Đo khuyết tật vật liệu bằng siêu âm Trong tất cả các ứng dụng của kiểm tra siêu âm trong công nghiệp thì kỹ thuật kiểm tra khuyết tật là lâu đời và thông dụng nhất. Từ những năm 1940 các định luật vật lý về sự truyền sóng âm thanh trong vật liệu rắn đã được sử dụng để phát hiện các khuyết tật nằm ẩn bên trong như các vết nứt, lỗ rỗng, rỗ khí, và các bất liên tục nằm trong kim loại, chất dẻo, và gốm sứ. Sóng âm tầnsố caophản xạ từ khuyết tật theohướngcó thể dự đoán được, tạo ra các xungphân biệt đượchiển thị và ghi lại trên cácthiết bị siêu âm sách tay. Kiểmtra bằngsiêu âm hoàn toànlà kiểmtra không pháhuỷ và an toàn, và là phươngphápkiểm tra hữu hiệuđược thiết lập trong cácngành công nghiệp chế tạo, gia công, và dịch vụ, đặc biệt trong nhữngứng dụngliên quanđến hàn và các kim loạikết cấu. Bàiviết này giớithiệu một cách tóm tắt về lý thuyết và thực tiễn về kỹ thuật phát hiệnkhuyết tật bằngsiêu âm. Trong khuôn khổ bài viết này tác giả cũng chỉ mong muốn cung cấp một cái nhìnkhái quát. Những thôngtin cụ thể hơncó thể tìm thấy ở các tài liệu thamkhảo đượcliệt kêở phần cuối. 1. Lý thuyết cơ bản: Sóng âmthực chất lànhữngdao độngcơ học truyền qua môi trường, có thể ở thể rắn, thể lỏng hoặc thể khí. Những sóng nàytruyền trong mỗi môi trường chotrướcvới vậntốc riêng,theo hướngcó thể dự đoán được, và khi tới mặt phân cách với môi trườngkhác chúng sẽ phản xạ hoặc truyền qua theocác nguyên tắcđơn giản. Đó là nguyên lý vật lýmà kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêuâm lấy làmcơ sở. Tần số: Tất cả các sóng âm daođộng với tần số riêng biệt, hoặclà số cácdao động hay chu kỳ trong một giây. Con người cóthể ngheđược cácâm thanh có tần số cao nhất khoảng 20,000chu kỳ trên giây (20KHz), trong khiphần lớn các ứng dụngvề pháthiện khuyết tật được thực hiệnvới tần số nằm trong dải từ 500,000 đến 10,000,000 chu kỳ trên giây (500KHz to 10 MHz).Ở các tần số trong dải megahertz, năng lượng âm không truyềnđược tốt quakhông khíhoặc các khí ga khác,nhưng nó truyềnhiệu quả qua phần lớn cácchất lỏng và các vật liệu kỹ thuật thông thường. Vận tốc: Vận tốccủa sóng âm thay đổi phụ thuộc vào môi trườngmà nó truyền qua, ảnh hưởngbởi mật độ và tính chất đàn hồi của môi trường. Các dạngsóng khác nhau (xem các dạng truyền sóng,phía dưới) sẽ truyền với tốc độ khác nhau. Bước sóng: Bất cứ sóng nào cũngđều có bước sóng, đượchiểu là khoảng cách giữahai điểm tương ứngbất kỳ trongchu kỳ sóngkhi nótruyền qua môi trường. Bước sóng liênquan đếntần số và vận tốcbằng biểu thứcđơn giản sau: λ =c/f Trongđó: λ =bước sóng c = vận tốc âm f = tần số Bước sóng là hệ số giới hạn kiểm soát lượngthông tin thu nhận được từ sóng. Trongkỹ thuật dùng siêu âm để phát hiện khuyết tật, thông thườnggiới hạn dưới của khuyết tậtnhỏ được chấp nhận làmột nửa bước sóng. Nhỏ hơn nữa sẽ không pháthiện được. Trong kỹ thuật đo chiềudày bằng siêu âm, về lý thuyếtchiều dày nhỏ nhất có thể đo được làmộtbước sóng. Các dạng truyền sóng: Các sóng truyền trongchất rắn cóthể tồn tại ở các dạng sóng khác nhau được địnhnghĩa bằng dạng chuyển động liên quan.Sóng dọc và sóng nganglànhững dạng được sử dụng nhiềunhất trongkỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêuâm. Sóngbề