201305_PSpaw_2u5a.pdf 31Przegląd sPawalnictwa 5/2013 Jakub Kowalczyk Dariusz Ulbrich Marian Jósko Ryszard Mańczak Zastosowanie transformaty Fouriera do ultradźwiękowej oceny połączeń klejowych Fourier transform application to ultrasonic evaluation  of glued joints Streszczenie W artykule przedstawiono metodę oceny połączeń klejowych za pomocą transformaty Fouriera. Podstawo- wymi parametrami widma impulsu ultradźwiękowego, które mogą być akustyczną miarą jakości połączenia, są: pasmo przenoszenia oznaczane jako B oraz często- tliwość maksymalnej amplitudy oznaczana jako fr. W badaniach wykorzystano próbki wykonane ze stali 45 połączone za pomocą kleju cyjanoakrylowego Loctite 496. Powierzchnie próbek przygotowano na kilka sposo- bów, tak aby zróżnicować wytrzymałość połączeń. na podstawie wyników badań wyznaczono wartości współ- czynnika korelacji między parametrami ultradźwięko- wymi w dziedzinie częstotliwości a mechaniczną miarą jakości połączeń. abstract A method of evaluation of glued bonds using the Fo- urier transform is presented in the paper. The basic pa- rameters of the ultrasonic spectrum, such as a measure of the acoustic quality of the glued bond are bandwidth denoted as B and the frequency of maximum amplitude denoted as fr. During the test are used samples made of steel 45 and glue Loctite 496. The surfaces of samples are pre- pared in different ways to vary the joint strength. On the base of test results is presented the correlation between the ultrasonic parameters in the frequency field, and me- asure of the mechanical quality of the connection. Dr inż. Jakub Kowalczyk, mgr inż. Dariusz Ulbrich, dr hab. inż. Marian Jósko prof. PP, dr inż. Ryszard Mańczak – Politechnika Poznańska. Wstęp Kleje to substancje chemiczne zdolne do trwałego łączenia materiałów jedno- i różnorodnych, zapewnia- jącego szczelność połączenia i równomierny rozkład naprężeń w całym jego obszarze. Łączenie odbywa się w wyniku oddziaływania sił adhezji właściwej, adhezji mechanicznej i sił spójności kleju – kohezji. Proces ten nie wymaga trudnych procesów obróbki mechanicznej, są one najczęściej ograniczone do piaskowania lub śrutowania powierzchni przeznaczonych do łączenia w celu usunięcia zanieczyszczeń, np. produktów koro- zji, oraz do jej odtłuszczenia. Klejenie jest technologią, która przeżywa swój re- nesans i rozwija się niezwykle dynamicznie, znajdując zastosowanie praktycznie we wszystkich gałęziach przemysłu. Szerokie zastosowanie połączeń klejowych obserwuje się zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym. Wraz z rozwojem klejenia i częściowym wypiera- niem tradycyjnych metod łączenia, takich jak zgrze- wanie, pojawił się problem kontroli, a w szczególności badań nieniszczących tych połączeń. Wśród metod nieniszczących oceny połączeń klejowych największe zastosowanie mają takie metody, jak: wizualna, ultra- dźwiękowa, rezonansowa, termograficzna oraz holo- grafia optyczna [1, 6]. Metoda ultradźwiękowa Spośród stosowanych metod najszersze zastoso- wanie może mieć metoda ultradźwiękowa. Jest ona 32 Przegląd sPawalnictwa 5/2013 skutecznie wykorzystywana do wykrywania nieciągło- ści w różnych materiałach. Obserwowany jest także wzrost zainteresowania tą metodą w badaniach nauko- wych oraz poszerzenie zakresu jej przemysłowego wy- korzystania i stosowanych w niej technik kontrolnych poza klasyczne badania ultradźwiękowe np. odlewów, odkuwek czy połączeń spawanych [2, 3]. Zastosowa- nie ultradźwięków w defektoskopii, również w odnie- sieniu do połączeń adhezyjnych, zostało opracowane przez J. Deputata [4]. W badaniach połączeń spajanych możliwe jest prowadzenie kontroli jakości połączeń zgrzewanych punktowo i połączeń adhezyjnych, w tym lutowanych i klejonych oraz połączeń powłoka-podłoże. Metoda ta umożliwia ponadto pomiary naprężeń i twardości części maszyn. Obecnie prowadzone badania ul- tradźwiękowe wybranych obiektów umożliwiają ich kontrolę w obszarze do 20 m od miejsca przyłożenia głowicy ultradźwiękowej. Wybrane