Politechnika Śląska w Gliwicach Ćwiczenie laboratoryjne z

Politechnika Śląska w Gliwicach Ćwiczenie laboratoryjne z

Politechnika Śląska w Gliwicach
Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych
Zakład Podstaw Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Energetycznych
Ćwiczenie laboratoryjne z diagnostyki
Temat ćwiczenia:
Badanie elementów maszyn za pomocą ultradźwięków
Gliwice, 2002
2
1. Cel ćwiczenia
A. Poznanie podstawowych informacji o defektoskopii ultradźwiękowej oraz jej
zastosowaniach w badaniach nieniszczących części maszyn
B. Poznanie sprzętu do badań ultradźwiękowych
C. Przygotowanie sprzętu do badań – skalowanie podstawy czasu
2. Podstawowe informacje o defektoskopii ultradźwiękowej
Prowadzenie badań obiektu metodą ultradźwiękową polega na:
• wprowadzeniu do obiektu fal ultradźwiękowych (fal sprężystych), tj. drgań
mechanicznych o częstotliwościach większych od 20 kHz; konieczne jest
skanowanie powierzchni obiektu,
• detekcji sygnałów, wywołanych przez fale przechodzące przez obiekty.
Sygnały te zawierają informacje o nieciągłościach obiektów. Na podstawie obserwacji
fal przechodzących przez badany materiał lub fal odbitych w materiale możemy wykryć
wady, określić jej położenie, a nawet wymiar wady oraz rodzaj.
Zdolność metody ultradźwiękowej do wykrywania wad w elementach maszyn jest
uznawana za wysoką i w ogromnej większości przypadków wystarczająca. Natomiast
niezadowalające są możliwości wyznaczenia rozmiarów i orientacji wad.
Za rozwojem i coraz szerszym zastosowaniem badań ultradźwiękowych, przemawia
szereg posiadanych zalet:
− nieniszczący charakter badań, dzięki czemu mogą być stosowane do badań
różnych elementów na różnych etapach procesu ich wytwarzania oraz w czasie
ich eksploatacji,
− duża szybkość badania, pozwalająca na natychmiastowe otrzymywanie
wyników badań, co umożliwia kontrolę dużej ilości elementów lub dużych
odcinków,
− duża wszechstronność badań ultradźwiękowych, te same metody i aparatura
mogą być stosowane do badania małych i dużych przedmiotów
wykonywanych z różnych materiałów (beton, guma metale, tworzywa
ceramiczne, a nawet wyroby z drewna),
− łatwość przeprowadzania badań,
− przenośność urządzeń stosowanych w badaniach ultradźwiękowych,
− możliwość przeprowadzania badań przy jednostronnym dostępie do badanego
elementu (metoda echa).
3. Klasyfikacja badań ultradźwiękowych.
Podstawową klasyfikacją badań ultradźwiękowych jest klasyfikacja ze względu na
wykorzystywane własności fal ultradźwiękowych:
− metoda echa,
− metoda cienia zwana metodą przepuszczania,
− metoda rezonansu
− metoda TOFD.
Każda z wymienionych metod może być realizowana sposobem kontaktowym lub
zanurzeniowym. O sposobie kontaktowym mówimy wówczas gdy głowica ultradźwiękowa
oddzielona jest od badanego przedmiotu tylko cienką warstwą substancji sprzęgającej,
3
natomiast w przypadku sposobu zanurzeniowego badany element jest całkowicie zanurzony
w cieczy, poprzez którą drgania ultradźwiękowe są do niego wprowadzane.
Metoda echa
polega na wytworzeniu i wprowadzeniu do badanego materiału impulsów fal
ultradźwiękowych oraz ich odbiorze po odbiciu od wady materiałowej lub powierzchni
ograniczających.
Metoda przepuszczania (cienia)
polega na wprowadzeniu fal ultradźwiękowych z jednej strony badanego materiału i
odbieraniu ich z drugiej strony po przejściu przez ten przedmiot przy równoczesnej
obserwacji natężenia fal przechodzących.
Metoda rezonansu
oparta jest na zjawisku odbicia fal ultradźwiękowych od wady materiałowej lub powierzchni
ograniczających, jednak podczas gdy w metodzie echa odbicie od wady obserwuje się
oddzielnie od obrazu fal wysyłanych, to w metodzie rezonansu ma miejsce nakładanie się na
siebie fal padających i odbitych.
