Ultradźwiękowe badania spoin austenitycznych

Ultradźwiękowe badania spoin austenitycznych

Dwunaste Seminarium
NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW
Zakopane, 14-17 marca 2006
Ultradźwiękowe badania spoin austenitycznych
Sławomir Mackiewicz
IPPT PAN
1. Wstęp
Badania ultradźwiękowe spoin austenitycznych wiązane są najczęściej z sektorem
energetyki atomowej gdzie występuje duża ilość odpowiedzialnych elementów reaktorów i
instalacji towarzyszących wykonanych ze stali austenitycznych. Z uwagi na to, że przez wiele
lat w naszym kraju rozwój energetyki atomowej był wstrzymywany również badania
nieniszczące charakterystyczne dla tego sektora nie były rozwijane i są stosunkowo mało
znane polskim specjalistom. Brak jest również przepisów i unormowań w tym zakresie, zaś na
kursach badań ultradźwiękowych techniki badań spoin austenitycznych omawiane są bardzo
pobieżnie.
Ponieważ w ostatnim czasie pojawiły się sygnały o możliwości budowy elektrowni
jądrowych w Polsce tematyka ta wydaje się godna przypomnienia i dokładniejszego
omówienia. Jest to istotne z uwagi na możliwość udziału polskich firm i specjalistów badań
nieniszczących w budowie planowanych elektrowni.
Dobrym punktem wyjścia do dyskusji o badaniach spoin austenitycznych jest pytanie
dlaczego standardowe techniki badań złączy spawanych (np. wg EN 1714) nie mogą być
zastosowane również do badań tego typu spoin. Sam skład chemiczny czy też struktura
krystalograficzna stali austenitycznych nie stanowią przeszkody w stosowaniu standardowych
technik badań ultradźwiękowych. Wiele elementów kutych, walcowanych, tłoczonych czy
ciągnionych wykonanych ze stali austenitycznych bada się tak samo jak elementy wykonane
ze stali ferrytycznych [1]. Problemy pojawiają się wówczas gdy w wyniku zastosowanego
procesu technologicznego w materiale austenitycznym powstaje gruboziarnista struktura
krystalitów słupkowych. Sytuacja taka zachodzi np. w odlewach a także w spoinach
austenitycznych wykonywanych technikami spawalniczymi charakteryzującymi się dużą
energią liniową. Istotna różnica w stosunku do stali ferrytycznych polega tutaj na tym, że
powstająca w procesie krzepnięcia struktura gruboziarnista nie może ulec wtórnemu
rozdrobnieniu w wyniku przemiany fazowej austenitu w ferryt, jak to ma miejsce podczas
stygnięcia zwykłych stali ferrytycznych.
Struktura krystalitów słupkowych ma charakter silnie ukierunkowany i prowadzi do
anizotropii właściwości sprężystych materiału. W konsekwencji to właśnie anizotropia, obok
gruboziarnistości, jest głównym źródłem trudności w stosowaniu standardowych technik
ultradźwiękowych do badań tych materiałów. W niniejszej pracy rozpatrzone zostaną
problemy związane z badaniem spoin austenitycznych z wyraźnie ukształtowaną
gruboziarnistą strukturą krystalitów słupkowych i w związku z powyższym pod pojęciem
spoin austenitycznych będziemy dalej rozumieć spoiny o tego typu strukturze.
W przypadkach, w których proces spawania pozostawia w materiale spoiny
austenitycznej strukturę drobnoziarnistą badanie ultradźwiękowe może być przeprowadzone
standardowymi technikami znanymi z badań spoin ferrytycznych. Struktura drobnoziarnista
często występuje np. w spoinach austenitycznych o małej grubości spawanych technikami o
małej energii liniowej lub przy dużej szybkości odprowadzania ciepła. To czy określone
złącza spawane mogą być badane technikami standardowymi należy rozstrzygnąć w oparciu o
badania metalograficzne oraz testy ultradźwiękowe przeprowadzone na reprezentatywnych
próbkach spoin.
2. Struktura i właściwości akustyczne spoin austenitycznych
W wyniku krzepnięcia stopiwa spoiny austenitycznej kształtuje się w niej struktura
gruboziarnista charakteryzująca się tym, że poszczególne krystality są wydłużone i
zorientowane kierunkiem krystalograficznym [100] równolegle do kierunku odpływu ciepła.
Z uwagi na geometrię jeziorka spawalniczego kierunek ten jest generalnie równoległy do
kierunku grubości materiału jednak w pobliżu krawędzi bocznych spoiny może odchylać się
w kierunku prostopadłości do granicy materiału rodzimego (patrz rys.1). Typowe przekroje
złączy austenitycznych ze zobrazowaniem słupkowej struktury metalograficznej pokazano na
rys. 1.
Rys. 1. Typowe obrazy struktur krystalitu słupkowego w spoinach austenitycznych.
Ziarna krystalitów mają często długości przekraczające 10 mm i szerokości ok. 1 mm.
Długość krystalitów może być większa niż grubość ściegów spawalniczych co oznacza, że
ciągłość ich struktury krystalicznej zostaje zachowana na granicach między kolejnymi
warstwami stopiwa.
Dokładny rozkład orientacji i rozmiarów ziaren zależy od rodzaju materiału, geometrii
spoiny oraz zastosowanej technologii spawania jednak jego podstawowe cechy są
następujące:
• duże rozmiary i wyraźnie wydłużony kształt ziaren
• dominująca orientacja krystalitów kierunkiem [100] równolegle do kierunku grubości,
• brak wyraźnie wyróżnionej orientacji krystalitów w płaszczyźnie poziomej
• odchylenia od pionowej orientacji krystalitów w pobliżu linii wtopu spoiny
Powyższe cechy struktury metalograficznej spoiny austenitycznej wprowadzają określone
trudności i ograniczenia w stosowaniu ultradźwiękowej metody badań.
