beolvadási hibájának ultrahang-frekvenciás kimutatása

Átírás

1 A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK Ponthegesztett kötések beolvadási hibájának ultrahang-frekvenciás kimutatása Tárgyszavak: ponthegesztett kötések; ultrahang-frekvenciás hibakimutatás; roncsolásmentes anyagvizsgálat. A végtermékkel szemben támasztott piaci követelmények arra késztetik a gyártó üzemeket, hogy különböző anyagvizsgálati módszerekkel biztosítsák a termékek minőségét. A tömeggyártásban fokozott mértékben veszik igénybe a roncsolásmentes vizsgálati eljárásokat, tekintettel gazdaságosságukra és gyorsaságukra. A vizsgálati eredményeket regisztrálni kell. Ezzel biztosítani lehet a termékminőség használat közben bekövetkező változásainak folyamatos megfigyelését. A roncsolásmentes anyagvizsgálat egyik előnye, hogy akár egy piacképes termék, akár egy felhasználásra kerülő félkész darab vizsgálata elvégezhető. Az ultrahang-frekvenciás vizsgálati módszer az elmúlt évtizedben jelentős fejlődésen ment keresztül. Az ultrahang-frekvenciás vizsgálat minőségbiztosítási feladatokra való alkalmazásának egyik jelentős területe a gépjárműgyártás. Különösen szigorúak a gépjárműalkatrészekre vonatkozó minőségi előírások, szabványok és az ügyfelek követelményei. Eddig főként roncsolásos módszerekkel ellenőrizték a gépkocsi-karosszériák ponthegesztett kötéseinek minőségét. A hegesztett gépkocsi-karosszéria bonyolult szerelési, hegesztési műveletek, tömítőanyag-felhasználás és alkatrészek csavarkötéssel rögzítésének végeredménye. A teljes termelési folyamat eltérő mértékben automatizált, különböző munkahelyeken végrehajtott műveletek kombinációja. A hegesztési műveletek nemcsak technológiai, hanem az elvégzés módszerei szempontjából is különböznek egymástól. Legtöbb autógyárban az ellenállásos ponthegesztés három különböző mértékben automatizált változatát alkalmazzák. Sok üzemben még mindig a kézi ponthegesztési módszerre hagyatkoznak. Másutt stabil ellenállás-hegesztő fogóval végzik a gépesített hegesztést, viszont a korszerű üzemekben hegesztőrobotokat alkalmaznak. A ponthegesztéssel szemben támasztott követelmények nem függenek az automatizálás mértéké-

2 től. A hegesztett kötés közvetlen, vagy közvetett paraméterek alapján végrehajtott minősítését azonban eltérő módon végzik a különböző laboratóriumokban. A minőség-ellenőrzés és a minőségértékelés azonosságának biztosítása érdekében a gépkocsigyártó iparban új ellenőrzési módszereket vezettek be. A ponthegesztett kötések ultrahang-frekvenciás ellenőrzési módszere terén a gépjárműiparban a közelmúltban több olyan kedvező fejlesztési eredményt értek el, amelyek a jelek szerint jelentősen hozzájárulhatnak a megtakarítások, közvetve pedig a termelékenység növeléséhez. A következők a hegesztett kötés beolvadási hibájának ultrahang-frekvenciás ellenőrzését ismertetik. A beolvadási hiba A beolvadási hiba lényegében hegesztési folytonossági hiány. Olyankor beszélünk beolvadási hibáról, amikor nem olvadtak össze egymással vagy a heganyaggal az illesztett felületek. Amikor ilyen helyzet áll elő, ezt a hegesztő általában nem veszi észre, és a hegesztés után nehezen lehet kimutatni szemrevételezéssel vagy más roncsolásmentes vizsgálati módszerrel. Fogyóelektródos hegesztés esetében hajlítóvizsgálat alapján lehet legjobban érzékelni a hibát, míg lemezek átlapolt ellenállásos ponthegesztésekor a szakítóvizsgálat vagyis roncsolásos módszer alkalmazása a legcélravezetőbb. A hegesztett kötés beolvadási hibájának esetén a törés a heganyag peremén, vagy a heganyagok között következik be. Ez egyértelműen jelzi a beolvadási hibát. Ilyenkor a kötés töréséhez szükséges erő kisebb, mint a hibátlan kötés szakításakor. A hőhatáson alapuló hegesztési módszerek esetében a beolvadási hiba alapvető oka, hogy a hegesztés helyén túlságosan kevés a bevitt energia. Vagyis ömlesztő hegesztés esetében az alapanyagon érvényesülő hőhatás nem volt elegendő ahhoz, hogy az anyag az érintkezési ponton, az átmeneti övezetben megolvadjon. Így nem jöhetett létre a szükséges homogén kötés. A beolvadási hiba több más okra is visszavezethető. Így például fogyóelektródos ömlesztő hegesztés esetében előidézheti az ívkisülés fúvó hatása, a hegesztőpisztoly nem megfelelő iránytartása, a hegesztési ömledék rendszertelen mozgása, a túlságosan kis energiabevitel a munkadarabba, vagy a hegesztendő felület nem megfelelő előkészítése. Ellenállásos ponthegesztés esetén a beolvadási hiba két okra vezethető vissza: a hegesztési paraméterek: a hegesztési áramerősség vagy a hegesztési idő nem kielégítő volta, vagy az áram nem a kívánt hegesztési ponton, hanem egy szomszédos helyen haladt át.

3 A beolvadási hibát roncsolásos anyagvizsgálattal, a hegesztési varrat helyéről készült metszet szövetszerkezeti felvételén lehet kimutatni. Roncsolásmentes vizsgálatra az ultrahang-frekvenciás eljárás alkalmas. Ultrahang-frekvenciás vizsgálat Az ultrahangos vizsgálóberendezés részei az ultrahang-frekvenciás adóvevő detektor, a számítógép és a monitor. A nagyfrekvenciás (20 MHz) jel a szondán, a csatolóközegen, valamint a hegesztési varraton keresztül jut az anyagba. Útját a monitor képernyőjén kirajzolódó jel alapján lehet követni. Az anyagon áthatoló akusztikai jel energiája az anyagtól, annak szerkezetétől és alakjától függően csillapodik. Az energiacsillapodás alapján következtetni lehet az anyag tulajdonságaira, esetünkben a hegesztési pont sajátosságaira. Az ultrahang-frekvenciás anyagvizsgáló berendezés működési elvét tünteti fel ponthegesztett kötés ellenőrzésének esetére az 1. ábra. generátor időjel numerikus feldolgozás erősítő ultrahang-frekvenciás szonda vizsgált darab ponthegesztett kötés 1. ábra Ponthegesztett kötés ultrahang-frekvenciás vizsgálatára szolgáló berendezés A ponthegesztés vizsgálatára használt ultrahangos berendezés a hagyományos változattól csupán a szonda szempontjából különbözik. A szonda lényegében egy piezoelektromos kristályt és a hullámátviteli közeget, esetünkben vizet tartalmaz. A szondában levő vízoszlopot különleges, rugalmas, a vizet nem áteresztő membrán zárja le. Ez a membrán teszi lehetővé a megbízható érintkezést a vizsgált anyaggal.

4 A szonda és a vizsgált anyag közötti csatolás javítása érdekében glicerint használnak. A membrános szonda hátránya a szonda gyengesége. Sorja vagy más, a vizsgált felületen visszamaradt éles fém megsértheti a membránt és cseréje meglehetősen időigényes. Az ultrahangos vizsgálatnál a szondát a hegesztési pont helyén a felületre merőlegesen kell elhelyezni. A nagyfrekvenciás hanghullám áthatol az anyagon és visszaverődik az akadályokon. A visszavert hullámot ugyanez a szonda érzékeli, és a jel megjelenik a képernyőn. Ezen tehát a visszhangjel, az áthaladó és a visszavert jel látható az idő függvényében. Amennyiben a hegesztett kötés ép, semmi sem akadályozza az ultrahang útját. Áthatol az anyagon az alsó lemezfelületig, majd azon visszaverődik a szonda irányába (2. ábra). szonda rugalmas membrán beeső jel ponthegesztés visszavert jel 2. ábra Az ultrahanghullám terjedése hibátlan hegesztett kötésben Ideális ponthegesztett kötésről készült, a képernyőn látható visszhangjel felvételét tünteti fel a 3. ábra. Az ábrán a bemenőjel és hat visszavert jel különböztethető meg. A jelek közötti távolság a lemezek vastagságával arányos. A képernyőn nincs közbenső jel, vagyis a hegesztett kötés hibamentes. Bevonatos lemez hegesztett kötésének vizsgálata Bevonatos lemez átlapolt kötéseinek ponthegesztési módszerét manapság főként a gépjárműgyártás alkalmazza gépkocsi-karosszéria előállításakor.

