A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.5 Ipari anyagok roncsolásmentes vizsgálata modulációs termográfiával Tárgyszavak: roncsolásmentes anyagvizsgálat; infravörös termográfia; acélhegesztések vizsgálata. Mind a repüléstechnikában, mind a gépjárműiparban egyre szigorúbb biztonsági követelményeket kell kielégíteni az ipari termékek minőség-ellenőrzése terén. Legtöbb szerkezeti anyag alumínium és acél. Az utóbbi években azonban mind jobban tért hódítanak a korszerű, rétegelt műanyag szerkezetek, tekintettel kisebb tömegükre, nagy fajlagos szilárdságukra és korrózióállóságukra. A nagyszámú, különböző anyag felhasználása szükségessé tette megfelelő roncsolásmentes módszerek alkalmazását. A nagy igénybevétel következtében feltétlenül szükség van a gyártás folyamán vagy felhasználás közben létrejövő meghibásodások pontos kimutatására. Leggyakoribb a különböző idegen anyagok által előidézett hiba, a réteges szétválás, a porozitás, a műgyanta helyi hiánya és a kötések elválása. Ezekből a szempontokból az infravörös termográfia igen jó szolgálatot tehet mind a fémek, mind a kompozit műanyagok roncsolásmentes vizsgálata szempontjából. Különösen a modulációs termográfia által szolgáltatott információk alapján lehet megbízhatóan következtetni az anyagok termofizikai tulajdonságaira, mutathatók ki a hibák, határozható meg egyszerűen ezek mérete, mélysége és jellege. A modulációs termográfia termikus hullámokat vesz igénybe. A kapott fáziskép közvetlenül kimutatja (nehézkes utólagos feldolgozás nélkül) a meghibásodott hely hibanagyságát, mélységét és sajátosságait. A termográfiai rendszer koherens kapcsolatban van a termikus hullámforrással, amelyet szinuszos hőmérséklet-modulációs üzemmódban kezelnek. A hőhullám erősen csillapított, így csak egy bizonyos mélységig hatol az anyagba. A behatolás mélysége függ a hullám ciklusidejétől (minél lassúbb a hullám, annál mélyebbre tud hatolni) és az anyag tulajdonságaitól (hővezető képességétől, fajhőjétől és sűrűségétől). A modulált hőhatást az erősen csillapított hullám függvényével lehet leírni. A komplex hullámfüggvény valós és imaginárius részében szerepel a µ termikus diffúziós távolság, amelynek értéke:
α µ = (1) πf ahol α az anyag termikus diffúziós állandója és f a hullám frekvenciája. A maximális ellenőrizhető p mélység: p = 1,8 µ (2) A modulációs termográfiát általában arra alkalmazzák, hogy meghatározzák a szálbetétes kompozit anyagban a szálak irányát, kimutassák a furnérban a rétegleválást, vagy megmérjék a kerámiabevonatok vastagságát, sűrűségét és porozitását. A modulációs termográfia lehetőségeit és a vele szemben támasztott technológiai követelményeket a következőkre vizsgálták: az anyag termikus diffúziós jellemzőjének mérése, különféle anyagok különböző jellegű meghibásodásainak kimutatása, szemléltetése, az automatikus védőgázas hegesztéssel előállított varratok méretvizsgálata hőhatásnak kitett övezetekben, kötések felületi plazmasugaras kezelése utáni javulás mértékének meghatározása. A kísérlet és a felhasznált próbatestek Olyan próbatesteket készítettek, amelyeken mesterségesen hozták létre a leggyakrabban előforduló hibákat. Az egyes próbatesttípusok: 1. PVC próbatest: 3 10 mm átmérőjű, a hátoldalon kialakított, 0,25 5 mm mélységű furatokkal. 2. Plexiüveg próbatestek: vékony kartont közrefogtak különböző vastagságú plexiüveg lemezekkel, és ezeket összeragasztották. Mindkét oldalról végezve a vizsgálatot, p = 1 és 5 mm volt. 3. Üvegszál-erősítésű epoxi próbatestek: a rétegelt üvegszál epoxi anyag előimpregnált 0,1 mm vastag lemezeiből váltakozva 0 és 90 szálirányban köteget képeztek. A teljes vastagság 5 mm volt. A réteges szétválást úgy hozták létre, hogy öt különböző átmérőjű (d = 2 8 mm), 1 és 2 mm vastagságú alumínium-, parafa- és teflontárcsákat ágyaztak be különböző (p = 0,125 4 mm) mélységekbe. 4. Karbonszálbetétes epoxi próbatestek:két karbonszálas epoxi rétegelt anyagot vizsgáltak, az A jelű rétegelt műanyag szerkezetet laboratóriumi körülmények között állították elő, a B jelű ipari termelésből származott.
Az egyik A próbatest vastagsága 8 mm volt. Levegő, alumínium, plexiüveg, acél és teflon mesterséges zárványok helyezkedtek el p = 2,3 és 6,4 mm mélységben. A második A jelű próbatest vastagsága 3 mm volt, ezen ütéssel hozták létre a meghibásodást. A B próbatest vastagsága 4 mm volt, és nyolc d = 5 mm-es furatot készítettek rajta. 5. Certran -ből készült próbatestek. 6. Epoxi műgyantával itatott polimer (szövött) textíliákból készült többrétegű minta. 7. Az előbbi, 6. sorszámúnak megfelelő módon előállított minta, azzal a különbséggel, hogy kötés előtt a textíliákat plazmakezelésnek vetették alá. 8. AISI 304 acélból készült próbatestek. Két lemezdarabot hegesztettek össze volfrámíves védőgázas ívhegesztéssel. A kísérleti elrendezést az 1. ábra tünteti fel. infravörös pásztázó készülék minta termikus hullámokat kibocsátó egység 1. ábra Kísérleti elrendezés A vizsgálatokhoz Agema 900LW típusú termovíziós rendszert használtak. A modulációs frekvenciatartomány 3,75 Hz (267 ms)-től 0,0037 Hz (273 s)-ig terjedt, 15 sávban. Az elérhető maximális mélység a minimális frekvencián érhető el, és értékét az (1) diffúziós egyenlettel lehet meghatározni. A sugárforrást előzetesen a használt hullámfrekvenciákra kalibrálták, annak biztosítása érdekében, hogy a hőhullám valóban szinuszos legyen. Általában a következő
ellenőrzési módszert alkalmazzák: először az anyag diffúziós állandójától függő, elég magas frekvenciát állítanak be a felületi réteg vizsgálatára, majd alacsonyabb frekvenciára állnak át a mélyebb rétegek vizsgálatára. Az előbbi a fázisképet, utóbbi a relatív képet állítja elő. Ezt a műveletet addig folytatják, amíg a darabot teljes vastagságában át nem sugározták, vagy amíg az Agema készüléken elérhető legkisebb modulációs frekvenciát el nem érték. A (fázis, és/vagy amplitúdó-) képeket pedig utólagos elemzésre tárolják. Az eredmények elemzése Az amplitúdó- és fázisképek alapvető sajátosságai: Az amplitúdó érzéketlen a környezetből érkező visszavert hullámokkal szemben, míg a fázisképet nem zavarják a teljesítménysűrűség vagy a termikus emissziós együttható helyi eltérései sem. A fázisszög ellenőrzésével (mintegy kétszeresen) mélyebb rétegben is kimutatható a hiba. A következők a fázisképek alkalmazását tárgyalják. Zárványok vizsgálata A rendelkezésre álló határok között (3,75 0,0037 Hz) változtatva a modulációs frekvenciát, az irodalom adataival összhangban megállapították, hogy a hiba kimutathatósága erősen függ mind az alapanyag, mind a hiba termikus tulajdonságaitól, ill. a hibaméret és a hiba mélységének arányától. A mélység (p) növekedésével a térbeli felbontóképesség leromlik, mivel a termikus diffúzió érezteti hatását. A hiba akkor látható jól, ha mérete legalább megegyezik a megválasztott mélységgel, amit a megválasztott frekvencia figyelembevételével az (1) és (2) egyenletek alapján lehet kiszámítani. Miután a termikus hullámot helyileg a zárvány és az alapanyag tulajdonságaitól függő eltérő fázisszög jellemzi, ez lehetővé teszi a zárvány termikus tulajdonságainak a megállapítását. Kvantitatív adatok A fázisképeket mennyiségileg elemezték, hogy meghatározzák mindazt a lehetséges információt, ami hasznos az anyag vagy a belőle előállított darab ipari célú jellemzésére. Ennek érdekében mérték az anyag termikus diffúziós állandóját, majd meghatározták a hibahely mélységét, a meghibásodott terület kiterjedését, értékelték a kötés hatékonyságát, végül pedig hegesztett acélkötések esetében a hőhatásnak kitett sáv méretét.