2.1. Tłumienie i rozpraszanie wsteczne
Duże rozmiary ziaren powodują wzrost rozpraszania fal ultradźwiękowych na
granicach ziaren co powoduje zarówno znaczny wzrost współczynnika tłumienia jak też
podwyższenie poziomu szumów strukturalnych. Oprócz ogólnego pogorszenia stosunku
sygnał-szum interferencje fal rozproszonych na różnych granicach ziaren mogą czasem
prowadzić do powstawania wskazań pozornych.
Współczynnik tłumienia fal ultradźwiękowych szybko wzrasta z częstotliwością fali
zaś przy tej samej częstotliwości jest wyraźnie większy dla fal poprzecznych niż podłużnych.
Przykładowo, w typowej spoinie austenitycznej [2] współczynnik tłumienia fal poprzecznych
o częstotliwości 2 MHz wynosił ok. 6 dB/cm podczas gdy dla fal podłużnych o tej samej
częstotliwości był ponad dwukrotnie mniejszy. Dla porównania, współczynnik tłumienia fal
poprzecznych o tej samej częstotliwości w drobnoziarnistym materiale blachy austenitycznej
wynosił zaledwie 0,5 dB/cm.
2.2. Anizotropia materiału stopiwa
Wyróżniony kierunek orientacji krystalitów słupkowych powoduje, że materiał spoiny
austenitycznej ma właściwości anizotropowe i w konsekwencji prędkość propagujących się w
nim fal ultradźwiękowych jest zależna od kierunku i polaryzacji. Do większej części
materiału spoiny (poza obszarami bliskimi krawędzi) można z dobrym przybliżeniem
zastosować model teoretyczny, w którym wszystkie krystality są zorientowane kierunkiem
[100] równolegle do grubości (osi Z) przy braku wyróżnionej orientacji w płaszczyźnie
poziomej (izotropia poprzeczna). Model taki pozwala zbadać podstawowe własności
akustyczne stopiwa austenitycznego.
Na rys. 2. przedstawiono przekroje powierzchni prędkości fazowych dla różnych
typów fal ultradźwiękowych propagujących się w płaszczyźnie pionowej prostopadłej do osi
spoiny.
Rys. 2. Przekroje powierzchni prędkości fal ultradźwiękowych dla stali ASTM 304 SS
w płaszczyźnie pionowej (Z-Y). Poszczególne krzywe reprezentują prędkości
fazowe fal podłużnych – L, poprzecznych spolaryzowanych w płaszczyźnie
pionowej – SV oraz poprzecznych spolaryzowanych horyzontalnie – SH. Punkty
reprezentują wyniki doświadczalne [3].
Z wykresu widać, że największe zmiany prędkości w funkcji kąta ψ ( kąt między kierunkiem
wektora falowego a kierunkiem osi Z) występują dla fal poprzecznych typu SV tradycyjnie
stosowanych do badań zwykłych złączy spawanych. Największe prędkości fal SV występują
dla kierunków równoległych oraz prostopadłych do kierunku osi ziaren słupkowych, zaś
najmniejsze dla kierunków zorientowanych pod kątem 450. W pracy [3] dla stali ASTM 304
SS uzyskano wartości prędkości fal SV zawierające się w granicach: 2400 - 4000 m/s.
Fale podłużne oraz poprzeczne typu SH charakteryzują się znacznie bardziej
równomiernymi rozkładami prędkości niż fale SV. W szczególności fale podłużne mają
prędkości zawierające się w zakresie 5100 - 6200 m/s, przy czym największa prędkość
występuje tutaj dla kierunku 450 w stosunku do osi ziaren słupkowych. Dla porównania
typowa wartość prędkości fal podłużnych w drobnoziarnistej stali austenitycznej nie
wykazującej anizotropii wynosi ok. 5750 m/s.
Anizotropia akustyczna materiału stopiwa austenitycznego ma poważne konsekwencje
dla badań ultradźwiękowych. Kluczowym efektem fizycznym jest tutaj odchylanie się
kierunku przepływu energii fali ultradźwiękowej (efektywnego kierunku wiązki) od kierunku
wektora falowego. Zjawisko to dobrze ilustrują szkice przedstawione na rys. 3.
a)
b)
Rys. 3. Odchylenie kierunku przepływu energii fali ultradźwiękowej - ∆ od kierunku wektora
falowego fali w materiale anizotropowym: a) dla wiązki z głowicy normalnej,
b) dla wiązki z głowicy kątowej.
Efektywny kierunek rozchodzenia się wiązki ultradźwiękowej nie jest tutaj prostopadły do
czoła fali. Oznacza to np., że wiązka fal wprowadzana do materiału anizotropowego przez
głowicę normalną nie będzie rozchodzić się w kierunku prostopadłym do powierzchni próbki
lecz pod pewnym kątem ∆ (rys. 3a). Innym aspektem tego zjawiska jest sposób odbijania się
fal ultradźwiękowych od nieciągłości materiału. Powszechnie znane prawo odbicia mówiące,
że kąt padania równa się kątowi odbicia musi być w materiale anizotropowym
doprecyzowane poprzez stwierdzenie, że odnosi się to do kierunków wektorów falowych fali
padającej i odbitej nie zaś do kierunków propagacji ich wiązek. Różnicę tą ilustruje rys. 3b na
którym wiązka fal odbija się od wady płaskiej. Maksymalne odbicie fal w kierunku głowicy
nastąpi wówczas gdy wada jest zorientowana prostopadle do kierunku wektora falowego fali
padającej nie zaś do kierunku propagacji wiązki. Różnica między tymi orientacjami jest dana
kątem odchylenia kierunku przepływu energii - ∆.
