PS 12 2015 WWW 31PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 12/2015 Ocena wad i niezgodności spawalniczych metodą tomografii komputerowej CT The assessment of defects and discontinuities in weldings by means of computed tomography Mgr inż. Artur Kułaszka, mgr inż. Marek Chalimoniuk – Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, prof. dr hab. inż. Michał Wieczorowski, mgr inż. Dariusz Brzozowski – ITA Sp. z o.o. Sp. k. Autor korespondencyjny/Corresponding author: artur.kulaszka@itwl.pl Streszczenie W artykule przedstawiono możliwość zastosowania badań metodą tomografii komputerowej CT do oceny struktury spawów. Metoda tomografii komputerowej w porównaniu do tradycyjnej radiografii daje dużo więk- sze możliwości diagnozowania, kontroli złącz spawa- nych. Zwiększa się wykrywalność wad i niezgodności spawalniczych, co poprawia bezpieczeństwo eksplo- atacji. Metodą tomografii możemy dokładnie zwymiaro- wać wadę we wszystkich jej kierunkach i zlokalizować przestrzennie w spoinie, co znacznie ułatwia diagnoście podjęcie ewentualnej decyzji o naprawie spawu lub cał- kowitym zbrakowaniu wyrobu. W artykule opisano także ograniczenia stosowania metody tomografii rentgenow- skiej. Metoda ta jest szeroko wykorzystywana w przemy- śle w procesie kontroli jakości produkcji jako metoda nie- niszcząca NDT oraz w ramach profilaktycznych badań diagnostycznych. Słowa kluczowe: kontrola NDT, wady i niezgodności spawalnicze, diagnozowanie, tomografia komputerowa Abstract In the paper a possibility of welding structure inspec- tion by means of computed tomography was presented. In comparison to a traditional radiography, computed to- mography method gives much more opportunities to di- agnose and inspect welded joints. Thus it is easier to de- tect defects and discontinuities in weldings, what in turn increases safety of use. Tomography makes it possible to precisely attach to a defect dimensions in all direc- tions and spatially localize it in a joint. This will help to take a decision regarding repair of the joint or consider a workpiece as a scrap. Limits of the use of computer tomography were also described. This solution is widely used in industry in production quality control process as a NDT method as well as in regular prevention diagnosis actions. Keywords: NDT inspection, defects and discontinuities in welds, diagnosis, computed tomography Wstęp W procesie eksploatacji statków powietrznych występują różnego rodzaju uszkodzenia elementów jego konstrukcji, co skutkuje czasowym wycofaniem statku powietrznego z eksploatacji. Pociąga to za sobą konsekwencje finanso- we związane zarówno z koniecznością jego usprawnienia, jak i przestojami w przypadku komercyjnych statków po- wietrznych. Najdalej idące konsekwencje mają uszkodzenia prowadzące do katastrof lotniczych, kiedy to poza zniszcze- niem sprzętu mamy do czynienia z utratą życia wyszkolonej załogi oraz pasażerów. Uszkodzenia techniki można zaliczyć do kilku grup przy- czynowych, często ze sobą powiązanych. Do głównych przy- czyn uszkodzeń zalicza się: – wady produkcyjne, – niewłaściwie przeprowadzony remont lub usprawnienie, – błędy eksploatacyjne. Odstępstwa od jakości produkcji i napraw to duża grupa Artur Kułaszka, Marek Chalimoniuk, Michał Wieczorowski, Dariusz Brzozowski uszkodzeń wykrywana w trakcie okresowych badań profilak- tycznych techniki lotniczej prowadzonych zgodnie z syste- mem eksploatacji opracowanym dla danego typu obiektu. Uszkodzenia te, na które użytkownik nie ma wpływu i nie może im przeciwdziałać, mogą się ujawniać w całym okre- sie eksploatacji. Zarówno podczas eksploatacji jak i produkcji oraz pro- wadzonych remontów istnieje możliwość dokładnej oceny stanu technicznego elementów przy pomocy wielu nienisz- czących metod takich jak np. wizualna, penetracyjna, ultra- dźwiękowa czy radiograficzna (tradycyjna 2D) [1,2]. Metody te mają jednak ograniczoną zdolność oceny wad lub uszko- dzeń wewnętrznych, pęknięć podpowierzchniowych, uszko- dzeń występujących w materiałach wielowarstwowych. Czę- sto oceny takich wad dokonuje się dopiero podczas badań uszkodzonych elementów, kiedy uwidaczniają się one na powierzchni podczas diagnostyki wizualnej, a następnie we- ryfikuje się je wykonując badania metalograficzne [3]. Obecnie prowadzone są badania nad możliwością zasto- 32 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 12/2015 sowania tomografii komputerowej CT do oceny struktury ca- łego spektrum materiałów, takich jak stopy metaliczne, poli- mery, kompozyty oraz do oceny całych zespołów o złożonej budowie i skomplikowanej konstrukcji, a także badania be- tonów nawierzchniowych. Metoda ta jest szeroko wykorzy- stywana w przemyśle w procesie kontroli jakości produkcji jako metoda nieniszcząca NDT oraz w ramach profilaktycz- nych badań diagnostycznych. Metoda tomografii komputerowej daje dużo dokładniej- sze wyniki. Jako metoda nieniszcząca pozwala na weryfika- cję wad i uszkodzeń wewnątrz materiału. Metoda tomografii komputerowej (CT) Tomografia jest to zbiorcza nazwa metod diagnostycz- nych mających na celu uzyskanie przestrzennego obrazu przedstawiającego przekrój przez detal. Wyróżniamy kilka technik tomograficznych [1,4,5]: – „klasyczne” tomograficzne zdjęcie rentgenowskie; – dwuwymiarowa ultrasonografia (USG 2D); – tomografia komputerowa (CT, KT, TK); – tomografia rezonansu magnetycznego (MRI, MR, NMR, MRT); – pozytonowa tomografia emisyjna (PET); – tomografia emisyjna pojedynczego fotonu (SPECT); – koherentna tomografia optyczna (OCT). W diagnostyce technicznej szerokie zastosowanie zna- lazła metoda tomografii komputerowej ang. Computed To- mography (CT). Jest rodzajem tomografii rentgenowskiej, pozwalającym na uzyskanie obrazów przestrzennych (3D) z prześwietlania badanego obiektu wykonanych z różnych kierunków. Urządzenie do CT nazywamy tomografem, a uzy- skany obraz tomogramem (rys. 1.). Rys. 1. Przykład tomogramu elementu o złożonej geometrii Fig. 1. An example of tomo- gram of a workpiece with com- plex geometry Pierwszy tomograf zbudowała firma EMI Ltd z Wielkiej Brytanii w 1968 roku, a podstawy matematyczne opracował Johan Radon w 1917 roku [6]. Obecnie najczęściej stosowanymi metodami odtwarza- nia obrazu są metody analityczne. Dają one najlepsze wy- niki, ale wymagają dużych mocy obliczeniowych. Metoda dwuwymiarowej analizy Fourierowskiej wykorzystuje szyb- ką transformatę Fouriera do opisania otrzymanych profili pochłaniania. Transformacji poddaje się każdą z projekcji i dzięki temu uzyskuje się współczynnik pochłaniania w każ- dym z voxeli. Współczynniki pochłaniania zostają przeliczo- ne na liczby CT, nazywane także jednostkami Hounsfielda HU [1] (1). gdzie: K – stała wzmocnienia obrazu (indywidualna dla danego tomografu), µp – współczynnik pochłaniania piksela, µw – współczynnik pochłaniania wody (wartość odniesienia). 