A termikus diffúziós állandó mérése Az irodalom ezt az adatot a korszerű kompozitok esetében általában nem ismerteti, mivel ez az érték erősen függ az anyag összetételétől: a műgyanta és a szálbetét százalékos arányától, valamint a szálak tájolásától. Ezért megkísérelték, hogy a modulációs termográfia segítségével meghatározzák az anyag α termikus diffúziós állandóját. Az előbbiekben ismertetett három rétegelt kompozit anyag hibamentes mintáinak hátoldalára kikeményítéssel egy-egy fémgyűrűt rögzítettek. Ezzel biztosították a fémgyűrűk és az alapanyag közötti szoros kötést. A próbatestek vastagságát precíziós mérőeszközzel határozták meg. A termográfiai vizsgálat során a frekvenciát addig változtatták, amíg a gyűrű látható nem lett. ezt az f p frekvenciaértéket és az s p próbadarab-vastagságot behelyettesítették az (1) egyenletbe és azt átrendezték: 2 sp fp 18 α = π (3), ahol s p /1,8 = µ. A modulációs termográfiai (MT) módszerrel mért, valamint az irodalomból ismert termikus diffúziós értékeket az 1. táblázat foglalja össze. A termikus diffúziós együttható értékei néhány anyag esetében 1. táblázat Anyag α (cm 2 s) (MT módszerrel α (cm 2 s) (irodalmi adat) mérve) Alumínium 0,9 Karbonszálbetétes epoxi 0,0035 0,0062 Karbonszálbetétes epoxi (Infr. Observer) 0,02 Karbonszálbetétes epoxi (Infr. Observer) 0,0044 Az ismertetett vizsgálatban szereplő A típusú 0,0045 karbonszálbetétes epoxi Az ismertetett vizsgálatban szereplő B típusú 0,02 karbonszálbetétes epoxi Parafa 0,0016 Üvegszálbetétes epoxi (Infr. Observer) 0,00169 Üvegszálbetétes epoxi (az ismertetett vizsgálat 0,00116 anyaga) Plexiüveg 0,0011 0,00113 PVC 0,0012 0,00124 Epoxi-műgyanta 0,0004 Teflon 0,0007
Legtöbb itt említett anyagra vonatkozó adatok szerepelnek a táblázatban. A PVC és a plexiüveg termikus tulajdonságai ismertek; adataik az összehasonlító értékelést teszik lehetővé. Az MT módszerrel meghatározott értékek általában megegyeznek az irodalmi adatokkal. A karbon-epoxi B jelű rétegelt anyag esetében azonban olyan nagy értéket mértek, amilyent az irodalom a párhuzamos szálirányú anyagok esetére ad meg. Ez azzal magyarázható, hogy ez a próbatest az ipari termelésből származik, és csekély a műgyanta százalékos aránya. Fel kell hívni azonban a figyelmet arra, hogy a modulációs termográfia módszerét eredetileg roncsolásmentes hibavizsgálatra, nem pedig termikus diffúziós mérésekhez kívánták felhasználni. Egyébként a pontosság érdekében a frekvenciát folyamatosan kell tudni szabályozni, viszont a mostani esetben erre nem volt lehetőség. a) b) c) d) α 2. ábra A hiba mélysége a frekvencia függvényében (a µ = egyenletből) πf a) karbonszálas epoxi, b) üvegszálas epoxi, c) plexiüveg, d) PVC
Mélységmérés A p mélység értékét az (1) egyenletből lehet számítani. Az egyenletben szereplő α értéket minden anyag esetében a modulációs módszerrel mérték. Az f frekvencia az az érték, amelyen (adott p esetén) a hiba láthatóvá válik. A termikus hullám ilyenkor eléri ezt a réteget. Nyilvánvaló, hogy valós körülmények között a hiba ismételt vizsgálatokkal határozható meg, figyelembe véve a zajviszonyokat. Ezeket a mért mélységértékeket és az elméleti (1) függvénygörbét a 2. ábra tünteti fel a frekvencia függvényében. Szemmel láthatóan a kísérletekben felvett pontok alig szórnak az elméleti görbéhez viszonyítva, ami azt jelenti, hogy az α értékének mérése helyes volt. A meghibásodott terület méretének meghatározása Munkadarabok ellenőrzésekor pontosan meg kell ismerni a hiba helyét, méretét és típusát. A