Jacek SZELĄŻEK

Jacek SZELĄŻEK
IPPT PAN Warszawa
BEZKONTAKTOWE BADANIA ULTRADŹWIĘKOWE
1. WSTĘP
W celu zbadania całej objętości elementu w badaniach prowadzonych klasycznymi
głowicami ultradźwiękowymi konieczne jest przesuwanie głowicy po powierzchni badanego
elementu (skanowanie). Skanowanie jest szczególnie kłopotliwe i trudne do
zmechanizowania w przypadku badania elementów o skomplikowanych kształtach czy
elementów chropowatych. Konieczność kontaktu klasycznej głowicy piezoelektrycznej z
powierzchnią komplikuje też badania elementów gorących oraz prowadzenie badań z
wysokimi prędkościami skanowania. Dlatego poszukiwano rozwiązań umożliwiających
prowadzenie badań bez kontaktu głowicy z powierzchnią i bez potrzeby stosowania
cieczowego sprzężenia kaustycznego. Poszukiwania te doprowadziły do rozwoju, i
praktycznych zastosowań, różnych technik badawczych. Dla elementów wykonanych z
materiałów o niskich opornościach falowych (takich jak na przykład laminaty) zastosowanie
znalazły głowice wykorzystujące powietrze jako ośrodek sprzęgający. W badaniach metali
zastosowania znalazły laserowe techniki wzbudzania i odbioru fal.
W pracy opisano przykłady zastosowań takich nowych, bezkontaktowych badań
ultradźwiękowych.
2. WYKORZYSTANIE POWIETRZA JAKO MEDIUM SPRZĘGAJĄCEGO
Czynnikiem ograniczającym ilość energii fal przenikających z głowicy piezoelektrycznej
do metalu przez powietrze jest bardzo niska oporność akustyczna powietrza i wysokie
oporności metali oraz przetworników piezoelektrycznych. Innym czynnikiem, szczególnie
w przypadku znacznej odległości między głowicą a elementem jest silne tłumienie fal o
megahercowych częstotliwościach w powietrzu.
Wiadomo, że ze wzrostem ciśnienia rośnie gęstość i prędkość propagacji fal w powietrzu
a więc oporność akustyczna powietrza. Podjęto więc próby badań ultradźwiękowych
gazociągów z wykorzystaniem sprężonego gazu jako ośrodka sprzęgającego[l]. Nie
przyniosły one jednak spodziewanych rezultatów.
W badaniach prowadzonych przez powietrze stosuje się specjalne głowice
ultradźwiękowe. Przykład budowy takiej głowicy pokazuje rysunek 1.
Głowica do badania w powietrzu posiada zazwyczaj niewytłumiony przetwornik skupiający
z nałożoną na nim warstwą, lub układem kilku warstw, o niskiej oporności falowej,
dopasowującej akustycznie przetwornik do powietrza. Brak wytłumienia pozwala
przetwornikowi pobudzanemu długim, wypełnionym impulsem „rozedrgać" się i
wytworzyć w powietrzu falę o wysokiej amplitudzie, ale równocześnie długi czas trwania
impulsu i niska częstotliwość obniżają rozdzielczość badania.
Rys. l. budowa ogniskującej głowicy piezoelektrycznej do badania przez powietrze.
Pomimo znaczących postępów w budowie takich głowic należy pamiętać, że porównując
ich czułość, a więc i możliwość wykrywania wad, są one o około 30 dB mniej czułe od
tradycyjnych głowic pracujących kontaktowo.
2.1. PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ BADANIA PRZEZ POWIETRZE.
Przykładem badania ultradźwiękowego „przez powietrze" jest wykrywanie wad (braków
przyklejenia) w elementach o strukturze plastra miodu [2]. W badaniu zastosowano głowice
skupiające o częstotliwości 100 kHz ustawione tak, że ognisko wiązki znajduje się na
powierzchni laminatu. Schemat badania pokazuje rysunek 2. Możliwe są dwa sposoby
badania. Metodą przepuszczania, gdy fala podłużna przechodzi przez warstwy zewnętrzne
i rdzeń struktury, wykrywane są wady elementu w całej jego objętości. Przy skośnym
ustawieniu głowic, po jednej stronie elementu, możliwe jest wzbudzenie i odbiór fali
płytowej w jednej z okładzin struktury i wykrywanie w ten sposób wad w warstwie. Głowice
działają w tym układzie jak standardowe głowice skośne.
Rys. 2. Schemat badania plastra miodu głowicami ogniskującymi, ze sprzężeniem
powietrznym.