Metoda TOFD (time-of-flight diffraction)
oparta jest na wykorzystaniu dyfrakcyjnego ugięcia i rozpraszania fal ultradźwiękowych.
4
4. Rodzaje wad wykrywanych za pomocą badań ultradźwiękowych
Przez wadę w szerokim tego słowa znaczeniu, rozumieć będziemy wszelkie
odstępstwa od przyjętych parametrów, charakteryzujących stan materiału lub wyrobu.
Wadami będą więc :
− makro niejednorodności, występujące w materiale w postaci różnego rodzaju
pęknięć, pęcherzy, wytrąceń substancji obcych,
− mikro niejednorodności, występujące w materiale w postaci segregacji
pierwiastków, odchyleń od prawidłowej struktury materiału (np. nie właściwa
wielkość ziarna, skład fazowy itp.),
− odchylenia od ustalonych wskaźników własności materiałów (np. własności
wytrzymałościowych, twardości itp.),
− zmiany geometryczne (np. odchylenia wymiarowe, zmiany grubości ścianek
rur narażonych na działanie korozji, niewłaściwa grubość pokryć
galwanicznych itp.).
Wady takie są pochodzenia technologicznego lub też powstają w czasie eksploatacji.
Wadami pochodzenia technologicznego mogą być :
a) wady pierwotne materiału, powstałe po odlaniu lub podczas obróbki plastycznej,
b) wady wtórne, powstałe z istniejących uprzednio wad pierwotnych, nie wykrytych
w materiale przed wykonaniem z niego przedmiotu,
c) wady nowe, wywołane niewłaściwie przeprowadzonym zabiegiem.
Do najbardziej charakterystycznych wad pochodzenia technologicznego w elementach
maszyn należą:
• pęknięcia, wtrącenia i inne nieciągłości objętościowe, pozostałości jamy usadowej
i zawalcowania w prętach,
• pęknięcia, pozostałości jamy usadowej, zawalcowania, rozwarstwienia,
zanieczyszczenia oraz niewłaściwa grubość ścianki rur,
• rzadzizny, jamy skurczowe, pęknięcia i porowatości w odlewach,
• rzadzizny, wtrącenia, duże pęknięcia kuźnicze, pęknięcia cieplne, drobne
pęknięcia (płatkowe) i segregacje w odkuwkach,
• rozwarstwienia, wtrącenia i pęknięcia w blachach
• rysy i wgłębienia powstające podczas ciągnienia lub tłoczenia,
• pęknięcia i zażużlenia spoin, braki przetopu, wycieki, podtopienia lica i grani,
uskoki w złączach spawanych,
• braki przyczepności stopów łożyskowych do panwi łożysk ślizgowych,
• obecność szczelin w połączeniach skurczowych,
• pęknięcia powstałe w czasie obróbki cieplnej i cieplno chemicznej oraz pęknięcia
szlifierskie.
Wady eksploatacyjne to przede wszystkim pęknięcia zmęczeniowe i korozja.
5. Sprzęt do badań ultradźwiękowych
Defektoskopy ultradźwiękowe
Defektoskop ultradźwiękowy jest to aparatura zawierająca układy elektroniczne, których
zadaniem jest wytwarzanie i odbieranie drgań elektrycznych oraz ich uwidacznianie na
5
ekranie lampy oscyloskopowej a także pomiar czasu przejścia lub natężenia fal
ultradźwiękowych w badanym materiale
Głowice ultradźwiękowe
Pod podęciem głowicy ultradźwiękowej rozumiemy urządzenie wysyłające i odbierające fale
ultradźwiękowe oraz dokonujące przetworzenia drgań elektrycznych na mechaniczne i na
odwrót.
Przekrój przez głowicę normalną: W – wtyk, O – obudowa, K – przewód doprowadzający
napięcie, T – tuleja, OP – osłona przetwornika, P – przetwornik piezoelektryczny, M – masa
tłumiąca.
