TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Koneenrakennustekniikan laitos
Petri Ritamäki
RUOSTUMATTOMAN JA KUUMALUJAN TERÄKSEN HITSATUN
ERIPARILIITOKSEN MIKRORAKENNE JA ULTRAÄÄNITARKASTETTAVUUS
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 2008-09-30
Työn valvoja: Professori Hannu Hänninen Työn ohjaaja: Tekniikan tohtori Pentti Kauppinen
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä:
Työn nimi:
Petri Ritamäki
Ruostumattoman ja kuumalujan teräksen hitsatun eripariliitoksen mikrorakenne ja ultraäänitarkastettavuus
Päivämäärä: 2008-09-30 Sivumäärä: 137 + 10
Tiedekunta: Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Laitos: Koneenrakennustekniikan laitos
Professuuri: Kon-67 Koneenrakennuksen materiaalitekniikka Työn valvoja: Professori Hannu Hänninen
Työn ohjaaja: Tekniikan tohtori Pentti Kauppinen
Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia olemassa olevia ultraäänitarkastusmenetelmiä ja valita niistä parhaiten soveltuva teknologia vetojäännösjännityskohdissa olevien vikojen havaitsemiseen.
Käytännössä tutkimus suoritettiin ultraäänitarkastamalla mock-up:n kuumalujan ja austeniittisen teräksen Inconel-eriparihitsausliitos erilaisilla kulma-antureilla käyttäen sekä pitkittäistä että poikittaista aaltomuotoa. Tutkimuksen päämääränä oli havaita mock-up:iin etukäteen valmistetut keinoviat. Tarkastusmenetelmää voidaan soveltaa kenttäolosuhteisiin, jotka vastaavat tässä tutkimustyössä vallinneita olosuhteita.
Käytettyjen menettelytapojen luotettavuus on suhteellisen hyvä.
Eriparihitsausliitoksen jäännösjännitykset tutkittiin sekä röntgendiffraktio- että Contour- menetelmällä. Tarkoituksena oli kartoittaa suurten vetojäännösjännitysten alaiset alueet, joissa yhdessä vetyhaurauden kanssa voi syntyä vaaraa aiheuttavia tilanteita. Myös näihin alueisiin sijoitettujen keinovikojen havaittavuus tutkittiin.
Tutkimuksista saadut tulokset osoittivat kaikkien kuumalujan teräksen muutosvyöhykkeeseen ja juureen sijoitettujen tangentiaalisten vikojen olevan havaittavissa sekä konventionaalisilla luotaimilla että vaiheistetulla ryhmäanturilla.
Parhaimmat tulokset saatiin matalataajuisilla pitkittäisaalloilla.
Avainsanat: Eriparihitsausliitos, mikrorakenne, ultraäänitarkastus. Inconel, ruostumaton teräs, kuumaluja teräs, paineastiayhde.
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS
Author:
Title of the thesis:
Petri Ritamäki
Microstructure and Ultrasonic Testing of Dissimilar Metal Weld Joint of Heat Resisting and Stainless Steel
Date: 2008-09-30 Number of pages: 137+ 10
Faculty: Faculty of Engineering and Architecture
Department: Department of Engineering Design and Production Professorship: Kon-67 Engineering Materials
Supervisor: Professor Hannu Hänninen Instructor: Pentti Kauppinen D.Sc. (Tech.)
The objective of this Master’s thesis was to test the existing ultrasonic technology method, which is optimal in finding flaws in tensile residual stress areas.
The method was in practice to investigate the dissimilar metal welded mock-up by various UT technologies using both longitudinal and shear waves. The main goal of the study was in detecting the beforehand prepared artificial flaws. The method can be applied in field investigation cases resembling the used test situation. The reliability of the used procedures is relatively good.
The residual stresses of the dissimilar metal weld were investigated by X-ray diffraction and Contour-methods. The purpose of the study was to find areas where high tensile residual stresses together with hydrogen cracking can result in hazardous situations.
Furthermore it was interesting to investigate, if the artificial flaws prepared to those areas were detectable by the UT-methods used.
The observed results showed that the tangential flaws situated in the HAZ of heat resisting steel and in the root were all detectable both using conventional and phase array probes. The best results were achieved by low frequency longitudinal waves.
Keywords: Dissimilar Metal Weld, Microstructure, Ultrasonic Testing, Inconel, Stainless Steel. Heat Resisting Steel, Pressure Vessel Pipe Fitting.
SISÄLLYSLUETTELO
SISÄLL YSL ПЕНЕЮ...4
SYMBOLI- JA TERMILUETTELO...6
ESIPUHE JA KIITOKSET... 7
/JOHDANTO...8
1.1 Tutkimuksentausta...8
1.2 Tutkimusongelma...9
1.3 Tutkimuksentavoite...10
1.4 Tutkimuksenrajaukset... 10
2 ERIPA RIHITSA USLIITOKSEN TUTKIMINEN...II 2.1 Malliputkilutoksesta... 11
2.2 Eriparihitsausliitoksenominaisuuksia...11
2.2.1 Ruostumattoman teräksen eriparihitsausliitokset...II 2.2.2 Puskurointihitsaus...13
2.2.3 Käytetyt hitsauksen lisäaineet...13
2.2.4 Hitsausliitoksen mikrorakenteiden vaikutus ultraäänitarkastukseen...16
2.3 Keinoviatpätevöintikeinona...17
2.3.1 Keinovikojen valmistaminen...19
2.3.2 Keinovikojen etsiminen ja tutkimustulosten esittäminen...19
2.4 Jäännösjännityksetjaniidenmittausmenetelmiä...20
2.4.1 Jännitysten laukeamisten havaitseminen venymäliuskoilla koneistuksen yhteydessä...21
2.4.2 Contour -menetelmä...23
2.4.3 Röntgendiffraktio — menetelmä...25
2.4.4 Putken paineen aiheuttamat jännitykset seinämässä...30
2.5 Rikkomatonaineenkoetus...32
2.5.1 Tunkeumanestemenetelmä...33
2.5.2 Ultraäänimenetelmä...37
3 VIAN ETSINNÄN MAHDOLLISUUDET...44
4 LABORA TORIOTUTK1MUSTEN TA VOITTEET...45
5 KÄYTETYT LAITTEET. AINEET SEKÄ TUTKIMUS-JA MITTAUSMENETELMÄT...47
5.1 MOCK-UP ELI 1:1 MALLI ERIPARIHITSATUSTA PUTKILUTOKSESTA...47
5.1.1 Mock-up:n osat...47
5.1.2 Eriparihitsausliitoksen perus- ja lisäaineet sekä pinnoitteet ja puskurointihitsaus...48
5.2 Mock-up:nkäsittely... 53
5.2.1 Mock-up:n hitsaus ja lämpökäsittelyt...53
5.2.2 Keino- ja vertailuvikojen suunnittelu ja valmistus...54
5.3 Rikkomattomienaineenkoetuslaitteistojenkuvaukset... 60
5.3.1 Jäännösjännitysmittauslaitteisto...60
5.3.2 Ultraäänitutkimuslaitteisto...61
5.4 Rikkovienaineenkoetuslaitteistojenkuvaukset...63
5.4.1 Jäännösjännitysmittauslaitteisto...63
5.4.2 Kovuusmittauslaitteisto...64
5.5 Tehdytmittaukset... 65
5.5.1 Jäännösjännitysmittaukset...65
5.5.2 Ultraäänitarkastukset...69
5.5.3 Muut ainetta rikkomattomat tarkastukset...70
5.6 Hitsausliitoksenmikrorakennetutkimukset... 71
5.6.1 Tutkimuslaitteet...71
5.6.2 Tutkimuksissa käytetyt syövytteet...72
6 TUTKIMUSTULOKSET..'...'...74
6.1 JÄÄNNÖSJÄNN1TYSM1TTAUSTEN TULOKSET... 74
6.1.1 Mittaustulokset ja niiden käsittely...74
6.1.2 Saatujen tulosten arviointi ja mahdolliset virhelähteet...89
6.2 Ultraäänitarkastuksentulokset...92
6.2.1 Mittaustulokset...92
6.2.2 Mittaustulosten käsittely...94
6.2.3 Saatujen tulosten arviointi ja mahdolliset virhelähteet...94
6.3 Metallografiantulokset...95
6.3.1 Makrohieen tarkastelu...95
6.3.2 Mikrohieen tarkastelu...96
6.3.3 Perusaineen A1SI347 raekokomääritykset...102
6.3.4 Niobikarbidit AISI347-perusaineessa...102
6.3.5 Alkuainemääritykset Inconel 182-hitsissä ja sularajoilla...104
6.3.6 Austeniittisen ruostumattoman teräksen (AISI 347 Si ja 309) hitsiaineen ferriittipitoisuus.. 104
6.3.7 Electron Backsc atter Diffraction E BSD...105
6.4 MlKROKOVUUSMITTAUSTEN TULOKSET... 1 10 6.4.1 Mittaustulokset...110
6.4.2 Mittaustulosten käsittely...111
6.4.3 Saatujen mittaustulosten arviointi...115
7 TULOSTEN LUOTETTA VUUSANALYYSI...118
7.1 JÄÄNNÖSVENYMÄ JA -JÄNNITYSTULOKSET...118
7.1.1 Yhdistetty Layer Removal ja Crack Compliance Method...118
7.1.2 Röntgendijfraktiomenetelmä...118
7.1.3 Contour-menetelmä...119
7.2 Ultraäänet ARKASTUSTULOKSET...119
7.2.1 Kiinteäkulmainen anturi...119
7.2.2 Vaiheistettu ryhmäanturi...119
7.3 Metallografiantulokset... 120
7.3.1 Makro- ja mikrohietutkimukset...120
7.3.2 Raekokomääritykset...120
7.3.3 Niobikarbidimääritykset...120
7.3.4 Ruostumattoman teräksen ferriittipitoisuusmääritykset...120
7.3.5 Electron Backscatter Diffraction EBSD...120
7.4 Mikrokovuusmittaustulokset... 120
8 JOHTOPÄÄTÖKSET...121
9 SUOSITUKSET...123
10 YHTEENVETO...125
11 LÄHDELUETTELO...128
LIITTEET...133
Liite A. Röntgentarkastuspöytäkirja VTT-M-00423-07...133
Liite B. Tunkeumanestetarkastuspöytäkirja VTT-M-00424-07...133
Liite C. PERDl-projekti. Keinovikojen valmistussuunnitelma...133
Liite D. PERDl-projekti. Perusaineiden vertailuviat: vertailuvikojen sijainnit...133
Liite E. Tangentiaalisten keinovikojen N:o 1—3 havaittavuus hitsausliitoksessa...133
Liite F. Tangentiaalisten ja aksiaalisten keinovikojen N:o 4—11 havaittavuus hitsausliitoksessa. 133 Liite G. Aksiaalisten ja tangentiaalisten vertailuvikojen N:o 1—4 havaittavuus hitsausliitoksessa. ...133
Liite H. Aksiaalisten ja tangentiaalisten vertailuvikojen N:o 5--8 havaittavuus perusaineissa ja pinnoitehitsissä...133
Liite J. Inconel 182-hitsin poikkileikkauspinnan alkuaineanalyysi...133
KUVALUETTELO... 134
TAULUKKOLUETTELO...137
SYMBOLI- JA TERMILUETTELO
AISI American Iron and Steel Institute ASM American Society for Metals
ASME American Society of Mechanical Engineers ASTM American Society for Testing and Materials AWS American Welding Society
CMM Coordinate Measurement Machine DGS Distance-Gain-Size (-diagram) DMW Dissimilar Metal Weld
DDC Ductility Dip Cracking
EBSD Electron Backscatter Diffraction Analysis EDM Electro-discharge Machining
EDS Energy Dispersive X-ray Spectroscopy ERIPARI The Project of Dissimilar Metal Welding FEG Field Emission Gun
FEM Finite Element Method HAZ Heat Affected Zone
MW International Institute of Welding LOF Lack of Fusion
NDE Non Destructive Evaluation N DT Non Destructive Testing
PERDI Performance and Aging of Dissimilar Metal Joints SC Solidification Crack
SEM Scanning Electron Microscope TC Thermal Fatigue Crack
TKK Teknillinen korkeakoulu UT Ultrasonic Testing
VTT Valtion teknillinen tutkimuskeskus WEDM Wire Electro-discharge Machining
ESIPUHE JA KIITOKSET
Neste Oil Oyj / Neste Jacobs Oy antoivat aiheen tutkia heidän öljynjalostuslaitoksessaan käytössä olevaa eriparihitsattua putkiliitosta. Tutkimus tehtiin opinnäytetyönä.
Tehty tutkimus niveltyy osana PERDI -projektiin, joka on jatkoa vuonna 2006 valmistuneeseen ERIPARI - tutkimusprojektiin.
Erityiset kiitokset ansaitsee tutkimuksen onnistuneesta suorittamisesta TKK: n henkilökunnasta diplomityön valvoja professori Hannu Hänninen, tutkijakollega DI Hans Gripenberg, laboratorioinsinööri Tapio Saukkonen, harjoitusmestari Heikki Vestman, laboratoriomestari Jari Hellgren ja käyttöinsinööri Janne Peuraniemi. Suuret kiitokset ansaitsevat myös VTT:n henkilökunnasta diplomityön ohjaaja TkT Pentti Kauppinen, Neste Oil Oyj:n ja Neste Jacobs Oy:n henkilökunnasta DI Olli Kortelainen sekä True flaw Oy:n asiantuntija TkT Iikka Virkkunen ja RAMI Oy: n asiantuntija insinööri Raimo Paussu.
Otaniemessä 2008-09-30 Petri Ritamäki
<.
1 JOHDANTO
1.1 Tutkimuksen tausta
Öljynjalostus- ja energiantuotantolaitosten paineastioiden ja putkistojen metalliset rakenneaineet ovat haastavien ympäristövaatimusten alaisia. Paineastioissa ja putkistoissa paineet voivat olla useita kymmeniä megapascaleita ja lämpötilat satoja celsiusasteita. Lisäksi prosessoitavat aineet voivat olla syövyttäviä ja laitteistot jatkuvasti ulkotiloissa vaihtelevan sään armoilla, joten hyvä korroosionkestävyys on perusedellytys käytetyille rakenneaineille. Vielä on huomionarvoista prosessoitavista aineista metalliseoksiin diffunoituva vety, jolla on merkitystä rakenneaineiden mekaanisten ominaisuuksien muutoksiin käytön aikana. Tässä tutkimuksessa tarkasteltavana oleva erityislaatuinen putkihitsausliitos edustaa Neste Oil:n uudessa prosessilaitoksessa käytössä olevia kolmea suurempaa ja kymmenkuntaa pienempää laippaliitoksellista putkiyhdettä.
Kaikkia toivottuja rakenneominaisuuksia on taloudellisesti mahdotonta yhdistää yhteen monimutkaisenkin fysikaalisen käsittelyn läpikäyneeseen metalliseokseen. Ratkaisuna ovat ns. Compound-rakenteet - so. yhden metalliseoksen päällystäminen valittua hitsausmenetelmää käyttäen toisella metalliseoksella. Tässä tutkimustyössä esille tuleva kuumalujasta teräksestä valmistettu putki on esimerkiksi pinnoitettu sisäpuolelta austeniittisella ruostumattomalla teräksellä.
Toinen korroosio-olosuhteiden edellyttämä taloudellinen ratkaisu on yhdistää eri metalliseosta oleva paineastia siihen liittyvään toista metalliseosta olevaan putkistoon.
Tämän tutkimustyön esikuvana on lujasta ferriittisestä teräksestä valmistettu paineastia yhdistettynä eriparihitsausliitoksen avulla ruostumattomasta teräksestä valmistettuun putkistoon.
Tarkasteltavana olevassa hitsausliitoksessa ovat yhdistyneenä kummatkin em.
rakenneratkaisut. Ko. eriparihitsausliitos on putkiyhde eli paineastian ja putkiston yhdistävä laippaliitos, jonka l:l malli eli mock-up on yhteenhitsattu kahdesta eri
metalliseoksesta valmistetusta lieriömäisestä osasta. Paineastian puoleinen laippa on kuumalujaa terästä 21/4CrlMo!/4V, joka on pinnoitettu sisäpuolelta austeniittisella ruostumattomalla teräksellä AISI 309 L:llä ja AISI 347:llä. Putkiston puoleinen perusaine on ruostumatonta terästä AISI 347.
Hitsausliitoksen railon valmistuksen yhteydessä 2'/4Cr 1 Mol/tV-teräs on puskurointihitsattu (buttering) nikkelivaltaisella superseoksella Inconel 182. Liitoshitsi koostuu useista palkokerroksista (32 kpl) ja kolmesta eri metalliseoksesta: austeniittinen ruostumaton teräs AISI 347 Sija nikkelivaltaiset superseokset Inconel 82 ja Inconel 182 (ks. makrohiekuva 47).
Eriparihitsausliitokset ja pinnoitushitsaukset sisältävät samanlaisia virheitä kuin kahta samaa seosta olevien perusaineidenkin hitsit. Tässä tutkimuksessa keskitytään erityisesti eriparihitsausliitoksessa olevien vikojen kuten esim. säröjen havaitsemiseen olemassa olevilla rikkomattomilla aineenkoetusmenetelmillä.
1.2 Tutkimusongelma
Tutkittava eriparihitsausliitos koostuu tarkkaan ottaen seitsemästä eri metalliseoksesta ja on siten erittäin vaativa ainetta rikkomattoman tarkastuksen (Non-destructive Testing NDT) luotettavuuden karmalta. Useiden toisistaan paljonkin koostumukseltaan poikkeavien metalliseosten rajapinnat itsessään vaikuttavat eri NDT menetelmillä saataviin tuloksiin. Useampi rajapinta lisää myös vikojen syntymisen mahdollisuutta.
Useassa ainetta rikkomattomassa menetelmässä on ollut lähtökohtana etsiä virheitä samaa metalliseosta olevien perusaineiden hitsausliitoksesta. Eriparihitsausliitoksen useiden seosten toisistaan poikkeavat akustiset ominaisuudet asettavat haasteen ultraäänitarkastukselle. Tuotantoprosessissa olevan vedyn diffundoituminen käytön aikana hitsausliitokseen aiheuttaa erityisongelmia. Näissä alueissa samanaikaisesti vaikuttavat vetojäännösjännitykset vaativat kriittistä kokoa lähellä olevien säröjen havaitsemista ajoissa.
1.3 Tutkimuksen tavoite
Tämän tutkimuksen tavoitteena on löytää olemassa olevista rikkomattoman aineenkoetuksen menetelmistä öljynjalostusteollisuuden putkiyhteiden hitsattujen eripariliitosten käytönaikaiseen tarkastukseen soveltuva teknologia. Tutkimuksen kohteena on öljynjalostuslaitoksen haasteellisin laippaliitos.
Löydettyjen teknologioiden luotettavuutta arvioidaan tutkimuksessa mock-up:n avulla.
Kappaleeseen suunnitellusti tehtyjen keinovikojen ja niistä saatavien kokeellisten tulosten avulla arvioidaan käytetyn rikkomattoman aineenkoetusmenetelmän luotettavuutta kvantitatiivisesti. Koetuloksia täydennetään metallografian ja jäännösjännitysmittausten avulla.
Saavutettuja tutkimustuloksia voidaan hyödyntää vastaavanlaisia öljynjalostus- ja energiantuotantolaitosten eriparihitsausl i itosten valmistuksen ja käytön aikana syntyneiden vikoja etsinnässä. Tulokset auttavat säröjen syntyyn ja kasvuun liittyvien ainetta rikkomattomien tutkimusmenetelmien edelleen kehittämistä erityisesti ultraääniteknologioiden alueella.
1.4 Tutkimuksen rajaukset
Jo tutkimuksen rajausvaiheessa havaittiin öljynjalostuslaitoksen kenttäolosuhteissa tehtäviin tarkastuksiin parhaiten soveltuvan jokin volumetrinen menetelmä kuten ultraäänitarkastusmenetelmä. Radiografiset tutkimusmenetelmät (RT) eivät sovellu kenttäolosuhteisiin raskaiden tutkimuslaitteiden ja suurista ainepaksuuksista johtuvien voimakkaiden säteilytehojen takia. Sähkömagneettiset menetelmät (EC) rajaavat vikojen etsinnän pintakerroksiin ja rajautuivat yhdessä muiden pintatutkimus- menetelmien kanssa pois tutkimuksesta. Tässä tutkimuksessa esitetään kuitenkin myös eriparihitsausliitokselle jo valmistusvaiheessa muilla rikkomattoman aineenkoetuksen volumetrisillä ja pintatarkastusmenetelmillä saadut koetulokset.
2 ERIPARIHITSAUSLIITOKSEN TUTKIMINEN
2.1 Malli putkiliitoksesta
Eriparihitsausliitoksen ominaisuuksia on huomattavasti helpompi ja käytännöllisempää tutkia laboratorio-olosuhteissa kuin käynnissä olevassa tuotantolaitoksessa tai asennusta odottavalla laippaliitoksella. Tämä on mahdollista valmistamalla todellisuutta tarkoin vastaavasti - esimerkiksi paineastiayhteestä - 1:1 oleva malli eli mock-up ja tutkimalla sitä. Mittaukset ovat tällöin tarkempia ja laboratorion vaikeasti liikuteltavat tutkimuslaitteet ovat helposti saatavilla. Käyttöolosuhteita - esimerkiksi virumista korkeassa lämpötilassa tai vedyn diffuusiota - voidaan simuloida helposti rakenneaineiden tutkimuslaboratoriossa. Mock-up:ia voidaan pilkkoa vapaasti rikkovia aineenkoetuskokeita varten, yhtä lailla kuin tutkia ainetta rikkomattomasti ennen pilkkomista. Tutkimustulokset ovat luotettavia ja edustavat mock-up:n todellista esikuvaa, edellyttäen kuitenkin malli valmistuksen noudattaneen tarkoin valmistusohjeita ja tarvittaessa altistetun esikuvansa mukaisille ympäristöolosuhteille.
2.2 Eriparihitsausliitoksen ominaisuuksia
2.2.1 Ruostumattoman teräksen eriparihitsausliitokset
Tarkoitukseen sopivuus yhdessä taloudellisten näkökohtien kanssa tekee rakenneaineen valinnasta usein haasteellisen tehtävän. Kun tähän lisätään vielä edellytys, ettei rasitetuimman osan rakenneai ne val i nnal I a voi ratkaista muiden hitsaamalla yhteenliitettävien vaatimattomampien osien rakenneainevalintaa, joudutaan perusteellisesti pohtimaan myös syntyvien eri seosten välisten liitosten hitsausmetallurgiaa. Prosessiteollisuuden putkistossa on toisaalla korroosion kannalta vaativia kohtia, toisaalla korkean lämpötilan asettamia lujuusvaatimuksia.
Ruostumattomat teräkset ovat paljon kalliimpia kuin kuumalujat CrMo-teräkset, jotka vastaavasti ovat lujempia. Sekä taloudelliset että lujuusvaatimukset johtavat valinnan eriparihitsausliitoksen käyttöön (Lukkari 2000).
Hitsausmetallurgian ja lisäaineen valinnan kannalta eriparihitsausliitoskohteita ovat (Lukkari 2000):
1. Ruostumattomaan säiliöön liitettävä rakenneteräsosa tai vastaavasti esimerkiksi kuumalujasta rakenneteräksestä valmistettuun paineastiaan liitetty ruostumaton putkiyhde.
2. Ruostumattomaan putkeen liitetty rakenneteräksinen laippa tai kannatin.
3. Ruostumattoman ja rakenneteräksisen putken liitos.
4. Ruostumattoman lämmönvaihdinputkiston liittäminen rakennet eräksi seen pääty- levyyn.
5. Rakenneteräksisen levyn tai putken päällehitsaus ruostumattomalla lisäaineella.
6. Ruostumattoman pinnoiteohutlevyn hitsaus rakenneteräksisen perusaineen päälle.
7. Ns. huonosti hitsattavien - so. voimakkaasti katkeilevien - terästen hitsaus auste- niittisella lisäaineella.
8. Kylmäsitkeiden nikkeliterästen hitsaus austeniittisella lisäaineella.
Tutkittava Neste Oil:n eriparihitsausliitos edustaa em. listan kohtia 1 ja 5. Kuva 1 osoittaa osajaon olevan samanlainen kuin jos perusaineet olisivat samaa seosta.
Hitsiaine
Kuva 1. Perusaineiden A ja В eriparihitsausliitoksen vyöhykkeet: I) Sekoittumaton vyöhyke, II) sularaja, III) osittain sulanut vyöhyke ja IV) muutosvyöhyke.
Perusaineiden muutosvyöhykkeet käyttäytyvät samalla tavalla kuin samanlaisten terästen hitsauksessa keskenään. Yleensä ruostumattomalla teräksellä samoin kuin rakenneteräksillä ei ole erityisiä ongelmia muutosvyöhykkeellä. Eriparihitsausliitoksen ferriittisen puolen hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely vähentää ongelmia entisestään.
Niukkahiilisen seostamattoman teräksen hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely vähentää ratkaisevasti vetypitoisuutta (Kou 2003). Erityisesti kuumaluja teräs vaatii lämpö
käsittelyn hitsauksen jälkeen (Lukkari 2000). Pitolämpötila on tällöin 705—770 °C.
2.2.2 Puskurointihitsaus
Eriparihitsauksen jälkeen suoritettu lämpökäsittely voi olla toisen perusaineen kannalta tarkoituksenmukaista, mutta on sen sijaan toiselle perusaineelle vahingollista.
Esimerkiksi käytettäessä ruostumatonta terästä toisena perusaineena, saattaa se herkistyä tai sigmahaurastua jälkilämpökäsittelyssä. Jotta liitos jälkilämpökäsittelyä vaativan perusaineen puolelta onnistuisi, on suositeltavaa pinnoittaa sen railopinta ensin sopivalla lisäaineella. Suoritetun jälkilämpökäsittelyn jälkeen tehdään vasta varsinainen liitoshitsaus. jota - niin kuin sanottu - ei enää tarvitse lämpökäsitellä (Kyröläinen ja Lukkari 1999). Eriparihitsausliitos, joiden perusaineiden likvidusalueiden lämpötilat poikkeavat huomattavasti toisistaan, tarvitsee yleensä puskurointihitsauksen. Puskuri hitsataan alempana sulavan perusaineen railon pintaan jollakin perusaineiden likvidusalueiden väliin asettuvalla lisäaineella. Kun perusaineiden lämpölaajenemiskertoimet poikkeavat huomattavasti toisistaan ja liitos joutuu käytön aikana vaihteleviin lämpötiloihin, puskurointi em. tapaan lievittää syntyviä rasituksia.
(Kiser ym. 1998)
2.2.3 Käytetyt hitsauksen lisäaineet
Eriparihitsausliitoksen lisäaineen valinta on vaativampi tehtävä kuin perusaineiden ollessa samaa metalliseosta. Eripariliitoksen perusaineet voivat olla eri alkuainevaltaisia metalliseoksia tai saman alkuaineen erilaisia seoksia. Jälkimmäisistä tunnetuimpia on eri terästen liitokset, joiden lisäainevalinta on tässä lähinnä mielenkiinnon kohteena.
Lisäainevalinta on optimointitehtävä, jossa on otettava huomioon syntyvän liitoksen
hitsausmetallurgiaan sekä mekaanisiin, fysikaalisiin ja korroosionkestoon liittyvät vaatimukset.
Hitsausmetallurgisessa tarkastelussa on selvitettävä lisäaineen sekoittuminen kumpaankin perusaineeseen ja näin syntyvien faasien taipumus säröjen ydintymiseen ja kasvuun. Lisäaineen käytöllä ja sekoittumisella säädetään a) vety-ja kuumahalkeilua, b) haurastumista, c) karbidien muodostumisen kannalta tärkeätä hiilen diffuusiota ja d) termistä väsymistä (Lukkari 2000). Tasapainopiirroksen avulla voidaan tarkistaa ei- toivotun faasin syntymisen mahdollisuus hitsiaineen seostuessa ja mahdollisen suotautumisen tapahtuessa. Näin voidaan välttää esimerkiksi niukkaseosteisen ja ruostumattoman teräksen liitoksessa lisäaineen valinta, joka voisi johtaa o-faasin syntyyn lämpötila-alueella 650—900 °C. Lisäaineen valinnalla voi olla myös vaikutusta syntyviin hitsausvirheisiin, kuten huokoisuuteen ja sulkeumiin. Puuroalueen tulee olla kapea, jotta vältyttäisiin kuumahalkeamilta. toisaalta on lisäaineen jähmettymisessä otettava huomioon perusaineiden osittain sulaneet ja sekoittamattomat vyöhykkeet.
Selventävä esimerkki eriparihitsauksen valintaperiaatteesta: korkeassa lämpötilassa sulavalle tantaali perusaineelle (sulamispiste 3017 °C) ja nikkelipohjaiselle perusaineelle Inconel 600 (puuroalue 1413—1354 °C —» Д 59 °C) valitaan nikkelipohjainen lisäaine Inconel 82 (puuroalue 1399—1364 °C —> Д 35 °C). Lisäaineen ja alempana sulavan perusaineen puuroalueet ovat samalla lämpötila-alueella. Jos lisäaineeksi olisi valittu perusaine Inconel 600, olisi sen puuroalue ollut laajempi kuin Inconel 82:n. Valittu kapeampi puuroalue merkitsee vähäisempää suotautumista dendriittien väliselle alueelle tantaalin puoleisella sularaja-alueella. Liitoksessa syntyneiden faasien on oltava käyttöympäristössä stabiileja tai faasimuutosten on tapahduttava hallitusti. Mikrorakenteeseen liittyvien muutosten on oltava ennustettavissa. Muutokset voivat olla myös toivottavia kuten esimerkiksi työstö- tai erkautumiskarkeneminen. (Kiser ym. 1998)
Valitulla lisäaineella syntyneen hitsausliitoksen on täytettävä suunnitellut mekaaniset ominaisuudet ja viranomaisvaatimukset. Perusvaatimusten, kuten myötö- ja murto 1 ujuusarvojen. lisäksi voi olla tarpeellista testata myös liitoksen väsymis- ja virumislujuus sekä isku-ja murtumissitkeys (Kiser ym. 1998).
Perus- ja lisäaineiden fysikaaliset suureet, kuten lämmönj ohtavuus ja lämpölaajenemiskerroin. voivat poiketa huomattavastikin toisistaan. Perusaineiden lämmönjohtavuusero johtaa liialliseen hitsauslämmöntuontiin huonommin lämpöä johtavan perusaineen kannalta katsottuna. Lämmöntuonnilla on myös merkitystä hitsiaineen liiallisen laimenemisen kannalta (Mattson 2006). Erot perus- ja lisäaineen lämpölaajenemiskertoimissa aiheuttavat jännityksiä jäähtymisvaiheessa ja loppulämpötilassa. Hitsausliitoksen altistuessa syklisille lämpötilavaihteluille kertoimien erosta aiheutuvat jännitykset kuormittavat liitosta väsyttävästä Lisäaineen lämpölaajenemiskertoimen suositellaan olevan perusaineiden kertoimien välissä (Kiser ym. 1998). Eripariliitoksen toisen sularaja-alueen ollessa särön ydintymisen ja kasvun kannalta riski, on lisäaineen lämpölaajenemiskertoimen syytä olla lähellä tätä perusainetta. Esimerkkinä tästä on kuumalujan ja ruostumattoman teräksen eriparihitsausliitos. Valittaessa lisäaineeksi nikkelivaltainen lisäaine, jonka lämpölaajenemiskerroin on lähempänä kuumalujan teräksen arvoa (Mattson 2006), siirretään jännityksistä aiheutuvat kuormitukset kestävämmän ruostumattoman teräksen sularaja-alueen puolelle.
Syövyttävissä olosuhteissa anodisen alueen syöpymisnopeus on suoraan verrannollinen virrantiheyteen ja siten kääntäen verrannollinen anodin pinta-alaan. Hitsi on pinta- alaltaan perusaineita huomattavasti pienempi, joten anodina toimiminen on sille erityisen tuhoisaa. Hitsiaine on valittava niin, että se ko. ympäristössä (esim. viilaavassa merivedessä) on galvaanisessa sarjassa kumpaakin perusainetta elektropositiivisempi.
Hitsin tulee siis toimia katodina ja perusaineiden anodeina. Kloridiliuoksissa ruostumattomissa hitseissä ilmenee pistekorroosiota. Primääristi austeniittisesti jähmettyvässä hitsissä kromi ja molybdeeni mikrosuotautuvat dendriittien väliselle alueelle. Tällöin dendriittien sisustat köyhtyvät liiaksi kromista ja molybdeenista.
Köyhtyneet mikroalueet ovat täten alttiita pistekorroosiolle. Valitsemalla molybdeenin suhteen yliseostettu lisäaine ongelma voidaan välttää. Toinen mahdollisuus on valita primäärisesti ferriittisenä jähmettyvä lisäaine (Kyröläinen ja Lukkari 1999). (Kiser ym.
1998)
2.2.4 Hitsausliitoksen mikrorakenteiden vaikutus ultraäänitarkastukseen
Ääni vaimenee kulkiessaan väliaineessa. Rakenneaineessa kulkiessaan ultraääni vaimenee absorboitumalla ja siroamalla. Absorptiossa ääniaallon energia muuttuu lämmöksi ja se voidaan laskelmissa ottaa huomioon rakenneaineesta riippuvalla absorptiokertoimella. Käytännössä mikrorakenteella ei vaikuteta absorptioon, vaan siihen voidaan vaikuttaa ultraäänilähettimen jännitettä nostamalla, signaalin vahvistusta lisäämällä tai pienentämällä ultraäänen taajuutta. Kuitenkin - tarkkaan ottaen - mikrorakenteella voidaan vaikuttaa absorptioon estämällä dislokaatioiden värähtely äänikentässä. Tämä tapahtuu sitomalla dislokaatio kiteessä olevilla epäpuhtausatomei 1 la. Ultraäänen absorptiolla voidaan kääntäen siis arvioida epäpuhtausatomien määrää kiteessä. (Krautkrämer ja Krautkrämer 1990)
Rakenneaineessa tapahtuvaa kokonaisvaimenemista kuvaa vaimenemiskerroin a [dB/m], johon vaikuttaa em. absorptiokertoimen lisäksi myös sirontakerroin. Sirontaan vaikuttaa rakeiden koko ja anisotrooppisuus. Sironnalla ei ole käytännön merkitystä ääniaallon pituuden ollessa 100 --1000 -kertainen rakeen kokoon verrattuna. Sironnan vaikutuksesta ultraäänellä tarkastaminen käy mahdottomaksi rakenneaineen ollessa anisotrooppista ja aallonpituuden ollessa 1 10 -kertaa rakeen koko. Sironta kasvaa raekoon kuutioon verrannollisena. Ultraäänen kannalta katsottuna rakeen anisotrooppisuus merkitsee erilaisia akustisia ominaisuuksia kulkusuunnasta riippuen.
Kimmoisten ominaisuuksien muuttuessa kidesuunnasta riippuen, muuttuu myös äänen nopeus ja siten siis akustinen impedanssi. Miltei kaikkien yleisimpien metallien kiteet ovat kimmoisilta ominaisuuksiltaan enemmän tai vähemmän anisotrooppisia ja rakeiden ollessa umpimähkäisesti jakautuneena tapahtuu raerajoilla jatkuvasti siroamisen selittävää heijastumista ja taittumista. Yleisimmistä metalleista ja niiden seoksista wolframi ja magnesium ovat vähiten anisotrooppisia ja a- ja ß-messinki eniten, austeniittisen teräksen sijoittuessa jälkimmäisten väliin. Yhteenvetona edellä kerrotusta voidaan todeta vaimennuksen olevan sitä suurempi mitä suurempi on rakeen läpimitan ja äänen aallonpituuden suhde sekä kiteen anisotrooppisuus. (Krautkrämer ja
Krautkrämer 1990)
Ultraäänen vaimenemiseen vaikuttaa rakenneaineen lämpötila. Metalleilla se kasvaa lämpötilan myötä ja saavuttaa esimerkiksi teräksellä paikallisen maksimin a-/y- faasitransformaatiolämpötilassa 727 °C, kasvaen edelleen voimakkaasti austeniitin alueella. Edelleen vaimenemiseen vaikuttaa metallin olotila ts. onko se valetussa vai muokatussa tilassa. Valurakenteessa vaimeneminen on huomattavasti suurempaa kuin muokatussa. Esimerkiksi nikkelin ja sen kuumalujien kromi-, alumiini- ja titaani- seoksien (Nimonic) ultraäänitarkastusta valutilaisena pidetään käytännössä mahdottomana. Hitsi edustaa valettua tilaa ja siten nikkelivaltaisen hitsin ultraäänitarkastus on vaikeaa. Muokattuna em. valurakenteen tarkastaminen sen sijaan sujuu helposti. Muokatun ja valurakenteen eron selittää ultraäänen kulun kannalta valuhuokosten yhteenhitsautuminen ja suurten rakeiden häviäminen muokkauksessa.
Äänen aaltomuodon ja taajuuden valinta auttaa suurirakeisen valun tarkastuksessa.
Karkearakeisen austeniittisen teräksen tarkastus on mahdollista pitkittäisellä aaltomuodolla ja matalalla taajuudella (1 MHz), siinä missä se poikittaisella aaltomuodolla sironnan haitallisesta vaikutuksesta johtuen on huomattavasti vaikeampaa. Kääntöpuolena on resoluution huononeminen ja siten vain suuret rakenteen epäjatkuvuudet ovat havaittavissa. Asia on autettavissa sijoittamalla ultraäänen lähetin ja vastaanotin seinämärakenteen eri puolille, jolloin äänitie-etäisyys saadaan lyhyemmäksi kuin käytettäessä heijastustekniikkaa. (Krautkrämer ja Krautkrämer 1990)
2.3 Keinoviat pätevöintikeinona
Käsitteet keinovika ja vertailuvika on syytä erottaa toisistaan. Näitä kumpiakin vikoja tarvitaan pätevöinnissä. Ensisijaisesti pätevöinnissä käytetään keinovikoja. mutta taloudellisista ja tuotanto-olosuhteista johtuen voidaan joutua tyytymään vertailuvikoihin. Vertailuvikoja tarvitaan myös ultraäänitarkastuslaitteiston säätämistä (mm. vertailukäyrän ja-vahvistuksen säätämiseksi) varten. Vertailuviat ovat standardin mukaisesti valmistettuja porauksia ja uria. jotka on sijoitettu ominaisuuksiltaan samanlaisesta rakenneaineesta valmistettuun referenssi-kappaleeseen (Krautkrämer ja Krautkrämer 1990). Esimerkiksi tässä tutkimuksessa mock-up:iin valmistettavat sivuttaisporaukset ja urat noudattavat ASME Code Section XI ja ASME Code Section V (Article 4 - hitsin ultraäänitarkastus) mukaisia vaatimuksia (Paussu 2007).
Jotta olemassa olevaa hitsausliitosta simuloivaa kappaletta voitaisiin käyttää myös käytetyn rikkomattoman aineenkoetusmenetelmän erotuskyvyn arviointiin (tässä siis ultraäänitarkastuksen suorituskyky), tulee sen sisältää myös suunniteltuja vikoja eli keinovikoja (realistic artificial flaws). Vikojen koon suuruusluokkaa voidaan arvioida laskennallisesti käyttämällä parametreinä käytännön murtumissitkeysarvoja ja olettamalla vedyn läsnä ollessa rakenneaineen haurastuvan.
