Ultrazvočna preiskava in merjenje debelin

Pri ultrazvočni kontroli uporabljamo zvočno valovanje (longitudinalno, transverzalno ...) s frekvencami med 0.5 MHz in 25 MHz, ki se širi iz ultrazvočne sonde skozi preizkušanec in se odbija na mejnih površinah, kot so površine preizkušanca ali nepravilnosti v njem.

A) Ultrazvočni preizkusni sistem

B) Katodna cev osciloskopa

Odbite zvočne valove sonda sprejema in pretvarja v električne impulze, ki se prikažejo na ekranu instrumenta kot amplitude (A »skan«) ali v drugačnih oblikah (B in C »skan«).

Slika: Prikaz indikacije v A, B in C »skanu«

Da bi se dosegel optimalen način odkrivanja nepravilnosti v preizkušancu, so v uporabi različne osnovne tehnike:

RESONANČNA TEHNIKA
TEHNIKA PREZVOČENJA
IMPULZNA EHO-TEHNIKA

Pri tem moramo dobro razumeti, kaj se v materialu z ultrazvočnim valovanjem dogaja (B) in kateri del tega valovanja lahko pri tem uporabimo (A):

A) Oblika zvočnega polja v materialu B) Širjenje valovanja v kristalni rešetki

Ker je odkrivanje nepravilnosti (reflektorjev) v materialu pogojeno z njihovo orientacijo oz. pravokotnostjo na smer zvoka, jih pogosto brez uporabe kotnih sond ni mogoče detektirati. Pri delu z njimi pa moramo upoštevati lomne zakonitosti zvoka, ki ga določa Snellov zakon.

Snellov zakon

Vse to je potrebno, da lahko med izvedbo kontroliramo fizikalne lastnosti ultrazvočnega valovanja v materialu preizkušanca, ki direktno vplivajo na učinkovitost UT sistema:

  • penetracija zvoka (globina/prodornost ultrazvoka),
  • dušenje zvoka (angl.: Attenuation – pojemanje zvoka),
  • občutljivost,
  • ločljivost.

Oprema/tehnike UT preiskave (EN 12668-1 do 3)

  • ultrazvočni instrumenti (prenosni, stacionarni – preskusne  linije),
  • ultrazvočne sonde (normalne, kotne, dvojne, fokusirane …),
  • kontrolni in referenčni bloki,
  • kontaktno sredstvo.
Prenosni UT - instrumenti: 1) Analogni 2) Digitalni

Ultrazvočne sonde so prilagojene potrebam in namenu uporabe. UT – sonde za različno uporabo prikazuje slika spodaj.

image041

Široka uporaba UT kontrole pa je pripeljala do razvoje velikega števila različnih variant posameznih tehnik in ultrazvočne opreme (UT-aparatov in sond):

  • uporaba SE in fokusiranih sond
  • Imerzijska tehnika (že uveljavljena)
  • TOFD (za natančno dimenzioniranje razpok
  • Phased Array (istočasna uporaba več kotov zvoka)

image043

TOFD – Time Of Flight Difraction - tehnika

image045

Phased Array sonda z digitalnim prikazom

Kalibracija/kontrola UT sistema(EN ISO 16811, EN ISO 2400)

Standardi določajo, da mora biti UT-aparat (sistem) pred začetkom dela umerjen (kalibriran), med samim delom pa preverjen v določenih časovnih intervalih. Za kalibracijo časovne baze in občutljivosti se uporabljajo različni kalibracijski bloki:

  • sam preizkušanec,
  • referenčni kalibracijski bloki (material s podobnimi lastnostmi),
  • kontrolni bloki (K1, K2 …).

image047

image049

K2 blok (nerjavno jeklo)

Cilindrični kalibracijski bloki za DAC

image051

Referenčni-kalibracijski blok za cevi

Zelo stroge zahteve so postavljene za UT-aparate in sisteme, ki morajo imeti potrdilo o obdobni kalibraciji (enkrat letno) in nalepko o njeni časovni veljavnosti.

image054

Slika desno: UT-kalibracijski bloki v laboratoriju Q Techne

Občutljivost in meje detekcije

Glavni namen ultrazvočne preiskave je odkrivanje volumetričnih in ploskovnih napak v notranjosti ali na površini materiala, kjer na osnovi višine amplitude ter oddaljenosti lahko določimo približno velikost nepravilnosti ali njeno obliko.