mặt và sóngdạng tấm cũng được sử dụng. - Sóng dọc hay còn gọi là sóng nén đượcđặc trưng bởi sự dao độngcủacác hạt cùng hướng với phương truyềnsóng. Sóng âm ngheđượctồn tại như sóngdọc. - Sóng ngang được đặc trưngbởi sự dao động của các hạt có hướng vuông gócvới phươngtruyền sóng. - Sóng bề mặt hay còn gọi là sóngRayleigh: các hạt có quỹ đạo chuyển động hìnhê líp và truyền quabề mặt của vật liệu, chiều sâu chỉ khoảng mộtbước sóng. - Sóng dạng tấm hay còn gọi là sóng Lamblàmột dạngdao độngphức tạp trong các tấmmỏng có chiều dàyvật liệu nhỏ hơnbước sóngvà dạng sóngnày truyền trong toànbộ tiết diện của môi trường. Sóng âm có thể được chuyển từ dạng nàysang dạng khác. Thông thường sóng ngangđược tạora trong vật liệu kiểm tra bằng cách truyềnsóng dọcvào vật liệu dưới một góc đã chọn trước. Vấn đề này sẽ được đề cập trong mục Kiểm tra bằng chùm tia góc ở phần 4 Các giới hạn truyền có thể thay đổi của sóng âm: Khoảngcáchmà sóngâm với tần số và mức năng lượng được xác định trước truyền đượctrong phụ thuộc vào vật liệu mànó truyền qua.Theonguyênlý chung, vật liệu cứng và đồng nhất sẽ truyền âm tốt hơnvật liệu mềm và khôngđồng nhất hoặc hạt thô. Bayếu tố ảnh hưởngđến khoảng cách truyền âm trong môi trường xác định trước: sự mở rộng chùm tia, độ suy giảm, và sự tán xạ âm. Khi truyền, chùmtia trở nên rộng hơn,nănglượng sóngâm lantoả trên diện tích lớn hơn, và do đó mà năng lượng âmsuy giảm đi.Sự suy giảm là sự mất mátnăng lượng khi sóng âm truyền qua môi trường, cơ bản là mứcđộ năng lượngbị hấp thụ khi sóng âm dịchchuyển. Sự tán xạ âmlà sự phảnxạ ngẫu nhiên của năng lượngâm ở các đườngbiên giữacác hạt của vật liệu vàcác cấu trúc tế vi.Khi tần số tănglên, độ mở của chùm tia tănglên nhưng ảnh hưởngcủađộ suy giảm và sự tán xạ âm lại giảm đi. Cho từngứng dụng riêng biệt, tần số của đầudò nên lựachọn để tối ưu các thông số có thể thay đổi. Phản xạ ở mặt phân cách: Khi năng lượngâmtruyền qua vật liệu và tới mặt phân cách với vật liệu khác, một phầnnăng lượng sẽ phản xạ trở lại và một phần sẽ truyền qua.Phần năng lượngphản xạ trở lại hoặc hệ số phản xạ, liên quanđến âm trở tương đối củahai vật liệu. Mặt khác âm trở lại là tính chất của vật liệu đượcxác định bằng tích của mật độ với vận tốc âm trong vật liệu. Đối vớihai vậtliệu, hệ số phản xạ được biểu diễn bằng phần trăm củanăng lượngáp suất truyềntới có thể tính bằng côngthức: Z 2 - Z 1 Z 2 + Z 1 Trongđó: R = hệ số phản xạ(phầntrăm củanăng lượng phản xạ) Z1 = âmtrở của vật liệu thứ nhất Z2 = âmtrở của vật liệu thứ hai Đối với mặt phân cách giữa kimloạivà không khí thường gặp trong cácứng dụngphát hiệnkhuyết tật bằngsiêu âm, hệ số phản xạ đạt tới 100%.Hầu như tất cả năng lượngâm phản xạ từ vết nứt hoặc bấtliên tục khác trênđường truyền sóng âm. Đó là nguyênlý cơ bản của kỹ thuật phát hiện khuyếttật bằng siêu âm. Góc phản xạ và khúc xạ: Năng lượngâmtrongtần số siêu âm có tínhđịnh hướngcao và chùm tia sử dụngđể phát hiện khuyết tậtđược xác định rõ ràng. Trongcáctrường hợpsóng âm phản xạ ở mặt phâncách, góc tới bằng gócphản xạ. Chùm tiatới vuônggócvới bề mặt sẽ phảnxạ thẳng góc trở lại. Còn chùm tia tới bề mặt dưới mộtgóc thì sẽ phản xạ cũng bằng góc đó. Năng lượngâmtruyền từ vật liệu này sang vật liệu khác sẽ đổihướng theođịnh luật khúc xạ của Snell.Tóm lại, tia truyền thẳng sẽ tiếp tụctruyền thẳng,nhưng khi tới mặt phân cách dưới mộtgóc thì sẽ lệch hướngtheo công thức Sin Ø 1 V 1 " Sin Ø 2 V 2 Trongđó: Ø 1 = góc tớitrong vật liệu thứ nhất Ø 2 = góc khúcxạ trong vật liệu thứ hai V 1 = vận tốc âmtrong vật liệu thứ nhất V 2 = vận tốc âmtrong vật liệu thứ hai Công thức này rất quan trọng trongkiểm tra bằng đầudò góc, sẽ được nêu chi tiết trong mục 4. 2. Đầu dò siêu âm Với nghĩa rộng,đầu dòlà thiết bị chuyển đổi nănglượng từ dạng này sang dạng khác.Đầu dò siêu âm chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng âm tần số cao và ngượclại. Mặt cắt của đầu dò tiếp xúc điển hình Các đầu dò điển hình trongkỹ thuật phát hiện khuyết tậtbằng siêu âm sử dụng biến tử được làmtừ các vật liệu gốm,tổng hợp vàpolymeráp điện. Khibiến tử này được kích hoạtbằngxung điệnáp cao, chúngsẽ dao động theomột dải tần số và tạo ra sóng âm. Khi nóbị dao động bởi sóng âm,nó sẽ tạo ra xungđiện. Mặt trước của biến tử thường đượcbao phủ bởi một lớp chống vađập, và ở mặt sauđược gắn vớimột lớp vật liệu có tácdụng tắt dao động ngaykhiquátrình tạo sóng âm hoàn thành. Vì nănglượng âmở tần số siêu âmtruyền không tốt trong môi trường khí nên đầu dò thườngtiếp xúc với bề mặt chi tiết kiểm tra quamột lớp chất tiếp âm lỏng. Có năm loại đầu dò siêu âm thườngđượcsử dụng trongcác ứng dụng phát hiện khuyết tật bằng siêu âm: - Đầu dò tiếp xúc :Như tên gọi của chúng, các đầu dòtiếp xúc được sử dụng tiếp xúctrực tiếp với chi tiết cần kiểmtra. Năng lượngâm truyềnvuônggóc với bề mặt,và thường sử dụng để pháthiện các lỗ rỗng, rỗ khí,và các vết nứt hoặc tách lớp songsongvới bề mặt ngoài của chi tiết, cũngnhư để đo chiều dày. - Đầu dò góc : Đầu dògóc được sử dụng kết hợpvới cácmiếng nêm bằng nhựa hoặc epoxy để tạo sóng ngang hoặc sóng dọcvàotrong chitiết kiểm tra nghiêng một góc đượcxác định trước đốivới bề mặt kiểm tra. Chúngthường được sử dụng để kiểm tra mốihàn. - Đầu dò trễ : Đầu dò trễ kết hợp một phần dẫn sóng bằng nhựa, ngắngiữa biến tử và bề mặt kiểm tra. Chúngđượcsử dụng để tăng độ phângiải gần bề mặt và cũng để sử dụngkiểm tra ở nhiệt độ cao vì phần trễ này bảo vệ biến tử tránhbị hư do nhiệt. - Đầu dò nhúng : Đầu dò nhúng được thiết kế để truyềnnăng lượngâm vào trong chi tiếtcần kiểm tra quacột nước hoặcbể nước. Chúngđược sử dụng trongcác ứng dụngquét tự động vàcũngđược sử dụng trongcác trường hợp chùm tia cần được hội tụ sắc nét để cải thiệnđộ phân giải. - Đầu dò kép : Đầu dò kép sử dụng biếntử thu và phát riêng rẽ trong một vỏ chung. Chúngthường được sử dụng trong các ứng dụngliên quan đến các bề mặt kiểmtra thôráp, vật liệu có cấu trúc hạt thô, phát hiệnrỗ khí hoặc rỗ thủng, và chúng cũngcó thể sử dụng được ở điều kiện nhiệtđộ cao. Các ưu điểm cụ thể khác của cácloại đầu dò khácnhau cũng như dải cáctần số và đườngkính củachúng có thể tìm thấytrong mụcđầu dò trên trangweb củachúng tôi. 3. Các thiết bị dò khuyết tật bằng siêu âm Các thiết bị dò khuyếttật bằng siêu âmhiện đạinhư các sêri Epochcủa hãng Panametrics-NDTđềunhỏ, sách tay, thiếtbị dựa trên bộ vi xử lý thích hợpcho sử dụngngoài ngoạitrường cũng như trong phòngthí nghiệm. Chúng tạo ra và hiển thị dạng sóng siêu âm cho người kiểm tra diễngiải, thường đượctrợ giúp của các phần mềm phân tích để xác địnhvị trí và phân loại khuyết tật được phát hiện trong chi tiếtkiểmtra. Chúng thườngbao gồm các modulenhư phát/thu, phầncứng và phần mềm chothu nhận và phân tích tínhiệu và module lưu trữ dữ liệu. Trongkhi một số máy siêu âm dạng analogvẫn được sản xuất, phần lớn các thiết bị hiệnnay đều sử dụng xử lý tín hiệu kỹ thuật số để tăng tính ổn địnhvà chính xác. Phần thu/phát là phần ngoại visiêu âm của thiết bị dò. Nó cung cấp xungkích hoạt đầu dò,và khuếch đại và lọc xung vọng trở lại. Biên độ, hìnhdạngvà sự giảm của xungcó thể được điềuchỉnh để tối ưu sự hoạt độngcủa đầu dò,và sự khuếch đại thu cùng vớiđộ rộng dải tầncó thể điều chỉnh để tỉ lệ tín hiệu/nhiễu được tối ưu. Các thiết bị dò hiện đại thunhậnhình ảnhsóng dạng số sau đó thực hiện cácchức năng đo và phân tích khác nhautrên đó. Đồng hồ hoặcthiết bị bấm giờ sẽ được sử dụngđể đồng bộ xung của đầu dò và để chuẩn khoảngcách. Sự xử lý tín hiệu có thể đơn giản như tạo ra hìnhảnh dạng sóng mà biên độ tín hiệu theothời giantrên dải đo đã được chuẩn hoặc phức tạp như thuật toán sử lý tinh vi kếthợp sự hiệu chỉnh biên độ /khoảng cách và những tính toán lượnggiác học cho đường truyền âm bằngđầu dò góc. Cổng cảnh báoluônđược sử dụng để theo dõi độ cao tín hiệu tại điểm đã chọn trongdãy sóng để đánh dấu xung phản xạ từ khuyết tật. Màn hình hiểnthị có thể là dạngCRT, LCDhoặc quang điện. Màn hình thường được hiệu chuẩn theođơn vị chiều sâu hoặc khoảng cách. Hiển thị bằng nhiều màu sắc cũng có thể được sử dụng để trợ giúp cho việc diễngiải. Bộ lưu trữ dữ liệu trongthiết bị được sử dụng để ghi toànbộ dạng sóng cùng các thông tin đã cài đặt liênquan đếnmỗi lần kiểmtra, nếu được yêu cầucho mục đích tài liệu bằng chứng, hoặccác thông tin đượclựa chọn như biên độ xung, các giá trị khoảng cách hoặc chiều sâu, hoặccó hoặc khôngtrạng thái cảnh báo. 4. Qui trình Phát hiện khuyết tật bằng siêu âm về cơ bản là kỹ thuật so sánh. Sử dụng các mẫu đối chứng thích hợp cùngvới kiến thức về sự truyền sóngâm và các qui trình kiểm tra đã được phê chuẩn, ngườikiểm trađược huấn luyện nhận dạng hình dạng xung tương ứng từ chi tiết tốt và từ các khuyết tậtđiển hình. Hình dạng xung từ chitiết kiểmtra sauđó có thể so sánh với dạng xungtừ mẫu chuẩn để xác địnhtrạng thái của nó. - Kiểm tra bằng chùm tiathẳng góc Kiểm tra bằng chùm tia thẳng gócsử dụng đầu dò tiếp xúc, trễ, hai biếntử hoặc nhúng để phát hiện các vếtnứt hoặc tách lớp song songvới bề mặt chi tiết, cũng như các lỗ hổng hoặcrỗ khí. Nósử dụng nguyên lý cơ bản là năng lượngâm truyền quamột môitrườngsẽ tiếp tục truyềncho đến khi gặp mặt phân cách với vật liệu khác nó sẽ tán xạ hoặc phản xạ, như không khí baoquanh mặt đáy chi tiếthoặc cótrong vết nứt. Trongdạng kiểm tra này, người kiểm trađặt đầudò lênbề mặt chi tiết và xác địnhxung trở về từ mặt đáy của chi tiết, sauđó tìm bất kỳ xung nàoxuất hiện phía trước củaxung đáy đó, giảm bớt nhiễu tánxạ từ cáchạt nếu có. Xung lớnđứng trước xung đáy có thể do sự có mặtcủa vết nứthoặc trống rỗng tạo thành lớp. Thông quacácphân tíchtiếp theo, độ sâu, kích thước, vàhình dạng của cấu trúc tạo ra sự phản xạ có thể đượcxác định. Năng lượngâmsẽ truyền đếnmặt đáy của chi tiết, nhưngphản xạ trước nếu vết nứttạo lớp hoặc bất liên tụctươngtự tồn tại. Trongmột số trường chuyên dụng,kiểm tra được thực hiện bằng kỹ thuật truyền qua, trongđó năng lượngâm truyền giữa hai đầu dò được đặttrên hai mặt đối diện củachi tiết. Nếu tồn tại khuyết tậtlớn trên đường truyềnâm, chùmtia bị che khuất vàxung sóng âmkhông tớiđượcđầu thu. - Kiểm tra bằng đầu dògóc — Các vếtnứt hoặc các bất liên tục khác vuông gócvới bề mặt chi tiết,hoặc nghiêng so với bề mặt đó thì thường không phát hiện được bằngkỹ thuật kiểm tra sử dụngchùm tia thẳnggóc do hướng của chúng đối với chùmtia. Cáckhuyết tậtđó có thể xuất hiện mối hàn, cácchi tiết kết cấukim loại, và rấtnhiều các cấu kiện xungyếu khác. Để phát hiện được chúng, kỹ thuật chùm tia gócđược sử dụng với các đầudò góc thôngthường hoặc đầu dò nhúngđược sắp đặt sao cho chùm tia hướng vào chi tiết với góc đã chọn. Thường sử dụng chùmtia góc trong kiểmtra mối hàn. Các đầu dò góc thông thườngsử dụng sự chuyểnđổi dạngsóng và định luật Snell để tạora sóng ngangvới các góc đã lựa chọn(thông thườnglà các góc 30,45, 60, hoặc 70độ) trongchi tiết kiểmtra. Khi góc tới của sóng dọc tănglên so với bề mặt thì phần nănglượng âm chuyển đổi thành sóngngang trong vật liệu thứ hai tăng lên, và nếu gócđó lớn đến mứcmà toàn bộ năng lượng âm trong vật liệu thứ hai sẽ có dạngsóng ngang. Có hai ưuđiểm khithiết kế các đầudò góc dạngnày. Ưu điểm thứ nhất: sự truyền nănglượngsẽ hiệuquả hơntại những góc tới mà tạo ra sóng ngang trong théphoặc các vật liệu tương tự. Ưuđiểm thứ hai là độ phân giải khuyết tật nhỏ nhất đượctốt hơnkhita sử dụng sóng ngang, vì với tần số xácđịnh, bướcsóng của sóngngangchỉ sấp sỉ 60% bước sóng của sóngdọc. Cấu hình điển hình về kiểm tra siêu âm sử dụng đầu dò góc [...]... vuông góc với mặt đáy của chi tiết kiểm tra (nhánh thứ nhất của đường truyền âm) hoặc sau khi đập vào mặt đáy tới vết nứt vuông góc với mặt trên của chi tiết kiểm tra (nhánh thứ hai của đường truyền âm) Sự đa dạng về góc và hình dạng của đầu dò được sử dụng để thích ứng với các chi tiết có hình dạng khác nhau và các dạng khuyết tật khác nhau, và những vấn đề đó được mô tả chi tiết trong các qui trình... vấn đề đó được mô tả chi tiết trong các qui trình và tiêu chuẩn kiểm tra như ASTM E-164 và tiêu chuẩn hàn kết cấu AWS Structural Welding Code Toàn bộ danh sách liệt kê các ứng dụng về dò phát hiện khuyết tật của Olympus NDT . Đo khuyết tật vật liệu bằng siêu âm Trong tất cả các ứng dụng của kiểm tra siêu âm trong công nghiệp thì kỹ thuật kiểm tra khuyết tật là lâu đời và thông dụng nhất phản xạ) Z1 = âmtrở của vật liệu thứ nhất Z2 = âmtrở của vật liệu thứ hai Đối với mặt phân cách giữa kimloạivà không khí thường gặp trong cácứng dụngphát hiệnkhuyết tật bằngsiêu âm, hệ số phản. tớitrong vật liệu thứ nhất Ø 2 = góc khúcxạ trong vật liệu thứ hai V 1 = vận tốc âmtrong vật liệu thứ nhất V 2 = vận tốc âmtrong vật liệu thứ hai Công thức này rất quan trọng trongkiểm tra bằng đầudò