Przekrój przez głowicę skośną
6. Budowa defektoskopu ultradźwiękowego USK-7B
6.1. Opis schematu defektoskopu ultradźwiękowego USK-7B
1 - kontrola stanu baterii (BATT),
2 - regulator opóźnienia (startu podstawy czasu),
3 - dokładny regulator zakresu badania,
4 - przełącznik dB,
5 - regulator podcięcia,
6 - regulator ostrości (FOC),
6
7
8
9
1
1
1
- gniazdko ładowania,
- gniazdko przyłączowe kabla pomiarowego (odbiornik),
- gniazdko przyłączowe kabla pomiarowego (nadajnik),
0 - zgrubny przełącznik zakresu badania,
1 - zgrubny przełącznik dB,
2 - przełącznik Zał./ Wył. N/O (energia impulsu nadawczego),
3
2
4
5
8 6
7
12
9
6.2. Obsługa defektoskopu ultradźwiękowego USK-7B
1) Kontrola stanu baterii (BATT)
2) regulator opóźnienia
Regulator ten (zwany także regulatorem punktu początkowego)
umożliwia przesuwanie ech na ekranie defektoskopu. Nie powoduje to zmiany
odległości między echami. Regulator ten, wraz z regulatorem zakresu (3) jest
konieczny do skalowania zakresów. Przesunięcie maksymalne (patrz dane
techniczne pod pojęciem przesunięcie impulsu.
3) regulator zakresu (3, 10).
Przełącznik obrotowy ustawia się na najbliższy, najniższy zakres badania
(patrząc od strony żądanego zakresu badania). Regulatorem można ustawić
wszystkie wartości pośrednie aż do maks. 10m. W położeniu ’’1,0’’
regulatora (3) ą wyskalowane zakresy 10mm, 50mm, 250mm oraz 1000mm
dla stali tzn. po wybraniu jednego z tych zakresów przełącznikiem (10) do
skalowania należy tylko odpowiednio przesunąć impuls regulatorem (2).
4) przełącznik dB (decybelowy).
Przełącznik skokowy (4) umożliwia zmianę wzmocnienia w skokach po 2 dB
w zakresie 40 dB (np. przy dokładnym pomiarze różnicy amplitud ech).
Przełącznik (11) umożliwia dodanie 20, 50 lub 60 dB. W sumie uzyskuje się
zakres wzmocnienia 0-100 dB (0-40 dB, 20-60 dB, 40-80 dB, 60-100 dB),
który można zmieniać w skokach co 2 dB.
5) regulator podcięcia – regulator ten umożliwia podcięcie wszystkich ech do ok.
40% wysokości ekranu.
a) podcięcie jest wyłączone jeżeli regulator (5) jest przekręcony w lewo do
oporu,
7
b) podcięcie jest najważniejsze jeżeli regulator (5) jest przekręcony w
prawo do oporu.
6) regulator ostrości (FOC) – umożliwia on nastawienie właściwej ostrości
obrazu na ekranie.
7) gniazdo ładowania – do tego gniazda podłącza się ładowacz aby naładować
akumulatory znajdujące się w defektoskopie.
8,9) gniazda przyłączowe kabli pomiarowych – do tych gniazd należy podłączyć
głowice, wykorzystując do celu odpowiednie kable pomiarowe.
10) przełącznik Zał./ Wył. N/O (energia impulsu nadawczego).
a) przełącznik w położeniu (OFF): defektoskop jest wyłączony,
b) przełącznik w położeniu 1
:defektoskop jest załączony i pracuje z
rozdzielczością i średnią energią impulsu nadawczego (średnia moc
nadajnika),
c) przełącznik w położeniu 2 defektoskop jest załączony i pracuje z dużą
energią impulsu nadawczego (duża moc nadajnika oraz z obniżoną
rozdzielczością, praca taka jest zalecana tylko wtedy, gdy rezerwa
wzmocnienia w położeniu 1 przełącznika jest niewystarczająca.
d) Przełącznik w położeniu
:defektoskop jest przygotowany do
pracy z głowicą dwudzielną (zważać na punkt 10,11) albo z dwoma
głowicami jednoprzetwornikowymi, z których jedna jest nadawczą, a
druga odbiorcza (metoda przepuszczania).
7. Przygotowanie sprzętu do badań ultradźwiękowych
7.1. Wzorce i wady wzorcowe
Wzorce umożliwiają kontrolę i ustawienie parametrów aparatury na żądanym poziomie,
dzięki czemu uzyskuje się powtarzalność wyników nadań dokonywanych w różnych
ośrodkach i przy pomocy odmiennej aparatury. Możliwa staje się również dzięki temu
odtwarzalność badań.
