W artykule dokonano oceny wiarygodnoci badania densytometrycznego do okre-lenia wysokoci wad spoiny. Dokonano pomiarów gstoci optycznej obrazów i przeprowadzono niezbdne obliczenia wynikajce z obowizujcej normy. Wykazano du niejednoznaczno wyników i oblicze. Na podstawie analizy, z uwagi na du rozbieno wyników, wykazano równie konieczno pewnej standaryzacji postpo-wania w badaniach radiograficznych, a w szczególnoci densytometrycznych.
Słowa kluczowe: badania radiograficzne, badania densytometryczne, standardy postpowania Wprowadzenie
Do wykrywania oraz okrelania niezgodnoci spawalniczych wykorzystuje si wiele rónych metod bada nieniszczcych, np.: wizualne, penetracyjne, magnetyczno-proszkowe, radiograficzne, ultrad wikowe, prdami wirowymi. W zalenoci od odpowiedzialnoci i klasy konstrukcji dobiera si poszczególne metody defektoskopii. Do oceny jakoci złczy spawanych przyjmuj si wybran pojedyncz metod lub ich zespół (kombinacj) składajcy si z kilku, najczciej dwóch niezale-nych metod bada równolegle stosowaniezale-nych [2, 3, 6].
Przy wyborze metod bada nieniszczcych oraz poziomów (klas) bada, naley uwzgldni nastpujce czynniki [3, 5, 6]:
¾ metody spawania,
¾ materiał podstawowy, materiał dodatkowy, stan jego obróbki, ¾ rodzaj złcza i jego wymiary,
¾ kształt elementu (dostpno, stan powierzchni, itp.), ¾ poziomy jakoci,
¾ spodziewane rodzaje niezgodnoci spawalniczych i ich usytuowanie.
Badania radiograficzne (RT) i ultrad wikowe (UT) s uwaane za podstawowe metody bada nieniszczcych. Obie metody maj długoletni tradycje i s powszechnie uznawane w normach i przepisach dotyczcych konstrukcji spawanych. Przyjmuje si równie, e badania radiograficzne s badaniami o najwikszej wiarygodnoci wyników, spowodowane jest to m.in. moliwoci uzy-skania obiektywnego zapisu wyników badania w postaci radiogramu [1, 3, 8].
W pracy dokonano oceny wiarygodnoci badania radiograficznego dotyczcego okrelenia wy-sokoci wad spoiny na podstawie gstoci optycznej obrazu (badania densytometryczne). Wykazano jak wane jest właciwe planowanie bada nieniszczcych w kontroli jakoci złczy spawanych oraz postpowanie w tych badaniach.
1. Cechy badaĔ radiograficznych
Badania radiograficzne umoliwiaj uzyskiwanie obrazu przewietlanego obiektu na kliszy ra-diograficznej lub w postaci cyfrowej. Obiektami poddanymi przewietlaniu mog by wyroby z rónych materiałów takich jak: stal, ceramika, drewno, guma, tworzywa sztuczne, beton. W
zale-przewietla obiekty o grubociach od 0 do kilkuset milimetrów. Promieniowanie i X s promie-niowaniami natury elektromagnetycznej, które powstaje w wyniku zmian stanu energetycznego jder pierwiastków promieniotwórczych (od energii wikszych do mniejszych), podczas których energia jest przekazywana na zewntrz przez fotony promieniowania o energii od kilkudzisiciu [keV] do około 3 [MeV]. Radiografia wykorzystuje zjawisko pochłaniania promieniowania (X i ) przez rónego rodzaju materiały oraz zjawiska fizykochemiczne, zwizane z otrzymaniem radiogra-ficznego obrazu na kliszy poprzez obróbk fotochemiczn. W zalenoci od parametrów badane materiały posiadaj rónorodne czasy ekspozycji, a po zakoczeniu badania gotowe zdjcie radio-graficzne poddaje si obróbce fotochemicznej (proces wywoływania). Uzyskany obraz radiograficzny badanego elementu przedstawiony jest w formie rzutu płaskiego niecigłoci, w po-staci rónicy dawek promieniowania, która jest zobrazowana na zdjciu radiograficznym poprzez rónice zaczernienia. Badane złcze przedstawione jest jako obraz cieniowy, z janiejszym pasem spoiny na ciemnym tle elementów łczonych. W ten sposób obraz radiograficzny ukazuje wady badanego materiału, które uwydatniaj si na tle jasnej spoiny lub w miejscu przejcia spoiny w ma-teriał rodzimy, jako ciemne pola o niejednorodnych kształtach. Decyzja czy istniejca spoina wytrzyma obcienia wynikajce z jej eksploatacji musi zosta podjta przez osoby posiadajce odpowiednie uprawnienia. Wykryte wskazania niecigłoci w wyniku bada RT s ocenianie na zdjciu radiograficznym według okrelonych kryteriów [1, 3, 6].
