W artykule pokazano możliwość zastosowania termografii aktywnej do badań nieniszczących stalowych paneli typu sandwich wytwarzanych w technologii spawania laserowego. Badania termograficzne wykonano w układzie pomiarowym jednostronnym, w którym źródło ciepła i kamera termowizyjna usytuowane są po tej samej stronie względem badanej próbki. Uzyskane wyniki przedstawiono w postaci obrazów termograficznych chwilowego rozkładu temperatury, obrazujących kształt analizowanych złączy oraz sztucznie wytworzoną wadę.

Title:

Application of active thermography for the non-destructive testing of laser-welded steel sandwich panels

Słowa kluczowe:

termografia aktywna, badania nieniszczące, stalowe panele typu sandwich, spawanie laserowe

Keywords:

active thermography, non-destructive testing (NDT), steel sandwich panels, laser welding

Summary:

The paper presents the possibility of applying active thermography for the non-destructive testing (NDT) of laser-welded steel sandwich panels. Active thermography measurements were carried out using a single-sided experimental arrangement, in which both an infra-red (IR) camera and a thermal wave source are located at the same side of a tested specimen. The obtained results are presented in the form of the thermal images of momentary temperature distribution, showing the shape of the analyzed laser-welded joints as well as an artificially created fault.

Stalowe panele typu sandwich wytwarzane w technologii spawania laserowego są obecnie coraz częściej stosowane m.in. w przemyśle stoczniowym przy produkcji współczesnych konstrukcji pokładów statków [1-3]. Technologia spawania laserowego znalazła przy tym szerokie zastosowanie ze względu na jej podstawowe zalety, takie jak np.: duża gęstość mocy, duża elastyczność procesu, duża prędkość spawania, łatwość automatyzacji i robotyzacji [4]. W praktyce produkcyjnej przy wytwarzaniu stalowych paneli typu sandwich odnotowuje się przypadki, w których – pomimo ustalonych, odpowiednio dobranych parametrów procesu spawania laserowego – występują niezgodności złączy, np. w postaci lokalnego braku przetopienia obu elementów łączonych (tj. blachy zewnętrznej z wewnętrznym wspornikiem), co w efekcie prowadzi do obniżenia wytrzymałości mechanicznej. Z tego względu przemysł zgłasza zapotrzebowanie na efektywną, bezkontaktową, podlegającą automatyzacji, nieniszczącą metodę badań, która umożliwia kontrolę jakości złączy spawanych laserowo. Typowo do oceny ciągłości materiałowej złączy spawanych laserowo stosuje się techniki ultradźwiękowe, lecz istotnym problemem jest przy tym przede wszystkim wydajność, która ma duże znaczenie przy kontroli jakości wielkogabarytowych produktów.

W pracy analizowano możliwość zastosowania termografii aktywnej jako metody, która może spełniać stawiane wymagania dotyczące badań nieniszczących złączy spawanych laserowo w stalowych panelach typu sandwich. Wcześniejsze opublikowane wyniki badań własnych dowiodły skuteczności termografii aktywnej w ocenie jakości następujących połączeń nierozłącznych: teowych spawanych laserowo [5], adhezyjnych na zakładkę [6], lutowanych na zakładkę [7], spawanych laserowo na zakładkę [8].

Materiał do badań

Na potrzeby eksperymentu wytworzono próbkę do badań (rys. 1) w postaci stalowego panelu typu sandwich, który składał się z dwóch zewnętrznych blach (220 x 130 mm) o grubości 1,2 mm oraz dwóch wewnętrznych ceowników (30 x 30 mm) z blachy o grubości 2,0 mm. Próbkę zaprojektowano tak, aby posiadała sześć osobnych złączy (w tym jedno wadliwe), których rozmieszczenie wraz z wymiarami i wartościami zastosowanej mocy wiązki lasera pokazano na rys. 2.

Przed wykonaniem prób spawania dokonano wstępnego montażu komponentów stalowych, stosując połączenia śrubowe, aby w efekcie występujących odkształceń cieplnych towarzyszących procesowi spawania nie powstał odstęp pomiędzy blachą a ceownikiem, co wyeliminowało możliwość powstawania przypadkowych wad.