5 A jelenlegi vizsgálati módszerek még nem teszik lehetővé a ponthegesztett kötés minőségének 100%-os meghatározását, annak ellenére, hogy folyamatosan ellenőrzik a legfontosabb technológiai paramétereket, a hegesztési feszültséget és áramerősséget. Éppen ezért a gyakorlatban még mindig a roncsolásos anyagvizsgálati módszereket alkalmazzák az átlapolt ponthegesztett kötések minőségének meghatározására. Az előzőekben ismertetett eljárás a kötés struktúrájának roncsolása és a kötések gyártási folyamatának megzavarása nélkül használható a ponthegesztett kötés minőségének kellő megbízhatóságú értékelésére. További fejlesztés révén a módszer automatizálható. Ez javíthatja az ellenőrzés hatékonyságát és megbízhatóságát, valamint kiküszöbölheti az emberi tényező hatását. 100% 80% harmadik visszavert jel amplitúdó <40% 60% 40% amplitúdó 20% a jel útja, mm első visszavert jel amplitúdó 80 90% utolsó visszavert jel amplitúdó 5% 0% bemenőjel értékelés helyzet amplitúdó alak képernyő jel-maximum 100% fölött stabil jel 3. ábra Ideális ultrahang-frekvenciás visszhangjel hibátlan ponthegesztett kötés vizsgálatakor A gépjárműgyártásban felhasznált bevonatos lemezek ponthegesztett kötéseinek leggyakrabban előforduló hiányosságát, a beolvadási hibát azonban elég nehéz kimutatni.

6 Az ultrahang-frekvenciás vizsgálatról bebizonyosodott, hogy lehetővé teszi a beolvadási hiba észlelését, azonban a módszer használata rendkívül gondos munkát és sok tapasztalatot igényel, ami igen megnehezíti az ilyen hibák automatikus kimutatását. A 3. ábrából kivehető, hogy amikor az ultrahanghullám áthatol a hegesztett kötésen, a visszavert jel csillapodik, amit a jeldiagramon lehet megfigyelni. Az ultrahang csillapodásának mértéke a heganyagban függ attól, hogy milyen típusú szövetszerkezeti változások mentek végbe a két lemez összehegesztésekor. A 4. ábra egy nem ideális hegesztett kötés vizsgálatakor kapott valós ultrahang-frekvenciás visszaverődési diagramot tüntet fel. Ez a kötésminőség azonban még ki tudja elégíteni a gépkocsigyártás követelményeit. 100% amplitúdó 0% 0 a jel útja 12 mm 4. ábra Hibátlan ponthegesztett kötés ultrahangos vizsgálati diagramja A 4. ábrán a bemenőjel és hét visszavert jel látható. Itt például a 3. viszszavert jel a teljes skálának 37%-át, a 7. jel csupán 3%-át éri el. A visszavert jelek csillapítása a várakozásnak megfelelő. Egyébként közbenső jelek is előfordulnak, azonban nem jelentősek. Egyikük sem haladja meg a 3%-ot. A hegesztett kötés lemezanyagát hideghengerléssel állították elő, és tűzi horganyzással kapta meg a korrózió elleni védőbevonatot. Az anyag szövetszerkezete eredetileg ferrit, csekély mennyiségű perlittartalommal. Az ellenállás-hegesztés folyamán az anyag részben megolvad. Lehűlés alatt irányított szemcsé- 0