W przypadku silnie anizotropowej struktury spoin austenitycznych wielkość kąta
odchylenia może być bardzo znaczna. Na rys. 4 przedstawiono wykresy zależności kąta ∆ od
kierunku propagacji fali dla różnych typów fal. Należy podkreślić, że określenia
fale podłużne czy fale poprzeczne mają tutaj charakter umowny. Dla materiałów
anizotropowych kierunek drgań cząstek ośrodka nie jest na ogół ani ściśle równoległy ani
prostopadły do kierunku wektora falowego. Warunki takie mogą być jednak spełnione w
przypadku propagacji fal w kierunkach o wysokiej symetrii.
Rys. 4. Kąt odchylenia wiązki - ∆ w zależności od orientacji wektora falowego fali względem
osi krystalitów słupkowych (oś Z). Poszczególne wykresy przedstawiają zależności
dla fal podłużnych – L, fal poprzecznych typu SV oraz fal poprzecznych typu SH.
Z przedstawionego wykresu wynika, że największe kąty odchylenia ∆, dochodzące do 440,
występują dla fal poprzecznych typu SV. Jest to zatem rodzaj fal, dla którego kierunek wiązki
ultradźwiękowej może ulegać największym zmianom przy przechodzeniu z izotropowego
materiału rodzimego do anizotropowego stopiwa spoiny austenitycznej. Dla fal podłużnych
maksymalne kąty odchyleń są dwukrotnie mniejsze. Należy także zauważyć, że najmniejsze
kąty odchylenia wiązki, zarówno dla fal podłużnych jak i poprzecznych typu SV, uzyskuje się
przy wprowadzeniu fali pod kątami bliskimi 450. Nieco odmienny charakter ma wykres kąta
odchylenia przepływu energii dla fal poprzecznych typu SH. Maksymalne wartości kąta
odchylenia są tutaj stosunkowo małe (poniżej 150) i zmieniają się wolniej niż dla pozostałych
typów fal. Zerowe wartości kąta ∆ uzyskuje się w tym przypadku dla kierunków
równoległego oraz prostopadłego względem osi krystalitów słupkowych.
Pokazane na rys. 4 zależności pozwalają wyjaśnić jeszcze jeden istotny efekt
ultradźwiękowy spowodowany anizotropią materiału stopiwa. Jest to zmiana kąta
rozbieżności wiązki przy przechodzeniu z materiału rodzimego do materiału spoiny. Zjawisko
to najłatwiej wyjaśnić zakładając, że kąt wprowadzenia wiązki ultradźwiękowej do materiału
spoiny jest taki że oś wiązki nie ulega załamaniu (np. 430 względem osi krystalitów dla fal
SV) Skrajne promienie wiązki będą wchodziły do materiału spoiny, jeden pod nieco
większym, drugi pod nieco mniejszym kątem ψ niż kąt wejścia promienia środkowego (rys.
5).
Rozpatrując proces wejścia wiązki fal poprzecznych SV widzimy (z wykresu na rys.
4), że dolny promień wiązki odchyla się o ujemną wartość kąta ∆, zaś górny o wartość
dodatnią. Daje to w efekcie zwiększenie kąta rozwarcia pomiędzy skrajnymi promieniami
wiązki czyli wzrost jej rozbieżności. Zwiększona rozbieżność wiązki ultradźwiękowej
prowadzi do szybszego spadku amplitudy fali a także do wzrostu ogólnego poziomu szumów
(szersza wiązka rozprasza się na większej ilości ziaren).
Rozpatrując z kolei proces wejścia wiązki fal podłużnych znajdujemy, że dolny
promień wiązki odchyla się o dodatnią wartość kąta ∆, zaś górny o wartość ujemną dając w
efekcie zmniejszenie rozbieżności wiązki w materiale spoiny. W tym przypadku jest to efekt
Rys. 5. Zwiększenie rozbieżności wiązki ultradźwiękowej fal SV przy przejściu
z materiału rodzimego do stopiwa spoiny austenitycznej.
korzystny dla badań ultradźwiękowych, prowadzący do lepszego skupienia energii
ultradźwiękowej i poprawy stosunku sygnału do szumu.
W celu lepszego zilustrowania skali tych efektów wykonano przykładowe obliczenia
dla typowej głowicy kątowej fal poprzecznych MWB45-2 o częstotliwości 2 MHz i
rozmiarach przetwornika 8 x 9 mm. W materiale rodzimym kąt rozbieżności wiązki tej
głowicy wynosi ok. 5,50. Przy wejściu do materiału spoiny austenitycznej (o właściwościach
akustycznych pokazanych na rys. 2) kąt rozbieżności w płaszczyźnie pionowej wzrasta
niemal 5 krotnie aż do wartości ok. 250. Gdyby zamiast głowicy kątowej fal poprzecznych
zastosować w tym miejscu głowicę kątową fal podłużnych o tej samej rozbieżności wiązki
wówczas, przy wejściu do materiału spoiny, kąt rozbieżności uległby zmniejszeniu do
wartości ok. 20. Widać więc, że rozpatrywany efekt jest korzystny dla badań wykonywanych
falami podłużnymi i zdecydowanie niekorzystny dla badań wykonywanych falami
poprzecznymi SV.
