PS 12 2015 WWW 92 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 12/2015 Zastosowanie mikroskopii akustycznej do oceny niezgodności połączeń zgrzewanych punktowo Application of acoustic microscopy for evaluation of defects in spot welded joints Dr inż. Marcin Korzeniowski, dr inż. Beata Białobrzeska, dr inż. Paweł Kustroń, mgr inż. Ewa Harapińska – Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny. Autor korespondencyjny/Corresponding author: pawel.kustron@pwr.edu.pl Streszczenie W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania mikroskopii akustycznej do oceny niezgodności połą- czeń zgrzewanych. W ramach prac badawczych wyko- nano połączenia zgrzewane dwóch gatunków blach alu- minowych EN AW5754 H24 oraz EN AW6005 T606, które następnie zostały poddane badaniom nieniszczącym z wykorzystaniem mikroskopii akustycznej oraz konwen- cjonalnym badaniom niszczącym z wykorzystaniem tra- dycyjnych technik przy użyciu mikroskopii świetlnej. Słowa kluczowe: zgrzewanie oporowe, mikroskopia aku- styczna, aluminium Abstract The article presents the possibilities of using of aco- ustic microscopy to evaluate of defects of spot welded joints. For this purpose, the spot welded joints were made from two grades of alumina plates EN AW5754 H24 and EN AW6005 T606, which were then subjected to non-destructive testing using acoustic microscopy and conventional destructive macroscopy. Additionally, it was examined the influence of the typical contaminants found in industrial conditions for the quality of the joint. Keywords: resistance welding, acoustic microscopy, alu- minium Wstęp Jak podają dane statystyczne, w Polsce wykonuje się oko- ło 2 miliardów zgrzein punktowych rocznie [1]. Spowodowa- ło to gwałtowne zapotrzebowanie na nieniszczące techniki pozwalające badać właściwości mechaniczne materiałów, skład, strukturę materiałów oraz nieciągłości wewnętrzne. Jedną z metod umożliwiającą badanie struktury we- wnętrznej zgrzein punktowych z dużą rozdzielczością prze- strzenną po procesie zgrzewania jest skaningowa mikro- skopia akustyczna (SAM – Scanning.Acoustic.Microscopy). Metoda ta polega na zastosowaniu przetwornika ultradź- więkowego wysokiej częstotliwości, przy równoczesnym zastosowaniu układu soczewek akustycznych skupiających wiązkę ultradźwiękowa, co powoduje koncentrację wiązki ultradźwiękowej w wybranym punkcie. Przyjmuje się, że roz- dzielczość mikroskopu akustycznego, wynosi połowę długo- ści fali zastosowanego przetwornika ultradźwiękowego. Ty- powe zakresy częstotliwości pracy przetworników wynoszą 5-200 MHz [2]. Do badań zgrzein punktowych najczęściej stosuje się głowice o częstotliwości pracy 50 MHz. Mikro- skop akustyczny może pracować w dwojaki sposób: metodą echa lub metodą przepuszczania (transmisyjną). Do badań zgrzein punktowych najczęściej stosuje się metodę echa, dlatego też metoda ta zostanie szczegółowo omówiona. Jeżeli mikroskop akustyczny wykorzystuje metodę im- mersyjną (zanurzeniową), konieczne jest zastosowanie cieczy (najczęściej wody) jako ośrodka sprzęgającego. Warunkiem uzyskania poprawnego sprzężenia jest wyeli- minowanie pęcherzyków powietrza z cieczy sprzęgającej, które mogą rozpraszać wiązkę ultradźwiękową. Marcin Korzeniowski, Beata Białobrzeska, Paweł Kustroń, Ewa Harapińska Za pomocą skaningowej mikroskopii akustycznej moż- liwe jest uzyskanie następujących informacji o zgrzeinie punktowej: – parametry technologiczne złącza: określenie średnicy i kształtu jądra zgrzeiny, głębokość wgniotu elektrod, – detekcja nieciągłości wewnętrznych i zewnętrznych: pęk- nięcia, jamy skurczowe, brak zgrzania i ekspulsje. Podczas ruchu przetwornika z głowicą skupiającą nad powierzchnią próbki, rejestrowane są sygnały w postaci A-scan fali ultradźwiękowej, w określonych odstępach (np. co 50 µm). Decyduje to o rozdzielczości uzyskanego obrazu typu B i C. Będąc w strefie poza jądrem zgrzeiny fala ultradźwiękowa odbija się od powierzchni granicznej woda-górna blacha, od granicy blacha-blacha i od dolnej po- wierzchni dolnej blachy. Charakterystyczne jest silne odbi- cie na granicy blacha-blacha widoczne na prezentacji typu A (rys. 1a). Rys. 1. Obraz A-scan fali ultradźwiękowej. Przetwornik poza jądrem zgrzeiny (a), przetwornik nad jądrem (b) Fig. 1. The A-scan image of ultrasonic wave. The transmitter beyond the spot weld (a), the transmitter above the spot weld (b) b)a) 93PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 12/2015 Gdy głowica znajduje się ponad jądrem zgrzeiny (rys. 1b) na obrazie ultradźwiękowym A-scan widoczne są 2 odbicia (zakładając, że jądro jest homogeniczne, bez nie- ciągłości wewnętrznych), pierwsze - od granicy woda-gór- na powierzchnia blachy górnej i drugie – odbicie od dolnej powierzchni zgrzeiny. Składając z odpowiednim krokiem odseparowane wybrane impulsy z A-scan w płaszczyźnie X i Y otrzymuje się dwuwymiarowy obraz zeskanowanej powierzchni tzw. C-scan (rys. 2). Rys. 2. Schemat powstawa- nia prezentacji C-scan na skaningowym mikroskopie akustycznym Fig. 2. A schematic of the for- mation of C-scan for scanning acoustic microscope Oprogramowanie mikroskopu umożliwia śledzenie am- plitudy lub czasu przejścia dowolnie wybranego impulsu (odbicie od powierzchni granicznej woda-górna powierzch- nia próbki), dlatego też skala szarości reprezentuje wartość amplitudy lub czas przejścia fali ultradźwiękowej (rys. 3). a) b) Rys. 3. Prezentacja typu C zgrzeiny punktowej , skala szarości repre- zentuje amplitudę (a) i czas przejścia (b) Fig. 3. The presentation of C-scan of the spot weld, grayscale repre- sents amplitude (a) and time of flight (b) Politechniki Wrocławskiej. Mikroskop akustyczny składa się z trzech niezależnie sterowanych osi, których zadaniem jest przemieszczanie przetwornika. Ruch przetwornika wzglę- dem osi pionowej „z” służy do ustalania odległości ogniska przetwornika względem powierzchni obiektu. Wszystkie pomiary wykonano z zastosowaniem następu- jących parametrów: – częstotliwość drgań przetwornika: 20 MHz, – długość ogniska w wodzie: 15 mm, – wielkość ogniska: 0,2 mm, – rozdzielczość w osiach x-y: 50µm, – skala odcieni szarości: 256, – obszar skanowania: 12x12 mm. Opracowany system pomiarowy oprócz wizualizacji ob- szaru ciągłości zgrzein w płaszczyźnie równoległej (prezenta- cja C-scan) i prostopadłej (B-scan) do powierzchni, umożliwia pomiar średnicy oraz głębokości wgniotu po elektrodach. Wyniki badań i ich dyskusja W tabeli I przedstawiono wyniki badań z zastosowaniem mikroskopii akustycznej przykładowych złączy zgrzewa- nych punktowo. W kolumnie oznaczonej jako C-scan za- mieszczono przekroje ultradźwiękowe równoległe do po- wierzchni łączonych blach w miejscu ich styku. W kolumnie