Ispitivanje akustičnom emisijom

Langić Alen

Rezime:

Primjenom metode akustične eminsije u ispitivanju materijala i konstrukcija moguče je blagovremeno otkriti greške, čiji razvoj u eskploataciji može dovesti do značajnog smanjenja pouzdanosti i sigurnosti rada, kao i do gubitaka integriteta konstrukcije. Akustična emisija spada u grupu aktivnih metoda ispitivanja, jer se signal akustične emisije generiše pri procesu i deformaciji,nastajanju i širenju greške. Dati su karakteristični primjeri primjene metode akustične emisije za pračenje stanja posuda pod pritiskom i ispitivenje od kompozita sa pukotinom.

Ključne riječi:

- akustična emisija- deformacijski proces- senzor- ispitivanje materijala

Uvod

U materijalu izloženom dejstvu spoljne sile dolazi do praćenih deformacija, a u nekim slučajevima i pojavom i rastom pukotina uz oslobađanje dijela sakupljene deformaciske energije. Ovako oslobođena energija se iskazuje kroz mehaničke koji se obrazuju na mjestima na kojima dolazi do deformacije, a zatim se prostiru kroz materijal do njegove površine. Ako se pomoču prikladnih senzora postavljenim na dobro odabranom mjestu površine materijala otkriju pomjeranja izazvana djelujućim mehaničkim talasom, dobijeni rezultati mogu poslužiti kao mjera za nastalu deformaciju u materijalu. Generisanje mehaničkih talasa usljed naglog oslobađanja dijela deformacijeske energije u materijalu naziva se akustičnom emisijom (AE).

Akustična emisija je relativno nova tehnika ispitivanja bez razaranja (NDT). Kako njenom primjenom može da se otkrije kada dolazi do deformacije i kada se greška ili pukotina pojavljuju, a u večini slučajeva gdje se to dešava, ona je aktivna metoda za razliku od drugih metoda ispitivanja bez razaranja, kod kojih nema takvih mogučnosti. U područiju elastičnog ponašanja materijala akustična emisija je zanemarljiva. Sa pojavom plastične deformacije se akustična emisija bitno pojačava, što omogučava da se odredi granica između elastičnog i plastičnog ponašanja. Intenzitet akustične emisije dalje raste sa razvojem plastične deformacije. Akustična emisija je vrlo velika kada dođe do inicijacije pukotine i razvoja loma,što je posebna pogodnost pri ispitivanju za određivanje parametara mehanike loma i pračenje integiteta konstrukcije u eksploataciji.

Ova svojstva čine akustičnu emisiju perspektivnom za primjenu jer uz savremeno projektovanje komponenata i konstrukcija na osnovu mehaničkih osobina konstrukcijskih materijala, doprinosi pouzdanoj procjeni vjeka konstrukcija. Materijali koji se uobičajno koriste u konstrukcijama (metali, legure, plastične mase, kompoziti, staklo, keramika, drvo, beton) proizvode pod određenim uslovima signale akustične emisije.

1

Energija i spektar mehaničkih talasa nastalih iz postoječe greške u materijalu, zavise od vrste materijala, nivoa opterečenja i napona koji izazivaju deformacije, prirode deformacijskog procesa, a često i od uticaja sredine u kojoj se ispitivani uzorak nalazi. Akustična emisija se smatra pogodnom metodom za ispitivanje konstrukcija izrađenih od materijala visoke čvrstoče (mikrolegirani čelici, konstruktali), kada postoji opasnost od pojave pukotina. Deformacijski procesi u materijalu sa izraženom akustično emisijom najčešče nastaju zbog:

- djelovanje sile veče od napona tečenja materijala, koja prouzrokuje plastičnu deformaciju ili pojavu i rast pukotine, zavisno od vrste materijala ili lokalnih materijala i njemu

- promjenljive sile koja djeluje na materijal, tj. zamora materijala- naponske korozije- razvoja pukotine na niskim temperaturama

Akustična emisija se može upotrijebiti za otkrivanje ovih procesa. Karakterističan signal akustične emisije se uvjek javlja i može se povezati sa stanjem u materijalu njegovim ponašsanjem. Neophodno je napomenuti da je potrebno iskustvo, kako za pripremu i izvođenje ispitivanja, tako i za tumačenje dobijenih rezultata.

