E. Valukappaleen tarkastusmenetelmät

Transkriptio

1 E. Valukappaleen tarkastusmenetelmät Pekka Niemi Tampereen ammattiopisto Kuva 183. Ultraäänitarkastusta Tarkastusmenetelmiä on useita erilaisille valumateriaaleille, -tavoille sekä laatuvaatimuksille. Seuraavassa käsitellään menetelmiä ja tapoja, jotka sopivat mm. teräkselle, raudalle ja alumiinille. E.1 Tarkastusmenetelmät voidaan jakaa seuraavasti E.1.1 Silmämääräiset menetelmät visuaalinen (silmämääräinen) tarkastus (endoskopia) Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 1

2 E.1.2 Pintamenetelmät tunkeumanestetarkastus magneettijauhetarkastus (pyörrevirtatarkastus) (jäljennetarkastus) (lämpökuvaus) - ValuAtlas & Tampereen ammattiopisto - Jälkikäsittelytekniikka E.1.3 Volymetriset menetelmät ultraäänitarkastus radiografia E.1.4 Mittatarkastus ainetta rikkovat tarkastusmenetelmät (esitetään kirjassa kohdassa koestus) vetokoe (myös kuumana veto) iskukoe (myös alennetut lämpötilat) kemiallinen analyysi kovuusmittaus (esitetään kirjassa kohdassa koestus) erikoismenetelmät rakennetarkastukset: optinen mikroskopia SEM mikrokovuusjakautumat korroosiokokeet raerajakorroosio E.2 Valukappaleen silmämääräinen tarkastus Silmämääräinen tarkastus on tärkein ainetta rikkomaton tarkastusmenetelmä. Se suoritetaan aina ennen muita tarkastusmenetelmiä. Tarkastellaan sovituksia, muotoja, halkeamia, huokosia, syöpymiä, puhtautta jne. Voidaan käyttää apuna erilaisia apuvälineitä, esim. peilejä Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 2

3 Yleisimmät standardit: SCRATA-vertailukappalesarja BNIF 359 -vertailukappalesarja MSS SP 55 -vertailukuvat tässä myös sanottu, mikä on hyväksytty, mikä ei. Tämä MSS SP 55:n kuvasarja helpottaa virheen laadun arviointia, koska siinä esitetään hyväksytty pinnanlaatu sekä siitä poikkeava hyväksymätön pinnanlaatu. Tällöin on esillä useampi vertailukohta. Kuva 184. Hyväksytty pinnanlaatu Viereisissä kuvissa hyväksytty pinnanlaatu, jossa ei ole silmin havaittavia halkeamia tai repeämiä. Kuva185. MSS SP 55:n vertailukuva, jossa on hyväksytty pinnanlaatu Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 3

4 - ValuAtlas & Tampereen ammattiopisto - Jälkikäsittelytekniikka Kuva 186. MSS SP 55:n vertailukuva Kuva 187. MSS SP 55:n vertailukuva Yllä olevissa kuvissa 186 ja 187 on esitetty ei-hyväksyttävä pinnanlaatu, koska pinnassa näkyy kuumarepeämiä ja halkeamia. Valupinnan laatuominaisuus silmämääräisessä tarkastuksessa jaetaan kahteen osaan: pinnankarheus pintaviat (siis vain silminnähden havaittavat). Kuva 188. Esim. BNIF 359 S2 -vertailukuvaa Pinnankarheuden luokittelu: Valujen pinnankarheuden luokittelussa käytetään standardia SFS-EN 1370 Valut. Koneistetuille ja hiotuille pinnoille tarkastukseen suositellaan Ra-arvojen käyttöä sekä aaltomaisuuden tarkastusta Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 4

5 Pinnankarheuden silmämääräinen tarkastus perustuu: vertailupala / -valokuvasarjoihin ja "SCRATA-vertailupaloihin" pinnankarheuden osalta (tyypit: A, H ja G). tarkoitettu kaikille valumateriaaleille ja valumenetelmille (painevalua lukuun ottamatta) E.2.2 Yleistä Tarkastus voidaan sopia esim. siten, että tilaaja määrittelee tarkastettavaksi kaikki valut ja kaikki pinnat (tai ainakin esim. ulkopinnat) ja valimo kouluttaa jonkin sopivan työvaiheen (jokin siirtovaihe valmistuksen loppuvaiheessa) tekijän tekemään samalla myös visuaalisen tarkastukset. Käytännössähän riittää, että kappaleen (ja jopa useampien kappaleiden) rumin kohta luokitetaan. Mikäli se täyttää vaatimuksen, niin kaikki muutkin kohdat täyttävät välttämättä sen. Pinnankarheus jaetaan kolmeen tyyppiin: valutilainen pinta (S1, A) hiottu pinta (S2, H) erikoiskäsitelty pinta (hiilikaaritalttaus yms., ei siis koske valurautaa.) (S3, G). Luokiteltavan pinnan tulee olla parempi tai ainakin yhtä hyvä kuin vaaditun laatuluokan vertailupalan / -valokuvan. E.2.1 Tunnukset Laatuvaatimukset piirustuksiin tai muihin dokumentteihin voidaan merkitä esim. seuraavasti: BNIF 359: laatuluokka, valutilaisen pinnan tunnus S1, väliviiva, laatuluokka, hiotun pinnan tunnus S2 tai SCRATA: valutilaisen pinnan tunnus: A, laatuluokka, väliviiva, hiotun pinnan tunnus: H, laatuluokka, väliviiva, erikoiskäsitellyn pinnan tunnus: G, laatuluokka. Esim. BNIF 359: 3 S1-4 S2 tai SCRATA: A1 - H1 - G Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 5

6 E.3 Magneettijauhetarkastus Magneettijauhetarkastus on ainetta rikkomaton tarkastusmenetelmä, jolla voidaan havaita ferromagneettisten kappaleiden pintaan aukeavia tai aivan pinnan läheisyydessä olevia epäjatkuvuuskohtia. Menetelmä perustuu siihen, että tarkastettavaan kappaleeseen synnytetään magneettivuo. Tällöin voidaan valuvirhekohtiin syntyneet vuotokentät havaita. Kun kappale magnetoidaan, jakautuvat magneettiset voimaviivat tasaisesti kappaleen poikkipinnassa pyrkien pysymään aineen hyvän magneettisen läpäisykyvyn eli permeabiliteetin ansiosta kappaleen sisällä. Kuva 189. Magneettijauhetarkastusta tehdään elektrodimenetelmällä Jos magneettivuolle tulee este kappaleen geometrian tai varsinkin vian takia, kulkee osa vuosta esteen alta, osa läpäisee vian ja osa pyrkii etenemään ilman kautta (ks. kuva 190). Näin saadaan epäjatkuvuuskohdan ympärille vuotokenttä, jolla on kappaleeseen nähden vastakkainen napaisuus, ja se toimii täten eräänlaisena pienoismagneettina. Syntynyttä napaisuutta käytetään hyväksi epäjatkuvuuskohtien havaitsemisessa. Manuaalisessa tarkastuksessa levitetään pintaan ferromagneettinen jauhe eli rautahiukkasia, jotka kerääntyvät vuotokenttään. Automaattisessa tarkastuksessa pinta "nuuskitaan" läpi magneettivuoanturilla. Manuaalisessa tarkastuksessa kerääntyneet rautahiukkaset muodostavat sillan, joka voidaan havaita visuaalisesti. Kuva 190. Magneettijauhetarkastuksen periaate Rautahiukkasista koostuvan indikaation voi ihmissilmä havaita edellyttäen, että se on riittävän leveä. Toisin sanoen sekä riittävän voimakas epäjatkuva magneettikenttä on syntynyt kappaleen pintaan että optinen kontrasti rautahiukkasten ja taustan välillä on riittävän suuri Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 6

