miercuri, 29 octombrie 2008

SM I - Defectoscopia cu ultrasunete

DEFECTOSCOPIA CU ULTRASUNETE


1. Scopul lucrării

Defectoscopia ultrasonică se ulilizează la controlul pieselor metalice obţinute prin turnare, deformare plastică, sudare precum şi la controlul unor piese nemetalice.
Permiţând atât identificarea cât şi localizarea defectelor, defectoscopia ultrasonică prezintă o importanţă deosebită, motiv pentru care lucrarea de faţă0 îşi propune însuşirea de către studenţi a cunoştinţelor necesare lucrului cu această metodă.

2. Consideraţii generale
Defectoscopia ultrasonică este procedeul de încercare nedistructivă a metalelor şi materialelor, la care se folosesc ultrasunete cu anumite caracteristici optime pentru punerea în evidenţă a defectelor.
2.1. Ultrasunetele sunt vibraţii ale mediilor elastice de frecvenţă superioară celei care produce senzaţie auditivă ( 20*103Hz) şi inferioară frecvenţei hipersunetelor ( 1010 Hz). Ultrasunetele se propagă sub formă de undă elastică. În scopul defectoscopiei se folosesc două tipuri de unde ultrasonice:
- unde longitudinale – unde la care direcţia oscilaţiei particulelor şi direcţia propagării sunt paralele (fig.9.1.a).
- unde transversale – unde la care direcţia oscilaţiei particulelor şi direcţia propagării sunt perpendiculare (fig.9.1.b).

Undele longitudinale se pot forma atât în solide cât şi în fluide, iar undele transversale numai în solide.
În funcţie de mediul în care se formează se obţin diferite proprietăţi ale ultrasunetelor:
- viteza de propagare în solide este diferită în funcţie de tipul undei şi de calitatea materialului. Factorii care influenţează viteza de propagare a undei ultrasonice în solide sunt frecvenţa ( c~f) şi temperatura ( c~1/t).
- intensitatea ultrasunetului este cantitatea de energie acustică care trece în unitatea de timp prin unitatea de suprafaţă. Este proporţională cu densitatea mediului “ρ”, cu viteza de propagare “c“, cu amplitudinea “a”, cu pulsatia “ω” şi se exprimă în w/m2.
- reflexia şi refracţia ultrasunetului se produce datorită faptului că are lungimea de undă mică şi se propagă în linie dreaptă. O discontinuitate în mediu produce reflaxiasau refracţia undelor ultrasonice.
- atenuarea undelor ultrasonice apare în toate mediile reale de propagare. Ea este provocată de absorbţie şi difuzie. Prin absorbţie acustică se înţelege transformarea energiei acustice în energie termică prin diferite procese, iar prin difuzie o împrăştiere a energiei în mediul în care se propagă unda. Atenuarea undelor ultrasonice este diferită la acelaşi tip de metal în funcţie de starea de prelucrare a acestuia ( turnat, forjat, deformatla rece, tratat termic), care determină o anumită structură internă.
2.2. Producerea ultrasunetelor. Ultrasunetele folosite în defectoscopia metalelor sunt generate cu oscilatoare piezoelectrice.
Fenomenul piezoelectric constă în faptul că unele cristale supuse unor eforturi dezvoltă pe feţele lor sarcini electrice. Semnul sarciniidepinde de tipul deformaţiei ( intindere sau compresiune). Efectul piezoelectric este reversibil, ceea ce înseamnă că aplicarea unei tensiuni pe feţele cristalului se va dezvolta în cristal o forţă care va duce la deformarea suprafeţelor. Dacă tensiunea este alternativă, se vor produce vibraţii cu o frecvenţă egală cu cea a tensiunii aplicate. Proprietăţile piesoelectrice se manifestă mai puternic la următoarele cristale folosite în practică: cuarţ (SiO2) titanat de bariu (BaTiO3), tartrat dublu de sodiu şi potasiu, etc.
Plăcuţele piezoelectrice sunt montate într-un ansamblu numit palpator. După destinaţie palpatoarele pot fi normale şi înclinate (fig.9.2.).


Elementele componente sunt: oscilatorul piezoelectric 1, electrodul 2, plăcuţă protectoare 3, legătură electrică 4, corp de amortizare 5, corpul papatorului 6, fişă pentru cuplaj 7, pană de refracţie (plexiglas) 8.
2.3. Aparatele folosite în vederea determinării defectelor cu ultrasunete se numesc defectoscoape ultrasonice.Un defectoscop ultrasonic (fig.9.3.) funcţionează astfel:




Generatorul de înaltă frecvenţă 2 produce un impuls de scurtă durată, care transformat în palpatorul 6 produce unda ultrasonică în piesa 7. Unda reflactată este recepţionată de palpator şi transformată într-un impuls electric, amplificat în amplificatorul 4 şi aplicat plăcilor orizontale de reflecţie ale tubului catodic 5. Generatorul de impulsuri 1 asigură deplasarea sincronă, odată cu emisia impulsului, a unui baleiaj prin blocul de baleiaj 3, care aplicat între plăcile verticale de deflecţie ale tubului catodic 5 formează baza de timp.
Modul de prezentare pe ecranul tubului catodic este de obicei de două feluri:
-prezentarea A – având pe abscisă timpul de parcurs al impulsului şi pe ordonată intensitatea ultrasonică fig.9.4.a.
-prezentarea B – având pe abscisă drumul efectuat de palpator şi pe ordonată timpul de parcurs al ultrasunetului fig.9.4.b.



2.4. În practică se folosesc frecvent următoarele metode de defectoscopie:
- metoda ecoului, foloseşte trenuri foarte scurte de unde, alcătuite din oscilaţii puternic amortizate şi integrate (fig.5.a.), care se succed cu o frecvenţă suficient de mare, pentru a putea forma pe ecranul unui tub catodic cu remanenţă o imagine permanentă. Se folosesc palpatoare de emisie-recepţie (ER) cu frecvenţe mari (f>1MHz). Tehnica de examinare şi apariţia impulsurilor este prezentată pentru un palpator normal în fig.9.5.b., iar pentru un palpator înclinat în fig.9.5.c. Cu 1 s-a notat impulsul iniţial, cu 2 impulsul recepţionat în urma reflexiei la baza piesei, iar cu 3 impulsul reflectat datorită unui defect.
- metoda umbrei foloseşte pentru cercetarea pieselor tot impulsuri întrebuinţând însă un palpator de emisie E şi unul de recepţie R. Tehnica de examinare prin această metodă cu palpatoare normale este prezentată în fig. 9.6.a., iar cu palpatoare înclinate în fig.9.6.b. Existenţa unui defect se observă prin apariţia cu o înălţime mai mică a impulsului recepţionat, deoarece palpatorul R nu mai recepţionează întreaga intensitate a undei emise. Sensibilitatea acestei metode este mai mică faţă de metoda ecoului.
- metoda rezonanţei foloseşte unde ultrasonice a căror frecfenţă este reglabilă. Practic se măsoară frecvenţa la care apare rezonanţă în zonele examinate, în care caz se formează unde staţionare. Metoda se aplică în următoarele scopuri: controlul grosimii pieselor, controlul gradului de coroziune a unor piese metalice, determinarea defectelor la piese subţiri accesibile dintr-o singură parte.

3. Utilaj aparatură şi materiale folosite
3.1. Defectoscopul din dotare este de tip DI-4T. Poate lucra cu metoda impuls ecou şi cu metoda umbrei. Alimentarea se face de la o sursă de 12V c.c. fiind dotat cu alimentator dar putând funcţiona şi cu baterii.
Domeniul maxim de control în oţel este de 10m cu metoda impuls ecou şi 20m cu metoda umbrei, iar zona moartă este sub 5 mm. Defectoscopul are amplificare calibrată până la 79 dB, iar frecvenţa de lucru poate varia în limitele 0,8-12 MHz. Se poate utiliza la piese metalice, ceramice şi mase plastice.
Tabloul de comandă al aparatului este prezentat în fig.9.7.




După pornirea aparatului cu butonul 9 se reglează domeniul de adâncime, care dorim să apară pe ecranul tubului catodic prin butoanele 12. ( 1; 2.5; 5 cm cu posibilităţi de multiplicare cu 10 sau 100). Reglarea intensităţii se face prin butoanele 2 şi 3 care schimbă intensitatea în trepte de 10 db respectiv 1 dB. Pentru a aduce impulsul iniţial la zero pe scara gradată a ecranului folosim butonul de defazaj 7, iar pentru a aduce ecoul la capătul scalei manevrăm cu butonul 13. Pentru a obţine o imagine clară trebuie eliminaţi paraziţii ecoului cu filtrul 6 sau cu butonul 14. Dacă apar pe ecran ecouri care se întorc prea târziu de la palpator aşa numitele “ecouri fantomă”, care pot induce în eroare operatorul, se apasă butonul 11 şi aceste ecouri dispar. Apăsând butoanele 10 (1, 2) se lucrează cu amplitudini maximale deci cu sensibilitate mărită. Cu butonul 8a şi 8b se poate rgla o diafragmă de lăţime dorită pe scala aparatului, corespunzătoare zonei pe care dorim să o controlăm. Dacă apare un semnal în intriorul diafragmei aparatul emite un semnal sonor de atenţionare.
3.2. Palpatoarele care intră în dotarea aparatului sunt normale şi înclinate cu unghi fix şi variabil. Pe corpul palpatoarelor sunt marcate simboluri care ne dau indicaţiile necesare la alegerea lor pentru control. Astfel apare o cifră care indică frecvenţa în MHz urmată de o literă care arată felul undelor produse ( L-longitudinale, T-transversale). Urmează un alt grup de cifre care arată unghiul de refracţie a undelor, încă un grup de cifre care arată diametrul oscilatorului piezoelectric şi în sfârşit o literă care arată natura oscilatorului ( K-cuart, C-ceramic).
Exemplu de simbolizare: 2 LOo 20 C
2- frecvenţa de lucru 2 MHz
L- unde longitudinale
00- unghiul de refracţie în oţel
20- diametrul oscilatorului 20 mm
C- oscilator ceramic

