenie zarówno przetwornika, jak i próbki w cieczy lub przez rzeczywisty kontakt przez cienką warstwę cieczy, takiej jak olej. Wibracje ultradźwiękowe przechodzą przez próbkę i są odbijane przez wszelkie występujące nieciągłości. Odbite impulsy echa są odbierane przez ten sam lub inny przetwornik i są przekształcane na sygnały elektryczne, które wskazują na obecność wady.” Aby scharakteryzować cechy mikrostrukturalne we wczesnych stadiach zmęczenia lub pełzania, należy zastosować bardziej zaawansowane nieliniowe badania ultradźwiękowe. Te nieliniowe metody opierają się na fakcie, że intensywna fala ultradźwiękowa ulega zniekształceniu, ponieważ napotyka mikrouszkodzenia w materiale. Intensywność zniekształceń jest skorelowana z poziomem uszkodzenia. Intensywność tę można określić ilościowo za pomocą parametru nieliniowości akustycznej (β). β jest związany z amplitudami pierwszej i drugiej harmonicznej. Amplitudy te mogą być mierzone przez rozkład harmoniczny sygnału ultradźwiękowego poprzez szybką transformację Fouriera lub transformację falkową.

Jak to działa

Na placu budowy technik testuje spoinę rurociągu pod kątem wad za pomocą ultradźwiękowego przyrządu z układem fazowym. Skaner, który składa się z ramy z magnetycznymi kołami, utrzymuje sondę w kontakcie z rurą za pomocą sprężyny. Mokry obszar to ultradźwiękowy sprzęgacz, który umożliwia przenikanie dźwięku do ścianki rury.

Badania nieniszczące wału obrotowego wykazujące pękanie wielowypustowe

W badaniach ultradźwiękowych nad badanym obiektem przesuwany jest przetwornik ultradźwiękowy podłączony do maszyny diagnostycznej. Przetwornik jest zazwyczaj oddzielony od obiektu testowego za pomocą elementu sprzęgającego, takiego jak żel, olej lub woda, tak jak w testach zanurzeniowych. Jednak w przypadku przeprowadzania badań ultradźwiękowych za pomocą elektromagnetycznego przetwornika akustycznego (EMAT) stosowanie sprzęgacza nie jest wymagane.

Istnieją dwie metody odbioru fali ultradźwiękowej: odbicie i tłumienie . W trybie odbicia (lub echa impulsowego) przetwornik wykonuje zarówno wysyłanie, jak i odbieranie fal impulsowych, gdy „dźwięk” jest odbijany z powrotem do urządzenia. Odbite ultradźwięki pochodzą z interfejsu, takiego jak tylna ściana obiektu lub z niedoskonałości w obiekcie. Maszyna diagnostyczna wyświetla te wyniki w postaci sygnału o amplitudzie reprezentującej natężenie odbicia i odległości, reprezentującej czas nadejścia odbicia. W trybie tłumienia (lub transmisji przelotowej) nadajnik wysyła ultradźwięki przez jedną powierzchnię, a oddzielny odbiornik wykrywa ilość, która dotarła do niego na innej powierzchni po przejściu przez medium. Niedoskonałości lub inne warunki w przestrzeni między nadajnikiem a odbiornikiem zmniejszają ilość przesyłanego dźwięku, ujawniając tym samym swoją obecność. Zastosowanie sprzęgacza zwiększa wydajność procesu poprzez zmniejszenie strat energii fali ultradźwiękowej na skutek oddzielenia się powierzchni.

Cechy

Zalety

1. Wysoka siła penetracji, która pozwala na wykrycie wad głęboko w części.
2. Wysoka czułość, pozwalająca na wykrycie bardzo małych wad.
3. Większa dokładność niż inne metody nieniszczące w określaniu głębokości wad wewnętrznych i grubości części o równoległych powierzchniach.
4. Pewna umiejętność szacowania wielkości, orientacji, kształtu i charakteru defektów.
5. Pewna zdolność szacowania struktury stopów komponentów o różnych właściwościach akustycznych
6. Nie stanowi zagrożenia dla działania lub pobliskiego personelu i nie ma wpływu na sprzęt i materiały w pobliżu.
7. Zdolne do pracy przenośnej lub wysoce zautomatyzowanej.
8. Wyniki są natychmiastowe. Dzięki temu decyzje można podejmować na miejscu.
9. Musi mieć dostęp tylko do jednej powierzchni kontrolowanego produktu.

Niedogodności

1. Obsługa ręczna wymaga starannej uwagi doświadczonych techników. Przetworniki sygnalizują zarówno normalną strukturę niektórych materiałów, tolerowane anomalie innych próbek (oba określane jako „hałas”), jak i wady na tyle poważne, że zagrażają integralności próbki. Sygnały te muszą zostać rozróżnione przez wykwalifikowanego technika, co może wymagać uzupełnienia innymi nieniszczącymi metodami badań.
2. Do opracowania procedur kontrolnych wymagana jest rozległa wiedza techniczna.
3. Części, które są szorstkie, mają nieregularny kształt, są bardzo małe lub cienkie lub niejednorodne, są trudne do sprawdzenia.
4. Powierzchnia musi być przygotowana poprzez oczyszczenie i usunięcie luźnego kamienia, farby itp., chociaż farby, która jest prawidłowo związana z powierzchnią, nie trzeba usuwać.
5. Sprzęgła są potrzebne do zapewnienia skutecznego transferu energii fal ultradźwiękowych między przetwornikami a kontrolowanymi częściami, chyba że stosuje się technikę bezkontaktową. Techniki bezkontaktowe obejmują przetworniki laserowe i elektromagnetyczne ( EMAT ).
6. Sprzęt może być drogi
7. Wymaga wzorców odniesienia i kalibracji

Normy

Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO)

• ISO 2400: Badania nieniszczące - Badania ultradźwiękowe - Specyfikacja bloku kalibracyjnego nr 1 (2012)
• ISO 7963: Badania nieniszczące - Badania ultradźwiękowe - Specyfikacja bloku kalibracyjnego nr 2 (2006)
• ISO 10863: Badania nieniszczące spoin -- Badania ultradźwiękowe -- Zastosowanie techniki dyfrakcji czasu lotu (TOFD) (2011)
• ISO 11666: Badania nieniszczące spoin - Badania ultradźwiękowe - Poziomy akceptacji (2010)
• ISO 16809: Badania nieniszczące - Ultradźwiękowy pomiar grubości (2012)
• ISO 16831: Badania nieniszczące -- Badania ultradźwiękowe -- Charakterystyka i weryfikacja ultradźwiękowego sprzętu do pomiaru grubości (2012)
• ISO 17640: Badania nieniszczące spoin - Badania ultradźwiękowe - Techniki, poziomy badań i ocena (2010)
• ISO 22825, Badania nieniszczące spoin - Badania ultradźwiękowe - Badanie spoin w stalach austenitycznych i stopach na bazie niklu (2012)
• ISO 5577: Badania nieniszczące - Kontrola ultradźwiękowa - Słownictwo (2000)

Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN)

• EN 583, Badania nieniszczące - Badania ultradźwiękowe
• EN 1330-4, Badania nieniszczące — Terminologia — Część 4: Terminy stosowane w badaniach ultradźwiękowych
• EN 12668-1, Badania nieniszczące — Charakterystyka i weryfikacja urządzeń do badań ultradźwiękowych — Część 1: Przyrządy
• EN 12668-2, Badania nieniszczące — Charakterystyka i weryfikacja urządzeń do badań ultradźwiękowych — Część 2: Sondy
• EN 12668-3, Badania nieniszczące — Charakterystyka i weryfikacja urządzeń do badań ultradźwiękowych — Część 3: Urządzenia kombinowane
• EN 12680, Odlewnictwo - Badanie ultradźwiękowe
• EN 14127, Badania nieniszczące - Ultradźwiękowy pomiar grubości

(Uwaga: część norm CEN w Niemczech zaakceptowana jako DIN EN, w Czechach jako CSN EN.)

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura