PS 10 2015 WWW.pdf 10 Przegląd sPawalnictwa Vol. 87 10/2015 Analiza dokładności wyznaczenia położenia nieciągłości punktowych w badaniach ultradźwiękowych z wykorzystaniem głowic podwójnych The analysis of accuracy of determination of a point-type discontinuity position in ultrasonic testing using a double-transducer probe Mgr inż. Rafał Kaczmarek – Politechnika Częstochowska, Zakład Spawalnictwa. Autor korespondencyjny/Corresponding author: rafal.kaczmarek133@gmail.com Streszczenie Artykuł dotyczy wykorzystania głowic podwójnych do wykrywania nieciągłości punktowych w ultradźwięko- wej metodzie badań nieniszczących. Przedstawiono wy- niki badań świadczące o zróżnicowanej charakterystyce wiązki ultradźwiękowej w dwóch wzajemnie prostopa- dłych kierunkach. Charakterystyka ta wpływa bezpośred- nio na wyznaczenie położenia nieciągłości punktowych. Badania wykazały, że wiązka ultradźwiękowa głowicy podwójnej o częstotliwości 4MHz posiada dwa maksima ciśnienia akustycznego nie pokrywające się z geome- trycznym środkiem głowicy. Nieznajomość tejże charak- terystyki może skutkować popełnieniem znacznego błę- du zarówno w odniesieniu do zlokalizowania nieciągłości, jak i jej oceny na podstawie kryteriów akceptacji zawar- tych w normach dotyczących badań ultradźwiękowych. Słowa kluczowe: badania nieniszczące, badania ultradź- więkowe, głowica podwójna Abstract The article concerns the use of double-transduc- er probes for detecting point-type discontinuities in the ultrasonic non-destructive test method. The re- sults of studies demonstrate the different characteristic of the ultrasonic beam in two mutually perpendicular di- rections. The characteristic directly affects the determi- nation of a position of a point-type discontinuity. Studies have shown that the ultrasonic beam formed by double probe with 4 MHz frequency has two sound pressure maxima that do not coincide with the geometrical centre of the probe. Unfamiliarity with the characteristic may result with committing a significant error both in rela- tion with location of discontinuity, as well as its assess- ment on the basis of the acceptance criteria contained in the standards for ultrasonic testing. Keywords: non destructive testing, ultrasonic testing, double transducer probe Wstęp Głowice podwójne fal podłużnych pozwalają na wykry- wanie nieciągłości wewnętrznych w elementach o grubości do około 200 mm. Stosowane są one do kontroli ultradź- więkowej odkuwek i odlewów, wykrywania rozwarstwień i pęknięć lamelarnych w blachach, a także badań złączy spa- wanych z powierzchni lica spoiny po uprzednim usunięciu nadlewu. Ich zaletą jest bardzo mała - a często praktycznie równa zeru - strefa martwa. Jest to spowodowane znacz- ną odległością między przetwornikami głowicy a jej powie- rzchnią roboczą, skutkującą dużym opóźnieniem między momentem detekcji fali z przetwornika nadawczego a mo- mentem wejścia fali do badanego elementu [1,2]. Budowę głowicy podwójnej pokazano na rysunku 1. Echo nieciągłości powstaje na skutek współdziałania na- dajnika i odbiornika wtedy, gdy nieciągłość jest w zasięgu wiązki fal wysłanych z nadajnika, a wiązka fal odbitych trafia do odbiornika (rys. 1). Rozkład czułości głowicy podwójnej jest specyficzny i zależy od kilku czynników: – kształtu i wielkości przetworników, – odległości między przetwornikami, – kąta nachylenia przetworników względem geometrycznej Rafał Kaczmarek osi głowicy, – długości linii opóźniających (odległości przetworników od powierzchni roboczej głowicy) [1]. Należy zaznaczyć, że głowica podwójna – w przeciwień- stwie do głowic pojedynczych z przetwornikiem okrągłym - nie posiada symetrii obrotowej pola czułości, dlatego też Rys. 1. Schemat głowicy podwójnej fal podłużnych – przekrój prostopadły do płaszczyzny rozdziału Fig. 1. A double-transducer longitudinal waves probe - a section perpendicular to the plane of separation 11Przegląd sPawalnictwa Vol. 87  10/2015 a) inna jest szerokość jej wiązki mierzona w kierunku prosto- padłym do płaszczyzny rozdziału (tzn. izolacji akustycz- nej), niż w kierunku równoległym do płaszczyzny rozdziału. Ponieważ przetworniki są zazwyczaj prostokątne, to pierw- sza z przytoczonych wartości jest mniejsza, a druga więk- sza. Jak wykazały przedstawione poniżej wyniki badań, fakt ten ma duże znaczenie w kontekście dokładności wyzna- czenia położenia nieciągłości punktowych. W pewnych przy- padkach może mieć to znaczący wpływ na końcową ocenę kontroli jakości całego elementu badanego [3,4]. Metodyka i wyniki badań Badanie przeprowadzono przy pomocy defektoskopu USM 36 i głowicy podwójnej DL4R-6x20 nr 867964 o czę- stotliwości 4 MHz i wymiarach przetworników 6x20 mm. Nieciągłość punktowa nr 1 w badanej próbce została wyko- nana poprzez nawiercenie otworu płaskodennego o średni- cy 2 mm. Znajdowała się ona na głębokości 29 mm w sto- sunku do powierzchni badania. Szkic fragmentu próbki wraz z przyjętym sposobem pomiaru odległości x(1) przy wyzna- czaniu obwiedni echa przedstawiono na rysunku 2. Przeprowadzone badanie polegało na rejestracji przekro- czenia decybelowego ΔV względem krzywej DGS (odległość – wzmocnienie – rozmiar) dla reflektora płaskodennego o średnicy DDSR=1,5 mm. Jego istotą było zarejestrowanie obwiedni echa przy przesuwie głowicy nad nieciągłością punktową w kierunku krawędzi próbki, przy dwóch wzajem- nie prostopadłych orientacjach głowicy podwójnej – płasz- czyzna rozdziału głowic była zorientowana poprzecznie (pozycja A) oraz wzdłużnie (pozycja B) do kierunku przesu- wu głowicy (rys. 2). Rejestracji wartości x(1), będącej odle- głością między geometrycznym środkiem głowicy a krawę- dzią próbki, dokonano z dokładnością wynoszącą 0,5 mm. W ten sposób otrzymano dwie obwiednie echa od nieciągło- ści punktowej nr 1, uzyskane przy zastosowaniu tej samej głowicy podwójnej, jednakże różnie zorientowanej w stosun- ku do kierunku przesuwu głowicy. b) Rys. 2. Schemat oznaczenia wartości x(1) przy rejestracji obwied- ni echa od nieciągłości nr 1: a) płaszczyzna rozdziału głowicy po- dwójnej zorientowana poprzecznie do kierunku przesuwu głowicy, b) płaszczyzna rozdziału głowicy podwójnej zorientowana wzdłuż kierunku przesuwu głowicy Fig. 2. Scheme of value x(1) designation for the boundary of regi- stration echoes from discontinuity 1: a) acoustical barrier oriented perpendicularly to the direction of probe movement b) acoustical barrier oriented parallel to the direction of probe movement Na wykresie (rys. 3) zamieszczono obwiednię echa uzy- skaną przy przesuwie głowicy w pozycji A, tzn. z powierzchnią rozdziału skierowaną poprzecznie. Wykazuje ona maksimum amplitudy (ΔV=5 dB) dla wartości x(1)=69,5 mm, podczas gdy rzeczywista odległość nieciągłości punktowej od kra- wędzi próbki wynosi x0=70 mm. Zatem takowa pozycja głowicy przy określaniu położenia nieciągłości punktowej skutkuje bardzo precyzyjnym wyznaczeniem jej lokalizacji, nieznacznie różniącym się od rzeczywistego. Popełniony błąd w ocenie położenia środka nieciągłości wynosi 0,5 mm. Echo od nieciągłości stopniowo wzrasta, uzyskując maksimum wówczas, gdy płaszczyzna rozdziału znajduje się nad środ- kiem nieciągłości punktowej, po czym stopniowo maleje. Rys. 3. Obwiednia echa od nieciągłości punktowej nr 1 przy orien- tacji głowicy w pozycji A - płaszczyzna rozdziału głowicy podwójnej zorientowana poprzecznie do kierunku przesuwu głowicy Fig. 3. Boundary of echoes from the discontinuity point No. 1 when the probe oriented in position A - acoustical barrier oriented trans- versely to the direction of travel of the head oriented perpendicularly to the direction of probe movement Rys. 4. Obwiednia echa od nieciągłości punktowej nr 1 przy orien- tacji głowicy w pozycji B - płaszczyzna rozdziału głowicy podwójnej zorientowana wzdłuż kierunku przesuwu głowicy Fig. 4. Boundary of echoes from the discontinuity point No. 1 when the probe oriented in position B - acoustical barrier oriented trans- versely to the direction of travel of the probe oriented along the di- rection of probe movement Na rysunku 4 zamieszczono wykres obwiedni uzyskanej przy przesuwie głowicy w pozycji B, tzn. z płaszczyzną roz- działu skierowaną wzdłuż kierunku przesuwu głowicy. Jak wi- dzimy, obwiednia uzyskana w ten sposób znacząco różni się od opisanej powyżej. Wykazuje ona dwa maksima przesunię- te od geometrycznego środka głowicy o około 3,5 mm. Pierw- szy szczyt obwiedni występuje przy wartości x(1)=66,5 mm, natomiast drugi przy wartości x(1)= 73,5 mm, przy czym oby- dwa wykazują taką samą amplitudę wynoszącą ΔV=5dB. Pomiędzy nimi występuje lokalne minimum pokrywające się z geometrycznym środkiem głowicy podwójnej. Spadek amplitudy echa między lokalnym minimum i maksimum obwiedni wynosi w przybliżeniu 3dB. 12 Przegląd sPawalnictwa Vol. 87 10/2015 Na wykresie (rys. 5) zestawiono obwiednie uzyskane dla pozycji A i B w funkcji odległości od geometrycznego środka głowicy. Znając rzeczywistą odległość x0=70 mm środka badanej nieciągłości punktowej od krawędzi prób- ki, będącej bazą pomiarową przy określaniu wartości x(1), wyznaczono odległość nieciągłości od geometrycznego środka głowicy X=x(1)-x0. W ten sposób uzyskano charak- terystykę spadku amplitudy echa dla dwóch wzajemnie prostopadłych osi symetrii głowicy podwójnej. Jak widzi- my, wiązka głowicy podwójnej o częstotliwości 4MHz i wy- miarach przetworników 6x20 mm posiada dwa maksima ciśnienia akustycznego, nie pokrywające się z jej środkiem geometrycznym. Maksima te leżą wzdłuż osi rozdziału głowicy i są oddalone od siebie o ok. 7 mm. Oznacza to, że wyznaczanie położenia nieciągłości punktowej poprzez poszukiwanie najwyższego echa przy niekorzystnej orien- tacji głowicy (pozycja B), każdorazowo skutkuje popełnie- niem błędu. Wyznaczona wówczas lokalizacja nieciągłości jest przesunięta o 3,5 mm wzdłuż płaszczyzny rozdziału głowic od rzeczywistego położenia nieciągłości. Błąd ten może zostać zwielokrotniony w przypadku wyznaczania odległości między nieciągłościami. Sytuację tą pokazano na rysunku 6, przyjąwszy odległość między nieciągłościami punktowymi(zielone punkty) równą 40 mm. Jeżeli pomiar odległości między nimi nastąpiłby przy niekorzystnej orien- tacji głowicy (pozycja B), wtedy w dwóch skrajnych przypad- kach wyznaczona odległość będzie wynosiła 33 mm oraz 47 mm, co daje 14 mm różnicy między możliwymi pomiara- mi (rys. 6a). W wielu przypadkach takowa różnica odległości powoduje zmianę kryteriów oceny wskazań. Przykładem może być ocena wad punktowych w odkuwkach na podsta- wie PN-EN 10228-3 [5]. Według przywołanej normy wady punktowe, między którymi odległość jest mniejsza bądź równa 40 mm, są zaliczane do wad punktowych skupionych - i tym samym - podlegają bardziej rygorystycznym kryte- riom oceny. Natomiast nieciągłości oddalone o więcej niż 40 mm stanowią wady punktowe