Μη καταστροφικός έλεγχος συγκολλήσεων αλουμινίου με τη μέθοδο των υπερήχων

Abstract

Οι υψηλές απαιτήσεις της εποχής μας όσον αφορά ποιοτικές, δηλαδή αξιόπιστες κατασκευές επέφεραν νέες εξελίξεις στον τομέα του ποιοτικού ελέγχου συγκολλήσεων, με απώτερο στόχο βέβαια την εξασφάλιση της επιθυμητής ποιότητας συγκολλητής κατασκευής και άρα διασφάλιση, στην πλειονότητα των περιπτώσεων, της ανθρώπινης ζωής. Μια από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους ποιοτικού ελέγχου συγκολλήσεων είναι η μέθοδος των υπερήχων (ultrasonic testing). Η παραγωγή τους βασίζεται στην συστολή και διαστολή ενός στοιχείου (κρυστάλλου) στο οποίο εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση. Έτσι λειτουργεί ως πομπός υπερήχων. Ο κρύσταλλος αυτός τοποθετείται μέσα σε ένα περίβλημα που αποτελεί την κεφαλή των υπερήχων (probe). Ο έλεγχος συγκολλήσεων απαιτεί χρήση κεφαλών υπερήχων γωνιακής δέσμης. Κατά την έναρξη ενός ποιοτικού ελέγχου συνήθως, διεξάγεται προκαταρκτική εξέταση του μετάλλου που βρίσκεται πλευρικά της συγκόλλησης με τη χρήση κεφαλών κάθετης πρόσπτωσης προκειμένου να ανιχνευτεί η περίπτωση φυλλοειδούς μορφολογίας στο εσωτερικό του μετάλλου, πράγμα το οποίο θα επηρεάσει την διαδρομή της δέσμης των υπερήχων μέσα στο μέταλλο, και συνεπώς θα επηρεάσει και τον έλεγχο της ίδιας της συγκόλλησης. Εάν υπάρχει αμφιβολία όσον αφορά στην πραγματική θέση της ρίζας της συγκόλλησης η θέση της μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια χρησιμοποιώντας μία κεφαλή κάθετης πρόσπτωσης πάνω στην επιφάνεια της. Η ακριβής θέση της ρίζας της συγκόλλησης και της γραμμής που καθορίζει το κέντρο της ραφής είναι δύο παράμετροι καθοριστικής σημασίας για τη σωστή ερμηνεία των αποτελεσμάτων ελέγχου της. Ο έλεγχος πραγματοποιείται σε τρία στάδια : 1) Έλεγχος της επιφάνειας πλευρικά της συγκόλλησης (έλεγχος βασικού μετάλλου και Θερμικά επηρεαζόμενης ζώνης) προκειμένου να προσδιοριστεί το πάχος καθώς επίσης και τυχόν φυλλοειδής μορφολογία στο εσωτερικό του μετάλλου. 2) Ο έλεγχος της ρίζας της συγκόλλησης με την χρήση κεφαλών γωνιακής πρόσπτωσης προκειμένου να ανιχνευτούν ατέλειες όπως ατελής διείσδυση, σφάλματα υποκοπής και ρωγμές στην ρίζα της συγκόλλησης. 3) Ο έλεγχος του κυρίου όγκου της συγκόλλησης (λουτρό), με τη χρήση κεφαλών γωνιακής πρόσπτωσης για την ανίχνευση ρωγμών, εγκλεισμάτων σκουριάς, πόρων και έλλειψη πλευρικής πρόσφυσης. Η προετοιμασία του ελέγχου έγκειται σε τρία βασικά σημεία: α) τοποθέτηση υγρού προσαρμογής (couplant), του οποίου ο σκοπός είναι να μεγιστοποιήσει το ποσοστό της ενέργειας του παλμού που διαθλάται μέσα στο τεμάχιο, β) βαθμονόμηση συσκευής και κεφαλής υπερήχων γ) αναπαράσταση της τομής της συγκόλλησης με σκαρίφημα με στόχο τη σωστή ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Εμπειρικά καθώς και με τη βοήθεια της γεωμετρίας είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η θέση και το είδος μιας ατέλειας μέσα σε μια συγκόλληση. Σε μία συγκόλληση με έλλειψη πρόσφυσης στην περιοχή της ρίζας θα εμφανιστεί μία ανάκλαση στην οθόνη ακριβώς πριν το σημείο όπου θα εμφανιζόταν η ανάκλαση εάν δεν υπήρχε ελάττωμα πρόσφυσης στη ρίζα. Γενικά όσων αφορά τον προσδιορισμό του είδους του σφάλματος, ένα λείο σχετικά ελάττωμα θα δώσει ένα καθαρά καθορισμένο σήμα, ενώ ένα τραχύ, με μυτερές προεξοχές ελάττωμα, όπως για παράδειγμα ένα έγκλεισμα σκουριάς, μία τραχιά ρωγμή, μια συσσωμάτωση μικρών ατελειών (π.χ. μία πορώδης περιοχή) κ.α., θα δώσουν ένα σήμα χαμηλής ανάλυσης με πολλές μικρές κορυφές. Γενικά κατά τον μη καταστροφικό έλεγχο με υπερήχους είναι δυνατή η ανίχνευση ελαττωμάτων που δεν παρουσιάζουν όγκο, προσδιορίζεται το βάθος του ελαττώματος, η διεξαγωγή είναι ακίνδυνη και ο έλεγχος μπορεί να γίνει χωρίς διακοπή της εργασίας του προσωπικού που παρευρίσκεται. Επίσης ο έλεγχος μπορεί με ειδικές συσκευές, που είναι εύχρηστες και αυτόνομες, να γίνεται αυτόματα. Από την άλλη πλευρά η ερμηνεία του παλμογράφου απαιτεί προσωπικό υψηλής στάθμης και με πολυετή εμπειρία και συνήθως δεν έχουμε ακριβείς διαστάσεις του ελαττώματος. Τέλος πρέπει να τονιστεί ότι η κρυσταλλική δομή ορισμένων υλικών δυσχεραίνει τη μετάδοση των υπερήχων με αποτέλεσμα το παλμογράφημα να γίνεται δυσανάγνωστο. Επίσης λανθασμένες ή άσχετες ενδείξεις μπορεί, επίσης, να οφείλονται σε σπασμένη κεφαλή, σε φυσαλίδες αέρα στο υγρό προσαρμογής που βρίσκεται ανάμεσα στην κεφαλή και στο τεμάχιο ή στα όρια των κόκκων του υλικού. Στην παρούσα εργασία θα μελετηθούν 3 συγκολλήσεις αλουμινίου με τη μέθοδο των υπερήχων. Τα ελάσματα με κωδικούς G1, G2, G3 συγκολλήθηκαν στο Εργαστήριο Ναυπηγικής Τεχνολογίας. Τα συμπεράσματα των πειραματικών αποτελεσμάτων στα δοκίμια είναι: Ένας βασικός παράγοντας ορθότητας των αποτελεσμάτων είναι η χρήση κοινών παραμέτρων στην χάραξη της καμπύλης DAC και στον έλεγχο των συγκολλήσεων. Τα δοκίμια του Εργαστηρίου Ναυπηγικής Τεχνολογίας (G1, G2 και G3) είχαν αρκετές ατέλειες ,όπως ατελή διείσδυση στη ρίζα και πόρους αερίου ή εγκλείσματα σκουριάς. Η αξιολόγηση των σφαλμάτων με την μέθοδο της καμπύλης DAC 3 mm έδωσε για το δοκίμια G1 και G2 ποσοστά μέχρι 40%, αποδεκτά σε επίπεδο αποδοχής 2 Η αξιολόγηση των σφαλμάτων με την μέθοδο της καμπύλης DAC 3 mm έδωσε για το δοκίμιο G3 ποσοστά μέχρι 30%, κάτω από το επίπεδο αναφοράς

