ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΡΩΓΜΩΝ ΣΕ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΝΟΡΡΕΥΜΑΤΩΝ

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΡΩΓΜΩΝ ΣΕ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΝΟΡΡΕΥΜΑΤΩΝ Ν. Τσόπελας, Ι. Σαρρής, Ν.Ι. Σιακαβέλλας Τμήμα Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 26500 Πάτρα Περίληψη Η ανίχνευση ρωγμών σε τετράγωνες, ορθογώνιες και κυκλικές πλάκες αλουμινίου διερευνάται πειραματικά με θερμογραφία δινορρευμάτων. Για την διέγερση των πλακών χρησιμοποιούνται τα πηνία C8 και C15 (με συχνότητα διεγέρσεως 50 Hz) και C16 (με συχνότητα διεγέρσεως 32 khz). Η αύξηση της διάρκειας διεγέρσεως, ήτοι του ποσού της θερμότητας που επάγεται στην πλάκα, βελτιώνει την ευκρίνεια των ρωγμών και αυξάνει της εμβέλεια του πηνίου στην ανίχνευση ρωγμών που είναι κάθετες στη ροή της θερμότητας. Η χορήγηση θερμότητας στην πλάκα με υψηλότερο ρυθμό (διέγερση με υψηλή συχνότητα) ευνοεί την ανίχνευση ρωγμών που είναι κάθετες στη ροή του ρεύματος και βελτιώνει την ανίχνευση ρωγμών που είναι κάθετες στην ροή της θερμότητας. Λέξεις-κλειδιά: Θερμογραφία, δινορρεύματα, ρωγμές, πηνία, μεταλλικά υλικά 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο ηλεκτρομαγνητικός-θερμικός μη καταστροφικός έλεγχος προτάθηκε ως μία εναλλακτική μέθοδος μη καταστροφικού ελέγχου σε μεταλλικά υλικά [1]. Συνδυάζει ηλεκτρομαγνητική διέγερση του υλικού, επαγωγική θέρμανση αυτού και επιθεώρηση με μεταβατική υπέρυθρη θερμογραφία. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου έχει διερευνηθεί εκτενώς υπολογιστικά [2-5]. Στην παρούσα εργασία διερευνάται πειραματικά με θερμογραφία δινορρευμάτων, η οποία χρησιμοποιείται από αρκετούς ερευνητές τα τελευταία χρόνια για την ανίχνευση ρωγμών σε αγώγιμα υλικά [6-9]. Ο σκοπός των πειραμάτων είναι να μελετηθεί η επίδραση (i) της διάρκειας διεγέρσεως (ήτοι του ποσού της θερμότητας που επάγεται στην πλάκα) και (ii) της συχνότητας διεγέρσεως (ήτοι του ρυθμού θερμάνσεως) στην ανίχνευση των ρωγμών. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 2.1 Πειράματα Τα πειράματα αφορούν την ανίχνευση ρωγμής σε λεπτές πλάκες αλουμινίου: Τετράγωνες πλευράς 15 cm, ορθογώνιες 30 cm x 15 cm και κυκλικές διαμέτρου 12 cm. Η θέση της κάθε ρωγμής απεικονίζεται στο Σχήμα 1. Οι ρωγμές, πλάτους 0.2 mm, δημιουργήθηκαν με δέσμη laser. Το μήκος της κάθε ρωγμής ήταν 1.5 cm, εκτός από την ρωγμή 4Η στην κυκλική πλάκα που είχε μήκος μόνον 4 mm, ενώ το βάθος των ρωγμών ήταν 1 mm, ίσο με το πάχος της πλάκας. Για την διέγερση των πλακών χρησιμοποιήθηκαν τρία πηνία: C8 (με εξωτερική διάμετρο 8 cm), C15 (με εξωτερική διάμετρο 15 cm) και C16 (με εξωτερική διάμετρο 16 cm). Για τα πηνία C8 και C15 η συχνότητα διεγέρσεως ήταν στην χαμηλή περιοχή συχνοτήτων (50 Hz), 4 o Πανελλήνιο Συνέδριο Μεταλλικών Υλικών 4-5 Νοεμβρίου 2010, Θεσσαλονίκη ISBN 978-960-6865-31-2 281

