Metody ultrazvukové defektoskopie

Základní metody pro zjišťování vad v materiálech jsou průchodová a odrazová. Viz.

obr.2.

a) Průchodová metoda

Tato metoda funguje na principu vysílání ultrazvukových vln vysílačem do zkoušeného materiálu a jejich přijímání na opačné straně přijímačem. Při střetnutí vln

13 s chybou vzniká akustický stín a snížení akustického tlaku, což má za následek detekci této chyby na přijímači. Tím pádem je důležité, aby při této metodě byly vhodně dány protilehlé strany. Další problém u této metody nastává, pokud je chyba ve větších vzdálenostech od přijímače, neboť se nám akustický stín, díky kterému zjišťujeme chybu, uzavírá a naměříme stejné hodnoty jako v materiálu bez chyby. Kvůli tomuto není tato metoda vhodná pro tlusté materiály. Za výhodu by se dalo považovat, že nám ultrazvukové vlny proudí pouze v jednom směru a překonávají pouze poloviční dráhu, než je tomu například u metody odrazové.[2]

b) Odrazová metoda

Mnohem používanější a více všestranně použitelná je metoda odrazová. Princip této metody spočívá ve vysílání ultrazvukových vln vysílačem, který funguje i jako přijímač, do zkoušeného materiálu a jejich následným odrazem buď od chyby, nebo od povrchu materiálu, který znovu přijímáme tou samou sondou. Časovou odezvu ultrazvukové vlny díky zesilovači můžeme vidět na obrazovce přístroje a určit tak, zda se v materiálu nachází chyba a můžeme dokonce zjistit i její velikost. Mezi nevýhody patří procházení ultrazvukových vln materiálem dvakrát.[2]

Obr. 2 Zleva průchodová metoda a odrazová metoda

2.1.2.1. Činitelé ovlivňující zkoušku ultrazvukem

Zkoušku a její výsledek může ovlivnit vícero činitelů. Kromě mechanických chyb v přístroji a sondě jsou další, na které musíme být obezřetní a můžeme se jich vyvarovat, nebo je nějakým způsobem redukovat.[2]

Za jednoho z prvních činitelů by se dal považovat materiál, který zkoušíme.

Materiál s polykrystalickou strukturou nám může na obrazovce přístroje ukazovat šum, který vzniká odrazem od každé hranice zrna. Této nedokonalosti se můžeme zbavit snížením použité frekvence, je však důležité najít kompromis, aby nebyl ovlivněn výsledek zkoušky.[2]

14

„Zkušební povrchy musí být dostatečně velké, aby umožňovaly vyzkoušení celého zkoušeného objemu. Šířka zkušebních povrchů může být menší, jestliže se úplné vyzkoušení zkoušeného objemu dosáhne zkoušením z horního a spodního povrchu spoje. Zkušební povrchy musí být rovné a zbaveny cizích látek, které zhoršují akustickou vazbu (například rez, volné okuje, rozstřik svarového kovu, vruby a drážky).

Nerovinnost zkušebního povrchu nesmí způsobovat mezeru mezi sondou a povrchem větší 0,5 mm.“[λ]

Ultrazvuková vlna se šíří v prostoru ve tvaru rozpínající se koule. Tento jev může mít za následek, zvláště u zkoušení materiálů tyčového, či hranolovitého tvaru, vznik falešných ech. Falešná echa vznikají odrazem ultrazvukových vln od stěn a konají delší dráhu, než ultrazvuková vlna, která se šíří přímo. Tím se vracejí později do přijímače a na obrazovce se objevují až za konečným echem. Proto je potřeba mít na paměti také tvar zkoušeného předmětu, který ovlivňuje výsledek zkoušky.[1]

Volená frekvence by měla být od 2 MHz do 5 MHz. Volená frekvence by měla odpovídat uvedeným stupňům přípustnosti. Počáteční zkoušení by mělo používat nižší frekvence, pokud je zjišťování stupňů přípustnosti indikováno z délky a výšky echa. Pro zlepšení rozlišitelnosti lze použít vyšších frekvencí.[λ] „Při dlouhých drahách ultrazvukových vln a při vyšším útlumu materiálu, mohou být pro zkoušení použity frekvence přibližně 1 MHz.“[9]