parametry impulsów fali ultradźwięko- wej, użytej do badania połączeń klejowych, mogą być przydatne do oceny ich jakości. Parametry te wynikają z uzyskiwanych na ekranie aparatu ultradźwiękowego układów impulsów ultradźwiękowej fali podłużnej. Ko- rzystnym do oceny tych połączeń układem impulsów ultradźwiękowych jest taki układ, w którym uzyskuje się dwa echa dna, podobnie jak w metodzie wyznaczania ciśnieniowego współczynnika odbicia. Silne tłumienie warstwy kleju zazwyczaj uniemożliwia uzyskanie dru- giego echa dna. Układ impulsów ultradźwiękowych z tylko jednym echem dna jest również układem przy- datnym do oceny połączenia klejowego, ponieważ zawiera – oprócz syntetycznej informacji o jakości pierwszego połączenia adhezyjnego – dane na temat drugiego połączenia i kohezji warstwy klejowej. transformata Fouriera Analizując zagadnienia związane z oceną wielo- warstwowych połączeń klejowych przy wykorzystaniu transformaty Fouriera, przytoczono wyniki uzyska- ne podczas wykonywania badań połączeń klejowych przez A.F. Browna [5]. Z przeprowadzonej analizy wy- nika, iż ocena połączeń klejowych z wykorzystaniem transformaty Fouriera jest stosunkowo łatwa. Wykorzystanie analizy częstotliwościowej w bada- niach ultradźwiękowych jest podejściem często sto- sowanym, pomimo trudności z oceną, identyfikacją i interpretacją uzyskiwanych obrazów na ekranie apa- ratu ultradźwiękowego oraz niewielkich różnic między uzyskiwanymi obrazami widm. Aby móc przeprowa- dzić analizę częstotliwościową impulsów ultradźwię- kowych, niezbędne jest uzyskanie pełnego niewypro- stowanego impulsu fali ultradźwiękowej. Przykładowy impuls ultradźwiękowy w dziedzinie czasu, uzyskany w badaniach własnych, który poddano transformacie Fouriera, przedstawiono na rysunku 1. Podstawowymi parametrami widma impulsu ul- tradźwiękowego, które mogą być akustyczną miarą jakości połączenia, są: pasmo przenoszenia ozna- czane jako B oraz częstotliwość maksymalnej ampli- tudy oznaczana jako fr. Pasmo przenoszenia ozna- cza szerokość impulsu, wyrażoną w Hz przy spadku amplitudy o 6 dB. W badaniach podjęto próbę wykorzystania jako miary jakości połączeń klejowych także innych para- metrów impulsów ultradźwiękowych widma amplitudo- wo-częstotliwościowego, np. ciśnienia widma impulsu fali ultradźwiękowej w zakresie niskich częstotliwości – do początku pasma przenoszenia (niskoczęstotliwo- ściowe ciśnienie impulsu – Pa (rys. 2), ciśnienia wid- ma impulsu fali ultradźwiękowej w zakresie częstotli- wości pasma przenoszenia (średnioczęstotliwościowe ciśnienie impulsu – Pb) oraz ciśnienia widma impulsu fali ultradźwiękowej w zakresie wysokich częstotliwo- ści – powyżej końca pasma przenoszenia (wysoko- częstotliwościowe ciśnienie impulsu – Pc). Dodatkowo, w badaniach wykorzystano częstotliwości począt- ku (B1) i końca pasma przenoszenia (B2), nazywane dolną i górną granicą częstotliwości. Wybór parametrów widma impulsu fali ultra- dźwiękowej do oceny jakości połączeń klejowych był podyktowany zauważonymi zmianami widma odpowiadającymi zmianom stanu połączenia, obser- wowanymi podczas badań rozpoznawczych. Rys. 1. Transformata Fouriera wybranego impulsu ultradźwiękowe- go z obszaru połączenia klejowego w funkcji czasu [6]: a) impuls ultradźwiękowy w funkcji czasu, b) obwiednia widma impulsu ultra- dźwiękowego Fig. 1. The Fourier transform of the selected ultrasonic pulse from the adhesive joint in the time domain [6]: a) an ultrasonic pulse in the time domain, b) the spectrum envelope of the ultrasonic pulse a) b) 33Przegląd sPawalnictwa 5/2013 Jakość połączenia klejowego wpływa na wyniki analizy częstotliwościowej fali ultradźwiękowej. Po- łączenie może oddziaływać na falę jak filtr dolno- lub górnoprzepustowy. W związku z tym, w przypadku ba- dania połączenia klejowego, w którym wystąpią wady, może dojść do większego tłumienia określonych czę- stotliwości. Eksperyment Celem prowadzonych badań była ocena możliwości zastosowania metody ultradźwiękowej wykorzystującej transformatę