201411_PSpaw.pdf 11Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 11/2014 Próbki szklane grawerowane laserowo   jako wzorce dwójłomnosci akustycznej   w badaniach ultradźwiękowych Glass samples laser subsurface engraved as a calibration blocks for ultrasonic determination of acoustic birefringence Jacek Szelążek Dr hab. inż. Jacek Szelążek – Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii nauk. Autor korespondencyjny/Corresponding author: jszela@ippt.gov.pl Wstęp Do skalowania aparatury w defektoskopowych ba- daniach ultradźwiękowych wykorzystywane są różne- go rodzaju próbki. najczęściej są to metalowe próbki zawierające wady sztuczne. Innego rodzaju próbkami, bez wad sztucznych, są próbki prezentujące określo- ne właściwości akustyczne. Są to na przykład wzor- ce mikrosekundowe, czyli stalowe walce, w których czas przejścia fali ultradźwiękowej jest dokładnie określony. w ultrasonografii wykorzystywane są żelo- we fantomy imitujące właściwości tkanki biologicznej, takie jak prędkości fal, tłumienie czy rozpraszanie. Jednym z zastosowań badań ultradźwiękowych są pomiary naprężeń. Są one dziś powszechnie stosowane w ocenie obwodowych naprężeń własnych w wieńcach monoblokowych kół kolejowych. naprężenia w kołach obliczane są na podstawie mierzonej ultradźwiękowo dwójłomności akustycznej materiału wieńca. Dwójłomność akustyczna to miara anizotropii ma- teriału obliczana jako względna różnica prędkości fal poprzecznych rozchodzących się w kierunku szeroko- ści wieńca i spolaryzowanych odpowiednio w kierun- ku obwodowym i promieniowym. Jej wartość jest za- leżna od dwóch czynników: tekstury materiału wieńca (ukierunkowanego ułożenia ziaren materiału w wyniku walcowania koła) i obwodowej składowej naprężenia (w kołach nowych działającej w wyniku obróbki ciepl- nej, w kołach eksploatowanych powstającej w wyniku hamowania klockami hamulcowymi). naprężenie oce- niane tą metodą to naprężenie uśrednione na drodze fal, czyli na całej szerokości wieńca. Streszczenie w pracy opisano nowy sposób wykonania próbki o określonej anizotropii akustycznej, przydatnej do ba- dania głowic ultradźwiękowych przeznaczonych do po- miarów dwójłomności akustycznej. Do wykonania próbek wykorzystano szklane bryły i podpowierzchniowe grawe- rowanie laserowe wymaganą w normach omawiających wzorce do ultradźwiękowych badań naprężeń w kołach kolejowych wartość dwójłomności uzyskano, stosując grawerowanie z podwojonymi, umieszczonymi w linii mi- krouszkodzeniamu spowodowanymi działaniem lasera. Przedyskutowano również możliwości wykonania wzorca dwójłomności akustycznej ze stali, jak proponują to normy. Słowa kluczowe: badania ultradźwiękowe, wady sztuczne, anizotropia abstract Paper describes a new method do produce a sam- ple presenting determined acoustic birefringences, useful in ultrasonic nondestructive testing. To produce a given acoustic anisotropy glass block was used and subsurface laser engraving technique. Anisotropy required in stand- ard dealing with ultrasonic stress evaluation in railroad wheels, was obtained using engraving double, aligned along one line, microcracks. Paper discusses also the feasibility of acoustic birefringence pattern manufac- turing of steel, as described in standards. Keywords: ultrasonic testing, artificial flaws, anisotropy 12 Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 11/2014 norma En13979 [1], opisująca ultradźwiękowe pomiary naprężeń w kołach kolejowych, zaleca do skalowania aparatury dwa wzorce w postaci bloków wyciętych z wieńca koła. wzorzec A jest pozbawiony naprężeń, a obserwowana w nim dwójłomność aku- styczna jest wynikiem jedynie anizotropii teksturalnej. wzorzec B ma prezentować naprężenia obwodowe o wartości 100 +/-20 MPa. O ile pierwszy wzorzec jest łatwy do wykonania (wycięcie fragmentu wieńca i poddanie go odprężaniu termicznemu), o tyle wyko- nanie drugiego wzorca wydaje się praktycznie niemoż- liwe. Typowy blok – fragment koła, z postawioną na nim głowicą ultradźwiękową, pokazano na rysunku 1. Podpowierzchniowe grawerowanie laserowe Działanie skupionej, impulsowo działającej wiązki la- sera w szkle wywołuje powstanie lokalnego uszkodze- nia szkła. wynikiem działania impulsu jest wydłużone mikropęknięcie mające postać „krzaczka” o długości 0,07÷0,1 mm i średnicy 0,03÷0,05 mm w zależności od mocy lasera. Kierunek długości mikrouszkodzenia po- krywa się z kierunkiem