Infrapunatermografia vaiheistetun ultraäänitarkastuksen apuna lasikuitulujitetun muovin NDT-tarkastuksessa

Transkriptio

1 Henry Lähteenmäki Infrapunatermografia vaiheistetun ultraäänitarkastuksen apuna lasikuitulujitetun muovin NDT-tarkastuksessa Kandidaatintyö Espoo, 2. joulukuuta 2011 Vastuuopettaja: Ohjaajat: TkT Markus Turunen TkL Matti Ruha ja DI Juha-Matti Hirvonen

2 AALTO-YLIOPISTO TEKNIIKAN KORKEAKOULUT PL 11000, AALTO TEKNIIKAN KANDIDAATINTYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Henry Lähteenmäki Työn nimi: Infrapunatermografia vaiheistetun ultraäänitarkastuksen apuna lasikuitulujitetun muovin NDT-tarkastuksessa Korkeakoulu: Sähkötekniikan korkeakoulu Tutkinto-ohjelma:Elektroniikka ja sähkötekniikka Pääaine: Sähköfysiikka Pääaineen koodi: S Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen Ohjaajat: TkL Matti Ruha ja DI Juha-Matti Hirvonen Tässä kandidaatintyössä sovelletaan infrapunatermografiaa ja vaiheistettua ultraääntä lasikuitulujitettujen muoviputkien NDT-tarkastukseen: koekappaleet olivat E-lasista valmistettua lasikuitutyyppiä ja niiden matriisi oli vinyyliesteri. Työn teoriaosassa esitetään lasikuitulujitetun muovin rakenne ja komposiittirakenteille käytetyt NDT-menetelmät. NDT-menetelmistä tarkemmin syvennytään infrapunatermografiaan ja vaiheistettuun ultraääneen. Kokeellinen työ tehtiin Inspecta Oy:llä. Tavoitteena oli selvittää kuinka hyvin infrapunatermografiassa lasikuitulujitetun muovin viat voidaan paikantaa ja millä tarkkuudella paikannetuista vioista voidaan määrittää vikatyyppi vaiheistetussa ultraäänitarkastuksessa. Tutkimustyössä selvisi, että infrapunatermografia sopii hyvin erilaisten vikatyyppien paikantamiseen. Ohenema ja halkeamat saatiin esille kaikista koekappaleista seinämänpaksuusalueelta mm. Voimakas iskuvaurio havaittiin koekappaleista seinämänpaksuusalueelta mm. Vaiheistettuun ultraäänitarkastukseen sopivin luotain oli taajuudeltaan 1,5 MHz. Vaiheistetussa ultraäänitarkastuksessa havaittiin seinämänpaksuus, ohenema ja iskuvauriot, kun koekappaleen seinämänpaksuus oli mm. Halkeamia ei voitu varmasti havaita. Päivämäärä: 2. joulukuuta 2011 Sivumäärä: Kieli: suomi Avainsanat: GRP, IRT, PAUT, NDT, komposiittirakenne

3 iii Esipuhe Tämä kandidaatintyö tehtiin Inspecta Oy:llä vuonna Työn tarkoituksena oli tutkia infrapunatermografian ja vaiheistetun ultraäänitarkastuksen soveltuvuutta lasikuitulujitetun muovin vikatyyppien havaitsemiseen. Tavoitteena oli löytää parhaimmat tarkastusparametrit, joilla kyetään löytämään mahdollisimman monia eri vikatyyppejä. Työssä selvitettiin myös muiden NDT-menetelmien soveltuvuutta komposiittirakenteiden tarkastukseen. Kandidaatintyö ei olisi valmistunut ilman Inspectan tukea tutkimusprojektin haasteissa. Haluan kiittää työni ohjaajia TkL Matti Ruhaa ja DI Juha-Matti Hirvosta aktiivisesta ja innostavasta ohjauksesta. Työn suorituksen Inspectalle mahdollisti esimieheni DI Jyri Järven myötävaikutus. Lausun hänelle parhaat kiitokseni. Haluan kiittää myös Ari Kaarnalehtoa, Hemmo Lahtista, Erkki Sallista ja Petri Reimania, jotka tarjosivat asiantuntevaa apuaan työn NDT-tarkastuksissa. Sulmu Oy:tä kiitän koekappaleiden toimittamisesta. Erityiskiitokseni kuuluvat perheelleni jatkuvasta luottamuksesta, tuesta ja rohkaisusta. Espoo, Henry Lähteenmäki

4 iv Sisältö Tiivistelmä ii Esipuhe iii Sisällysluettelo iv Symbolit ja lyhenteet vi 1 Johdanto 1 2 Lasikuitulujitettu muovi Koostumus Vikatyypit ja niiden havaitseminen Komposiittirakenteiden NDT-menetelmät Akustiset menetelmät Säteilyyn perustuvat menetelmät Optiset menetelmät Muita menetelmiä Vaiheistettu ultraääni Vaiheistetun ultraäänen fysikaaliset perusteet Vaiheistettu ultraäänitarkastus Termografia Infrapunatermografian fysikaaliset perusteet Infrapunatermografia Tarkastuskohteen lämmitystekniikat Tutkimusaineisto ja -menetelmät 17 7 Tulokset 20 8 Johtopäätökset 22

5 Viitteet 25 v

6 vi Symbolit ja lyhenteet Symbolit c E(λ) h I I(λ) k k B L p 0 p(x, t) R t T v x Z α β ε λ ρ σ ω Valonnopeus Spektrinen irradianssi Planckin vakio Intensiteetti Spektrinen emittanssi Aaltoluku Boltzmannin vakio Läpäisykerroin Äänenpaine Äänenpaineen aaltofunktio Heijastuskerroin Aika Lämpötila Äänennopeus Paikka Aaltoimpedanssi Tulokulma Taittumiskulma Emissiivisyys Aallonpituus Tiheys Stefan-Boltzmannin vakio Kulmataajuus Termit Anisotrooppinen Delaminaatio Emissiivisyys Komposiittirakenne aine jolla on erilaiset fysikaaliset ominaisuudet eri suunnissa laminaatin kerrosten irtoaminen kappaleen pinnan kyky emittoida energiaa suhteessa mustaan kappaleeseen kahden tai useamman materiaalin yhdistelmä, jossa materiaalit toimivat yhdessä, mutta eivät ole liuenneet tai sulautuneet toisiinsa

7 vii Konvektio Laminaatti Lämpövuo Matriisi Spektrinen emittanssi Spektrinen irradianssi Termografia lämmön kulkeutumista lämpöenergian aiheuttamien virtausten mukana kuitulujitettu tuote, joka sisältää kaksi tai useampia lujitekerroksia infrapunasäteilyn teho pinta-alaa kohden materiaaliyhdistelmän kokonaisuudeksi sitova ainesosa sähkömagneettisen säteilyn lähtevä intensiteetti aallonpituuden funktiona sähkömagneettisen säteilyn tuleva intensiteetti aallonpituuden funktiona lämpötilajakautuman kuvaus Lyhenteet AE AU ET GRP IRT MT NDT PA PAUT PSK PT RT SFS UT VT Acustic Emission (suom. akustinen emissio) Acusto-Ultrasonic (suom. akusto-ultraääni) Eddy Current Testing (suom. pyörrevirtatarkastus) Glass fiber Reinforced Plastic (suom. lasikuitulujitettu muovi, LM) Infrared Thermography (suom. infrapunatermografia) Magnetic Particle Testing (suom. magneettijauhetarkastus) Nondestructive Testing (suom. ainetta rikkomaton tarkastus) Phased Array (suom. vaiheistettu ultraääni) Phased Array Ultrasonic Testing (suom. vaiheistettu ultraäänitarkastus) Prosessiteollisuuden standardisoimiskeskus Penetrant Testing (suom. tunkeumanestetarkastus) Radiographic Testing (suom. radiografinen tarkastus) Suomen Standardisoimisliitto Ultrasonic Testing (suom. ultraäänitarkastus) Visual Testing (suom. silmämääräinen tarkastus)

8 1 1 Johdanto Ainetta rikkomattomilla tarkastusmenetelmillä (eng. Nondestructive Testing, NDT) tutkitaan ja etsitään erityisesti materiaalien sisäisiä vikoja. Materiaalien rakenteesta voidaan saada paljon tietoa niitä vahingoittamatta. NDT-menetelmiä käytetään perinteisesti metallien laadunvarmennuksessa, mutta niiden potentiaali ulottuu myös muihin materiaaleihin. Kiinnostus NDT-menetelmiä kohtaan on kasvanut uusien materiaalien kehityksen takia. Komposiittirakenteiden käyttö on yleistynyt aloilla, joissa vaaditaan keveyttä ja suurta lujuutta. Komposiittirakenteiden etuja ovat muun muassa pitkä elinikä, hyvä väsymis- ja korroosion kestävyys sekä kemiallinen kestävyys. Ilmailu- ja aseteollisuus on ollut jo kauan kiinnostunut NDT-menetelmien käytöstä komposiittirakenteille. Komposiittirakenteita käytetään myös esimerkiksi prosessi- ja energiatalouden sekä kemikaali- ja öljyteollisuuden aloilla [3]. Suomessa tapahtui lasikuitulujitetun muoviputkiston hajoaminen prosessiteollisuudessa aiheuttaen tuhansien tonnien paperimassavuodon tehtaan lattialle. Tämä käynnisti vuonna 2005 NDT-menetelmien tutkimusprojektin Tampereen teknillisessä yliopistossa. Lujitemuoviputkiston kunnonvalvonta-projektin tavoitteena oli tutkia eri NDT-menetelmien sopivuutta teollisuuden lasikuitulujitetuille muoviputkistoille. Tutkimuksen tuloksia on käytetty hyödyksi Prosessiteollisuuden standardisoimiskeskuksen PSK-standardien laadinnassa [10]. Komposiittirakenteita voidaan tarkastaa monilla eri NDT-menetelmillä, mutta tiettyyn tarkastussovellukseen sopivan NDT-menetelmän valinta voi olla hankalaa. Tämän kandidaatintyön tavoite oli tutkia infrapunatermografian (eng. Infrared Thermography, IRT) ja vaiheistetun ultraäänitarkastuksen (eng. Phased Array Ultrasonic Testing, PAUT) soveltuvuutta eri vikatyyppien löytämiseen lasikuitulujitetusta muovista (eng. Glass fiber Reinforced Plastic, GRP) sekä esittää optimaaliset tarkastusparametrit molemmille menetelmille. Kandidaatintyön teoriaosassa esitellään ensiksi GRP:n rakennetta, vikatyyppejä ja niiden havaitsemista. Toiseksi käsitellään komposiittirakenteiden tarkastamiseen käytettyjä NDT-menetelmiä. Kolmanneksi tutustutaan infrapunatermografian ja vaiheistetun ultraäänen käytön fysikaalisiin perusteisiin sekä käsitellään niiden käyttöä NDT-menetelminä. Kokeellisessa osassa esitellään ensin tutkimuksessa käytetyt laitteet ja koekappaleet. Sitten perehdytään GRP:n tarkastukseen IRT:lla ja PAUT:lla sekä pyritään optimoimaan tarkastusparametrit. Tuloksista selviää GRP:sta löydetyt vikatyypit ja optimaaliset tarkastusparametrit. Työn lopuksi annetaan selontekona johtopäätökset.

9 2 2 Lasikuitulujitettu muovi 2.1 Koostumus Komposiittirakenne on kahden tai useamman materiaalin yhdistelmä. Yhdistelmän muodostavat lujitekuidut ja matriisi eli sidosaine sekä mahdollinen täyteaine. Lujitekuidut parantavat komposiittirakenteen mekaanisia ominaisuuksia. Käytetyimmät lujitekuidut ovat lasikuitu, hiilikuitu ja aramidikuitu. Matriisi sitoo rakenteen yhtenäiseksi. Matriisimateriaaleina käytetään metallia, polymeerisiä materiaaleja, kuten polyesterihartsia tai epoksihartsia, keraamisia materiaaleja tai hiiltä. Lopullinen komposiittirakenne koostuu lujitekuitu- ja matriisikerroksista eli laminaateista. Komposiittirakenteiden tyypillisiä etuja ovat suuri kestävyys, keveys, korroosion kestävyys, hyvä kemiallinen kestävyys ja pitkä elinikä. Toisaalta komposiittirakenteen laatua voi olla vaikea tarkastaa ja matriisin lujuus saattaa olla huono [19]. Lasikuitu on käytetyin lujite komposiittirakenteissa. 95 % lujitteista on lasikuitua. Lasikuitua käytetään erityisesti sovelluksissa, jotka vaativat samanaikaisesti lujuutta, jäykkyyttä ja keveyttä. Teollisuus käyttää lähinnä E-lasista (eng. Electrical glass) valmistettua lasikuitutyyppiä. E-lasi sisältää vähän alkaleja, joten sen kemiallinen kestävyys on hyvä. Lisäksi sen mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet ovat hyvät. Muita käytetyimpiä lasikuitutyyppejä ovat korroosionkestävä C-lasi (eng. Chemically resistant glass) ja lentoteollisuuden käyttämä, korkea lujuuksinen S-lasi (eng. high Strenght glass) [22]. Jokainen lasikuitutyyppi eroaa ominaisuuksiltaan. Eroavaisuus johtuu muun muassa muutoksista kemiallisessa koostumuksessa, kuitujen halkaisijassa, kuitujen mitoituksessa ja kuitujen lukumäärässä [19]. Lasikuitulujitetun muovin (eng. Glass fiber Reinforced Plastic, GRP) valmistuksessa yksittäiset millimetrin tuhannesosien paksuiset kuidut jalostetaan kierteettömiksi kuitukimpuiksi tai kierretyiksi langoiksi. GRP voidaan ajatella makroskooppisessa skaalassa isotrooppiseksi jos se on lujitettu satunnaisesti suunnatuilla, lyhyillä kuiduilla. Suunnatut kuidut saavat aina aikaan anisotrooppisen rakenteen, mutta tarkasteltaessa rakennetta poikittaistasossa sen ominaisuudet ovat riippumattomia tarkastelusuunnasta [22]. Tämä lujitekuidun tasoisotrooppinen rakenne on tärkeää etenkin ultraäänitarkastuksen sovelluksissa, koska silloin ultraääniaallot etenevät virheettömässä GRP:ssa ilman heijastuksia rakenteen etu- ja takaseinän välillä. Anisotropia aiheuttaisi ultraäänen heijastumisen jokaisesta epähomogeenisesta kohdasta, jolloin olisi vaikea päätellä johtuuko heijastus rakenteen anisotropiasta vai sisäisestä viasta. Lujitteen ja matriisin seossuhteet ja niiden järjestäytyminen määrittelevät GRP:n

10 3 ominaisuudet. Rakenteeseen yritetään saada mahdollisimman paljon lasikuitulujitetta, koska se on seossuhteista tärkein. Käytännössä yhdensuuntaiskuidulla lujitetussa rakenteessa kuitulujitteen tilavuusprosentti on 70 % tai vähemmän. Rakenteeseen aina jäävä huokoisuus vaikuttaa suuresti lopullisen tuotteen ominaisuuksiin. Huonoimmilla valmistusmenetelmillä huokoisuus voi olla jopa 15 %. Parhaimmillaan huokoisuus voi olla vain prosentin murto-osia [22]. Huokoisuus vaikuttaa suuresti laminaattien väliseen leikkauskestävyyteen, ja siksi huokoisuuden määrää on tärkeä tutkia. Juddin ja Wrightin [20] mukaan leikkauskestävyys laskee lineaarisesti 7 % jokaista 1 prosenttiyksikön vikapitoisuutta kohden aina 4 prosenttiyksikön vikapitoisuuteen asti. Tulos osoittaa, että huokoisuuden tulisi olla niin pieni kuin mahdollista. GRP on painoonsa nähden luja ja kestävä, mutta myös hauras. Hauraiden materiaalien myötölujuus on lähellä murtolujuutta eli ne muuttavat muotoaan heikosti ennen murtumista ja niiden iskunkestävyys on heikko. Sitkeysominaisuuksilla ja kuidun jäykkyydellä on suurin vaikutus GRP:n iskunkestävyyteen. Iskun voimasta matriisimuoviin saattaa syntyä sisäistä säröilyä ja kerrosten delaminaatiota. Silmällä nähtävä pienikin iskuvaurio voi pudottaa laminaatin puristuslujuuden alle puoleen alkuperäisestä [22]. 2.2 Vikatyypit ja niiden havaitseminen Komposiittirakenteet voivat sisältää monia vikatyyppejä ja niiden havaitsemiseen voidaan käyttää monia NDT-menetelmiä. IRT ja PAUT ovat todettu olevan lupaavia NDT-menetelmiä komposiittirakenteiden tarkastamiseen (ks. luku 3). Tämän vuoksi tässä luvussa keskitytään GRP:n laadunvarmennukseen ja tavallisiin vikatyyppeihin sekä niiden havaitsemiseen IRT:lla ja PAUT:lla. Nykyisin Suomessa lujitemuovien valmistaja huolehtii, että valmis tuote tarkastetaan silmämääräisesti Suomen Standardisoimisliiton standardin SFS 3910 mukaan. Pienet tuotteet tulee tarkastaa kokonaan. Isot tuotteet tarkastetaan ainakin kriittisistä kohdista, liitoksista ja kiinnityksistä. SFS 3910 antaa hyväksymistasot silmämääräisesti havaittaville vikatyypeille. Silmämääräisessä tarkastuksessa pystytään havaitsemaan hyvin rajallinen määrä vikatyyppejä [7]. Muita NDT-menetelmiä ei vaadita käytettäväksi valmiille tuotteelle, mutta niiden käyttö toisi uusia mahdollisuuksia eri vikatyyppien havaitsemiseen. Lujitemuovien valmistajat ovat kiinnostuneet NDT-menetelmien käytöstä valmiiden tuotteiden laadunvarmennuksessa. NDT-menetelmät ovat käteviä myös valmiiden lujitekuituasennuksien tarkastuksessa. NDT-menetelmien käyttö laadunvarmennuksessa parantaa henkilöturvallisuut-

