docbadania grubości ścianki wytłoczyny z tworzywa polimerowego z
download 
Reklamacja Transkrypt
badania grubości ścianki wytłoczyny z tworzywa polimerowego z
Transfer inovácií 22/2012 2012 BADANIA GRUBOŚCI ŚCIANKI WYTŁOCZYNY Z TWORZYWA POLIMEROWEGO Z WYKORZYSTANIEM METODY ULTRADŹWIĘKOWEJ Tomasz Klepka Lublin University of Technology 36, Nadbystrzycka St., Lublin, Poland e-mail: [email protected] Abstract Devices based on ultrasonic defectoscopy allow to evaluate the properties of the products of polymers, even during their manufacturing process in the processing line. For this purpose, most are integrated measurement systems consist of a large number of ultrasonic probes connected in a complex units. This paper presents a method for measuring the wall thickness of the polyethylene extrudate depending on the coupling agents, pipe’s diameter and indicates the possibility to reduced number of the ultrasonic detectors. Key words: ultrasonic testing, wall thickness, extrusion WPROWADZENIE Tradycyjne metody kontroli wyrobów dokonywane za pomocą konwencjonalnych przyrządów pomiarowych są zastępowane nowoczesnymi badaniami wykorzystującymi metody nieniszczące NDT (ang. nondestructive testing). Do badań defektoskopowych zaliczane są najczęściej badania: wizualne, magnetyczne, prądów wirowych, metodą ultradźwiękowa radiologiczną, penetracyjną. Metodami nieniszczącymi można prowadzić badania wykrywanie wad powierzchniowych i wad wewnętrznych, takich jak: pęknięcia, pory, pęcherze lub inne nieciągłości materiału oraz większe wtrącenia. Metoda ultradźwiękowa jest metodą badań objętościowych, wykorzystującą zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal w materiałach o częstotliwościach powyżej 20 kHz. Fale ultradźwiękowe wprowadza się w materiał za pomocą głowic, których głównym elementem jest przetwornik z materiału piezoelektrycznego, wytwarzający krótkotrwałe drgania rezonansowe o częstotliwościach rzędu miliona cykli na sekundę. Pobudzanie przetwornika piezoelektrycznego impulsami elektrycznymi oraz ich odbiór odbywa się za pośrednictwem urządzanie defektoskopowego [1, 2, 3]. W badaniach ultradźwiękowe wyróżnia się głównie dwie metody: echa 90 i przepuszczenia. Metoda echa polega na nadawaniu fal i ich odbiorze po odbiciu od wady lub powierzchni ograniczających dany element. W metodzie przepuszczania zachodzi konieczność korzystanie z dwóch głowic jednej wysyłającej sygnał i drugiej odbierającej. Metoda ta jest zazwyczaj stosowana do badania materiałów o dużym współczynniku tłumienia fal m.in. do tworzyw polimerowych. Fala ultradźwiękowa rozchodzi się w ośrodku nieograniczonym wzdłuż linii prostych jednak, gdy napotyka na swojej drodze przeszkodę w postaci płaszczyny lub wtrącenia następuje jej zakrzywienie- dyfrakcja. Dyfrakcja fali jest tym większa im większa jest jej długość w stosunku do długości przeszkody. Z tego wynika że defekt o małych rozmiarach może zostać przez fale pominięty i pozostać niezauważony. Przepływ fal ultradźwiękowych może być dodatkowo zakłócony przez zjawisko rozpraszania i odbicia dyfuzyjnego następujacego w momencie, gdy fale padają na nierówną, chropowatą granice badanych ośrodków. W takim przypadaku fale odbijają się we wszystkich kierunkach tracąc tym samym swój charakter kierunkowy oraz geometrię wiązki, w wyniku, czego wystepują braki wiązek powrotnych. Aby temu przeciwdziałać i otrzymać wyniki pomiarów z wymaganą dokładnością, elementy głowic ultradźwiękowych mające bezpośredni kontakt z powierzchnią badanego wytworu musza być pokryte odpowiednim środkiem sprzęgającym. BADANIA ULTRADŹWIĘKOWE PODCZAS PROCESU PRZETWÓRSTWA W metodzie badań ultradźwiękowych przy pomiarze grubości ścianki, wykorzystuje się