Defectoscopia cu ultrasunete 1. Scopul lucrării
Cunoaşterea metodologiei şi aparaturii necesare controlului cu ultrasunete a materialelor (conform STAS 6914-90). Defectoscopia ultrasonică se aplică pieselor metalice şi nemetalice cu scopul punerii în evidenţă a defectelor interioare ale materialului. În acelaşi timp, se poate stabili cu o anumită aproximaţie, mărimea şi poziţia defectelor în material. material. 2. Noţiuni teoretice
Ultrasunetele sunt vibraţii ale mediilor elastice cu frecvenţe mai mari de 20 KHz. Tehnica actual permite obţinerea unor vibraţii cu frecvenţe de până la 1300 MHz. Elementele de bază în producerea ultrasunetelor sunt generatorul de ultrasunete şi palpatorul. Ultrasunetele pot fi generate prin procedee mecanice, termice, electrodinamice, magnetostatice sau piezoelectrice şi sunt utilizate în controlul nedistructiv datorită unor proprietăţi pe care le posedă, cum sunt: • se propagă prin medii omogene cu o viteză constantă a cărei valoare depinde de caracteristicile mediului respectiv şi tipul undelor. Viteza de propagare v, a undelor longitudinale printr-o bară metalică este dată de relaţia: v = radical r adical din E/ρ, unde: E - reprezintă modulul de elasticitate; ρ – densitatea materialului. • sunt absorbite de mediul pe care îl străbat atenuându-le intensitatea iniţială ,,I0’’ în funcţie de lungimea drumului parcurs ,,X’’ şi de coeficientul de atenuare ,,α’’. Acest coeficient este în funcţie de frecvenţa frecvenţa vibraţiei vibraţiei ultrasonice ultrasonice şi mărimea cristalului piezoelectric. Intensitatea undelor ultrasonice la ieşirea lor din mediul străbătut este dată de relaţia: Ia = I0e2αx unde: Ia – este intensitatea undelor la ieşirea din mediul străbătut.• îşi schimbă direcţia la suprafaţa de separare a două medii prin reflexie sau refracţie;• ocolirea prin difracţie a obstacolelor obstacolelor (defectelor), la lungimi de de undă λ mai mari decât dimensiunea iradiată a obstacolului. Vibraţiile ultrasonice pot fi întreţinute, adică emise în mod continuu de către un generator, sau pot fi emise sub formă de impulsuri cu o anumită durată şi la intervale regulate de timp.
Generarea ultrasunetelor prin efect piezoelectric.
Unele cristale supuse unor eforturi de compresiune sau întindere după anumite direcţii dezvoltă pe suprafeţele lor sarcini electrice ce au valori egale şi de semn contrar. Valoarea sarcinilor electrice depinde de mărimea efortului aplicat asupra cristalului, iar semnul plus sau minus depinde de tipul deformaţiei (întindere sau compresiune). Dacă un asemenea cristal se găseşte într-un câmp electric, el se va deforma în funcţie de sarcinile electrice ce se găsesc pe o parte sau pe cealaltă a cristalului. Acest lucru arată că efectul piezoelectric este ireversibil Palpatorul este format din ansamblul traductorului piezoelectric cu montura sa. Traductorul piezoelectric este dispozitivul care transformă energia electrică în energie mecanică şi invers. El trebuie să fie realizat astfel încât zgomotul intern să nu perturbe interpretarea indicaţiilor obţinute pe ecran în raport cu sensibilitatea aleasă. Materialele piezoelectrice cel mai des utilizate în defectoscopie sunt cuarţul şi materialele ceramice sinterizate. Dacă traductorul este perpendicular pe suprafaţa piesei, undele ultrasonice emise sau recepţionate sunt longitudinale şi palpatorul se numeşte drept sau normal (fig. 7. 1a). Acest traductor este format din suportul 1, corpul de amortizare 2, inductorul 3, stratul de protecţie 4 şi mufa de legătură 5. Dând traductorului o anumită înclinaţie faţă de suprafaţa piesei supusă examinării, undele ultrasonice emise sau recepţionate sunt şi ele înclinate cu un anumit unghi faţă de normala la această suprafaţă şi, în acest caz, undele se consideră transversale, iar palpatorul se numeşte înclinat sau unghiular (fig. 7. 1b). Acest palpator se compune din traductorul 1, electrozii de contact 2, masa fonoabsorbantă 3, pana de cuplare 4, conductorii 5, fişa de legătură 6 şi carcasa 7. Dacă palpatorul este paralel cu suprafaţa piesei undele ultrasonice se vor propaga la nivelul acesteia numindu-se unde de suprafaţă.
