Transcript MN-TESTARE CU ULTRASUNETE

METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Cuprins:
1. Introducere
6. Testarea ultrasonică
7. Radiografia
2. Inspecţia vizuală
3. Metoda lichidului
penetrant
4. Inspecţia cu particule
magnetice
5. Testarea folosind
curenţii Eddy
1
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Principii de bază
• foloseşte ultrasunete
inspecţiilor.
pentru
efectuarea
• Detecţie de fisuri/defecte, măsurători de
dimensiuni, ...
• Cea mai des folosită este metoda puls/ecou.
• Instrumentar:
generator
de
semnal,
transducer, receptor, osciloscop/ecran.
2
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Testarea ultrasonică
Pulsul
iniţial
Ecoul
fisurii
Ecoul celeilalte
suprafeţe
crăpătură
0
2
4
6
8
10
Probă
Osciloscop, sau
ecranul
detectorului de
fisuri
3
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Avantaje:
• Sensibilă la defectele de suprafaţă şi de sub
suprafaţă, poate măsura grosimi ...
• Adâncimea de penetraţie
• Acurateţe
mare
în
determinarea
poziţiei
reflectorului şi estimarea dimensiunilor şi a
formei sale.
• Nu necesită preparare specială a probei.
• Imagini detailate
• Rezultate instantanee
4
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Inconveniente
• Suprafaţa trebuie să fie accesibilă.
• Nevoie de mai multă îndemânare şi antrenament
decât pentru alte metode
• Mediu pentru transmiterea energiei sonore
• Materialele de formă neregulată, rugoase, mici,
subţiri sau neomogene sunt dificil de inspectat
• Materiale cu grăunţi mari sunt greu de inspectat
• Defecte liniare orientate paralel cu fascicolul
sonor pot rămâne nedetectate
• Nevoie de standarde pt. calibrare si interpretare
5
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Istoric
• Înainte de WW2, sonarul
• 1929-1935 Sokolov: folosirea ultrasunetelor
pentru detectarea obiectelor metalice
• 1931
Mullhauser-patent
pentru
utilizarea
ultrasunetelor pentru detecţia fisurilor
• 1940 (Firestone) şi 1945 (Simons), metda pulsecou
• Dupa WW2, investigaţii medicale (Japonia)
6
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Istoric
• Testare nedistructivă: in timpul WW2 şi după
• Scopul principal: detectarea defectelor
• Probele trebuiau să fie fără defecte. În acea
perioadă se dezvoltă şi celelalte forme de
testare nedistructivă. Probele cu defecte erau
eliminate din procesul de producţie.
• 1970 discipline ca mecanica defectelor încep să
se dezvolte.
• Nu toate defectele sunt critice
• Trebuie informaţii cantitative pentru prezicerea
timpului de viaţă.
7
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Propagarea undelor
• Mişcarea la unison a atomilor pentru producerea
unei unde mecanice
UNDE ELASTICE
8
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
9
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Reteaua nu e rigida atomii pot oscila in jurul
pozitiilor de echilibru
10
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Unde longitudinale
11
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Unde transversale
12
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Ex: Vibraţiile reţelei cristaline.
Reţeaua nu e rigidă atomii pot oscila în jurul poziţiilor de echilibru
2-D
kz
m
3-D
kx
ky
13
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
• Perturbaţii periodice în TIMP (T) şi în SPAŢIU (l).
• Oscilaţiile (perturbaţia) se propagă în mediu de la
particulă la particulă sub forma de unde = unde
elastice.
• Propagarea undelor se face cu viteză finită c.
• Dacă
toate
particulele
situate
într-un
plan
perpendicular pe direcţia de propagare oscilează
identic, unda se numeşte PLANĂ.
14
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
UNDE TRANSVERSALE
UNDE LONGITUDINALE
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
15
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
16
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
17
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
0, t   f t 
x, t   0, t  x / c 
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
18
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Undă plană neatenuată ce se propagă în direcţia OX:
0, t   f t 
x, t   0, t  x / c 
...

Undă plană neatenuată ce se propagă în direcţia n .


 nr 
r , t   f  t  
c 

19
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Oscilaţiile în fiecare puncte sunt armonice.
0, t   A sint
x, t   A sin t  x / c 
Perioada undei plane monocromatice:
T, l
20
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
21
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Oscilaţiile în fiecare puncte sunt armonice.
0, t   A sint
x, t   A sin t  x / c 
Perioada undei plane monocromatice:
T, l
 t x
x, t   A sin 2    A sint  kx
T l 


r ,t   A sin t  kr
Faza undei


Suprafeţe de undă = supreţele de fază constantă; viteza de
fază = viteza undei plane monocromatice  viteza particulei.
22
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Viteza particulei:
x, t   A sint  kx
v

 A cost  kx 
t
Ecuaţia undei:
2
2
2



1


 2


2
sau
 2  2 2   0
c
2
2
c t 
t
x
 x
1 2  2 2 2   2
2
2 
  2  2  2    2  2  2   
2
2
c t
y
z   x
y
z 
 x

1 2 
   2 2  
c t 


23
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
24
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
în re p a u s
T
F
în m işc a r e
c
v
T
ct
25
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
c  T /
în re p a u s
T
F
în m işc a r e
c
v
T
ct
26
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
27
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
p, S
în re p a u s
ct
vt
p+ p, S
v
v
p, S
în m işc a r e
v
v
28
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
c 
c  B/
p, S
E /