7 Tämän kontrastin saavuttamiseksi käytetään yleensä värillisiä hiukkasia vaalealla ohuella kontrastiväripohjalla (ns. värillinen menetelmä) tai fluoresoivia hiukkasia ilman kontrastiväripohjaa (ns. fluoresoiva menetelmä). Magneettijauhetarkastuksessa havaittava indikaatio muodostuu niistä rautahiukkasista, jotka ko. tarkastusolosuhteissa kerääntyvät ja jäävät vuotokenttään. Tämä indikaatio jäljentää näin ollen särön sijainnin, muodon ja osittain myös laajuuden. Kuva 191. Suora virtamagnetointi elektrodein Kuva 192. Napamagnetointi ikeellä Magneettijauhetarkastuksessa pyritään havaitsemaan tarkasteltavan kappaleen pintaan syntyviä vuotokenttiä. Menetelmällä voidaan näin ollen havaita pinnassa tai pinnan välittömässä läheisyydessä olevien vikojen lisäksi myös muut mahdolliset vuotokentät. Vuotokenttiä syntyy etenkin säröjen ja sulkeumien yhteydessä. Näiden lisäksi saattaa voimakkaita vuotokenttiä syntyä terävien reunojen ja lovien sekä äkkinäisten poikkipintamuutosten kohdalla. E.3.1 Magnetointimenetelmät Kohtiomenetelmä (kohtioiden väli n. 200 mm, A kohtiossa, tehtävä korjauskäyrä, jotta saadaan todellinen virta Ies-menetelmä (sama kuin sähkömagneetti) Kelamenetelmä kaapelissa kiertää sähkövirta nopea mitattava Berthold-ristikolla Suora virtamagnetointi Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 7

8 Kuva 193. Magnetointimenetelmiä Kuva 194. Suora virtamagnetointi Edellä olevan valukappaleen (kuva 194) tarkastuksen valmistelussa on vaativa tehtävä suunnitella, miten kohtiot asetellaan, esim. kierretään sähköjohto ja kiinnitetään puristilla paikoilleen. Tällöin voidaan magnetoida koko kappale kerralla Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 8

9 Magnetointinesteet Suspensiot (nesteeseen on sekoittunut kiinteää ainetta niin hienojakoisesti, että seos saostuu hitaasti, toisiinsa liukenemattoman nesteen ja kiinteän aineen seos, liete) Sprayt pohjaväri valkoinen, merkkiväri musta ei tarvita valoa, sopii esim. työskennellessä ulkona Valuille käytetään yleensä fluoresoivaa märkämenetelmää. Vaatimuksena pimennetty tarkastuspaikka UV-valo E.3.2 Magneettijauhetarkastuksen suoritus Tarvittavat välineet: Kuva 195. Ultraviolettilamppu Kuva 196. Rautajauheliuosta suihkepullossa Kuva 197. Iesmagnetointilaite 1. Puhdistetaan valukappale epäpuhtauksista. 2. Ruiskutetaan magnetointijauhe tarkastettavaan valukappaleeseen tarkastettavalle kohdalle. Viereisessä kuvassa näkyy valukappaleeseen ruiskutettu rautajauheneste, joka kuten kuvasta näkyy helposti ruostuu (mikäli se on riittävän kauan astiassa). Normaalissa tarkastustoiminnassa nestettä tehdään tarpeen mukaisesti ja kulutus on kuitenkin niin nopeaa, että ruostumista ei ehdi tapahtua. Kuva 198. Rautajauhetta ruiskutetaan tarkastettavaan valukappaleeseen 3. Yhdistetään magnetointilaite sähköverkkoon ja kytketään kytkimestä magnetointi sekä näytetään ultraviolettivaloa tarkastettavaan kohteeseen Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 9

10 Kuva 199. Magnetointia suoritetaan (Kuva on otettu havainnoinnin parantamiseksi valoisassa tilassa) Kuva 200. Ultraviolettilamppu Magneettijauhetarkastus tehdään hämärässä, ei kuitenkaan pimeässä. Tällöin virhenäyttämät havainnoituvat valukappaleen pinnalla, kuten viereisessä kuvassa on erotettavissa. Kuva 201. Ultraviolettivalo ja magnetointi 4. Tarkastellaan tarkastettavaa kohtaa valukappaleesta ja havainnoidaan mahdolliset virheet sekä merkitään esim. keltaisella liidulla. E Yleistä magneettijauhetarkastuksesta Magneettijauhetarkastuksen luotettavuus ja kyky ilmaista vikoja riippuu monista seikoista, mm. magneettisista ominaisuuksista, pinnan laadusta ja puhtaudesta sekä tarkastushenkilökunnan kokemuksesta. Magneettijauhetarkastus on eräs herkimpiä ja varmimpia menetelmiä löytää ferromagneettisten materiaalien pintaviat. Yleensä voidaan havaita muutaman mm:n pituisia ja muutaman mikrometrin levyisiä säröjä. Ihanteellisissa olosuhteissa voidaan havaita säröjä, joiden koko on vain kymmenesosa edellä mainitusta Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 10

11 Magneettijauhetarkastuksen tärkeimmistä eduista mainittakoon: se on yksinkertainen nopea varma edullinen sillä voidaan tarkastaa myös lähellä pintaa olevat epäjatkuvuuskohdat. Magneettijauhetarkastuksen tärkeimmistä rajoituksista mainittakoon: se soveltuu vain ferromagneettisille aineille pinnan alla olevien epäjatkuvuuskohtien tarkastelu on epävarmaa tarkastuksen jälkeen tarkastettava pinta on puhdistettava tarkastusaineista voidaan kuitenkin tarkastaa myös maalipinnan läpi käyttämällä sprayta veden sijasta käytetään kohtioita joka polttaa mallin pois indikaatioiden tulkitseminen vaatii kokemusta ja tietoa. Tarkastusmenetelmä Paljastaa tehokkaasti lineaarisia virheitä pyöreät yksittäiset virheet hankalia varsinkin virtamagnetointi on fyysisesti raskasta, sitoo yleensä kaksi henkilöä magneettivuon suunnalla on suuri merkitys tarkastuksen onnistumiselle, magnetointi suoritettava ristiin (vähintään 45 ) virtamagnetoinnissa voi kappaleeseen syntyä polttojälkiä (esim. 1 mm syviä virheitä, jolloin rajapinta punaisena karkenee) näyttää kappaleen pinnalla tai välittömästi pinnan alla olevat viat tarkastusnesteen laatua ja magneettikentän voimakkuutta pitää valvoa säännöllisesti otetaan näyte, josta tarkastetaan jauheen laskeuma magneettikentän voimakkuus valon määrä (1000mW/cm² ja tiedettävä etäisyys josta valoa näytetään) Ies-testi: vaihtovirralla täytyy pystyä nostamaan 4,5 kg paino). Fluoresoiva menetelmä on tarkempi kuin värillinen menetelmä. Suurempi tarkkuus ei perustu magneettisiin ominaisuuksiin, vaan ihmissilmän erotuskykyyn. Virtamagnetoinnilla näkee pinnan alla oikeaan suuntaan, minne iesmagnetoinnilla ei välttämättä näy. On huomattava, että jos on 1 mm:n vika, silloin indikaatio on huomattavasti isompi Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 11

12 E.3.3 Standardit Standardi SFS-EN 1369: Viime aikoihin asti on standardeissa käsitelty vain teräsvalujen vaatimuksia magneettijauhetarkastuksessa. Teräsvaluille käytetään yleisesti vuonna 1985 ilmestynyttä standardia DIN Se määrittää teräsvalujen suurimmat sallitut näyttämät paitsi magneettijauhetarkastuksessa, myös tunkeumaneste-, ultraääni- ja radiografisessa tarkastuksessa. Standardi SFS-EN 1369 Valut. Tutkittavan valun laatuluokka määritetään tarkastelemalla yhtä 105mm x 148mm (A6)-kokoista aluetta kerrallaan. Vaatimusten pitää täyttyä valukomponentin jokaisella A6-kokoisella alueella. Standardin vertailukuvat ovat vain informatiivisia ja varsinaisen arvioinnin tulee tapahtua laskemalla tarkastusalueella olevien näyttämien pinta-alojen ja pituuksien summat. Standardi määrittää laatuluokat lineaaristen näyttämien ja näyttämäjonojen osalta DIN 1690:n tapaan siten, että vaatimukset kasvavat seinämän paksuuden pienentyessä. Samat näyttämät johtavat siten eri laatuluokkiin sen mukaan, miten paksussa seinämässä ne esiintyvät. Esimerkiksi lineaariset näyttämät, jotka merkitsevät yli 50 mm:n seinämässä laatuluokkaa 1, johtavat mm:n seinämässä laatuluokkaan 2 ja enintään 16 mm:n seinämässä laatuluokkaan Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 12