7 zettségű heganyag képződik. A heganyag körüli hőhatásnak kitett övezetben a ferrit perlitté alakul át. 100% amplitúdó 0% 0 a jel útja 12 mm 5. ábra Ponthegesztett kötés beolvadási hibával. Ultrahang-frekvenciás visszhangdiagram Az olyan ponthegesztett kötés ultrahang-frekvenciás vizsgálatakor, amelyben hegesztés alatt beolvadási hiba képződik, a vizsgálati diagram jellege az 5. ábrának megfelelő lesz. Ezen a diagramon is hét visszavert jel látható. A 3. visszavert jel a teljes skála 43%-át, a 7. a 8%-át éri el. A visszhangdiagramon közbenső visszavert jeleket is meg lehet figyelni, amelyek amplitúdója azonban csupán a skála 7 9%-ának felel meg. A gyakorlati vizsgálat során az alsó lemez alsó felületéről visszavert jel csillapítása és a felső lemez alsó felületéről visszavert közbenső jel képződése alapján arra lehet következtetni, hogy a hegesztett kötésben beolvadási hiba fordul elő. A 3. visszavert jel és efölött azoknak a hegesztett kötéseknek az esetében, amelyekben beolvadási hiba fordul elő, a csillapító hatás kisebb, mint azokban, amelyek mentesek ettől a hibától. Ez látszólag ellentétes az elvárással, amely szerint beolvadási hiba esetén a visszavert jel szükségképpen kisebb, miután a hátoldalról visszavert jel is kisebb. Azonban ahogy azt az 5. ábra mutatja a beolvadási hiba esetében a visszavert jel mégis nagyobb, mivel a ponthegesztett kötésben a szövetszerkezeti változások nem jelentősek. A szövetszerkezeti átalakulások általában a hegesztési energia mennyiségével függnek össze. Vég-

8 eredményben a csillapítás mértéke alapján lehet a legmegbízhatóbban következtetni a hegesztett varrat beolvadási hibájára. A horganybevonatos lemez hegesztésekor, amennyiben nem elég nagy a hegesztési energia, nem olvad meg teljesen a horganyréteg és így nem tud a heganyagba diffundálni. Ezért a heganyagba horgany és vas zárványok kerülnek. Mindkét esetben (4. és 5. ábra) az átlapolt kötés elemeinek felülete sima és egyenes volt. Ez biztosította, hogy a szonda és a lemez közötti érintkezés megfelelő legyen és hogy ne verődjön vissza a jel a külső lemezfelületről. A hibátlan ponthegesztett kötésre jellemző 4. ábrán és a beolvadási hibát tartalmazó kötés vizsgálati eredményét bemutató 5. ábrán megfigyelhető viszszavert ultrahang-frekvenciás jelek csillapításának összehasonlítása utal egy fontos, de nehezen kimutatható különbségre, amit a 6. ábra fejez ki. 100 amplitúdó, % beolvadási hiba hibátlan heganyag a 6. jel csillapításának különbsége a jel útja, mm 6. ábra Ponthegesztett kötések ultrahang-frekvenciás vizsgálatakor kapott visszavert jelek csillapításának összehasonlító görbéi Alapjában véve a 3. visszavert jel teszi lehetővé a hibátlan és a hibás hegesztett kötés megkülönböztetését egymástól. Amikor a 3. visszavert jel amplitúdója 40% alatti, ez azt jelenti, a hegesztett kötés elfogadható minőségű. Ha az amplitúdó meghaladja a 40%-ot, ez arra enged következtetni, hogy a hegesztett kötés hibás. Ugyanilyen jelentőséget lehet tulajdonítani a közbenső visszavert jeleknek, amelyek a 4. és 5. ábrákon is kivehetők. Ezek amplitúdója nem haladhatja meg az 5%-ot. Ha ez teljesül, kellő biztonsággal állítható, hogy a hegesztett kötésben nincs beolvadási hiba. A gyakorlatban azonban nem