Muokataan jännitysintensiteettitekijän K laskemiseksi käytettyä yhtälöä (Hertzberg 1996):
K = Y * a* y/a , (1)
jossa a on vallitseva jännitystaso, Y on muotokerroin ja
a on särön syvyys.
Ratkaisemalla yhtälöstä särön syvyys saadaan
к2
Y2*<7
ja edelleen sijoittamalla
(2)
Y = Vît,
К = K,c = К,н = 69 MPaVm (vetyhauras SA336-F22V -teräs kun T = 20 °C; H2 - osapaine 19,6 MPa kun T = 500 °C) (JSW 2004) ja
o = 300 MPa (vrt. Kuva 27: maksimi aksiaalinen jäännösjännitysarvo ja Taulukko 12:
aksiaalinen vetojämiitys)
saadaan pintaan aukeavan särön syvyydeksi a noin 17 mm.
Edellä laskettua särön suuruutta voidaan verrata suunniteltuihin mock-up:in keinovikojen kokoon (ks. Taulukko 4).
Tässä yhteydessä voidaan tarkastaa mock-up:n ”leak-before-break” -tilanne, kun seinämän ferriittisen osan paksuus on 0.033 m (= 40 mm - 7 mm (sitkeä pinnoite)) ja olettamalla ferriittinen kuumaluja teräs vedyn haurastuttamaksi. Sijoittamalla em.
seinämän paksuus särön syvyyden a arvoksi jännitysintensiteettitekijän lausekkeeseen (1) saadaan jännitysintensiteettitekijän K arvoksi esimerkiksi aksiaalisella jännityksellä 300 MPa arvo 97 MPa Vz» . Tuloksesta voidaan päätellä, ettei ”vuoto ennen murtumaa”
-kriteeri toteudu näillä arvoilla.
2.3.1 Keinovikojen valmistaminen
Säröjä voidaan valmistaa mm. termisesti väsyttämällä (induktiokuumennus) ja korjaushitsaamalla kuumahalkeaman tuottavilla parametriarvoilla. Säröä voidaan simuloida valmistamalla ura kipinätyöstämällä (EDM), jolloin se muistuttaa jo vertailuvikaa. Lisäksi on vielä istutuksena tunnettu keino, jossa hitsataan esimerkiksi mock-up:iin pienempi särön sisältävä kappale. Rakenneaineesta riippuen voidaan käyttää kaikkia em. valmistusmenetelmiä tai vain osaa niistä. Jähmettymisvikoja on esimerkiksi vaikeaa valmistaa ruostumattomaan teräkseen, jos se ei ole altis kuumahalkeamalle.
2.3.2 Keinovikojen etsiminen ja tutkimustulosten esittäminen
Keinoviat pyrkivät mahdollisimman tarkoin jäljittelemään luontaisesti valmistuksessa ja käytön aikana syntyneitä vikoja. Niiden etsintä ja havaitseminen ei poikkea luontaisesti syntyneiden vikojen yhteydessä käytetyistä tarkastustekniikoista. Keinoviat voidaan antaa tarkastettavaksi sokkona tai paljastaen niitä koskeva suunnitelma, joka sisältää vikojen sijainnin ja koon määritykset. Sokkotestissä voidaan lähinnä arvioida tarkastajan kyvykkyyttä tehtäväänsä. Sen sijaan suunnitelman mukaan tapahtuva etsintä antaa mahdollisuuden säätää käytettyä teknologiaa vaikeimmin havaittavien vikojen kohdalla. Samoin on helpompi vertailla eri NDT-teknologioiden havaitsemistarkkuutta keskenään. Esimerkiksi ultraäänitarkastuksessa voidaan vertailla erilaisten
kulmaluotainteknologioiden hyvyyttä keskenään ja näiden teknologioiden kesken vertailla vielä käytettyjä aaltomuotoja ja taajuuksia. Kulmaluotaimia ovat perinteinen kiinteäkulmainen anturi ja vaiheistettu ryhmäanturi. Lisäksi voidaan arvioida yleisesti hyväksyttyjen tarkastusohjeiden soveltuvuutta ko. keinovikojen tarkastukseen.
Sekä sokko- että avoimen tarkastuksen kvalitatiiviset ja kvantitatiiviset tulokset esitetään vertaillen niitä keinovikasuunnitelmaan. Tarkastuksessa saattaa tulla ilmi myös luontaisesti syntyneitä vikoja, jotka myös esitetään. Tutkimusraportissa selvitetään kunkin vian havaittavuus, sijainti ja koko sekä käytetty teknologia spesifikaatioineen ja mittausparametreineen.
2.4 Jäännösjännitykset ja niiden mittausmenetelmiä
Vaikka kappaleeseen ei vaikuttaisi mitään ulkoisia voimia (esim. lämpögradientista johtuvia) voi siinä silti vaikuttaa sisäisiä jännityksiä eli jäännösjännityksiä.
Jäännösjännitykset kappaleessa ovat voimatasapainossa: resultanttivoima ja momenttisumma ovat nolla.
(3)
A
(4)
A
jossa A on kappaleen poikkileikkauspinta-ala, o¡¡ on jännitys,
n, on pintaa vastaan kohtisuora vektori ja
M on taivutusmomentti systeemin mielivaltaisen akselin suhteen (Hänninen ym. 2006).
Jäännösjännitykset ryhmitellään useiden rakeiden alueelle vaikuttaviin makrojännityksiin sekä rakeen alueella vaikuttaviin mikrojännityksiin esim. eri faasien tai erkaumien ja matriisin välillä oleviin jännityksiin. Vielä luetaan omaksi ryhmäkseen rakeen sisäiset jännitykset.
Käytännössä jäännösjännityksiä on aina rakenteissa, kuten on vikojakin.
Valmistusprosesseissa jäännösjännityksiä rakenteisiin aikaansaavat rakenneaineen muokkaukset, koneistukset, lämpökäsittelyt, hitsaus, hiiletys yms. (James 1996).
Tunnetusti jäännösjännitykset voivat esim. hitsausliitoksen eri kohdissa vaihdella suurista vetojännityksistä yhtä suuriin puristusjännityksiin (Hänninen ym. 2007).
Jäännösjännitysmittausmenetelmät voidaan jakaa ainetta rikkoviin ja ainetta rikkomattomiin menetelmiin. Edellisiin kuuluvat mm. rengasura-, pinnan poisto- ja contour- eli reliefimenetelmä. Jälkimmäisiin kuuluvat röntgen- ja neutronidiffraktio sekä ultraääni- ja Barkhausen-kohina -menetelmä. Tässä tutkimuksessa rajoitutaan ainetta rikkovissa menetelmissä tarkastelemaan pinnan poisto- ja contour-menetelmää sekä ainetta rikkomattomissa menetelmissä vain röntgendiffraktiomenetelmää.
2.4.1 Jännitysten laukeamisten havaitseminen venymäliuskoilla koneistuksen yhteydessä
Venvmäliuskamittaus
Venymäliuskan eli vastuslankavenymämittarin (strain gauge) käyttö venymien mittaamiseen perustuu metallilangan sähköisen vastuksen muuttumiseen sen joutuessa vetoon tai puristukseen. Lanka on kiinnitetty paperille tai muoville. Tämä anturi liimataan tutkittavaan paikkaan, mistä muodonmuutokset välittyvät siihen. (Salokangas 1974)
Todellisen venymän ja langan vastuksen muutoksen riippuvuus toisistaan saadaan differentioimalla langan vastuksen yhtälö:
4 *p*l n*d
(5)
jossa p on langan ominaisvastus, 1 on langan pituus,
d on langan halkaisija.
Koska d In R = — niin saadaan:
R
dR_
R t/[ln 4 + In p + In / - (in n + 2 * In t/)]. (6)
Suorittamalla derivointi osittain sekä todellisen venymän s että lämpötilan T suhteen saadaan:
dR R
— L- «1 dp [p de
1 dp
p ÔT +
1 dl i di \
*—*de+~*—*dT v/ ds l dT
r1 dd 1 dd
*—*dsч—*—*dT yd de d dT j(7)
.. , „ ,.... 1 dl , .... Id/. \ dd
Edellisessa yhtälössä tekna -*— on 1, teknat -*— ia —*— ovat pituuden
I de 1 dT d dT
1 ämpö 1 aaj eneni i skerro i n a sekä tekijä — *— on Poissonin luku -o. Sijoittamalla ne d de
saadaan:
cW
R p de p dT + (\* de + a * dT)-2*(-v* de + a * dT) (8)
ja edelleen ryhmittelemällä saadaan:
dR_
R
f 1 др Л
— * — + 1 + 2 *ö *de + * 1 S
\P ds ) KP 01 )
*dT. (9)
Yhtälöstä (9) havaitaan langan vastuksen muutoksen olevan paitsi venymästä myös lämpötilasta riippuva. Vastuksen muutos voidaan mitata käyttämällä ns. Wheatstonen siltaa. Kytkemällä kappaleen mitattavaan kohtaan kiinnitetty venymäliuska samaan Wheatstonen sillan haaraan kuin samanlainen mutta jännityksettömässä kohdassa oleva liuska (ns. puolisiltakytkentä), saadaan lämpötilan muutos kompensoitua (Hoffmann
1989). Yhtälöstä (9) saadaan todellinen venymä näin ollen lausuttua:
(10)
de -— * —1 dR к R ’
jossa tekijä — * — + l + 2*u on venymäliuskan herkkyys k.
p de
Koneistus jännitysten laukaisijana
Sylinterimäisessä kappaleessa vaikuttavia tangentiaalisia jännityksiä voidaan laskennallisesti arvioida leikkaamalla putki halki (tässä esim. mock-up) ja mittaamalla samanaikaisesti tangentiaalisesti suhteellista venymää. Menetelmä on tavallaan yhdistelmä kerroksittaisesta pinnan poistosta (Layer Removal Method) ja särön joustosta (Crack Compliance Method). Poikkileikkaus voidaan tehdä vaiheittain joko sahaamalla tai jyrsimällä. Venymät mitataan venymäliuskoilla, joita on asetettu tangentiaalisesti haluttu määrä syntyvän leikkausuran viereen. Kvalitatiivisesti voidaan tangentiaalisten jäännösjännitysten laukeamista lisäksi arvioida seuraamalla mittakelloilla sylinterin halkaisijan muutosta leikkauksen ajan. Menetelmään liittyy vielä leikkauskohdan lämpötilan seuraaminen, sillä leikkaamisesta aiheutuva kitkalämpö vaikuttaa lämpölaajenemisen kautta kumpaankin em. mittaustulokseen.
2.4.2 Contour -menetelmä
Perinteisissä rikkovissa jäännösjännitysmittauksissa tutkittavan kohdan jännitystilaa tutkitaan ko. kohdan lähiympäristössä tapahtuvien muutosten avulla. Mittaustuloksena saadaan tarkkaan ottaen approksimaatio ko. kohdan jännitystilasta.
Röntgendiffraktiomenetelmässäkin mittauspisteet ovat käytännössä erillisiä. Contour- menetelmässä saadaan kokonaisen poikkileikkauspinnan jännitysjakautuma selville kohta kohdalta mittaamalla topologisesti pinnan mikroprofiilia. Suorakulmaisen koordinaatiston (3D) suuntaiset jännitykset saadaan pilkkomalla kappale vastaavasti.
Mitattavan pinnan esivalmistelut eivät saa muokata sitä. Kappaleen leikkaaminen mekaanisesti ei siis tule kysymykseen, vaan on käytettävä kipinätyöstöön perustuvaa lankasahausta (WEDM). Tässä sähköiseen purkaukseen perustuvassa työstömenetelmässä ohuen esim. 0 25 pm messinkilangan ja sähköä johtavan
leikattavan kappaleen välillä on 50--380 V:n potentiaaliero. Miinusnapaan kytketyn langan ja kappaleen läpi kulkee 0.1 •••500 A:n tasavirta 200---500 kHz:n taajuudella tapahtuvin sähköpurkauksin. Sekä lanka että kappale ovat sähköä eristävässä nesteessä, jossa purkaukseen tarvittava potentiaaliero saadaan syntymään piirissä olevan kondensaattorin avulla. Yhdessä purkauksessa poistuu kappaleesta ainetta 10"6--10"4 mm3. Syntyvä leikkauspinta on sitä sileämpi mitä alhaisempi on virran tiheys ja mitä korkeampi on kipinöintitaajuus. (Kalpakjian, Schmid 2006)
Topologinen mittaus suoritetaan koordinaatio-ohjatulla mittauslaitteella (CMM), jossa neulamaisen kosketukseen perustuvan anturin avulla kartoitetaan tutkittava pinta. Myös poikkileikkauksen vastinpinta luodataan. Mittapään äärellinen koko tosin suodattaa osittain saatavaa tietoa. Leikkauspinnan kumpikin puolisko käydään läpi ja mittaustulosten keskiarvoja käytetään syöttötietoina analysoitaessa elementtimenetelmän (FEM) avulla jäännösjännityksiä. Lasketuista arvoista saadaan havainnollinen topografinen jäännösjännityskartta (ks. Kuva 2). (Hänninen ym. 2007)
Lankasahaus
Pintaprofiilin mittaus
FEM-analyysi
Jäännösjännityskartta
Kuva 2. Contour-menetelmän toimintajärjestys.
2.4.3 Röntgendiffraktio - menetelmä
Menetelmän fysikaalinen periaate
Kiteisen aineen sisäiset ja ulkoiset jännitykset muuttavat atomitasojen so. hilatasojen keskinäistä etäisyyttä jännityksettömään tilanteeseen verrattuna. Hilatasojen kohtisuora etäisyys kasvaa yksiaksiaalisen vetojännityksen vaikuttaessa tasojen normaalin suuntaisesti ja pienenee vetojännityksen ollessa tasojen suuntainen. Yksiaksiaalisen puristusjännityksen vaikuttaessa muutos on vastaavasti päinvastainen (Francois ym.
1996). Hilatasojen kohtisuora etäisyys säilyy muuttumattomana esimerkiksi tilanteessa.
missä hilatason normaali on 60° kulmassa em. jännityssuuntaan nähden ja Poissonin luku on 0,33 (vrt. yhtälö (15), kun \\i = 90°).
Mitattaessa mittauspisteen jäännösjämiitystilaa, voidaan hilatasojen etäisyyksien muutoksia käyttää venymäliuskojen kaltaisesti. Tasoetäisyyksien muutoksia mitataan vain useammasta eri orientaatiossa olevasta kiteestä. Metallihilassa ovat hilatasojen etäisyydet toisistaan kymmenesosa nanometrien suuruusluokkaa. Käytettäessä aallonpituudeltaan myös tämän suuruista röntgensäteilyä saadaan aikaiseksi röntgendiffraktioilmiö. Yhdensuuntainen monokromaattinen röntgensäteily heijastuu hilatasoparvesta muodostaen interferenssi-intensiteetti huipun samassa vaiheessa olevasta heijastuneesta säteilystä Braggrn lain mukaisesti:
2 * d *sin0 = m * Å, (11)
jossa d on hilatasojen etäisyys,
0 on röntgensäteilyn hilatason kanssa muodostama kulma, m on kokonaislukuarvo 0, 1, 2,...ja
X on röntgensäteilyn aallonpituus (Korhonen 1973).
Kuva 3 havainnollistaa röntgendiffraktiolla saatavaa mittaustietoa. Kohdassa a interferenssi-intensiteetin huippu ilmaisee tarkalleen jännityksettömästä (reference level) hilasta saatavan tulo- ja heijastuskulman 0. Kohdassa h vetojännitys on aikaansaanut hilatasojen etäisyyden kasvun, joka näkyy 0-kulman pienenemisenä so.
intensiteettihuipun siirtymisenä vasemmalle. Kohdassa c hilatasojen vääristyminen antaa useita eri hilavakioita vastaavia intensiteettihuippuja. mikä yhdessä saa aikaan intensiteettihuipun levenemisen. Intensiteettifunktion muotoon vaikuttavat myös mikrojäämiösjännitykset. Ne leventävät jakautumaa, koska niiden vaikutuksesta rakeiden eri alueet heijastuvat hieman toisistaan eroaviin 2 0 suuntiin (Lindroos ym.
1986).
Kuva 3. Interferenssi-intensiteettihuipun siirtyminen ja leveneminen.
(Salokangas 1974)
Röntgendiffraktiomittauksissa käytetyn röntgensäteilyn aallonpituus tai taajuus aiheuttaa säteilyn absorboitumisen metallissa siten, että mittaustietoja saadaan korkeintaan 20---30 pm syvyydeltä pinnasta. Pinnalla nonnaalin suuntainen jännitys on nolla, joten kyseessä on tasojännitystila. Pinnan muodonmuutostila on kolmiaksiaalinen (vrt. Contour-menetelmä), joten pinnalle voidaan kuvitella päävenymien ei, 82 ja 83 suuntaisten akselien muodostama napakoordinaatisto (ks. Kuva 4). Venymä valitussa suunnassa voidaan ilmaista seuraavan yhtälön mukaisesti (Salokangas 1974):
£„ = COS Ф * Sin У/* £\ + Sin Ф * Sin V* £2 + 5Ш V*£ (12)
jossa 8фЛ|/ on venymä suunnassa, jonka projektio 81-82 tasossa muodostaa kiertokulman (rotation angle) <p 81-akselin kanssa ja joka itse muodostaa kallistuskulman (tilt angle) vp ез-akselin eli tasopinnan normaalin kanssa.
Yleistetyn Hooken lain mukaan päävenymät voidaan lausua seuraavasti:
_ (<Ti ~^*¿7*2) _ _ (<Ti + <T2h
5:1 E ’ £: 2 E ’ £ 3 E V
jossa öi ja ö2 ovat suurin ja pienin pääjännitys tasojännitystilassa, и on Poissonin lukuja
E on kimmokerroin.
(13)
Sijoittamalla yhtälön 13 päävenymien lausekkeet yhtälöön 12 ja ottamalla huomioon, että pinnan tasossa oleva jännitys оф voidaan lausua pääjännitysten avulla seuraavasti:
<j„ = a, * cos>+CT: * sin>
(14)saadaan sijoitusten, supistusten ja termien järjestelyjen jälkeen röntgendiffraktiolla suoritettavien jännitysmittausten perusyhtälö:
ZAi/X
d
01+U .2 O ( J. (15)
jossa do on jännityksettömän hilan tasoetäisyys ja Ad jännityksen aiheuttama muutos tasojen etäisyydessä.
Yhtälöstä 15 nähdään tasojännitystilassa hilatasojen suhteellisen venymän riippuvan lineaarisesti kallistuskulman \\i sinin neliöstä. Hilatasojen suhteellinen venymä saadaan laskettua kuvan 3 a ja b mukaisilla mittausjärjestelyillä. Yhtälöistä 14 ja 15 saadaan kahdella eri mittauksella (esim. (p = 0°, vg = 0° ja cp = 0°, \\i = 45°) toisistaan riippumattomat tuntemattomat pääjännitykset C\ ja сь sekä edelleen niistä jännitys оф ratkaistua.
Kuva 4. Karteesinen koordinaatisto kappaleen pinnalla. Tasojännitystila.
Menetelmän sovellusesimerkki
Hitsaamisesta aiheutuneiden pinnassa vaikuttavien jäännösjännitysten suuruuksia ja jakautumista hitsausliitoksen läheisyydessä on tutkittu röntgendiffraktiolla suurilla ainepaksuuksilla. Ruud ym. (1985. 1993) suoritti jäännösjännitysmittauksia tällä menetelmällä kahdessa erillisessä kokeessa paksuille hitsatuille levykappaleille.
Kummassakin kokeessa perusaineena oli 2!/4CrlMo-teräs (ASTM merkintä: A387 grade 22 class 2), ja ainepaksuudet olivat 203 mm ja 330 mm. Koekappaleiden leveydet ja pituudet hitsattuina olivat vastaavasti 610 x 305 mm ja 897 x 241 mm. Hitsausliitos oli ensin mainitussa tapauksessa kapea- ja jälkimmäisessä V-railohitsi. Hitsausliitos oli tehty kappaleiden keskelle kappaleen pituiseksi.
Kappaleiden röntgendiffraktiomittaukset tehtiin mekanisoidusti useita mittauslinjoja pitkin ylä- ja alapinnoille sekä ohuemmalle kappaleelle myös poikkileikkauspinnalle.
Ennen mittauksia pinnasta poistettiin sahaamisesta ja hiomisesta muokkaantunutta kerrosta elektrolyyttisesti kiillottamalla 0,5 nimm syvyydeltä. Mittauslinjat olivat ohuemmalle kappaleelle samanlaiset ylä- ja alapinnoilla: yksi kohtisuoraan sularajaa vasten ja toinen sularajan suuntaisesti 10 mmm päässä siitä. Saman kappaleen poikkileikkauspinnoilla mittauslinjat olivat vastaavasti sularajaa vastaan kohtisuoraan ja sen suuntaisesti 2,5 mmm päässä siitä. Paksumman kappaleen mittauslinjat oli sijoitettu
vain ylä- ja alapinnoille kohtisuoraan sularajaa vasten. Kustakin mittauspisteestä laskettiin sularajaan nähden kohtisuoraan vaikuttava jäännösjännitys. Lisäksi ohuemman kappaleen poikkileikkauspinnan ja paksumman kappaleen kaikista mittauspisteistä laskettiin myös sularajan suuntainen jäännösjännitys. Ohuemmalle kappaleelle mittauslukemia otettiin yli sata kappaletta ja paksummalle kappaleelle lähes
10 000 kpl. Mittaukset kestivät useita viikkoja.
Koetuloksia analysoitaessa havaittiin ylä- ja alapinnoilla sularajaa vastaan kohtisuorassa olevien jäännösjännitysten olevan selvästi sularajan suuntaisia jännityksiä suurempia.
Paksummalla kappaleella eli V-railoon hitsatulla kappaleella sularajaa vastaan kohtisuoraan vaikuttava maksimi jännitys oli 55 % (171 MPa) myötölujuudesta, juuren puolella kuitenkin vain 20 %. Sularajan suuntainen vastaava jännitys oli 44 % (137 MPa) myötöluj uudesta. Ohuemmalla kapearailohitsatulla kappaleella sularajaa vastaan kohtisuora jännitys oli 86 % (351 MPa) myötölujuudesta. Perusaineiden myötöluj uudet ohuemmalle ja paksummalle kappaleelle olivat vastaavasti 408 MPa ja 310 MPa.
Sularajaa vastaan kohtisuoralla mittauslinjalla havaittiin hitsauksesta aiheutuneiden jäännösjännitysten putoavan perusaineessa vallitsevalle jännitystasolle noin puolen
ainepaksuuden matkalla.
Hitsausliitoksen poikkipinnalla havaittiin ohuemmalla kappaleella sularajaa vastaan kohtisuorien jäännösjännitysten olevan suunnilleen ± 70 MPa ja sularajan suuntaisten jäännösjännitysten olevan puristusjännityksiä 0----140 MPa. (Ruud ym. 1985 ja Ruud ym. 1993)
2.4.4 Putken paineen aiheuttamat jännitykset seinämässä
Jäännösjännityksien lisäksi hitsausliitoksessa on otettava huomioon myös muut siihen vaikuttavat ulkoiset kuormitukset. Näitä voivat olla esimerkiksi rakenteiden omasta painosta johtuvat jännitykset. Erityisesti on kiinnitettävä huomiota jäännösjännityskohtiin, joissa on kriittisiä so. lähellä myötörajaa olevia vetoj äänityskö htia. Koska tässä tutkimuksessa on kohteena paineistettu putkihitsausliitos, rajoitutaan seuraavassa tarkastelemaan paksuseinäisen putken tapausta ja ylipaineen vaikutusta sen seinämässä.
Putkea voidaan pitää paksuseinäisenä, kun seuraava ehto täyttyy (Hertzberg 1996):
ds d 11 d/ s
>10, (16)
jossa ds ja du ovat putken sisä- ja ulkohalkaisija.
Putken sisäisen paineen ollessa hyvin paljon ulkoista painetta suurempi voidaan sen aiheuttama kolmiaksiaalinen jännitystila putken seinämissä laskea seuraavista yhtälöistä (Miekk-oja 1973):
G X = P*
1
f , V d и
\dsj
(17)
GV = P*
'du'
\d )
+ 1fdd
\ds j
G = —n*
\ d ; -1
f , V d и
\dsj -l
(18)
(19)
joissa ox, öy ja oz ovat putken akselin (aksiaalinen), kehän (tangentiaalinen) ja säteen (radiaalinen) suuntaiset jämiitykset vastaavasti,
p on putken sisällä vaikuttava paineja
d on tarkasteltavan kehän halkaisija seinämässä.
Yhtälöitä tarkasteltaessa havaitaan putken seinämässä aksiaalisen vetojännityksen ax olevan vakio koko seinämänpaksuudella, tangentiaalisen vetojännityksen ay saavuttavan maksimin, kun d = ds eli putken sisäpinnalla ja radiaalisen puristusjännityksen oz saavuttavan maksimin, joka on itseisarvoltaan putkessa vaikuttavan paineen suuruinen, samoin putken sisäpinnalla. Lisäksi havaitaan tarkemmin tarkasteltaessa aksiaalisen vetojännityksen olevan aina tangentiaalista pienempi: putken ulkopinnalla 50 % siitä ja pienentyen edelleen siitä sisäpintaa lähestyttäessä.
2.5 Rikkomaton aineenkoetus
Ainetta rikkomaton tarkastus ja sitä seuraava arviointi on menettelytapa kappaleen rakenteellisen eheyden toteamiseksi kuitenkaan rakennetta muuttamatta. Seuraavassa on lueteltu joitakin syitä NDT ja NDE menetelmien käytön jatkuvalle kasvulle (Moles 2007):
• Viranomaisvaatimusten tiukentuminen, erityisesti teollisuudessa tapahtuneiden vaarallisten vaurioiden vuoksi.
• Uudet rakenneaineinnovaatiot, kuten komposiitit, keraamit, muovit ja metalliseokset. Näiden ominaisuuksien tietäminen on erityisen tärkeätä rakenneaineen valinnassa.
• Rakenneaineiden lujuuksien kasvu so. kevyemmillä rakenteilla sama kuormankantokyky on kustannustehokkaampaa.
• Rakenneaineen tarkoituksenmukaisuus, jota kehitystä ydinvoimateollisuus on edistänyt viime vuosikymmeninä.
• Ikääntyvien tuotantolaitosten elinkaaren piteneminen.
Kvantitatiivisista NDE-menetelmistä vallitsevia ovat: radiografiset. ultraääni-, sähkömagneettiset ja visuaaliset menetelmät. Muita ovat mm. akustinen emissio-, magneettijauhe-, tunkeumaneste- ja valikoima erikoistutkimusmenetelmiä.
Sähkömagneettiset ja ultraäänimenetelmä vallannevat tulevaisuudessa alaa radiografisilta menetelmiltä. Ohjatut aallot (Guided Waves) ja vaiheistetut ryhmäanturit tekevät tarkastustyöstä nopeamman. luotettavamman ja taloudellisemman.
Radiografi aan verrattuna myös työturvallisuus paranee. Vaiheistettujen
ryhmäantureiden teknologiavaihtoehdot kuten esimerkiksi ”volume focusing” kehittävät ultraäänimenetelmän käytettävyyttä edelleen. Rakenneaineen tarkoituksenmukaisuudessa vikakoon määritys ultraäänen diffraktiomenetelmillä on kasvavassa määrin käytössä. Samoin kehittyvät vikojen automaattiset kartoitustekniikat ultraäänen ja tietotekniikan yhteensovittamisella. Näistä esimerkkinä ovat UT korroosion valvontalaitteet (Moles 2007).
Tässä yhteydessä tarkastellaan tarkemmin kahta mock-up:n hitsausliitoksen vikojen tutkimiseen soveltuvaa menetelmää: tunkeumanestemenetelmää pintaan aukeavien säröjen ja ultraäänimenetelmää syvemmällä aineessa olevien vikojen etsintään.
2.5.1 Tunkeumanestemenetelmä
Silmämääräistä tarkastusta tarkempi kartoitus kappaleen pintavioista voidaan tehdä tunkeumanestemenetelmällä, joka parantaa vikojen näkyvyyttä ikään kuin suurentavasti.
Menetelmä perustuu kapillaari-ilmiön hyväksikäyttöön, missä pintajännitykseltään tarpeeksi alhainen tunkeumaneste imeytyy pintaan aukeaviin säröihin ja huokosiin.
Imeytynyt neste ilmaisee viat imeytymällä myöhemmin käänteisessä järjestyksessä takaisin erityiseen pinnalle levitettyyn kehitteeseen. Tarkastusmenetelmällä kyetään havaitsemaan suotuisissa olosuhteissa jopa 1 pm:n levyiset hiushalkeamat (Anon.
2004). Tunkeumanestemenetelmälle vaihtoehtoisia tarkastusmenetelmiä ovat magneetti)auhetarkastus ja pyörrevirtamenetelmä (Eddy Current EC) (Moles 2007).
Kuvan 5 mukaisen työjärjestyksen vaiheet hitsausliitoksen tunkeumanestetarkastusta silmälläpitäen sisältävät:
Esipuhdistus
Tarkastettavan pinnan huolellinen puhdistus on olennaista tarkastuksen luotettavuuden kannalta. Puhdistettava alue kattaa vähintään tarkastettavan alueen niin laajasti, ettei vierekkäisiltä alueilta tapahdu kontaminaatiota. Mekaanisilla ja kemiallisilla menetelmillä pinnasta poistetaan kuonaroiskeet, hilse, ruoste jne. Puhdistuksessa huolehditaan, ettei puhdistusmenetelmä tuki tai peitä tutkittavia vikoja. Kemiallisessa puhdistuksessa erityisesti hapot ja kromaatit (chromate) voivat selvästi vähentää
fluoresoivien tunkeumanesteiden fluoresenssia ja värillisten tunkeumanesteiden väriä.
