Současné ultrazvukové technologie pro nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí

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 (svary, odlitky, výkovky, tvářené produkty) zahrnuje i nové nekovové materiály, např. kompozitní materiály, které se začaly používat hojné míře 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 velkou tloušťku 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 metody TOFD je v rychlém prozkoušení dlouhých úseků svarů, detekování vad (a to i vad nevhodně orientovaných pro detekci odrazovou metodou či prozařováním!) v celém objemu svaru, určení typu vady, a určení polohy a rozměru vady (délka, hloubky a výška vady). Jednoduchost koncepce umožňuje aplikovat tuto metodu na různých komponentách. Metoda TOFD má však i několik omezení, například jako všechny ultrazvukové metody může být i tato ovlivněna typem a strukturou 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.

Metoda Phased Array
Princip metody Phased Array (PA) je znám již dlouho, ale její rozšíření umožnil až vývoj ve výrobě piezo-komponentů ultrazvukových sond a digitálního zpracování signálů 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, atd. Technologie Phased Array využívá vícenásobných ultrazvukových elementů a elektronického časování pulsů k vytváření zvukových svazků (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 PA umožňuje získat podrobnou informaci z objemu materiálu a převézt ji do datové formy, vytvářet podrobné řezy vnitřních struktur (obr.3) podobných ultrazvukovým obrázkům v medicíně. Metoda Phased Array je nejkomplexnější z ultrazvukových metod. Ke kontrole se využívá tam, kde by poškození vedlo k výrazným ekonomickým ztrátám, často k monitorování počátečního stavu a především vývoje stavu konstrukce, či strojního celku. Technologie Phased Array se v její manuální, ale především pokročilé formě semiautomatického a automatického zkoušení skenováním rychle prosazuje do praxe, protože jde o techniku, která má současné NDT kontrole hodně co nabídnout. Ať už jde o zkoušení tvarově složitých součástí, fokusaci ultrazvukového paprsku nebo přesnější vyhodnocování velikosti vady. Technika PA bude zcela beze všech pochyb určovat směr dalšího vývoje v ultrazvukové defektoskopii.

Ultrazvukové přístroje pro techniky TOFD a Phased Array
Osvědčeným vedoucím inovátorem obou těchto progresivních ultrazvukových technologií - TOFD a Phased Array, i výrobcem řady zařízení založených na těchto metodách je Olympus NDT. 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 MX2 a MX (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. Tyto přístroje jsou obvykle srdcem modulární inspekční sestavy, často kombinující technologie TOFD, Phased Array i konvenční ultrazvuk, složené z celé řady prvků širokého spektra příslušenství jako skenerů, sond, adaptérů a softwaru. Tyto sestavy a jejich nastavení jsou vždy voleny přesně podle požadavků konkrétní aplikace nedestruktivního zkoušení.
 

 
Publikováno: 24. 8. 2012 | Počet zobrazení: 2158 článek mě zaujal 310
Zaujal Vás tento článek?
Ano