în re p a u s
ct
vt
p+ p, S
v
v
p, S
în m işc a r e
v
v
29
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Ex: Două unde care se propagă în sens opus
30
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Ex: Unde a căror diferenţă de fază se modifică în timp
31
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Ex: Două unde care se propagă în sens opus (diferenţă de fază = 180)
UNDE STAŢIONARE
32
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Fenomenul bătăilor
33
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Ex: Coardă fixată la ambele capete
34
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Propagarea undelor
• Mişcarea la unison a atomilor pentru producerea
unei unde mecanice
• Unde longitudinale
• se mai numesc unde de presiune sau densitate
• Unde transversale
• Orbite eliptice (suprafaţă-Rayleigh)
• În materiale foarte subţiri (unde Lamb)
Dacă
l
este
lungimea
de
undă,
propagare iar n frecvenţa undei:
v
viteza
l=v/n
de
35
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Lungimea de undă şi detectarea defectelor
• Operatorul
folosite
decide
asupra
lungimii
de
undă
• Senzitivitate şi rezoluţie
• Înainte de efectuarea inspecţiei: grosimea
grăunţilor
şi
a
materialului,
tipurile
de
discontinuităţi, localizarea discontinuităţilor.
• Efectele creşterii frecvenţei
Împrăştierea ultrasunetelor.
• Alte variabile: lungimea
transducerului, ...
ultrasunetelor.
pulsului,
diametrul
36
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Propagarea undelor în materiale elastice
• Legea lui Hook F=-kx
• Viteza sunetului e o
proprietate a materialului
E•
v 

unde E este o constantă
elastică (modulul Young)
iar  este densitatea
materialului
• Anizotropia
elastice
constantelor
37
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Atenuarea undelor sonore
• În
materiale
ideale,
presiunea
sonoră
(intensitatea semnalului)
este redusă doar de
împrăştierea
undei
sonore.
• Materiale reale: împrăştiere şi absorbţie
• Efectul combinat al împrăştierii şi absorbţiei:
ATENUARE
A  A e az
0
• a este coeficient de atenuare/direcţia
(depinde şi de frecvenţa semnalului sonor).
z
38
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Impedanţa acustică (caracteristică)
• Se defineşte ca produsul dintre
materialului şi viteza sunetului.
• Caracterizează transmisia
sonore la interfaţă
şi
densitatea
reflexia
undei
• Este importantă pentru designul transducerilor
ultrasonici
• Cunoaşterea
impedanţei
estimarea
coeficienţilor
transmisie
acustice
permite
de
reflexie
sau
39
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Coeficienţii de reflexie şi transmisie
• O parte din unda acustică se
reflectă la interfaţa dintre
două
materiale
care
au
impedanţe acustice diferite.
• Coeficientul
de
reflexie
poate fi calculat folosind
 Z2  Z1 

R  
 Z2  Z1 
2
40
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Refracţie
• Analog cu refracţia luminii
sin 1
sin  2

v1
v2
• Pentru un anumit unghi de
incidenţă,
unghiul
de
refracţie poate fi 90.
• Creep waves (neomogene)
• Conversie de moduri
41
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Raportul semnal-zgomot
• Detectabilitatea
unui
defect
depinde
de
frecvenţa ultrasunetului, dimensiunea defectului,
diferenţa de impedanţă acustică între fisură şi
material, ... .
• Un gol este mai uşor de detectat decât o
incluziune metalică (aer-metal, metal-metal).
• Materialul poate furniza indicaţii false, din cauza
microstructurii sale (intrinseci).
• Raport semnal-zgomot: măsură a detectabilităţii
unui defect (fisuri).
42
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Raportul semnal-zgomot
• Depinde de:
• Dimensiunea probei
• Frecvenţa utilizată
• Interfaţă (curbură, rugozitate, ...)
• Poziţia fisurii
• Microstructura materialului
• Reflectivitatea fisurii (Z, dimensiune, formă,
orientare)
43
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Raportul semnal-zgomot
• Creşte cu dimensiunea fisurii
• Invers proporţional cu lărgimea fascicolului
• Creşte cu scăderea lărgimii pulsului
• Invers proporţional
sunetului
cu
densitatea
şi
viteza
• În general creşte cu frecvenţa ultrasunetului
44
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Alte fenomene:
Transducerul nu este o sursă punciformă
45
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
• Convertesc energia electrică în energie mecanică
şi viceversa
• Elementul activ: material cu molecule polarizate
• La aplicarea unui câmp electric: orientare +
modificarea dimensiunilor (electrostricţiune)
46
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
• Efect piezoelectric: producerea unui câmp
electric la modificarea dimensiunii (SiO2,BaTiO3,
...) .
• SiO2 = cuarţ (cristalin), nisip (amorf)
+
+
-
+
47
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
+
+
-
-
+
+
48
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
+
+
-
+
+
49
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
+++
-
+
+
-
-
+
---
50
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
+-+-+-
I=0
+-+-+-
51
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
-----
+++++
52
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
+-+-+-
I=0
+-+-+-
53
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
++++
-----
54
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
• La începuturi, cristale de
materiale magnetostrictive
cuarţ
sau
alte
• Ceramici piezoelectrice:
• proprietăţi piezoelectrice bune,
• tensiuni mici de lucru,
• Uşor de fabricat într-o diversitate de forme
şi dimensiuni
• Temperaturi de lucru până la 300 C
• Lungimea de undă este dublul grosimii
55
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
56
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
57
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
58
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
59
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
60
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Transduceri piezoelectrici:
• În funcţie de aplicaţie:
• De contact
• Imersie
61
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
62
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Prezentarea rezultatelor:
• A-scan, B-scan, C-scan
63
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Prezentarea rezultatelor:
• A-scan, B-scan, C-scan
64
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Prezentarea rezultatelor:
• A-scan, B-scan, C-scan
65
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Fascicule înclinate:
66
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Fascicule înclinate:
67
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Calibrare:
68
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
Calibrare:
69