wiązki światła lasera. Laserowo wytworzone pęknięcia są wynikiem nie tylko lokalnego nagrzania szkła, ale głównie spontanicznej emisji elek- tronów wywołanej okresowym działaniem fali elektroma- gnetycznej [2]. Dzisiaj zjawisko to wykorzystywane jest do trwałego znakowania opakowań szklanych i do pro- dukcji pamiątek. wyspecjalizowana aparatura umożliwia wytworzenie w bloku szklanym praktycznie nieograniczo- nej ilości dowolnie rozłożonych mikropęknięć. Ciekawą z punktu widzenia badań UT cechą szkła stosowanego w produkcji „laserowych obrazów” jest to, że prędkości propagacji fal ultradźwiękowych są zbliżone do prędko- ści fal w stali (cL = 5590 m/s, cT = 3360 m/s). Fakt, że mikrouszkodzenie jest wydłużone, powodu- je, że fala poprzeczna rozchodząca się w szkle z licz- nymi mikropęknięciami, ułożonymi w jednym kierunku i w całej jego objętości, w zależności od tego, czy kie- runek polaryzacji jest równoległy czy prostopadły do osi mikropęknięć, będzie miała różną prędkość. Liczne mikropęknięcia, choć znacznie krótsze niż długość fali ultradźwiękowej, czynią szkło anizotropowym, wykazu- jącym dwójłomność akustyczną. wykonano szereg próbek z różnymi gęstościami mi- krouszkodzeń i wykonano na nich pomiary wywołanej działaniem lasera dwójłomności akustycznej. Okazało się, że dwójłomność akustyczna spowodowana poje- dynczymi uszkodzeniami nawet o dużej gęstości jest stosunkowo niska. na rysunku 2 pokazano zależność dwójłomności od gęstości mikrouszkodzeń. Badania pro- wadzono falami poprzecznymi o częstotliwości 2 MHz. Rys. 1. Blok do kontroli aparatury, wykonany jako wycinek wieńca koła monoblokowego Fig. 1. Control block made as a monoblock wheel rim section Powierzchnia przekroju koła w takim bloku to ok. 100 cm2. Siła potrzebna do wytworzenia naprężenia 100 MPa choć w połowie przekroju takiego bloku to siła rzędu 50 ton! Trudno więc sobie wyobrazić sposób wykonania takiego bloku, w którym naprężenia własne rozkładają się tak, że średnie naprężenie na szeroko- ści wieńca wynosi ok. 100 MPa. wytworzenie takich naprężeń w bloku możliwe jest jedynie po umieszcze- niu go w prasie i ściśnięciu go siłą 100 ton. wydaje się, że jedynym sposobem spełnienia wymagań normy jest stosowanie jako wzorca B całego koła, w którym składo- wa obwodowa naprężeń własnych wynosi ok. 100 MPa. Rozwiązanie to ma jednak dwa mankamenty. Po pierw- sze, taki wzorzec zajmuje stosunkowo dużo miejsca i jest raczej mało poręczny. Po drugie, rozkład naprę- żeń na przekroju koła jest nieznany, a jedyną metodą, którą naprężenie uśrednione na szerokości wieńca może być wyznaczone, jest metoda ultradźwiękowa (czyli metoda, do której skalowania wzorzec ma służyć). Inną metodą umożliwiającą wyznaczenie wartości i roz- kładów naprężeń w kole jest metoda niszcząca (niestety w wyniku jej stosowania badany wzorzec przestaje ist- nieć). Jeszcze jednym mankamentem wzorca B w po- staci koła jest to, że mierzona w nim dwójłomność aku- styczna jest wynikiem sumujących się wkładów tekstury materiału i naprężenia. nie są do dziś znane metody nieniszczące mogące określić udziały tych dwóch czyn- ników w mierzonej sumarycznej dwójłomności. Celem opisanych niżej badań było wykonanie bloku o określonej, jednorodnie rozłożonej w objętości, zna- nej dwójłomności akustycznej wywołanej jedynie struk- turą materiału. Rys. 2. Zależność dwójłomności akustycznej wywołanej pojedyńczy- mi mikrouszkodzeniami od ich gęstości Fig. 2. Dependence of acoustic birefringence on laser microcrack density Dwójłomność uzyskana dla gęstości uszkodzeń 1500/cm3, wynosząca 0,082%, jest równoważna dla stali naprężeniu równemu ok. 50 MPa. Grawerowa- nie bloków szkła z wyższą gęstością uszkodzeń może prowadzić do pękania szkła w czasie obróbki i staje 13Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 11/2014 się zbyt czasochłonne. wykonano więc próbkę grawero- waną nie pojedynczymi, lecz podwójnymi, ustawionymi w jednej linii, blisko siebie, mikrouszkodzeniami. Próbka o gęstości uszkodzeń 2x8400/cm3 wykazała przy bada- niach falami o częstotliwości 2 MHz dwójłomność od- powiadającą naprężeniu równemu ok. 120 MPa, a więc spełniającemu zalecenia przytaczanej normy. Jednocze- śnie, dzięki małym wymiarom uszkodzeń w stosunku do długości fali, tak zmodyfikowane szkło nie jest źródłem szumów akustycznych mogących utrudniać pomiar. na przekroju typowego bloku wykonanego z wycin- ka koła bloku (rys. 1) obserwuje się rozkład anizotropii teksturalnej. Powoduje to, że wynik pomiaru dwójłom- ności akustycznej zależy od miejsca przyłożenia gło- wicy do powierzchni bloku. waga bloku to ok. 5 kg, co w pewnym stopniu utrudnia jego przenoszenie. na- tomiast blok szklany o tej samej wysokości co szero- kość wieńca koła (130 mm) waży kilkakrotnie mniej, a anizotropia akustyczna w całej objętości bloku jest jednakowa, zależna od gęstości mikrouszkodzeń. Głowice ultradźwiękowe stosowane w pomiarach naprężeń w kołach kolejowych są wyposażone w ma- gnesy stałe przyciągające je do powierzchni koła. Ce- lem stosowania takich magnesów jest z jednej strony ułatwienie uzyskania prawidłowego, powtarzalnego sprzężenia akustycznego (jako ośrodek sprzęgający wykorzystywane są lepkie, gęste żywice epoksydo- we), a z drugiej – stabilizacja głowicy na powierzchni lica wieńca koła (ważne w pomiarach zestawów koło- wych, gdy koła ustawione są w płaszczyźnie pionowej). Aby ułatwić wykorzystanie szklanego bloku kontrolne- go do badania głowic z magnesami, na powierzchni, do której sprzęgana jest głowica, naklejono stalową płytkę, w której otworze wklejono krążek z płaskiego szkła. Fale ultradźwiękowe generowane przez głowice przechodzą przez szklaną płytkę i wnikają do wygrawerowanego bloku, odbijają się od jego dna i powracają do głowicy. Czas przejścia fal w bloku jest zbliżony do czasu przej- ścia fal przez szerokość wieńca typowego koła mono- blokowego. Obudowa głowicy z magnesami przyciąga- na jest do stalowej płytki, a centralną pozycję głowicy na powierzchni bloku zapewniają dwa stalowe bolce. Badania pierwszych prostopadłościennych bloków wykazały, że przy wymiarach poprzecznych bloku zre- dukowanych do 70x70 mm obserwowane są sygnały po- chodzące z odbić fal od bocznych powierzchni. Odbicia te mogą nieznacznie wpłynąć na wynik pomiaru dwój- łomności. Aby ten wpływ wyeliminować, na bocznych po- wierzchniach szklanej bryły zostały wyszlifowane liczne rowki. Szklany blok kontrolny, z przyklejoną płytką stalo- wą z dwoma bolcami i z rowkami (przed umieszeniem go w obudowie) pokazano na rysunku 3. należy pamię- tać, że dwójłomność akustyczna szklanych, laserowo grawerowanych bloków, jest zależna od częstotliwości fal poprzecznych (podobnie jak dwójłomność tekstural- na wywołana ukierunkowanym ułożeniem ziaren stali w wyrobach walcowanych). Oznacza to, że opisany blok kontrolny może być stosowany jedynie w badaniach gło- wic o określonej częstotliwości. w przypadku badania naprężeń w kołach kolejowych jest to częstotliwość 2 MHz. Opisany blok nadaje się do badania jedynie gło- wic z przetwornikami piezoelektrycznymi. Stosowane w pomiarach naprężeń w kołach przetworniki EMAT ge- nerują fale jedynie w materiałach przewodzących. Rys. 3. Szklany, podpowierzch- niowo grawerowany blok kontrolny o określonej dwójłomności aku- stycznej Fig. 3. Control block of given aco- ustic birefringence made as SSLE glass block Literatura [1] En 13979+A1, Railway applications-wheelsets and bogies- Monoblock wheels-technical approval procedure, Part 1: For- ged and rolled wheels. [2] Krüger J, Kautek w, Lenzner M, Sartania S, Spielmann C, Krausz F.: Laser micromachining of barium aluminium boro- silicate glass with pulse durations between 20 fs and 3 ps. Applied surface science. 1998; 127(29): 892-898. Wnioski Opisane wyżej wyniki pokazują, że szklane blo- ki grawerowane laserowo w objętości mogą stano- wić wzorce określonej dwójłomności akustycznej. Dobierając odpowiednio gęstość mikrouszkodzeń i ich wzajemne położenia, można stworzyć bloki o wartościach anizotropii akustycznej odpowiadają- cych różnym wartościom naprężeń w stali. Technika umożliwia wykonanie bloku prezentującego anizo- tropię stałą w całej jego objętości (lub z dowolnym jej gradientem, o ile to potrzebne). Dzięki temu, że prędkości fal ultradźwiękowych w szkle optycz- nym są zbliżone do prędkości fal w stali (dla fal po- przecznych prędkość w szkle jest o 4% wyższa niż w stali), rozbieżności wiązek fal w szkle i stali są praktycznie jednakowe. wykonanie stalowego bloku kontrolnego propo- nowanego w przytaczanej normie (i określanego w niej jako „wzorzec”), o akceptowanych wymiarach i masie oraz zaplanowanych właściwościach aku- stycznych jest dziś mało realne. Przedstawione w pracy próbki wykonano dzięki uprzejmości i pomocy Pani Anny Andrzejewskiej z firmy LASER 3D, Zielona Góra.