Wzorce stanowią próbki o określonym kształcie. Mogą one zawierać wady
sztuczne wykonane w postaci otworów z płaskim dnem, otwory cylindryczne lub nacięcia o
różnym kształcie. Wzorce w zasadzie można podzielić na dwie grupy.
Pierwszą grupę stanowią wzorce do kontroli parametrów aparatury jak wzmocnienie,
skalowanie podstawy czasu dla fal poprzecznych oraz do sprawdzenia czy raz ustawione
parametry nie uległy w czasie badania zmianie. Dodatkowo, za pomocą takich wzorców,
można kontrolować kąt załamania głowic skośnych, środek głowicy skośnej, energia układu
aparat – głowica. Umożliwiają one również wyznaczenie charakterystyk pola
ultradźwiękowego. Istnieje szereg różnych wzorców w poszczególnych krajach. W Polsce
obowiązują:
− wzorzec W1 zgodnie z normą PN-75/M-70051 ,,Badania nieniszczące
metodami ultradźwiękowymi. Wzorzec kontrolny W1’’
− wzorzec W2 zgodnie z normą PN-75/M-70054 ,,Badania nieniszczące
metodami ultradźwiękowymi. Wzorzec kontrolny W2’’.
Wzorce te pozwalają na przeprowadzenie skalowanie podstawy czasu aparatu
ultradźwiękowego, wyznaczania środka głowicy skośnej, wyznaczania kąta załamania
głowicy skośnej, kontrolę maksymalnej energii układu aparat-głowica normalna, badanie
rozdzielczości głowic normalnych, nastawianie czułości głowic skośnych, przybliżoną
kontrolę strefy martwej.
8
Do drugiej grupy zaliczyć można wzorce specjalne lub porównawcze.
Wykonuje się je przede wszystkim wtedy, gdy badaniom podlegają większe partie elementów
o określonych własnościach. W takim przypadku wzorce wykonuje się, w miarę możliwości,
z tego samego materiału i o tym samym kształcie co badany element. Do tej grupy możemy
zaliczyć wzorce mikrosekundowe (PN-75/M-70056) do pomiaru czasu przejścia fal
ultradźwiękowych.
Są one wykonane w postaci walców o średnicy 30-40 mm i długości zależnej od
wymaganego czasu przejścia fal ultradźwiękowych. Wzorce mogą być wykonane z
dowolnego materiału, najdogodniejszy jest jednak materiał słabo tłumiący fale
ultradźwiękowe. Wzorce mikrosekundowe mają nacięcia na bocznej powierzchni walcowej
aby uniknąć transformacji fal przy ślizgowym padaniu fali podłużnej na boczne powierzchnie.
Wzorce mikrosekundowe znajdują zastosowanie przy pomiarach prędkości fal
podłużnych, przy skalowaniu podstawy czasu dla wyznaczania wytrzymałości żeliwa szarego
oraz zmian prędkości fal ultradźwiękowych spowodowanych przez różne czynniki
zewnętrzne (temperatura, obciążenie itp.) i strukturalne.
7.2. Skalowanie podstawy czasu dla fal podłużnych
Skalowanie podstawy czasu sprowadza się do ustalenia dwóch (lub większej ilości) ech,
pochodzących od reflektorów znajdujących się w znanej odległości, we właściwym położeniu
na ekranie lampy oscyloskopowej.
7.2.1. Skalowanie podstawy czasu dla fal podłużnych z zastosowaniem wzorca
W1
Skalowanie podstawy czasu dla zakresu 200mm
Dla zakresu podstawy czasu do 250 mm głowicę ustawiamy w położeniu jak na rysunku.
Na ekranie obserwujemy impulsy odbite co 25 mm. Jeżeli podstawa czasu na ekranie lampy
oscyloskopowej ma 10 działek, a zakres jej ma wynosić 20 mm, to na ekranie zaobserwujemy
8 kolejnych odbić, przy czym obraz należy tak, by 1,2,3,... odbicie przypadło dokładnie na
1,25; 2,5; 3,75; 5; ... 10 działce. Tak przeprowadzony sposób skalowania podstawy czasu
pozwala na uwzględnienie tych odchyłek z wystarczającą dla praktyki dokładnością.
Dla zakresu 500 mm i więcej głowicę należy ustawić w położeniu jak na rysunku
poniżej.