Slika 1. Shematski prikaz ispitivanja akustičnom emisijom [2]

Osnovni principi ispitivanja akustičnom emisijom

Signal akustične emisije može biti kontinualan ili diskretan. Signal kontinualne akustične emisije je po obliku sličan signalu šuma. Jedina razlika je u tome što amplituda ovog signala varira u skladu sa aktivnošču akustične emisije. Kod metala ovaj tip akustične emisije je povezan sa procesom kretanja dislokacija pri plastičnoj deformaciji. Diskretna akustična emisija nastaje usljed oslobađanja dijela deformacijeske energije u diskretnim, dovoljno udaljenim trenutcima vremena tako da ne dolazi do preklapanja talasa koji se u tim prilikama obrazuju. Trajanje ovih talasa je obično kratko i iznosi desetak mikrosekundi do nekoliko milisekundi.

2

Kao izvori diskretne akustične emisije u literaturi se navodi pojav dvojnika, stvaranje i razvoj mikro i makro pukotina. Amplitude signala diskretne akustične emisije su, po pravilu, veče od amplituda signala kontinualnog tipa.

Posebni problemi pri proučavanju signala akustične emisije je razlika između bloka mehaničkih talasa koji stižu na mjesto na kome se nalazi senzor i osnovnog bloka talasa na mjestu među ovim talasima dolazi zbog interferencije osnovnog talasa sa komponentama koje nastaju nakon odbijanja od zidova ispitivanog uzorka, zbog razlike u brzini prostiranja pojedinih komponenti nastalog talasa (transverzalni, longitudinalni, površinski talas), kao i zbog interferencija talasa iz različitih izvora ukoliko se u materijalu istovremeno dešavaju promjene stanja na više mijesta. Nedovoljno poznavanje ovih razlika ometa uspostavljanje korelacije između signala AE, dobijenog na mjestu gdje je postavljen senzor i promjene u materijalu koja je izazvala signal. U posljednje vrijeme se mnogo pažnje posvečuje razvoju senzora-pretvarača koji mehaničke vibracije površine uzorka transformišu u električni signal pogodan za dalju obradu. Postoje dva osnovna tipa senzora: rezonantni i kapacitivni senzori.

Rezonantni senzori se prave na bazi piezoelektričnih pločica i rezonantna učestanost je kod večine komercijalnih tipova u opsegu 140-200 kHz. Osjetljivost im je velika, a glavni nedostatak je u tome što ne postoji da se za ispitivanje štetan signal šuma, koji se javlja zbog rada instrumenata i opreme,čija je frekvencija u rezonantnom opsegu senzora, razdvoji od korisnog signala akustične emisije dobijenog zbog nastalih promjena u materijalu.

Slika 2. Rezonantni senzor [2]

Slika 3. Rezonantni senzor [2]

3

Kapacitivni senzori daju odlične rezultate u pogledu širine pojasa i linearnosti frekventne karakteristike, ali njihova mala osjetljivost (za dva reda veličine manja od rezonantnih senzora) i delikatna konstrukcija ograničavaju njihovu primjenu. U posljednje vrijeme se razvijaju novi, ali i poboljšavaju postojeći tipovi senzora na bazi piezoelektričnih pločica promjenom konstrukcije, sa ciljem da se dobije širokopojasna i ravna frekventna karakteristika. Prednosti rezonantnih senzora nad širokopojasnim ogledaju se u njihovoj velikoj osjetljivosti, robusnosti, jednostavnoj izradi, maloj cijeni i prikladnoj pripremi za upotrebu.

Slika 4. Kapacitivni senzor [2]

Slika 5. Kapacitivni senzor [2]

Obrada signala akustične emisije

Uspostavljanje zavisnosti između promjena u materijlu pod dejstvom spoljne sile i signala akustične emisije zabilježenog senzorom zahtjeva prikladnu obradu dobijenog signala. Naćin obrade zavisi od dva glavna faktora:

- tipa ispitivanja (laboratorijaska istraživanja, provjera kvaliteta konstrukcija, praćenje ponašanja materijala)

- namjene rezultata obrade signala akustične emisije

Ustvari postoje dva osnovna tipa obrade, u zavisnosti od toga da li je potrebno odrediti položaj greške, koja prouzrokuje signal akustične emisije u materijalu ili ne.