hibahely mélysége az (1) egyenlet segítségével számítható, ha ismerjük az alapanyag termikus diffúziós együtthatóját és azt a modulációs frekvenciát, amelyen a hiba először válik láthatóvá. A hiba mérete szempontjából úgy tűnik kedvezőbb kontraszt érhető el egy vagy két lépéssel alacsonyabb frekvencián, mint azon, ahol először jelent meg a hiba. Mérete közvetlenül értékelhető a fáziskép alapján, ha ismerjük a felhasznált optika térbeli felbontóképességét. A hibátlan és a hibás anyag határfelületét az alábbi kritérium alapján lehet meghatározni: φm φ φl φ * = = 0,5 (4) φ φ φ m c ahol φ m a hiba körüli hibátlan övezet fázisszögének átlaga, φ l a helyi fázisszög és φ c a fázisszög a hibaterület közepén. Általában minél nagyobb a hiba és minél közelebb van a felülethez, annál kontrasztosabb, és annál jobban megkülönböztethető a hiba alakja. És fordítva, a kontraszt leromlik, ha a hiba túl kicsi, vagy túl mélyen van. Ezenkívül a kontraszt erősen függ a relatív termikus diffúziós együtthatótól: c α r = α d α b (5) ahol α d a hiba termikus diffúziós együtthatója, α b az alapanyag termikus diffúziós együtthatója. Az α r növekedésekor a kontrasztosság javul. A modulációs termográfia módszerével készült felvételeken a műgyanta hiánya következtében világosabb és sötétebb övezeteket lehet felismerni. A kompozitokról készült felvételeken ezek szerint a műgyantaeloszlás roncsolásmentesen meghatározható. Azonban a műgyanta helyi besűrűsödése le-
ronthatja a hiba kimutahatóságát, ha α d < α b, mivel a műgyanta termikus diffúziós együtthatója kisebb, mint az üvegszövetbetétes epoxi műgyantáé, ahogy azt az 1. táblázat is feltünteti. Megállapították, hogy a helyi műgyantasűrűség különösen a teflon anyagú hibák kimutathatóságát rontja le, amelyek így még kis mélység esetén sem észlelhetők. A parafából készült hibák viszont gyártás közben műgyantát vehetnek fel, ami csökkenti termikus diffúziós együtthatójuk értékét és ezért kontrasztosabbak, mint ahogy az az 1. táblázat alapján elvárható volna. A hibák és a hibamentes helyek közötti fáziskülönbségre tipikus abszolút értékeket mutat be a 2. táblázat. 2. táblázat Tipikus φ c értékek Anyag p (mm) φ c Alumínium 0,125 6 Parafa 0,125 5,5 Teflon 0,125 3 Alumínium 1 4,5 Parafa 1 2,6 Teflon 1 1 A 3. ábra a φ c változását mutatja az alumínium anyagú mesterséges hiba mélysége függvényében. A 4. ábrán láthatjuk az üvegszálbetétes epoxi műgyanta kompozitban levő parafa mesterséges hiba méréssel meghatározott d m átmérőjét a névleges átmérő függvényében. Az y = x egyenes az adatok eltérésének érzékeltetésére szolgál. Meg kell említeni, hogy a hiba méretét egyes esetekben alábecsüljük, más esetekben esetleg túlbecsüljük. Ezt a gyártástechnológia okozhatja, mivel a műgyantabeszivárgások torzíthatják a képet. A kötési hatékonyság értékelése Ismeretes, hogy a felület hideg plazmával való kezelése javítja a kötést. A polimer felülete és a hideg plazma közötti kölcsönhatás függ a plazmagáz és a polimer sajátosságaitól. Az is ismeretes, hogy a kezelés hatása idővel leromlik, ha nem hajtják végre közvetlenül kezelés után a kötési műveletet. Tehát roncsolásmentes vizsgálattal kell ellenőrizni a kötés minőségét. Az MT módszerrel végzett vizsgálat esetében a fázisszögeloszlás jellemzi a kötés minőségét. Ezt érzékelteti az 5. ábra, ahol a kezelt felület fázisszögeloszlási hisztogramja kedvezőbb helyi kötésre enged következtetni, mint a kezeletlen felület esetében. A fenti megállapítást a leszakító vizsgálat eredményei is igazolták.
