Badanie wiązką kątową UT – prawo Snelliusa, dobór głowicy i kalibracja zestawu

Badanie wiązką kątową to jedna z podstawowych technik ultradźwiękowych (UT) – w odróżnieniu od głowicy prostej, wprowadzającej falę prostopadle do powierzchni, głowica kątowa wprowadza falę pod ustalonym kątem, dzięki czemu wiązka „zagląda” w miejsca niedostępne dla fali prostopadłej, np. w rowek spawalniczy. W tym artykule wyjaśniamy fizykę stojącą za doborem kąta głowicy, najczęściej stosowane wartości kątów oraz sposób kalibracji takiego układu.

Fizyka załamania fali – prawo Snelliusa w badaniach UT

Głowica kątowa nie generuje fali bezpośrednio pod zadanym kątem – zamiast tego przetwornik piezoelektryczny umieszczony jest na klinie (najczęściej z tworzywa sztucznego), a fala ulega załamaniu na granicy klina i badanego materiału, zgodnie z prawem Snelliusa: stosunek sinusów kąta padania i kąta załamania jest równy stosunkowi prędkości fali w obu ośrodkach. Ponieważ prędkość fali w klinie i w stali różni się, dobierając odpowiedni kąt klina, producent głowicy uzyskuje żądany kąt załamania fali poprzecznej w badanym materiale – najczęściej 45°, 60° lub 70°.

Jak dobrać kąt głowicy

Dobór kąta zależy przede wszystkim od grubości materiału oraz geometrii poszukiwanej niezgodności:

• Głowice o dużym kącie (70°) – sprawdzają się przy cieńszych elementach i badaniu blisko powierzchni, gdzie potrzebna jest krótsza droga akustyczna do objęcia interesującego obszaru.
• Głowice o kącie średnim (60°) – uniwersalny wybór dla wielu typowych grubości spotykanych w konstrukcjach spawanych.
• Głowice o małym kącie (45°) – lepiej sprawdzają się przy grubszych elementach, gdzie fala musi pokonać dłuższą drogę, żeby dotrzeć do głębiej położonych partii materiału.

Dobór kąta warto też skonsultować z rysunkiem złącza: kąt głowicy powinien być tak dobrany, żeby wiązka trafiała możliwie prostopadle w potencjalną płaszczyznę niezgodności (np. brak przetopu czy przyklejenie brzegowe) – wtedy odbita energia wraca do głowicy najefektywniej. Więcej o typowych wskazaniach spotykanych w złączach spawanych i doborze kąta w kontekście konkretnej geometrii spoiny piszemy w artykule o badaniu ultradźwiękowym spawów.

Droga akustyczna i skip distance

Przy badaniu wiązką kątową fala odbija się od dna materiału i wraca ku powierzchni pod tym samym kątem – w efekcie porusza się po torze zygzakowatym. Kluczowe pojęcia praktyczne to:

• Droga akustyczna (sound path) – rzeczywista długość, jaką pokonuje fala od głowicy do wskazania i z powrotem, mierzona wzdłuż zygzakowatego toru, a nie w linii prostej.
• Skip distance – odległość na powierzchni materiału między punktem wyjścia głowicy a miejscem, w którym fala – po odbiciu od dna – ponownie dociera do powierzchni (tzw. pełny skok, V-path).

Znajomość tych parametrów pozwala operatorowi przeliczyć odczyt z ekranu defektoskopu na rzeczywistą głębokość i położenie wskazania w materiale – ma to bezpośrednie znaczenie przy ocenie, czy dana niezgodność znajduje się np. w grani spoiny, czy bliżej lica.

Kalibracja układu głowica kątowa – defektoskop

Przed badaniem układ trzeba skalibrować na dedykowanych blokach wzorcowych – najczęściej V1 (PN-EN ISO 2400) lub V2 (PN-EN ISO 7963) – które pozwalają zweryfikować rzeczywisty kąt załamania fali (może się nieznacznie różnić od wartości nominalnej podanej przez producenta głowicy) oraz ustawić poprawną skalę odległości na ekranie. Szerzej o samej procedurze kalibracji, w tym o ustawianiu czułości metodą krzywej DAC, piszemy w artykule o kalibracji defektoskopu ultradźwiękowego.

Zastosowania badania wiązką kątową

Technika ta jest podstawowym narzędziem przy kontroli:

• złączy spawanych – rurociągów, konstrukcji stalowych, zbiorników,
• elementów o niedostępnej dla wiązki prostej geometrii, gdzie niezgodność może być zorientowana pod kątem do powierzchni wejściowej,
• badań uzupełniających przy elementach wcześniej ocenionych wiązką prostą, gdy podejrzewa się niezgodność nieprostopadłą do kierunku wiązki.

Podsumowanie

Badanie wiązką kątową opiera się na kontrolowanym załamaniu fali ultradźwiękowej zgodnie z prawem Snelliusa – dobór właściwego kąta głowicy (45°, 60° lub 70°), zrozumienie drogi akustycznej i skip distance oraz prawidłowa kalibracja na blokach V1/V2 to elementy, które razem decydują o skuteczności całego badania.

Potrzebujesz badania wiązką kątową dobranego do konkretnej grubości i geometrii złącza? Skontaktuj się z naszym zespołem – dobierzemy kąt głowicy i parametry badania odpowiednie do Twojego elementu.