Fouriera do oceny połączeń klejowych. W badaniach wykorzystano próbki stalowe (stal 45) przedstawione na rysunku 3. Do ich wykonania zastosowano klej cyjanoakrylowy Loctite 496. Gru- bość warstwy kleju we wszystkich próbkach była jednakowa, dzięki zastosowaniu stałego docisku łączo- nych elementów. Po wykonaniu krążków przeznaczonych na próbki ich powierzchnie przeznaczone do klejenia przygo- towano w taki sposób, aby odtworzyć warunki, jakie mogą wystąpić w czasie wykonywania połączeń kle- jowych w warunkach przemysłowych. Zbiór krążków został podzielony na grupy, które cechowały się róż- nym przygotowaniem powierzchni. Powierzchnie zo- stały zróżnicowane zarówno pod względem obróbki mechanicznej (szlifowanie, piaskowanie), jak i sposo- bu ich oczyszczenia (wyczyszczenie preparatem Loc- tite, naniesienie chłodziwa szlifierskiego oraz smaru plastycznego). W pierwszej serii podczas badań na szlifowane powierzchnie klejone naniesiono smar plastyczny. W drugiej i trzeciej serii badawczej na powierzchnie również poddane szlifowaniu naniesiono odpowied- nio chłodziwo szlifierskie oraz olej wykorzystywany do obróbki plastycznej. W czwartej serii badawczej powierzchnie po szlifowaniu zostały oczyszczone w sposób zgodny z wymaganiami producenta kleju. Kolejne dwie serie badań obejmowały próbki piasko- wane elektrokorundem EK40, przy czym w pierwszej z nich na powierzchnie naniesiono olej do obróbki pla- stycznej, a druga została oczyszczona. Dwie ostatnie serie przygotowano podobnie, z tym że do piaskowa- nia użyto elektrokorundu EK60. Zrealizowano 8 prób badawczych. Po zerwaniu pró- bek zmierzono siłę, powodującą zniszczenie połącze- nia. na podstawie uzyskanej siły obliczono naprężenia rozrywające, które spowodowały rozdzielenie połącze- nia klejowego. Zgodnie z założeniem, w wyniku zróżnicowane- go przygotowania powierzchni próbek do klejenia, uzyskano różne wartości sił rozrywających. Śred- nie wyniki naprężeń rozrywających uzyskanych dla ośmiu prób przedstawiono w tablicy I. Pierwsze ba- dania dotyczyły próbek, w których na powierzch- nie klejone naniesiono smar plastyczny, natomiast ostatnie próbek, których powierzchnie przeznaczone do klejenia zostały przygotowane zgodnie z wytyczny- mi producenta kleju. W badaniach ultradźwiękowych użyto głowicy DS12HB1-6 firmy Karl Deutsch. Głowicę tę wybra- no podczas badań rozpoznawczych, w których uzy- skano najkorzystniejsze sygnały z wszystkich anali- zowanych głowic ultradźwiękowych w laboratorium badań nieniszczących. Częstotliwość głowicy wynosi 2,12 MHz, co stanowi optymalny zakres częstotliwości dla badania połączeń klejowych. Dla częstotliwości po- wyżej 6 MHz, ze względu na silne tłumienie, nie uzy- skano impulsu z dna próbki. We wszystkich próbach wykorzystywano ten sam ośrodek sprzęgający – Echo- trace Karl Deutsch. Wyniki badań ultradźwiękowych Rys. 2. Widmo impulsu ultradźwiękowego [6]: fr – częstotliwość mak- symalnej amplitudy, B – pasmo przenoszenia, B1 – dolna granica częstotliwości, B2 – górna granica częstotliwości, Pa – niskoczęstotli- wościowe ciśnienie impulsu, Pb – średnioczęstotliwościowe ciśnienie impulsu, Pc – wysokoczęstotliwościowe ciśnienie impulsu Fig. 2. Ultrasonic pulse spectrum [6]: fr – frequency of maximum amplitude, B – transmitted frequency band, B1 – lower frequency limit, B2 – upper frequency limit, Pa – low-frequency pulse pres- sure, Pb – medium frequency pulse pressure, Pc – high frequency pulse pressure Rys. 3. Próbka do badań: a) schemat, b) widok Fig. 3. Sample for tests: a) scheme, b) the view of sample tablica I. Zestawienie średnich wartości naprężeń rozrywających uzyskanych w badaniach właściwości mechanicznych dla poszcze- gólnych serii badawczych table I. The mean tensile strength founded out in the mechanical properties tests for separate series nr serii 1 2 3 4 5 6 7 8 Rm, MPa 1,04 9,23 19,31 26,47 23,01 41,40 23,91 39,56 a) b) 34 Przegląd sPawalnictwa 5/2013 tablica II. Zestawienie wartości parametrów impulsów ultradźwię- kowych w