W badaniach ultradźwiękowych nie zawsze konieczne jest, aby fala wnikała do badanego
materiału. W pracy [3] opisano metodę wykrywania wad powierzchniowych (otwartych
pęknięć, wad takich jak „wyłuszczenia" itp.) szyn kolejowych głowicami nadającymi i
odbierającymi fale przez powietrze, z wykorzystaniem efektu Dopplera. Schemat badania
pokazano na rysunku 3. Układ głowic, zamocowany pod wagonem jadącym z szybkością
kilkudziesięciu kilometrów na godzinę, składa się z głowic nadawczej i odbiorczej
ustawionych w małej odległości od powierzchni szyny kolejowej. Ciągła fala
ultradźwiękowa o częstotliwości 100 kHz praktycznie nie wnika do materiału szyny a
jedynie się od niej odbija.
Rys. 3. Schemat wykrywania powierzchniowych wad szyn kolejowych z
wykorzystaniem efektu Dopplera.
Wykrywanie wad szyn polega na ciągłym monitorowaniu widma częstotliwościowego
sygnału odbieranego przez głowicę odbiorczą. Widmo to w pomijalny sposób zależne
jest od prędkości poruszania się układu pomiarowego względem powietrza i wyraźnie
zmienia się, gdy przez obszar odbicia przesuwa się wada powierzchniowa. Wada taka,
zaburzające odbicie fal, działa jak szybko przesuwający się (z szybkością jazdy
wagonu) reflektor. Zmiana widma fali odbieranej, rejestrowana w okresie, w jakim wada
przemieszcza się przez obszar odbicia fal, jest sygnałem występowania wady.
Badania układu przeprowadzono na wadach sztucznych w postaci rowków przesuwających
się względem układu z prędkością około 100 km/godz. Na rysunku 4 pokazano widma fal
dla powierzchni bez wady i z wadą sztuczną (rowek o głębokości i szerokości 3,2 mm).
Dzięki bardzo wąskiej szerokości widma fali ciągłej, dodatkowe maksimum w widmie,
będące wskazaniem wady, jest łatwe do wykrycia. Odstęp miedzy maksimum widma fali
ciągłej 100 kHz i maksimum wskazującym na obecność wady jest zależna od prędkości
poruszania się układu. Dzięki temu położenie bramki sygnalizującej obecność wady można
precyzyjnie dobierać do prędkości badania. Opisany układ pomiarowy działa jedynie
wówczas, gdy porusza się wzdłuż szyny. Można powiedzieć, że działa on tym lepiej im
prędzej porusza
wagon pomiarowy się po torze. Tym samym zupełnie różni się od klasycznych metod
ultradźwiękowej kontroli szyn, w których przy wysokich prędkościach jazdy wagonu,
zapewnienie stałego sprzężenia akustycznego stanowi problem. Co ciekawe, układ w
całości zbudowany został z dostępnych na rynku elementów (dwie głowice Panametrics,
generator, oscyloskop cyfrowy, komputer).
Rys. 4. Widma fal dla powierzchni bez wad i z wadą sztuczną w postaci rowka o
głębokości i szerokości 3,2 mm.
3. WYKORZYSTANIE LASERA DO NADAWANIA I ODBIORU FAL
Nowym i bardzo atrakcyjnym sposobem badania ultradźwiękowego jest wykorzystanie
lasera do generacj i fal i układów optycznych do ich odbioru. Prace nad zasto
sowaniami ultradźwiękowej defektoskopii laserowej trwają od początku lat 80-tych.
Generacja fal polega na krótkotrwałym ogrzaniu fragmentu powierzchni badanego
elementu wiązką laserową.
Źródłem fal ultradźwiękowych jest szybko następujące termiczne rozszerzenie się
fragmentu materiału poddanego działaniu wiązki lasera.
W zależności od mocy impulsu lasera istnieją dwa mechanizmy generacji fal: termo
sprężysty i ablacyjny. Pierwszy, obserwowany przy niższych mocach impulsów
laserowych, wykorzystuje zjawisko termicznej rozszerzalności nagrzanego fragmentu
badanego materiału.
W drugim sposobie, moc impulsu jest na tyle wysoka, że następuje zjawisko ablacji czyli
odparowania lub oderwania się cząstek materiału z nagrzanego obszaru.
W wyniku zjawiska termo sprężystego powstające naprężenia termiczne działają głównie
równolegle do powierzchni i są źródłem głównie fal powierzchniowych rozchodzących się
we wszystkich kierunkach, od punktu działania wiązki laserowej. Zjawisko ablacji jest
natomiast źródłem ściskających naprężeń normalnych do powierzchni materiału.