Oprócz zmiany kierunku i zwiększenia rozbieżności wiązki istnieje jeszcze jeden efekt
fizyczny utrudniający prowadzenie badań ultradźwiękowych spoin austenitycznych falami
poprzecznymi typu SV. Wiąże się on z kształtem powierzchni prędkości fazowej tego typu fal
(patrz rys. 2). Jak wynika ze szczegółowej analizy problemu załamania fal ultradźwiękowych
na granicy ośrodków anizotropowych [4] odchylenia powierzchni fazowej od kształtu
kulistego mogą powodować, że dla pewnych kątów padania fal SV na granicę ośrodków w
materiale 2 ośrodka mogą pojawić się dwie załamane fale typu SV. Oznacza to, że wiązka
ultradźwiękowa wchodząca do spoiny od strony materiału rodzimego może ulegać na granicy
stopiwa rozszczepieniu na dwie wiązki fal poprzecznych SV propagujące się w różnych
kierunkach (patrz rys. 6). Znaczenie tego rodzaju zjawiska dla interpretacji wskazań
ultradźwiękowych jest oczywiste.
2.2. Niejednorodność materiału stopiwa
Rozważania przedstawione w ostatnim punkcie oparte były na anizotropowym ale
jednorodnym modelu stopiwa spoiny austenitycznej. Jak wynika z rys. 1, w rzeczywistych
spoinach austenitycznych struktura krystalitów słupkowych nie jest całkowicie jednorodna a
ich wyróżniony kierunek [100] odchyla się od ustawienia pionowego w pobliżu granicy
wtopu spoiny. Fala ultradźwiękowa propagująca się w takim niejednorodnym materiale może
zmieniać w sposób ciągły swój kierunek oraz prędkość. Obliczenia tego rodzaju efektów
możliwe są jedynie na drodze numerycznej przy założeniu określonego rozkładu
kierunkowego krystalitów słupkowych w strukturze spoiny. Przykłady wyliczonych
trajektorii wiązek ultradźwiękowych fal poprzecznych i podłużnych wprowadzanych do
modelowej struktury spoiny austenitycznej przedstawiono na rys. 6 i 7.
Rys. 6. Obliczone przebiegi wiązek fal poprzecznych SV wprowadzanych do modelowej
struktury spoiny austenitycznej uwzględniającej anizotropię oraz niejednorodność
rozkładu kierunkowego krystalitów słupkowych [2].
Przedstawione przebiegi wiązek fal poprzecznych typu SV ilustrują zarówno
omówione w poprzednim punkcie efekty załamania i rozszczepienia wiązki na linii wtopu jak
również zjawisko silnego zakrzywiania się promieni wiązki w samej spoinie. Uzyskane
profile wskazują wyraźnie, że zastosowanie fal typu SV do badań spoin austenitycznych o
gruboziarnistej strukturze słupkowej jest zdecydowanie niekorzystne.
Rys. 7. Obliczone przebiegi wiązek fal podłużnych L wprowadzanych do modelowej
struktury spoiny austenitycznej uwzględniającej anizotropię oraz niejednorodność
rozkładu kierunkowego krystalitów słupkowych [2].
Analogiczne profile wiązek fal typu podłużnego dowodzą, że ten rodzaj fal wykazuje
znacznie mniejszą wrażliwość na efekty zakłócające wywołane anizotropią i
niejednorodnością materiału. W szczególności nie występuje tutaj rozszczepienie wiązki na
granicy spoiny a sama wiązka nie ulega tak dużym zmianom kierunku i deformacjom. Nadal
jednak należy liczyć się z istotnymi efektami zakłócającymi jak np. możliwość powstawania
echa dna podczas badań głowicami kątowymi.
3. Dobór głowic ultradźwiękowych
Analiza zjawisk fizycznych związanych z propagacją fal ultradźwiękowych w
anizotropowym stopiwie spoin austenitycznych wskazuje jednoznacznie, że fale poprzeczne o
polaryzacji pionowej (SV) nie są odpowiednie do badań tego typu materiałów. W przypadku
gruboziarnistych spoin austenitycznych standardowe głowice fal poprzecznych mogą być
zastosowane, co najwyżej, do badań obszarów materiału rodzimego przylegających do spoiny
(SWC). Drugi rodzaj fal poprzecznych (SH) wykazuje dobre właściwości akustyczne jednak
praktyczne wykorzystanie tych fal natrafia na trudności związane z możliwościami ich
wytworzenia i wprowadzenia do badanego materiału. Wykorzystanie w tym celu głowic
opartych na przetwornikach piezoelektrycznych wymaga zastosowania specjalnych ośrodków
sprzęgających (wosk, żywica epoksydowa) przenoszących drgania postaciowe. W przypadku
badań spoin, gdzie występuje konieczność płynnego przesuwu głowic po powierzchni
obiektu, sprzężenie takie jest wysoce nieefektywne. Drugi znany sposób generacji fal SH
polegający na wykorzystaniu przetworników EMAT jest trudny do zastosowania ze względu
na niemagnetyczne właściwości materiałów austenitycznych i niską sprawność takich głowic.
W efekcie, podstawowym rodzajem fal jaki wykorzystuje się w ultradźwiękowych
badaniach spoin austenitycznych są fale typu podłużnego. Z uwagi na geometrię złącza
spawanego zastosowanie standardowych głowic normalnych jest niewystarczające.
Konieczne są także głowice skośne wprowadzające fale podłużne pod określonymi kątami.
Schemat budowy głowicy kątowej fal podłużnych pokazano na rys. 8.
L
L
SV
Rys. 8. Zasada działania głowicy kątowej fal podłużnych.