odosobnione i są oceniane według łagodniejszych kryteriów. W ten sposób dwa bada- nia wykonane przez jednego operatora, przy pomocy tego samego wyposażenia badawczego, mogą dać odmienny wynik - i co się z tym wiąże - inną klasę jakości odkuwki. Zo- brazowany na rys. 6a przykład pokazuje, że nawet niewielkie 3,5 milimetrowe przesunięcie maksimum obwiedni od środ- ka głowicy może w pewnych przypadkach przyczynić się do błędnego wyniku badania. Z tego względu wyznaczenie położenia nieciągłości, a zwłaszcza odległości między nimi, powinno być realizowane przy orientacji głowicy w pozycji A (rys. 6b). W ten sposób wynik badania będzie powtarzalny i bliski rzeczywistej odległości między lokalizowanymi nie- ciągłościami. Rys. 5. Obwiednia echa nieciągłości punktowej nr 1 przy orientacji głowicy w pozycjach A i B w funkcji odległości nieciągłości od geo- metrycznego środka głowicy Fig. 5. Boundary of echoes from the discontinuity point No. 1 on the orientation of the probe at positions A and B as a function of the distance of discontinuity from the geometric centre of the probe Rys. 6. Wyznaczanie odległości między nieciągłościami punktowy- mi: a) niepoprawne, prowadzące do znacznego błędu (orientacja głowicy w pozycji B); b) poprawne, eliminujące możliwość zaistnie- nia znacznego błędu (orientacja głowicy w pozycji A) Fig. 6. The determination of a distance between point-type dis- continuities: a) incorrect, may lead to the considerable mistake (the orientation of the probe at positions B); b) correct, the possi- bility of considerable mistake is eliminated (the orientation of the probe at positions A) a) b) Wnioski Opisane w artykule badania wykazały, że wiązka ultradźwiękowa głowic podwójnych o częstotliwości 4 MHz i wymiarach przetworników 6x20 mm wykazuje dwa maksima ciśnienia akustycznego. Są one zlokalizowane wzdłuż płaszczyzny rozdziału głowic (izolacji akustycznej) i oddalone od geometrycznego środka głowicy o ok. 3,5 mm w kierunku zewnętrznej krawędzi głowicy. Fakt ten utrudnia precyzyjne wyznaczenie położenia nieciągłości punkto- wych i w niektórych przypadkach może być przyczyną znacznych różnic w ocenie wykrytych wskazań, a nawet całych elementów badanych. Sytuacja ta dotyczy zwłaszcza wyznaczenia odległości między dwoma sąsiadującymi niecią- głościami, przy której może dojść do zwielokrotnienia popełnionego błędu. Zaproponowano sposób badania elimi- nujący możliwość błędnej lokalizacji wykrytych nieciągłości związany z odpowiednią orientacją głowicy w stosunku do kierunku jej przesuwu przy wyznaczaniu położenia nieciągłości. Warto nadmienić, że poprawność opisanych wyni- ków badań zweryfikowano przy użyciu kilkunastu głowic podwójnych danego typu (4 MHz, 6x20 mm, dwóch producen- tów) stosując nieciągłości na różnych głębokościach. Każdorazowo uzyskane wyniki były zbliżone do zaprezentowa- nych w niniejszym artykule, potwierdzając tym samym zasadność wyciągniętych wniosków. Literatura [1] J. Deputat: Badania ultradźwiękowe Podstawy. Instytut Metalurgii Że- laza im. Stanisława Staszica, Gliwice, 1979. [2] A. Szymański: Kontrola i zapewnienie jakości w spawalnictwie Tom 2 Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1998. [3] R. Kaczmarek, R. Krawczyk: Projektowanie i wytwarzanie konstrukcji spawanych w aspekcie możliwości przeprowadzenia badań ultradź- więkowych wykonanych złączy. Przegląd Spawalnictwa, 2014, nr 7. [4] J. Słania: „Plany spawania Teoria i praktyka”, Wydawnictwo SIMP, War- szawa, 2013. [5] PN-EN 10228-3 Badania nieniszczące odkuwek stalowych Badanie ultradźwiękowe odkuwek ze stali ferrytycznych i martenzytycznych.