Naprężenia te są źródłem impulsu kulistej fali podłużnej.
Fale generowane światłem lasera odbierane mogą być klasycznymi głowicami, głowicami
typu EMAT lub bezkontaktowo, z odległości, metodami interferometrycznymi.
Zasadę wytwarzania i odbioru impulsów fal ultradźwiękowych impulsami lasera
przedstawia rysunek 5.
Współczesne lasery pozwalają na generację bardzo krótkich impulsów, o czasie trwania
pojedynczych pikosekund. Działanie krótkiego impulsu laserowego na powierzchnię
prowadzi do generacji impulsu fal o szerokim widmie częstotliwości, sięgającym do 100
MHz. Rodzaj lasera (moc, długość fali) dobierana jest w zależności od optycznych
własności powierzchni elementu czyjego pokrycia.
Rys. 5. Schemat działania laserowego nadajnika i odbiornika fal
ultradźwiękowych.
3.1. ZASTOSOWANIA LASEROWEJ TECHNIKI UT RADŹ WIĘKOWE J
Pierwszy przykład wykorzystania ultradźwięków laserowych to pracująca w hucie instalacja
do pomiaru grubości ścianki rury bez szwu [4]. Badana rura ma temperaturę około 1200°C
a badanie grubości na tym etapie produkcji jest potrzebne do sterowania dalszym
procesem produkcyjnym. Do generacji fal wykorzystano impuls laserowy o czasie trwania
poniżej 10 ns i zjawisko ablacji (laser KrF, fala o długości 248 nm). Uszkodzeniu ulega
bardzo cienka, liczona w nanometrach, warstwa materiału, co nie wpływa na jakość rury.
Obszar nagrzewany promieniem lasera to elipsa o wymiarach 3*9,5 mm.
Układ nadawczy, znajdujący się blisko gorącej rury, umieszczony jest w szczelnym
pojemniku. Odległość między laserem nadawczym a powierzchnią rury wynosi 60 cm. Do
detekcji fali podłużnej odbitej od wewnętrznej ścianki rury wykorzystano interferometr z
laserem pracującym ciągle i efekt Dopplera. Zmiany położenia ścianki rury wywołane
docierającym do niej impulsem fal wywołują nieznaczne zmiany częstotliwości odbitego od
ścianki rury światła. Z tych zmian obliczany jest czas przejścia fali przez ściankę i jej
grubość. Cały układ odbiorczy połączony jest z układem optycznym światłowodami. Układ
nadawczy pracuje z częstotliwością powtarzania 50 Hz. Schemat budowy układu pokazuje
rysunek 6. Opisany układ wykonał już badania wielu tysięcy rur o średnicach od około 35
do 170 mm i grubościach ścianki od 5 do 25 mm. Zgodność wyników z rezultatami badań
prowadzonych klasycznym, ręcznym grubościomierzem, prowadzonych po ostygnięciu rury,
jest doskonała. Wyniki te potwierdzają również podawaną przez autorów układu laserowego
dokładność pomiaru grubości wynoszącą 0,1 mm.
Rys. 6. Schemat układu do pomiaru grubości ścianki rury bez szwu, z
wykorzystaniem
laserowego wzbudzania fal ultradźwiękowych.
Rysunek 7 pokazuje przemieszczenia zewnętrznej powierzchni rury będą wynikiem
rozchodzącej się między jej ściankami fali podłużnej. Widocznych jest pięć kolejnych ech dna.
Podobny układ laserowy opisany jest w [5].
Rys. 7. Ciąg kolejnych ech dna obserwowanych w ściance rury o temperaturze 1200
C
laserowych układem ultradźwiękowym.
Należy zaznaczyć, że lasery stosowane do generacji fal są niebezpieczne dla
człowieka. Dlatego instalacja laserowa musi być odpowiednio chroniona przed
nieupoważnionym dostępem.
Drugi przykład zastosowania techniki laserowej pokazuje wykorzystanie
powierzchniowych wzbudzanych dzięki zjawisku termo sprężystemu [4]. Układ służy do
fal
6
wykrywania podłużnych pęknięć na powierzchniach stalowych prętów o średnicy 25 mm.
Budowę układu pokazuje rysunek 8. Składa się on z lasera wraz z układem soczewek
skupiających wiązkę na powierzchni pręta, interferometru i układów elektronicznych
sterujących laserami, zbierających i analizujących wyniki.
Rys. 8. Układ laserowy do wykrywania falami powierzchniowymi pęknięć w stalowych
prętach.