Fala podłużna, wprowadzona przez przetwornik do w klina załamującego głowicy, pada na
jego powierzchnię (granicę PMM – materiał badany) pod kątem mniejszym od pierwszego
kąta krytycznego. W takim przypadku w materiale badanym powstają dwie fale załamane:
fala podłużna oraz fala poprzeczna typu SV. Oznacza to, że w obiekcie badanym wytwarzane
są jednocześnie dwie wiązki fal ultradźwiękowych, z których każda propaguje się pod innym
kątem i z inną prędkością. Zjawisko to stanowi poważne utrudnienie przy interpretacji
wyników badań co zostanie dokładniej omówione w następnym punkcie.
Głowice kątowe fal podłużnych mogą być wykonane zarówno jako zwykłe głowice
pojedyncze jak również jako głowice podwójne o rozdzielonych torach nadawczym i
odbiorczym. W przypadku badań spoin austenitycznych zdecydowaną wyższość wykazują
głowice podwójne charakteryzujące się ograniczoną strefą czułości oraz znacznie lepszym
stosunkiem sygnału do szumów. Rozdzielenie torów nadawczego i odbiorczego jest w tym
przypadku znacznie ważniejsze niż dla standardowych głowic fal poprzecznych stosowanych
w badaniach spoin ferrytycznych. Wynika to, po pierwsze, z dużo wyższego poziomu
szumów strukturalnych przy badaniach spoin austenitycznych, po drugie zaś, z relatywnie
dłuższej strefy martwej pojedynczych głowic kątowych fal podłużnych niż analogicznych
głowic fal poprzecznych.
Efekt rozdzielenia torów głowicy kątowej fal podłużnych pokazano schematycznie na
rys. 9. Profile wiązki przetwornika nadawczego i odbiorczego nakładają się jedynie w
ograniczonym obszarze materiału, który jest faktyczną strefą czułości takiej głowicy.
Rys. 9. Strefa czułości kątowej głowicy podwójnej fal podłużnych – SEL.
Ograniczenie efektywnej strefy czułości głowicy oznacza mniejszą ilość szumów
strukturalnych, które przychodzą z mniejszej objętości materiału. Jednocześnie głowica taka
wykazuje lepszą rozdzielczość kierunkową przy wykrywaniu i lokalizowaniu nieciągłości.
Kątowe głowice podwójne fal podłużnych określane są często skrótem SEL.
Kolejnym parametrem głowic ultradźwiękowych, który wymaga optymalizacji w
przypadku badań spoin austenitycznych jest częstotliwość podstawowa głowicy oraz
szerokość pasma częstotliwości. Aby zredukować negatywne efekty wywołane silnym
rozpraszaniem fal ultradźwiękowych na granicach ziaren częstotliwość fali powinna być
możliwie niska. Jednak z drugiej strony niska częstotliwość fal oznacza małą rozdzielczość
głowicy i związane z tym trudności w precyzyjnej lokalizacji reflektorów oraz rozróżnianiu
wskazań położonych blisko siebie. Parametrem, którego optymalizacja pozwala, w pewnym
stopniu, złagodzić te sprzeczności jest szerokość pasma częstotliwości głowicy. Należy tutaj
zauważyć, że zwiększanie szerokości pasma częstotliwości jest równoznaczne ze skracaniem
czasu trwania impulsu ultradźwiękowego danej głowicy.
Wpływ długości impulsu ultradźwiękowego na amplitudę szumów strukturalnych
powodowanych przez rozpraszanie fal ultradźwiękowych na granicach ziaren zilustrowano na
rys. 10. Przy tej samej częstotliwości podstawowej, krótsze impulsy dają niższy poziom
szumów niż impulsy dłuższe o kilku cyklach sinusoidalnych. Wysoki poziom szumów w tym
ostatnim przypadku wynika z interferencji impulsów rozpraszanych wstecznie na
sąsiadujących granicach ziaren.
Rys. 10. Powstawanie szumów strukturalnych wskutek wstecznego rozpraszania
fal ultradźwiękowych na granicach ziaren.
Przypadkowa koincydencja fazowa kilku impulsów rozproszonych na kolejnych granicach
ziaren może doprowadzić do lokalnego wzrostu poziomu szumów, tak dużego, że może to
być pomylone ze wskazaniem od rzeczywistej wady.
Stosowanie szerokopasmowych impulsów ultradźwiękowych jest korzystne również z
uwagi na mniejszą szybkość zaniku amplitudy takich impulsów podczas ich przechodzenia
przez silnie tłumiący materiał. W skład szerokiego widma takiego impulsu wchodzą bowiem
również niskie częstotliwości, które są słabiej tłumione przez materiał niż częstotliwość
podstawowa. W efekcie widmo propagującego się impulsu szerokopasmowego ulega
przesunięciu w kierunku niższych częstotliwości ale dzięki temu jego efektywne tłumienie w
materiale ulega zmniejszeniu. Wpływ silnego tłumienia materiału na zmiany widma wąsko i
szerokopasmowych impulsów ultradźwiękowych pokazano na rys. 11.
a)
b)
Rys. 11. Wpływ silnego tłumienia materiału na zmianę widma dwóch impulsów ultradźwiękowych o początkowo jednakowej częstotliwości podstawowej (f = 2 MHz);
a) impuls wąskopasmowy, b) impuls szerokopasmowy
Jak wynika z przeprowadzonych rozważań do badań gruboziarnistych spoin
austenitycznych najlepiej stosować głowice fal podłużnych o stosunkowo niskiej
częstotliwości podstawowej i możliwie szerokim widmie. Z szeregu badań porównawczych
przeprowadzonych na rzeczywistych spoinach austenitycznych [2,3,6] wynika, że w
większości przypadków optymalny jest wybór głowic o częstotliwości podstawowej ok. 2
MHz i szerokości pasma 80-100 % .