oznaczonej jako B-scan, zamieszczono przekroje prostopa- dłe do powierzchni blach wykonane w osi złącza. Na rysun- kach 4÷7 zaprezentowano wyniki badań niszczących. Niewątpliwą zaletą mikroskopii akustycznej jest możli- wość dokładnego odwzorowania kształtu połączenia zgrze- wanego i rozkładu niezgodności wewnątrz w jego wnętrzu. Analiza za pomocą badań metalograficznych możliwa jest jedynie w jednym przekroju, prostopadłym do powierzchni blachy. Wykonane badania wskazują, że połączenia ozna- czone jako 1 i 4 w kierunku równoległym do powierzchni mają kształt okrągły natomiast złącza 2 i 3 owalny. Różnice te mogą wynikać z innego stopnia zużycia elektrod. Zrealizowane badania wykazały, że mikroskopia akustyczna może być wykorzystana do oceny zmian strukturalnych powsta- łych wewnątrz jądra, które ujawnić można wykorzystując tę metodę, co potwierdzono prezentacjami wyników uzyskanych przez autorów niniejszej pracy. Oprócz zastosowania klasycznej mikroskopii akustycznej coraz częściej do badań zgrzein wyko- rzystywane są ręczne mini-skanery ultradźwiękowe. Pomimo ich mocno ograniczonej przestrzeni roboczej Thornton, Han, Shergold wykazali [3], że prezentacja C-scan może dostarczyć informacji o kształcie jądra zgrzeiny, nieciągłościach wewnętrz- nych oraz głębokości wgniotu po elektrodach. Ponadto zespół z University of Windsor Ontario Canada wykorzystał skaningo- wą mikroskopię do oceny złączy w kombinacji nakrętka-blacha [4]. Wstępne wyniki badań wskazują, że mikroskopia akustycz- na może służyć do wstępnej oceny jakości złącza i powierzchni styku garbu z blachą. Badania tego zespołu nad zastosowaniem mikroskopii akustycznej do oceny połączeń zgrzewanych, głów- nie złączy stalowych są jednymi z najbardziej zaawansowanymi pracami prowadzonymi na świecie. Przytoczone wyniki badań, jak również rezultaty uzyskane przez autorów niniejszej pracy potwierdzają możliwość zastosowania mikroskopii akustycznej do oceny połączeń zgrzewanych. Już pierwsze publikacje z tej tematyki, pochodzące z końca lat 90 wiązały wielkie nadzieje z rozwojem tej techniki kontroli [5]. W kolejnych latach skanin- gowa mikroskopia akustyczna stała się powszechną metodą badań nieniszczących, a zastosowanie prezentacji B i C-scan umożliwiło identyfikacje takich niezgodności jak pustki, jamy skurczowe i wtrącenia obce [2]. Automatyczna ocena i identyfi- kacja niezgodności jest możliwa np. dzięki zastosowaniu algo- rytmów opartych o sieci neuronowe [6]. Kalibrując układ pomiarowy poza strefą jądra zgrzeiny i ustawiając zakres pomiarowy obejmujący drugie odbicie otrzymuje się C-scan powierzchni granicznej blacha-bla- cha. Rozwiązanie to jest wykorzystywane do oceny średni- cy jądra, jego kształtu i detekcji nieciągłości wewnętrznych badanych obiektów. Metodyka badań, materiał do badań Złącza zgrzewane zostały wykonane z dwóch gatun- ków blach aluminiowych EN AW5754 H24 (grubość blachy 1.6 mm) oraz EN AW6005 T606 (grubość blachy 3.5 mm). Dodatkowo przed zgrzewaniem materiał poddano modyfika- cji polegającej na: przemyciu blach etanolem (złącze nr 2), wstępnym przepolerowaniu (złącze nr 3) oraz zanieczysz- czeniu olejem (złącze nr 4). Miało to na celu odzwierciedle- nie rzeczywistych warunków produkcyjnych. Ponadto miało to na celu ocenić wpływ wstępnych zabiegów polegających na specjalnym przygotowaniu i oczyszczeniu