La alegerea palpatorului se are în vedere forma piesei de examinat, caracteristicile presupuse ale defectelor, starea suprafeţei materialului etc. Cuplantul. Ultrasunetele se propagă bine prin medii solide şi lichide. În aer undele transversale nu se propagă, iar cele longitudinale se atenuează cu mare rapiditate. De aceea, startul de aer dintre palpator şi piesă apare ca un ecran ultrasonic. Pentru a înlătura acest inconvenient, între piesă şi palpator se introduce un mediu de cuplare sub formă de pastă, lichid sau semilichid (ulei mineral, glicerină, mercur), numit cuplant. 3. Desfăşurarea lucrării, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor
Metodele de analiză aplicate în defectoscopia ultrasonică sunt: Metoda prin transmisie
Se folosesc două palpatoare dintre care unul de emisie şi altul de recepţie (fig.7. 2). Metoda presupune o poziţionare riguroasă a palpatoarelor unul în raport cu celălalt şi din această cauză metoda este mai rar utilizată.
Metoda rezonanţei
Constă în transmiterea undelor ultrasonice printr-un material de grosime d, cu ajutorul unui traductor (fig. 7.3). Prin modificarea frecvenţei se modifică lungimea de undă a impulsului λ, iar în piesă apar unde staţionare de rezonanţă, atunci când este satisfăcută relaţia: d = K(λ/2), unde K este un număr oarecare (o, 1, 2....). Metoda prin impuls reflectat
Această metodă utilizează un palpator normal (fig.4 a) sau unul unghiular (fig.4 b) care îndeplineşte atât funcţia de emisie, cât cea de recepţie. În aceste imagini se disting următoarele elemente: 1 – piesă, 2 – defect, 3 – razele
fasciculului, 4 – cuplant, 5 – palpator, 6 – mufe, 7 – cablu de comenzi, 8 – ecran, 9 – ecou iniţial, 10- ecou de defect, 11- ecou de fund. Impulsurile sunt transmise intermitent prin piesa de examinat, iar în timpul dintre două emisii sunt recepţionate semnalele reflectate. Ecoul generat de defectul 10 se găseşte între ecoul iniţial 9 şi ecoul de fund 11. Metoda se aplică la măsurarea grosimii pereţilor metalici faţă de care nu există acces decât printr-o parte şi la stabilirea defectelor din interiorul materialelor.
Cele mai utilizate metode pentru detectarea defectelor cu ajutorul ultrasunetelor sunt: Controlul ultrasonic prin metoda impulsului reflectat (metoda ecoului). Modul de lucru utilizat la detectarea unor defecte cu ajutorul ultrasunetelor depinde de poziţia presupusă a defectului, de forma piesei şi de procedeul de control adoptat. Aproape toate aparatele lucrează pe principiul reflexiei impulsurilor. În conformitate cu această metodă palpatorul trebuie aplicat pe piesă în aşa fel încât să se realizeze un contact cât mai intim şi continuu între cele două elemente. De aceea, între palpator şi piesă se intercalează un strat de ulei mineral ce are rolul de cuplant. Suprafaţa de examinat trebuie să fie netedă, fără reziduri şi fără urme de oxizi sau impurităţi. Pentru oţel şi aliaje de aluminiu frecvenţa de lucru cea mai potrivită este de 2,5 MHz.
Metoda utilizează un palpator normal care îndeplineşte funcţia dublă de emiţător şi receptor. Se realizează montajul din figura 7.3 a, după care se reglează şi se calibrează aparatul ultrasonic în aşa fel încât să se observe pe ecranul defectoscopului ecoul de fund Ef, ecoul iniţial Ei şi ecoul defectului Ed situat între cele două ecouri (iniţial şi de fund). Cunoscând lungimea piesei L, calibrăm imaginea pe ecranul defectoscopului şi aplicăm legea proporţiilor mărimilor măsurate pe defectoscop şi piesă, conform relaţiei: l/L = x/X. Din această relaţie se poate determina distanţa la care se găseşte defectul, astfel: l = L(x/X) Controlul îmbinărilor sudate
Îmbinările sudate se examinează în funcţie de grosime, tipul îmbinării, geometria şi natura materialului de bază folosit. Examinarea se face de regulă pe suprafeţe plane şi curbe cu palpatoare monocristal de unde transversale, cu unghiuri de reflexie cuprinse între 350 şi 800. Grosimea îmbinărilor sudate este cuprinsă între 16 şi 150 mm. Defectele detectabile în îmbinările sudate se clasifică în defecte longitudinale şi transversale faţă de axa de simetrie a îmbinării sudate. În figura 7.5 este prezentate modul de examinare a unei îmbinări sudate. Prin deplasarea palpatorului perpendicular pe cordonul de sudură din poziţia 1în poziţia 3 se examinează sudura pe contur, de sus în jos, iar prin deplasări combinate de-a lungul cusăturii se examinează tot cordonul de sudură. Se pot astfel determina defecte în cordonul de sudură, cum ar fi: • goluri de sudură; • pătrunderi incomplete ale materialului în rostul îmbinărilor sudate; • incluziuni de zgură care apar în funcţie de calitatea sudurii.