9
Skalowanie podstawy czasu dla zakresu 500 mm
Przy zasięgu 500 mm kolejne echa powierzchni odległej o 100 mm powinny przypadać
na 2,4,6,8 i 10 działce, ze względu na transformację powstającą przy niemal równoległym
podaniu fali na boczne ścianki wzorca powstają po pierwszym odbiciu w odległości 100 mm
dodatkowe echa, które utrudniają przeprowadzenie skalowania dla zakresów większych niż
1000 mm. Niedogodność powyższą można usunąć przez odpowiednią obróbkę powierzchni
bocznych wzorca.
7.2.2. Przykład skalowania defektoskopu
Procedurę skalowania przedstawiono poniżej ilustrując za pomocą przykładu:
a. ustalić zakres obserwacji ZO,
ZO = 250 mm
b. obliczyć podziałkę podstawy czasu ppc
ppc = ZO : 10 działek = 25 mm/dz,
c. wybrać grubość, spełniającą warunek
g0 ≤ ZO
przyjmujemy g0 = 100 mm,
d. wybrać dwa echa m i n grubości g0 widoczne na ekranie przy wybranym zakresie
obserwacji
nr echa, i
1
2
3
200 300
grubość, i ∗ g0, 100
m=1
n=2
e. obliczyć położenie na ekranie lampy oscyloskopowej lm’ i ln’ ech grubości m∗g0 i
n∗g0 ze wzoru:
li’ = (ig0 – opc) : ppc
l1’ = l100 = 100 mm : 2 5mm/dz = 4dz
l2’ = l200 = 200 mm : 25 mm/dz = 8dz,
opc = 0
10
gdzie:
opc – oznacza opóźnienie startu podstawy czasu lampy oscyloskopowej.
Początek impulsu nadawanego, nie musi się pokrywać z początkiem skali na ekranie.
Przyczyną tego może być opóźnienie impulsu elektrycznego w stosunku do momentu
nadania sygnału mechanicznego lub warstwa ochronna na przetworniku [2].
f.
ustawić echa m i n w położeniach lm.’ i ln’ obliczonych w punkcie e.
Ustalenie echa m i n na ekranie oscyloskopu.
7.3. Skalowanie podstawy czasu dla fal poprzecznych z zastosowaniem wzorca
W1
Głowicę fal podłużnych ustawia się w położeniu A jak na rysunku. Czas przejścia fali
podłużnej przez odcinek 91 mm w stali czasowi przejścia fali poprzecznej przez odcinek 50
mm, ponieważ stosunek 50/91 odpowiada dokładnie stosunkowi prędkości fali poprzecznej do
prędkości fali podłużnej. Z kolei przykładamy głowicę fal poprzecznych w położenie B. Echo
powierzchni zakrzywionej o promieniu 100 mm będzie przesunięte w stosunku do drugiego
echa uzyskanego na długości 91 mm w prawo ze względu na to, że fala ultradźwiękowa
przechodzi dodatkowo przez osłonę z polimetakrylanu metylu. Należy więc przesunąć całą
podstawę czasu w lewo tak, by oba echa pokryły się.
Np. w przypadku skalowania podstawy czasu dla zakresu 250 mm głowicę fal podłużnych
umieszczamy w położeniu A na wzorcu. Pięć kolejnych odbić ustawiamy tak, by pokrywały
się z 2, 4, 6, 8 i 10 działką skali podstawy czasu. W ten sposób zakres podstawy czasu,
mającej 10 działek odpowiada dokładnie 250 mm (1działka = 25mm) dla fal poprzecznych w
stali. Głowicę fal poprzecznych ustawiamy w położeniu B na wzorcu.
Echo powierzchni walcowej o promieniu 100 mm doprowadzamy do pokrycia się z
czwartą działką skali podstawy czasu. W tym celu przesuwamy poziomo podstawę czasu o
odpowiedni odcinek w lewo. Przy tak wywzorcowanej podstawie czasu początek skali na
ekranie odpowiada dokładnie momentowi wejścia fal poprzecznych do badanego materiału.
11
Skalowanie podstawy czasu dla fal poprzecznych: a) położenie głowicy na wzorcu, b) kolejne
odbicia z odległości 91mm równoważnej grubości 50mm przebywanej przez fale poprzeczne,
c) przesunięcie echa powierzchni walcowej o promieniu 100mm do pokrycia się ze
znacznikiem 100mm dla fali poprzecznej.