Dalším kritériem pro úspěšnou zkoušku je akustická vazba mezi materiálem a sondou. Pokud by mezi sondou a materiálem byl pouze vzduch, tak bychom dosáhli pouze slabého akustického tlaku, nedostačujícího pro zkoušku. Pokud však použijeme vhodné médium, tak můžeme docílit lepších výsledků. Jako médium se nejčastěji používá voda, ale také např. olej, či vazelína. Při ručním zkoušení se ale sonda pouze přitiskuje k materiálu, takže je zapotřebí dosáhnout dobré kvality povrchu. I zde je však důležité dosáhnout kompromisu, neboť se může stát, že se nám sonda bude přisávat.[2]

Kromě samotného použitého vazbového média záleží také na množství média a tím tloušťky vrstvy média. Podle poměru vlnové délky a tloušťky vrstvy se dají tyto poměry rozdělit do tříμ

15 a) Kontaktní vazba

Pokud je tato vrstva menší, než vlnová délka, tak vnikání ultrazvukových vln do materiálu závisí na přítlaku vysílače.[2]

b) Mezerová vazba

Je-li tato vrstva stejné tloušťky jako vlnová délka, tak je nazývána mezerová. Tato vazba je závislá na změnách velikosti vrstvy, proto je důležitá stálá geometrii povrchu.[2]

c) Imerzní vazba

Máme-li vlnovou délku mnohem kratší, než použitou vrstvu, tak se jedná o imerzní vazbu. Tato vazba je použitá většinou u automatického zkoušení. Výrobek většinou bývá ponořen do vody, kdy je potřeba, aby se na zkoušeném výrobku neusazovali bublinky, které by mohli způsobit nepřesnosti v měření.[2]

2.1.2.2. Měření chyby s určitými vlastnostmi

Vlastnosti chyb, jako třeba jejich velikost a tvar, mohou mít vliv na výsledky měření. Tyto vlastnosti různě ovlivňují výsledek měření. Je potřeba s nimi počítat a brát je v potaz.

Pokud bychom chtěli zjistit jednoduchou odrazovou metodou velikost chyby, tak bychom se mohli střetnout s problémem, který je spojený s přijímanými odraženými ultrazvukovými vlnami. Mohli bychom se domnívat, že malé zpětné echo způsobuje malá chyba. Tomu tak však není. Záleží na orientaci chyby ve zkoušeném materiálu a tím pádem na dopadu a odrazu ultrazvukových vln. Proto by byl nejvhodnější dopad ultrazvukových vln kolmo na chybu, v tom případě však musíme počítat s předběžným výskytem chyb.[2]

Samotný tvar chyby může zkreslit měření. Pokud kupříkladu máme kulovou chybu, tak se odrazí pouze malá část echa zpět do přijímače. Tím pádem bychom se mohli domnívat, že se ve zkoušeném materiálu nachází pouze malá chyba. Proto jsou nejvýhodnější plošné chyby s ultrazvukovými vlnami dopadajícími kolmo. Ovšem i u této chyby se můžeme setkat s problémem, který nastane tehdy, kdy je plošná chyba

16 mírně natočená vůči ultrazvukovým vlnám. Tím nám rychle klesá velikost přijímaného echa.[2]

I taková věc jako drsnost povrchu chyby může ovlivnit výsledky měření. Tato vlastnost chyby však může být pozitivní. Díky těmto nedokonalostem se totiž některé ultrazvukové vlny mohou odrazit zpět do přijímače, čímž je detekujeme, i když je chyba naklopena vůči ultrazvukovým vlnám.[2] „Zkušební povrchy a povrchy, na kterých se odráží svazek se považují za vyhovující, jestliže drsnost povrchu, Ra, není větší než 6,3

m při mechanickém opracování nebo větší než 12,5 m u otřískaného povrchu.“[9]

Důležitá je i vzdálenost chyb od vysílače ultrazvukových vln. Pokud je tato vzdálenost malá, tak může nastat, že nám chyba na obrazovce splyne s vysílacím impulzem a nebude rozpoznatelná. Viz.obr.3. Velikost mrtvého pásma na obrazovce lze do určité míry měnit například pomocí změny frekvence. Pokud víme z technologie, že se chyby budou nalézat pod povrchem je možnost použít dvě sondy pod úhlem, které budou schopné tyto defekty lépe identifikovat.[2]

Obr. 3 Mrtvé pásmo

2.1.2.3. Měření rychlosti a útlumu ultrazvuku

Díky hodnotě rychlosti ultrazvuku a rozsahu útlumu, přes zkoušený materiál, se dá také určit homogenita materiálu. Toho lze docílit porovnáním změny hodnoty koncového echa homogenního materiálu a materiálu zkoušeného. Se stoupající nehomogenností klesá rychlost pronikání ultrazvukových vln a stoupá jejich útlum. Této

17 metody využíváme, když nelze zachytit poruchová echa, která by nám odhalila nehomogennosti v materiálu, jako například pórovitost. Kromě zjištění chyb jsou jejich hodnoty závislé i na zjišťování vnitřní morfologie materiálu.[8]

Další možností zjišťování homogenity materiálu je pomocí koncového echa.

Pokud nehomogenity v materiálu nevyvolávají viditelná poruchová echa, jako například pórovitost a řediny, lze jejich množství určit z poklesu koncového echa. Dle normy o 6 dB, 12 dB, či 18 dB.

2.1.2.4. Hodnocení velkých chyb

Velká chyba je charakterizována svými rozměry, které jsou větší než průřez ultrazvukového paprsku. Ultrazvukový paprsek za tuto chybu neproniká a je možné zjistit její rozměry pomocí odražených ech. Toho lze docílit s poznatkem, že echo uprostřed chyby a na kraji chyby má rozdíl 6 dB. Můžeme tedy sondou pohybovat po povrchu a zjišťovat pokles echa, kde je okraj chyby, až budeme mít celý přibližný průmět chyby. Viz. obr.4. [2]

Obr. 4 Zjišťování okraje chyby poklesem echa o 6 dB

2.1.2.5. Kvantifikace vnitřních vad ultrazvukem

Při hodnocení malých chyb se používá metoda, kterou stanovujeme náhradní velikost chyby. Tato metoda funguje na principu nahrazení reálné chyby v materiálu náhradní chybou tvaru kruhového dna vývrtu orientovaného kolmo na osu ultrazvukového svazku. Tato náhradní chyba je ve stejné vzdálenosti od vysílače, jako chyba reálná a musí také způsobovat stejné echo, což ovlivňuje její průměr. Pokud

18 náhradní chyba má všechny tyto podmínky stejné, jako chyba reálná, můžeme používat hodnotu průměru této náhradní chyby, tzv. náhradní velikost vady Dn.[1][2]

Další metodou určování velikosti náhradní chyby je pomocí diagramu AVG.

Viz. obr. 5. Na tomto diagramu jsou vyobrazeny křivky poměru velikosti náhradní chyby a velikosti sondy s křivkou znázorňující koncové echo. Díky porovnání výšky koncového echa s echem od skutečné chyby lze určit velikost náhradní chyby. V tomto diagramu není zahrnut útlum materiálu, proto musíme provádět korekci.[2]

Další diagram používaný v zahraničí, zejména v USA, je DAC. Viz. obr.5.

Tento způsob je založený na křivkách, které vyvolávají odrazy od bočních válcových vývrtů. Při této metodě se udává délka, ve které echo chyby překračuje křivku DAC.[2]

Obr. 5 Zleva AVG a DAC křivky na obrazovce ultrazvukového přístroje

2.1.3. Jiné metody zjišťování skrytých vad v materiálu

Kromě metody ultrazvukem jsou ještě známy jiné metody, mezi které patří i zkouška prozařováním.

Zkouška prozařováním funguje na principu záření, jež je promítáno přes požadovaný materiál na vrstvu citlivého fotografického filmu, na kterém můžeme pozorovat výsledek. Viz. obr. 6. Výsledek je ovlivněn tloušťkou použitého materiálu a jeho hustotou. Případné chyby v materiálu se projeví na fotografickém filmu tmavšími odstíny, než bude mít zbytek výsledku. Nejčastěji jsou používány dva druhy záření.

Rentgenové záření, při němž se používá rentgenových přístrojů, nebo záření gama, kdy se používá radioaktivních zdrojů.[3]

19 Obr. 6 Zkouška prozařováním