Giới thiệu về phương pháp phát hiện khuyết tật bằng siêu âm

2. Đầu dò siêu âm
Với nghĩa rộng, đầu dò là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Đầu dò siêu âm chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng âm tần số cao và ngược lại.
Control
Mặt cắt của đầu dò tiếp xúc điển hình
Các đầu dò điển hình trong kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm sử dụng biến tử được làm từ các vật liệu gốm, tổng hợp và polymer áp điện. Khi biến tử này được kích hoạt bằng xung điện áp cao, chúng sẽ dao động theo một dải tần số và tạo ra sóng âm. Khi nó bị dao động bởi sóng âm, nó sẽ tạo ra xung điện. Mặt trước của biến tử thường được bao phủ bởi một lớp chống va đập, và ở mặt sau được gắn với một lớp vật liệu có tác dụng tắt dao động ngay khi quá trình tạo sóng âm hoàn thành. Vì năng lượng âm ở tần số siêu âm truyền không tốt trong môi trường khí nên đầu dò thường tiếp xúc với bề mặt chi tiết kiểm tra qua một lớp chất tiếp âm lỏng.
Có năm loại đầu dò siêu âm thường được sử dụng trong các ứng dụng phát hiện khuyết tật bằng siêu âm:
- Đầu dò tiếp xúc :Như tên gọi của chúng, các đầu dò tiếp xúc được sử dụng tiếp xúc trực tiếp với chi tiết cần kiểm tra. Năng lượng âm truyền vuông góc với bề mặt, và thường sử dụng để phát hiện các lỗ rỗng, rỗ khí, và các vết nứt hoặc tách lớp song song với bề mặt ngoài của chi tiết, cũng như để đo chiều dày.

- Đầu dò góc : Đầu dò góc được sử dụng kết hợp với các miếng nêm bằng nhựa hoặc epoxy để tạo sóng ngang hoặc sóng dọc vào trong chi tiết kiểm tra nghiêng một góc được xác định trước đối với bề mặt kiểm tra. Chúng thường được sử dụng để kiểm tra mối hàn.
- Đầu dò trễ : Đầu dò trễ kết hợp một phần dẫn sóng bằng nhựa, ngắn giữa biến tử và bề mặt kiểm tra. Chúng được sử dụng để tăng độ phân giải gần bề mặt và cũng để sử dụng kiểm tra ở nhiệt độ cao vì phần trễ này bảo vệ biến tử tránh bị hư do nhiệt.

- Đầu dò nhúng : Đầu dò nhúng được thiết kế để truyền năng lượng âm vào trong chi tiết cần kiểm tra qua cột nước hoặc bể nước. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng quét tự động và cũng được sử dụng trong các trường hợp chùm tia cần được hội tụ sắc nét để cải thiện độ phân giải.
- Đầu dò kép : Đầu dò kép sử dụng biến tử thu và phát riêng rẽ trong một vỏ chung. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến các bề mặt kiểm tra thô ráp, vật liệu có cấu trúc hạt thô, phát hiện rỗ khí hoặc rỗ thủng, và chúng cũng có thể sử dụng được ở điều kiện nhiệt độ cao.

Các ưu điểm cụ thể khác của các loại đầu dò khác nhau cũng như dải các tần số và đường kính của chúng có thể tìm thấy trong mục đầu dò trên trang web của chúng tôi.