11 4 ta ja voi estää taloudellisten vahinkojen syntymisen. Vaiheistettu ultraäänitarkastus (eng. Phased Array Ultrasonic Testing, PAUT) voidaan suorittaa vasta, kun laitteistolle on asetettu mittausparametrit käyttämällä kalibrointiin tarkoitettua vertailukappaletta. GRP on suuresti ultraääntä vaimentava materiaali, jolloin tarkastuksessa tulee käyttää kyllin pienitaajuista vaiheistettua ultraääniluotainta. Paras tarkastusdata saadaan taajuuden ollessa 1 4 MHz. PAUT:ssa löytyvä pienin vika on kooltaan noin puolet käytetystä aallonpituudesta. Laminaattirakenteen PAUT:n vähimmäistavoitteet ovat seinämänpaksuuden ja sen muutoksen toteaminen sekä delaminaation havaitseminen [9]. Laminaattirakenteesta voidaan kuitenkin myös havaita huokoisuus, onkalot, halkeamat sekä epätasaisesti jakautunut hartsi [22]. Kuvan 2.1 mukaisesti huokoisuuden lisääntyessä ultraäänen vaimennus kasvaa. Kuva 2.1: Ultraäänen vaimennuksen riippuvuus huokoisuuden tilavuusprosentista [22]. Infrapunatermografiassa (eng. Infrared Thermography, IRT) käytettävän lämpökameran lämpöerotuskyky pitää olla vähintään 0,1 C ja sen paikkaerotuskyvyn minimivaatimus on pikseliä. Tarkastuksessa pitää huomioida, että kohteen lämpötilan täytyy poiketa vähintään ±10 C ympäristöstään. IRT toistettavuuden kannalta kohde pitää lämpökuvata aina samasta kohdasta, samalta etäisyydeltä ja samasta kulmasta. Kuvausetäisyys vaikuttaa kuvan laatuun. Jokainen lämpökameran pikseli voi havaita eri lämpötilan, joten läheltä kuvatessa voidaan löytää pieniä vikoja. Lämpökameran asetuksista tarkennus ja emissiokerroin täytyy säätää en-

12 5 nen tarkastusta. Lujitemuovituotteita kuvatessa lämpökameran emissiokertoimeksi asetetaan yleensä 0,95. Lämpökamerakuvasta kylmempinä pyöreinä muotoina näkyvät delaminaatio, tunkeuma ja säröt. Lämpökamerakuvasta lämpimimpinä alueina havaitaan onkalot, seinämän paksuuden oheneminen, kemiallinen korroosio ja kiintoaineen tai virtauksen aiheuttama eroosio [10]. Vaikka IRT:ssa voidaan havaita monia vikatyyppejä, niin silti vikatyyppien tunnistus saattaa olla hankalaa [22]. 3 Komposiittirakenteiden NDT-menetelmät Komposiittirakenteiden valmistuksen ja käytönaikainen tarkastus on haasteellista NDT-menetelmille, jotka ovat perinteisesti suunnattu metalleille. Perinteiset NDTmenetelmät voivat olla jopa harhaanjohtavia ilman sovelluskohteen vaativaa muutosta käytettäessä anisotrooppisille ja epähomogeenisille komposiittirakenteille. Komposiittirakenteiden käyttö kriittisissä rakennekomponenteissa on tullut yleiseksi erityisesti kevytrakenteissa. Luotettava NDT-tarkastus on siis tullut entistä tärkeämmäksi. Komposiittirakenteissa esiintyy monia erilaisia vikatyyppejä. Vikojen havainnointi ja arviointi on hankalaa vika vaihtelevuuden ja usein myös näkymättömyyden takia. Komposiittirakenteiden mekaaniset viat johtuvat tyypillisesti delaminaatiosta, iskuvauriosta, väsymisvaurion aiheuttamasta mikrohalkeilusta, kuitudelaminaatiosta, kuidun katkeamisesta tai rakenteen yleisestä mekaanisten ominaisuuksien heikkenemisestä. Lisäksi viat voivat aiheutua pitkäaikaisesta altistumisesta hartsin kovettumislämpötilan yläpuolisille lämpötiloille ja esimerkiksi suuren paineen tai nopean virtauksen aiheuttamista äärimmäisistä operointiolosuhteista. Taulukossa 3.1 on lueteltu yksityiskohtaisesti komposiittirakenteiden vikatyypit kahdessa itsenäisessä sarakkeessa. Taulukko 3.1: Komposiittirakenteiden vikatyypit [11] Delaminaatio Huokoisuus Rakenteen vieraat materiaalit Hartsin väärä kovettumisaste Väärä hartsipitoisuus Vahingoittuneet kuidut Onkalot Halkeamat Matriisiaineen säröt Puuttuva kiinnitys Väärin suuntautuneet kuidut Aaltomaiset kuidut Iskuvaurio Lämpövaurio Ainepaksuuden muutokset Rajapintojen kestävyys Materiaalin ominaisuuksien muutokset Liimaviat

13 6 Komposiittirakenteiden tyypilliset viat ovat hyvin tiedossa, mutta vikojen vaikutuksia, vikamekanismeja sekä materiaalin väsymis- ja vioittumismekanismeja ei ymmärretä täysin. NDT-tarkastuksesta saadun tiedon soveltaminen materiaalin tai rakenteen mekaaniseen arviointiin ei ole myöskään hyvin tiedossa. Yhdelläkään nykyisellä NDT-menetelmällä ei voida havaita kaikkia vikatyyppejä [11]. Komposiittirakenteiden suuren kirjon ja niiden vikojen moninaisuuden takia tarkastukseen tarvitaan monia NDT-menetelmiä. Kuvassa 3.1 on esitetty komposiittirakenteen vioista huokoisuus, iskuvaurion aiheuttama delaminaatio ja aaltomainen kuitu. (a) Huokoisuus. (b) Iskuvaurion aiheuttama delaminaatio. (c) Aaltomainen kuitu. Kuva 3.1: Komposiittirakenteiden vikoja [15]. Yhdysvalloissa Federal Aviation Administration (FAA) on vertaillut komposiittirakenteille sopivia NDT-menetelmiä eri tutkimuksissa. Yhdessä tutkimuksessa valmistettiin NDT-menetelmien testaamiseen käytettäviä vertailukappaleita, joille suoritettiin sokkotestit monilla eri NDT-menetelmillä. Tutkimuksen mukaan infrapunatermografia oli paras menetelmä vian koon määritykseen. Esimerkiksi hiilikuitulujitteisen rakenteen halkaisijaltaan 6 mm viat havaittiin noin 50 prosentin todennäköisyydellä ja halkaisijaltaan 13 mm viat havaittiin noin 80 prosentin todennäköisyydellä. Kaikilla tutkimuksessa käytetyillä NDT-menetelmillä vian havaitsemistodennäköisyys pieneni komposiittirakenteen paksuuntuessa [21]. Luvuissa (ks. s. 7 9) esitellään eri NDT-menetelmiä komposiittirakenteiden tarkastamiseen. NDT-menetelmät ovat jaoteltu akustisiin, säteilyyn perustuviin, optisiin ja muihin menetelmiin. Akustisiin menetelmiin kuuluvat ultraäänitarkastus, resonanssimenetelmä, akusto-ultraääni ja akustinen emissio. Säteilyyn perustuviin menetelmiin kuuluvat radiografinen tarkastus, mikroaaltotarkastus ja termografia. Optisia menetelmiä ovat holografia ja shearografia. Muihin menetelmiin luokitellaan silmämääräinen tarkastus, äänitarkastus ja pyörrevirtatarkastus sekä muita vähemmän käytettyjä kehittyneitä NDT-menetelmiä.