Pri laboratorijskim ispitivanjima, kada je položaj greške poznat, mogu se koristiti jednostavniji uređaji i sistemi obrade signala.

4

Međutim, provjera kvaliteta konstrukcija npr. posuda pod pritiskom (Slika 6), zahtjeva dobro postavljenu mrežu senzora povezanih sa prikladnim programom na računaru, čime se obrazuje sistem koji omogučava otkrivanje položaja greške i njene aktivnosti pod opterečenjem od večeg značaja od potpune karakterizacije same greške.

Slika 6. Posuda pod pritiskom (postavljena mreža za ispitivanje AE)

Razvijeno je više metoda za obradu signala AE:

- brojanje događaja - brojanje oscilacija zabilježenih senzorom- mjerenje energije- amplituda analiza- analiza spektra

U našim ispitivanjima je najčešće korištena metoda brojanja zabilježenih senzorom. Princip metode brojanje svakoga promašaja nivoa praga odlučivanja na signalu dobijenom na izlazu senzora, a broj tih promašaja kod jednog događaja raste sa rastučom amplitudom tog događaja. Ilustracija ovog postupka data je (Slika 7). Pri tome ukupan broj oscilacija zabilježenih senzorom za zadati prag odlučivanja zavisi od učestanosti pojave, s jedne strane, i od amplitude tih događaja, s druge strane. Kada u materijalu pod opterećenjem postoji greška koja emituje signal AE, njen položaj se može odrediti korištenjem tri ili više senzora. Metoda se sastoji u mjerenju vremena od polaska bloka talasa AE do pojedinih senzora. Senzori mogu biti proizvoljno postavljeni po površini konstrukcije jer svaki od njuh ima svoje koordinate i zonu posmatranja, nezavisnu od drugih.

Druge metode obrade signala AE se manje koriste, iako mogu da pruže više podataka o stanju ispitivanog materijala, zbog komplikovane i na tržištu nedostupne opreme.

5

Slika 7. Osobine signala akustične emisije [4]

Slika 8. Kontinuirani i tenzorski (diskretni) signal [2]

Vrijeme dolaska bloka signala AE na svaki od senzora određuje se rezolucijom, obično reda veličine 100 ns, i međusobno se upoređuje. Položaj greške koja emituje signal AE može se iz dobijenih podataka odrediti ako je poznata brzina prostiranja AE talasa kroz ispitivani materijal. Ova brzina se određuje eksperimentalno u procesu kalibracije materijala.

Pri ispitivanju materijala AE u laboratorijskim uslovima često je položaj greške poznat. Primjer je ispitivanje epruvete s pukotinom za određivanje parametara mehanike loma. Takvo ispitivanje dato je na (Slika 9). Kada se epruveta optereti do nivoa napona tečenja stvaraju se uslovi za dalji razvoj pukotine i ona postaje izvor signala AE. Obrada signala AE u ovakvim slučajevima treba da pruži što više podataka za njegovo poavezivanje sa parametrima i veličinama koje opisuju ovu istu pojavu.

6

Obrada signala akustične emisije zasniva se na brojanju oscilacija zabilježenih senzorom.

Slika 9. Epruveta [4]

Kao sonda koristi se piezoelektrična keramička pločica rezonantene učestanosti od 1 MHz. Ukupno pojačanje signala akustične emisije može da bude 100000x. Frekventni odziv pojačivaćkog stepena snižen je upotrebom filtera koji nema utjecaja na ukupno pojačanje, tj. na rezonantnu oblast senzora. Na taj način su u dobroj mjeri otklonjene smetnje u sistemu prouzrokovane radom drugih uređaja.

Sonda se koaksijalnim kablom (slika 10), vezuje za detektor akustične emisije. Izlazni signal akustične emisije se preko detektora akustične emisije i brojača registruje kao broj oscilacija zabilježenih senzorom, prikazano (slika 10).

7

Slika 10. Sonda povezana sa akustičnim detektorom [2]

Slika 11. Sonda sa koaksijalnim kablom [2]

Primjena akustične emisije

Najznačajnija oblast primjene akustične emisije je ispitivanje materijala, zavarenih spojeva i konstrukcija. Pri ispitivanju metala i kompozita akustična emisija doprinosi karakterizaciji mehaničkih osobina i određivanju parametara mehanike loma. Akustična emisija se moze koristiti u ocjeni kvaliteta zavarenih spojeva. Akustičnom emisijom mogu da se otkriju greške pri izradi komponenata i konstrukcija, utvrdi pojavu pukotina usljed naponske korozije, da se odredi položaj greške i prati ponašanje aktivnih grešaka u toku eksploatacije.