13 Kuva 202: DIN 1690 vertailukuvasarja Sr1 Sr5. Ylinnä Sr1 ja alinna Sr Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 13

14 E.3.4 Laatuluokat Valupintoja voidaan laatuluokittaa magneettijauhetarkastuksella standardin SFS-EN 1369 Valut. Magneettijauhetarkastus avulla. Se koskee ferromagneettisia valurautoja ja teräsvaluja kaavausmenetelmästä riippumatta. Valupintojen laatuluokat ja niiden hyväksymisrajat määritellään erikseen kolmelle erityyppiselle vikanäyttämälle: Epälineaariset näyttämät (SM) Lineaariset näyttämät (LM) Jonomaiset näyttämät (AM) Valupinnat voidaan laatuluokittaa erikseen kaikkien näiden mukaan, ja kaikilla näyttämätyypeillä voi olla eri laatuluokka. Lineaaristen ja jonomaisten näyttämien kohdalla laatuluokissa otetaan huomioon myös tarkasteltavan kohdan seinämänpaksuus. Paksuusalueet on jaettu kolmeen paksuusalueeseen: t <= 16 mm 16 mm < t <= 50 mm t > 50 mm Saman laatuluokan eri paksuusalueilla sallitaan erikokoisia näyttämiä siten, että suurimmalla paksuusalueella (c) sallitaan huomattavasti suurempia näyttämiä kuin pienimmällä paksuusalueella (a). Laatuluokitteluun liittyy myös vertailukuvasto, mutta vain ohjeellisena. Epälineaariset näyttämät on luokiteltu yhteensä 7 laatuluokkaan: SM1 SM5 (SM5 huonoin) ja kahteen erikoislaatuluokkaan: SM 001 ja SM 01. Näistä viimemainitut on tarkoitettu erikoisvaativiin kohteisiin esim. lentokone- ja avaruusteollisuudessa Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 14

15 Kuva 203. Magneettijauhetarkastus, standardiesimerkki E.3.5 Tunnukset Laatuvaatimukset piirustuksiin tai muihin dokumentteihin merkitään seuraavasti: näyttämätyypin tunnus, laatuluokan numero, seinämän paksuusalueen tunnus (a, b tai c). Esim.: EN 1369: SM3 - LM2 - AM2 Huom. Myös tarkasteltavan pinnan karheusvaatimuksista tulee sopia. On nimittäin huomioitava, että tavallisesta hiekkavaletusta valupinnasta ei kovin pieniä vikoja (esim. alle 3 mm:n säröjä) pysty havaitsemaan Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 15

16 Kuva 204. Laatuluokat Luokiteltavan pinnan tulee olla parempi tai ainakin yhtä hyvä kuin vaaditun laatuluokan vertailupalan t. valokuvan. Teräsvalun pinnan (sekä pinnankarheuden että pintavikojen) luokittelu Laatuvaatimukset - piirustuksiin tai muihin dokumentteihin voidaan merkitä esim. seuraavasti: Pintavaatimus: ASTM A 802: Level III. E.4 Tunkeumanestetarkastus Tunkeumanestetarkastus on rikkomaton aineenkoetusmenetelmä, jota voidaan käyttää pintaan asti avautuvien vikojen havaitsemiseen. Tällaisista vioista mainittakoon säröt huokoset liitosviat vuotokohdat ja näiden kaltaiset epäjatkuvuudet. Kuva 205. Tunkeumaneste levitetty Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 16

17 Yleisesti: Voidaan havaita vain pintaa avautuvia virheitä käyttökelpoinen menetelmä magneettitarkastuksen ohella erinomainen kyky paljastaa huokosia sekä muita tilavuuden omaavia, pintaan avautuvia vikoja voidaan käyttää myös ei-ferromagneettisille metalleille helppo menetelmä ei välttämättä paljasta kaikkia repeämiä pinnanlaatu vaikuttaa pienempiin havaittaviin vikoihin teräshiekkapuhallus voi hakata virheet umpeen käytetään magneettijauhetarkastusmenetelmän ohella, jota ei voi esim. austeniittisille teräksille. Tämäntyyppisiä vikoja voidaan tunkeumanestetarkastuksella havaita kaikissa kappaleissa, jotka eivät ole materiaaliltaan luonnostaan huokoisia. Tutkittavalta materiaalilta edellytetään kohtuullisen hyvää valupintaa (Ra 12,5 tai parempi). Tunkeumanestetarkastusta voidaan käyttää pintaan asti ulottuvien vikojen havaitsemiseen myös ei-magneettisissa kappaleissa. Näin ollen sitä voidaan pitää arvokkaana lisänä käytettäessä magneettijauhetarkastusta. Lisäksi tunkeumanestetarkastus on halpa menetelmä, ja oikein käytettynä sillä saavutetaan useimmissa tapauksissa riittävä varmuus ja tarkkuus. Menetelmän tehokkuus riippuu paljolti siitä, kuinka oikein ja huolellisesti jokainen yksinkertainenkin toiminta tarkastusta suoritettaessa toteutetaan. Huolimattomuus yhdessäkin tarkastusvaiheessa saattaa ratkaisevasti vähentää saavutettavan tuloksen luotettavuutta ja tarkkuutta. Tunkeumanestetarkastuksen luotettavuus on suuressa määrin riippuvainen myös tarkastajan työskentelystä ja erityisesti hänen taidostaan tulkita virhenäyttämiä. Tarkastajan tulee osata erottaa todellinen virhenäyttämä valenäyttämästä. Hyvän tuloksen saavuttamiseksi tuleekin tunkeumanesteitä käytettäessä tarkoin seurata valmistajan antamia käyttöohjeita. Tunkeumanestetarkastus soveltuu suoritettavaksi lähes kaikille materiaaleille, jotka eivät luonnostaan ole huokoisia. Lisäksi on aina varmistauduttava siitä, että mikään tunkeumanestetarkastuksessa käytettävä aine ei vaikuta syövyttävästi tai muulla tavoin haitallisesti tarkastettavaan materiaaliin. Eräänä tunkeumanestetarkastuksen erikoissovellutuksena voidaan pitää myös vuodonetsintää Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 17

18 Tunkeumanesteillä löydettävissä olevien pintavikojen perustyypit on esitetty alla olevassa kuvassa. Kuvan mukaisia painaumia (a) on usein taotuissa ja valssatuissa kappaleissa, samoin jonkin vieraan esineen isku saattaa aiheuttaa materiaalin pintaan vastaavantyyppisen vian. Kuva 206. Tunkeumanesteillä löydettävät pintavikojen perustyypit. Tunkeumanesteillä löydettävien virheiden pintavikojen perustyypit: a) painauma b) leveä halkeama c) kapea halkeama d) huokonen e) vuotokohta. Tunkeumanesteillä etsitään materiaaleista yleisimmin halkeamia (kuvat b ja c), jotka ovat syntyneet valussa tai valun jäähtymisen aikana, lämpökäsittelyn tai kappaleen käytössä väsymisen, hionnan tai jännityskorroosion seurauksena. Näin muodostuneet halkeamat ovat tyypiltään useimmiten kapeita (c) ja niiden havaitseminen edellyttää tunkeumanesteeltä suurta herkkyyttä. Leveiden halkeamien (b) etsimistä vaikeuttaa usein se, että ylimääräisen tunkeumanesteen poiston yhteydessä neste pestään pois myös halkeamakohdasta. Suotuisissa olosuhteissa voidaan tunkeumanesteillä havaita leveydeltään 0,1 mikrometrin olevat halkeamat. Halkeaman tulisi tällöin olla pituudeltaan muutama mm, jotta tulos olisi luotettava. E.4.1 Menetelmän edut Tunkeumanestetarkastus on halpa ja yksinkertainen menetelmä, jonka laajin käyttäjäryhmä on metalli- ja lentokoneteollisuus. Menetelmä soveltuu kaikenkokoisten ja -muotoisten kappaleiden tarkastukseen. Tunkeumanesteinä voidaan tarkastaa monipuolisesti erikokoisia ja -materiaalisia rakenteita: yhtä hyvin suuria säiliöitä, paineastioita, teräsrakenteita, takeita ja valuja sekä esimerkiksi muovia, lasia ja keramiikkaa Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 18

