ULTRASONİK EĞİTİM ÇALIŞMA NOTLARI Giriş : Ultrasonik dalgalar ara yüzeylerden kuvvetle yansırlar. Çatlaklar, ince tabaka toplanmaları, büzülmeler, çukurlar, boşluklar, gözenekli kısımlar ve iç yapıda sürekliliği bozan yapılar ( süreksizlikler ) ara yüzey oluşturduklarından kolaylıkla incelenebilmektedir. Tanımlar; Ultrasonik muayene 0,1 ile 25 MHz frekansta olan ses dalgaları ile yapılmaktadır. Hertz ( Hz ) ; Saniye başına düşen devir sayısını ( frekansı ) ifade eder. 1 Hz saniyede 1 devir dir. 1 MHz 1.000.000 Hz. ( 1 MHz saniye başına 1.000.000 / s ifade eder. ) 1 GHz 1.000.000.000 Hz. 1 Hz = 1/s dir. Genlik ( A ) ; Salınım hareketi içerisindeki bir cismin başlangıç noktasına göre yaptığı maksimum yer değiştirme değerine denir. Periyot ( T ) ( Saniye s ) ; Bir tam salınım hareketinin tamamlanması için gerekli olan zamana denir. Frekans ( f ) ( Hertz ) ; Bir saniye içerisinde gerçekleşen salınım sayısına denir. Hertz=1/s dir Frekans ile periyot arasında f=1/t ilişkisi vardır. A. DALGA ÇEŞİTLERİ Boyuna Dalgalar ( Basınç Dalgaları ) : Katı, Sıvı ve Gaz ortamında yayılabilen ses dalgalarıdır. Salınım yönleri ile yayılma yönleri aynıdır. En yaygın olarak kullanılan ultrasonik dalga türüdür. Boyuna dalgaların hızı yaklaşık olarak çelikte (katı) 5920 m/s, suda ( sıvı ) 1500 m/s ve havada ( gaz ) 340 m/s dir. CB ile gösterilir. Enine Dalgalar ( Kayma-Kesme Dalgaları ) : Salınım yönleri ile yayılım yönleri birbirine diktir. Yalnızca katı ortamlarda yayılırlar. Enine dalganın hızı çelikte ( katı ) 3250 m/sn dir. CE ile gösterilir. Yüzey Dalgaları ( Rayleigh Dalgaları ) : Malzeme yüzeyinde yayılabilmektedir. Katı ve gaz ara yüzeynde ilerler. Malzeme yüzeyinden en fazla bir dalga boyu derinlikte yayılabilmektedir. Yüzey dalgaları CS ile gösterilir. Yüzey dalgalarını, boyuna dalgaları malzeme yüzeyine belli bir kritik açı altında göndererek üretmek mümkündür. Örnek olarak çelik malzemeye pleksiglas bir bloktan 57 geliş açısıyla boyuna dalgalar göndererek yüzey dalgaları elde etmek mümkündür. Lamb Dalgaları ( Laminasyon Dalgaları ) : İnce bir levha kalınlığında yayılan ve belirli bir geliş açısı, frekans ve levha kalınlığında üretilebilen dalga tipidir. Cp olarak gösterilir. Yalnızca katı ortamda yayılırlar. Yukarıda bahsi geçen dalga türlerinin ses hızları arasında; CB > CE > CS > CP bağıntı vardır.