Ispitivanje materijala

Najznačajnija prednost akustične emisije u odnosu da druge NDT metode, prije svega na ultrazvučno ispitivanje, je mogučnost registrovanja signala koji izaziva greška u

8

materijalu bez detaljnog i potpunog pregleda njegove površine. To smanjuje mogučnost da greške u materijalu ostanu neotkrivene, a smanjuje se i vrijeme potrebno za ispitivanje. Dijagrami ispitivanja mehaničkih svojstava pomoću glatkih epruveta od kompozita ugljeničnih vlakana (ojačivać)-epoksidna smola (matrica) su date na (Slika 12). Na apscisi se nanosi izduženje, a na ordinati opterećenje F (diagram I) i akustična emisija AE (diagram II) Na slikama su prikazani otkazi zbog delaminacije, i zbog šupljine u matrici. Rezultati ispitivanja epruvete su prikazani na (Slika 13). Oštećenja u kompozitnom materijalu se mogu pojaviti već pri niskim naponima. Osnovni mehanizmi koji generišu signal AE u kompozitima su kidanje vlakana, pucanje matrice, raslojavanje faza, relaksacija pokidanih vlakana, rast međulaminarnih pukotina i povišena koncentracija napona.

Slika 12. Dijagrami ispitivanja [2]

Slika 13. Rezultati ispitivanja [4]

Ispitivanje zavarenih spojeva

Tipičan primjer registrovanja signala akustične emisije u toku postupka zavarivanja data je na (Slika 14). Jasno je vidljiva razlika AE između kvalitetnog šava i šava sa kristalizacijskim. Ispitivanje zavarenog spoja več 30-60 minuta poslije zavarivanja

9

omogučava otkrivanje pukotina u zoni utjecaja toplote. Ovakve pukotine se teško mogu otkriti drugim metodama ispitivanja.

Slika 14. Ispitivanje zavarenog spoja AE [4]

Slika 15. Ispitivanje zavarenog spoja AE [4]

Ispitivanje konstrukcija

Posebno je značajno ispitivanje akustičnom emisijom posuda pod pritiskom (Slika 16), jer se ponašanje materijala i zavarenih spojeva zbog promjene pritiska u toku hladne probe i u eksploataciji može kontinualno ptatiti prikladnim izborom položaja senzora i obradom signala AE. Ovo je pogodno ako je utvrđen položaj otkrivene greške. Za greške tipa pukotine, signal AE može ukazati na njenu inicijaciju. Posebna pažnja se posvećuje zavarenim spojevima i zonama oko spoja omotača posude sa prirubnicama. Potrebno je rezultate dobijene ispitivanjima AE kombinovati sa karakteristikama materijala i parametara mehanike loma, kao i sa rezultatima ispitivanja sa drugim metodama ( radiografija, ultrazvuk, tenzometrija).

10

Slika 16. Ispitivanje cilindričnih spojeva [2]

Zaključak

Prikazani rezultati korištenja akustične emisije kao aktivne NDT metode potvrdili su velike mogučnosti otkrivanja otkrivanja grešaka, što preporučuje proširenje njene primjene za ispitivanje konstrukcija i materijala. Akustična emisije se uspješno primjenjuje ua određivanje karakteristika raznih vrsta materijala, uključujući kompleksne strukture kao kod kompozita. Primjena akustične emisije u labaoratorijskim ispitivanjima materijala može da doprinese boljem poznavanju ponašanja materijala pri djelovanju opterećenja i u uslovima nastanka i rasta pukotine primjenom mehanike loma.

Posebno mjesto metoda akustične emisije zauzima u ispitivanju zavarenih konstrukcija jer je primjenjiva i u toku i poslije zavarivanja.

Literatura

[1] http://divk.inovacionicentar.rs/ivk/pdf/IVK1-031-2006-ZB-SS.pdf

[2] http://www.ndted.org/EducationResources/CommunityCollege/Other%20MethodsAE

[3] doc. dr. Samir Lemeš Ispitivanje proizvoda (Predavanje)

[4] http://www.google.ba/search?q=shema+akustic

11