1 p w w H U K µ µ µ − = (1) Zakres jednostek Hounsfielda dla CT wynosi od -1000 do +4000. Taki zakres pozwala na przedstawienie obrazu w odcie- niach szarości. Ponieważ oko ludzkie jest w stanie rozróż- nić tak szerokiego zakresu w praktyce stosuje się skalę 256 poziomów szarości. Stanowi to wybrany wycinek wartości liczby CT, pozwala jednak uzyskanie na ekranie monitora wysokiego kontrastu obrazu, co ułatwia jego interpretację. Do diagnozowania elementów konstrukcji lotniczych niezbędna jest duża dokładność odwzorowania struktury wewnętrznej detalu w celu np. pomiarów geometrii, badań struktury materiału, wad, jak i do diagnozowania ich stanu np. podczas naprawy (uszkodzenia termiczne, mikropęknię- cia podpowierzchniowe i wewnątrz materiału rodzimego, zmiany struktury, zanieczyszczenia kanałów wewnętrznych itp.). W związku z powyższym najlepsze efekty uzyskuje się metodą z detektorem liniowym (rys. 2). W tej metodzie wiąz- ka promieniowania jest ograniczana za pomocą przesłony do wiązki płaskiej i stosuje się cyfrowy detektor liniowy (jeden szereg czujników). Po wykonaniu obrotu przedmio- tu o 360° otrzymuje się płaski rentgenowski obraz plastra. W celu otrzymania obrazu przestrzennego całego detalu na- leży dodatkowo przesuwać detal w płaszczyźnie pionowej i za każdym krokiem wykonywać pełen obrót. Pełny obraz 3D uzyskuje się po przetworzeniu wszystkich zgromadzo- nych danych. Rys. 2. Schemat badania tomograficznego z detektorem liniowym [7] Fig. 2. A scheme of tomographic inspection with linear detector [7] Rys. 3. Tomograf z firmy GE V/Tome/x m Fig. 3. A GE V/Tome/x m tomograph Ze względu na dużą szybkość w badaniach radiografii cyfrowej coraz częściej wykorzystuje się detektory panelo- we (wielokrotnie droższe od liniowych). W takim przypadku wiązka promieniowania jest kształtowana w stożek, a obraz otrzymuje się po wykonaniu jednego obrotu przedmiotu [8]. 33PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 12/2015 Takie rozwiązanie pozwala wielokrotnie zmniejszyć czas badania pojedynczego elementu z zachowaniem bardzo do- brej dokładności. W 2012 roku Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych zainstalował zakupiony od firmy ITA-Polska, przedstawi- ciela firmy GE Phoenix, tomograf typu v/tome/x m 300 (rys. 3) o max. mocy lampy 300 kV/500W. Ten nowocze- sny tomograf umożliwia rozpoczęcie prac badawczych obejmujących szerokie spektrum materiałów lotniczych, np. stopy tytanu, stale, materiały kompozytowe, itp. Ba- dania nieniszczące można prowadzić z bardzo dużą roz- dzielczością. Wykrywane defekty poniżej 0,5 µm z wyko- rzystaniem lampy 180 kV lub materiałów o dużej gęstości, np. tytanowe łopatki lotnicze, wykorzystując lampę o mocy 300 kV. Masa badanych elementów do 50 kg, o wymiarach 500x500x600 mm. Tomografia komputerowa oprócz zastosowań lotniczych może być pomocna w badaniach w innych dziedzinach na- uki, np. w badaniach lotniskowych nawierzchni betonowych, geologii, materiałów uzbrojenia, kompozytów i wielu innych. Na rysunkach 4÷7 przedstawiono przykładowe obrazy uzy- skane podczas badań różnych materiałów. Rys. 4. Obraz materiału kompozytowego Fig. 4. An image of a composite material Rys. 5. Obraz filtra paliwa Fig. 5. An image of a fuel filter Rys. 6. Obraz głowicy bojowej Fig. 6. An image of missile head Rys. 7. Obraz betonu nawierzchniowego Fig. 7. An image of concrete surface Dzięki przejściu promieniowania przez cały obiekt tomo- grafia rentgenowska pozwala na pomiary nawet bardzo zło- żonych obiektów z powierzchniami trudno dostępnymi oraz niewidocznymi wewnętrznymi inkluzjami i pustkami. Badanie spawów elementów konstrukcji lotniczych Produkcja lotnicza od