19 Oikealla suoritustekniikalla ja tarkastettavalle materiaalille parhaiten soveltuvalla menetelmävaihtoehdolla saavutetaan riittävä tarkkuus ja luotettavuus etsittäessä pintaan asti ulottuvia vikoja. E.4.2 Menetelmän rajoitukset Tärkeimpänä rajoituksena menetelmän käyttökelpoisuudelle voidaan pitää menetelmän soveltuvuutta vain pintaan asti ulottuvien vikojen etsintään. Menetelmä ei myöskään ole käyttökelpoinen, jos tarkastettava pinta on huokoinen. Vaikka tunkeumanestetarkastusta voidaan suorittaa laajalla lämpötila-alueella, saattavat tarkastusolosuhteet joskus olla niin kuumat tai kylmät, että menetelmää ei voida käyttää. Menetelmän haittana voidaan pitää myös tarkastellun kappaleen jälkipuhdistusta, joka on suoritettava huolellisesti ja joka on siten oma aikaa vievä työvaiheensa tunkeumanestetarkastuksessa. E. 4.3 Tunkeumanestetarkastuksen periaate Kuva 207. Tunkeumanestetarkastuksen periaate a) pinta puhdistettuna b) tunkeumaneste levitettynä; Kuva 208 c) ylimääräinen tunkeumaneste poistettuna d) kehite levitetty; Kuva 209 e) tunkeumaneste kehitteeseen imeytyneenä, virhe merkittynä; Kuva 210 Kuva 208 Kuva 209 Kuva Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 19

20 E.4.4 Tunkeumanestetarkastustyövaiheet E Tarkastettavan kappaleen esipuhdistus Tarkastettavan alueen huolellinen puhdistus ennen tunkeumanesteen levitystä on ehdoton perusedellytys. Mikäli mahdollisiin epäjatkuvuuskohtiin on jäänyt rasvaa, öljyä, maalia, ruostetta tai vaikkapa vain vettä, saattaa tämä estää nesteen tunkeutumisen tai ainakin hidastaa sitä. Mekaanisen puhdistuksen jälkeen voidaan rasvapitoiset aineet poistaa orgaanisilla liuottimilla tai höyrypesulla. E Tunkeumanesteen levitys Tunkeumaneste voidaan levittää kappaleen pinnalle ruiskuttamalla, sivelemällä tai kappale voidaan kastaa nesteeseen. Levittämisen jälkeen nesteen annetaan tunkeutua riittävän kauan kaikkiin pinnan epäjatkuvuuskohtiin (nk. tunkeutumisaika). Kuva 211. Tunkeumaneste levitetty E Ylimääräisen tunkeumanesteen poisto Kun tunkeumaneste on vaikuttanut vaaditun ajan, ylimääräinen neste poistetaan kappaleen pinnalta siten, että pinta saadaan mahdollisimman kuivaksi ja puhtaaksi ja että nestettä jää vain pinnan epäjatkuvuuskohtiin. Ylimääräinen tunkeumaneste voidaan poistaa joko vedellä(ei saa pestä paineella) tai erityisellä liuottimilla riippuen käytetystä tunkeumanesteestä. Sekä vesi että liuotin voidaan joko levittää kappaleen pintaan tai pinta voidaan pyyhkiä rievulla, joko kuivalla tai veteen tai liuottimeen kastetulla. Jotkin tunkeumanesteet vaativat ennen vesipesua yhden työvaiheen lisää, nimittäin emulsioliuottimen levityksen, joka tekee tunkeumanesteestä vesiliukoisen. Mikäli ylimääräinen neste on poistettu vedellä, on tarkastettava pinta yleensä kuivattava ennen seuraavaa vaihetta, kehitteen levitystä Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 20

21 E Kehitteen levitys - ValuAtlas & Tampereen ammattiopisto - Jälkikäsittelytekniikka Kappaleen pinnalle levitetään kehite, joka imee mahdolliseen epäjatkuvuuskohtaan (vikakohtaan) jääneen tunkeumanesteen itseensä. Mahdolliset vikakohdista aiheutuvat näyttämät havaitaan vaaleapohjaisessa kehitteessä, sillä tunkeumaneste sisältää voimakasta, useimmiten punaista väriainetta tai fluoresoivaa ainetta. E Näyttämien tarkastelu Värjäävää tunkeumanestettä käytettäessä kappale tarkastetaan riittävän voimakkaassa valaistuksessa ja fluoresoivaa tunkeumanestettä käytettäessä kappale tarkastetaan ultraviolettivalossa. Kuva 212. Kehite levitetty ja virheitä tarkastetaan E Kappaleen puhdistus tarkastuksen jälkeen Tarkastuksen jälkeen tulee kappale puhdistaa huolellisesti siinä olevasta kehitteestä ja mahdollisesta tunkeumanesteestä. E.4.5 Tunkeumanestetarkastuksen suoritus E Tarkastettavan kappaleen esikäsittely Tunkeumanestetarkastukseen liittyy oleellisena osana tarkasteltavan kohteen esikäsittely ja puhdistus. Kaikkinainen lika, ruoste, maali, valssihilse, öljy, hapot ja hapettumat sekä vesi on tarkoin poistettava pinnalta ennen tunkeumanesteen levitystä, muutoin itse tunkeumaneste ei pääse tunkeutumaan epäjatkuvuuskohtiin. Poistokeinoina voidaan käyttää mekaanista puhdistusta, kuten erilaiset puhallusmenetelmät esim. sinko- tai hiekkapuhallus, pesuja esim. höyryllä tai kuumennusta esim. sähköllä tai liuottimilla. Tällainen liuotin voidaan levittää kangasrievulla, sivelemällä tai ruiskuttamalla. Liuottimien haittapuolia ovat usein alhainen leimahduspiste (syttymisvaara) sekä haihtuvuudesta aiheutuvat epäterveelliset höyryt. Käytännössä valimokäytössä liuotin tai mekaaninen puhdistus ovat käytetyimmät menetelmät Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 21

22 Kuva 213. Orgaaninen liuotinspraypullo Kuva 214. Liuotin ruiskutetaan pestävälle pinnalle E Tunkeumanesteen levitys Ennen tunkeumanesteen levitystä tulee varmistautua siitä, että tarkastettava kappale on kuiva eikä pinnalle ja epäjatkuvuuskohtiin ole jäänyt puhdistuksessa käytettyjä aineita. Tarkastettavan pinnan lämpötila ei nesteen levityksen aikana saa ylittää tunkeumanesteelle suositeltua käyttölämpötilaa. Yleisimmin käytettävät tunkeumanesteet toimivat lämpötila-alueella 5 50 ºC. Korkeammissa lämpötiloissa tunkeumaneste pyrkii haihtumaan pois kappaleen pinnasta eikä ehdi tunkeutua epäjatkuvuuskohtiin, matalammissa lämpötiloissa nesteen tunkeutumiskyky saattaa heikentyä, sillä väriaineet erkanevat tunkeumanesteestä eivätkä näin ollen tunkeudu epäjatkuvuuskohtiin. Tunkeumaneste voidaan levittää sivelemällä, ruiskuttamalla tai kastamalla kappale nesteeseen. Menetelmän valintaan vaikuttavat tarkasteltavan kappaleen koko, muoto ja materiaali. Kuva 215. Tunkeumanestespraypullo Kuva 216. Tunkeumaneste suihkutetaan tarkastettavalle pinnalle Tunkeutumisaika riippuu tarkasteltavan kappaleen materiaalista ja etsittävien epäjatkuvuuskohtien luonteesta. Pienet, kapeat halkeamat vaativat pitemmän tunkeutumisajan kuin suuret tai leveät halkeamat ja huokoset. Tunkeutumisaikaan vaikuttaa myös käytetty tunkeumaneste ja tarkastuslämpötila. Aika voi vaihdella sekunneista jopa tuntiin. Alhaisissa lämpötiloissa tunkeutumisajan tulee olla pitempi, korkeammissa lämpötiloissa aikaa voidaan nesteen ominaisuuksista riippuen lyhentää. Yleensä jos tunkeutumisaika ylittää puoli tuntia, tulisi Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 22

23 tunkeumaneste levittää uudelleen tarkastettavalle pinnalle, koska nesteen tunkeutumiskyky on tällöin oleellisesti heikentynyt kantajanesteen haihtumisen myötä. E Ylimääräisen tunkeumanesteen poisto Tarvittavan tunkeutumisajan jälkeen poistetaan ylimääräinen tunkeumaneste kappaleen pinnalta, jotta nestettä jää vain mahdollisiin epäjatkuvuuskohtiin. Poistaminen tulee tehdä huolellisesti valmistajan antamia ohjeita noudattaen, jotta kappaleen pinnalle ei jää häiritsevää taustaa muodostavaa nestettä ts. että todelliset vikanäyttämät ovat selvästi havaittavissa. Poistamiseen voidaan käyttää siihen sopivia nesteitä, esim. myös vettä Kuivaus on tunkeumanestetarkastuksen työvaihe, joka suoritetaan kehitysmenetelmästä riippuen ennen tai jälkeen kehityksen. Kuivaus suoritetaan ennen kehitystä, jos tarkastuksessa on käytetty vesiliukoista tunkeumanestettä ja jos kehitteenä käytetään kuivajauhekehitettä tai ei-vesiperustaista märkäkehitettä. Mikäli käytetään vesiperustaista märkäkehitettä, kuivaus suoritetaan kehityksen jälkeen. Käytettäessä muita tunkeumanesteitä kuin vesiliukoisia ja muita märkäkehitteitä kuin vesiperustaisia ei erillistä kuivausvaihetta yleensä tarvita, koska näiden kehitteiden kantajanesteet ovat nopeasti haihtuvia. E Kehitteen levitys Kaikille markkinoilla olevien kehitteiden käytölle on yhteistä, että tarkasteltavan pinnan tulee olla ohuen kehitekerroksen peittämänä riittävän kauan, yleensä vähintään viisi minuuttia, ei kuitenkaan yli 30 minuuttia. Kuva 217. Kehitespraypullo Kuva 218. Kehitteen levitys Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 23

24 E Näyttämien (indikaatioiden) tarkastelu ja arvostelu Näyttämien tarkastelu ja arvostelu on syytä suorittaa heti kehitteelle ominaisen vaikutusajan jälkeen, sillä näyttämien luonne saattaa oleellisesti muuttua, mikäli kehitteen vaikutusaika on liian pitkä. Kuva 219. Virhe havaittu (punainen) ja merkitty ympyröimällä keltaisella. Värillisten tunkeumanesteiden näyttämiä tarkastellaan riittävän voimakkaassa valossa (n. 500 luksia), joka valaisee pinnan ilman häiritseviä heijastuksia. Käytettäessä fluoresoivia tunkeumanesteitä, tarkastelu tapahtuu pimennetyssä tilassa ultraviolettivalaistuksessa.. Näyttämiä arvosteltaessa pyritään ensin määrittämään näyttämän aiheuttaja ja varmistumaan näyttämän oikeellisuudesta. Määritetään siis, onko kyseessä merkityksetön (ns. valenäyttämä) vai merkityksellinen näyttämä. Tämän jälkeen tarkastajan tulee määrittää näyttämän aiheuttaneen vian vaarallisuusaste ottamalla huomioon vian koko, muoto, sijainti sekä tarkasteltavan kappaleen käyttötarkoitus. Valenäyttämät aiheutuvat useimmiten riittämättömästä ylimääräisen tunkeumanesteen poistamisesta. Tunkeumanestettä on myös saattanut roiskua tai joutua tarkastajan käsistä tarkastettavalle pinnalle ennen kehitystä. Mikäli tarkastaja epäilee näyttämän todellisuutta, tarkastus on syytä suorittaa uudelleen alusta asti. Merkityksettömät näyttämät ovat yleensä peräisin pinnan "luonnollisista" epätasaisuuksista ja ovat selvästi heikompia kuin todellisten epäjatkuvuuskohtien aiheuttamat näyttämät. Merkityksettömiä näyttämiä aiheuttavat usein mm. hiekkapuhallettu pinta, teräsharjattu pinta sekä epätasaiset valupinnat. Merkitykselliset näyttämät ovat todellisten vikojen (säröt, liitosvirheet, huokoset) aiheuttamia. Näyttämät erottuvat vaaleapohjaisessa kehitteessä selvästi. E Kappaleen puhdistus tarkastuksen jälkeen Tarkastuksen jälkeen kappaleet on puhdistettava tunkeumanesteistä, mahdollisesta emulgaattorista, liuottimesta ja kehitteestä riippuen tarkastusohjeessa olevasta maininnasta. Pintaan jääneet tarkastusaineet voivat vahingoittaa joitakin materiaaleja. Tarkastuksen jälkeen Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 24

25 kappaleille on usein syytä suorittaa ainakin väliaikainen suojaus korroosiota vastaan, etenkin jos rasvanpoistossa on ennen tarkastusta käytetty voimakkaita liuottimia. E.4.6 Tarkastuksen uusiminen Mikäli tarkastus on jostain syystä uusittava samalle kohteelle (esim. jos näyttämän oikeellisuus kyseenalainen), tulee kaikki tunkeumanestetarkastuksen vaiheet suorittaa uudelleen alkaen huolellisesta esipuhdistuksesta E.4.7 Yleisimmät syyt tarkastuksen epäonnistumiseen Tunkeumanestetarkastuksen periaatteesta johtuen tarkastus on, mikäli mahdollista, suoritettava sellaisessa valmistusvaiheessa, jossa pintaan asti ulottuvien vikojen oletetaan syntyvän eli välittömästi esimerkiksi valun, lämpökäsittelyn, taivutuksen, pursotuksen tai hitsauksen jälkeen. Mikäli kappaleen pintaa hiotaan, hiekkapuhalletaan, puhdistetaan voimakkaasti teräsharjalla, maalataan tai muutoin pintakäsitellään ennen tarkastusta, saattavat pienet epäjatkuvuuskohdat umpeutua. Tunkeumanesteen tunkeutumiselle on varattava riittävästi aikaa, ja ylimääräinen tunkeumaneste tulee poistaa tarkoin valenäyttämien välttämiseksi. Kuitenkin jos tunkeumaneste pestään pois epäjatkuvuuskohdista, ei näyttämiä muodostu. Poistovaihe vaatii erityistä huolellisuutta käytettäessä emulsioliuottimia tai kun poistoaineet levitetään ruiskuttamalla. Mikäli sama kappale aiotaan tarkastaa magneettijauhe- ja tunkeumanestemenetelmällä, on tunkeumanestetarkastus suoritettava ensin, sillä erittäin hienojakoinen magneettijauhe saattaa tukkia epäjatkuvuuskohdat. E.4.8 Standardi SFS-EN 1371 Standardi SFS-EN Valut. Tunkeumanestetarkastus. Osa l: Hiekka-, kokilli- ja matalapainevalut käsittelee hiekkavaluja, kokillivaluja ja pienpainevaluja. Se ei käsittele tarkkuusvalua eikä painevalua. Tunkeumanestetarkastus. Osa 2: Tarkkuusvalut on ilmestynyt loppuvuodesta 1998). Standardi pätee siinä mainituille valmistusmenetelmille ja kaikille valetuille raaka-aineille paitsi kupari-tina ja/tai kupari-tinalyijyseoksille, joissa kupari on pääaineosa. Tässäkin standardissa valukomponenttien laatuluokitus perustuu laatuluokkiin 1 5 ja erikoisluokkiin Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 25

26 Myös standardin SFS-EN laatuluokka määritetään tarkastelemalla yhtä 105 mm x 148 mm (A6)-kokoista aluetta kerrallaan. Vaatimusten pitää täyttyä valukomponentin jokaisella A6- kokoisella alueella. Käytännössä suositetaan A6-kokoisen kehyksen sijoittamista kappaleen sellaiseen kohtaan, jossa on eniten vikoja. Katso magneettijauhetarkastusluku. Vertailutaulukot ja -palat samankaltaisia periaatteeltaan myös tunkeumanestetarkastuksessa omine vaatimuksineen. E.4.9 Laatuluokat Valupintoja voidaan laatuluokittaa tunkeumanestetarkastuksella standardin SFS-EN Valut. Tunkeumanestetarkastus. Osa l: Hiekka-, kokilli- ja matalapainevalut avulla. Se koskee (eräitä kupariseoksia lukuun ottamatta) kaikkia valumetalleja ja kaikkia muita valumenetelmiä paitsi tarkkuusvalu- ja painevalumenetelmiä. Valupintojen laatuluokat ja niiden hyväksymisrajat määritellään erikseen neljälle erityyppiselle vikanäyttämälle: epälineaariset erilliset näyttämät (SP) epälineaariset näyttämäryhmät (CP) jonomaiset näyttämät (AP) lineaariset näyttämät (LP). Valupinnat voidaan laatuluokittaa erikseen kaikkien näiden mukaan, ja kaikilla näyttämätyypeillä voi olla eri laatuluokka. Lineaaristen ja jonomaisten näyttämien kohdalla myös seinämänpaksuus huomioidaan. Samassa laatuluokassa eri seinämänpaksuudella hyväksytään erikokoisia näyttämiä. Paksuusalueet on jaettu kolmeen paksuusalueeseen: t <= 16 mm 16 mm < t <= 50 mm t > 50 mm. Saman laatuluokan eri paksuusalueilla sallitaan erikokoisia näyttämiä siten, että suurimmalla paksuusalueella (c) sallitaan huomattavasti suurempia näyttämiä kuin pienimmällä paksuusalueella (a) Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 26

27 Lineaariset ja jonomaiset näyttämät on luokiteltu yhteensä seitsemään laatuluokkaan: esim. LP1 LP5 (LP5 huonoin). Normaali taso löytyy tilanteesta riippuen väliltä 2 4. E.4.10 Tunnukset Laatuvaatimukset piirustuksiin tai muihin dokumentteihin merkitään seuraavasti: näyttämätyypin tunnus, laatuluokan numero, seinämän paksuusalueen tunnus (a. b tai c), Esim. SP3 tai LP3 tai LP3a (jos halutaan korostaa seinämän paksuusaluetta). Selvyyden vuoksi suositellaan, että myös standardin numero merkitään tunnusten eteen, esim. EN 1371-l: SP3 - CP3 - LP3 - AP3 E.5 Ultraäänitarkastus Ultraäänitarkastusmenetelmä on ainetta rikkomaton tarkastusmenetelmä joka soveltuu pinnanalaisten virheiden tarkastukseen. Seuraavassa lyhyesti ultraäänitarkastusmenetelmästä: Ultraäänitarkastusmenetelmä on volumetrinen tarkastusmenetelmä, joka perustuu kiinteiden aineiden hyvään äänenjohtamiskykyyn. Rajapintojen lisäksi myös materiaaliviat (säröt, sulkeumat jne.) heijastavat ääntä hyvin. Tutkittavaan materiaaliin lähetetään ultraääntä, joka heijastuu takaisin rajapinnoista ja mahdollisista vioista. Metalleille käytetään taajuuksia 1 5 MHz. Luotaimen ja kappaleen välissä käytetään väliainetta kontaktin parantamiseksi, esim. tapettiliisteriä tai öljyä. Menetelmä vaatii tarkastajalta ammattitaitoa, kokemusta ja valimotekniikan tuntemusta. Menetelmän hankaluutena ovat metallurgiset ongelmat, esim. austeniittiset teräkset (ei sovi kaikille materiaaleille), tarkastus korvataan radiografialla. Vikojen havaittavuuteen liittyy ongelmia. Menetelmä on kohtuullisen nopea. Kuva 220. Teräsvalukappaleen ultraäänitarkastusta isolle valukappaleelle Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 27

28 Koska ääni edetessään materiaalissa noudattaa optiikan lakeja, voidaan mahdollisen vian sijainti määrittää, kun tunnetaan äänen kulkusuunta, materiaalin äänennopeus ja sen kulkuaika materiaalissa. Saadun kaiun voimakkuuden ja käyttäytymisen perusteella voidaan tehdä johtopäätöksiä vian koosta ja laadusta. Kuva 221. Teräsvalukappaleen ultraäänitarkastus pienelle valukappaleelle Ultraäänitarkastajalta edellytetään sekä tuotantomenetelmien, materiaalien että ultraäänitekniikan hyvää tuntemusta. Ultraäänitarkastuksessa tutkittavaan materiaalin lähetetään ultraääntä luotaimen avulla ja mahdollisesta viasta heijastuva ultraääni vastaanotetaan myös luotaimella. Luotaimessa oleva kide värähtelee (1 5 MHz) ja lähettää aaltoja tutkittavaan kappaleeseen. Ne heijastuvat vioista (ja myös kappaleen takaseinästä) takaisin. Kide vastaanottaa palaavan impulssin. Näin vastaanotettu impulssi vahvistetaan ja johdetaan ultraäänilaitteen oskilloskoopin kuvaputkelle. Impulssin korkeus indikoi vian suuruutta ja etäisyys kuvaputken vaakasuunnassa vian etäisyyttä luotauskohdasta. Luotaus tapahtuu useimmiten suoralla luotaimella. Tarvittaessa käytetään myös kulmaluotaimia. Normaaliluotain Kulma: 0 astetta Taajuus: 1 5 MHz (yleensä 2 4 MHz) Pitkittäisaalto, v teräs = 5900m/s (lähetyssuunnassa) yksi kvartsikide Kuollut alue (ei voi katsoa lähellä pintaa olevia virheitä) pehmeä luotain vaihdettava kalvo (kulutusosa) Kuva 222. Normaaliluotain Kulmaluotain Kulma: astetta Taajuus: 1 5 MHz Poikittaisaalto, v teräs (äänen suunnassa poikittain) yksi kvartsikide tarkastusalueessa kuollut alue Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 28

29 Kova luotain ei vaihdeta Joskus on haettava molemmilla luotaimilla (normaaliluotaimella ja kulmaluotaimella). Lähetin ja vastaanotin erikseen Taajuus 1 5 MHz Ei tarkastusalueella kuollutta aluetta Kova luotain Molemmat luotaimet Kuva 223. Kulmaluotain Kuva 224. Kaksoisluotain Kuva 225. Kaksoisluotain Vian kokomäärittelyssä voidaan käyttää ns. DACkäyrää. Sen määrittelemiseksi porataan tutkittavasta valumateriaalista valmistettuun testikappaleeseen ns. vertailuheijastajia eri syvyyksille. DAC-käyrien määrittelemiseksi havaitaan luotaimella vuorotellen kustakin vertailuheijastajasta saatava amplitudi. Havaitut amplitudit merkitään oskilloskoopin kuvaruudulle luotausmatkan kohdalle. Kuva 226. DAC-käyrä (näkyvyys heikkenee matkan funktiona on äänen matka) Itse vian koko määritellään siten, että luotainta liikutetaan havaitun vian alueella ja havaitaan rajat, joissa amplitudi ylittää DAC-käyrän. Ultraäänitarkastusmenetelmän soveltuvuus erilaisten kohteiden NDT-tarkastuksiin on varsin laaja Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 29

