Post on 27-Dec-2015
1
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Cuprins:
1. Introducere
3. Metoda lichidului penetrant
6. Testarea ultrasonică
4. Inspecţia cu particule magnetice
7. Radiografia
2. Inspecţia vizuală
5. Testarea folosind curenţii Eddy
2
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Principii de bază
• foloseşte ultrasunete pentru efectuarea inspecţiilor.
• Detecţie de fisuri/defecte, măsurători de dimensiuni, ...
• Cea mai des folosită este metoda puls/ecou.
• Instrumentar: generator de semnal, transducer, receptor, osciloscop/ecran.
3
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Testarea ultrasonică
Probă
crăpătură
0 2 4 6 8 10
Pulsul iniţial
Ecoul fisurii
Ecoul celeilalte suprafeţe
Osciloscop, sau ecranul detectorului de fisuri
4
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Avantaje:
• Sensibilă la defectele de suprafaţă şi de sub suprafaţă, poate măsura grosimi ...
• Rezultate instantanee
• Imagini detailate
• Adâncimea de penetraţie
• Nu necesită preparare specială a probei.
• Acurateţe mare în determinarea poziţiei reflectorului şi estimarea dimensiunilor şi a formei sale.
5
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
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
6
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
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 puls-ecou
• Dupa WW2, investigaţii medicale (Japonia)
7
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
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.
8
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Propagarea undelor
• Mişcarea la unison a atomilor pentru producerea unei unde mecanice
UNDE ELASTICE
9
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
10
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Reteaua nu e rigida atomii pot oscila in jurul pozitiilor de echilibru
11
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Unde longitudinale
12
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Unde transversale
13
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Ex: Vibraţiile reţelei cristaline.
Reţeaua nu e rigidă atomii pot oscila în jurul poziţiilor de echilibru
m
kykx
kz
2-D
3-D
14
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
• Perturbaţii periodice în TIMP (T) şi în SPAŢIU ().
• 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.
15
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
UNDE LONGITUDINALE
UNDE TRANSVERSALE
16
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
17
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
18
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
tft ,0
cxttx /,, 0
19
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Undă plană neatenuată ce se propagă în direcţia OX: tft ,0
cxttx /,, 0
...
Undă plană neatenuată ce se propagă în direcţia .
n
c
rntftr
,
20
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Oscilaţiile în fiecare puncte sunt armonice.
tAt sin,0
cxtAtx /sin,
Perioada undei plane monocromatice:
,T
21
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
22
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Oscilaţiile în fiecare puncte sunt armonice.
tAt sin,0
cxtAtx /sin,
Perioada undei plane monocromatice:
,T
kxtAx
T
tAtx
sinsin, 2
rktAtr
sin,Faza undei
Suprafeţe de undă = supreţele de fază constantă; viteza de fază = viteza undei plane monocromatice viteza particulei.
23
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
kxtAtx sin, kxtAt
v
cos
Viteza particulei:
Ecuaţia undei:
2
22
2
2
xc
t
0
12
2
22
2
tcxsau
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
zyxzyxtc
2
2
2
1
tc
24
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
25
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
T
T
ct
v
în mişcare
în repaus
cF
26
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
T
T
ct
v
în mişcare
în repaus
cF
/Tc
27
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
28
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
p, S
p+ p, S
vtct
în repaus
în mişcarep, S
v v
v v
29
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
p, S
p+ p, S
vtct
în repaus
în mişcarep, S
v v
v v
/Bc /Ec
30
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Ex: Două unde care se propagă în sens opus
31
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Ex: Unde a căror diferenţă de fază se modifică în timp
32
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Ex: Două unde care se propagă în sens opus (diferenţă de fază = 180)
UNDE STAŢIONARE
33
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Fenomenul bătăilor
34
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Ex: Coardă fixată la ambele capete
35
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
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 este lungimea de undă, v viteza de
propagare iar frecvenţa undei: =v/
36
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Lungimea de undă şi detectarea defectelor
• Operatorul decide asupra lungimii de undă folosite
• Senzitivitate şi rezoluţie
• Înainte de efectuarea inspecţiei: grosimea grăunţilor şi a materialului, tipurile de discontinuităţi, localizarea discontinuităţilor.
• Efectele creşterii frecvenţei ultrasunetelor. Împrăştierea ultrasunetelor.
• Alte variabile: lungimea pulsului, diametrul transducerului, ...
37
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Propagarea undelor în materiale elastice
• Legea lui Hook F=-kx
• Viteza sunetului e o proprietate a materialului
•
unde E este o constantă elastică (modulul Young) iar este densitatea materialului
• Anizotropia constantelor elastice
Ev
38
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
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
• este coeficient de atenuare/direcţia z (depinde şi de frecvenţa semnalului sonor).
zeAA 0
39
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Impedanţa acustică (caracteristică)
• Se defineşte ca produsul dintre densitatea materialului şi viteza sunetului.
• Caracterizează transmisia şi reflexia undei sonore la interfaţă
• Este importantă pentru designul transducerilor ultrasonici
• Cunoaşterea impedanţei acustice permite estimarea coeficienţilor de reflexie sau transmisie
40
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
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 folosind2
12
12
ZZZZ
R
41
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Refracţie
• Analog cu refracţia luminii
• Pentru un anumit unghi de incidenţă, unghiul de refracţie poate fi 90.
2
2
1
1
vsin
vsin
• Creep waves (neomogene)
• Conversie de moduri
42
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
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).
43
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Raportul semnal-zgomot
• Depinde de:
• Dimensiunea probei
• Frecvenţa utilizată
• Interfaţă (curbură, rugozitate, ...)
• Poziţia fisurii
• Microstructura materialului
• Reflectivitatea fisurii (Z, dimensiune, formă, orientare)
44
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Raportul semnal-zgomot
• Creşte cu dimensiunea fisurii
• Invers proporţional cu lărgimea fascicolului
• Creşte cu scăderea lărgimii pulsului
• Invers proporţional cu densitatea şi viteza sunetului
• În general creşte cu frecvenţa ultrasunetului
45
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transducerul nu este o sursă punciformă
Alte fenomene:
46
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
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)
47
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
• Efect piezoelectric: producerea unui câmp electric la modificarea dimensiunii (SiO2,BaTiO3, ...) .
• SiO2 = cuarţ (cristalin), nisip (amorf)-
+
+
-
+
-
48
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
-
+
+
-
+
-
-
+
49
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
-
+
+
-
+
-
+-
50
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
-
+
+
-
+
-
+ + +
- - -
51
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
I = 0
+ - + - + -
+ - + - + -
52
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
- - - - -
+ + + + +
53
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
I = 0
+ - + - + -
+ - + - + -
54
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
+ + + +
- - - - -
55
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
• La începuturi, cristale de cuarţ sau alte materiale magnetostrictive
• 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
56
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
57
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
58
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
59
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
60
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
61
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Transduceri piezoelectrici:
• În funcţie de aplicaţie:
• De contact
• Imersie
62
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
63
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Prezentarea rezultatelor:
• A-scan, B-scan, C-scan
64
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Prezentarea rezultatelor:
• A-scan, B-scan, C-scan
65
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Prezentarea rezultatelor:
• A-scan, B-scan, C-scan
66
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Fascicule înclinate:
67
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Fascicule înclinate:
68
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Calibrare:
69
5. TESTAREA ULTRASONICĂ
METODE FIZICE DE MĂSURĂ ŞI CONTROL NEDISTRUCTIV
Calibrare: