PL224747B1 - Sposób oceny jakości zgrzein i/lub spoin - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru wielkości zgrzein i/lub spoin, wykonanych metodą zgrzewania, zwłaszcza w cienkościennych elementach stalowych wykonanych metodą punktowego zgrzewania oporowego oraz spawania łukowego i laserowego. Oporowe zgrzewanie punktowe, spawanie MAG, a coraz częściej spawanie laserowe i plazmowe są podstawowymi metodami łączenia cienkościennych konstrukcji szczególnie w przemyśle motoryzacyjnym. Od początku rozwoju wymienionych metod spajania, problemem są przyklejenia, czyli zgrzeiny i spoiny, w których nie występuje pełne przetopienie metalu, a powstające połączenie istnieje tylko dzięki siłom adhezji występującymi na powierzchniach styku łączonych metali.

Badanie nieniszczące czujnikiem ultradźwiękowym, wyrobów metalurgicznych znane z polskiego zgłoszenia patentowego P.369231 przeznaczone jest do badania nieniszczącego rur metalowych za pomocą urządzenia zawierającego czujnik ultradźwiękowy mający ultradźwiękowe elementy przetwornikowe, które mogą być wzbudzane w wybranych chwilach. Obwód dolny do obróbki sygnałów wychwyconych analizuje odpowiedź całkowitą rury przy wzbudzeniu ultradźwiękowym. Elementy przetwornikowe wzbudzane są tylko, aby wytworzyć pojedynczą emisję, a obwód dolny odzyskuje próbki sygnałów obróbkowych przez każdy element przetwornikowy, w celu skojarzenia z nimi kolejnych chwil przesunięcia tak, aby obliczyć szereg całkowitych odpowiedzi rury na tę pojedynczą emisję, przez modyfikację przesunięć między kolejnymi czasami.

Sposób i układ do badania przyczepności materiałów do podłoża znany z polskiego opisu patentowego PL 202543 polega na tym, że falę akustyczną ze źródła fali akustycznej kieruje się na powierzchnię badanego materiału. Równocześnie na powierzchnię tego materiału kieruje się ze źródła światła skupioną wiązkę światła i za pomocą detektora położenia wykrywa się zmiany miejsca położenia odbitej wiązki światła proporcjonalnie do amplitudy drgań powierzchni badanego materiału nad występującym rozwarstwieniem wewnątrz badanego materiału albo nad rozwarstwieniem badanego materiału i podłoża. Uzyskany elektryczny sygnał pomiarowy przetwarza się na sygnał cyfrowy i przesyła się do komputera, w którym przesyłany sygnał poddaje się obróbce polegającej na transformowaniu przebiegu amplitudy drgań w funkcji czasu na przebieg amplitudy składowych harmonicznych drgań w funkcji częstotliwości, a następnie informację o zmierzonej wielkości amplitudy składowych harmonicznych drgań powierzchni badanego materiału porównuje się z informacją o wielkości amplitudy składowych harmonicznych drgań powierzchni badanego materiału bez rozwarstwienia określając na tej podstawie wielkość rozwarstwienia oraz głębokość jego zalegania w badanym materiale. Układ do badania przyczepności materiałów do podłoża, zawiera źródło fali akustycznej emitujące falę akustyczną w kierunku powierzchni badanego materiału związanego z podłożem pod kątem prostym do tej powierzchni oraz źródło światła emitujące wiązkę światła padającą pod kątem ostrym na powierzchnię badanego materiału związanego z podłożem, a na drodze wiązki światła odbitej zawiera detektor położenia, który jest połączony z komputerem.

Sposób kontrolowania zgrzeiny punktowej łączącej arkusze blachy znany z polskiego opisu patentowego PL 170398, polega na tym, że poprzez sprawdzenie z obszaru położonego w pewnym oddaleniu od wspomnianych zgrzein punktowych dokonywana jest ocena mechanicznych i strukturalnych parametrów każdej ze wspomnianych zgrzein punktowych, czy po nagrzaniu arkuszy blachy do pewnej temperatury, temperatura zgrzein punktowych jest w z góry ustalonym zakresie wartości, przy czym górna i dolna granica wspomnianego zakresu zależy od wspomnianej temperatury, do której zostały nagrzane arkusze blachy.