30 Yksinkertaisimmillaan ultraäänitarkastus on erilaisten kappaleiden paksuuksien mittausta. Toisena pääkäyttökohteena ovat hitsien tarkastukset ja kolmantena erilaiset perusaineiden ja valujen tarkastukset. Ultraäänitarkastuksen etuja ovat menetelmän nopeus ja soveltuvuus geometrialtaan ja ainepaksuudeltaan erilaisten kohteiden tarkastuksiin. Rajoituksena on voimakkaasti ääntä vaimentavien tai taittavien materiaalien, kuten valujen ja austeniittisten ruostumattomien hitsien tarkastusten vaikeus, jolloin tarkastajan kokemuksen osuus merkittävästi korostuu. Kuva 227. Ultraäänilaite ja tarkastusta suoralla luotaimella 1. lähtökaiku 2. lähtökaiun alle jäävä vikakaiku 3. sirontanäyttämä eli "ruoho" 4. vikanäyttämä 5. tausta- eli pohjakaiku 6. kuollut alue 7. äänikentän lieriömäinen lähialue 8. äänikentän kartiomainen kaukoalue Kuva 228. Ultraäänitarkastuksen periaate Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 30

31 Kuva 229. Ultraäänitarkastustapoja: kaikumenetelmä, läpäisymenetelmä ja resonanssimenetelmä E.5.1 Valujen ultraäänitarkastus Ultraäänitarkastusta käytetään etsittäessä pinnanalaisia vikoja. Se sopii pääasiassa ferriittisille materiaaleille ja alumiinille. Rajapintojen lisäksi myös materiaaliviat (säröt, sulkeumat jne.) heijastavat ääntä hyvin. Ultraäänitarkastus on huomattavasti halvempi ja työhygieenisesti helpompi valujen sisäisen laadun toteamistapa kuin radiografia. Ultraäänen käytöllä on kuitenkin myös omat rajoituksensa. Suurin epävarmuustekijä on tuloksen riippuvuus tarkastajasta. Monimutkaisten kappaleiden tarkastus ultraäänellä on vaikeaa siksi, että luotainta ei saada sijoitetuksi mihin kohtaan tahansa, Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 31

32 ja siksi, että äänisäteet heijastuvat moniin suuntiin. Ultraäänitarkastuksen merkitys valuteräskappaleiden sisäisen laadun toteamisessa on hyvin suuri. Rautavalun tarkastus ultraäänellä ei ole yhtä yleistä erilaisesta mikrorakenteesta johtuen. Valujen ultraäänitarkastus keskittyy pääasiassa valmistuksen aikaisten sisäisten vikojen havaitsemiseen ja vain hyvin harvoin käytönaikaisten vikojen etsintään. Verrattuna mm. hitsien tarkastukseen valujen tarkastuksessa esiintyy poikkeavia piirteitä. Eri valuvioilla on erilainen geometria ja suuntaisuus, mikrorakenne riippuu valukappaleen muodosta ja jäähtymisolosuhteista. Valukappaleen muoto ja pinnan laatu voi olla myös tarkastuksen kannalta epäedullisia. Näistä syistä tarkastajan ammattitaito ja kokemus erityisesti korostuvat valukappaleiden tarkastuksessa. Lisäksi tarkastajalta edellytetään hyvää valimotekniikan tuntemusta. Valujen tarkastuksessa esiintyvät ongelmat voidaan jakaa kahteen ryhmään: metallurgiset ongelmat vikojen havaittavuuteen liittyvät ongelmat E Metallurgiset ongelmat Ensimmäisenä metallurgisena ongelmana valumateriaaleilla on suuren raekoon aiheuttama sironta. Homogeenisessa, hienorakeisessa teräksessä ultraääni etenee helposti vaimentuen vain äänikeilan levenemisen takia. Äänen sironnan vaikutus on häviävän pieni, koska äänikeila ei kohtaa yksittäisiä raerajoja, vaan koko raerakenne on aaltoliikkeessä. Raekoon kasvaessa lähelle aallonpituutta kasvaa myös sironnan osuus vaimenemisessa erittäin voimakkaasti, ääniaalto kohtaa raerajat erillisinä rajapintoina, ja ultraääniteorian mukaan rajapinnalla tapahtuu aina heijastumista ja taittumista. Lisäksi sironnan vaikutukset näkyvät ultraäänitarkastuksessa siinä, että tarkastettavasta kohteesta mahdollisesti saatava takaseinäkaiku vaimenee merkittävästi tai sitä ei saada lainkaan ja kohinan ("ruohon") kasvuna alla olevan kuvan mukaisesti. Kuva 230. Ultraäänen eteneminen erilaisissa raekooissa Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 32

33 E Vikojen havaittavuuteen liittyvät ongelmat Ultraäänitarkastus pulssikaikutekniikalla perustuu luotaimesta lähetetyn ultraäänen takaisin heijastumiseen aineen ja vian välisestä rajapinnasta. Parhaiten havaitaan ne viat, jotka ultraäänikeila kohtaa kohtisuorasti (ks. kuva 231 alla), kun puolestaan keilan suuntaisten vikojen havaittavuus on yleensä huono tai jopa olematon. Toisaalta valtaosa valuvioista on enemmän tai vähemmän kolmiulotteisia, joten keilan suunnalla on tällöin vähäisempi merkitys. Tällöin kuitenkin kaikukorkeus saattaa vaihdella huomattavastikin riippuen vian muodosta keilan suunnassa. Kuva 231. Ultraäänellä havaittujen virheiden havainnot kahdesta suunnasta Kuva 232. Valuvika havaitaan ut-tarkastuksessa Myös vian pinnanlaadulla on merkitystä havaittavuuden kannalta. Pienillä vioilla rosoinen pinnanlaatu saattaa heikentää havaittavuutta, koska osa äänestä heijastuu eri suuntiin. Suuremmilla vioilla rosoinen pinta voi jopa parantaa havaittavuutta, koska tällöin vian jokin pinta on kohtisuorassa äänikeilaan nähden. Pienet, pyöreämuotoiset viat, kuten huokoset, havaitaan ultraäänellä melko huonosti, koska niiden ääntä heijastava pinta-ala on varsin pieni. Tasomaiset viat, kuten halkeama, havaitaan yleensä hyvin edellyttäen, että äänikeila saadaan suunnattua mahdollisimman kohtisuoraan Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 33

34 vikaan nähden. Kiderakenteen aiheuttama kohina voi myös peittää alleen mahdolliset vioista saatava kaiut. Lisäksi on syytä muistaa, että ultraäänimenetelmä on tarkoitettu sisäisten vikojen havaitsemiseen. Pintavioille tulee käyttää pintamenetelmiä. Koska valukappaleet ovat harvoin muodoltaan yksinkertaisia, ei niiden tarkastus ole yhtä helppoa kuin esim. valssatun tangon. Myös kappaleen rakenteelliset kohdat, kuten reiät ja ainepaksuuden muutokset, saattavat peittää alleen mahdollisista vioista syntyvät näyttämät. Rakkuloiden, hiekka- ja kuonapesien, imuonkaloiden ja mikroimujen aiheuttamia näyttämiä valukappaleen ultraäänitarkastuksessa: Kuva 233. Ut-näyttämä: pallomaiset tai lieriömäiset rakkulat sekä hiekkapesät ja sulkeumat Kuva 234. Imuonkalot sekä mikroimut Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 34