Ultrasonik Ses Dalgalarının Üretimi Ultrasonik muayenede kullanılan yüksek frekanslı ses dalgaları; manyetostriktif ve piezoelektrik etki olmak üzere iki yöntemle oluşur. Manyetostriktif Etki ; Ferromanyetik karakterli ( demir, nikel, kobalt ve alaşımları ) malzemelerin bir manyetik alan içerisine sokulduklarında uğradıkları şekil değişimidir. Piezoelektrik Etki ; Piezoeletrik element adı verilen bir malzemenin elektrik enerjisini mekanik enerjiye mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirmesine denir. Piezoelektrik elementlerin kalınlığı ortaya çıkan ses dalgalarının frekansını belirler. f = C / 2.d dir. f : Frekans C : Ses Hızı d: Kristal Kalınlığı Piezoeletrik Kristaller ve Özellikleri ; Probların yapımında çoğu zaman Piezoelektrik özelliğine sahip kristaller kullanılır. Piezoelektrik malzemeler doğal kristaller ve polarize seramikler olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Doğal kristallerin başlıcaları, Kuvartz ( SiO2 ), Rochelle tuzu ve turmalindir. En büyük kullanım avantajları yüksek sıcaklıkta muayene imkanı sağlar ve aşınmaya karşı daha dirençlidirler. Polarize kristallerin başlıcaları, Kurşun zirkonat, Baryum titanat ( BaTiO3 ) dır. Daha yüksek duyarlılığa ve daha düşük üretim maliyetine sahiptir. * Ses Hızına olan Etkiler Nelerdir? Akustik Empedans ( Z ) ; Bir malzemede ultrasonik dalgaların yayılmasına karşı gösterilen dirence akustik empedans denir. Z = C. q ile belirtilir. ( kg / m² s ) Ses dalgaları farklı bir akustik empedans ile karşılaştıklarında geri yansırlar. C: Ses Hızı q. Yoğunluk Akustik Basınç ( P ) ; Ultrasonik dalgalar tarafından malzemeye uygulanan değişken gerilmelerin genliğini ifade etmek için kulanılan terimdir. P=Z.a ile belirtilir. Z= Akustik Empedans a = Parçacık Titreşiminin Genliğidir. İki basın arasındaki fark ; Artış; db = 20 log A1 / A 2 2 db lik artışta 1,25 kat 6 db lik artışta 2 kat 14 db lik artışta 5 kat artış sağlanır. ( 6 + 6 + 2 ) 20 db lik arışta 10 kat ( 6 + 6 + 6 + 2 ) Akustik Şiddet ( I ) ; Ultrasonik ses dalgalarının yayılması sırasında yayılma yönlerindeki birim kesitten geçen mekanik enerji miktarına Ultrasonik dalgaların şiddeti denir. I= P² / 2.Z = P.(a / 2 ) bağıntısı ile gösterilir.
Ultrasonik Dalgaların Zayıflaması ; Ultrasonik dalgaların çeşitli etkenlerle şiddet ve enerjilerini kaybetmesine Ultrasonik Zayıflama denir. Dalgaların zayıflaması kavramının anlaşılabilmesi için öncelikle malzeme iç yapısının özelliklerine kısaca değinelim. Metalik malzemelerin tamamı polikristal ( çok kristalli ) malzemeler olarak adlandırılır. Malzeme içerisindeki ses dalgalarının zayıflaması malzemenin tane yapısı ile birebir ilgilidir. Ultrasonik Dalgalarında Zayıflamanın Nedenleri ; Demet genişlemesi ; Ses dalgalarının bir ortamda ilerlerken sürekli olan şiddetlerinin zayıfladıkları bilinir. En ideal malzemelerde bile ses şiddeti mesafeye bağlı olarak ses demeti genişlemesinden dolayı azalmaktadır. Soğurulma ; Ses dalgalarının malzeme içerisinde ilerlerken enerjisinin iç sürtünmeler nedeni ile ısı enerjisine dönüşmesi olayıdır. Frekans yükseldikçe iç sürtünme ve soğurulma artmaktadır. Saçılma ; Malzemenin tam olarak homojen olmamasından kaynaklanmaktadır. Ultrasonik dalgaların tane sırlarının yüzey ile etkileşmeleri sonucu saçılarak meydana gelen ses zayıflama mekanizmasıdır. Saçılan ses dalgalarının tekrar proba dönmesi çimlenme etkisi adı verilen ultrasonik muayene ekranında belirtiler halinde gözlemlenir. Tane boyutu arttıkça ve ses dalgalarının frekansı artıkça saçılma miktarı artış gösterir. Yoğunluk arttıkça saçılma azalır. Sesin Malzemede Yayılması Sırasında Oluşan Zayıflama Kayıpları Saçılma ve soğurulma ile meydana gelen zayıflama sonucu ses basıncının azalması aşağıdaki fonksiyon ile ile ifade edilir. P : X Mesafedeki ses basıncı. Po : Başlangıçtaki ses basıncı. x : Malzemede sesin aldığı yol. Φ : Zayıflama Katsayısı
Bulunacak hata boyutları dalga boyunun yarısı ile orantılıdır. Dalga boyu ne kadar küçük olursa malzemenin tane sınırı ( tane yapısı ) ile etkileşim o kadar fazla olur. ( Saçılma fazla olur ) Ara Yüzey Kayıpları ; Ultrasonik Dalgaların Ara Yüzeylerdeki Davranışları Ultrasonik dalgalar özelliği ( yoğunluğu, akustik empedansı, ) farklı olan bir ortamdan diğerine geçerken kırılma ve yansımaya uğrarlar. Yansıma ve kırılma açıları Snell Kanunu ile hesaplanmaktadır. Bu kanuna göre; Sinα / Sinß =C1 / C2 dir. Bir ses dalgasının boyuna dalgadan enine dalgaya veya enine dalgadan boyuna dalgaya dönüşmesine mod dönüşümü denir. Ara yüzeye gelen ses dalgalarının %100 dönüşüm gösterdiği veya %100 yansımaya uğradığı açı değerine kritik açı denir. Örnek değerlendirmeler Ek de bulunmaktadır. Perspex Çelik ara yüzeyler için krtik açılar. ( Açılı problar çelik içerisine verdikleri enine dalganın kırılma açısı ile anılırlar. ) B. PROBLAR Ultrasonik problar, elektrik enerjisinin ultrasonik enerjiye ve ultrasonik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü yerdir. Endüstride kullanılan tüm problar imalatçıları tarafından belirli özellikleri belirtilerek satışa sunulur.
Problar; Normal Prob : Muayene parçasına ses dalgalarını dik olarak gönderen problardır. Normal problar boyuna dalgalar üretirler. 6 mm. Den aşağı kalınlıktaki malzemelerde UT kontrolü yapılmaz. Açılı Prob : Muayene parçasına ses dalgalarını belirli bir açı ile ( 45,60 ve 70 ) gönderen problardır. Açılı problar enine dalgalar üretir. Özellikle kaynak dikişlerinin kontrolünde kullanılır. ( Açılı problar çelik içerisine verdikleri enine dalganın kırılma açısı ile anılırlar. ) 8 mm. Den aşağı kalınlıktaki malzemelerde UT kontrolü yapılmaz. T/R Prob ( Çift Kristalli Prob ) : İnce et kalınlığına sahip parçaların muayene edilmesi amacı ile geliştirilmiş çift kristal içeren problardır. Kristallerden birisi verici olarak çalışırken diğeri alıcı olarak çalışır. İnce malzemelerde hassas bir muayene sağlar. Yüzeye yakın hataların incelenmesinde kullanılırlar. Boyuna dalga üretir ve algılarlar. Daldırma Tipi Prob : Normal prob ile aynı yapıya sahip olan daldırma tipi problar özellikle otomasyon tipi muayenelerde kullanılır. Su içerisinde kullanılan bu probların en önemli özelliği sızdırmazlık özelliğine sahip olmalarıdır. Muayene parçasına doğrudan temasa gerek yoktur. Prob Seçimi ; Genellikle 1 5 MHz arasında problar tercih edilir. Büyük taneli döküm ürünlerde frekans 1 MHz veya 0,5 MHz prob tercih edilir. Prob seçiminde, belirleyici olan probun; Kristal Çapı ; Yakın alan uzunluğu ve eğri yüzeyli malzemelerde temas yüzdesi göz önüne alınır. Prob çapı küçüldükçe yakın alan kısalmaktadır. Frekans ; Mümkün mertebe yüksek frekans ile çalışmak, hem daha küçük hataların algılanmasını sağlar hemde ayırma gücünü iyileştirir. Frekans seçiminde asıl belirleyici faktör malzemenin tane boyutudur. Tane boyutu büyüdükçe artan saçılma ve soğurulmayı azaltmak için düşük frekans seçilmelidir. Ayrıca malzeme kalınlığı arttıkça frekans düşürülmelidir. Yüksek frekans kaba taneli malzemede saçılmaya ve ekranda çimlenme denilen sinyallerin oluşmasına neden olur. Frekans yükseldikçe hassasiyet artar. Pürüzlü yüzeylerde düşük frekans tercih edilir. Düşük frekans ile yapılacak muayenelerde tespit duyarlılığı artar. Yüksek frekans ile yapılırsa ayırt etme gücü yüksek olur ve konumlandırma daha net ve kesin olur. Demet Yönüdür ; Önce açılı yada normal problardan birine karar verilir. Açılı prob kullanıldığında prob açısı hatadan maksimum yansıma elde edilecek şekilde seçilir. Yani beklenen hataya ses demetinin dik olarak çarpması düşünülür. Bunun için kaynak dikişlerinin muayenesinde açılı prob tercih edilir.
Bunların arasındaki bağıntılar, N=D².f / 4.C = D²/ 4.λ C=f.λ Ɣ = C / f.d = λ / D dır. N: Yakın Alan Boyu λ : Dalga Boyu D : Kristal Çapı f : Frekans C : Ses Hızı C. UT MUAYENE CİHAZLARI UT Muayene cihazlarında Zaman devresi, Tarama Devresi, Darbe Devresi, Algılama ve Yükseltme Devresi ve probdan oluşur. UT Cihazlarında Tarama Şekilleri ; UT de tarama şekilleri 3 e ayrılır. A Tarama, B Tarama, C Tarama görüntüsüdür. A Tarama ; Ultrasonik enerjinin zamana bağlı olarak gösterimidir. Dikey eksende enerji mitarı gösterilirken yatay eksende zamanı vermektedir. A Taramada yüzeyin derinliği veya malzemenin et kalınlığı yankının konumundan tespit edilir. Ayrıca bilinen bir yansıtıcından gelen yankı yüksekliğiyle karşılaştırmak suretiyle süreksizliklerin yankı yüksekliğinden süreksizlik boyu tahmini yapılabilir. B Tarama ; Test parçasının kesitsel görüntüsüdür. Dolayısıyla bu tarama tipinde parça içerisindeki süreksizliklerin boyu ve derinliği birlikte görülür. C Tarama : Daldırma tip otomasyon muayene sistemlerinde kullanılan ve test parçası içerisindeki mevcut süreksizliklerin yüzeyden görüntüsünü veren tarama şeklidir. C Tarama görüntüsünde mevcut süreksizliklerin derinliği hakkında herhangi bir bilgi sahibi olunamaz.
D. KALİBRASYON Kalibrasyona Başlamadan Önce Dikkat Edilecek Hususlar ; Range 2.d.1.25 dır. ( d: malzeme kalınlığıdır. ) Normal prob Range 2.d / cos a dır. Açılı prob ( a : prob açısı ) Normal Prob ile Kalibrasyon ; Referans kalınlıkları Ref1 : 25 / Ref 2 : 75 seçilir. Refcont. : 50 ( ortadaki pick ) dir. T/R Çift Kristalli Prob ile Kalibrasyon ; Referans kalınlıkları Ref1 : X1 / Ref2 : X2 seçilir. Refcont. : X3 ( ortadaki pick ) dir. Açılı Prob ile Kalibrasyon ; Referans kalınlıkları Ref1 : 25 / Ref 2 : 100 seçilir. Refcont. : 50 ( ortadaki pick ) dir.