Przebiegi ultradźwiękowe, rejestrowane przez głowicę odbiorczą, stanowią niestacjonarne sygnały, informujące o zaistniałych w badanych blachach nieciągłościach. O niestacjonarności sygnału decyduje zmienna w czasie wartość średnia i funkcja autokorelacji procesu losowego próbek sygnału. Do obserwacji zjawisk, których okresowość występowania jest zmienna w czasie wykorzystywane są metody analizy częstotliwościowej. Obecnie istnieje bardzo wiele metod jednowymiarowej analizy częstotliwościowej sygnałów. Jedną z klasyfikacji metod przedstawia rys. 4.5.
Rys. 4.5 Uproszczony podział metod widmowej analizy sygnałów [3].
Metodami analizy długoczasowej wyznacza się tylko jedno widmo gęstości widmowej mocy dla danego sygnału. Podczas tej transformacji tracona jest informacja o zmianie składowych harmonicznych sygnału w czasie. Stosowanymi metodami analizy są metoda autokorelacyjna Blackmana-Tuckeya, metoda bezpośredniej Transformaty Fouriera, metody filtracji. Wykorzystuje się je głównie do analizy widmowej stacjonarnych sygnałów losowych.
W metodach krótkoczasowych estymuje się chwilowe widma sygnału na podstawie jego kolejnych fragmentów, przepuszczonych przez czasowe okno obserwacji przemieszczające się wzdłuŜ sygnału. W efekcie otrzymuje się częstotliwościową dekompozycję analizowanego sygnału, pozwalającą obserwować zmienność jego widma w czasie.
5 Metodyka rozpoznawania etapu pęknięć lamelarnych w sposób
nieniszczący
Defektoskopia ultradźwiękowa metodą impulsową obserwacji echa polega na wzbudzeniu w badanym ośrodku drgań, które w postaci wiązki przemieszczają się w materiale, ulegając zjawiskom falowym. Gdy wiązka ta napotka ośrodek o innej akustycznej oporności falowej, np. dno blachy, część wiązki odbija się od granicy ośrodków i odbywa drogę powrotną do głowicy odbiorczej. Mierząc czas i wielkość powracającego impulsu, moŜna uzyskać informacje o głębokości zalegania wady w blasze, przybliŜonej jej geometrii i równowaŜnej wielkości.
Gdy impuls nadawczy napotka wady oddalone od siebie na głębokość nie większą niŜ jego długość, do odbiornika powrócą nie dwie odbite od wad wiązki, lecz jedna, będąca interferencją obu odbić. Przebieg złoŜenia dwóch ech moŜe być trudny do odróŜnienia od echa jednej wady nawet podczas obserwacji ich całych, nieprostowanych przebiegów. Trudne do rozróŜnienia za pomocą konwencjonalnych metod są równieŜ echa od zalegającego w blasze pęknięcia i wtrącenia niemetalicznego [58][59].
Wady te powodują znaczne ograniczenie moŜliwości obserwacji procesu pękania lamelarnego. Niektóre z etapów pęknięć nie zostaną dostrzeŜone przez konwencjonalne badania ultradźwiękowe przyczyniając się do złej oceny aktualnego stanu wytrzymałościowego blachy.
Proces pękania lamelarnego zachodzi w kilku etapach. Stanem wyjściowym jest blacha, zawierająca pasmowo ułoŜone wtrącenia niemetaliczne na kierunku jej walcowania. Podczas eksploatacji blachy moŜe rozpocząć się pierwszy etap pękania polegający na oddzielaniu się osnowy stalowej od wtrąceń niemetalicznych. Tworzone są w ten sposób mikropęknięcia na wtrąceniach, które w drugim etapie łączą się ze sobą w większe pęknięcia ułoŜone prostopadle do płaszczyzny walcowania tzw. tarasy.
• Aby odróŜnić stan wyjściowy i etapy pękania lamelarnego, zasadne jest opracowanie metody, która po zlokalizowaniu wady da odpowiedź, czy wada jest wtrąceniem niemetalicznym czy teŜ powstało juŜ pęknięcie.