pomiar czasu pomiędzy nadaniem impulsu a powrotem echa. Na echo to składa się suma wszystkich wyemitowanych do ścianki rury impulsów w obszarze pomiaru, a udział poszczególnych impulsów w sygnale generowanym poprzez czujnik jest różny i zależy od ich rozprzestrzeniania się. Aby sygnał nadawał się do dalszego przetworzenia konieczne jest spełnienie warunku, mówiącego o tym, że krzywizna powierzchni rury musi być o wiele mniejsza od długości fali ultradźwiękowej. Minimalny rozmiar możliwej do wykrycia wady w materiale zależy zarówno od powierzchni plamki pomiarowej głowicy ultradźwiękowej oraz od jej częstotliwości [10]. Dzięki temu możliwe jest prowadzenia dokładnych pomiarów grubości ścianki oraz pełna detekcja wad znajdujących się w jej wnetrzu, Transfer inovácií 22/2012 podczas jego wytwarzania w linii technologicznej [4]. Najnowocześniejsze rozwiązania układów pomiarowych wykorzytujace defektoskopię ultradźwiękową to systemy pomiarowe zintegrowane z jednostką sterująca maszyny przetwórczej (rys.1). 2012 Rzutowane na powierzchnię rury plamki pomiarowe z poszczególnych głowic, nakładają się jedna na drugą, umożliwiając wymagane prześwietlenie całego wytworu falami ultradźwiękowymi. Cykl pomiędzy kolejnymi pomiarami jest tak dobrany aby zapewniony był stały pomiar przy prędkości wytłaczania wynoszącej nawet 60 m/min [10]. W takich przypadkach do pomiaru wykorzystuje sie odbite fale ultradźwiękowe, wygenerowane nie tylko przez czujnik, który je wyemitował wcześniej ale również przez czujniki sąsiednie. W efekcie tego uzyskuje się stopniowe aktywowanie coraz to kolejnych czujników, które wytwarzają wirujący wokół całej rury sygnał ultradźwiękowy. Umożliwia to prowadzenie pomiarów rur nawet o bardzo dużej średnicy przy zastosowaniu mniejszej liczby głowic ultradźwiękowych [3]. PRZEBIEG BADAŃ Rys.1 Wygląd układu pomiarowego zintegrowanego z układem sterujacym wytłaczarki[9] Pomiarowe układy zintegrowane mogą być umieszczane w obszarze bezpośrednio za głowicą (rys.2) lub mocowane do korpusu kalibratora (rys.3). Rys.2 Wygląd zamontowanego za głowica wytłaczarską zintegrowanego układu pomiarowego [9] Badania grubość ścianek korpusów oraz rur z tworzyw można przeprowadzać na gotowych wytworach bezpośrednio po procesie przetwórstwa [5, 6]. Jak powszechnie wiadomo grubość ścianki rury jest podstawową wielkością określaną przy projektowaniu wytworów z tworzyw. Zarówno w przypadku wyprasek wtryskowych jak i wytłoczyn odpowiednia grubość elementów konstrukcyjnych decyduje o możliwości uzyskania żądanych właściwości wytrzymałościowych. W przypadku wytłaczanych elementów osiowosymetrycznych pomiar grubości ścianki podczas procesu wytwarzania pozwala na otrzymanie wytworów o żądnych cechach konstrukcyjnych oraz odpowiednim rozkładzie tworzywa przetwarzanego w całym przekroju poprzecznym [7]. W większości przypadków powoduje to potrzebę automatyzacji procesu przetwórstwa tak, aby można było już podczas wytwarzania dokonywać korekt parametrów procesu, w celu spełnienia wymagań odnośnie dokładności kształtu i wymiaru wytworu. Celem badań było przeprowadzenie analizy możliwości prowadzenie pomiarów z wykorzystaniem urządzeń wykorzystujących fale ultradźwiękowe do pomiarów cech konstrukcyjnych zarówno w przypadku gotowego wytworu ale także podczas kształtowania tych elementów w procesie przetwórstwa. METODYKA I WYNIKI BADAŃ Rys.3 Wygląd zintegrowanego układu pomiarowego umocowanego do urządzenia kalibrującego [11] Do badań ultradźwiękowych wytorów z tworzyw polimerowych stosuje się głównie metodę echa a w celu skrócenia „strefy martwej” niekiedy dodatkowo głowice podwójne. Metodę przepuszczania stosuje się gdy materiał wykazuje dużą wartość tłumienia lub