14 7 3.1 Akustiset menetelmät Ultraäänitarkastuksessa (engl. Ultrasonic Testing, UT) luotaimella lähetetään ultraääntä tarkastettavaan rakenteeseen. Luotain vastaanottaa äänenpaineen heijastuksia ja diffraktiokaikuja kappaleen epäjatkuvuuskohdista, mistä voidaan päätellä rakenteen viat. Heijastuneiden ääniaaltojen amplitudi nähdään tarkastuksessa käytettävän laitteen näytöllä ajan funktiona. Ultraääneen perustuvat tarkastusmenetelmät ovat ainoita perinteisiä NDT-menetelmiä, joilla kyetään suoraan havaitsemaan mekaanisia muutoksia [11]. Tämän perusteella UT:ta voidaan käyttää komposiittirakenteen mekaanisen kunnon ja kestävyyden arviointiin. UT:ssa voidaan havaita ja paikantaa delaminaatio, seinämänpaksuuden ohenema, iskuvauriot, kuidun väsymisvauriot, huokoisuus, onkalot, halkeamat sekä epätasaisesti jakautunut hartsi [22, 9]. Vaikka UT:ssa voidaan havaita mekaaniset epäjatkuvuuskohdat, niin se ei anna tietoa rakenteen mekaanisesta tilasta. Resonanssimenetelmässä rakenteeseen lähetetään jatkuvaa ultraääntä, jonka taajuutta muutetaan. Komposiittirakenteilla on tietty resonanssi-, eli ominaisvärähtelytaajuus. Menetelmää voi käyttää vain jos tiedossa on ehjän rakenteen resonanssitaajuus. Viallisen komposiittirakenteen resonanssitaajuus poikkeaa ehjän rakenteen taajuudesta. Menetelmä vaatii tilastollista tietoa tarkan vikatyypin selvittämiseen. Resonanssimenetelmä soveltuu onkaloiden, liimavikojen ja delaminaation paikallistamiseen [22]. Akusto-ultraääni (engl. Acusto-Ultrasonic, AU) on tarkastusmenetelmä, jossa käytetään ultraääniluotainta lähettämään äänenpainepulssi tarkastettavaan komposiittirakenteeseen. Komposiittirakenteessa etenevään pulssiin vaikuttavat eniten pulssin kulkua haittaavat epäjatkuvuudet. AU-menetelmällä voidaan havaita matriisin halkeilu, huokoisuus ja kuidun katkeamat. Menetelmällä tehtyjä tarkastuksia haittaa toistettavuuden puute, mutta sitä on käytetty erityisesti komposiittirakenteiden matriisiaineiden hajoamisen arviointiin [19]. Akustisessa emissiossa (engl. Acoustic Emission, AE) tarkastettavaa komposiittirakennetta kuormitetaan, jolloin esimerkiksi matriisin säröilyt lähettävät korkeataajuisia ääni- ja paineaaltoja. Nämä emissioaallot havaitaan sensoreilla. Matriisin säröilyn lisäksi emissioaaltoja lähettävät lujitekuitujen ja matriisiaineen välisien sidosten pettämiskohdat ja lujitekuitujen katkeamiskohdat. AE on osoittautunut menestyksekkääksi NDT-menetelmäksi kuitulujitteisten muovirakenteiden tarkastuksessa [24].

15 8 3.2 Säteilyyn perustuvat menetelmät Radiografinen tarkastus (engl. Radiographic Testing, RT) perustuu röntgen-, gammatai neutronisäteilyn erilaiseen absorptioon erilaisissa materiaaleissa. Siinä säteilyn intensiteetti nauhoitetaan filmillä, varjostimella tai muulla säteilymonitorilla. Laminaattien tarkastuksessa käytetään matalaenergisiä röntgensäteitä, koska lujitekuidut ja matriisiaineet ovat hyvin säteilyä läpäiseviä. Reaaliaikaisessa radiografisessa tarkastuksessa saadaan näkyviin komposiittirakenteen geometriset ominaisuudet. RT soveltuu havaitsemaan käytön aikana syntyneistä epäjatkuvuuksista seinämänpaksuuden oheneman ja eri korroosiomuodot. Valmistusvirheistä voidaan havaita sauman paksuus, suoja- ja tukikerroksen paksuus, juuri- ja sulkukerrosvirheet, kaasuontelot ja irronneet laminaattikerrokset sekä liimaviat [8]. Gamma- ja neutronisäteilyä käytetään huomattavasti vähemmän. Neutronisäteilyn läpäisymittauksella saadaan tietoa lasikuitulujitetun laminaatin lasikuitupitoisuudesta [19]. Mikroaaltotarkastuksessa voidaan havaita matalan johtavuuden komposiittirakenteissa, kuten lasi- ja aramidirakenteissa tapahtuvia dielektristen ominaisuuksien muutoksia. Mikroaaltotarkastus sopii erityisesti matriisin huokoisuuden ja kovettumisen tutkimiseen. Mikroaaltotarkastusta ei sovelleta vielä kovinkaan laajasti, mutta menetelmän kehittyessä sitä voidaan käyttää tulevaisuudessa laajemmin komposiittirakenteiden laadunvarmennuksessa [19]. Termografiassa materiaalia lämmitetään ja seurataan lämpöjakauman muutoksia materiaalissa. Epähomogeenisissa kohdissa lämpöjakauma poikkeaa homogeenisten kohtien tasaisesti jakautuneesta lämmöstä. Rakenteeseen voidaan myös kohdistaa syklinen kuormitus. Tässä menetelmässä mahdollisiin laminaatin sisäisiin vikakohtiin syntyy jännityshuippuja, jotka lämpenevät muuta rakennetta enemmän. Komposiittirakenteen lämpöjakaumaa voidaan mitata lämpötilan mukaan väriä vaihtavalla nesteellä, mutta kätevämmin lämpötilajakaumaa voidaan seurata lämpökameralla. Lämpökameralla mitataan materiaalin lähettämästä infrapunasäteilystä lämpövuota. Tällöin tarkastusta kutsutaan infrapunatermografiaksi (IRT). IRT:lla voidaan havaita muun muassa delaminaatio, huokoisuus ja halkeamat [18, 10]. 3.3 Optiset menetelmät Holografiaa käytetään komposiittirakenteiden pintojen ja sisäisten vikojen tarkastukseen. Holografiassa komposiittirakenteeseen kohdistetaan kaksi lasersädettä, joista toinen heijastetaan tutkittavan näytteen pinnan kautta holografiafilmille ja toinen suoraan holografiafilmille. Lasersäteiden amplitudit ja vaiheet tallentuvat filmille. Kaksi holografiakuvaa tehdään kahdella eri valotuksella, rakennetta jänni-

16 9 tettäessä ja ilman jännitystä. Lopuksi kuvat yhdistetään ja kuvien vertailussa viat näkyvät rakennetta päällystävinä interferenssijuovina [24]. Shearografia kehitettiin venymämittauksiin, mutta siitä on tullut myös hyödyllinen NDT-menetelmä. Shearografia on laserin käyttöön perustuva interferometrinen menetelmä, missä havaitaan tarkastettavan pinnan muodonmuutoksia. Jännitettävää pintaa valaistaan laserilla, jolloin hyvinkin pieni jännitys aiheuttaa rakenteen muodonmuutoksen ja viat paljastuvat paikallisina jännityspisteinä. Shearografialla pystytään havaitsemaan suuresta tarkastuspinta-alasta nopeasti delaminaatio ja liimavikoja [24]. 3.4 Muita menetelmiä Silmämääräinen tarkastus (engl. Visual Testing, VT) on käytetyin NDT-menetelmä komposiittirakenteiden tarkastuksessa. VT:ssa voidaan käyttää apuna muun muassa erilaisia valolähteitä, peilejä ja suurennuslaseja [24]. Läpinäkymättömästä aineesta VT paljastaa vain pintaan avautuvat viat, kuten lohkeamat ja iskuvauriot. Läpinäkyvästä laminaatista voidaan havaita vieraat materiaalit, hartsin levinneisyys materiaalissa, kuivat lujitteet, halkeamat, delaminaatio ja ilmakuplat [7]. Äänitarkastus on laajasti käytetty komposiittirakenteiden suurpiirteinen tarkastusmenetelmä. Äänitarkastuksessa komposiittirakenteen pintaa koputetaan kevyesti kolikolla, vasaralla tai muulla sopivalla esineellä. Akustista vastaavuutta verrataan vertailukappaleeseen. Vertailukappaleesta, jossa ei ole delaminaatiota saadaan kirkas ja terävä ääni. Delaminaatiokohdissa koputusääni on matala ja soinniton [24]. Äänitarkastuksella havaitaan lähellä pintaa olevat viat, ja se sopii enintään 10-kerroksisen komposiittirakenteen tarkastamiseen [21]. Pyörrevirtatarkastus (engl. Eddy Current Testing, ET) perustuu induktioon. Pyörrevirta-anturin kelat synnyttävät liikutettaessa muuttuvan magneettikentän, joka indusoi materiaaliin pyörrevirtoja. Induktio tapahtuu vain muuttuvan magneettikentän ja johtavan materiaalin välillä. Useat hartsimatriisimateriaalit ovat huonoja johteita, mutta hiilikuidulla voi olla hyvä johtavuus. Kuitujen välillä on kuitenkin oltava elektroninen kontakti, jotta pyörrevirtoja syntyy komposiittirakenteeseen. Komposiittirakenteen viat saadaan esille, kun epäjatkuvuuskohdissa pyörrevirrat käyttäytyvät toisin kuin homogeenisessa materiaalissa. ET:ta voidaan käyttää havaitsemaan kuitujen suuntautuvuutta ja katkeilua. Hiilikuitukomposiittirakenteilla ET on hyödyllinen menetelmä havaitsemaan isku- ja väsymisvaurioita [19]. Vähemmän käytettyjä kehittyneitä menetelmiä ovat muun muassa laser-ultraääni, akustografia, äänikuvaus, radiografinen tomografia, tärytermografia, D-sight ja

17 10 reaaliaikainen termografia. Kehitteillä on sisäänrakennettuja, etäkäyttöisiä ja käytön aikaisia sensoreita, mitkä myötävaikuttavat tulevaisuudessa komposiittirakenteiden NDT-tarkastuksiin [11]. Tunkeumanestetarkastusta (engl. Penetrant Testing, PT) ja magneettijauhetarkastusta (engl. Magnetic Particle Testing, MT) ei käytetä komposiittirakenteille. Tunkeumanestetarkastuksessa käytettävät kemikaalit voivat vahingoittaa komposiittirakennetta sisäisesti ja ne voivat haitata mahdollisia tulevia korjaustoimenpiteitä [22]. Magneettijauhetarkastuksessa materiaali pitää voida magnetoida ulkoisella magneetilla ja siten se soveltuu vain ferromagneettisille materiaaleille. 4 Vaiheistettu ultraääni 4.1 Vaiheistetun ultraäänen fysikaaliset perusteet Vaiheistetun ultraäänen (engl. Phased Array, PA) toimintaperiaate perustuu interferenssiin. Interferenssin teorian ja käytännön lähtökohtana ja perusilmiönä on Thomas Youngin kaksoisrakokoe valon interferenssistä vuodelta Varjostimen tietyissä kohdissa valo näkyi kirkkaampana, kun taas toisissa kohdissa oli tummia alueita. Tummissa kohdissa oli tapahtunut destruktiivinen interferenssi ja valoisissa kohdissa konstruktiivinen interferenssi. Interferenssi on perustavaa laatua oleva ilmiö niin meren aalloille, valoaalloille, ääniaalloille kuin hiukkasillekin. Kuvassa 4.1 on esitetty kaksoisrakokoe valolle. Kuva 4.1: Valon interferenssi kaksoisrakokokeessa. Kirkkaissa kohdissa interferenssi on konstruktiivinen ja valon intensiteetti on maksimissa. Tummissa kohdissa interferenssi on destruktiivinen ja valon intensiteetti on minimissä [25, s. 1343].

18 11 PA on mekaanista aaltoliikettä, jonka taajuus on suurempi kuin 20 khz. PA voi esiintyä eri aaltomuotoina. Neste- ja kaasumaisissa aineissa PA esiintyy vain pitkittäisaaltona. Kiinteissä aineissa PA esiintyy poikittais-, pitkittäis-, pinta-, Rayleigh-, tanko- ja levyaaltoliikkeenä [16]. Yhdessä dimensiossa etenevää aaltoa kuvataan akustisella aaltoyhtälöllä Yhtälön (4.1) ratkaisu on paineen aaltofunktio 2 p(x, t) x 2 = 1 v 2 2 p(x, t) t 2. (4.1) p(x, t) = p 0 sin(ωt kx). (4.2) PA tuotetaan pietsosähköisillä elementeillä. Yhdessä PA-luotaimessa on yleensä elementtiä. Eri elementtien aktivointiin käytetään tietokoneella tehtyä viivästyslakia. Viivästyslaki sisältää tiedon yksittäisten aaltofunktioiden viivästymisestä ja amplitudista. Yhtälöstä (4.2) nähdään, että muuttamalla aikaa t aaltofunktioon saadaan vaihe-ero. Eri vaiheissa olevat aaltofunktioiden määräämät aallot voidaan kuvata yhtenä aaltorintamana superpositioperiaatteen mukaisesti. Superpositioperiaatteen mukaan kahden tai useamman lineaarisen aallon kohdatessa kokonaisaalto saadaan laskemalla aallot yhteen. Lopulliseen aaltorintamaan saadaan haluttuihin kohtiin konstruktiivinen ja destruktiivinen interferenssi. Konstruktiivisesta interferenssistä johtuva aaltorintama sisältää suurimman osan lähetetystä äänenpaineesta. PA-menetelmällä äänenpainetta voidaan ohjata, keilata, pyyhkäistä ja kohdistaa [12]. Aaltofunktioiden määräämä aaltorintama etenee materiaalissa Huygensin periaatteen mukaisesti, eli jokainen etenevän aaltorintaman piste toimii uuden aallon lähteenä. Huygensin periaatteen perusteella voidaan johtaa Snellin laki, joka kuvaa aaltorintaman heijastumista ja taittumista sin(α) sin(β) = v 1 v 2. (4.3) PA:n kulkiessa materiaalissa se vaimenee eksponentiaalisesti ja saapuessa kahden eri materiaalin rajapintaan tapahtuu aaltomuodon muuttumista, heijastumista ja taittumista. Materiaalin akustiset ominaisuudet vaikuttavat ultraäänen kulkuun materiaalissa. PA:n pitkittäis- ja poikittaisaalloilla on eri nopeudet samassa materiaalissa. PA:n äänennopeus ja materiaalin tiheys määrittelevät akustisen impedanssin Z = vρ. (4.4)

19 12 PA:n kohdatessa kahden materiaalin rajapinnan osa äänenpaineesta heijastuu ja osa läpäisee rajapinnan. Akustinen impedanssi määrittelee kohtisuoralle kohtaamiselle sekä heijastuskertoimen että läpäisykertoimen [1, s. 83] R = Z 2 Z 1 Z 2 + Z 1 (4.5) L = 2Z 2 Z 2 + Z 1 (4.6) Kaavasta (4.5) nähdään, että kun Z 1 :n ja Z 2 :n arvot ovat lähellä toisiaan niin heijastuskerroin on pieni. Toisaalta, kun ne poikkeavat suuresti toisistaan niin heijastuskerroin on suuri. Esimerkiksi lasikuitulujitetulla muovilla on suuri aaltoimpedanssi, kun taas sen sisällä olevassa ilmatäytteisessä delaminaatiokohdassa aaltoimpedanssi on mitätön. PA heijastuu siis melkein kokonaan takaisin lasikuitu ilma-rajapinnasta. 4.2 Vaiheistettu ultraäänitarkastus Vaiheistettua ultraäänitekniikkaa alettiin käyttää lääketieteellisissä tutkimuksissa, josta se siirtyi teollisuuteen 1980-luvun alussa. Pietsokomposiittimateriaalien tutkimus ja kehitys mahdollisti monimutkaisten PA-luotaimien valmistuksen luvun alussa vaiheistettu ultraäänitarkastus (engl. Phased Array Ultrasonic Testing, PAUT) hyväksyttiin uudeksi NDT-menetelmäksi. Tuolloin suurin osa tarkastuksista suoritettiin ydinvoimaloissa. Huima kehitys pietsokomposiittiteknologiassa, mikroelektroniikassa ja tietotekniikassa mahdollistivat PAUT:n kehittämisen nykyiselle tasolleen 1990-luvun loppuun mennessä [12]. PAUT-laitteiston tärkeimmät osat ovat luotain, kiila ja PAUT-laite. Luotain luo, lähettää ja vastaanottaa ultraäänen. Kiilaa käyttämällä luotaimen asentoa voidaan muuttaa tarkastettavaan pintaan nähden, jolloin äänenpaine ohjautuu materiaaliin taittuen ja mahdollisesti aaltomuotoa muuttaen kaavan (4.3) (ks. s. 11) mukaan. Kiiloja käytetään pitkittäis- ja poikittaisaallon sekä lineaarikeilauksen sovelluksissa. PAUT-laite käsittelee ja visualisoi luotaimesta saatavan datan. Luotaimen komposiittirakenne on tehty upottamalla pietsosähköisiä elementtejä epoksimatriisiin. Tyypillisesti luotaimen elementit ovat sijoitettu rengas-, lineaari-, matriisi- ja lohkorengasmallisiksi [13]. Kuvassa 4.2 (ks. s. 13) on PA-luotaimia ja niiden yleisimmät elementtimallit eri sovelluksiin.

20 13 (a) PA-luotaimia [5]. (b) PA-luotaimien yleisimmät elementtimallit [2]. Kuva 4.2: PA-luotaimia ja erilaisiin sovelluksiin tarkoitettuja yleisiä elementtimalleja. PAUT perustuu mekaanisen aaltoliikkeen etenemiseen ja interferenssiin tutkittavassa materiaalissa. Tarkastettavan kappaleen epäjatkuvuuskohdissa ääniaallot käyttäytyvät toisin kuin homogeenisessa kohdassa aiheuttaen heijastus- ja diffraktiokaikuja. Kaikujen amplitudista ja kulkuajasta voidaan päätellä onko kyseessä vika vai kappaleen geometrian aiheuttama kaiku. PAUT:ssa käytettävät tärkeimmät aaltomuodot ovat pitkittäis- ja poikittaisaaltomuodot; taajuus on tavallisemmin 0,5 20 MHz. Kuva 4.3 havainnollistaa konstruktiivisen interferenssin aiheuttamia pitkittäis- ja poikittaisaaltorintamia. Kuva 4.3: Fotoelastinen visualisointi PA:n aaltorintamalle lasissa. Aaltorintama on luotu käyttämällä 7,5 MHz:n lineaariluotaimen kahtatoista elementtiä 2 mm välein. 40 taittunutta pitkittäisaaltorintamaa seuraa 24 poikittaisaaltorintama [14]. PAUT on nopea, joustava ja mekaanisesti luotettava. PAUT:n data voidaan tallentaa ja käsitellä jälkikäteen, jolloin uutta tarkastusdataa on helppo verrata aikaisem-

21 14 paan. Näin ollen tarkastuksesta saadaan sekä toistettavampi että luotettavampi. PAUT onkin laajasti käytetty teollisuuden materiaalitarkastuksissa ja laadunvarmennuksessa. 5 Termografia 5.1 Infrapunatermografian fysikaaliset perusteet Lämpösäteilyllä ymmärretään tavallisesti sitä jatkuvan spektrin sähkömagneettista säteilyä, jota jokainen absoluuttisen nollapisteen yläpuolella oleva kiinteä kappale lähettää ympäristöönsä ja samalla myös imee ympäristöstään. Tällainen kappale havaitaan siitä, että kappaleen ja sen ympäristön lämpötilat tasoittuvat. Spektrin lämpösäteilevintä osaa kutsutaan infrapunasäteilyksi, sen aallonpituus on välillä 750 nm 1 mm [18]. Lämpösäteilyn tutkimuksella on ollut suuri merkitys fysiikan kehitykselle. Luonnollista oli tutkia aluksi täysin mustan kappaleen emissiota, siis sellaisen kappaleen, joka imee kaiken siihen saapuvan säteilyn. Tätä emissiota koskien saavutettiin jo klassisen fysiikan kaudella kaksi lainalaisuutta. Ensiksi säteilyn kokonaisintensiteetti (puoliavaruuteen) huomattiin verrannolliseksi lämpötilan neljänteen potenssiin. Tämän Stefan-Boltzmannin lain I = σt 4 (5.1) löysi Stefan ja perusteli teoreettisesti Boltzmann 1800-luvun lopulla. Kaavassa (5.1) edellytetään, että ympäristön lämpötila on 0 K. Jos se on T niin on kaavan (5.1) oikea puoli kirjoitettava muotoon σ(t 4 T 4 ). Toiseksi onnistui Wien vuonna 1893 osoittamaan, että säteilyn jakautuminen eri aallonpituuksille noudattaa sääntöä λ m T = 2, mk, (5.2) jonka mukaan suurin säteilyteho osuu aallonpituudelle λ m, joka on kääntäen verrannollinen lämpötilaan T. Tätä sanotaan Wienin siirtymälaiksi [25]. Osittaistuloksista (5.1) ja (5.2) huolimatta mustan kappaleen säteilyn kokonaisjakaumaa ei onnistuttu johtamaan klassisen fysiikan pohjalta, vaan yritykset veivät jyrkkään ristiriitaan havaintotulosten kanssa ja vieläpä ultraviolettikatastrofina tunnettuun äärettömän suureen kokonaisintensiteettiin. Tämän pulman ratkaisi Planck vuonna 1900 oletuksella kvanteittain tapahtuvasta emissiosta päätyen sätei-

22 15 lylakiin [25, s. 1476]. I(λ) = 2πhc 2. (5.3) λ 5 (e hc λk B T 1) Säteilyn jakautumista kokonaisuudessaan hallitsevana lakina kaava (5.3) sisältää myös osittaistulokset (5.1) ja (5.2) (ks. s. 14). Kuvassa 5.1 nähdään säteilyn häviäminen "pienillä"aallonpituuksilla ja maksimaalisen spektrisen emittanssin siirtyminen Wienin siirtymälain (5.2) tapaan pienemmille aallonpituuksille lämpötilan kasvaessa. Kuva 5.1: Plankin säteilylain mukainen spektrinen emittanssi muuttamalla lämpötila-arvoilla lähellä huonelämpötilaa. Säteily on kokonaan infrapuna-alueella. Luonnolliset kappaleet eivät ole täysin mustia, mutta mustan kappaleen teoreettiset ja kokeelliset tulokset pätevät niillekin kun kaavat (5.1), (5.2) (ks. s. 14) ja (5.3) kerrotaan kunkin kappaleen (aineen) emissiivisyydellä ε. Näin ollen mustalle kappaleelle ε=1 ja kaikille luonnossa esiintyville kappaleille 0<ε<1. NDT-sovelluksissa tarkastettavan kohteen lämpötila on yleensä alle 500 C, jolloin sen emittoima säteily on kokonaan infrapunasäteilyn alueelle [6]. Ilmakehän vaikutus voidaan jättää huomioimatta useimmissa NDT-sovelluksissa. Tällöin infrapunakameran vastaanottama spektrinen irradianssi lausutaan emissiivisyyden ε, pinnan spektrisen irradianssin E sur (λ) ja lähiympäristön spektrisen irradianssin E env (λ) avulla E cam = εe sur (λ) + (1 ε)e env (λ). (5.4) Lämpökamera mittaa vastaanotetusta spektrisestä irradianssista kappaleen lähettämää säteilyvuota. Infrapunaspektrin alueella säteilyvuota kutsutaan lämpövuoksi [18].

23 Infrapunatermografia Infrapunatermografia (IRT) on NDT-menetelmä, jossa havainnoidaan infrapunasäteilyä lämpökameralla (ks. luku 3.2). IRT:n potentiaali kontaktittomana NDT-menetelmänä on tunnettu pitkään, mutta vasta viime vuosikymmeninä IRT:sta on tullut tärkeä NDT-menetelmä. Aluksi IRT:n mahdollisuuksia alettiin käyttää komposiittirakenteille ilmailu- ja aseteollisuudessa, missä tarvitaan sekä kevyitä että kestäviä rakenteita. Sen jälkeen IRT on noussut tärkeäksi NDT-menetelmäksi myös prosessi-, energia-, kemikaali- ja öljyteollisuuden sekä elektroniikkateollisuuden ja autoteollisuuden keskuudessa [3]. Infrapunatermografiassa käytettävän lämpökameran tärkeimmät osat ovat objektiivi, detektori, prosessointilaitteisto, ohjauslaitteisto, näyttö ja muisti. Objektiivin linssistö voidaan valmistaa esimerkiksi sinkkiseleenistä, germaniumista tai piistä. Objektiivien polttovälit riippuvat käyttökohteesta ja detektorin koosta. Objektiivia käytetään infrapunasäteilyn kohdistamiseksi detektoriin, jossa se muunnetaan mitattavaan muotoon. Detektori voidaan valmistaa platinasilikaatista, elohopea-kadmium-telluurista tai indium-antimonista [17]. 5.3 Tarkastuskohteen lämmitystekniikat Infrapunatermografiaa käytettäessä tarkastettavasta kohteesta saadaan visuaalinen havainto lämpökameran näytölle vain jos kohteen lämpötila tai emissiivisyys poikkeaa ympäristöstä. Jos lämpötilaeroa ei alunperin esiinny, voidaan käyttää erilaisia lämmitystekniikoita. Lämmittäminen luo lämmönjohtavuuden vaihtelun tarkastettavan kohteen homogeenisten ja epähomogeenisten alueiden välille. Epäjatkuvuudet tulevat esille lämpökameran kuvasta, koska niiden lämmönjohtavuus eroaa homogeenisten alueiden lämmönjohtavuudesta. Teollisuuden IRT-sovelluksissa on lämmönjohtavuuden lisäksi huomioitava emissiivisyys, heijastukset, lämmitys- ja ilmanvaihtojärjestelmät, sääolosuhteet sekä käytettävän tarkastuslaitteiston ominaisuudet [3]. Tarkastuskohteen lämmitystekniikoita ovat säteilyttäminen, mekaaninen stimulointi sekä kemiallinen ja sähköinen lämmitys. Säteilyttäminen voidaan tehdä monella tavoin käyttäen sähkömagneettista säteilyä, ja säteilyttämistekniikat ovatkin lämmitystekniikoista yleisimpiä. Usein käytetään mikroaaltoja, infrapunasäteilyä ja näkyvää valoa. Säteilyttäminen ei vaadi kontaktia tarkastuskohteeseen ja sen toteuttaminen on sekä nopeaa että yksinkertaista. Yksinkertaisimmillaan säteilyttäminen voidaan suorittaa käyttäen esimerkiksi halogeenilamppua tai xenon-salamaa.

24 17 Mekaanisessa stimuloinnissa lämmitys saadaan aikaan käyttäen ultraääntä, jaksollista jännittämistä, konvektiota tai suorassa kontaktissa kylmän tai kuuman lähdettä. Homogeenisessa komposiittirakenteessa mekaaninen stimulointi aiheuttaa vain hyvin pienen lämpötilan nousun, mutta säröt ja puuttuva kiinnitys kerrosten välillä voivat aiheuttaa komposiittirakenteen pintalämpötilan nousun. Kemiallisessa lämmityksessä käytetään kiinnitysainetta, jossa tapahtuu lämpöä vapauttava reaktio. Sähköinen lämmitys on käytännössä resistiivistä lämmitystä, jossa johteen läpi kulkeva virta saa aikaan materiaalin lämpenemisen. Lämmitystekniikan valinnassa on kiinnitettävä huomiota sen soveltuvuuteen kulloiseenkin tarkastustyöhön [23]. Kuvassa 5.2 GRP-putki on täytetty kuumalla vedellä, jolloin sen pintalämpötila saatiin yli +40 C. Delaminaatio näkyy kuvan yläosassa kylmempänä muotona. Kuva 5.2: GRP-putken delaminaatio näkyy rajatun alueen sisäpuolella kylmempänä muotona [17]. 6 Tutkimusaineisto ja -menetelmät Tämän työn lähtökohta on etsiä lasikuitulujitetussa muovissa (GRP) esiintyviä vikatyyppejä eri NDT-menetelmillä, koska GRP on komposiittirakenteista yleisin. NDTmenetelmiksi valittiin infrapunatermografia (IRT) ja vaiheistettu ultraäänitarkastus (PAUT). IRT mahdollistaa suurien alueiden nopean tarkastuksen, joten sillä on tarkoitus havaita ja rajata viat pienelle alueelle. PAUT:ssa on tarkoitus tutkia IRT:ssa löydettyjen ja rajattujen vikojen tyyppiä. Tässä luvussa esitellään työssä

25 18 käytetyt koekappaleet, laitteet ja mittausjärjestelyt. Tutkimuksen koekappaleina käytettiin prosessiteollisuudesta poistettuja GRP-putkia. Putket olivat E-lasista valmistettua lasikuitutyyppiä, ja niiden matriisi oli vinyyliesteri. Putkien seinämänpaksuudet vaihtelivat mm. Kuvassa 6.1a on esitetty koekappaleet U_GRP_1 5. Kuvasta 6.1b nähdään kuinka putkien U_GRP_1 3 sisäseinämät ovat täynnä irtonaista lasikuitua sisäseinämän kulumisen takia. Putkiin tehtiin vioiksi seinämänpaksuuden ohenemaa, iskuvaurioita sekä poikittais- ja pitkittäishalkeamia. Tehtyjen vikojen paikat merkattiin sylinterikoordinaatistoon. (a) Putket 1 5 edestäpäin katsottuna. (b) Putket 1 3 päältäpäin katsottuna. Kuva 6.1: Koekappaleet. Tutkimustyön IRT suoritettiin kuvan 6.2 mukaisella FLIR:n valmistamalla FLIR T425 -lämpökameralla. Taulukossa 6.1 (ks. s. 19) on lueteltu IRT-menetelmässä käytetyn lämpökameran tärkeimpiä ominaisuuksia. Kuva 6.2: FLIR T42 5-lämpökamera.

26 19 Taulukko 6.1: FLIR T425 -lämpökameran ominaisuudet [4] Valmistaja FLIR SYSTEMS Malli T425 Mittausalue [ C] Ilmaisimen koko [px] Lämpöherkkyys [ C] 0,05 Digitaalikamera [Mpx] 3,1 Tutkimustyön PAUT suoritettiin kuvan 6.3 mukaisella Olympuksen valmistamalla vaiheistetulla OmniScan MX -ultraäänilaitteella. Kuvassa 6.3 on myös yhtenä PAluotaimena käytetty Zetecin valmistama 2,25 MHz:n lineaariluotain 2.25-L-12X12- A1-P-2.5-OM. Tutkimustyössä käytettiin toisena luotaimena Zetecin valmistamaa 1,5 MHz:n matriisiluotainta 1.5-M-5X3-E Kolmantena luotaimena käytettiin 4 MHz:n luotainta. Tarkastustekniikkana käytettiin pulssikaikumenetelmää, jossa mitataan PA:n takaisinheijastumista yhdistetyllä lähetin-vastaanotinluotaimella. Vaiheistettu ultraäänikeila lähetettiin materiaaliin koekappaleen normaalin nähden astevälillä Taulukossa 6.2 (ks. s. 20) on lueteltu OmniScan MX -laitteen tekniset tiedot. Kuva 6.3: Vaiheistettu OmniScan MX -ultraäänilaite.

27 20 Taulukko 6.2: OmniScan MX -laitteen tekniset tiedot [12] Valmistaja Olympus Integroitu motorisointi Ei Datan tallennus < 256 MB Ultraäänikanavat 16/128 Resoluutio 10 bittiä A/D-muunnin 100 MHz Akselit 2 semiautomaattista Paino < 4 kg Kannettava Kyllä Virtalähde < 15 V akku tai verkkojännite IRT:n koejärjestelyssä koekappaleet 1 5 suljettiin toisesta päästä ja lämmitettiin joko lämpimällä vedellä tai lämpöilmapuhaltimella. Kohteet kuvattiin lämpökameralla noin 1 metrin etäisyydeltä 10 sekunnin välein lämmittämishetkestä vikojen esiintuloon asti. Lämpökamerakuvien jälkikäsittelyyn käytettiin FLIR QuickReporteria. Vertailevan tutkimuksen vuoksi lämpötiloihin ja niiden eroihin ei tarvinnut kiinnittää erityistä huomiota. PAUT tehtiin normaali- ja kulmaluotauksena. Normaaliluotauksessa PA-luotain on 0 :n kulmassa ja kulmaluotauksessa 45 :een kulmassa tarkastettavaan pintaan nähden. PA-luotaimen taajuuksina käytettiin 1,5 MHz, 2,25 MHz ja 4 MHz. Kytkentäaineena oli vettä tai ultraäänigeeliä. PAUT tehtiin sekä tyhjille että vesitäytteisille koekappaleille. OmniScanin kalibrointia ei voitu tehdä koekappaleiden avulla, koska PA vaimeni niissä voimakkaasti. Tämän vuoksi koekappaleista ei saatu kahta peräkkäistä takaseinäheijastusta näkyviin eikä PA:n tarkkaa nopeutta koekappaleissa voitu selvittää. OmniScan kalibroitiin erityyppiseen GRP-tuotteeseen, jolloin PA:n nopeudelle koekappaleissa saatiin likiarvo. 7 Tulokset Tässä luvussa esitellään infrapunatermografian (IRT) ja vaiheistetun ultraäänitarkastuksen (PAUT) tulokset sekä optimaaliset tarkastusparametrit koekappaleille. Lisäksi tarkastellaan vaiheistetun ultraäänen vaimenemista, vertailumittauksen merkitystä ja lämpökameran ominaisuuksien merkitystä tarkastuksen näkökulmasta. Saatuja tuloksia verrataan myös muihin tutkimustuloksiin. IRT:ssa ohenema, iskuvaurio ja halkeamat tulivat esille lämpökamerakuvista koe-