S pomočjo ultrazvoka lahko v kovinskih materialih odkrivamo nepravilnosti manjše od milimetra. Občutljivost je odvisna od globine in orientacije reflektorja, vrste materiala, uporabljene frekvence in vrste valovanja (longitudinalno, transverzalno). Načeloma je meja detekcije nižja za aluminij in feritno jeklo, kot je za avstenitno jeklo, sivo litino, baker in njegove zlitine.

image055

Ekran notesnika s programom za analizo UT podatkov

Z uvajanjem avtomatizacije pri izvedbi in programske opreme za zbiranje in analizo UT-podatkov so se močno izboljšale tudi meje zmogljivosti te metode.

Vse več UT-instrumentov je mogoče povezati z notesnikom in ustreznim programom za analizo, ki dajejo tudi možnost shranjevanja podatkov - in ne le odkritih indikacij - in kasnejšo ponovitev meritev. Vendar pa je ravno zato nujno zelo dobro razumevanje medsebojnega vpliva osnovnih fizikalnih lastnosti materialov in vplivnih faktorjev sodobnih UT-sistemov:

  • digitalizacija signalov in podatkov (digitalni UT aparati so dokončno prevzeli primat),
  • vzajemni vpliv fizikalnih lastnosti in sistemskih parametrov.

Prednosti in omejitve

Prednosti:

  • visoka občutljivost,
  • načeloma velika globina penetracije v material,
  • visoka natančnost določanja pozicije, velikosti, oblike, orientacije in tipa nepravilnosti,
  • potrebna dostopnost samo s ene površine preizkušanca,
  • možnost odkrivanja površinskih in pod-površinskih nepravilnosti,
  • možnost zapisov podatkov na medij.

Omejitve:

  • posredna metoda,
  • interpretacija signalov zahtevna  (pojav lažnih - geometrijskih indikacij),
  • učinkovitost je odvisna od usposobljenosti kontrolorja,
  • neuporabno za nehomogene materiale, grobih površin in nepravilne oblike ter za debeline do 6 mm (razen za nekonvencionalne tehnike).

Primer: Merjenje globine razpoke s konvencionalno tehniko:

UT - Ultrazvočna kontrola poleg RT omogoča odkrivanje in dimenzioniranje napak v notranjosti ulitkov, odkovkov in zvarnih spojev različnih materialov. Poleg tega pa različne UT - tehnike omogočajo zelo natančno določitev lokacije in globine odkritih reflektorjev. Iz tega stališča ima UT-kontrola celo prednost pred RT-metodo.

image058 image060

Slika A

Slika B

Merjenje globine razpoke: Slika A kaže optimiziran eho VRHA razpoke, ki sega cca 20% v globino zavarjene spojnice, svoj začetek pa ima v neposredni bližini zone taljenja zvarnega spoja (na površini), kar kaže Slika B.

