Současné ultrazvukové technologie NDT
Je to již téměř 100 let od patentu prvního zařízení, jenž využívá ultrazvuku pro nedestruktivní kontrolu a údržbu v celé řadě technických odvětví od leteckého průmyslu přes energetiku až po dopravu a samotnou výrobu. Dnešní moderní ultrazvukové metody zlepšují výrobní postupy a jsou nepostradatelnou součástí nedestruktivního zkoušení materiálů a konstrukcí.
Zkoušení ultrazvukem vzniklo především jako odezva na potřebu zjišťovat vnitřní vady rozměrných součástí, které nebylo možné dobře detekovat prozařovacími metodami. Postupem času se oblast zkoušení s využitím ultrazvukových metod rozšiřovala a dnes již kromě tradičních kovových materiálů zahrnuje i nové nekovové materiály, např. kompozitní materiály, které se začaly používat v letectví.
Konvenční ultrazvuková metoda
Nejstarší a dodnes hojně využívanou technikou je klasická konvenční ultrazvuková metoda, která je založena na principu šíření zvukové vlny o frekvencích nad hranicí slyšitelnosti (reálně v řádu MHz) a následnou detekcí odražených vln, popř. měřením útlumu se zjišťuje, zda materiál obsahuje skryté vady (praskliny, dutiny, nespojitosti a podobné nepravidelnosti u svarů, výkovků, bloků, tlakových nádob, turbín a dalších konstrukčních dílů). Konvenční ultrazvuková metoda se nejčastěji používá pro zjišťování vad ležících pod povrchem součásti, dále pak také pro měření tloušťky materiálu. Podle interakcí ultrazvukové vlny s defekty v materiálu lze určit, o jaký typ vady se přibližně jedná (objemová či plošná vada, pórovitost, atd.). Pomocí znalosti rychlosti šíření ultrazvuku v daném materiálu lze také určit některé jeho další fyzikální vlastnosti (např. modul pružnosti). Na rozdíl od zkoušky prozařováním nejsou třeba žádná opatření nutná k ochraně pracovníků, ultrazvukový přístroj je snadno přenosný a lze kontrolovat i velká tloušťka materiálu. I při zkouškách modernějšími metodami se vždy nejdříve součást prozkouší klasickou ultrazvukovou technikou. Konvenční ultrazvuková metoda má tedy v NDT kontrole stále co nabídnout, neboť jí lze poměrně jednoduše realizovat, nicméně má svá jistá úskalí a omezení (např. nutná dobrá akustická vazba mezi sondou a zkoušeným povrchem, orientace a typ vady, aj.), což ve svém důsledku vedlo k rozvoji modernějších ultrazvukových technik, zejména metod TOFD a Phased Array.
Metoda TOFD
Metoda TOFD (Time of Flight Diffraction) se do češtiny překládá jako difrakční technika měření doby průchodu a používá se téměř výhradně pro nedestruktivní zkoušení svarů. Byla vyvinuta v r. 1985 v Harwelově centru (Velká Británie) pro zjišťování velikosti trhlin ve svarech jaderného reaktoru. Metoda TOFD je založena na interakci ultrazvukových vln s okraji vad a odražená vlna zde tedy nehraje žádnou roli. Okraj vady při interakci s ultrazvukovou vlnou emituje difrakční vlny a z doby průchodu difrakčního signálu se pak určuje velikost vady (obr.1). Na rozdíl od konvenční ultrazvukové metody se při hodnocení velikosti vady technikou TOFD nepoužívá velikost (amplituda) detekovaného signálu, proto výsledná náhradní velikost vady není tak závislá na změně kvality akustické vazby. Hlavní význam této metody je v určování hloubkových rozměrů vad. Jednoduchost koncepce umožňuje aplikovat metodu na různých komponentách. Metoda TOFD má však i několik omezení, například jako všechny ultrazvukové metody je i tato omezena velikostí zrna zkoušeného materiálu. Dále se nehodí pro určování defektů ležících blízko zkoušeného povrchu, protože echo od přítomné vady může být skryto echem od laterální vlny a přesnost při určování velikosti vady poté rapidně klesá s blízkostí zkoušeného povrchu.
Obr.1: TOFD - dráhy ultrazvukových vln v materiálu a jejich zobrazení na displeji
Metoda „Phased Array“
Princip metody Phased Array (PA) je znám již dlouho, ale její rozšíření umožnil až vývoj ve výrobě piezo-komponentů ultrazvukových sond v 90. letech 20. století. Tato metoda opět vznikla především jako odezva na požadavky zkoušení v jaderné energetice, kdy bylo nutné např. zlepšit rozlišitelnost při zkoušení heterogenních svarů, možnost detekovat malé trhliny v geometricky složitých součástech, zvýšit přesnost při určování velikosti vady, možnost detekovat náhodně orientované vady jednou sondou z jedné pozice, aj. Technologie fázového pole (phased array) využívá vícenásobných ultrazvukových prvků a elektronického zpožďování pulsů k vytváření zvukových paprsků, které se dají elektronicky směřovat, vychylovat a zaostřovat (obr.2) a lze tak dosahovat vysokých přesností, rychlosti kontroly a provádění vícenásobných úhlových kontrol. Technika Phased Array umožňuje vytvářet podrobné řezy vnitřních struktur (obr.3) podobných ultrazvukovým obrázkům v medicíně. Metoda phased array je určitě nejkomplexnější z ultrazvukových metod. Ke kontrole se využívá tam, kde by poškození vedlo k výrazným ekonomickým ztrátám. Ale ani cena zařízení nemůže omezit rozšíření metody Phased Array, protože jde o techniku, která má v NDT kontrole co nabídnout. Ať už jde o zkoušení tvarově složitých součástí, fokusaci ultrazvukového paprsku nebo přesnější vyhodnocování velikosti vady. Technika Phased array bude zcela beze všech pochyb určovat směr dalšího vývoje v ultrazvukové defektoskopii.
Obr. 2: Proměnné časování pulsů v elementech sondy Phased Array
Obr. 3: Zobrazení signálu metodou Phased Array
Obr.4: Zařízení OmniScan MX2 s moduly pro techniky UT, TOFD a PA.
Ultrazvukové přístroje pro techniky TOFD a Phased Array
Olympus NDT je osvědčeným vedoucím výrobcem a inovátorem zařízení nejen pro obě moderní ultrazvukové technologie - TOFD a Phased Array. Již více než 12 let jsou využívána zařízení s těmito průlomovými technologiemi pro aplikace reálného technického světa. Nejvyspělejším z nabízených přístrojů s vestavěným LCD monitorem je v současnosti modulární platforma OmniScan MX a MX2 (obr.4), která umožňuje volit mezi technologickými moduly: UT, PA, EC (vířivé proudy), ECA (pole vířivých proudů). Pouhou výměnou příslušného modulu v defektoskopu OmniScan MX lze tedy velmi jednoduše a rychle změnit metodu NDT kontroly bez nutnosti změny celého zařízení.
720
