A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.5
Terjedési idő diffrakció – a félautomatikus ellenőrzéstől a félautomatikus értelmezésig Tárgyszavak: minőség-ellenőrzés; roncsolásmentes vizsgálat; ultrahang.
Az ultrahang-frekvenciás terjedési idő diffrakció (TOFD, time-of-flight diffraction) a roncsolásmentes anyagvizsgálat egyik legújabb fejlesztési eredménye. Igen jól bevált acél szerkezetek hegesztett kötéseinek ellenőrzésére; lehetővé teszi a hibák igen pontos jellemzését, helyzet- és méretmeghatározását. A hagyományos ultrahang-frekvenciás módszereknél sokkal nagyobb valószínűséggel végzi a hibák kimutatását. Az eljárás népszerűségének gyors növekedése arra ösztönözte az illetékeseket, hogy kidolgozzák a vonatkozó szabványokat és a hibaméretmeghatározás előírásait. Minden valószínűség szerint a TOFD vizsgálat adatainak értelmezésére a jövőben fokozott mértékben fogják alkalmazni az ASTM E-1961-98 és az API 1104 szabványelőírásokat. A kézi erővel végzett ultrahang-frekvenciás minőség-ellenőrzés a vizsgálatot végző személy kifáradása és szemének megerőltetése következtében elkerülhetetlenül hibával jár. Erre való tekintettel például a távérzékelés és az orvosi átvilágítási technikák területén mindinkább az ilyen műveletekkel járó adatgyűjtés, -feldolgozás, sőt bizonyos mértékig az adatértelmezés gépesítésére és automatizálására törekszenek. Bár az ilyen jellegű automatizálás sohasem lesz képes a gyakorlott szakemberrel egyenértékű tevékenységre, a rutinszerű és munkaigényes feladatok esetében nyilvánvalóan csökkenteni fogja a látás és a szellemi munka igénybevételét. Ezáltal a szakember tapasztalatát eredményesebben lehet majd hasznosítani ott, ahol fontos az emberi itélőképesség. Tehát számítani lehet arra, hogy fokozódik az értelmezési folyamat megbízhatósága, következetessége és hatékonysága. Mindez végeredményben megnöveli az értelmezési műveletek teljesítményét és csökkenti a költségeket.
A következők olyan eljárást bemutatnak be, amely a hegesztési hibák TOFD technikával végzett vizsgálatakor elősegíti a detektálást, a méretmeghatározást és jellemzést. A képfeldolgozás, az ábrafelismerés és a mesterséges neuronhálózatok kombinációja teszi lehetővé, hogy a detektált adatokból kiindulva – figyelembe véve a vonatkozó szabványokat és előírásokat – valós időben, félautomatikusan oldják meg a hibakimutatást, a méret meghatározását, a helyzet azonosítását és a hibák osztályozását.
A TOFD eljárás A hagyományos ultrahang-frekvenciás módszer esetében a hegesztési hiba helyének és méretének meghatározásához a visszaverődő impulzus haladási ideje és a jelamplitúdó szolgál alapul. Tekintettel arra, hogy a visszaverődő impulzus amplitúdóját a céltárgy méretein kívül más tényezők is (a hiba irányítottsága, áteresztőképessége és a felületsimaság) befolyásolják. Az impulzus-visszaverődéses módszer nem minden esetben szolgáltat a méretre vonatkozó megbízható és pontos információt. Másrészt a TOFD esetében a visszaverődő jel intenzitása nem függ a hiba tájolásától, tehát a hiba mérete pontosan meghatározható (a pontos értéktől való eltérés általában a falvastagság ±2%-a, legtöbbször ±1 mm-en belül van). A hibakimutatás valószínűsége mintegy 95%. A hibaméret meghatározásának pontossága pedig függ a hiba széleitől visszavert jel terjedési idejének mérési pontosságától. mozgásirány „D-pásztázás” esetén heganyag adó
laterális hullám
repedés
vevő
energiadiffrakció hátoldali visszavert hullám
1. ábra A TOFD módszer vázlata
A TOFD eljárás lényege tehát, hogy a hiba csúcsáról visszaverődő ultrahang-frekvenciás hullám haladási idejét mérik. A méréshez felhasznált adó és vevő egy-egy hosszirányú, széles sávú szonda, amelyek a hiba teljes felületét érő hullámokat bocsátanak ki, ill. detektálnak, vagyis egyetlen helyezéssel végzik a vizsgálatot (1. ábra). A detektált adatok megjeleníthetők összevontan („A-pásztázás”), vagy szétbontva, egymás mellett (hosszirányban „D-pásztázás”, vagy párhuzamosan, „B-pásztázás”). A „D-” és „B-pásztázás” elvét és eredményeit a 2. ábra mutatja be.