Laser nadawczy wzbudza fale powierzchniowe rozchodzące się we wszystkich kierunkach
od miejsca „naświetlenia". Fale rozchodzące się w kierunku obwodowym obiegają pręt
wielokrotnie i są wykrywane przez układ interferometryczny ustawiony pod kątem 90°
względem lasera nadawczego. Odebrane sygnały są wielokrotnie sumowane i uśredniane
w celu poprawy stosunku sygnału do szumu.
Krótki impuls laserowy wzbudza impulsy fal o szerokim spektrum częstotliwości. Oznacza
to, że wokół pręta propagują się fale powierzchniowe o różnych długościach, czyli o różnej
głębokości wnikania w materiał pręta. Jeśli na powierzchni pręta znajduje się podłużne
pęknięcie o określonej głębokości, to fale o małych długościach, porównywalnych z
głębokością pęknięcia i krótsze, ulegną odbiciu od tego pęknięcia. Fale długie, o niskich
częstotliwościach, penetrujące materiał znacznie głębiej niż głębokość pęknięcia,
praktycznie takiej wady nie zauważą. Dzięki temu, analizując widma impulsów w zakresie
od 0,5 do 6 MHz możliwe okazało się nie tylko wykrywanie podłużnych pęknięć, ale i
ocena ich głębokości. Badania wykazały, że możliwa jest ocena głębokości wad w
zakresie od 0,2 do l mm.
Rysunek 9 przedstawia schematycznie wyniki badania pręta bez wad i pręta z wadą
sztuczną o głębokości 0,25 mm. Pokazuje on widma impulsów odbieranych przez układ
odbiorczy dla pręta bez wad i pręta z wadą. W przypadku pręta z wadą, amplituda
składowych o częstotliwościach wyższych niż 2 MHz jest wyraźnie mniej sza.
Innym sposobem wykorzystania lasera w badaniach ultradźwiękowych jest nadawanie nim
fal i zastosowanie i klasycznej (lub typu EMAT) głowicy do odbioru fal. W literaturze system
Rys. 9. Porównanie widma dla pręta bez wad i z wadą sztuczną..
taki nazywa się SLS (laser scannig source). Badania to polega na skanowaniu powierzchni
wiązką laserową i badaniu amplitudy i widma fal odbieranych klasyczną ultradźwiękową
głowicą odbiorczą, sprzęgniętą na stałe z badanym elementem. W tej technice bardzo
precyzyjne skanowanie wykonuje jedynie wiązka laserowa spełniająca rolę głowicy
nadawczej. Obecność ewentualnych wad leżących między źródłem generacji fal a głowicą
odbiorczą sygnalizowana jest poprzez spadek amplitudy odbieranych impulsów. Dzięki
skanowaniu powierzchni laserem wady mogą być lokalizowane. W pracy [6] opisano
wykrywanie tą techniką pęknięć w tytanowych dyskach turbin. Pęknięcia wykrywano i
lokalizowano obserwując amplitudę impulsu i jej charakterystyczne zmiany spowodowane
„zasłanianiem" głowicy odbiorczej przez wadę.
4. LITERATURA
[ l ]. niepublikowane prace prowadzone w NIST Boulder, Colorado.
[2]. H.Walaszek, D.Clorennec, D.Royer, Non contactingultrasonics: areview of new
approach lead in CETIM, Proc. 151'1 WCNDT, Roma 2000,
www.ndt.net/article/wcndtOO/papers/idn786
[3]. Whoo S., Clay A., High-speed monitoring of surface defects in raił track using
ultrasonic Doppler effect, Rev. of Progress in Quantitative Nondestrucitve Evaluation,
eds., D.O.Thompson and D.E.Chimenti, Vol.l7, Plenum Press, New York, N. Y., 1998,
1681-1688.
[4]. Monchalin J.P. I współautorzy, Laser ultrasonics: from the laboratory to the shop
floor,
www.ultraoptec.com/press
[5]. G.J. Deppe, F. Huels, M. Sauerland, H.Schneider. Lase-UltraschallWanddickmessungen an heiBen Rohren in einem Walzwerk, Paper presented at
DGZfP-Conference, Berlin, Germany 2001,
www.ndt.net/article/vO/v03/deppe
[6]. A. Kromine, P.A. Fomitshow, S. Krishnaswamy, J.D. Achenbach,, Scanning
Laser Source Techniąue and Its Applications to Turbinę Disk Insoection, Proc.
25 Annual Rev, od Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, eds.,
D.O.Thompson, D.E.Chimenti, Plenum Publishers, New York, Vol. 18A,
1999,381-386.