UT - Standardi

SPLOŠNI: SIST EN ISO 16810 (splošna načela)
SIST EN ISO 16811 (občutljivost in območje nastavitve)
SIST EN ISO 16823 (prehodna metoda)
SIST EN ISO 16828 (metoda zvočne poti za odkrivanje in ocenjevanje velikosti nezveznosti-TOFD)
SIST EN 12668-1(aparati)
SIST EN 12668-2(preskuševalne glave)
SIST EN 12668-3 (sestavljeni sistemi)
SIST EN ISO 18563-1 (naprave_phased array)
SIST EN ISO 18563-2 (sonde_phased array)
SIST EN ISO 18563-3 (kombinirani sistemi_phased array)
SIST EN ISO 16392-2 (sonde_phased array)
SIST EN 15317 (karakterizacija in preverjanje ultrazvočne opreme za merjenje debeline)
SIST EN ISO 2400 (kalibracijski blok K1)
SIST EN ISO 7963 (kalibracijski blok K2)
SIST EN 1330-4 (pojmi, ki se uporabljajo pri preskušanju z ultrazvokom)
SIST EN 16018 (izrazi, ki se uporabljajo pri ultrazvočnih preiskavah_phased array)
SIST EN ISO 16946 (specifikacija za kalibracijo stopničastega klinastega bloka)
ASME B&PV Sec. V
ASME B&PV Sec. III
ZVARNI SPOJI: SIST EN ISO 17640 (tehnike, stopnje sprejemljivosti in kriteriji ocenjevanja)
SIST EN ISO 11666 (stopnje sprejemljivosti)
SIST EN ISO 23279 (UT preskušanje - karakterizacija indikacij v zvarnih spojih)
SIST EN ISO 22825 (preskušanje zvarnih spojev iz avstenitnih jekel in nikljevih zlitin)
SIST EN ISO 13588 (ultrazvočno preskušanje-uporaba polavtomatske in avtomatske tehnike s faznim krmiljenjem (Phased Array)
SIST EN ISO 19285 (Phased Array-merila sprejemljivosti)
SIST EN ISO 10863 (TOFT tehnika)
SIST EN ISO 15626 (kriteriji sprejemljivosti za TOFT tehniko)
PALIČNI MATERIAL: SIST EN ISO 10308 (UT preskušanje jeklenih palic)
PLOČEVINE: SIST EN 10160 (UT preskušanje ploščatih jeklenih izdelkov, debeline 6 mm in več - tehnika impulz-odmev)
SIST EN ISO 10307 (UT preskušanje avstenitnih in avstenitno-feritnih nerjavnih ploščatih jeklenih izdelkov debelin, ki so enake ali večje od 6 mm - odbojna metoda)
CEVOVODI: SIST EN 13480-5 (pregled in preskušanje)
ASME B 31.1
ASME B 31.3
DEBELINE: SIST EN 14127 (UT merjenje debeline)
TLAČNE POSODE: EN 13445-5 (kontrola in preskušanje)
AD-Merkblatt HP 5/3
ASME B&PV Sec. VIII
VARJENE CEVI: SIST EN ISO 10893-1 (avtomatska ultrazvočna preiskava)
SIST EN ISO 10893-11 (ugotavljanje vzdolžnih in/ali prečnih napak vara pri jeklenih ceveh, obločno varjenih pod praškom, z avtomatsko UT preiskavo)
ODKOVKI: SIST EN 10228-3 (UT preskušanje feritnih ali martenzitnih jeklenih izkovkov)
SIST EN 10228-4 (UT preskušanje avstenitnih in avstenitno-feritnih nerjavnih jeklenih izkovkov)
ULITKI: SIST EN 12680-1 (jekleni ulitki za splošno uporabo)
SIST EN 12680-2 (jekleni ulitki za močno obremenjene sestavne dele)
SIST EN 12680-3 (ulitkiiz sive litine s kroglastim grafitom)

Izbiro metode (RT ali UT) za izvajanje volumetričnih preiskav zvarov glede na različne debeline in vrste (tip) zvarnih spojev s polno prevaritvijo določa standard EN ISO 17635:

image061

Poročilo (EN ISO 16810)

Minimalne zahteve, kaj mora vsebovati poročilo o izvedeni ultrazvočni kontroli, so med drugimi določene tudi v standardu EN ISO 16810:

  • identifikacijo proizvajalca in/ali naročila,
  • popolno identifikacijo preizkušanca,
  • kraj izvedbe preiskave,
  • proizvodna faza/status preizkušanca,
  • identifikacijska oznaka ultrazvočnega instrumenta oz. opreme,
  • sklic na merodajne pogodbene dokumente (standarde itd.),
  • sklic na pisni postopek preiskave,
  • oznaka kontrolnih in referenčnih blokov,
  • način kalibracije, meja zapisovanja in kriterij sprejemljivosti,
  • ime, kvalifikacijo in podpis kontrolorja,
  • datum izvedbe preiskave,
  • rezultate preiskave in vrednotenja,
  • vsako odstopanje od pisnega postopka preiskave.