zawsze związana jest z rygory- stycznymi kryteriami oraz najwyższą jakością wytwarzania ze względu na to, iż każdy element statku powietrznego trak- towany jest jako element krytyczny, mogący mieć wpływ na niezawodność i bezpieczeństwo całej konstrukcji lotniczej. Dlatego też każde nowe narzędzie diagnostyczne pozwala- jące szybciej, dokładniej, a co za tym idzie taniej skontro- lować produkt jest chętnie i szybko wykorzystywany przez producentów. Taką metodą jest też tomografia komputero- wa (CT) która znalazła zastosowanie między innymi do kon- troli spawów elementów podwozia lotniczego. 34 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 12/2015 Badania prowadzone przez Instytut Techniczny Wojsk Lot- niczych z wykorzystaniem tomografu typu v/tome/x m 300 fir- my GE Phoenix wykazały przewagę tej metody badań nad do- tychczas stosowaną metodą rentgenowską opartą na analizie błon radiograficznych. Obraz 3D pozyskany z tomografu jest o wiele dokładniejszy, przestrzenny, pozwalający na analizę badanego spawu w każdym kierunku i płaszczyźnie, rozróżnie- nie i wymiarowanie poszczególnych wad jeśli takowe wystę- pują. Skan obiektu zapisany w postaci pliku pozwala na jego późniejszą analizę z wykorzystaniem programu graficznego. Metoda ta choć jest wspaniałym narzędziem dla dia- gnosty posiada także swoje ograniczenia. Do największych zaliczyć należy wysoki koszt zakupu, brak mobilności – za- równo te pracujące w układzie zamkniętym jak i otwartym oraz ograniczoną wielkością komory przestrzeń pomiarową (w zależności od modelu i typu). Rys. 8. Obraz spoiny 3D Fig. 8. A 3D image of welded joints Rys. 9. Obraz spoiny 2D Fig. 9. A 2D image of welded joints Wnioski Proces weryfikacji konstrukcji lotniczych, zarówno na etapie produkcji jak i remontu jest bardzo istotną i odpowie- dzialną operacją. Metoda tomografii komputerowej CT, pozwala w sposób bardziej wiarygodny, szybki i co najważniej- sze nieniszczący dokonywać takiej weryfikacji (oceny). Z tego powodu metodę można stosować do sprawdzania 100% partii, nie tylko do reprezentatywnej próbki z danej partii. Zastosowanie tej metody w połączeniu z innymi metodami nieniszczącymi w znacznym stopniu podniesie prawdopodobieństwo wykrycia uszkodzenia elementów statków po- wietrznych. Literatura [1] J. Lewitowicz: Podstawy Eksploatacji Statków Powietrznych - Badania Eksploatacyjne Statków Powietrznych, T. 4., ITWL Warszawa 2007. [2] S.W. Rumiancew: Radiologiczne metody defektoskopowe, Ośrodek In- formacji o Energii Jądrowej, Warszawa 1970. [3] J. Błachnio, A. Kułaszka: Computer aided visual inspection of the tech- nical condition of gas turbine blades during their operation period. Journal of KONES Powertain and Transport, Vol. 16, No. 3, pp. 23-30, Warszawa, 2009. [4] Materiały z zakładu Radiografii Centrum Onkologii w Bydgoszczy: Rentgenowska tomografia komputerowa. Bydgoszcz. [5] Materiały z firmy Electronic Instrument Service: CT – Rentgenowska tomografia komputerowa w zastosowaniach przemysłowych. [6] J. Błachnio, J. Pawlak: Damageability of gas turbine blades - evaluation of exhaust gas temperature in front of the turbine using a non-linear ob- server, w: Advances in Gas Turbine Technology, InTech, Warszawa 2011. [7] R. Cierniak: Computed Tomography. Design principles of CT equip- ment. Algorithms for recovering of images. Warsaw 2005 (in Polish). [8] M. Wieczorowski, B. Gapiński: X-ray CT in metrology of geometric feature, Acta Tehnica Corviniensis – Bulletin of Engineering, VII, 1, 95-100, 2014.