Przykładem produkowanych seryjnie głowic SEL, zoptymalizowanych pod kątem
badań spoin austenitycznych, są głowice serii VRY oraz VSY firmy Krautkramer. Obie serie
produkowane są dla częstotliwości nominalnych ok. 2 MHz i standardowych kątów załamania
450, 600 i 700. Podstawowa różnica między seriami VRY oraz VSY dotyczy wymiarów
przetworników, odpowiednio: 10 x 22 oraz 5 x 10 mm.
4. Technika badań
Technika badań spoin austenitycznych głowicami SEL w znacznym stopniu różni się
od technik stosowanych przy badaniach typowych spoin ze stali ferrytycznych.
Pierwszym poważnym utrudnieniem jest fakt, że głowica typu SEL wytwarza w
badanym materiale dwie wiązki fal ultradźwiękowych, podłużnych i poprzecznych, z których
każda propaguje się pod innym kątem i z inną prędkością (rys. 12). Co więcej, przy odbiciu
Rys. 12. Tory wiązek fal ultradźwiękowych wytwarzanych przez głowicę kątową
fal podłużnych.
od powierzchni przeciwległej każda z wiązek, ulega ponownemu rozszczepieniu na dwie
kolejne wiązki fal podłużnych i poprzecznych. Komplikacje związane z interpretacją wskazań
uzyskiwanych wiązkami odbitymi, ograniczają w praktyce użyteczny zakres obserwacji do
połowy skoku głowicy. Generalną zasadą przy badaniach spoin austenitycznych jest więc
skanowanie objętości spoiny wyłącznie wiązką bezpośrednio padającą.
W celu rozróżnienia wskazań pochodzących od poszczególnych wiązek można
wykorzystać fakt, że fale poprzeczne rozchodzą się pod mniejszym kątem oraz z mniejszą
prędkością niż fale podłużne. Oznacza to, że echa wad spoiny uzyskiwane falami podłużnymi
będą mogły być identyfikowane przez swoje położenie w odpowiednio bliskim zakresie
podstawy czasu. Ewentualne wskazania tych samych nieciągłości uzyskane falami
poprzecznymi będą zawsze charakteryzować się znacznie większymi opóźnienieniami.
W pewnych przypadkach, zjawisko transformacji fal można skutecznie wykorzystać
do wykrywania niektórych typów wad. Ważne przykłady tego typu technik badawczych
pokazano na rys. 13. W literaturze niemieckojęzycznej nazywane są one odpowiednio:
techniką echa towarzyszącego N1 (Nebenecho 1) oraz techniką echa towarzyszącego N2.
Obie techniki są użyteczne przy wykrywaniu wad płaskich zorientowanych, w przybliżeniu,
prostopadle do powierzchni badanego elementu (np. pęknięcia, przyklejenia).
Rys. 13. Techniki wykrywania wad płaskich głowicami SEL wykorzystujące zjawisko
transformacji fal na powierzchni przeciwległej materiału badanego.
W technice N1 wykorzystuje się zjawisko transformacji pierwotnej wiązki fal
poprzecznych na wiązkę fal typu podłużnego. Zjawisko to zachodzi szczególnie silnie dla
głowic SEL 600, które wprowadzają towarzyszącą wiązkę fal poprzecznych pod kątem ok.
300. Przy takim kącie padania na powierzchnię przeciwległą wiązka fal poprzecznych ulega
niemal całkowitej transformacji na wiązkę fal typu podłużnego, która odchodzi pod kątem 600
(znany efekt silnej transformacji T300 ↔ L600). W przypadku gdy fale te natrafią na wadę
płaską zorientowaną prostopadle do powierzchni próbki odbijają się od niej w kierunku
głowicy. Kąt padania fali podłużnej na powierzchnię takiej wady wynosi ok. 30 0 co oznacza,
że w tym przypadku nie zachodzi zjawisko silnej transformacji i fala odbija się, w większości,
jako fala typu podłużnego. Z prostych rozważań geometrycznych wynika ponadto, że fala ta
powraca w kierunku głowicy pod kątem równym jej kątowi nominalnemu (600) przez co jest
bardzo skutecznie odbierana. W wyniku opisanej sekwencji odbić na ekranie defektoskopu
powstaje silny impuls, nieco opóźniony w stosunku do bezpośredniego odbicia fali L od danej
wady. Amplituda echa N1 jest zazwyczaj znacznie wyższa niż amplituda echa
bezpośredniego.
Opisana technika jest najbardziej skuteczna w wykrywaniu wad płaskich
zlokalizowanych w środkowej strefie grubości spoiny. Dotyczy to również przyklejeń do
ścianki bocznej pod warunkiem, że kąt ukosowania krawędzi nie przekracza kilku stopni.
Skuteczne zastosowanie techniki N1 w takim przypadku wymaga jednak przeprowadzenia
szczegółowych obliczeń w celu optymalizacji kąta głowicy SEL stosownie do grubości i
geometrii rowka spoiny.
W technice echa towarzyszącego N2 również wykorzystuje się zjawisko transformacji
fal z tym jednak, że w tym przypadku ważny jest efekt generacji podłużnej fali
podpowierzchniowej rozchodzącej się wzdłuż powierzchni przeciwległej (rys. 13). W celu
zapewnienia odpowiedniej amplitudy fali podpowierzchniowej nominalny kąt załamania
głowicy SEL powinien wynosić 700–850. Wytworzona fala podpowierzchniowa odbija się od
ewentualnych wad zlokalizowanych w pobliżu powierzchni i tą samą drogą powraca do
głowicy ultradźwiękowej. W efekcie uzyskuje się echo towarzyszące N2 opóźnione w
stosunku do echa bezpośredniego jeszcze bardziej niż echo N1 (impuls propaguje się przez
większość drogi jako fala typu poprzecznego).