Niezgodność w jednym ze złączy, w postaci braku przetopienia blachy z wewnętrznym wspornikiem, uzyskano poprzez zastosowanie niższej wartości mocy wiązki lasera w stosunku do wartości mocy, z jaką spawano pozostałe złącza. Każde złącze miało długość równą 30 mm, a odstęp pomiędzy nimi wynosił 10 mm. Próbkę wytworzono w Katedrze Spawalnictwa Politechniki Śląskiej, stosując zautomatyzowane stanowisko do spawania laserowego, wyposażone w laser dyskowy TruDisk 3302 o maksymalnej mocy wiązki równej 3,3 kW i jej średnicy wynoszącej 200 µm. Złącza wykonywano z prędkością spawania równą 500 mm/min. Jako gazu osłonowego używano argonu, stosując przepływ w zakresie od 10 do 12 l/min.

Wykonane próby spawania pokazały, że w przypadku zastosowanych wartości mocy powyżej 450 W (dla danej grubości blachy 1,2 mm) uzyskuje się prawidłowe przetopienie obu łączonych elementów, natomiast dla wartości mniejszych bądź równych 400 W występuje wada w postaci braku przetopienia. Niezależnie od zastosowanej mocy wiązki lasera w zakresie od 400 do 600 W uzyskano niemal identyczny wygląd lica spoiny. Na rys. 3 pokazano próbkę do badań podczas spawania laserowego. Przed badaniami termograficznymi wytworzoną próbkę pokryto czarną matową farbą o współczynniku emisyjności równym około 0,9.

Stanowisko i przebieg badań termograficznych

Badania termograficzne wykonano, stosując prototypowe stanowisko badawcze własnej konstrukcji (rys. 4), które składało się z uchwytu do mocowania próbki, ze źródła ciepła w postaci dmuchawy gorącego powietrza oraz z kamery termowizyjnej FLIR ThermaCAMTM SC640 (Flir Systems, USA). Stanowisko to zaprojektowano tak, aby możliwe było wykonywanie badań w układzie pomiarowym jednostronnym, w którym kamera termowizyjna i źródło ciepła usytuowane są po tej samej stronie względem próbki badanej. Zastosowana do nagrzewania dmuchawa gorącego powietrza została wyposażona w płaską dyszę wylotową z otworem w kształcie prostokąta o wymiarach 75 x 5 mm. W prezentowanym eksperymencie zastosowanie płaskiej dyszy wylotowej o podanych wymiarach wynikało z konieczności równomiernego nagrzewania obszaru o długości znacząco większej od długości pojedynczego złącza. Dmuchawa gorącego powietrza została posadowiona na platformie przesuwnej, tak aby możliwe było przemieszczanie jej wzdłuż badanych złączy podczas rejestracji obrazów termograficznych. Opisywane źródło ciepła wraz z dyszą wylotową gorącego powietrza zostały dobrane podczas realizacji wcześniejszych prac dotyczących opracowania procedury badań nieniszczących stalowych paneli typu sandwich z zastosowaniem termografii aktywnej [5]. Analizę uzyskanych sekwencji obrazów termograficznych prowadzono, stosując oprogramowanie ResearchIR 4 MAX (Flir Systems, USA).

Badania wykonywano, stosując dwie różne procedury pomiarowe: 1) źródło ciepła ustawiono tak, aby dysza wylotowa gorącego powietrza obejmowała łącznie obszar o długości w przybliżeniu równej długości dwóch wybranych złączy, przy czym próbkę nagrzewano przez około 50 s (w procedurze tej źródło ciepła pozostawało nieruchome podczas rejestracji obrazów), 2) źródło ciepła przesuwano względem prowadnic liniowych, poczynając od pozycji, w której dysza wylotowa gorącego powietrza znajdowała się całkowicie poza obszarem badanej próbki (w procedurze tej czas nagrzewania analizowanego obszaru próbki nie przekraczał 20 s). Pierwszą procedurę pomiarową (1) stosowano w celu rejestracji zmian temperatury w czasie w dwóch wybranych punktach pomiarowych (T1 i T2), co z kolei umożliwiało wyznaczenie kontrastu temperaturowego ΔT(t). Parametr ten stanowi różnicę dwóch wartości temperatury (T2 – T1) pomiędzy dwoma umownymi punktami; pierwszy punkt zlokalizowany jest w obszarze bez wady, drugi punkt zlokalizowany jest w obszarze zawierającym wadę. Drugą procedurę pomiarową (2) stosowano w celu termograficznego zobrazowania złączy wzdłuż zdefiniowanej linii prostej leżącej w osi tych złączy, co stanowiło symulację rzeczywistych badań stalowych paneli typu sandwich w poprodukcyjnej kontroli jakości, dla których – ze względu na ich znaczne rozmiary – konieczne jest przemieszczanie źródła ciepła.

Wyniki badań

Zarejestrowane sekwencje obrazów termograficznych poddano typowej analizie polegającej na wyznaczeniu kontrastu temperaturowego. W tym celu zdefiniowano punkty pomiaru temperatury, które były zlokalizowane w miejscach charakterystycznych wzdłuż osi złączy. Na przykład dla dwóch wybranych sąsiadujących ze sobą złączy z2 i z3 określono dwa punkty pomiarowe, odpowiednio T2 i T3, przy czym punkt T2 położony był w środku długości złącza z2, a punkt T3 – w środku długości złącza z3 (złącze wadliwe), jak na rys. 5a.

Na rys. 5b przedstawiono wykresy zmian temperatury i kontrastu temperaturowego w czasie dla punktów pomiarowych T2 i T3, które obrazują efektywność odprowadzania ciepła (z powierzchni blachy do ceownika) w obszarze ciągłości materiałowej złącza z2.

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 dla złączy z4 i z5, dla których określono dwa punkty pomiarowe, odpowiednio T4 i T5, przy czym punkt T4 położony był w środku długości złącza z4, a punkt T5 – w połowie odległości pomiędzy złączami z4 i z5, jak na rys. 6a.

W tym przypadku uzyskano znacznie mniejszą wartość kontrastu temperaturowego, gdyż obszar o braku przetopienia (o długości 10 mm) zlokalizowany był pomiędzy obszarami o bardzo dużej efektywności odprowadzania ciepła. Pomimo tego, że w prezentowanym eksperymencie przerwa (odstęp) pomiędzy złączami z4 i z5 nie jest wadą próbki badanej, to można 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 maksymalna wartość kontrastu temperaturowego (rys. 6b) została uzyskana po 20 s, licząc od chwili rozpoczęcia nagrzewania, a po 50 s – w efekcie wyrównania się temperatury – jego wartość spadła do zera.

Kolejno przestawiono wyniki badań dla procedury pomiarowej, w której źródło ciepła było przesuwane 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), której długość L dobrano tak, aby częściowo wykraczała z obu stron poza obszar złącza w celu zobrazowania uzyskanych różnic wartości temperatury pomiędzy tym obszarem (obszar intensywnego odprowadzania ciepła w miejscu przetopienia) a obszarami sąsiednimi o braku przetopienia łączonych elementów.

Na podstawie przedstawionych wyników eksperymentalnych stwierdzono, że termografia aktywna może być stosowana 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, gdzie tradycyjne metody badań (np. ultradźwiękowa) są skuteczne, ale jednocześnie mało wydajne. Pomimo obiecujących rezultatów uzyskanych w warunkach laboratoryjnych konieczne jest prowadzenie dalszych badań w tym zakresie, uwzględniających również inne niezgodności złączy spawanych laserowo, jak 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 ze względu na wysoką efektywność przewodzenia ciepła w tym obszarze i 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, w którym źródło ciepła i kamera termowizyjna usytuowane 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
  1. Kozak J.: Selected problems on application of steel sandwich panels to marine structures. „Polish Maritime Research”, 4(62), 2009, vol. 16, s. 9-15.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
zdjęcia: autorzy

Rys. 1. Model próbki do badań

Rys. 2. Rozmieszczenie złączy na powierzchni próbki z podanymi wartościami mocy wiązki laserowej

Rys. 3. Widok próbki do badań podczas spawania laserowego

Rys. 4. Stanowisko do badań termograficznych

Rys. 5a. Obraz termograficzny zarejestrowany w obszarze złączy z2 i z3

Rys. 5b. Przebiegi zmian temperatury i kontrastu temperaturowego w czasie dla punktów pomiarowych T2 i T3

Rys. 6a. Obraz termograficzny zarejestrowany w obszarze złączy z4 i z5

Rys. 6b. Przebiegi zmian temperatury i kontrastu temperaturowego w czasie dla punktów pomiarowych T4 i T5

Rys. 7. Obrazy termograficzne powierzchni próbki w obszarze złączy z1, z2 i z3, zarejestrowane dla trzech różnych położeń źródła ciepła

Rys. 8. Obrazy termograficzne powierzchni próbki w obszarze złączy z4, z5 i z6, zarejestrowane dla trzech różnych położeń źródła ciepła
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij