DETEKCE SKRYTÝCH VAD U HLINÍKOVÉ SLITINY POMOCÍ POČÍTAČOVÉ TOMOGRAFIE DETECTION OF HIDDEN DEFECTS IN ALUMINIUM ALLOY BY MEANS OF COMPUTER TOMOGRAPHY Abstrakt Jiří CEJP, Petr PLEŠINGER CTU, Faculty of Mechanical Engineering, Dept. of Materials Engineering, Karlovo nám.13,121035 Praha 2. Jiri.Cejp@fs.cvut.cz V práci je uveden a ověřen postup pro určení skrytých defektů ve zvoleném řezu sledovaného odlitku z hliníkové slitiny pomocí záznamu, který byl pořízen počítačovým tomografem VT-400. Navržený postup vyhodnocení porezity z tomogramu je naprogramován softwarem Matlab a zahrnuje zpracování obrazových dat tomogramu (image processing) a aplikace algoritmu podle tzv. Grey level method. Následná destruktivní zkouška vzorků výbrusem, skládající se z rozřezání a vybroušení rovin v místě tomografického řezu vyhodnotila plošný podíl odkrytých vad programem pro zpracování obrazu NIS Elements BR 2.30. Hodnoty plošného podílu vad (pórů) z destruktivní zkoušky a hodnoty porezity z tomogramu byly následně porovnány. V experimentu byly použity tři typy vzorků hliníkové slitiny, vzorky s definovanou vadou, vzorky tlakově litých odlitků s reálnými vadami (póry) ale bez povrchové vady a vzorky s reálnými povrchovými vadami ve svarovém spoji zhotoveném elektronovým paprskem. Získané výsledky udávají ucelený obrázek o možnosti využití počítačového tomografie pro nedestruktivní detekci porezity u odlitků a o možnosti efektivního přístupu ke kvantifikaci porezity z tomografického snímku. Abstract The task of this work was evaluate computed tomography VT - 400 in using for non - destructive detection of hidden defects in material. It was suggested and verified method or procedure how effectively and exactly from tomography image, almost without user's intervention, evaluate the percent of porosity in surveyed slice. For experimental purpose were used three types of samples, samples with imitation defects, samples of pressure cast with real gas bubble and samples with surface defects in weld joint prepared by electron beam. Data processing was performed by programming software Matlab and for results comparison was used destructive test of scratch pattern analyzed in program for image processing NIS Elements BR 2.30.Proposed method gives altogether accurate results with samples with internal defects if they are displayed with higher intensity on CT image. 1. ÚVOD Mezi postupy, které úspěšně detekují nedokonalosti struktury, patří i NDT metody, které nepoškozují testovaný objekt a umožňují tak předcházet mezním stavům. Vedle běžných metod se začíná uplatňovat i počítačová tomografie, která se v poslední době z medicíny rozšiřuje i do průmyslové defektoskopie. 2. EXPERIMENTÁLNÍ METODY A MATERIÁL K dispozici byl rentgenový počítačový tomograf VT - 400, který je určen k vizualizaci, defektoskopii a kvantitativní nedestruktivní kontrole vnitřní prostorové struktury široké škály průmyslových výrobků, včetně výrobků z kompozitních materiálů a keramiky používaných v letectví (turbínové lopatky, složité svary a
spoje), v automobilovém průmyslu (pro kontrolu hlav motoru, bloků motoru a válců, pro kontrolu pórovitosti odlitků aj.) ve slévárenství. Technické parametry tomografu: Maximální průměr kontrolovaného objektu: 500 mm. Maximální hmotnost kontrolovaného objektu: 150 kg. Efektivní tloušťka řezu: od 2 do 0,5 mm. Geometrická citlivost kontroly: 0,1 mm. Citlivost k místním defektům: pór: 0,1 mm 3 metalická částice: 0,03 mm 3. Citlivost k libovolně orientovaným trhlinám: 0,1 mm. Maximální napětí rentgenové trubice: 420kV. Příprava tomografu k měření zahrnuje: - správné označení roviny skenování na skenovaný vzorek pro účely stanovení hodnot porezity (plošného podílu pórů) destruktivní metodou - nastavení parametů skenování- kolimátory ovlivňující množství objektem prošlého záření (X) - napětí a citlivost detektorů - filtry záření k omezení vzniku nežádoucího tvrdnutí svazku (má negativní vliv na intenzitu ve výsledném tomogramu) Vždy po několika zkouškách byly pro měřené vzorky, v závislosti na rozměrech vzorku, velikosti vad a vizuálně hodnocené kvalitě tomogramu, zvoleny pracovní parametry (Tab 1). Tab 1. Hodnoty skenovacích parametrů pro vzorky s reálnými vadami Table 1. Scanning parametrs for samples with actual defects Napětí [kv] Proud [ma] X Z úroveň citlivosti filtr 200 3 4 4 15 1,5 mm Cu V experimentu byly použity tři typy vzorků hliníkové slitiny: - vzorky s definovanou vadou, pórem, aby se zjistilo jaké hodnoty porezity stanoví navržený postup z tomogramu, představoval váleček Al-slitiny o průměru 10mm s třemi různě hlubokými děrami o průměru 0,8mm - vzorky s reálnými vadami (póry) ale bez povrchové vady a jednalo se o vzorky tlakově litých odlitků z materiálu EN AC-AlSi9Cu3(Fe), ve kterých se na základě použité výrobní technologie mohou vyskytovat vady - vzorky s reálnými povrchovými vadami ve svarovém spoji zhotoveném elektronovým paprskem z tlakově litých odlitků z hliníkové slitiny SC100-T6. Stanovení porezity z tomogramu je novým nedestruktivním přístupem k měření porezity u tuhých těles. Konvenční metody jsou založeny na běžné segmentaci obrazu, kde hodnota prahu (treshold) je definovaná uživatelem a důsledkem toho se výsledné hodnoty mohou lišit. Nová metoda vychází z práce H. Tauda a kol.[1], kde pomocí Gray level Metod je na horninách stanovena porezita z tomogramu a následně porovnána s výsledky z konvenčních metod. Tato metoda byla postupně vylepšena tak, aby se při výpočtu zohlednil šum a artefakty vznikající v průběhu rekonstrukce tomogramu. A to za účelem využití právě pro nedestruktivní stanovení porezity u odlitků. K naprogramování bylo použito prostředí softwaru Matlab.
Ke stanovení porezity z metalografického výbrusu byl vzorek rozřezán ve vybrané rovině skenování. Nalezená rovina byla vyfotografována a snímek byl vyhodnocen v programu NIS Elements BR, který využívá moderní metody počítačové analýzy obrazu. Hodnoty plošného podílu vad (pórů) byly následně porovnány s hodnotami porezity určenými z tomogramu navrženou metodou. 3. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE 3.1 Vzorky s definovanou vadou Tomogramy těchto vzorků byly použity na testování a ladění navržené metody, poněvadž hodnoty rozměrů a plošných podílů byly předem známy. Důležité bylo, aby se hodnoty porezity vypočtené z tomogramu blížily hodnotám známého plošného podílu vad (pórů) na vzorcích. Vypočtené hodnoty plošného podílu a hodnoty porezity jsou uvedeny na Obr.1. Rozdílné hodnoty byly předpokládány, jelikož navržená metoda nepočítá plošný podíl. Tato metoda výpočtu přiřazuje obrazovým bodům (pixelům) různou váhu podle jejich intenzity. Hodnoty porezity vypočtené navrženou metodou se v tomto případě liší od hodnot známého plošného podílu průměrně o 8,68%. Rozdíl výsledků do deseti procent byl hodnocen jako přijatelný. Těchto výsledků bylo dosaženo až po zařazení operací pro zpracování obrazu a jejich odladění tak, aby bylo dosaženo přijatelného rozdílu výsledků. Obr. 1. Porovnání výsledků měření porezity Obr. 2. Porovnání výsledků měření porezity (vzorky s definovanou vadou) (reálné vady) Fig. 1. Comparison of porosity results Fig. 2. Comparison of porosity results (defined defects ) ( actual defects ) 3.2 Vzorky s reálnými vadami 3.2.1 Vzorky bez povrchových vad Naměřené hodnoty porezity jsou pro oba postupy graficky znázorněny na Obr. 2. Z výsledků je patné, že hodnoty vypočtené navrženou metodou se sice liší od skutečnosti, ale jejich rozdíl není příliš vysoký. První předpoklady vedly k úvaze, že hodnoty vypočtené z tomografického obrazu budou menší než hodnoty plošného podílu z výbrusů. Takového výsledku bylo dosaženo u vzorků číslo 4, 5, 6 a 8. Pokud se podíváme na procentuální rozdíl hodnot získaných z obou metod v absolutní hodnotě, tak u vzorků 4 a 5 je rozdíl přijatelný ( 9 resp.12%).vysoký rozdíl hodnot u vzorků 6 a 8 ( až 40% ) je způsoben rozlišovací schopností počítačového tomografu VT-400. Při největším rozlišení 1024x1024 dosáhne rozměr obrazového bodu nejmenší hodnoty 0,1mm (plochy 0,01mm 2 ). Pokud se analyzují hodnoty ploch jednotlivých pórů na výbrusu, vyjde najevo, že u těchto vzorků je velký počet těchto ploch menších než
0,01mm 2. Což má za následek velký rozdíl výsledků, protože pokud nebudou uvažovány do výpočtu plošného podílu, tak se rozdíl hodnot přiblíží na přijatelnou úroveň. U vzorků 1, 2, 3 a 7 udává navržená metoda vyšší hodnoty porezity než je plošný podíl zjištěný na výbrusu. To může být způsobeno několika vlivy. Může to být zapříčiněno rozlišovací schopností tomografu, kdy malé vady v objemu tomografického řezu vytvoří pixely s intenzitou, která sice není výrazná, ale má vliv na jejich započtení do výpočtu porezity. Předpokládáme, že největší vliv na rozdílnost hodnot má úprava šumu tomogramu při zpracování v Matlabu. Jde o to, že na intenzitním profilu tomografického snímku se pás určitých hodnot nahrazuje jedním číslem a proto zde mohou vznikat největší chyby. Rozdíl také může být způsoben tím, že rovina vyhodnocovaná destruktivní metodou není úplně stejná jako rovina řezu na vyhodnocovaném tomogramu (Obr. 3 ). Obr. 3 Shoda tomografického snímku a plochy výbrusu (vzorek č.2) Fig. 3 Correspondence between tomographic image and scratch pattern (sample No. 2) 3.2.2 Vzorky s povrchovou vadou Důvodem pro zkoumání takovýchto vzorků bylo zjištění, jestli tyto povrchové vady na tomogramu dokáže navržená metoda vyhodnotit a jak se budou lišit výsledky od destruktivní analýzy. Zkoumané vzorky měly vady ve svarovém spoji ve formě bublin, které byly uvnitř materiálu, ale hlavně se na nich vyskytovaly vady zasahující na povrch svaru, otevřené do prostoru. Výsledky jsou uvedeny v následující Tab 2. Tab 2. Porovnání výsledků měření porezity vzorků s povrchovou vadou Table 2. Comparison of porosity results for samples with surface defects Vzorek Plocha výbrusu [mm 2 ] NIS Elements BR 2.30 Plocha pórů na výbrusu [mm 2 ] Porezita (plošný podíl) z výbrusu [%] Matlab Porezita z tomogramu [%] 1p 273,93 0,0594 0,022 0,006 2p 273,93 3,3733 1,232 0,450 3p 273,93 0,0474 0,017 0,040 4p 273,93 1,4730 0,538 0,130 5p 273,93 2,1810 0,796 0,300 Hodnoty v Tab 3 dokumentují, že navržená metoda pro vyhodnocení porezity z tomogramu udává daleko menší hodnoty, než jaké jsou stanoveny ze zkoumání výbrusu vzorku v rovině vyhodnocovaného tomografického řezu. To může být ovlivněno tím, že navržená metoda pro hodnocení tomogramu
zpracovává pixely pórů, které vystupují na povrch vzorku jako pixely pozadí a neuvažuje je ve výpočtu porezity. Opět se potvrdilo, že výsledky samozřejmě ovlivňuje rozlišovací schopnost počítačového tomografu, poněvadž při destrukci vzorku byly objeveny vady, jejichž rozměry jsou pod rozlišovací schopností přístroje. Roviny získané destruktivní metodou byly u těchto vzorků velmi shodné s tomografickými snímky. Obecně lze konstatovat, že navržená metoda není zatím schopna vyhodnocovat tomografické snímky vzorků, pokud jejich vady (póry) jsou otevřené do okolního prostoru. 4. ZÁVĚRY Z naměřených hodnot plošného podílu vad (pórů) z destruktivní zkoušky a hodnot porezity z tomogramu lze učinit následující závěry: 1) Navržená metoda podává vcelku přesné výsledky u vzorků s vnitřními vadami, pokud jsou na tomografickém snímku zobrazeny s vyšší intenzitou, průměrná odchylka od hodnot plošného podílu vad do 15%. 2) Navržená metoda se v současné verzi nedá použít pro hodnocení snímků, na kterých se nacházejí póry související s povrchem vzorku. 3) Zobrazení vad (pórů) na tomogramu je ovlivněno: - nastavením skenovacích parametrů (napětí, filtry, kolimátory) - rozlišovací schopností tomografu (tomograf VT-400 při nejlepším rozlišení 1024x1024 zobrazí pixel s nejmenším rozměrem 0,1mm). 4) Na rozdílnost výsledků má vliv: - zpracování tomografického snímku (image processing), největší chyba je vnesena při operaci odstranění šumu ze snímku - rozdíl rozlišovací schopnosti při vyhodnocování plošného podílu vad (pórů) metalografickou metodou (detekce vad menších než, které je schopen detekovat tomograf VT-400) a navrženou metodou z tomografického snímku - výskyt pórů blízkých rozlišovací schopnosti počítačového tomografu, jenž má za následek zobrazení neostrých míst na tomogramu - určitá rozdílnost snímku tomografického řezu a plochy výbrusu Předložené výsledky byly získány řešením projektu MSM 6840770021. LITERATURA [1] TAUD, H., et al.: Porosity estimation method by X-ray computed tomography. Journal of petroleum science and engineering, 2005, No. 47, s. 209-217. [2] BARUCHEL, J., et al.: X-Ray tomography in material science. Paris : Hermes science publicatins, 2000. 203 s. ISBN 2-7462- 0115-1.