Specjalne znaczenie techniki N2 w badaniach spoin austenitycznych wynika z faktu,
że jest to podstawowa technika do wykrywania wad wychodzących od przeciwległej
powierzchni elementu (np. pęknięć w grani, braków przetopu). W przypadku badań
głowicami SEL nie można bowiem wykorzystywać efektu zwierciadlanego odbicia od naroża,
ponieważ fale podłużne nie wykazują takiego efektu [2]. Dobrym potwierdzeniem
powyższych rozważań jest obraz ech uzyskanych głowicą SEL od typowej wady przetopu
(rys. 14). Na ekranie widać wyraźne echa towarzyszące N1 i N2, nie widać natomiast echa
powstającego wskutek bezpośredniego odbicia fali L od naroża.
Rys. 14. Echa towarzyszące N1 i N2 uzyskane od pęknięcia w grani spoiny
austenitycznej [6]
Należy podkreślić, że prawidłowe stosowanie technik N1 i N2 wymaga wykonania
obliczeń przewidywanych położeń tych ech w zależności od grubości spoiny, kąta głowicy
oraz położenia ewentualnych wad. Bardzo wskazane jest wykonanie badań testowych na
reprezentatywnych próbkach spoin z wadami naturalnymi lub sztucznymi.
W oparciu o przedstawione powyżej ogólne zasady badań spoin austenitycznych
zaplanować można szczegółową technikę badania dla określonej struktury, geometrii i
grubości złącza spawanego. W szczególności należy dobrać kąty załamania oraz strefy
czułości poszczególnych głowic SEL tak aby zapewnić pokrycie całej objętości spoiny oraz
przylegających stref wpływu ciepła.
Przykładowy podział grubościennej spoiny austenitycznej na 4 strefy badania, z
których każda skanowana jest za pomocą odpowiednio dobranej głowicy SEL lub SEK
pokazano na rys. 15.
strefa 1
strefa 2
strefa 3
strefa 4
Rys. 15 Przykładowy podział spoiny austenitycznej na strefy badania wraz z przypisaniem
do nich odpowiednich głowic [2].
Strefa nr 1 skanowana jest za pomocą miniaturowej głowicy SEL700-7 wytwarzającej
(ze względu na dużą rozbieżność generowanej wiązki) zarówno fale objętościowe jak też fale
podpowierzchniowe typu podłużnego. Głowicą tą można dobrze wykrywać pęknięcia oraz
przyklejenia wychodzące od powierzchni zewnętrznej. Głowica jest typu miniaturowego
również z uwagi na to, że jej strefa czułości powinna leżeć możliwie blisko głowicy. Ponadto,
ze względu na szybki zanik amplitudy fal podpowierzchniowych z odległością ważna jest
możliwość maksymalnego zbliżenia punktu wejścia tych fal do krawędzi lica spoiny.
Strefy nr 2 i nr 3 badane są głowicami SEL650-20 oraz SEL600-30 zapewniającymi
pokrycie swoimi strefami czułości głębszych obszarów spoiny. Optymalizacja tych głowic do
głębokości strefy badania polega tutaj na odpowiednim doborze średnicy przetwornika (w
celu dostosowania rozbieżności wiązki) oraz kąta głowicy (w celu skrócenia drogi dojścia do
badanego obszaru spoiny).
Strefa nr 4 badana jest za pomocą głowicy SEK (czyli głowicy SEL o kącie
nominalnym równym 800-850) zoptymalizowanej do wykrywania wad przetopu technikami
transformacyjnymi N1 i N2.
Przedstawiony podział spoiny na strefy badania oraz dobór głowic należy traktować
jako przykład pokazujący istotne aspekty planowania techniki badań ultradźwiękowych spoin
austenitycznych. W praktyce, dla każdego typu spoin należy przygotować szczegółową
instrukcję badania bazującą na ogólnych regułach badań ale uwzględniającą specyficzną
strukturę, grubość oraz geometrię danego złącza spawanego.
Przy planowaniu kierunków wprowadzania fal należy wziąć pod uwagę zjawiska
deformacji profilu oraz zmian kierunku wiązki ultradźwiękowej w stopiwie austenitycznym
omówione w pkt. 3 a także, nie wspomniany wcześniej, efekt całkowitego odbicia fal
podłużnych od granicy wtopu spoiny przy dużych kątach padania (rys. 16).
Rys. 16. Całkowite odbicie fal podłużnych od granicy wtopu spoiny przy dużych kątach
padania [2].
Efekt ten wynika z faktu, że prędkość fal podłużnych w anizotropowym stopiwie spoin
austenitycznych może być, w pewnych kierunkach, znacząco większa niż w materiale
rodzimym. Przykładowo fala typu L wprowadzona do stopiwa austenitycznego pod kątem 45 0
ma prędkość ok. 6200 m/s podczas gdy w drobnoziarnistym materiale rodzimym osiąga
zaledwie ok. 5750 m/s. Oznacza to, że przy padaniu fali podłużnej na granicę materiału
rodzimego i stopiwa występuje zjawisko pierwszego kąta krytycznego, powyżej którego w
materiale spoiny nie propaguje się załamana fala typu podłużnego. Dla podanych wyżej
prędkości fal pierwszy kąt krytyczny wynosi ok. 680. W przypadku gdy wiązka pada na
granicę spoiny pod kątem większym (jak np. na rys. 16) fala podłużna nie wchodzi do
wnętrza spoiny lecz odbija się od jej granicy pod kątem równym kątowi padania. W wyniku
tego mogą powstać silne odbicia od powierzchni przeciwległej, które mogą być mylnie
zinterpretowane jako wady wewnątrz spoiny. Praktyczny wniosek jest taki, aby przy
planowaniu badań spoin austenitycznych unikać dużych kątów padania wiązki na granicę
materiału rodzimego i stopiwa.