w przypadku małej grubość ścianki. W obu metodach stosuje się głowice o częstotliwość działania od 5 do20 MHz. 91 Transfer inovácií 22/2012 2012 W badaniach grubości wykorzystuje się ponado zjawisko czasu przejścia fali ultradźwiękowej (tab.1), który jest proporcjonalny do grubości danego elementu, przy założeniu, że prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w badanym elemencie jest stała. Podczas pomiarów defektoskopowych pomiędzy głowicę pomiarową, a badany wytwór wprowadza się odpowiedni środek sprzęgający [8]. Najczęściej jest to: olej, smar, gliceryna lub woda. Środki sprzęgające umożliwiają równomierne przechodzeni fal ultradźwiękowych pomiędzy głowicą a badanym wytworem. Wraz ze zwiększeniem odległości przebywanej przez falę ultradźwiękową, amplituda ciśnienia w wiązce ultradźwiękowej maleje. Składają się na to zarówno rozbieżność wiązki ultradźwiękowej jak również tłumienie fal w wyniku rozpraszania lub pochłaniania. Tab.1.Przykładowe prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w wybranych materiałów Prędkość rozchodzenia się fal ultradźwiękowych Materiał Fale podłużne Fale poprzeczne m/s m/s 5920 3250 5860- 5890 2790- 3240 Aluminium 6200- 6360 3060- 3150 Guma twarda 2300 bd Polietylen 1940- 2340 930 Polistyren 2340 1150 PVC 2390 1060 Stal wzorcowa Stal stopowa Straty amplitudy ciśnienia fali ultradźwiękowej, wywołane przez tłumienie, wraz z odległością przebytą przez fale, mogą być opisane przez współczynnik tłumienia αt fal z zależność: αt = p (1) l gdzie: Δp – spadek ciśnienia akustycznego na drodze l, spowodowany przez tłumienie fal, l – odległość przebywana przez fale. Współczynnik tłumienia αt fal jest więc wielkością charakterystyczną dla materiału, częstotliwości fal i rodzaju fal ultradźwiękowych. Badania grubości ścianki rur przeprowadzono korzystając z defektoskopu ultradźwiękowego EPOCH 4 wraz z głowicą ultradźwiękową Panametrics V202-RM (rys.4). 92 Rys.4 Wygląd defektoskopu ultradźwiękowego EPOCH 4 na ktrtym prowadzone były badania [10] Badania prowadzono przy dwóch rodzajach środków sprzęgającego żelu silikonowym oraz wody destylowanej. Wytłoczyny wykonywane były z polietylenu dużej gęstości (PE-HD) i miały postać walcowych rur (rys. 5). Pomiarów grubości ścianki dokonywano mierzac rury w czterech punktach pomiarowych co 90 0 wykorzystując defektoskop oraz tradycyjny przyrząd pomiarowy. Rys. 5 Wygląd różnych średnic rur na których wraz z punktami pomiarowymi w których mierzono grubości ścianki W wyniku zastosowania różnych środków sprzęgających przekazywana energia wiązki fali ultradźwiękowej z przetwornika do badanego wytworu była różna. Podczas badań zaobserwowano, że dokładność wyników pomiarów zależy od średnicy rury. Dokładniejsze wyniki pomiaru uzyskano używając żelu jako środka sprzęgającego w porównaniu do wody destylowanej (rys. 6). Żel umożliwiał równomierne przejście fal ultradźwiękowych pomiędzy głowicą a powierzchnią badaną zarówno dla rur walcowych o małej średnicy jak i dla większych wartości średnic. W przypadku wody destylowanej zaobserwowano większe rozbieżności wyników dla mniejszych średnic, jadnak dla większych średnic wartości błędu były na stałym poziomie. Na tej Transfer inovácií 22/2012 2012 podstawie potwierdzono wstępne założenia oraz stwierdzono, że duże znaczenie na dokładność wyników badań ma odpowiednie dopasowanie kształtu roboczego głowicy do kształtów badanego wytworu oraz rodzaj środka sprzęgającego. 