9 mindig ez a helyzet. Gyakran megjelennek a képernyőn olyan, 5%-ot meghaladó amplitúdójú, közbenső visszavert jelek, amelyek azonban nem a ponthegesztett kötésben képződött hibáktól, hanem a heganyag felületi hibáitól erednek. Ezt a jelenséget okozhatja a hegesztőelektród kopása vagy alakváltozása, védőréteg-maradványok az elektródon, magának a hegesztett pontnak az alakváltozása stb. Ilyen esetekben a vizsgálatot végző személynek szemrevételezéssel, tapasztalatai alapján kell értékelnie a hegesztett kötés minőségét. A 6. ábra a hibátlan hegesztett kötés és a beolvadási hibát tartalmazó kötés visszavert jeleinek csillapításváltozásait mutatja be. Megfigyelhető, hogy a beolvadási hibát tartalmazó heganyag esetében a 4., az 5., különösen pedig a 6. visszavert jel amplitúdója nagyobb, vagyis csillapítása kisebb, mint a hibátlan varrat vizsgálatakor. A 6. ábrát a 4. és 5 ábrák jelamplitúdóinak változásai alapján szerkesztették meg. Következtetések Ellenállásos ponthegesztett kötések vizsgálati módszerének kidolgozását célzó előkísérleteket hajtottak végre. Megvizsgálták, hogy a módszer miként alkalmazható két lemez között ellenállásos ponthegesztéssel előállított kötés varratanyagában, a túl kis hegesztési energia következtében létrejövő beolvadási hiba kimutatására. A vizsgálatokat mintegy száz hegesztett kötésen hajtották végre. Mind a hegesztett pont mérete, mind a hegesztési paraméterek végig azonosak voltak. Beolvadási hiba olyankor jött létre, amikor a két lemez közötti átmenetben nagy volt az ellenállás, és ezért az áram a szomszédos hegesztési ponton ment át. Az is előfordulhat, hogy a lemezek közötti szenynyezéseket a hegesztőáram nem tudja megolvasztani. Az elméleti és gyakorlati vizsgálatok alapján a következőket lehet megállapítani: A beolvadási hibát különböző okok idézhetik elő, és a hiba kimutatása igen nehéz. A beolvadási hiba leggyakrabban olyankor fordul elő, amikor a hegesztési ponton túl kicsi a bevitt energia. Átlapolt lemezkötések ellenállásos ponthegesztésekor a két lemez között beolvadási hiba alakul ki. A korrózió ellen védő bevonattal ellátott lemezanyagok hegesztésekor növekszik a beolvadási hiba valószínűsége. Az ismertetett új, membránnal elzárt vízoszlopos ultrahang-frekvenciás szonda segítségével detektálni lehetett a heganyagban a beolvadási hibát. A 4. ábra a hibátlan, az 5. ábra a beolvadási hibát tartalmazó hegesz- tett kötésről készült ultrahang-frekvenciás visszhangjeleket mutatja be.

10 Ezek további vizsgálatok kiindulási alapját képezhetik. A jelcsillapítási különbségek egyértelműek. A beolvadási hibára a visszavert ultrahang-frekvenciás jelek csillapítása és a közbenső visszavert jelek előfordulása alapján lehet következtetni. Ha a 3. visszavert jel nem haladja meg a teljes érték 40%-át, a közbenső jelek pedig az 5%-át, akkor a tapasztalat alapján arra lehet következtetni, hogy a hegesztési varrat nem tartalmaz beolvadási hibát. A hegesztési varrat beolvadási hibától való mentességének megbízható becslése céljából a 6. ábrán feltüntetett, a jelcsillapítást jellemző görbe egyéb tulajdonságait is figyelembe kellene venni. Ehhez annak leírására alkalmas matematikai összefüggést kellene kidolgozni, majd statisztikailag értékelni a görbe eltérését az átlagértéktől. Etalonokra lenne szükség a beolvadási hibát kimutató ultrahangfrekvenciás szonda kalibrálására. Ezt a 4. és 5. ábrák alapján lehetne elvégezni. A korszerű ultrahang-frekvenciás készülékek fejlettségi színvonala ellenére a beolvadási hiba kimutatásakor még mindig a vizsgálatot végző személy tapasztalata játssza a fő szerepet. Az elméleti felismerések elsősorban laboratóriumi feltételek között teszik lehetővé a beolvadási hiba roncsolásmentes kimutatását, viszont termelési viszonyok esetében, ahol követelmény percenként egy ponthegesztett kötés vizsgálata, az ilyen detektálás nagy nehézségekbe ütközik. Ennek ellenére az említett vizsgálati módszert eredményesen lehetne alkalmazni a gépjárműgyártásban. Az automatizálás fejlődése a vizsgálat termelékenységét kétség kívül oly mértékben fogja növelni, hogy a módszer a gépkocsik sorozatgyártásában is használható lesz. Feltételezhető azonban, hogy a hegesztett kötés minőségének ultrahang-frekvenciás vizsgálata csak olyan korrelációs modell alapján válik lehetővé, amely a visszhangdiagram nagyszámú paraméterét veszi figyelembe. A gépjárműgyártásban a ponthegesztett kötés minőségének megbízható ellenőrzéséhez jelentős mértékben hozzájárulhatnának a neuronhálózatok, vagy egyéb, a mesterséges intelligenciát alkalmazó módszerek. (Dr. Barna Györgyné) Tusek, J.; Blatnik, T.: Ultrasonic detection of lack of fusion in spot welds. = Insight, 44. k. 11. sz p Inline Schweißnahtinspektion. = Blech Rohre Profile, 49. k. 7. sz. okt p