Spoiny stanowią niezwykle ważne elementy konstrukcji spawanych – od ich jakości zależy wytrzymałość i bezpieczeństwo całej struktury. Podczas procesu spawania mogą niestety powstawać różnego rodzaju wady spawalnicze, takie jak pęknięcia, porowatość, wtrącenia czy brak przetopu. Aby wykryć takie defekty w spoinach i ocenić jakość połączeń, stosuje się specjalistyczne badania nieniszczące. Metody NDT (ang. Non-Destructive Testing) pozwalają sprawdzić spoiny bez niszczenia komponentów – dzięki temu konstrukcja pozostaje nienaruszona, a jednocześnie uzyskujemy cenne informacje o ewentualnych nieciągłościach.
W praktyce istnieje kilka metod badań NDT wykorzystywanych do kontroli spoin. Każda z nich charakteryzuje się innym sposobem działania i zakresem wykrywanych wad. Poniżej przedstawiamy porównanie najpopularniejszych metod NDT stosowanych przy inspekcji spoin oraz omawiamy, jak skutecznie potrafią one ujawniać ukryte niezgodności.
Badania nieniszczące spoin – najważniejsze metody
Badając złącza spawane, inżynierowie korzystają z kilku głównych technik NDT. Do najczęściej stosowanych metod kontroli spoin należą między innymi: badania wizualne, badania penetracyjne, badania magnetyczno-proszkowe, badania ultradźwiękowe oraz badania radiograficzne. Każda z nich sprawdza się w nieco innych warunkach i potrafi wykryć określony rodzaj niezgodności. Poniżej opisujemy, na czym polegają poszczególne metody i jakie defekty pozwalają wykryć.
Badania wizualne (VT)
Badanie wizualne spoin (VT, ang. Visual Testing) to podstawowa i najprostsza metoda oceny jakości złącza spawanego. Polega na dokładnych oględzinach wykonanej spoiny za pomocą wzroku, często wspomaganego lupą, endoskopem przemysłowym lub innymi narzędziami optycznymi. Inspektor sprawdza geometrię spoiny, ciągłość lica oraz obecność widocznych nieprawidłowości powierzchniowych.
Podczas kontroli wizualnej można wykryć wiele wad powierzchniowych. Należą do nich m.in. pęknięcia widoczne gołym okiem, podtopienia, nadmierne podlewy, przyklejenia, brak przetopu od strony lica, odpryski czy nierównomierności w profilu spoiny. Ponadto metoda VT pozwala ocenić staranność wykonania – inspektor sprawdza, czy spoina ma prawidłowy kształt, wymiary oraz czy jest zgodna z wymaganiami technicznymi i dokumentacją.
Niewątpliwą zaletą badania wizualnego jest jego szybkość i niski koszt. Często wykonuje się je już bezpośrednio po spawaniu jako wstępną kontrolę jakości. Ograniczeniem jest natomiast fakt, że wzrok wychwytuje jedynie defekty znajdujące się na powierzchni spoiny lub tuż pod nią – i to tylko te o wystarczająco dużych rozmiarach. Bardzo drobne pęknięcia czy nieciągłości wewnątrz spoiny pozostaną niewidoczne dla oka. Z tego powodu badania wizualne najczęściej stanowią pierwszy etap inspekcji, po którym do akcji wkraczają bardziej zaawansowane techniki NDT.
Badania penetracyjne (PT)
Badania penetracyjne (PT, ang. Penetrant Testing) należą do najpopularniejszych metod wykrywania powierzchniowych niezgodności materiałowych. Technika PT polega na wykorzystaniu specjalnych cieczy (barwnikowych lub fluorescencyjnych penetrantów), które wnikają w otwarte na powierzchni defekty. Procedura jest stosunkowo prosta: najpierw powierzchnię spoiny dokładnie się oczyszcza, następnie aplikuje penetrant w formie sprayu lub pędzlem i odczekuje, aż ciecz wpełznie w mikroszczeliny, pory czy pęknięcia. Nadmiar penetrantu zostaje usunięty, po czym nanosi się wywoływacz (biały spray), który wyciąga zaległą ciecz z defektów na powierzchnię, tworząc wyraźne, kontrastowe wskazania.