0,015 woda, która podczas pomiaru może zastępować środek sprzęgający. Uwzgledniając fakt, że pomiary utradźwiękowe charakteryzują się krótkim czasem reakcji głowicy pomiarowej oraz dużą powtarzalnością wyników, mogą one być stosowane w trakcie trwania procesu przetwórstwa. Szybka rejestracja oraz analiza danych pomiarowych pozwala na efektywną kontrolę procesu, a poprzez to umożliwia bezpośrednią zmianę zmiennych warunków przetwórstwa, co może prowadzić do otrzymywania wytworów o ściśle określonych kształtach i wymiarach. 0,010 LITERATURA wartość błedu pomiaru % 0,030 środek sprzęgający - żel środek sprzęgający - woda 0,025 0,020 0,005 0 25 50 75 100 125 150 175 Średnica rury, mm Rys.6 Wykres wyników badań wartości błędu względnego przy pomiarze grubości ścianki wytworu w zależności od rodzaju zastosowanego środka sprzęgającego Wyniki badań ujawniły także fakt, że pomiar grubości ścianki wytworu z wykorzystaniem czujników ultradźwiękowych może być prowadzony w linii technologicznej wytłaczania rur. W takim przypadku zestaw głowic pomiarowych może być umieszczony za kalibratorem, a środkiem sprzęgającym, po uwzględnieniu wartości błędu powstającego podczas pomiarów, może być woda, stosowana na przykład do ochładzania wytłoczyny. WNIOSKI I PODSUMOWANIE Badania grubości ścianki elementów konstrukcyjnych z tworzyw polimerowych z wykorzystaniem metod ultradźwiękowych są znane i stosowane od kilkunastu lat. Jednak badania prowadzone podczas procesu technologicznego są rozwiązaniem innowacyjnym. W przypadku wytworów z jednostronny dostępem takich jak wytłoczyny osiowo-symetryczne, metody ultradźwiękowe wykazują wiele zadowalających cech. Czas pomiaru i zapis wartości mierzonej w tym przypadku jest stosunkowo mały, co pozwala na ich wykorzystanie do pomiarów podczas procesu w układach on-line. Tworzywa polimerowe charakteryzują się dużą wartością tłumienia fal ultradźwiękowych. Wartość ta jest czasami o jeden lub nawet dwa rzędy większa niż w przypadku stali i rośnie zazwyczaj z kwadratem częstotliwości oraz wartości temperatury. W procesie wytłaczania podczas pomiarów ultradźwiękowych należy więc uwzgledniać ilość i rodzaj składników dodatkowych wprowadzanych do wytłoczyny oraz zmianę wartość temperatury na poszczególnych odcinkch linii. Najbardziej korzystnym obszarem prowadzenia tego typu pomiarów, jest strefa przy kalibratorze. W strefie tej do ochłodzania wytłoczyny stosowana jest 200 [1] Alig I., Lellinger D.: Ultrasonic methods for characterizing polymeric material. Chemical Innovation. 2000, 2, p.12-18. ISSN 15274799 [2] Deputat J.: Nowe techniki badań ultradźwiękowych. Pracownia Ultradźwiękowych Badań Materiałów Instytutu Podstawowych Problemów Techniki Państwowej Akademii Nauk, Warszawa, 2002 [3] Lewińska – Rowicka A.: Badania nieniszczące, podstawy defektoskopii. Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa 2001. ISBN 83-204-1982-4 [4] Pagodinas D., Barasauskas K.: Ultrasonic signal processing methods for detection of defects in composite materials. Nondestructive Testing. 2003, 8 p, 25-38, ISSN 1058-9759 [5] Klepka T.: „Badania cech konstrukcyjnych wytworów z tworzyw polimerowych metodą ultradźwiękową”. Teka KBiEM, Polska Akademia Nauk O/ Lublin, vol. II, Lublin 2008. s. 5662, ISSN 1730-9131. [6] KlepkaT.: „Defektoskopowe metody badań wytworów z tworzyw polimerowych”. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej 2009, nr 263. Chemia z. 20, p. 6872. ISSN 0209-2646 [7] Sikora R.: Podstawy przetwórstwa tworzyw wielkocząsteczkowych. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1992, ISSN 0860 - 8636 [8] Szelążek J.: Tworzywa sztuczne jako ośrodki sprzęgające w ultradźwiękowych badaniach materiałów. VII Seminarium Nieniszczące Badania Materiałów, Zakopane 2003. p. 45-49 [9] http://www.inoex.de/de/aurex [10] http://www.olympusNDT.com [11] http://www.ptonline.com Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2010 – 2013 jako projekt badawczy nr N N 508 486138. 93