laterális hullám
terjedési idő
mozgásirány heganyag „D-pásztázás” esetén
X adó
vevő
hátoldali visszavert hullám
Y
X laterális hullám
X
terjedési idő
heganyag
mozgásirány „B-pásztázás” esetén
adó Y
vevő
hátoldali visszavert hullám Y
2. ábra A TOFD „D-pásztázás” és „B-pásztázás” Amikor az ultrahang-frekvenciás hullám hibába ütközik, egy része visszaverődik, egy része áthatol és diffraktálódik. A Huygens-elvnek megfelelően a hiba csúcsa a diffrakciós energia pontforrásaként viselkedik, és a terjedési szög szélesebb, mint visszaverődés és áthatolás esetében. A hiba széleiről kisugárzó diffrakciós energia alapján jól lehet értékelni a hibahelyet és méretet, mivel közvetlen kapcsolatban van a hiba valódi helyzetével és méretével.
nyers adatok
előfeldolgozás
hibadetektálás
helyzet- és méretmeghatározás
hibaosztályozás (BS 7706) hibaosztályozás (ASME XI)
utófeldolgozás
értelmezési eredmények
A TOFD adatok általában négy tipikus jelre vonatkoznak: – a laterális hullámot az a hullám gerjeszti, amelyik az adószondából közvetlenül a vevő szondába jut a felület mentén, a legrövidebb terjedési idő alatt, közel akkora sebességgel, mint amekkora a longitudinális hullám sebessége a vizsgált anyagban; – a hiba felső csúcsáról visszaverődő hullám, amely a diffrakciót követőleg a longitudinális hullám sebességével halad; – a hiba alsó csúcsáról visszaverődő hullám, amely a diffrakciót követőleg szintén a longitudinális hullám sebességével halad; – hátoldali visszaverődés, amit az alsó felületről visszaverődő konvertált módusú és longitudinális hullámok gerjesztenek. A konvertált módusú visszavert hullám a TOFD képen közvetlenül a hátoldali visszaverődés után, az alatt jelenik meg. A kis mélységű hibák esetében jó felbontóképességet nyújtva jelentkezik, különösen akkor, amikor a hiba oldalirányban az egyik detektorhoz közelebb van, mint a másikhoz. Minden esetben – ezeknek a visszavert hullámoknak a kisebb sebessége következtében – jobb felbontóképesség érhető el, mint kompressziós hullámokat alkalmazva. Bár ezt az adatot gyakran nem veszik figyelembe (azért, hogy kihasználják a feldolgozási időt), vannak esetek, amikor ennek a szakasznak a vizsgálata révén megismerhetjük a hibák alakját és jellegét. Figyelembe véve azt, hogy a gyakorlott szakember hogyan végzi – az előírások (BS 7706, C függelék) szerinti sorrendben – a TOFD adatok értelemzését, valamint kihasználva a rendelkezésre álló interaktiv szoftver lehetőségeit, összeállították a vizsgálati eredmény értelmezésének korszerűsített tömbvázlatát (3. ábra).
3. ábra A javasolt félautomatikus értelmezési rendszer tömbvázlata Mindegyik fázis több olyan folyamatból áll, amelyeket egymást követőleg elvégezve helyesen csatlakoztatható a következő fázis, majd végül megkaphatjuk az értelmezés eredményét. A tömbvázlat egyes fá-
zisai: előfeldolgozás, hibakimutatás, a hiba méretének és helyzetének meghatározása, hibaszabályozás, utófeldolgozás. Előfeldolgozás
előprocesszált adatok nyers adatok
zajelnyomás
kinullázási korrekció
a pásztázás összehangolása
a laterális és a hátoldalról visszaverődő jelek helyzetének becslése
előprocesszálási fázis
Az adatszerzési folyamat sajátosságainak következtében a beérkező TOFD jel zajos, helyzete torzult. A kezdeti feldolgozás feladata az adatok minőségének és konzisztenciájának javítása. Ezáltal a hiba megbízhatóan jellemezhető és helyzete pontosan meghatározható. Az előfeldolgozás folyamán (4. ábra) megy végbe – a zajelnyomás (a jel/zaj viszonyszám javítása a jelátlagolással, a térbeli felbontóképesség minimális veszteségével), – az eltolódás korrigálása (a műszernullapont eltolódásának kiküszöbölése), – a pásztázási folyamat helyezése (az egyes „A” pásztázások folyamatos illesztése) és – a laterális hullám, valamint a hátoldali visszavert hullám becslés alapján végzett helyezése (a fázisinformáció alapján).