4 o Πανελλήνιο Συνέδριο Μεταλλικών Υλικών ενώ για το πηνίο C16 στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων (32 khz). Σε όλες τις περιπτώσεις η ανύψωση του πηνίου ήταν 1 mm. Η λήψη των υπέρυθρων εικόνων έγινε με την κάμερα Flir ThermaCam PM 695, συνδεδεμένη με υπολογιστή. Η καταγραφή και η επεξεργασία των υπέρυθρων εικόνων πραγματοποιήθηκε μέσω του λογισμικού ThermaCAM Researcher Pro 2.8 (Flir Systems Inc., Portland, USA). Η ανάλυση του ανιχνευτή ήταν 320 240 pixels και η θερμική ευαισθησία 0.08 ο C. Ο ρυθμός λήψεως θερμικών εικόνων περιορίσθηκε στα 5-7 Hz, δεδομένου ότι ο υψηλότερος ρυθμός λήψεως των 50 Hz, που μπορεί να επιτευχθεί με την κάμερα αυτή, δεν ήταν διαθέσιμος (για τεχνικούς λόγους). Πραγματοποιήθηκαν τρεις σειρές πειραμάτων: Η πρώτη αφορούσε την επίδραση της διάρκειας της θερμάνσεως στην ανίχνευση της ρωγμής ( 3.1). Η δεύτερη σειρά πειραμάτων αφορούσε ανίχνευση μακρινών ρωγμών ( 3.2). Τέλος, με την τρίτη σειρά πειραμάτων μελετήθηκε η επίδραση της συχνότητας διεγέρσεως στην ανίχνευση των ρωγμών ( 3.3). 0.15 0.1 y (m) 0.05 1R 2R 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 x (m) (γ) Σχήμα 1: Θέση ρωγμών: στην τετράγωνη πλάκα, στην ορθογώνια πλάκα (όπου φαίνεται και η θέση του πηνίου C8), (γ) στην κυκλική πλάκα. 2.2 Τεχνικές επεξεργασίας των αποτελεσμάτων Η ανίχνευση ρωγμών βασίσθηκε όχι μόνο στην απλή παρατήρηση των θερμογραφημάτων αλλά και σε τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων, όπως: Απεικόνιση του μέτρου της 1 ης χωρικής παραγώγου της θερμοκρασίας. Το μέτρο της 1 ης χωρικής παραγώγου της θερμοκρασίας, T(x, y, t), υπολογίζεται σύμφωνα με την σχέση: T T DT 1 (, x y,) t = + (1) x y Επεξεργασία της σειράς των θερμικών εικόνων με χρήση του διακριτού μετασχηματισμού Fourier [10]. Απεικονίζεται το πλάτος A(ν) και η φάση φ(ν) που προκύπτουν από τον μετασχηματισμό της θερμοκρασίας στο πεδίο των συχνοτήτων (ν). Εκτός από τις εικόνες πλάτους και φάσεως, απεικονίζεται επίσης και το μέτρο της 1 ης χωρικής παραγώγου του πλάτους και της φάσεως, που δίδονται από σχέσεις αντίστοιχες της (1). 2 2 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤIΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3.1 Επίδραση της διάρκειας θερμάνσεως Για να μελετήσομε την επίδραση της διάρκειας της θερμάνσεως στην ανίχνευση ρωγμών, διεγείραμε την τετράγωνη πλάκα (Σχήμα 1α) με το πηνίο C8 για 1 s, και στην συνέχεια 282

ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ (ΜΗΚΕ) επαναλάβαμε τα πειράματα με διέγερση διάρκειας 2 s. Στο Σχήμα 2 συγκρίνεται το διάγραμμα που απεικονίζει το μέτρο της 1ης χωρικής παραγώγου της θερμοκρασίας για περίοδο θερμάνσεως 1 s, με το διάγραμμα που προκύπτει όταν η περίοδος θερμάνσεως αυξηθεί σε 2 s, για την περίπτωση της ρωγμής 2V. Τα αντίστοιχα διαγράμματα για την ρωγμή 4 συγκρίνονται στο Σχήμα 3. Η ευκρίνεια των ρωγμών που είναι πλάγιες ή κάθετες στη ροή της θερμότητας βελτιώνεται, εφόσον ο συνολικός χρόνος θερμάνσεως αυξάνει. Σχήμα 2: Απεικόνιση του μέτρου της 1ης χωρικής παραγώγου της θερμοκρασίας στην περίπτωση της ρωγμής 2V στο τέλος της περιόδου θερμάνσεως, διάρκειας: 1 s, 2 s. Διέγερση από το πηνίο C8, πάνω από το κέντρο της πλάκας. Σχήμα 3: 1η χωρική παράγωγος της θερμοκρασίας για την περίπτωση της ρωγμής 4 στο τέλος της θερμάνσεως διάρκειας: 1 s, 2 s. Διέγερση από το πηνίο C8 πάνω από την ρωγμή 4. 