Dzięki badaniom penetracyjnym można uwidocznić bardzo drobne pęknięcia i inne nieciągłości powierzchniowe, które nie są widoczne gołym okiem. Metoda ta sprawdza się na różnych materiałach metalowych (zarówno stalach, jak i metalach nieżelaznych typu aluminium), a także na ceramice czy tworzywach – ważne, by badany materiał nie był porowaty. Zaletami PT są niski koszt, prostota wykonania i wysoka czułość na niewielkie wady powierzchniowe. Indykacje uzyskane na spoinie (np. czerwone lub fluorescencyjne ślady penetrantu układające się w miejscu pęknięcia) jednoznacznie pokazują, gdzie znajduje się defekt, co ułatwia ocenę.
Do ograniczeń tej metody należy fakt, że wykrywa ona tylko wady otwarte na powierzchni – nie znajdziemy za jej pomocą np. głębiej położonych pęcherzy czy wtrąceń. Ponadto badanie wymaga bardzo czystej powierzchni i składa się z kilku etapów, co zajmuje nieco czasu. Mimo tych ograniczeń penetranty są niezastąpione przy kontroli jakości spoin z materiałów niemagnetycznych (gdzie nie zastosujemy metody MT) oraz wszędzie tam, gdzie potrzebne jest wykrycie najmniejszych pęknięć zmęczeniowych na powierzchni.
Badania magnetyczno-proszkowe (MT)
Badania magnetyczno-proszkowe (MT, ang. Magnetic Particle Testing) to kolejna metoda przeznaczona głównie do wykrywania wad powierzchniowych i podpowierzchniowych, ale ograniczona do materiałów ferromagnetycznych (stal, żeliwo i inne metale przyciągające magnes). Polega ona na namagnesowaniu obszaru spoiny oraz nanoszeniu na jego powierzchnię drobnego proszku magnetycznego (suchego lub w postaci zawiesiny w cieczy). W miejscach, gdzie występują defekty takie jak pęknięcia, szczeliny czy przyklejenia, ciągłość materiału jest zaburzona, co powoduje lokalne zniekształcenie pola magnetycznego. Cząstki proszku gromadzą się następnie w tych obszarach, tworząc wyraźny wzór wskazujący położenie i kształt nieciągłości.
Metoda MT pozwala wykryć pęknięcia powierzchniowe oraz wady znajdujące się tuż pod powierzchnią spoiny (zwykle do kilku milimetrów głębokości). W praktyce badania magnetyczno-proszkowe są bardzo efektywne przy kontroli spoin stalowych – skutecznie ujawniają pęknięcia wzdłuż lica, pęknięcia krzyżowe na spoinach pachwinowych, a także wskazują takie niezgodności jak odpryski czy podtopienia niewidoczne dla oka. Zaletą MT jest względnie prosty i szybki przebieg badania – wskazania pojawiają się niemal od razu po posypaniu proszkiem, zwłaszcza gdy stosuje się technikę fluorescencyjną (obserwacja pod lampą UV). Czułość wykrywania jest bardzo wysoka dla nieciągłości o charakterze szczelinowym (typowo pęknięć zmęczeniowych).
Ograniczeniem tej metody jest jej zastosowanie wyłącznie do materiałów ferromagnetycznych – nie skontrolujemy tą techniką spoin z aluminium czy stali austenitycznych. Dodatkowo, podobnie jak przy PT, powierzchnia przed badaniem powinna być w miarę czysta i gładka, a po zakończeniu magnesowania element często wymaga rozmagnesowania. Mimo tych wymogów MT należy do podstawowych metod kontroli spoin ze stali ze względu na wysoką skuteczność w wychwytywaniu groźnych wad mogących z czasem doprowadzić do pęknięć eksploatacyjnych.
Badania ultradźwiękowe (UT)
Badania ultradźwiękowe spoin (UT, ang. Ultrasonic Testing) umożliwiają wykrywanie wad wewnętrznych, niewidocznych z zewnątrz. Metoda polega na wprowadzaniu do materiału fal ultradźwiękowych za pomocą specjalnej głowicy (przetwornika) przyłożonej do powierzchni spoiny lub materiału obok niej. Przetwornik emituje falę dźwiękową o bardzo wysokiej częstotliwości, która rozchodzi się w materiale. Jeśli natrafi na defekt (np. pęcherz gazowy, brak przetopu, pęknięcie wewnętrzne), fala odbije się od granicy tej nieciągłości i powróci do przetwornika jako echo. Urządzenie ultradźwiękowe (defektoskop) rejestruje czasy powrotu i amplitudy tych ech, co pozwala zlokalizować wykrytą wadę oraz oszacować jej wielkość.
Ultrasonografia przemysłowa jest bardzo czuła na typowe niezgodności spawalnicze. Potrafi wykryć pęknięcia ukryte wewnątrz spoiny, brak przetopu, wtrącenia żużla, porowatość czy inne nieciągłości, po których nie ma śladu na powierzchni. Doświadczony operator, skanując złącze pod różnymi kątami (często stosuje się specjalne głowice kątowe do badania spoin), potrafi wykryć wady ulokowane głęboko w materiale. Atutem metody ultradźwiękowej jest to, że wyniki dostępne są od razu – wskazania echa widać na ekranie defektoskopu w czasie rzeczywistym. Ponadto badanie jest stosunkowo bezpieczne i nie wymaga odizolowania strefy pracy (jak ma to miejsce przy radiografii). Można je przeprowadzać mając dostęp tylko z jednej strony złącza, w przeciwieństwie do klasycznej radiografii wymagającej dojścia z obu stron. Dużą zaletą jest też mobilność – nowoczesne defektoskopy ultradźwiękowe są przenośne, co umożliwia kontrolę nawet wielkogabarytowych konstrukcji w terenie.
Trzeba jednak pamiętać, że badania ultradźwiękowe wymagają wysoce wykwalifikowanego personelu oraz właściwej interpretacji wyników. Ograniczeniem bywa wykrywanie wad o nietypowym usytuowaniu – jeśli defekt jest zorientowany niekorzystnie względem kierunku wiązki dźwiękowej, może dawać słaby sygnał lub pozostać niewykryty. Sama technika wymaga też dobrego sprzężenia akustycznego: powierzchnia spoiny często musi być odpowiednio przygotowana (oczyszczona i wygładzona) oraz pokryta cienką warstwą żelu ultradźwiękowego, aby fale efektywnie wnikały w materiał. Mimo tych ograniczeń badania UT należą do najważniejszych metod kontroli jakości spoin grubych i krytycznych elementów. W wielu zastosowaniach zastępują one nawet badania radiograficzne – zwłaszcza odkąd dostępne są zaawansowane aparaty UT wykorzystujące technikę Phased Array. Tego typu nowoczesne urządzenia potrafią wygenerować przekrojowy obraz spoiny, co dodatkowo ułatwia wykrywanie i interpretację niezgodności.
Badania radiograficzne (RT)
Badania radiograficzne (RT, ang. Radiographic Testing) to metoda polegająca na prześwietlaniu spoiny promieniami rentgenowskimi lub gamma w celu uzyskania obrazu wewnętrznej struktury złącza. Źródło promieniowania (np. lampa rentgenowska lub izotop promieniotwórczy) umieszcza się po jednej stronie spawanego elementu, a z drugiej strony znajduje się detektor obrazu – tradycyjna klisza rentgenowska lub nowoczesny cyfrowy panel. Promieniowanie przenika przez spoinę i osłabia się różnie w zależności od grubości oraz gęstości materiału, a także obecności wad. Na otrzymanym radiogramie defekty takie jak porowatość (pęcherze gazowe), wtrącenia żużla czy brak przetopu uwidaczniają się jako obszary o odmiennym zaciemnieniu, kontrastujące z jednolitym materiałem.
Metoda RT dostarcza bezpośredni obraz defektów, co jest jej ogromną zaletą – interpretacja polega na analizie zdjęcia spoiny, na którym nieciągłości są zazwyczaj wyraźnie widoczne. Badania radiograficzne są bardzo skuteczne w wykrywaniu wad objętościowych (np. skupiska porów, duże wtrącenia, pustki). Potrafią także uwidocznić pęknięcia oraz nieciągłości płaskie, o ile ich ułożenie powoduje dostateczną różnicę w pochłanianiu promieniowania. RT to niezastąpiona technika przy kontroli złączy o dużych przekrojach i wysokich wymaganiach jakościowych – wykorzystuje się ją m.in. w branży energetycznej (badanie rurociągów, zbiorników ciśnieniowych), petrochemicznej, lotniczej czy w budowie mostów i konstrukcji stalowych. Istotnym atutem radiografii jest możliwość archiwizacji wyników badań – wykonane klisze lub pliki cyfrowe stanowią trwały zapis stanu spoiny.
Wykorzystanie promieniowania X lub gamma wymaga ścisłego przestrzegania przepisów BHP – podczas naświetlania trzeba odizolować strefę lub osłonić źródło, aby chronić personel przed szkodliwym promieniowaniem. Samo wykonanie zdjęcia i jego opracowanie zajmuje też więcej czasu niż np. badanie ultradźwiękowe, zwłaszcza przy użyciu tradycyjnej kliszy, która wymaga wywołania. Nowoczesne aparaty cyfrowe przyspieszają ten proces, ale nadal przygotowanie ekspozycji i analiza obrazu są stosunkowo czasochłonne.