3. Các thiết bị dò khuyết tật bằng siêu âm

Các thiết bị dò khuyết tật bằng siêu âm hiện đại như các sê ri Epoch của hãng Panametrics-NDT đều nhỏ, sách tay, thiết bị dựa trên bộ vi xử lý thích hợp cho sử dụng ngoài ngoại trường cũng như trong phòng thí nghiệm. Chúng tạo ra và hiển thị dạng sóng siêu âm cho người kiểm tra diễn giải, thường được trợ giúp của các phần mềm phân tích để xác định vị trí và phân loại khuyết tật được phát hiện trong chi tiết kiểm tra. Chúng thường bao gồm các module như phát/thu, phần cứng và phần mềm cho thu nhận và phân tích tín hiệu và module lưu trữ dữ liệu. Trong khi một số máy siêu âm dạng analog vẫn được sản xuất, phần lớn các thiết bị hiện nay đều sử dụng xử lý tín hiệu kỹ thuật số để tăng tính ổn định và chính xác.
Phần thu/phát là phần ngoại vi siêu âm của thiết bị dò. Nó cung cấp xung kích hoạt đầu dò, và khuếch đại và lọc xung vọng trở lại. Biên độ, hình dạng và sự giảm của xung có thể được điều chỉnh để tối ưu sự hoạt động của đầu dò, và sự khuếch đại thu cùng với độ rộng dải tần có thể điều chỉnh để tỉ lệ tín hiệu/nhiễu được tối ưu.
Các thiết bị dò hiện đại thu nhận hình ảnh sóng dạng số sau đó thực hiện các chức năng đo và phân tích khác nhau trên đó. Đồng hồ hoặc thiết bị bấm giờ sẽ được sử dụng để đồng bộ xung của đầu dò và để chuẩn khoảng cách. Sự xử lý tín hiệu có thể đơn giản như tạo ra hình ảnh dạng sóng mà biên độ tín hiệu theo thời gian trên dải đo đã được chuẩn hoặc phức tạp như thuật toán sử lý tinh vi kết hợp sự hiệu chỉnh biên độ /khoảng cách và những tính toán lượng giác học cho đường truyền âm bằng đầu dò góc. Cổng cảnh báo luôn được sử dụng để theo dõi độ cao tín hiệu tại điểm đã chọn trong dãy sóng để đánh dấu xung phản xạ từ khuyết tật.
Màn hình hiển thị có thể là dạng CRT, LCD hoặc quang điện. Màn hình thường được hiệu chuẩn theo đơn vị chiều sâu hoặc khoảng cách. Hiển thị bằng nhiều màu sắc cũng có thể được sử dụng để trợ giúp cho việc diễn giải.
Bộ lưu trữ dữ liệu trong thiết bị được sử dụng để ghi toàn bộ dạng sóng cùng các thông tin đã cài đặt liên quan đến mỗi lần kiểm tra, nếu được yêu cầu cho mục đích tài liệu bằng chứng, hoặc các thông tin được lựa chọn như biên độ xung, các giá trị khoảng cách hoặc chiều sâu, hoặc có hoặc không trạng 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 cùng với kiến thức về sự truyền sóng âm và các qui trình kiểm tra đã được phê chuẩn, người kiểm tra được huấn luyện nhận dạng hình dạng xung tương ứng từ chi tiết tốt và từ các khuyết tật điển hình. Hình dạng xung từ chi tiết kiểm tra sau đó có thể so sánh với dạng xung từ mẫu chuẩn để xác định trạng thái của nó.
- Kiểm tra bằng chùm tia thẳng góc -- Kiểm tra bằng chùm tia thẳng góc sử dụng đầu dò tiếp xúc, trễ, hai biến tử hoặc nhúng để phát hiện các vết nứt hoặc tách lớp song song với bề mặt chi tiết, cũng như các lỗ hổng hoặc rỗ khí. Nó sử dụng nguyên lý cơ bản là năng lượng âm truyền qua một môi trường sẽ tiếp tục truyền cho đến khi gặp mặt phân cách với vật liệu khác nó sẽ tán xạ hoặc phản xạ, như không khí bao quanh mặt đáy chi tiết hoặc có trong vết nứt. Trong dạng kiểm tra này, người kiểm tra đặt đầu dò lên bề mặt chi tiết và xác định xung trở về từ mặt đáy của chi tiết, sau đó tìm bất kỳ xung nào xuất hiện phía trước của xung đáy đó, giảm bớt nhiễu tán xạ từ các hạt nếu có. Xung lớn đứng trước xung đáy có thể do sự có mặt của vết nứt hoặc trống rỗng tạo thành lớp. Thông qua các phân tích tiếp theo, độ sâu, kích thước, và hình dạng của cấu trúc tạo ra sự phản xạ có thể được xác định.