The high demands of our era regarding quality, that is reliable constructions, led to new developments in the field of quality control of welds, with ultimate goal, of course, to ensure the desired welding construction quality and thus assurance, in most cases, of human life. One of the most prevalent methods of quality welding control is the method of ultrasonic testing. The production is based on the contraction and expansion of an element (crystal), applying alternating voltage. It works like an ultrasonic transmitter. The crystal is mounted inside a gasket which is the head of ultrasonic probes. The welding test requires the use of angular ultrasonic beams. At the beginning of the quality control test, a preliminary examination of the metal which is located sideways of the weld, is conducted by using vertical heads of incidence in order to detect the case of foliar morphology inside the metal, which will affect the path of the ultrasonic beams inside the metal, and will therefore affect the control of the welding itself. If there is a doubt about the actual position of the root of the weld, the position can be precisely determined using a head of vertical incidents on its surface. The exact location of the root of the weld and the line that defines the center of the seam are two crucial parameters for the correct interpretation of the test results. The test is carried out in three stages: 1) Check the side surface of the weld (check for the base metal and the thermal affected zone) in order to determine the thickness as well as any foliar morphology inside the metal. 2) Check the weld’s root using angular heads of incidence in order to detect defects such as incomplete penetration, undercut faults and cracks at the root of the weld. 3) Check the weld’s bath using angular heads of incidence for detecting cracks, rust and pore inclusions, and lack of side grip. The preparation of the test relies in three main points: a) The placement of a liquid couplant, whose purpose is to maximize the amount of energy of the pulse that is reflected inside the panel, b) the device’s and transducer’s calibration c) the graphical representation of the welding intersection for proper results’ interpretation. Empirically and with the help of geometry, it is possible to determine the position and type of a defect in a weld. In a weld with no grip at the root area, a reflection on the screen will be visible just before the point where the reflection would appear if there was no adhesion defect at the root. Generally for identifying the type of defect, a relatively smooth defect will show a clear steady signal, while an abrasive with sharp protrusions defect, such as a rust inclusion, a rough crack, aggregation of small imperfections (e.g. a porous region), etc., will show a low frequency signal with many small peaks. Generally during the non-destructive ultrasonic testing, it is possible to detect defects which do not show volume, determine the depth of the defect, the conduct is harmless and the check can be done without the work of the present staff being interrupted. Also the test can be done automatically with special devices which are easy to use and independent. On the other hand, the oscilloscope’s interpretation requires high-skilled staff with years of experience and usually we do not have exact dimensions of the defect. Finally, it should be noted that the crystal structure of certain materials makes it difficult the transmission of ultrasonic waves, thus the oscillogram becomes unreadable. Also false or irrelevant indications may also be due to a broken head, air bubbles in the couplant located between the head and the panel or at the grain boundaries of the material. In this work, we study three weldings of aluminum using the method of ultrasonic testing. The laminas with codes G1, G2, G3 are welded at the Naval Engineering and Technology Laboratory. The conclusions of the experimental results of the essays are: • A key factor for the accuracy of the results is the use of common parameters for mapping DAC curve and the control of welds. • The essays of the Naval Engineering and Technology Laboratory (G1, G2 and G3) had several flaws, such as incomplete penetrations at the root and air bubbles or rust inclusions. • The evaluation of errors using the method of DAC 3 mm curve was up to 40% in the essays G1 and G2, at acceptable level of acceptance 2. • The evaluation of errors using the method of DAC 3 mm curve was up to 30% in the essay G3, below the baseline.