3.2 Ανίχνευση μακρινών ρωγμών Η αριθμητική διερεύνηση έδειξε ότι η εμβέλεια ενός πηνίου στον εντοπισμό ρωγμών που είναι κάθετες στην ροή της θερμότητας εξαρτάται κυρίως από την συνολική θερμότητα που επάγεται από το πηνίο στην πλάκα [2]. Για να μελετηθεί κατά πόσον αυξάνει η εμβέλεια ενός πηνίου στην ανίχνευση ρωγμών κάθετων στη ροή της θερμότητας όταν ο χρόνος θερμάνσεως αυξάνει, το πηνίο C8 τοποθετήθηκε πάνω από το αριστερό τμήμα της ορθογώνιας πλάκας (Σχήμα 1β). Η θερμότητα που επάγεται ρέει κυρίως προς το δεξιό τμήμα της πλάκας, δηλαδή κάθετα προς τις ρωγμές 1R και 2R που είναι σε σχετικά μεγάλη απόσταση από το πηνίο. Από την πειραματική διερεύνηση προέκυψε ότι η ρωγμή 1R γίνεται σαφής εφόσον η θέρμανση διαρκεί 4 s (Σχήμα 4), ενώ αντίστοιχα για τη ρωγμή 2R ο απαιτούμενος χρόνος θέρμανσης 283

4 o Πανελλήνιο Συνέδριο Μεταλλικών Υλικών είναι 6 s (Σχήμα 5). Συνεπώς για διάρκεια θερμάνσεως 4 s η εμβέλεια του πηνίου στις ρωγμές που είναι κάθετες στη ροή της θερμότητας είναι περίπου διπλάσια της ακτίνας του πηνίου, ενώ για θέρμανση επί 6 s η εμβέλεια του πηνίου είναι περίπου τετραπλάσια της ακτίνας.. Σχήμα 4: Ανίχνευση της ρωγμής 1R από το πηνίο C8 (διέγερση για 4 s). Ισόθερμες και απεικόνιση της 1 ης χωρικής παραγώγου της θερμοκρασίας, την χρονική στιγμή t = 4.5 s. Σχήμα 5: Ανίχνευση της ρωγμής 2R από το πηνίο C8 (διέγερση για 6 s). Ισόθερμες για t = 40 s. Απεικόνιση της 1 ης χωρικής παραγώγου του πλάτους, για ν 1 = 0.018 Hz. 3.3 Επίδραση της συχνότητας διεγέρσεως Η διέγερση με υψηλή συχνότητα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού με τον οποίο χορηγείται θερμότητα στην πλάκα. Τούτο ευνοεί την ανίχνευση ρωγμών που είναι κάθετες στη ροή του ρεύματος, όπως έδειξε η αριθμητική διερεύνηση. Επί πλέον για διάρκεια διεγέρσεως παρόμοια με εκείνη των πηνίων χαμηλής συχνότητας, η συνολική θερμότητα που επάγεται από το πηνίο στην πλάκα αυξάνει με αποτέλεσμα να βελτιώνεται και η ανίχνευση ρωγμών που είναι κάθετες στην ροή της θερμότητας. Τρεις χαρακτηριστικές περιπτώσεις ανιχνεύσεως ρωγμών εικονίζονται στα Σχήματα 6-9: Οι ρωγμές 3H στην τετράγωνη πλάκα (Σχήμα 1α) και 4Η στην κυκλική πλάκα (Σχήμα 1γ), που είναι κάθετες στη ροή του ρεύματος, και η ρωγμή 1V στην κυκλική πλάκα (Σχήμα 1γ), που είναι κάθετη στην ροή της θερμότητας. Η περίπτωση της ρωγμής 3H εικονίζεται στο Σχήμα 6 για διέγερση από το πηνίο C15 και στο Σχήμα 7 για διέγερση από το πηνίο C16. Η βελτίωση στην ευκρίνεια τόσο των ισοθέρμων όσο και του διαγράμματος φάσεως που προκύπτουν για υψηλή συχνότητα διεγέρσεως είναι εμφανής. Οι ρωγμές 1V και 4Η διανοίχτηκαν στο ίδιο δοκίμιο, δεδομένου ότι η παρουσία της μίας ρωγμής δεν επηρεάζει τον εντοπισμό της άλλης. Το πηνίο χαμηλής συχνότητας (C15) εντοπίζει μόνο την ρωγμή 1V (Σχήμα 8), ενώ η 4Η λόγω του μικρού μήκους της (4 mm) δεν 284

ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ (ΜΗΚΕ) εντοπίζεται. Απεναντίας, το πηνίο υψηλής συχνότητας (C16) εντοπίζει και τις δύο ρωγμές (Σχήμα 9) με το διάγραμμα φάσεως να παρέχει ιδιαίτερα υψηλή ευκρίνεια. Σχήμα 6: Ισόθερμες στην περίπτωση της ρωγμής 3Η, την χρονική στιγμή t = 0.15 s. Απεικόνιση της φάσεως, για ν5 = 0.75 Hz. Διέγερση από το πηνίο C15 για 2 s. Σχήμα 7: Ισόθερμες στην περίπτωση της ρωγμής 3Η, την χρονική στιγμή t = 0.15 s. 1η παράγωγος της φάσεως για ν1 = 0.66 Hz. Διέγερση από το πηνίο C16 για 1 s. Σχήμα 8: Ισόθερμες στην περίπτωση των ρωγμών1v και 4Η την χρονική στιγμή t = 1.5 s. 1η χωρική παράγωγος της θερμοκρασίας για t = 2.2 s. Διέγερση από το πηνίο C15 για 2 s. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα πειράματα έδειξαν ότι η αποτελεσματικότητα των πηνίων C8 και C15, των οποίων η συχνότητα διεγέρσεως είναι χαμηλή (50 Hz), εξαρτάται από τον προσανατολισμό, την θέση και το μέγεθος της ρωγμής. Απεναντίας, το πηνίο C16, του οποίου η συχνότητα διεγέρσεως 285

4 o Πανελλήνιο Συνέδριο Μεταλλικών Υλικών είναι κατά πολύ υψηλότερη (32 khz), ανιχνεύει αποτελεσματικά όλες τις ρωγμές. Σχήμα 9: Ισόθερμες στην περίπτωση των ρωγμών 1V και 4Η την χρονική στιγμή t = 2.4 s. 1 η παράγωγος φάσεως για ν 1 = 0.15 Hz. Διέγερση από το πηνίο C16 για 1 s. Η επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων βελτιώνει σημαντικά την ανίχνευση των ρωγμών. Όταν η συχνότητα διεγέρσεως είναι χαμηλή (50 Hz, πηνία C8 και C15), η απεικόνιση του μέτρου της 1 ης χωρικής παραγώγου της θερμοκρασίας βελτιώνει κυρίως την ανίχνευση ρωγμών που είναι κάθετες στην ροή της θερμότητας. Επίσης η απεικόνιση του πλάτους (μετασχηματισμός Fourier) βελτιώνει την ανίχνευση ρωγμών κάθετων στην ροή της θερμότητας, ενώ η απεικόνιση της φάσεως βελτιώνει την ανίχνευση ρωγμών κάθετων στην ροή του ρεύματος. Για διέγερση με το πηνίο C16 (32 khz), όλες οι τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων (ήτοι απεικόνιση της 1 ης χωρικής παραγώγου της θερμοκρασίας, απεικόνιση της φάσεως και του πλάτους), βελτιώνουν σημαντικά την ανίχνευση των ρωγμών, άσχετα από τον προσανατολισμό της ρωγμής. Παρά το γεγονός ότι οι επιδόσεις της κάμερας υπερύθρων ήταν σχετικά χαμηλές, τα πειραματικά αποτελέσματα σε συνδυασμό με τις τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικά. 5. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] N.J. Siakavellas, In: Hemelrijck DV, Anastassopoulos A, Philippidis T, (editors), Emerging Technologies in NDT, 2000, Balkema, Rotterdam, pp.179-186. [2] N. Tsopelas and N.J. Siakavellas, NDT&E Int., 2006, vol. 39, pp. 391-399. [3] N. Tsopelas and N.J. Siakavellas, NDT&E Int., 2007, vol. 40, pp. 12-28. [4] N. Tsopelas and N.J. Siakavellas, NDT&E Int., 2009, vol. 42, pp. 477-486. [5] N. Tsopelas and N.J. Siakavellas, Int. J. Mater. Prod. Technol., 2010, (in press). [6] T. Sakagami and S. Kubo, JSME Int. Journal, Series A, 2001, vol. 44, pp. 528-534. [7] G. Riegert, Th. Zweschper and G. Busse, Journal De Physique IV, 2005, vol.125, pp. 587-591. [8] B. Oswald-Tranta, Nondestruct. Test. Eval., 2007, vol.22, pp. 137-153. [9] G. Zenzinger, J. Bamberg, W Satzger, and V. Carl, Nondestruct. Test. Eval., 2007, vol.22, pp. 101-111. [10] R. Gonzalez and P. Wintz, Digital Image Processing, 1979, Anddison-Wesley, Reading, MA. 286