powierzchni zgrzewanych blach na jakość otrzymywanych połączeń. Badania z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii akustycznej przeprowadzono za pomocą urządzenia skon- struowanego i wykonanego w Katedrze Materiałoznawstwa Wytrzymałości i Spawalnictwa na Wydziale Mechanicznym 94 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 12/2015 Tablica I. Wyniki badań ultradźwiękowych zgrzein punktowych Table I. Results of ultrasonic tests of spot welds Nr złącza Makrostruktura zgładu badanych połączeń C-scan B-scan Średnica [mm] Wgniot [mm] 1 Złącze nr 1 - powierzchnia blach nie poddana mody- fikacji 6,08 0,27 2 Złącze nr 2 - powierzchnia blach odtłuszczona eta- nolem 8,53 0,27 3 Złącze nr 3 - powierzchnia blach polerowana 5,01 0,28 4 Złącze nr 4 - powierzchnia blach zanieczyszczona olejem 6,3 0,29 Literatura [1] Papkala H., Pietras A., Zadroga L.: Zgrzewanie rezystancyjne punkto- we blach ocynkowanych, Przegląd Spawalnictwa Nr 5-7, s. 51-57. [2] Chertov A. M., Maev R. G., Severin F. M.: Acoustic Microscopy of Internal Structure of Resistance Spot Welds, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 54, no. 8, August 2007. [3] Thornton M., Han L., Shergold M.: Progress in NDT of Resistance Spot Welding of Aluminium Using Ultrasonic C-scan, NDT&E International 48 (2012) 30-38. [4] Maev R. Gr., Seviaryn F.: Ultrasonic Imaging Inspection of Projection Welds, 5th Pan American Conference for NDT 2-6 October 2011, Cancun, Mexico. [5] Maev R. Gr., Watt D. F., Pan R.: Levin V. M., Maslov K. I. Development of High Resolution Ultrasonic Inspection Methods for Welding Microde- fectoscopy, , Acoustical Imaging Volume 22, 1996, pp 779-784. [6] Lee H. T., Wang M., Maev R. G., Maeva E.: A Study on Using Scanning Acoustic Microscopy and Neural Network Techniques to Evaluate the Quality of Resistance Spot Welding, Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2003) 22, 727-732. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że wszystkie badane złącza posiadają w części środkowej niezgodności wewnętrzne uwidocznione na przekrojach ultradźwiękowych, tj. prezentacjach C-scan i B-scan. Po- nadto dla złączy oznaczonych jako 3 oraz 4 na części obwodu zgrzein zaobserwowano strefy słabszego sprzężenia akustycznego (uwidocznione jako jasne pasma), które mogą wskazywać na adhezyjny charakter złącza tzw. przykle- jenie. Z uwagi na relatywnie małą rozdzielczość wynikającą głównie z wielkości ogniska jest to ocena jakościowa, która jednak potwierdza badania metalograficzne mikro- i makroskopowe. Przeprowadzone badania wskazują, iż ska- ningowa mikroskopia ultradźwiękowa może być zastosowana do badań materiałowych połączeń zgrzewanych zarów- no pod kątem pomiaru rzeczywistej powierzchni przetopu łączonych blach, jak również w celu ujawniania nieciągłości wewnętrznych takich jak jamy skurczowe, pory i pęcherze gazowe. Jej niewątpliwą zaletą jest możliwość uzyskania dowolnej (aczkolwiek ograniczonej pamięcią jednostki centralnej) liczby przekrojów prostopadłych do powierzchni złą- cza. Jedynymi nieciągłościami, które nie zostały ujawnione za pomocą skaningowej mikroskopii ultradźwiękowej były mikropęknięcia. Dodatkowo zauważono, że zanieczyszczenie blach olejem, czy wstępne przygotowanie blach poprzez ich oczyszczenie, czy wypolerowanie nie miało wpływu na jakość otrzymanych zgrzein.