W następnym etapie pęknięcia te łączą się między sobą poprzez ścięcie osnowy stalowej.
róŜnej głębokości pęknięciami. JeŜeli odległość zalegania między sobą wad jest mniejsza od rozdzielczości defektoskopu zostaną one zdiagnozowane jako pojedyncza wada. Tym samym nie zostanie wychwycona informacja o moŜliwości ścięcia między wadami i najprawdopodobniej niezauwaŜony zostanie jeden z etapów pękania lamelarnego.
• Dlatego teŜ konieczne stało się, by opracowywana metoda informowała, czy otrzymane echo pochodzi od jednej wady czy teŜ kilku wad zalegających w blasze na róŜnych głębokościach.
Przedstawione powyŜej niepełne informacje o zalegających wewnątrz blachy wadach, konieczne do właściwej oceny zjawiska pękania lamelarnego, uzyskano dzięki analizie matematycznej przebiegów ech wad. Do identyfikacji wad wykorzystano transformatę Fouriera i Falkową [60][61][62].
Na podstawie badań metalograficznych moŜna stwierdzić, Ŝe morfologia występujących w blachach wad wewnętrznych jest złoŜona. Pomimo pasmowej lokalizacji wady osiągają róŜne wielkości i kształty oraz gęstość występowania, tworząc skomplikowane powierzchnie rozdziału ośrodków stal-wada. W zaleŜności od powierzchni, od której zostanie odbita fala ultradźwiękowa, ulegnie ona zmianom, zgodnym ze zjawiskami falowymi na granicy ośrodków. Powierzchnia ta wpływa na charakter rejestrowanego przebiegu ultradźwiękowego, czyli przebieg echa wady niesie w sobie informacje o wadzie, od której został odbity impuls ultradźwiękowy. Informacje te moŜna uzyskać przez komparację echa wady z echem porównawczym [63].
Uznano, Ŝe optymalnym echem porównawczym jest prostopadłe odbicie fali ultradźwiękowej od granicy stal-powietrze duŜego, płaskiego reflektora zalegającego w badanym materiale. Dla idealnego materiału warunek ten spełnia przeskalowany impuls wejściowy obrócony o π. Idealny materiał róŜni się od rzeczywistej blachy, która dla przemieszczającej się przez nią wiązki ultradźwiękowej zachowuje się jak filtr. Amplituda drgań fali ultradźwiękowej w rzeczywistej blasze ulega tłumieniu spowodowanemu przez zjawiska termospręŜyste, tarcie dyslokacyjne, rozproszenie na niejednorodnościach i ziarnach, wzbudzenie wyŜszych stanów energetycznych cząstek czy defekty mikrostruktury. Są to wielkości charakterystyczne dla danej blachy, co wskazywałoby nie tylko na niedoskonałość związaną z uŜywaniem jako echa porównawczego zmodyfikowanego impulsu wejściowego, ale równieŜ na potrzebę pobierania echa porównawczego dla konkretnej badanej blachy. Znalezienie płaskiej wady spełniającej
załoŜenia optymalnego echa porównawczego w badanym materiale jest czasochłonne i nie zawsze taka wada w badanym ośrodku występuje. Jednak wszystkie załoŜenia optymalnego echa porównawczego spełnia echo płaskiego, niezanieczyszczonego dna.
Niestety, bardzo często dno blachy, czyli jej powierzchnia zewnętrzna, pokryte jest farbą lub jest skorodowane, co istotnie wpływa na przebieg echa. Dostęp do tej powierzchni, w celu usunięcia zanieczyszczeń, niekiedy bywa ograniczony przez sposób montaŜu badanego elementu w konstrukcji urządzenia. Doświadczenie i wiedza nabyta podczas licznych analiz sygnałów ech, która została opisana w dalszej części rozdziału, pozwala na zorientowanie się, Ŝe otrzymane echo dna niewidocznego bezpośrednio, jest przebiegiem odbitym od zanieczyszczonej powierzchni niespełniającej załoŜenia optymalnego echa porównawczego. W takim przypadku pobierane jest wtedy echo dna z innego miejsca powierzchni blachy. W zdarzających się bardzo rzadko przypadkach echo dna poddawane jest nieznacznej modyfikacji, po której przyjmowane jest jako echo porównawcze.
PoniŜej przedstawiono charakterystyczne przypadki odbić od wad zalegających wewnątrz blach.