Tarvittaessa huuhtelu suoritetaan esim. vedellä.
Kuivaukset
Tutkimuksen käsittelyjärjestykseen kuuluvat kuivaukset suoritetaan pyyhkimällä ja lisäämällä tarvittaessa haihdutusta upottamalla kappale ensin kuumaan veteen tai pitämällä sitä korotetussa lämpötilassa tai kiihdyttämällä ilmanvaihtoa. Edellä mainittuja keinoja voidaan myös yhdistellä. Tunkeumanesteen levityksen jälkeinen kuivaus ei saa kuivattaa vikoihin imeytynyttä nestettä.
Tunkeumanesteet
Tutkittavalle alueelle, joka käsittää hitsin ja esimerkiksi 10 mm vyöhykkeen sen kummallakin puolella, levitetään joko sumuttamalla tai sivelemällä tunkeumanestettä.
Nämä tunkeumanesteet voidaan jakaa värillisiin (punaväri on tavallisin) ja fluoresoiviin sekä kummatkin ominaisuudet sisältäviin kaksitoimisiin nesteisiin. Imeytymisajan (5--60 min) jälkeen ylimääräinen neste pyyhitään pinnalta pois. Pyyhkimisessä käytettävän liuottimen tai poistomenetelmän perusteella nesteet jaetaan edelleen vesi-ja liuotinpohjaisiin sekä lipo- tai hydroflilisellä emulaattorilla käsiteltäviin. Huolellinen tunkeumanesteen poisto on tarpeen, sillä klooripitoiset nesteet syövyttävät ruostumattomia teräksiä (jännityskorroosio) ja hydroksidit alumiinia.
Kehitteet
Vikaan tunkeutunutta nestettä saadaan kapillaarisesti imeytettyä takaisin päin levittämällä pinnalle vesi- tai liuotinpohjaista kehitettä. Fluoresoivien tunkeumanesteiden kanssa voidaan käyttää myös kuivakehitettä. Kehitysaika vaihtelee 10—30 min. Hiushalkeamat vaativat sekä tunkeumanesteen imeytymisessä että kehittymisessä pisimmät ajat.
Näyttämien tarkastelu
Värillisillä tunkeumanesteillä käsiteltyjä alueita tarkastellaan hyvässä valaistuksessa.
Fluoresoivilla nesteillä käsitellyt pinnat tarkastetaan mieluiten pimennetyssä tilassa ultraviolettilampun avulla.
Menetelmän käytettävyys sekä näyttämien hyväksymisrajat ia dokumentointi Tunkeumanestetarkatus on muihin rikkomattoman aineenkoetuksen menetelmiin verrattuna nopeasti opittavissa. Menetelmä sopii kenttäolosuhteissa käytettäväksi ja on taloudellinen. Rajoittavia tekijöitä ovat esimerkiksi:
• Vaarallisessa vetojännitystilassa olevan pinnan vioista vain pintaan aukeavat ovat havaittavissa.
• Puristusjännityksen alaisia säröjä on vaikeaa tai jopa mahdotonta havaita.
• Kenttäolosuhtehteissa liian alhainen lämpötila estää menetelmän käytön samoin kuin pinnan puhtaudelle ja karheudelle asetetut vaatimukset.
Kun suunnitteluja valmistus tehdään EU-standardin mukaan, niin hitsien tarkastuksessa näyttämien hyväksymisrajat ovat standardissa: SFS EN 1289 (1998). Esimerkki tarkastuspöytäkirjasta on liitteessä B. (SFS EN 571-1 1997 ja Edwards 1993)
Vesipesu Vesipesu
Vesi ia liuotin
Kuivaus
Kuivuminen Kuivuminen Vesipesu
Kehitvsaika
Kuivaus
Kuivaus Kuivaus
Näyttämien tarkastelu
Puhdistinliuottimen levitys
Vesipesu ruiskuttamalla
Kuivakehitteen levitys
Puhdistus
Pyyhkiminen puhtaaksi Esivalmistelu ia esipuhdistus
Vesipohjaisen liuoskehitteen levitys
Suojaus, jos vaaditaan
Vesipohjaisen suspensio- kehitteen levitys
Hydrofiilisen emulgaattorin levitys ji vaikutusaika
Lipofiilisen emulgaattorin levitys j vaikutusaika Vesiliukoisen tunkeu-
manesteen levitys ja tunkeuma-aika
Ylimääräisen tunkeumanesteen poiston tarkistus Jälkiemulgoitavan tun
keumanesteen levitys ja tunkeuma-aika
Liuottimena poistet
tavan tunkeumanesteen levitys ia tunkeuma-aika
Kuva 5. Tunkeumanestetarkastuksen päävaiheet (SFS EN 571-1 1997).
2.5.2 Ultraäämmenetelmä
Molesin mukaan rikkomattomassa aineenkoetuksessa ultraäämmenetelmä on yhä useammin valittu vaihtoehto. Menetelmällä voidaan tarkastaa koko kappale aineenpaksuudesta riippumatta. Vikojen havaitseminen ja vikakoon määrittelyt kehittyvät jatkuvasti. Ultraäänimenetelmään ei liity turvallisuusriskejä kuten radiografiaan. Seuraavassa on luetteloituna joitakin UT-menetelmän kehitysnäkymiä (Moles 2007):
1. Tulosaineisto tallennetaan ja käsitellään digitaalisessa muodossa, syrjäyttäen siten analogisen instrumentoinnin.
2. Kannettavat laitteistot ja vaiheistetut ryhmäanturit syrjäyttävät konventionaaliset luotaimet.
3. Menetelmä on erityisen sopiva komposiitti- ja uusien rakenneaineiden tarkastukseen (lentokoneteollisuudessa).
4. Uudet UT-teknologiat ovat tulossa kaupallisina sovellutuksina: laser-ultraääni, ultraäänidiffraktion aikaeroon perustuvat tutkimuslaitteet (Time-of-Flight Diffraction, TOFD) ja ohjatut aallot -tekniikka.
5. Tietotekniikkasovellutukset tekevät käyttöliittymästä helpomman ja tuloksista havainnollisemman.
Ultraääni fysikaalisena ilmiönä
Ääniaalto etenee väliaineessa niin kauan muuttumattomana, kun johdettu suure akustinen impedanssi (specific acoustic impedance) Z säilyy vakiona:
Z = p* c, (20)
jossa p on väliaineen tiheys ja c on äänen nopeus ko. väliaineessa.
Kun ääniaalto kohtaa väliaineessa kuten esimerkiksi metallissa epäjatkuvuuskohdan särön, sulkeuman yms. pinnan, niin sen akustinen impedanssi muuttuu. Esimerkiksi särössä on kaasua tai tyhjiö, joiden tiheys poikkeaa ympäröivän metallin tiheydestä yhtä
lailla kuin äänen nopeuskin. Impedanssin muutos aiheuttaa ääniaallon heijastumisen ja taittumisen rajapinnassa. Tyhjiössä ääniaallot eivät etene, joten särön sisällä vallitseva tyhjiö aiheuttaa koko tulevan aallon energian heijastumisen. Heijastuneen tai väliaineen läpäisseen aallon havaitsemisesta ja siinä mahdollisesti tapahtuneista muutoksista voidaan tehdä epäjatkuvuuskohdan kokoon ja sijaintiin liittyviä johtopäätöksiä.
(Krautkrämer ja Krautkrämer 1990)
Kiinteässä olomuodossa olevassa aineessa kuten metallissa ääni etenee kahdessa aaltomuodossa: pitkittäisessä ja poikittaisessa. Rikkomattomassa aineenkoetuksessa konventionaalisilla ultraäänikulmaluotaimilla käytetään pääasiallisesti hyväksi poikittaista aaltoliikettä. Tässä luotaimessa äänipulssi lähtee pitkittäisenä aaltoliikkeenä, mutta taittuu kappaleen pinnassa poikittaiseen (pienempi taitekulma) ja pitkittäiseen (suurempi taitekulma) komponenttiin Snellin lain mukaisesti. Jotta aineessa olevan akustisen impedanssin muutoksen eli epäjatkuvuuden aiheuttama kaiku olisi yksiselitteinen suunnan ja etäisyyden suhteen, on taittuneista aalloista pitkittäinen aaltomuoto poistettava. Suurentamalla luotaimesta lähtevän pitkittäisen aallon tulokulmaa tarpeeksi saadaan taittunut pitkittäisaalto kokonaisheijastettua. Jäljelle jäävän poikittaisen aallon taitekulma on esimerkiksi teräksellä tällöin 33,2°. Edelleen suurentamalla tulokulmaa saadaan taittunut poikittaisaalto lopulta kulkemaan piimän suuntaisesti. (Deutsch ja Vogt 1992)
Ääniaallon kohdatessa matriisin akustisesta impedanssista poikkeavan epäjatkuvuuskohdan tapahtuu sen kulussa muutoksia, jotka riippuvat epäjatkuvuuden koon ja aallonpituuden välisestä suhteesta. Tilanteet voidaan ryhmitellä kolmeen tapaukseen seuraavasti:
I. Epäjatkuvuuskohdan ollessa aallonpituutta paljon pienempi kulkee ääniaalto kohdan yli häiriintymättä.
II. Epäjatkuvuuskohdan ollessa kooltaan suunnilleen aallonpituuden suuruinen siroaa ääniaallon energiasta osa palloaaltoina. Teräksessä 1 MHz:n poikittaisen ääniaallon pituus on noin 3 mm ja pitkittäisen aallon noin 6 mm.
III. Epäjatkuvuuskohdan ollessa aallonpituutta suurempi tapahtuu ääniaallon heijastuminen epäjatkuvuuskohdasta ts. syntyy kaiku. Sen lisäksi