Patent US 2005230360 przedstawia sposób i urządzenie do oceny wielkości i/lub jakości zgrzeiny punktowej, która obejmuje zastosowanie głowicy z wieloma przetwornikami ułożonymi w dwuwymiarową tablicę, ustawionej na zgrzeinie punktowej podczas badania, następnie wygenerowanie przez nią serii sygnałów ultradźwiękowych przez dwu-wymiarową macierz przetworników, przepuszczenie przez zgrzeinę punktową i przeprowadzenie analizy odpowiedzi na podstawie uzyskanych sygnałów w celu pomiaru dwu-wymiarowego przekroju wgniotu przedniej i tylnej części zgrzeiny. Następnie skorygowanie sygnału odbitego na podstawie zmierzonego przekroju, poprzez pomiar współczynnika tłumienia dla każdej odpowiedzi, i rozpoznawanie strefy przyklejenia i obszaru jądra zgrzeiny z wykorzystaniem pomiaru współczynnika tłumienia i przedstawienie wyniku w postaci dwuwymiarowego obrazu rozwarstwień: przyklejenia oraz jądra zgrzeiny. Do przeprowadzenia analizy urządzenie generuje dane kalibracyjne związane z akustycznym obrazem rozmiaru jądra zgrzeiny punktowej i dokonuje korekcji dwuwymiarowego obrazu jądra zgrzeiny punktowej podczas testu na

PL 224 747 B1 podstawie danych z kalibracji. Dodatkowo dane do kalibracji pochodzą z testów niszczących z wybranych złączy zgrzewanych punktowo, a ocena jakości zgrzeiny jest funkcją rozmiaru i kształtu jądra zgrzeiny, obecności stref nieciągłości wewnątrz jądra zgrzeiny oraz profilu przedniej i tylnej części wgniotu. Opisano w nim sposób nieniszczących badań punktowych zgrzein z wykorzystaniem ultradźwiękowego urządzenia, czyli zastosowano ultradźwięki o małym natężeniu. A. Śliwiński w publikacji „Ultradźwięki i ich zastosowania”, rozdz. 6 - „Zastosowanie ultradźwięków o małym natężeniu”, str. 182, A. Śliwiński, WNT, Warszawa 2001 definiuje, że bierne zastosowanie ultradźwięków polega na wytwarzaniu i detekcji fal sprężystych o takich natężeniach, które nie niszczą struktury za ich pomocą badanego, mierzonego lub kontrolowanego ośrodka. Z kolei, A. Śliwiński definiuje czym jest fala ultradźwiękowa dużej mocy, a określana jest przez tzw. czynne działanie ultradźwięków i jest nieodłącznie związana z efektami nieliniowymi, które w konsekwencji powstawania dużych sił lokalnych w polu ultradźwiękowym prowadzą do procesów wywołujących zmiany makroskopowe ośrodka zwykle nieodwracalne, („Ultradźwięki i ich zastosowania”, rozdz. 7 - „Zastosowanie ultradźwięków o dużym natężeniu”, A. Śliwiński, WNT, Warszawa 2001, str. 335), takie jak rozdzielanie, dezintegrowanie, zjawiska cieplne, dyspergowanie, tarcie na powierzchniach granicznych, które przedstawił w diagramie Spenglera, (str. 336). Wartości fal ultradźwiękowych są różne, a wartość mocy, którą można uznać za dużą, zależy od interakcji czynnej fali ultradźwiękowej z materiałem, w którym rozprzestrzenia się fala ultradźwiękowa. Przykładowo w opisie wynalazku US 2009212089 przytoczono urządzenie do spawania ultradźwiękowego, które zwykle zawiera zasilacz sieciowy dostarczający sygnał o wysokiej mocy do przetwornika, który przetwarza sygnał w wibracje mechaniczne. W rozwiązaniu tym stosuje się do spawania ultradźwiękowego wysokie wibracje, środek wzmacniający użyty do zmiany amplitudy drgań, konwerter, wzmacniacz. Narzędzia te są specjalnie dostrojone aby rezonować w tej samej częstotliwości ultradźwiękowej, która zazwyczaj wynosi od 15 kHz do 70 kHz, a proces ten dla przedmiotów obrabianych przeznaczonych do spawania odbywa się w prasie pod ciśnieniem. W opisie wynalazku WO2006049874 celem przeprowadzenia lutowania materiał lutowniczy dostarczany jest na przewodzącą stronę w postaci guzka lutowniczego. Materiał lutowniczy jest mieszany za pomocą ultradźwięków o częstotliwości od 50 kHz do około 90 kHz w czasie co najmniej części nagrzewania, aby przynajmniej częściowo skompensować powstawanie pustek w wypukłości lutu.

Istota sposobu, według wynalazku polega na tym, że najpierw eliminuje się strefę przyklejeń wokół wykonanej zgrzeiny i/lub spoiny wprawiając ją w wibracje za pomocą generatora ultradźwiękowego dużej mocy połączonego z przetwornikiem ultradźwiękowym, który zakończony jest ultradźwiękowym koncentratorem akustycznym, przy czym generowane fale ultradźwiękowe dużej mocy kierowane są na zgrzeinę i/lub spoiny poprzez ośrodek sprzęgający, a następnie znanymi technikami nieniszczących badań punktowych wyznacza się rzeczywistą wielkość zgrzeiny i/lub spoiny.

