Zastosowanie termografii aktywnej do badań

Zastosowanie termografii aktywnej do badań nieniszczących stalowych paneli typu sandwich spawanych laserowo

Autorzy: dr inż. Sebastian Pawlak , prof. nadzw. dr hab. inż. Aleksander Lisiecki, prof. Pol. Śl. , mgr Grzegorz Muzia
Data publikacji: 07.04.2020 r. Numer wydania: STAL, Metale & Nowe Technologie 3-4/2020

badania nieniszczące panele typu sandwich prof. nadzw. dr hab. inż. Aleksander Lisiecki, mgr Grzegorz Muzia, dr inż. Sebastian Pawlak spawanie spawanie laserowe termografia termografia aktywna

Jednocześnie na podstawie obrazu termograficznego zarejestrowanego na powierzchni próbki (rys. 5a) widać, że w przypadku złącza z3 nie uzyskano przetopienia pomiędzy blachą a ceownikiem (brak ciągłości materiałowej). Stąd w obszarze złącza z3 nie występuje odprowadzenie ciepła do ceownika. Z tego względu podczas ciągłego nagrzewania w czasie 50 sekund uzyskano bardzo dużą wartość kontrastu temperaturowego (rys. 5b). Analogiczną analizę wyników przeprowadzono także dla złączy z4 i z5. Określono dla nich dwa punkty pomiarowe, odpowiednio T₄ i T₅. Punkt T₄ położony był w środku długości złącza z4. Punkt T₅ – w połowie odległości pomiędzy złączami z4 i z5, jak na rys. 6a.

W tym przypadku uzyskano znacznie mniejszą wartość kontrastu temperaturowego. Obszar o braku przetopienia (o długości 10 mm) zlokalizowany był pomiędzy obszarami o bardzo dużej efektywności odprowadzania ciepła. W prezentowanym eksperymencie przerwa (odstęp) pomiędzy złączami z4 i z5 nie jest wadą próbki badanej. Można jednak stwierdzić na podstawie uzyskanych wyników, że analizowana metoda badawcza pozwala na wykrywanie braku przetopienia o długości co najmniej 10 mm. W przypadku złączy z4 i z5 maksymalną wartość kontrastu temperaturowego (rys. 6b) uzyskano po 20 s, licząc od chwili rozpoczęcia nagrzewania. Po 50 s – w efekcie wyrównania się temperatury – jego wartość spadła do zera.

Kolejno przestawiono wyniki badań dla procedury pomiarowej, w której źródło ciepła przesuwano wzdłuż analizowanych złączy. Pokazane obrazy termograficzne (rys. 7 i 8) zarejestrowano dla trzech różnych położeń dyszy wylotowej gorącego powietrza. W celu lepszego uwidocznienia badanych złączy dla obrazów tych zastosowano funkcję korekcji szczegółów APE (ang. Advanced Plateau Equalization). Przedstawione obrazy termograficzne powierzchni próbki (rys. 7 i 8) wybrano jako najbardziej reprezentatywne ze względu na wysoką wartość kontrastu temperaturowego występującego wzdłuż osi złączy. Dodatkowo na rys. 7 i 8 pokazano chwilowe profile temperatury uzyskane wzdłuż pomiarowej linii prostej (biała linia przerywana). Długość L dobrano tak, aby częściowo wykraczała z obu stron poza obszar złącza. Pozwoliło to zobrazować uzyskane różnice wartości temperatury pomiędzy tym obszarem (obszar intensywnego odprowadzania ciepła w miejscu przetopienia) a obszarami sąsiednimi o braku przetopienia łączonych elementów.

Wnioski

Na podstawie przedstawionych wyników eksperymentalnych stwierdza się, że termografię aktywną można w takim razie stosować do badań nieniszczących stalowych paneli typu sandwich wytwarzanych w technologii spawania laserowego. Metoda ta – ze względu na bardzo krótki czas potrzebny do uzyskania wyniku – może być szczególnie przydatna podczas poprodukcyjnej kontroli jakości elementów o dużych rozmiarach. Tradycyjne metody badań (np. ultradźwiękowa) są tu skuteczne, ale jednocześnie mało wydajne. Pomimo obiecujących rezultatów uzyskanych w warunkach laboratoryjnych konieczne jest prowadzenie dalszych badań w tym zakresie. Powinny one uwzględniać również inne niezgodności złączy spawanych laserowo. Np. wadę charakteryzującą się pełnym przetopieniem blachy zewnętrznej, gdzie jednocześnie dochodzi do zetknięcia się (tzw. „przyklejenia”) roztopionego metalu ze wspornikiem wewnętrznym.

W przypadku występowania tego typu „przyklejenia” w obszarze o pożądanym przetopieniu obu elementów termografia aktywna może nie być wystarczająco czułą metodą. Dzieje się tak ze względu na wysoką efektywność przewodzenia ciepła w tym obszarze. Tym samym istnieje możliwość błędnej interpretacji uzyskanego wyniku. Rozkład temperatury w miejscu „przyklejenia” może być zbliżony do tego, jaki uzyskuje się w przypadku złącza prawidłowego. W celu dokonania bardziej szczegółowej oceny skuteczności termografii aktywnej prowadzone będą dalsze prace eksperymentalne w tym zakresie.

Podsumowanie

W pracy pokazano możliwość zastosowania termografii aktywnej do badań nieniszczących stalowych paneli typu sandwich wytwarzanych w technologii spawania laserowego. W celu umożliwienia oceny skuteczności analizowanej metody badawczej wytworzono próbkę zawierającą wadę w postaci lokalnego braku przetopienia pomiędzy łączonymi elementami. Badania termograficzne wykonywano, stosując układ pomiarowy jednostronny. Źródło ciepła, a także kamera termowizyjna są po tej samej stronie względem badanej próbki. Do nagrzewania próbki stosowano strumień gorącego powietrza, który skierowany był na obszar badanych złączy. Na podstawie analizy zarejestrowanych sekwencji obrazów termograficznych stwierdzono, że zaproponowana metoda badawcza jest skuteczna w ocenie jakości złączy spawanych laserowo w stalowych panelach typu sandwich.

Badania wykonano w ramach subwencji „Opracowanie metody badań nieniszczących metalowych elementów warstwowych typu sandwich spawanych laserowo”, realizowanej w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytut Metali Nieżelaznych.

Piśmiennictwo

Kozak J.: Selected problems on application of steel sandwich panels to marine structures. „Polish Maritime Research”, 4(62), 2009, vol. 16, s. 9-15.
Jiang X.X., Li J.M., Cao R., Zhu L., Chen J.H., Wu Y.X., Li Z.G.: Microstructures and properties of sandwich plane laser-welded joint of hull steel. „Materials Science & Engineering”, 595(2014), s. 43-53.
Zhang P., Yuansheng C., Jun L., Wang C., Hou L., Li Y.: Experimental and numerical investigations on laser-welded corrugated-core sandwich panels subjected to air blast loading. „Marine Structures”, 40 (2015), s. 225-246.
Lisiecki A., Kurc-Lisiecka A.: Automated Laser Welding of AISI 304 Stainless Steel by Disk Laser. „Archives of Metallurgy and Materials”, vol. 63, Iss. 4, 2018, s. 1663-1672.
Pawlak S., Lisiecki A.: Ocena możliwości zastosowania termografii aktywnej do badań nieniszczących złączy teowych spawanych laserowo. „Spajanie Materiałów Konstrukcyjnych”, nr 1/2018, s. 32-36.
Pawlak S.: Methodology of non-destructive testing of selected adhesively bonded metal sheets using active thermography. „Biuletyn Instytutu Spawalnictwa”, nr 2/2016, s. 43-50.
Pawlak S., Muzia G.: Termografia aktywna jako metoda badań nieniszczących złączy lutowanych na zakładkę. „STAL Metale & Nowe Technologie”, nr 1-2/2018, s. 106-113.
Pawlak S., Muzia G.: Zastosowanie termografii aktywnej do badań nieniszczących wybranych połączeń zakładkowych. „Rudy i Metale Nieżelazne Recykling”, rocznik 64, nr 3/2019, s. 19-24.