dziedzinie częstotliwości: fr – częstotliwość maksymalnej amplitudy, B – pasmo przenoszenia, B1 – dolna granica częstotliwo- ści, B2 – górna granica częstotliwości, Pa – niskoczęstotliwościowe ciśnienie impulsu, Pb – średnioczęstotliwościowe ciśnienie impulsu, Pc – wysokoczęstotliwościowe ciśnienie impulsu table II. The ultrasonic pulse parameters values in the frequency domain: fr – frequency of maximum amplitude, B – transmitted fre- quency band, B1 – lower frequency limit, B2 – upper frequency limit, Pa – low-frequency pulse pressure, Pb – medium frequency pulse pressure, Pc – high frequency pulse pressure nr serii Parametr sygnału w dziedzinie częstotliwości fr MHz B MHz B1 MHz B2 MHz Pb Pa Pc 1 2,81 3,27 1,25 4,52 2,09 0,28 0,70 2 3,35 3,27 1,37 4,64 2,08 0,23 0,78 3 2,49 2,44 1,35 3,79 2,09 0,22 0,29 4 3,22 2,81 1,44 4,24 2,01 0,20 0,59 5 2,52 2,47 1,40 3,87 2,10 0,19 0,27 6 2,61 2,59 1,41 4,00 2,17 0,18 0,32 7 2,38 2,53 1,37 3,90 2,12 0,19 0,31 8 2,51 2,19 1,38 3,84 2,08 0,18 0,29 tablica III. Zestawienie współczynników korelacji między parame- trem ultradźwiękowym w dziedzinie częstotliwości a mechaniczną miarą jakości połączenia (oznaczenia jak w tabl. II) table III. Ultrasonic in frequency domain and mechanical joint quality correlation coefficient (designation acc to table II) Parametr ultradźwiękowy fr MHz B MHz B1 MHz B2 MHz Pb Pa Pc Współczynnik korelacji -0,40 -0,79 0,73 -0,68 0,27 -0,90 -0,70 Literatura [1] Adams R.D., Drinkwater B.W.: nondestructive testing of adhesively-bonded joint. nDT&E International, vol. 30, 1997, 2, s. 93-98. [2] Cawley P., Allin J.M., Lowe M. J. S.: Adhesive disbond detec- tion of automotive components using first mode ultrasonic re- sonance. nDT&E International, vol. 36, 7, 2003, s. 503-514. [3] Grondel S., Delebre Ch., Assai J et al.: Fatigue crack moni- toring of riveted aluminum strap joints by Lamb wave analy- sis and acoustic emission measurement techniques, nDT&E International, vol. 35, 3, 2002, s. 137-146. realizowanych z wykorzystaniem transformaty Fourie- ra zamieszczono w tablicy II. Wyznaczono także wartości współczynników kore- lacji między właściwościami mechanicznymi a para- metrami ultradźwiękowymi. Uzyskane wyniki zawarto w tablicy III. Mimo że współczynniki korelacji dla wybranych parametrów są wysokie, praktyczne zastosowa- nie wyników badań wymaga prowadzenia dalszych prac badawczych i pełniejszego rozpoznania zacho- dzących zjawisk fizycznych. Wnioski Uzyskane wyniki badań laboratoryjnych pozwa- lają na ilościową ocenę jakości połączeń klejowych. Wyznaczono zależności między wybranymi para- metrami impulsów ultradźwiękowych analizowanych w dziedzinie częstotliwości i właściwościami wytrzy- małościowymi tych połączeń (tabl. III). Praktyczne zastosowanie wyników badań wymaga dalszych prac. [4] Deputat J.: Postępy w ultradźwiękowych badaniach materia- łów, Część I. Przegląd Mechaniczny, Hz. 21, 1996, s. 5-10. [5] Pilarski A.: Ocena wytrzymałości adhezyjnej połączeń war- stwowych za pomocą metod ultradźwiękowych. Rozprawa doktorska, IPPT PAn, Warszawa, 1983 (biblioteka IPPT PAn). [6] Kowalczyk J.: Ocena połączeń klejonych metodą ultradźwię- kową, Rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań 2009 (biblioteka Politechniki Poznańskiej). Część badań wykorzystanych w niniejszym opracowaniu wykona- no w ramach projektu promotorskiego NR N N503 1308 33. W następnym numerze Krzsztof Dutka, Jan Stabryła Analiza przyczyn niskiej trwałości złącza spawanego wału inspektomatu Ryszard Pakos Próba zginania doczołowych złączy spawanych – wymagania podstawowe i alternatywne tomasz Piwowarczyk, aleksandra Małachowska, Paweł Sokołowski Tendencje rozwojowe zgrzewania łukiem wirującym w aspekcie zastosowań w przemyśle samochodowym Lesław Sozański, Paweł Sokołowski normalizacja wykrywania i oceny powierzchniowych niezgodności spawalniczych Winnicki Marcin, Małachowska aleksandra, Sokołowski Paweł Wpływ stereometrii powierzchni na właściwości adhezyjne warstwy naniesionej metodą LPCS