Korzystnym jest to, że generuje się falę ultradźwiękową dużej mocy o częstotliwości w zakresie 20 kHz - 50 kHz.

Sposób pozwala na eliminację przyklejeń, równocześnie nie odkształca spajanej konstrukcji i nie powoduje pogorszenia własności eksploatacyjnych prawidłowo wykonanych spoin i zgrzein. Wykorzystanie fal ultradźwiękowych dużej mocy i ultradźwiękowego transformatora drgań, umożliwia eliminację przyklejeń wokół prawidłowo wykonanej zgrzeiny lub spoiny, zaś w przypadku braku przetopu złącze się rozpada, ale podzespoły pozostają nieuszkodzone i nadają się do ponownego łączenia daną metodą spawalniczą.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia głowicę ultradźwiękową urządzenia do pomiaru wielkości zgrzein i/lub spoin, a fig. 2 głowicę ultradźwiękową urządzenia, przy czym 1 - przed eliminacją przyklejeń, 2 - podczas eliminacji przyklejeń i 3 - po eliminacji przyklejeń.

Sposób pomiaru wielkości zgrzein i/lub spoin polega na tym, że generatorem ultradźwiękowym dużej mocy połączonym z przetwornikiem ultradźwiękowym 1, który zakończony jest ultradźwiękowym koncentratorem akustycznym 2, generuje się falę ultradźwiękową dużej mocy o częstotliwości w zakresie 20 kHz - 50 kHz, którą kieruje się poprzez ośrodek sprzęgający 3 na zgrzeinę i wprawia ją w wibracje. Wibracjami eliminuje się strefę przyklejenia 5 wokół wykonanej zgrzeiny łączącej materiały zgrzewane 4. Następnie znanymi technikami nieniszczących badań punktowych wyznacza się rzeczywista wielkość zgrzeiny i/lub spoiny. Falę ultradźwiękową o wysokiej częstotliwości (MHz) jak przykładowo w patencie US 2005230360 kieruje się na powierzchnię z badaną zgrzeiną, zaś wiązkę odbitą od badanej zgrzeiny przetwarza się na sygnał elektryczny analogowy, a następnie na sygnał cyfrowy i przesyła się do komputera, w którym sygnał cyfrowy poddaje się obróbce i wyznacza wielkość zgrzeiny.

PL 224 747 B1

Wygenerowana fala ultradźwiękowa dużej mocy wprawia w wibracje zgrzeinę, w wyniku czego, w przypadku wystąpienia przyklejenia 5 nastąpi rozdzielenie materiałów bez odkształcenia komponentów konstrukcji. Dla prawidłowo wykonanych złączy strefa przyklejenia występująca zawsze wokół zgrzein i spoin zostanie wyeliminowana, a badanie za pomocą fal ultradźwiękowych o wysokiej częstotliwości wykaże rzeczywistą średnicę zgrzeiny lub przetop w złączach spawanych. W przypadku, gdy złącze wykonane jest wadliwie wygenerowana fala ultradźwiękowa dużej mocy wprawia w wibracje zgrzeinę, w wyniku czego rozpada się, a podzespoły ponownie poddaje się procesowi łączenia.

Claims (2)

1. Sposób pomiaru wielkości zgrzein i/lub spoin polegający na tym, że falę ultradźwiękową kieruje się na powierzchnię z badaną zgrzeiną i/lub spoinę, po czym wiązkę odbitą od badanej zgrzeiny i/lub spoiny przetwarza się na sygnał elektryczny analogowy a następnie na sygnał cyfrowy i przesyła się do komputera, w którym sygnał cyfrowy poddaje się obróbce i wyznacza wielkość zgrzeiny i/lub spoiny, znamienny tym, że najpierw eliminuje się strefę przyklejeń (5) wokół wykonanej zgrzeiny i/lub spoiny wprawiając ją w wibracje za pomocą generatora ultradźwiękowego dużej mocy połączonego z przetwornikiem ultradźwiękowym (1), który zakończony jest ultradźwiękowym koncentratorem akustycznym (2), przy czym generowane fale ultradźwiękowe dużej mocy kierowane są na zgrzeinę i/lub spoiny poprzez ośrodek sprzęgający (3), a następnie znanymi technikami nieniszczących badań punktowych wyznacza się rzeczywistą wielkość zgrzeiny i/lub spoiny.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że generuje się falę ultradźwiękową dużej mocy o częstotliwości w zakresie 20 kHz - 50 kHz.