Kolejnym wyzwaniem bywa geometria obiektu – standardowo do prześwietlenia spoiny potrzebny jest dostęp z obu stron materiału (choć istnieją metody jednostronne z użyciem specjalnych filmów i źródeł). Dodatkowo radiogram jest dwuwymiarową projekcją przez całą grubość elementu, co czasem powoduje nakładanie się wskazań (defekty położone na różnych głębokościach mogą na zdjęciu nałożyć się na siebie).
Mimo tych niedogodności, metoda RT pozostaje jedną z najskuteczniejszych technik wykrywania wad spoin – równorzędną z badaniami ultradźwiękowymi. Często obie te techniki stosuje się zamiennie lub komplementarnie. Przykładowo, gdy ultradźwięki natrafią na trudności interpretacyjne, radiografia może potwierdzić wynik, wskazując defekt na zdjęciu. Z kolei sygnały z UT bywają używane do wstępnego namierzenia wady, którą następnie uwidacnia się na radiogramie.
Badania prądami wirowymi (ET)
W niektórych sytuacjach do wykrywania niezgodności powierzchniowych w spoinach stosuje się także badania prądami wirowymi (ET, ang. Eddy Current Testing). Metoda ET wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej: specjalna sonda wytwarza zmienne pole elektromagnetyczne, które indukuje w badanym metalowym elemencie prądy wirowe. Gdy napotkają one nieciągłość taką jak pęknięcie, rozwarstwienie czy ubytek, charakter przepływu prądów ulega zmianie. Aparatura wykrywa te zmiany, pozwalając zidentyfikować defekt.
Badania ET są szczególnie przydatne do kontroli spoin wykonanych z metali niemagnetycznych (np. stopy aluminium, miedzi, austenityczne stale nierdzewne), gdzie metoda magnetyczno-proszkowa nie zadziała. Pozwalają one także wykrywać płytkie wady pod powierzchnią, do których nie dotrze penetrant. Zaletą jest możliwość przebadania obszaru spoiny bez konieczności użycia cieczy czy proszków – sonda może przeskanować powierzchnię, a wyniki pojawiają się od razu na przyrządzie. Minusem natomiast jest ograniczona głębokość wykrywania wad (z reguły do kilku milimetrów od powierzchni, zależnie od częstotliwości), a także konieczność kalibracji i interpretacji sygnałów przez doświadczonego operatora. Mimo że badania prądami wirowymi nie należą do tak powszechnych metod sprawdzania spoin jak PT, MT, UT czy RT, w pewnych zastosowaniach (np. kontrola długich spoin w produktach ze stopów lekkich) stanowią cenne uzupełnienie arsenału technik NDT.
Porównanie skuteczności metod NDT w wykrywaniu wad spoin
Każda z opisanych metod NDT ma nieco inne zastosowania i skuteczność w wykrywaniu określonych typów niezgodności spawalniczych. Badania wizualne są niezastąpione jako pierwszy etap kontroli – pozwalają szybko wychwycić oczywiste błędy wykonania spoin (np. nieciągły ścieg, poważne odpryski, dużą porowatość powierzchniową czy brak przetopu widoczny od strony lica). Jednak ich skuteczność kończy się na wadach, które można dostrzec gołym okiem lub prostymi przyrządami. Drobne pęknięcia włoskowate czy wewnętrzne wtrącenia pozostaną dla samej wizualnej inspekcji niewidoczne.
Metody powierzchniowe, takie jak PT i MT, zdecydowanie zwiększają szanse wykrycia nieciągłości wychodzących na powierzchnię spoiny. Penetrant ujawni nawet mikroskopijne pęknięcie na powierzchni – jest więc bardzo skuteczny w detekcji wad typu pęknięcia, szczeliny skurczowe, nieszczelności czy drobne porowatości otwarte. Z kolei proszek magnetyczny w metodzie MT świetnie sprawdza się przy wykrywaniu pęknięć w stalowych spoinach. Jego skuteczność bywa porównywana z PT, a dodatkowo MT wskazuje wady tuż pod powierzchnią (czego PT już nie wykryje). W praktyce obie te metody często się uzupełniają: jeśli materiał jest ferromagnetyczny, zwykle wybiera się szybkie MT, a na aluminium czy innych metalach niemagnetycznych stosuje się PT. W obu przypadkach skuteczność wykrywania wad powierzchniowych jest bardzo wysoka – sięga nawet ponad 90% przy doświadczonych inspektorach i dobrze przygotowanej powierzchni. Warunkiem skuteczności jest jednak to, że wada musi mieć ujście na powierzchnię lub znajdować się tuż pod nią.
Jeśli chodzi o wykrywanie wad wewnątrz spoin, prym wiodą badania ultradźwiękowe i radiograficzne. Obie metody pozwalają zajrzeć w głąb materiału i zidentyfikować niezgodności ukryte w spoinie lub strefie wpływu ciepła. Wybór między UT a RT zależy od wielu czynników. Ultradźwięki są wyjątkowo czułe na nieciągłości planarne (np. pęknięcia, brak przetopu) zlokalizowane wewnątrz spoiny. Radiografia z kolei doskonale obrazuje wszelkie wady objętościowe – skupiska porów, duże wtrącenia, pustki – a także potrafi wychwycić pęknięcia, jeśli są one odpowiednio ułożone względem kierunku promieniowania. W praktyce obie metody osiągają porównywalną skuteczność przy wykrywaniu krytycznych wad spoin, lecz każda z nich może ujawnić nieco inny zakres defektów.
Na przykład pojedyncza, drobna nieciągłość płaska (jak pęknięcie prostopadłe do powierzchni) może zostać pewniej wykryta ultradźwiękami niż na zdjęciu RT, zwłaszcza jeśli szczelina jest bardzo cienka. Z drugiej strony rozproszone porowatości gazowe łatwiej zauważyć na radiogramie jako charakterystyczne ciemne punkty, podczas gdy ultradźwięki mogą je zarejestrować słabiej (małe pęcherzyki gazu dają echa trudne do odróżnienia od szumu tła). Dlatego dla pełnego obrazu stanu spoiny czasem stosuje się obie techniki równolegle – jedna potwierdza wyniki drugiej, dając najwyższą pewność wykrycia wszelkich niezgodności.
Warto także uwzględnić wpływ materiału i grubości na efektywność metod NDT. Dla bardzo grubych spoin (np. w masywnych odlewach lub elementach kotłów) radiografia może być trudna do zastosowania ze względu na silne pochłanianie promieniowania – w takich przypadkach częściej wykorzystuje się ultradźwięki (nierzadko z technikami specjalnymi, jak tomografia ultradźwiękowa Phased Array). Z kolei przy skomplikowanych kształtach złączy, gdzie dostęp do spoiny jest ograniczony, rozwiązaniem bywa metoda ultradźwiękowa z odpowiednio ukształtowanymi głowicami lub badanie wizualne z użyciem endoskopu przemysłowego, umożliwiające inspekcję od wewnątrz. Materiały niemagnetyczne będą wymagały PT albo ET zamiast MT do sprawdzania powierzchni, natomiast do kontroli wewnętrznej takich materiałów z powodzeniem wykorzystuje się zarówno UT, jak i RT. Skuteczność każdej techniki zależy więc od konkretnego zastosowania – nie istnieje jedna uniwersalna metoda NDT, która sprawdzi się we wszystkich sytuacjach.
W praktyce przemysłowej często łączy się kilka metod, aby uzyskać pełniejszy obraz jakości spoiny. Przykładowo: najpierw wykonywane jest badanie wizualne całego złącza, następnie wybrana metoda wolumetryczna (UT lub RT) w celu wykrycia wad wewnętrznych, a dodatkowo badanie PT lub MT krytycznych odcinków spoiny pod kątem pęknięć powierzchniowych. Takie wieloetapowe podejście zapewnia bardzo wysoką wykrywalność potencjalnych niezgodności. Ostateczny dobór metod NDT zależy od wymagań norm i klienta, rodzaju konstrukcji oraz klasy jakości spoin. Ważne jest również, aby inspekcje były przeprowadzane przez wykwalifikowany personel z użyciem odpowiedniego, sprawdzonego sprzętu.
Na koniec warto podkreślić, że skuteczność badań NDT w dużej mierze zależy od jakości użytych urządzeń i materiałów pomocniczych. W ofercie firmy Endo-Tech znajduje się szeroka gama sprzętu do realizacji różnych metod badania spoin – od przenośnych defektoskopów ultradźwiękowych, przez urządzenia do badań magnetyczno-proszkowych i zestawy do penetrantów, aż po nowoczesne systemy radiograficzne. Dostępne są również endoskopy przemysłowe ułatwiające inspekcję wizualną trudno dostępnych miejsc. Dzięki odpowiedniemu doborowi technologii i wyposażenia, kontrola jakości spoin staje się bardziej efektywna, a wykrycie nawet najdrobniejszych wad – możliwe do osiągnięcia.