4. ábra Az előfeldolgozási fázis tömbvázlata Az előfeldolgozási (előfeldolgozási) szakaszban különös gondot kell fordítani a pásztázások összehangolására, mivel ezáltal érhető el a kedvezőtlen adatszerzési körülmények miatt kialakuló adathibák helyesbítése. A korrigált adatok a későbbiekben is megkönnyítik a laterális hullám és hátoldali visszavert jel helyzetének becslését, a hibadetektálást, a fázisbecslést, a méretmeghatározást és a hibák osztályozását. Hibadetektálás A laterális hullám és a hátoldali visszavert jelek helyzetének automatikus becslése után a hiba azonosítására a hosszirányú hullám jeleit hasznosítják. Szükség esetén további információt szolgáltathatnak a
hátoldali visszaverődést követő konvertált módusú jelek. A kapott adatoknak csupán egy kis töredéke jellemzi a hibákat. A lehetséges hibaövezetek kijelölése módot nyújt arra, hogy a későbbi műveletek során a jel/zaj viszony javítása eredményesebb legyen. hibadetektálási fázis előfeldolgozást nyert
a háttérzaj elnyomása
helyi statisztikák
képfelbontás
előprocesszált adatok
5. ábra A hibadetektálási fázis tömbvázlata A hibadetektálás három alapvető műveletből áll (5. ábra). Ezek: – a háttérzaj törlése, – a helyi statisztikai jellemzők számítása (a TOFD ábrák helyi statisztikai tulajdonságainak elemzése a visszaverődések kiemelése révén) és – az automatikus szegmentálás elvégzése ezeknek a jellemzőknek a felhasználásával. A helyi statisztikai küszöbérték meghatározása lehetővé teszi a leképzés egyes elemi képpontjainak osztályozását aszerint, hogy hibához tartoznak e, vagy nem. Az automatikus eljárás hatékonyságát kísérletileg is ellenőrizték, és 100%-os hibadetektálási pontosságot értek el. A hiba méretének és helyének meghatározása A TOFD népszerűsége elsősorban annak köszönhető, hogy nemcsak a hibák helyzetét, hanem azok méreteit is képes pontosan meghatározni. Jelenleg általában kézzel, kurzor segítségével határozzák meg a méretet. Viszont a hiba azonosítása és körvonalának kijelölése után a pontos helyzet- és méretmeghatározás már automatizálható. A TOFD-ra vonatkozó brit szabvány (BS 7706, 1993) szerint a hiba mélységét a hibáról visszavert felső visszhang felület alatti mélysége adja meg, a hiba vastagságát pedig a hiba felső és alsó felületéről visszavert hullámok közötti távolság jelenti.
A hiba alsó és felső végeiről visszavert laterális és hátoldali hullámok között 180 fokos fáziskülönbség van. A hiba alsó felületéről visszavert hullám nagyjából fázisban van a laterális hullámmal, viszont a hiba felső felületéről visszavert hullám és a hátoldali visszavert hullám fáziskülönbsége nagyjából 45 fokos. Ezeknek a fáziseltéréseknek az alapján lehetőség van fokozott mértékben pontos méret- és helyzetmeghatározásra, bár sok esetben ezeket a fáziskülönbségeket még a gyakorlott szem sem képes azonnal felismerni. Ez még jobban alátámasztja a folyamat automatizálásának indokoltságát. A TOFD ellenőrzés esetében általában a hiba hosszát közvetlenül a „D” pásztázási (hosszirányú) módus alapján, közvetlenül lehet becsülni. A hosszérték matematikai korrelációs módszerrel pontosítható. A kritikus hatású hibák esetében a TOFD módszert ajánlatos a legpontosabb eredményt szolgáltató párhuzamos, „B” pásztázási módusban alkalmazni. Ezzel tisztázni lehetne a kétértelműségeket, a hibáról kiinduló többszörös visszaverődéseket. Amikor a mérőátalakító-páros távolodik a hibától – a hibáról visszaverődő hullámok alapján – matematikai eszközök felhasználásával pontosabban lehet becsülni a hiba alakját és típusát. A folyamat automatizálása révén van lehetőség lényegesen gyorsabban, megbízhatóan azonosítani a hibát. Hasonló a helyzet a hiba mélységének értékelésekor. Ezt az elvégzett kísérletek is igazolják.
A hibák osztályozása Legtöbb szabvány ajánlása szerint a hibajellemzési folyamatnak közvetlenül követnie kell a hiba kimutatását. Ez a súlyos és az enyhébb hibák közötti megkülönböztetést szolgálja. Bár a TOFD módszer önmagában nem képes teljes mértékben jellemezni a hibákat, azonban alkalmas arra, hogy a hiba helyzete, mérete és geometriai formája alapján nagy vonalakban osztályozást végezzen. A TOFD módszerre vonatkozó brit szabvány a következő kategóriákat különbözteti meg: 1. lapos hibák (többek között felső repedések, belső repedések, alsó repedések és beolvadási hiány); 2. volumetrikus hibák (pl. beégési hibák és nagyméretű salakvonalak); 3. vonalszerű hibák; 4. pontszerű hibák (beleértve a porozitást és a kis salakzárványokat); 5. nem osztályozható hibák.
Az ASME XI előírás viszont a következő kategóriákat alkalmazza: 1. egyik felülete szabad; 2. teljesen belső; 3. belső, de kissé közel van az egyik felülethez; 4. egészen kis felületi törés. Ezen a két osztályozási skálán kívül egy újabb rendszert dolgoztak ki a gyors és megbízható automatikus minősítés céljaira (6. ábra). hibaosztályozási fázis jellemzők kiemelése
detektált hibák
mintafelismerés
hibaosztályozás
osztályozott hiba
6. ábra A hibaosztályozási fázis tömbvázlata A rendszer az „A-pásztázás” és a „D-pásztázás” egyes paramétereit felhasználva hozza létre a neuronhálózattal végzett osztályozási strukturát. A neuronhálózat betanított algoritmusa lehetővé teszi a paraméterek súlyozását és a küszöbértékek alapján éri el az értékelési hiba minimumra csökkentését. A „begyakorlott” hálózat korábban még elő nem fordult eseteket is értékelni tud. A BS szabvány ajánlásának megfelelően az értékelés a legpesszimistább osztályozást alkalmazza olyankor, amikor a hálózati értékelés eredménye bizonytalan. Az új eljárás jól bevált a gyakorlati próbán. A repedés jellegű hibákat 100%-os biztonsággal tudta kimutatni. Utóprocesszálás
utófeldolgozási fázis előfeldolgozott kép
léptékváltás
az idő–mélység összefüggés átalakítása
alkalmassági kritérium
végső beszámoló
7. ábra Az utófeldolgozási fázis tömbvázlata
az eredmények értelmezése
Az eddigi értékeléseket a kép alapján, nem pedig a tényleges mélység és a hibahossz figyelembevételével végezték. Ezért utóprocesszálási folyamatra van szükség a tényleges méret- és helyzetmérési adatok meghatározása érdekében. A 7. ábra négyfázisú rendszert mutat be.
Az ismertetett négyfázisú utófeldolgozó rendszer feladata, hogy a méreteket és a mélységi értékeket automatikusan újraskálázva, hosszegységekben állítsa elő. A kategorizálás ezeket a módosított értékeket veszi figyelembe. Tehát a végeredmény a mélység, magasság, szélesség és távolság értékeket szolgáltatja hibakategóriánként, színkódolásos, szemmel jól áttekinthető formában.
Következtetések A TOFD félautomatikus feldolgozás módszerét különböző vastagságú és különböző típusú hibákat tartalmazó acéllemezeken hajtották végre. Az eljárás megbízhatóbban és egészen rövid idő alatt végezte el az ellenőrzést, a szakemberek által végrehajtott minőség-ellenőrzéshez viszonyítva. Különösen valós időben végzett vizsgálat és nagy mennyiségű adat értelmezése esetén célszerű a félautomatikus eljárást alkalmazni. A félautomatikus értelmezés kombinálása automatikus ellenőrzéssel rendkívül hasznos a gyakorlott minőségellenőr számára, amennyiben képes csökkenteni a kifáradás okozta emberi hiba lehetőségét. Összeállította: Dr. Barna Györgyné Al-Nuaimy, W.; Zahran, O.: Time-of-flight diffraction – from semi-automatic inspection to semi-automatic interpretation. = Insight, 47. k. 10. sz. 2005. p. 639–644. British Standards Institution, Welding – Use of time-of-flight diffraction technique (TOFD) for examination of welds. = British Standards Institute, DD CEN/TS 14751, 2004. Nuaimy, W. A.; Zahran, O.: Welding defect pattern recogition in TOFD signals. – Linear classifiers. = Insight, 47. k. 10. sz. 2005. p. 639–644. Moura, E. P.; Siqueira, M. H. stb.: Welding defect pattern recognition in time-of-flight diffraction signals. = Insight, 47. k. 12. sz. 2005. p. 777–782.