Transmiterea ultrasunetelor de la palpator în piesă este îngreunată de stratul de aer intercalat, care produce la o grosime de numai 1μm o reflectare totală a undei. Acest strat de aer se elimină folosind un mediu cuplant care poate fi ulei, apă, vazelină etc.
Aparatul mai are în dotare un alimentator, husă de transport, cabluri de legătură, blocuri de calibrare.

4. Modul de lucru
4.1. Tehnica de lucru. Tehnica de determinare a defectelor cu ultrasunete cuprinde mai multe faze care vor fi prezentate în cele ce urmează.
4.1.1. Reglarea şi verificarea defectoscopului. Aceasta constă în reglarea optimă a parametrilor defectoscopului cu ajutorul blocurilor de calibrare A1, A2, A3, A4, A5 STAS 7802-79. Cel mai frecvent utilizat bloc de calibrare este blocul A1 conf. STAS 7802-79 (fig.9.8.)
Reglarea şi verificarea defectoscopului cu blocul A1 se excută conf. tabelului 9.1.




4.1.2. Controlul palaptoarelor se excută conf. tabelului 9.2.



4.1.3. Defectoscopia ultrasonică a metalelor, adică încercarea propriu-zisă de defectoscopie, urmăreşte a determina următorii parametrii ai defectului: poziţia, mărimea şi natura acestuia. Poziţia defectului se determină de obicei prin metoda geometrică, faţă de un reper fix (suprafata de incercat). Determinarea mărimii şi naturii defectului se face greoi, intervenind mulţi factori care pot duce la nesiguranţă şi o interpretare eronată.
Condiţiile tehnice, procedeele de examinare şi apreciere a defectelor la controlul ultrasonic manual sunt stabilite în:
- STAS 8866-82 pentru laminate din oţel
- STAS 9552-74 pentru îmbinările sudate cap la cap prin topire
- STAS 10836-77 pentru îmbinările sudate în colţ prin topire
4.2. Desfăşurarerea lucrării. După însuşirea de către studenţi a noţiunilor teoretice şi a tehnicii de lucru se va trece în laborator la:
4.2.1. familiarizarea cu aparatura din laborator şi cunoaşterea comenzilor de pe tabloul de comandă al acestuia.
4.2.2. reglarea şi verificarea defectoscopului cu blocul de calibrare A1 conf. tabelului 9.1.
4.2.3. controlul palpatoarelor folosite în laborator conf. tabelului 9.2.
4.2.4. controlul defectoscopic a unor laminate conf. STAS 8866-82 prin procedeul de examinare cu ecouri repetate adică:se utilizează palpator normal de unde longitudinale
- suprafaţa de examinare se curăţă de oxizi, praf, vopsea sau alte corpuri străine.
- Se calibrează baza de timp, reglând aparatul în aşa fel ca pe ecran să apară trei ecouri de fund echidistante, astfel încât distanţa dintre ecoul de emisie şi primul ecou de fund să fie suficientă pentru a permite decalarea netă între ecou de fund şi ecou de defect (fig.9.9.)
- se reglează energia impulsului pentru o
zonă din laminat fără defecte astfel: pentru gosimi sub 60 mm înălţimea celui al doilea ecou de fund se aduce la 100% din înălţimea ecranului, iar pentru grosimi peste 60 mm înălţimea primului ecou de fund se aduce la 100% din înălţimea ecranului
- se consideră defect toatesemnalele pentru care K>0,5 ( K – raportul dintre înălţimea ecoului de defect şi înălţimea ecoului de fund corespunzător aceleaşi reflexii)se mai apreciază: suprafaţa defectelor defectate, numărul de defecte pe unitatea de suprafaţă sau lungime şi numărul de defecte pe suprafaţa totală controlată