28 21 kappaleen seinämänpaksuudesta riippuvaisina. Ohenema ja halkeamat saatiin esille kaikista koekappaleista eli seinämänpaksuusalueelta mm. Iskun täytyi aiheuttaa kappaleeseen suurta rakenteellista muutosta, jotta se tuli näkyviin lämpökamerakuvasta. Näin suuret iskuvauriot olivat havaittavissa jo silmämääräisesti. Iskuvaurio voitiin havaita vain silloin, kun koekappaleen seinämänpaksuus oli mm. Lämmitysmenetelmänä vesi oli huomattavasti käyttökelpoisempi kuin lämpöilmapuhallin, koska vesi mahdollisti tasaisen lämmityksen. Koekappaleen tasainen lämmitys todettiinkin tärkeäksi tarkastusparametriksi IRT:n suorittamisessa. Joidenkin vikojen lämpötilaero ympäristöönsä nähden voi olla pieni, jolloin lämpökameran ominaisuudet vaikuttavat vikojen havainnointiin. Kakkosen ja Vuorisen tutkimukseen [17] verrattuna tulokset olivat samankaltaisia. IRT on hyvä NDT-menetelmä havaitsemaan vikoja, kuten todettiin Federal Aviation Administrationin (FAA) tutkimuksessa [21]. Kuvassa 7.1a (ks. sivu 22) U_GRP_2-putkea on lämmitetty lämpöilmapuhaltimella, jolloin putken ohentunut alue lämpenee nopeammin kuin ympäröivä paksumpi alue. Kuvan alareunan lämmin alue on putken alareuna, josta säteilee lämpimänä, koska pohja ei ole täysin tiiviisti eristetty. Kuvan neliöidystä mittausalueesta huomataan, että ohenema on lähes 10 C lämpimämpi kuin heti sen vieressä oleva paksumpi alue. Normaaliluotauksessa PAUT:ssa havaittiin, että koekappaleen seinämänpaksuus ja käytetyn PA-luotaimen taajuus vaikuttivat ohenema ja iskuvauriot havaitsemiseen. Takaseinäheijastusta ei saatu yhdestäkään koekappaleesta 4 MHz:n PA-luotaimella, koska GRP vaimentaa korkeita PA taajuuksia voimakkaammin kuin matalia taajuuksia. Seinämänpaksuus ja ohenema havaittiin 2,25 MHz:n PA-luotaimella, kun koekappaleen seinämänpaksuus oli mm. Taajuudeltaan matalin saatavilla oleva luotain oli 1,5 MHz, ja se osoittautuikin parhaaksi. Sillä havaittiin seinämänpaksuus, ohenema ja iskuvauriot, kun koekappaleen seinämänpaksuus oli mm. Takaseinäheijastusta ei saatu enää 7 mm:n syvyydellä olleesta ohenemasta. Halkeamia yritettiin etsiä tuloksetta kulmaluotauksella 1,5 MHz:n ja 2,25 MHz:n PA-luotaimilla. Koekappaleen täyttö vedellä ei vaikuttanut merkittävästi saatavaan takaseinäheijastuksen selkeyteen. PAUT on käyttökelpoinen menetelmä seinämänpaksuuden muutoksen mittaukseen, mutta sen käyttökelpoisuus muun muassa huokoisuuden, onkaloiden, halkeamien ja epätasaisesti jakautuneen hartsin havaitsemiseen jäi epäselväksi. Kuvasta 7.1b (ks. sivu 22) nähdään, että U_GRP_2-putken ohenemakohdasta saadaan vahvin heijastus 3,50 mm:n syvyydeltä. Alkuperäinen seinämänpaksuus oli 4,3 mm, joten ohenema on 0,8 mm. Kuvassa 7.1b nähdään myös GRP:n kerrosmainen laminaattirakenne. GRP:n kerrosmaisuus ja suuri vaimennus ovat suurimpia haasteita vikatyypin määrittämisessä.

29 22 (a) Infrapunatermografiasta saatu lämpökamerakuva U_GRP_2-putken ohenemasta. (b) Vaiheistetusta ultraäänitarkastuksesta saatu kuva U_GRP_2-putken ohenemasta. Kuva 7.1: IRT ja PAUT kuvat U_GRP_2-putken oheneman. 8 Johtopäätökset Tämän tutkimuksen päätarkoitus oli selvittää infrapunatermografian (eng. Infrared Thermography, IRT) kättökelpoisuus vaiheistetun ultraäänitarkastuksen (eng. Phased Array Ultrasonic Testing, PAUT) apuna lasikuitulujitetun muovin (eng. Glass

30 23 fiber Reinforced Plastic, GRP) ainetta rikkomattomassa tarkastuksessa (eng. Nondestructive Testing, NDT) niin, että tarkastus pysyy toistettavana ja luotettavana. Osaongelmana oli, että NDT-menetelmiä käytetään yleensä metalleille eikä NDTmenetelmien käytöstä ole juurikaan käytännön kokemusta komposiittirakenteiden tarkastuksessa. Alalle on vasta viime vuosina julkaistu Prosessiteollisuuden standardisoimiskeskuksen PSK-standardit [9, 10, 8], joissa käsitellään NDT-menetelmien käyttöä prosessiteollisuuden lujitemuovituotteiden kunnonvalvontaan. Tutkimus osoitti, että IRT on hyvä NDT-menetelmä vikojen paikantamiseen GRP:sta. Infrapunatermografiassa havaittiin ohenema ja halkeamat saatiin esille kaikista koekappaleista seinämänpaksuudesta riippumattomasti. Voimakas iskuvaurio havaittiin ohuimmista koekappaleista. IRT todettiin nopeaksi, havainnollistavaksi, luotettavaksi ja toistettavaksi NDT-menetelmäksi. Lämmitysmenetelminä parhaiten toimivat tasaisesti ja maltillisesti lämmittävät lämpölähteet. IRT kannattaa suorittaa lämpökameralla sarjakuvauksena lyhyillä aikaväleillä tai videokuvauksena. IRT:n käyttö vikatyypin määrittämiseen on kuitenkin todella hankalaa. Lasikuitulujitetun muovin PAUT on jossain määrin hankalaa. GRP:n kerrosmaisesta laminaattirakenteesta saadaan monia heijastuksia ennen takaseinäheijastusta. Tästä syystä ei voida varmasti sanoa mistä heijastukset johtuvat. Pienten vikojen löytäminen on epätodennäköistä ja niiden vikatyypin määritys on hankalaa. GRP vaimentaa korkeita ultraäänitaajuuksia voimakkaasti. Niinpä 1,5 MHz:n vaiheistettu ultraääniluotain todettiin parhaaksi tarkastusta varten. Ohenema ja iskuvaurio havaittiin 1,5 MHz vaiheistetulla ultraääniluotaimella, kun GRP:n seinämänpaksuus oli mm. Alle 1,5 MHz:n vaiheistettu ultraääniluotainta ei ollut saatavilla. Halkeamia ei kyetty varmuudella havaitsemaan. IRT sopii mainiosti PAUT:n avuksi, kun tarkastellaan seinämänpaksuuden muutoksia. PAUT:n käyttökelpoisuus muun muassa huokoisuuden, onkaloiden, halkeamien sekä epätasaisesti jakautuneen hartsin havainnointiin jäi epäselväksi. Huomioitavaa on, että jokainen lasikuitutyyppi eroaa ominaisuuksiltaan. Tämän takia tutkimuksen PAUT-tulokset eivät ole välttämättä vertailukelpoisia sovellettaessa sitä eri lasikuitutyypeille. IRT-tulokset ovat vertailukelpoisia eri lasikuitutyypeille, koska siinä tärkeimpänä tarkastusparametrina toimii ainoastaan tarkastussovelluskohtainen lämmitystekniikan valinta. Tulevaisuuden tutkimustyöt NDT-menetelmien käytöstä GRP:n tarkastuksessa tulisi keskittää lähinnä muihin NDT-menetelmiin ja niiden kykyyn havaita erilaisia vikatyyppejä. Tähän paneudutaan jatkossa erikoistyössäni. PA-luotaimen optimaalista taajuutta tulisi tutkia edelleen, koska se saattaa olla alle 1,5 MHz. PAUT:n muitakin tarkastusparametreja voitaisiin jalostaa jatkotutkimuksissa. Avoimeksi jäi mi-