TAHRİBATSIZ MUAYENE YÖNTEMLERİ ( ULTRASONİK MUAYENE ) Hazırlayan : Ferruh Niyazi BALYA Bölüm : Mak.Müh. Yüksek Lisans Öğr.No : 201112603002 Öğr.Üyesi : Yrd.Doç.Dr.Sare ÇELİK

GİRİŞ Günümüzde teknolojinin hızla gelişmesi bütün sektörlere yansımaktadır.Makine imalatı sektöründeki gelişmeler beraberinde kalite kontrol ve test cihazlarının da yenilenmesini getirmiştir.Geçmiş yıllarda sadece büyük şirketlerin yurtdışına ihracat yapabilecek güçte olmaları nedeniyle sınırlı olan kalite kontrol birimleri;dünyada değişen siyasal-sosyal ve ekonomik nedenlerden ötürü günümüzde orta ölçekli işletmelerin de yurt dışına ürünlerini satabilmesini sağlamıştır. AB’ye bağlı ülkelerin uygulamış oldukları sıkı “ kalite kontrol” denetiminden geçebilmek ve ürünlerini pazarlayabilmek için Türk sanayicileri de artık kalite kontrole gereken önemi vermek zorundadırlar. Türkiye’de Tahribatsız malzeme muayenesi konusunda AB’ye bağlı ülkelerin kalite kuruluşlarından yeterlilik belgesi alan sadece iki kuruluş bulunmaktadır.Bunlar Türk Standartları Enstitüsü ( TSE) ve Orta Doğu Teknik Ünivesitesi (ODTÜ) laboratuarlarıdır. Bu kuruluşlar periyodik aralıklarla eğitimler düzenleyip her muayene yönteminden ( Penetran sıvı, Gözle, Radyografi ve Ultrasonik) üç seviye olmak üzere ayrı ayrı belgelendirme yapmaktadırlar.

BİLİMSEL TEMELİ Bu yöntemde, parça yüzeyindeki ve yüzey altındaki hataları tespit etmek, parçanın kalınlığını veya hatanın uzaklığını ölçmek için parçaya yüksek frekanslı akustik enerjiye sahip dalgalar gönderilir. Yüksek frekanslı bu ses dalgaları parça içindeki ilerleme yolu üzerinde bir arayüzeye veya bir süreksizliğe çarpıncaya kadar hareket eder.

Arayüzeyler ve hatalar gelen akustik enerjinin bir kısmını geri yansıtır.Yansıtılan akustik enerji miktarı, arayüzeyin veya hatanın özelliklerinin bir fonksiyonudur. Alıcı proba ulaşan, yansıyan enerji sinyali ultrasonik muayene cihazının ekranında bir yankı belirtisi oluşturur. Çeşitli arayüzeylerden ve hatalardan yansıtılan enerji ile cihaz üzerinde elde edilen bu yankı sinyali ile, hataların mevcudiyetini ve yerini, malzemenin kalınlığını ve hatanın yüzeyden uzaklığını saptayabiliriz.

UYGULAMA Yüksek frekanslı ses dalgaları prob adı verilen bir parça içindeki piezoelektrik özellikteki kristal tarafından üretilir. Metalik malzemenin ultrasonik muayenesinde kullanılan frekans aralığı 500 kHz ile 10 MHz arasında olabilir.Muayene parçasının mikroyapı özelliklerine göre uygun frekans belirlenir.

ULTRASONİK SES DALGALARININ ÜRETİMİ Kristaller ve polarize seramik malzemeler belirli yönlerde basma yada çekme kuvvetine maruz kaldıklarında yüzeylerinde artı (+) yada eksi (-) elektriksel yüklenme oluşur.Eğer piezo elemanlar deformasyona uğratılırsa iki metalik elektrot arasında elektriksel bir gerilim farkı oluşur (doğrudan piezoelektrik etki).Tersi olarak da,elektrotlara elektriksel gerilim uygulanırsa eleman belirli yönlerde boyutlarını değiştirir.Bu olay elektrik enerjisinin tersinir olarak mekanik enerjiye çevrimini mümkün kılar ( ters piezoelektrik etki ). Ters piezoelektrik etki ultrasonik dalgaların iletilmesinde,doğrudan piezoelektrik etki ise ultrasonik dalgaların algılanmasında kullanılır.

KRİSTAL MALZEMELER Kristaller çoğunlukla polarize seramiklerden ve nadiren de doğal kristallerden üretilirler.Seramikler,doğal kristallerin aksine,sinterleme ile üretilen çok kristalli malzemelerdir.Sinterleme sonrası bir elektrik alanında soğutmak suretiyle polarizasyon (karşı elektriksel yüklerin ayrılması) sağlanır.Uygun malzemeler arasında baryum titanat (BaTiO2),kurşun zirkonat titanat (PbZT) vs. sayılabilir.