Najwaniejszymi zaletami bada radiograficznych s [1]: ¾ moliwo jednoczesnego badania duych powierzchni, ¾ najlepsza metoda do wykrywania wewntrznych niezgodnoci. Do najwaniejszych wad mona zaliczy [1]:
¾ due koszty,
¾ istotny jest kierunek niecigłoci liniowych, ¾ musi by zapewniony dostp z obu stron spoiny, ¾ bardzo due kwalifikacje personelu.
Czuło tej metody waha si w granicach kilku procent gruboci warstwy przewietlanej i po-zwala wykrywa takie wady wewntrzne jak: pknicia, niecigłoci, porowatoci, jamy skurczowe czy wtrcenia obcych materiałów.
2. Badania densytometryczne jako przykład badaĔ radiologicznych
Badania densytometryczne s badaniami radiograficznymi i polegaj na pomiarze gstoci op-tycznej, która jest miar zaczernienia tła radiogramu (materiału rodzimego), obrazu wzorca defektometrycznego lub obrazu wady na radiogramie. Gsto optyczn mierzy si za pomoc den-sytometru, którego działanie polega na przepuszczeniu przez badan próbk wskiej wizki wiatła, która nastpnie przechodzc przez przetwornik energii wietlnej, stanowicy odbiornik fizyczny promieniowania (np. ogniwo fotoelektryczne lub termoelektryczne), zamieniana jest w energi elek-tryczn. Stosunek prdów fotoelektrycznych w miejscu z próbk i bez próbki jest miar gstoci optycznej [4, 7].
okre-Rysunek 1. Wzorzec defektometryczny schodkowo-rowkowy ródło: [9].
Odchyłki gruboci i głbokoci wzorca powinny mieci si w granicach ± 0,1 mm, a odchyłki dla pozostałych wymiarów ± 0,2 mm. Powinien on by równie wykonany z materiału podobnego do materiału złcza badanego.
Podczas przeprowadzania bada wzorzec naley połoy obok spoiny od strony ródła promie-niowania w rodku badanego odcinka spoiny. Gsto optyczn obrazu badanej wady porównuje si z gstoci optyczn odpowiedniego rowka nacitego w danym stopniu wzorca lub z gstoci optyczn tła. Gdy gstoci optyczne s równe, to wysoko wady jest równa głbokoci danego rowka. Natomiast gdy gsto optyczna obrazu wady jest odpowiednio równa lub wiksza od g-stoci optycznej tła, to wysoko wady jest równa lub wiksza od wysokoci nadlewu. Dokładn wysoko wady mona oceni na podstawie wzoru [9]:
(1) gdzie:
h – wysoko wady (mm),
d – grubo wzorca defektometrycznego w miejscu badanej gstoci optycznej (mm), a – wysoko nadlewu w okolicy wady w mm,
Dw – gsto optyczna obrazu wady,
Dm – gsto optyczna obrazu materiału rodzimego (tła),
Dd – gsto optyczna obrazu wzorca o gruboci d połoonego na materiale rodzimym. Jeeli h > 0, to wynik jest wysokoci wady – np. wycieku, natomiast jeeli h < 0, to wynik jest głbokoci wady – np. podtopienie, brak przetopu.
3. Ocena wiarygodnoĞci badaĔ densytometrycznych – badania doĞwiadczalne
Ocen wiarygodnoci bada densytometrycznych przeprowadzono dla dwóch złczy spawa-nych doczołowo wykonaspawa-nych z blachy o gruboci 10 mm ze stali S355J2+N (PN-EN 10027-1:2007). Brzegi elementów łczonych spoin zostały ukosowane na V i spawane metod TIG (141 wg PN-EN ISO 4063:2011) przy uyciu drutu W 46 3 W4Si1 (PN-EN ISO 636:2016-02) w osłonie 100% argonu (I1 wg PN-EN ISO 14175:2009). Nastpnie wyfrezowano rowki (rys. 2) o okrelonej głbokoci przy linii wtopienia w celu zasymulowania niezgodnoci spawalniczej – podtopienia o kontrolowanej stałej głbokoci. Dla jednego złcza głboko dwóch rowków wynosiła 2±0,1 mm, a dla drugiego 2,5±0,1 mm. Róne głbokoci rowków posłuyły do weryfikacji oceny prawidłowoci wyznaczenia wysokoci zasymulowanej wady spoin (rowek) na podstawie bada densytometrycz-nych.
a) b)
Rysunek 2. Wygld złcza spawanego z wyfrezowanymi rowkami o nastpujcych głbokociach:a) 2 mm, b) 2,5 mm ródło: opracowanie własne.
W celu przeprowadzenia bada densytometrycznych i dokonania obliczenia na podstawie g-stoci optycznej obrazu na radiogramie wysokoci symulowanej przez rowki wady spoin, wykonano równie wzorzec defektometryczny schodkowo-rowkowy przedstawiony na rysunku 3.
densytometrem WILNOS typ LCD-51. Oceny radiogramu dokonano na negatoskopie KOWOLUX typ X3eco (Lmax=199,00 Cd/m2, Dmax=4,30).
a) b)
Rysunek 4. Przemysłowy aparat RTG Eresco 42MF4: a) przenona kierunkowa głowica, b) panel sterowniczy
ródło: opracowanie własne.
Parametry, przy których przeprowadzono ekspozycj na promieniowanie przedstawiono w ta-beli 1.
Tabela 1. Zestawienie parametrów ekspozyjcji na promieniowanie badanych złczy
Układ badania wg PN-EN ISO 17636-1 1
Maksymalne napicie [kV] 180
Typ błony wg PN-EN ISO 17636-1 C4
Grubo okładek [mm] 0,1
Gsto optyczna wg PN-EN ISO 17636-1 2.3 Wska nik IQI wg PN-EN ISO 17636-1 W 14 Odległo ródło – obiekt [fmin] 208 Odległo ródło – błona [SFD] 700
Napicie [kV] 160
Natenie [mA] 5,6
W tabeli 2 przedstawiono zbiorcze zestawienie wartoci pomiarów densytometrycznych, war-toci niezbdnych wielkoci do wykonania oblicze oraz wyliczonej wysokoci symulowanej wady spoin wg normy [9] w naszym przypadku głbokoci rowka (h).
Tabela 2. Wyniki pomiarów i oblicze głbokoci rowka symulujcego wad spawalnicz: I – rowek o głbokoci 2 mm, II – rowek o głbokoci 2,5 mm
Po-miar d [mm] Dm Dw Dd a [mm] h [mm] I II I II I II I II I II 1 4,5 3,26 4,25 3,95 5,08 1,96 2,41 0,5 0,7 2,888 2,730 2 3 3,26 4,25 3,95 5,08 2,56 2,74 0,5 0,7 2,399 2,349 3 1,5 3,26 4,25 3,95 5,08 2,17 3,21 0,5 0,7 1,979 1,897 4 3 3,26 4,25 3,95 5,08 2,21 2,56 0,5 0,7 2,471 2,664 5 2 3,26 4,25 3,95 5,08 2,45 3,14 0,5 0,7 2,204 2,195 6 1 3,26 4,25 3,95 5,08 2,70 3,52 0,5 0,7 1,732 1,837 7 1,5 3,26 4,25 3,95 5,08 2,61 3,2 0,5 0,7 2,092 2,486 8 1 3,26 4,25 3,95 5,08 2,81 3,02 0,5 0,7 2,033 2,15 9 0,5 3,26 4,25 3,95 5,08 2,96 3,75 0,5 0,7 1,65 1,93 warto rednia 2,161 2,249
ródło: opracowanie własne.
W celu czytelniejszej interpretacji wyników i oblicze, opracowano wykresy (rys. 5), na któ-rych graficznie przedstawiono obliczon głboko rowka (wysoko wady) na podstawie bada gstoci optycznej dla poszczególnych punktów pomiarowych, nominaln głboko (załoon) i redni warto głbokoci rowka z oblicze.
Rysunek 5. Wykresy głbokoci rowka:a) o wymiarze nominalnym 2 mm, b) o wymiarze nominalnym 2,5 mm;A – warto z oblicze, B – rednia warto z oblicze, C – nominalna
warto ródło: opracowanie własne.
Z wykresów mona zaobserwowa du rozbieno obliczonych wyników (głbokoci rowka) w stosunku do nominalnego wymiaru, zarówno dla rowka o głbokoci 2 mm jak i dla rowka o gł-bokoci 2,5 mm. Dla rowka o głgł-bokoci 2 mm, rednia obliczona warto głgł-bokoci jest o 0,161
o 0,251 mm mniejsza od wymiaru nominalnego. Jest to niewtpliwie spowodowane dokładnoci wykonania rowka oraz wzorca defektometrycznego schodkowo-rowkowego.
Przeprowadzona ocena wiarygodnoci badania densytometrycznego, bdcego badaniem ra-diograficznym wykazała du niejednoznaczno w okrelaniu głbokoci rowka (wysokoci wady spoiny). Stosujc t metod, naley zwróci szczególn uwag na dokładno wykonania wzorca defektometrycznego oraz na wymagania jakie dane złcze ma spełnia. Jeli wartoci graniczne nie-zgodnoci spawalniczej dla danego złcza bd wyznaczały bardzo mały przedział, to bdzie istniało ryzyko popełnienia błdu przy ocenie poziomu akceptacji złcza spawanego (EN ISO 5817, PN-EN ISO 10675-1).
Na podstawie przeprowadzonej analizy wykazano równie jak wane jest właciwe planowanie bada nieniszczcych w kontroli jakoci złczy spawanych. Potwierdzono, e w tych badaniach naley przyjc zespół (kombinacj) metod kontroli składajcy si z minimum dwóch niezalenych bada stosowanych równolegle.
4. Podsumowanie
Na podstawie analizy literatury mona stwierdzi, e badania radiograficzne s jedn z podsta-wowych metod bada nieniszczcych złczy spawanych.
Metoda densytometryczna, która jest jedn z metod radiograficznych, jest metod bada za-len od wielu czynników. Bardzo istotnym czynnikiem jest przyjcie okrelonych standardów postpowania w przyjmowaniu rónych metod bada nieniszczcych i i ch wykonywania.
Przeprowadzona ocena wiarygodnoci badania densytometrycznego wykazała du niejedno-znaczno w okrelaniu wysokoci wady spoiny (na przykładzie głbokoci rowka).
Bibliografia
[1] Brózda J., Czuchryj J., Kontrola radiograficzna złczy spawanych. Poradnik, Biuro Gamma, Warszawa 2006.
[2] Czuchryj J., Badania złczy spawanych według norm europejskich. Systematyka i przyczyny powstawania wad w złczach spawanych, Wyd. III, Biuro Gamma, Warszawa 2003. [3] Czuchryj J., Kontrola jakoci prac spawalniczych, Wydawnictwo KaBe, Krosno 2002. [4] Ferenc K. J., Spawalnictwo, WNT, Warszawa 2007.
[5] Gourd L. M., Podstawy technologii spawalniczych, WNT, Warszawa 1997.
[6] Klimpel A., Kontrola i zapewnienie jakoci w spawalnictwie, Tom 1, Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice 1998.
[7] Mistur I., Czuchryj J., Metody spawania oraz sposoby oceny jakoci złczy spawanych, Wydawnictwo KaBe, Krosno 2005.
[8] Mizerski J., Spawanie. Wiadomoci podstawowe, Wydawnictwo REA, Warszawa 2011. [9] PN-87/M-69776, Spawalnictwo, Okrelanie wysokoci wad spoin na podstawie gstoci
STANDARDS OF PROCEDURE RADIOGRAPHYICALLY Summary
The article assesses the credibility of densitometry to determine the amount of defects in the weld. Measurements were made of optical density images and the nec-essary calculations were performed under the applicable standard. Demonstrated great ambiguity of the results and calculations. Based on the analysis, because of the large gap results also demonstrated the need for a standardization procedure radio-graphically, and in particular densitometry.
Keywords: radiographic testing, densitometry testing, standards of procedure
Maciej Matuszewski Mirosława Winiewska Instytut Technik Wytwarzania Wydział Inynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: matus@utp.edu.pl