35 E Tarkastuksessa huomioitavia seikkoja E Pinnanlaatu ja kytkentäaine Useimmissa tapauksissa valupinta voi olla niin karhea, että voi olla vaikeuksia saavuttaa riittävän hyvää akustista kytkentää. Lisäksi pinnan karheus voi vaihdella eri kohdissa valukappaletta, joten riittävän kytkennän ylläpitämiseen tulee kiinnittää huomiota. Käytännössä tämä merkitsee sitä, että mitä karkeampi pinta, sitä vaikeampi on ylläpitää hyvää kytkentää, mikä johtaa siihen, että tarkastusaika pitenee. Tutkimukset ovat osoittaneet, että luotauspinnan pinnankarheus vaikuttaa enemmän ultraäänen vaimenemiseen kuin vian pinnankarheus ja näin pienentää havaitsemisherkkyyttä. Kuva 235. Kytkentäainetta näkyy valukappaleen pinnassa E Luotaimen valinta Valumateriaaleissa kiderakenne on yleensä hyvin karkea, ts. kiteet ovat pääsääntöisesti suuria, mikä aiheuttaa ultraäänen voimakasta vaimennusta ja sirontaa. Jos vaimeneminen ei ole ongelma, niin tarkastukset suositellaan suoritetavaksi mahdollisimman korkeataajuuksisella (4 5 MHz) luotaimella Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 35

36 Voimakkaasti ultraääntä vaimentavilla materiaaleilla eräs soveltuva tekniikka on läpäisytekniikka, jossa yksi luotaimista toimii lähettimenä ja toinen vastaanottimena. Luotaimet sijoitetaan kappaleen vastakkaisille puolille, jolloin luonnollisesti vaatimuksena on, että pinnat ovat yhdensuuntaiset. Läpäisytekniikalla ehjästä kappaleesta saadaan kaiku ja viallisesta kappaleesta tämä kaiku pienenee tai häviää kokonaan. Vian sijaintia ei kyetä tällä tekniikalla määrittämään, joten tekniikka soveltuu käytettäväksi vain hyväksytty/hylätty -periaatteella. Kuva 236. Luotaintyypit Kuva 237. Suoran luotaimen valuvirheen havainto ja kulmaluotainhavaintotyyppi, jota ei olisi näkynyt suoralla luotaimella Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 36

37 E Tarkastuksen kattavuus Tarkastuksen kattavuus on pitkälti riippuvainen valukappaleen lopullisesta käyttötarkoituksesta, ja vaativassa kohteissa tarkastuslaajuus voi helpostikin olla 100 % tai keskittyä tietyille kriittisille alueille. Käytännössä ultraäänitarkastus tulee keskittää sellaisiin kohtiin valukappaletta, joissa vikojen esiintymistodennäköisyys on suurin tai jotka ovat komponentin käytön kannalta kriittiset. Näitä alueita ovat mm. valukappaleen paksuimmat kohdat, jotka jähmettyvät viimeiseksi, jolloin niissä voi esiintyä imuja, suotautumia ja huokosia. Lisäksi erityistä huomiota tulee kiinnittää kohtiin, joissa ainepaksuus muuttuu tai joissa on jyrkkiä kulmia, joissa voi esiintyä repeämiä ja hiekkasulkeumia. Viat saadaan luotettavimmin esille, jos äänikeila läpäisee tarkastettavan tilavuuden useammasta kuin yhdestä suunnasta. E Laitteiston säätäminen Yleiset vaatimukset vertailukappaleen suhteen pätevät myös valukappaleiden tarkastuksessa. Vertailukappaleen tulee olla samaa materiaalia ja sen lämpökäsittelytila tulee olla sama kuin tarkastettavalla kohteena. Vertailukappaleen pinnanlaadun tulee myös mahdollisimman hyvin vastata tarkastettavaa kohdetta. Yleinen periaate valukappaleiden ultraäänitarkastuksessa on, että vertailukappaleen paksuuden tulee vastata tarkastettavaa paksuutta. Käytännössä tällöin vertailukappaletta voidaan käyttää sitä ohuempien kohteiden tarkastukseen edellyttäen, että vertailuvikojen syvyydet sopivat tarkastettavan kohteen paksuudelle. Vertailukappaleen tulee olla kooltaan sellainen, että vertailuviat voidaan sijoittaa siihen niin, etteivät ne häiritse toisiaan tai vertailukappaleen reunat häiritse vertailuvioista saatavia kaikuja. Vertailuheijastajina valukappaleiden tarkastuksessa käytetään yleensä tasapohjaporauksia (FBH), joiden yleisiä halkaisijoita ovat 3, 6 tai 8 mm. Vertailuheijastajien syvyyksien tulisi olla sellaiset, että ne kattavat tarkastettavan ainepaksuusalueen mahdollisimman hyvin. DAC-käyrä piirretään matkan funktiona voi tehdä itsekin jokaiselle käsiteltävälle materiaalille sylineriporaus kulmaluotaimelle tasapohjaporaus suoralle luotaimelle Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 37

38 Kuva 238. Esimerkki kalibrointipalasta E Näyttämien tulkinta Valukappaleiden ultraäänitarkastuksessa vian paikantaminen merkitsee usein myös vian tunnistamista, koska tietyt valuviat sijoittuvat valukappaleessa tiettyihin paikkoihin. Näyttämien tulkinta valukappaleiden ultraäänitarkastuksessa voidaan suorittaa yhden tai useamman seuraavan kohdan mukaan: kohinasta erottuvasta kaiusta takaseinäkalun pienenemisestä sivuttaisessa luotauksessa havaittava takaseinäkaiun pienenemistä tai mittaamalla vian etäisyys etu- ja takaseinästä ja vähentämällä etäisyydet kokonaisainepaksuudesta Valuvikojen aiheuttamat näyttämät: Erilaisten valuvikojen aiheuttamia näyttämiä on tässä käsitelty teoreettiselta kannalta yleisellä tasolla, joten niitä ei välttämättä voida aina soveltaa suoraan käytäntöön mm. kiderakenteen aiheuttaman kohinan puuttumisen vuoksi. Ultraäänitarkastuksessa valuviat voidaan jakaa muotonsa puolesta kolmeen pääryhmään: tasomaiset viat (halkeamat, repeämät, kylmäjuoksut) tilavuusviat (imut, huokoset, sulkeumat) alueet, joissa esiintyy pienten yksittäisten vikojen kasautumia Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 38

39 Pienimmän havaittavan vikakokoäänen avulla voidaan havaita heijastajia, jotka ovat λ /2 tai suurempi (λ = äänen pituus) esim. Poikittaisaalto: Vt = 3240m/s (kulmaluotain) Taajuus 1 MHz 2 MHz 4 MHz Pienin havaittava vika: 1,6 mm 0,8 mm 0,4 mm Löytyy pienempiä virheitä, ei voi esim. käyttää austeniittisella teräksellä. Pitkittäisaalto: Vt = 5900m/s (suora luotain) Taajuus 1 MHz 2 MHz 4 MHz Pienin havaittava vika: 3 mm 1,5 mm 0,7 mm Havaitsee isompia virheitä, voi käyttää esim. jo austeniittisella teräksellä. E Vertailukappaleet Vertailukappaleella tulee olla samat akustiset ominaisuudet ja samanlainen pinnanlaatu kuin tarkastettavalla kohteella. E Laitteen säätäminen Etäisyysasteikko säädetään osapuolten sopimien tarkistuskappaleiden avulla. Säätäminen voidaan suorittaa myös tarkasteltavan kappaleen tunnettuun paksuuteen, jonka pinnat ovat samansuuntaiset. E.6 Radiograafinen tarkastus Radiografisia tarkastusmenetelmiä käytetään sisäisten vikojen tutkimiseen. Tarkastus tapahtuu siten, että tutkittavan kohdan läpi lähetetään röntgen- tai isotooppisäteilyä. Säteilylähteen vastakkaiselle puolelle sijoitetaan filmi. Intensiteetin vaimenemisesta johtuen mahdolliset viat näkyvät filmillä. RG on melko yleinen tarkastusmenetelmä kallis, hidas, monivaiheinen (valotus, kehitys, luokittelu, koevalotukset) säteilylähteen varaustila vaikuttaa valotusaikaan, sädetysajat yleensä pitkiä vaikuttaa läpimenoaikaan kuvaussuunnitelma laadittava vaatii erityisen, siihen suunnitellun tilan Pekka Niemi Valukappaleen tarkastusmenetelmät - 39