3. ábra Fázisszögkülönbség a hibamélység függvényében, üvegszálbetétes epoxiban elhelyezett mesterséges alumínium anyagú, 8 mm átmérőjű hibahely esetében 4. ábra Üvegszálbetétes epoxiban elhelyezett mesterséges hiba (parafa) méréssel meghatározott átmérője a névleges átmérő függvényében
5. ábra Műanyag próbatest (Certran ) felületi kötési szilárdságát jellemző fázisszögeloszlási hisztogramjai: a) plazmával kezelt, b) kezeletlen felület A hőhatásnak kitett övezet értékelése hegesztett acélkötések esetén A hegesztés alapvető fontosságú művelet mind a gépkocsigyártásban, mind a repülőgépiparban. A hőhatás következtében azonban a fémes anyagok tulajdonságai módosulnak. A hegesztési varrat mentén elhelyezkedő, hőhatásnak kitett övezetben a keménység megnövekszik, és a szakítószilárdság csökken. Alapvető fontosságú annak a roncsolásmentes meghatározása, hogy mekkora a megváltozott tulajdonságú övezet, milyen mértékben változtak meg az anyag tulajdonságai, milyen típusú változásra került sor. Megkísérelték a kérdések megválaszolását a fázisképről készült fázisszögmérések alapján. A megváltozott φ fázisszög értéket a kiindulási anyag φ i fázisszög értékére normálták. Ezt φ/φ i értéksorozatot mutatja a varratközéptől mért távolság függvényében a 6. ábra. Az anyag keménységét Vickers keménységméréssel ellenőrizték. A 7. ábra a Vickers-keménység eredeti állapotra normált értékeit és a φ/φ i értékek változását mutatja. A 7. ábrából kivehető, hogy a maximális érték a varrat középvonalában mérhető, és attól is 15 20 mm távolságra már egységnyire csökken. Az eloszlás nem teljesen szimmetrikus. A fázisszög változása az anyagkeménység változásának felel meg. A φ/φ i változása azonban kisebb, mint a HV/HV i változása. A 8. ábra a φ/φ i és a HV/HV i közvetlen összehasonlítását teszi lehetővé.
6. ábra A normált fázisszög eloszlása a varratra merőleges irányban AISI 304 acél esetében 7. ábra A fázisszög és a keménység eloszlásának összehasonlítása AISI 304 acél esetében
8. ábra A normált fázisszög a normált keménység függvényében AISI 304 acél esetében Következtetések A bemutatott eredmények szerint a modulációs termográfia szemlélteti a különböző méretű és összetételű, különböző mélységben elhelyezkedő hibákat mind a műanyagban, mind a kompozitokban, szemlélteti az ütés miatt bekövetkező hibák méretét, szemlélteti a fúrás közben a furat környezetében végbemenő réteges szétválásokat, szemlélteti a kötések minőségének javulását a polimer felület plazmakezelésének hatására, információt szolgáltat a hegesztés folyamán végbemenő szerkezetváltozásokról. Tehát a modulációs termográfia alkalmas a legtöbb ipari anyag roncsolásmentes vizsgálatára. Fő előnye, hogy fáradságos utókezelés nélkül lehetővé teszi a hiba mélységének gyors meghatározását, amivel időt és pénzt lehet megtakarítani. A módszer alkalmazását korlátozza, hogy a hőfluxus modulációs frekvenciája nem elég alacsony ahhoz, hogy egészen kis termikus diffúziós állandójú és nagy vastagságú anyagokban ki lehessen mutatni a mélyebben elhelyezkedő hibákat. (Dr. Barna Györgyné) Meola, C.; Carlomagno, G. M. stb.: Non-destructive control of industrial materials by means of lock-in thermography. = Measurement Science and Technology, 13. k. 10. sz. 2002. p. 1583 1590. Horny, N.; Lannoy, B.: Lock-in thermography with a focal plane array. = Measurement Science and Technology, 14. k. 4. sz. 2003. p. 439 443.
Röviden. Tartóssági vizsgálatok meggyorsítása időjárásállóság-vizsgáló géppel Az időjárásállóság-vizsgáló gépekkel három hónapra rövidíthetjük a gépkocsifestés tartósságának a szabad ég alatt több, mint két évig tartó ellenőrzését. A japán Toyota központi kutatólaboratóriumának egyik fejlesztő munkacsoportja olyan berendezést dolgozott ki, amely ezt a vizsgálatot mindössze egy hét alatt képes elvégezni. Az általuk kifejlesztett gyorsított laboratóriumi időjárásállóság-vizsgáló berendezés ( LAW gép ) vizes hidrogén-peroxid oldat permetezésével működik. Már egyetlen vizsgálatnál lehetővé teszi több mint kéthavi idő és 80 USD próbatestenkénti költség megtakarítását, ami a versenytárs konstrukciókkal szemben több mint 90%-os megtakarítást jelent. A fejlesztők szerint ezen a berendezésen ellenőrző vizsgálatokat lehet végezni gépkocsikarosszéria-bevonatokon, szerkezeti anyagokon, műanyagokon és gumin. Arra is módot nyújt, hogy nyersanyagokat, pl. műgyantákat és színezékeket ellenőrizzenek, és ezáltal hozzájáruljanak jobb minőségű bevonatok előállításához. Az ismertetett időjárásállóság-vizsgáló berendezés minősége és megbízhatósága felülmúlja a hasonló berendezésekét. A kétrészes vizsgálat első szakaszában a hidrogén-peroxid oldat permetezése következtében pontkorróziós mélyedések alakulhatnak ki, majd a második szakaszban vízhullámok veszik igénybe a próbatestet. Az első vizsgálat során titán-oxid katalizátor gyorsítja meg a műgyanta foto-oxidációját, a második ezt befejezi és hidrolízis hatást fejt ki. A fejlesztés során ügyeltek arra, hogy kizárólag ezek a természetes időjárási körülmények között fellépő kémiai reakciók érvényesüljenek, míg más vizsgálóberendezés típusok esetében repedéseket, réteges leválást és más, olyan kémiai változásokat hoznak létre, amilyenekre a szabad ég alatt csak elvétve kerülhet sor. A LAW gép az első olyan időjárásállóság-ellenőrző berendezés, amely meg tudja határozni, mennyire ellenálló egy titán-dioxid bevonat hároméves, szabad ég alatti igénybevétel esetében. A vizsgált anyagok lehetnek gépjárműipari, építészeti és általános ipari bevonatok. Azelőtt az ellenőrző vizsgálatok csupán a pigmens kétéves időjárás-állóságának kimutatására voltak alkalmasak, míg az ismertetett új berendezés módot nyújt a fejlesztőknek arra, hogy elvileg egyetlen nap alatt elvégezzék a hároméves igénybevétel hatásának ellenőrzését. (R&D Magazine, Reading for the Rands Community, 44. k. 11. sz. 2002. p. 39.)