PROP ÇEŞİTLERİ 1-Normal Proplar Geliş açısı yüzeyin normali ile sıfır derece olan proplardır.Boyuna dalga üretirler. 2-Açılı Proplar Geliş açısı yüzeyin normali ile sıfır dereceden farklı olan proplardır.En çok kullanılan prop açıları 35,45,60,70 ve 80 derecedir.

Prob muayene yüzeyine temas ettirildiğinde ses dalgalarının malzeme içine nüfuz edebilmesi için uygun bir temas sıvısı (yağ, gres, su, vb.) kullanılmalıdır.Prob muayene yüzeyinde gezdirilerek (tarama) yapılarak parça geometrisinden kaynaklanan yankılar dışında yankılar olup olmadığı gözlenir, varsa bu yankıların konumları ve yükseklikleri değerlendirilerek hata çözümlemesi yapılır.

Ultrasonik muayene için en yaygın kullanılan dalga türleri boyuna (basınç) ve enine (kesme) dalgalarıdır. Normal prob denilen sıfır derece giriş açısına sahip problarla çalışılırken malzeme içerisinde ilerleyen dalgalar boyuna dalgalardır. Açılı problar ise malzeme içine genellikle 45°, 60° ve 70° giriş açısı ile (bu değerler çelik malzemeler içindir) enine dalgalar gönderilir.

Boyuna dalgalar için salınımların yönü ve dalga yayılma yönü aynıdır Boyuna dalgalar için salınımların yönü ve dalga yayılma yönü aynıdır.Boyuna dalgalar gaz, sıvı ve katı ortamlarda yayılabilir, vakumlu ortamlarda yayılamazlar. Enine dalgalarda salınım ve yayılma yönleri birbirine diktir.Enine dalgalar birbirine esnek bağlarla bağlanmış atom veya moleküllerin olduğu katı ortamlarda ilerleyebilirler. Ancak aradaki bağların çok zayıf olduğu sıvı ve gazlarda ilerleyemezler.

KAYNAKLI PARÇALAR Kaynaklı parçalar taranırken kaynak bölgesi ve kaynağın her iki tarafından 10’ar mm’lik bölge tarama bölgesi olarak seçilir.Ancak 40 mm’den kalın parçalarda 10 mm’lik bu kısım 20 mm’ye çıkartılır. Kaynaklı parçalarda açılı prop kullanılmasının nedeni kaynak yüzeyinin pürüzlü olmasından kaynaklanmaktadır

YANKILARIN YORUMLANMASI ÇIKIŞ PİKİ Yandaki şekilde cihaz ilk açıldığı zaman görülen ses dalgalarının çıkış pikini görebiliriz. Cihaz ekranı sağ tarafa doğru 10’a bölünmüştür. Bu 10 değerine standart bloğun değerini birim olarak ayarlayabiliriz

DÖNÜŞ PİKİ Örneğin 10 cm. lik bir standart test bloğuna probu dokundurduğumuzu düşünürsek dünüş pikini 10 birim üzerinde yakalamamız gerekmektedir yandaki şekil). Eğer dönüş pikini 1 in üzerinde yakalarsak cihaz 100 cm ye ayarlıdır. Böyle bir durumda range ile sağa sola ok tuşlarını kullanarak dönüş pikini 10 üzerine çekmemiz gerekir. 10 cm lik bir parçada 1 üzerinde dönüş pikini görürsek ekranda 10 adet dönüş piki görürüz. Dönüş piki daima çıkış pikinden biraz küçük görülmektedir. Eğer pikleri tam göremiyorsak gain tuşu ile desibeli arttırarak piklerin ekranda tam olarak görünmesi sağlanır. Dönüş pikini 10 cm lik bir parça için 10 birime çektikten sonra parça üzerinde probu gezdiririz.

HATA PİKİ Eğer malzemede hata varsa gidiş ve dönüş pikleri arasında bir pik daha görürüz. Bu pik hata pikidir. Bu pik ile malzemede çatlak olduğu anlaşılır. Bu çatlak ses sinyallerine tam paralel ise ekranda görülmez ve hata yokmuş gibi görülür. Hata pikinden sonra dönüş pikinide görüyorsak çatlak enine veya küçük delik şeklindedir.

Eğer hata pikinden sonra dönüş pikini göremezsek malzeme içerisinde büyük bir delik veya döküm boşluğu var demektir. Böyle durumlarda dönüş pikini göremeyiz. Ayrıca malzemenin arka yüzeyi yuvarlak ise dönüş pikini göremeyiz

ÖRNEK Örneğin malzeme arka taraftan yatay bir vaziyette 2 cm kesilmiş ise dönüş pikini 8 cm. den alırız ve malzemenin kalınlığının 8 cm. olduğunu görürüz. Bu yöntemle malzeme kalınlığını da görebiliriz.

AÇILI PROPLA KONTROL Açılı probları kaynak çatlaklarının kontrolünde kullanırız. Kaynak ağzının açılış açısına göre açılı prob seçilr. En çok 45° lik problar kullanılır. Eğer kaynakta sorun yoksa arka cidar yankısı görülmez. Probu yavaş yavaş ileri geri hareket ettiririz. Eğer sorunlu bölgeye gelirsek boşluk oluşacaktır ve arka cidar yankısını göreceğiz. Bu durumda çatlak olduğu kanaatine varırız.

KAYNAKTA ÇATLAK VARSA Açılı prob ile kaynak kontrolünde dikkat edilecek husus probu ileri ve geri yönlerde yavaş yavaş hareket ettirmektir. Hata tayininin iyi tespiti için malzemenin kalınlığının da bilinip ekranın buna göre ayarlanmasıdır. Örneğin malzeme kalınlığı 2 cm. ise ekrandaki 10 birimin 2 cm. ye ayarlanması gerekir. Bunun için de standart 2 cm. lik blokla ayar yapılması gerekir.

AÇILI PROPLA HATAYA RASTLANMASI Ses dalgaları hatanın kök kısmından güçlü yankı verir. Prop ileriye doğru tarandıkça ses dalgaları hatanın yüzeyine doğru gider ve yankılar zayıflar.

AÇILI PROPLA HATAYA RASTLANMASI Ses dalgaları hatanın sonuna doğru yaklaştıkça alınan sinyaller zayıflar.

Ses Dalgaları Hatayı Sıyırırsa Ses dalgaları hatanın ucundan sıyırarak karşı yüzeye çarptığı için cihaz hatayı vermez.

GENEL TERİMLER Salınım Yer Değiştirme Genlik (A) Periyot (T) Frekans (f) Faz Dalga Olayı Dalga Boyu (λ) Dalga Hızı (c)

SALINIM Düzenli bir zaman aralığı içinde kendini tekrarlayan periyodik bir olaydır.

YER DEĞİŞTİRME Zaman içinde, titreşmekte olan bir parçanın denge konumundan herhangi bir noktaya yaptığı yer değişimidir.

GENLİK (A) Bir salınımda titreşen parçacığın denge konumuna göre alt ve üste doğru her iki yönde ulaştığı en büyük yer değişimidir.

PERİYOT (T) Bir tam salınım devrinin tamamlanması için geçen düzenli zaman aralığıdır.

FREKANS (f) Saniyedeki salınım sayısıdır. f = 1 / T

FAZ Salınımın herhangi bir andaki yer değiştirme konumudur.

DALGA OLAYI Dalgaların yayılmasında kütle değil enerji aktarımı olur.Malzeme içerisinde kullanılan ses dalgaları elastik dalgalardır.Ses dalgaları boşlukta ilerleyemez.

DALGA BOYU (λ) Aynı salınım durumuna sahip ardışık iki nokta arasındaki uzaklıktır.

DALGA HIZI (C) Dalga cephesinin ilerlemekte olduğu hızdır. λ=c/f

KRİSTAL BOYUTLARI Ultrasonik titreşimlerin frekansı piezo elementin kristal kalınlığına bağlıdır. d=c/2f d: Kristal malzemenin kalınlığı c: Kristal malzemesinde ses hızı f : Frekans Normal proplar için yaygın olarak kullanılan çaplar : 24 ve 20 mm Minyatür proplar için yaygın olarak kullanılan çaplar : 10 mm’dir.

AKUSTİK EMPEDANS Empedans (w) bir ortamın, ses dalgasının yayılmasına gösterdiği direncin ölçüsüdür.Empedans, yoğunluk (ρ) ve dalga hızı (c) nın çarpımı olarak hesaplanır.Bu nedenle de akustik empedans bir malzeme sabitidir. W=ρ*c Akustik empedans gaz,sıvı ve katı sırasına göre artar. Değişik karakteristik empedansa sahip iki ortam arasındaki bir ara yüzeye, ses dalgaları dik olarak geldiğinde bir kısmı geri yansıtılır, bir kısmı da ikinci ortama geçer.

SES ALANININ HESAPLANMASI Aşağıdaki denklemleri kullanarak propların ses alanları hesaplanabilir. N=D²/4λ N: Ses alanı (mm) Sinά=0,5λ/D D: Prop çapı (mm) λ=c/f λ: Dalga boyu (mm) c: Ses hızı (m/s) f: Frekans (MHz)   Formüllerden de anlaşıldığı gibi ses alanı ile frekans birbirleriyle doğru orantılıdır.Düşük frekanslı probun ses alanı daha küçüktür.Ses alanının küçük olması çözünürlüğün iyi olmasını sağlar.Bu yüzden kalın parçalarda tarama yaparken önce düşük frekanslı propla hatalar belirlenir,yüksek frekanslı propla da hatanın boyutları belirlenir.

SES MESAFESİ FORMÜLLERİ S=k x T S : Ses mesafesi (mm) SB=k x 10 k : Skala faktörü (mm/SKT) T : Yankı konumu (SKT) SJ : Kalibrasyon mesafesi (mm)

HATA ÜÇGENİ a = s*SinθR b = s*CosθR 0<b<d ise t=b d<b<2d ise t=2d-b 2d<b<3d ise t=b-2d

TAM SEKME SES MESAFESİ Sp/2 = d / CosθR Sp : Tam sekme ses mesafesi Sp/2 : Yarım sekme ses mesafesi Sp = 2d / CosθR

ULTRASONİK MUAYENENİN AVANTAJLARI Çok küçük çatlakların tespitine dahi imkan veren çok yüksek hassasiyet. Çok büyük kalınlıkların muayenesine dahi imkan veren büyük nüfuziyet gücü Hatanın yerini ve boyutlarını tahmin etmedeki hassasiyeti

ULTRASONİK MUAYENENİN SINIRLAMALARI Parçanın boyut ve şeklinin karmaşık oluşu ve süreksizliğin uygun yönde olmayışı, alınan sinyallerin değerlendirilmesinde güçlük çıkarır. İstenmeyen içyapı (örneğin, tane büyüklüğü, boşluk, metalsel olmayan kalıntı içeriği) değerlendirmeyi benzer şekilde zorlaştırır. Referans standartlar gereklidir.

Kullanılan EN ve ISO Standardları GENEL EN 583-1 – Tahribatsız muayene-Ultrasonik muayene: Genel kurallar EN 583-2 – Tahribatsız muayene-Ultrasonik muayene: Hassasiyet ve aralık ayarı EN 583-3 – Tahribatsız muayene-Ultrasonik muayene: Geçirim tekniği EN 583-4 – Tahribatsız muayene-Ultrasonik muayene: Yüzeye dik kusurlar için muayene EN 583-5 – Tahribatsız muayene-Ultrasonik muayene: Kusurların karakterizasyonu ve boyutlandırılması EN 583-1 – Tahribatsız muayene-Ultrasonik muayene: Kusurların tespiti ve boyutlandırılması için için uçuş-zamanı kırınım tekniği (TOFD) EN 12668-1 - Tahribatsız muayene – Ultrasonik muayene teçhizatının karakterizasyonu ve doğrulanması - Bölüm 1: Cihazlar EN 12668-2 - Tahribatsız muayene – Ultrasonik muayene teçhizatının karakterizasyonu ve doğrulanması - Bölüm 2: Problar EN 12668-3 - Tahribatsız muayene – Ultrasonik muayene teçhizatının karakterizasyonu ve doğrulanması - Bölüm 3: Birleşik teçhizat EN 12223 - Tahribatsız muayene – Ultrasonik muayene–Kalibrasyon bloğu No.1 için şartname EN 27963 - Çelik kaynakları-Kaynakların ultrasonik muayenesi için kalibrasyon bloğu No.2

KAYNAKLI BİRLEŞTİRMELER EN 1712 – Kaynakların tahribatsız muayenesi-Kaynaklı birleştirmelerin ultrasonik muayenesi-Kabul seviyeleri EN 1713 – Kaynakların tahribatsız muayenesi-Ultrasonik muayene-Kaynaklardaki belirtilerin karakterizasyonu EN 1712 – Kaynakların tahribatsız muayenesi-Kaynaklı birleştirmelerin ultrasonik muayenesi

DÖKÜMLER EN 12680-1 – Döküm-Ultrasonik muayene-Bölüm 1: Genel amaçlı çelik dökümler EN 12680-2 – Döküm-Ultrasonik muayene-Bölüm 2: Yüksek gerilmelere maruz kalacak çelik döküm bileşenler EN 12680-3 – Döküm-Ultrasonik muayene-Bölüm 3: Küresel grafitli demir dökümler

ÇELİK DÖVMELER EN 10228-3 – Çelik dövmelerin tahribatsız muayenesi-Bölüm 3: Ferritik veya martensitik çelik dövmelerin ultrasonik muayenesi EN 10228-4 – Çelik dövmelerin tahribatsız muayenesi-Bölüm 4: Östenitik ve östenitik-ferritik paslanmaz çelik dövmelerin ultrasonik muayenesi

ÇELİK BORULAR EN 10246-9 – Toz altı kaynağı yapılmış çelik borularda boyuna ve/veya enine kusurların tespiti için otomatik ultrasonik muayene

ÇELİK ÇUBUKLAR EN 10308 - Tahribatsız muayene-Çelik çubukların ultrasonik muayenesi