Quality

Năng lượng âm sẽ truyền đến mặt đáy của chi tiết, nhưng phản xạ trước nếu vết nứt tạo lớp hoặc bất liên tục tương tự tồn tại.

Trong một số trường chuyên dụng, kiểm tra được thực hiện bằng kỹ thuật truyền qua, trong đó năng lượng âm truyền giữa hai đầu dò được đặt trên hai mặt đối diện của chi tiết. Nếu tồn tại khuyết tật lớn trên đường truyền âm, chùm tia bị che khuất và xung sóng âm không tới được đầu thu.

- Kiểm tra bằng đầu dò góc — Các vết nứt hoặc các bất liên tục khác vuông góc với bề mặt chi tiết, hoặc nghiêng so với bề mặt đó thì thường không phát hiện được bằng kỹ thuật kiểm tra sử dụng chùm tia thẳng góc do hướng của chúng đối với chùm tia. Các khuyết tật đó có thể xuất hiện mối hàn, các chi tiết kết cấu kim loại, và rất nhiều các cấu kiện xung yếu khác. Để phát hiện được chúng, kỹ thuật chùm tia góc được sử dụng với các đầu dò góc thông thường hoặc đầu dò nhúng được sắp đặt sao cho chùm tia hướng vào chi tiết với góc đã chọn. Thường sử dụng chùm tia góc trong kiểm tra mối hàn.
Các đầu dò góc thông thường sử dụng sự chuyển đổi dạng sóng và định luật Snell để tạo ra sóng ngang với các góc đã lựa chọn (thông thường là các góc 30, 45, 60, hoặc 70 độ) trong chi tiết kiểm tra. Khi góc tới của sóng dọc tăng lên so với bề mặt thì phần năng lượng âm chuyển đổi thành sóng ngang trong vật liệu thứ hai tăng lên, và nếu góc đó lớn đến mức mà toàn bộ năng lượng âm trong vật liệu thứ hai sẽ có dạng sóng ngang. Có hai ưu điểm khi thiết kế các đầu dò góc dạng này. Ưu điểm thứ nhất: sự truyền năng lượng sẽ hiệu quả hơn tại những góc tới mà tạo ra sóng ngang trong thép hoặc các vật liệu tương tự. Ưu điểm thứ hai là độ phân giải khuyết tật nhỏ nhất được tốt hơn khi ta sử dụng sóng ngang, vì với tần số xác định, bước sóng của sóng ngang chỉ sấp sỉ 60% bước sóng của sóng dọc.



Cấu hình điển hình về kiểm tra siêu âm sử dụng đầu dò góc



Chùm tia góc rất nhạy với các vết nứt 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 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

Tài liệu tham khảo:
American Society for Nondestructive Testing, Nondestructive Testing Handbook, Volume 7, Ultrasonic Testing
ASM International, Metals Handbook, Volume 17, Nondestructive Evaluation and

Mình có tài liệu các về các chuẩn ASTM E-164 và AWS D1.1 V2004.
Admin liên hệ với mình để có thêm nhiều bài viết thứ vị cho Members cùng tham khảo nha.
Email: Tindt@viscondt.com.vn

Hay qúa, cám ơn đã đóng góp, bạn có tài liệu hay nào nữa thì chi sẻ cùng anh em nhé. Diễn đàn cũng có Post ASTM 2004 và AWS D1.1 2010 rồi. Bác cứ up lên coi có gì khác biệt không. Cám ơn đã đóng góp.

Siêu âm là phương pháp tốt nhất để phát hiện khuyết tật: không ngấu, không thấu và nứt.

Nó cũng có một ưu điểm mà RT không làm được đó là phát hiện được tách lớp nhờ đầu dò 0 degree

Thêm nữa là siêu âm áp dụng cho vật liệu dày hơn so với RT. Nhưng kết quả của phương pháp siêu âm có yếu tố chủ quan của kỹ thuật viên NDT, không lưu được kết quả kiểm tra như RT. Các máy siêu âm như Epoch Xt,
USM 35x, với màn hình màu, chế độ hiển thị xung rõ nét, đường cong biên độ khoảng cách khá ổn.