Osobnym problemem przy prowadzeniu badań ultradźwiękowych spoin
austenitycznych jest sposób nastawiania czułości badania oraz ustalenie kryteriów akceptacji.
Generalnie zagadnienie to wymaga indywidualnego podejścia i uzgodnień między specjalistą
badań ultradźwiękowych stopnia 3 a nadzorem spawalniczym a także innymi specjalistami
odpowiedzialnymi za jakość i bezpieczeństwo konstrukcji.
Ogólnie stwierdzić można, że ze względu na zniekształcenia profilu wiązki
ultradźwiękowej, czułość badania nie może być nastawiana techniką DGS. W przypadku
głowic SEL penetrujących wewnętrzne obszary spoiny (strefy nr 2 i 3 na rys. 15) czułość
badania można nastawiać techniką DAC przy wykorzystaniu otworów poprzecznych
usytuowanych na różnych głębokościach próbki odniesienia. Ważne jest aby wzorzec do
techniki DAC wykonany był z reprezentatywnej spoiny austenitycznej a otwory kalibracyjne
znajdowały się np. w pionowej osi spoiny tak aby uwzględnić zarówno silne tłumienie jak też
zmiany kierunku i prędkości wiązki ultradźwiękowej zachodzące w materiale spoiny
Wynikiem skalowania powinny być specjalne krzywe DAC obrazujące zarówno spadek
amplitudy echa jak też nieliniowe zmiany głębokości.
Do nastawiania czułości badania głowic skanujących strefy nr 1 i 4 falami
podpowierzchniowymi bardziej właściwe jest zastosowanie reflektorów odniesienia, w
postaci nacięć lub rowków prostopadłych do powierzchni.
5. Podsumowanie
W pracy przedstawiono najważniejsze zagadnienia związane z badaniami
ultradźwiękowymi spoin austenitycznych. Omówiono podstawowe zjawiska fizyczne
związane z propagacją fal ultradźwiękowych w anizotropowym materiale spoin
austenitycznych. Zjawiska te determinują zasady i sposoby badań ultradźwiękowych tego
typu spoin. Opisano specjalne głowice oraz techniki badawcze stosowane w manualnych
badaniach spoin austenitycznych. Pominięto jednak szereg technik badawczych (LLT,
ADEPT, SLIC), które wymagają specjalnych głowic wieloprzetwornikowych i stosowane są
głównie w badaniach zautomatyzowanych. Szersze informacje na ten temat znaleźć można w
pozycjach literaturowych [2,6].
Należy podkreślić, że badania spoin austenitycznych są jednym z najtrudniejszych
rodzajów badań ultradźwiękowych i w sposób znaczący różnią się od standardowych badań
spoin wykonanych ze stali ferrytycznych. Stosowane techniki badawcze oraz zasady
interpretacji wskazań wymagają zarówno specjalistycznej wiedzy ultradźwiękowej jak też
dużego doświadczenia praktycznego. W perspektywie rozwoju krajowej energetyki jądrowej,
temat badań ultradźwiękowych spoin austenitycznych może wkrótce stanąć przed polskimi
firmami i specjalistami badań nieniszczących. W celu przygotowania się do tego wyzwania
wskazane byłoby przygotowanie specjalnych kursów badań spoin austenitycznych
podwyższających kwalifikacje operatorów ultradźwiękowych w tym zakresie. Kluczowym
zadaniem w przygotowaniu właściwego szkolenia byłoby zgromadzenie odpowiedniej ilości
próbek spoin austenitycznych obrazujących typowe problemy występujące podczas badań
ultradźwiękowych. Szkolenia takie wymagałyby również zakupu głowic SEL oraz innych
specjalistycznych układów głowic stosowanych w badaniach spoin austenitycznych.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Deputat J., Ultradźwiękowe badania spoin austenitycznych., Dozór Techniczny Nr
1/1991, s. 5-11
Materiały szkoleniowe UDT-CERT/DGZfP na kurs podstawowy UT-3, rozdz. 9.1
Kupperman D.S., Reinman K.J. and Kim D.I., Ultrasonic Characterization and
Microstructure of Stainless Steel Weld Metal, Nondestructive Evaluation:
Microstructural Characterization and Reliability Strategies, Conference Proceedings,
The Metallurgical Society of AIME, New York 1981, s. 199-216
Auld B.A. Acoustic Fields and Waves in Solids, Vol II, John Wiley & Sons, New York,
London, Sydney, Toronto, 1973, s. 1-56
Simpson W.A., Adler L., Bolland T.K., Boundaries Between Isotropic and Anisotropic
Solids and their Effect on Quantitative Nondestructive Evaluation., Nondestructive
Evaluation: Microstructural Characterization and Reliability Strategies, Conference
Proceedings, The Metallurgical Society of AIME, New York 1981, s. 217-231
Schmid R., Ultrasonic Testing of Austenitic and Dissimilar Metal Welds,
Chapter 4 of the Book: "Ultraschallprüfung von austenitischen Plattierungen,
Mischnähten und austenitischen Schweißnähten" by Eberhard Neumann et al