Đo khuyết tật vật liệu bằng siêu âm ppt

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
Chùmtia góc rất nhạy vớicác vết nứt vuông góc với mặt đáy của chi tiết kiểm tra
(nhánhthứ nhấtcủa đường truyền âm)hoặc sau khiđập vào mặtđáy tới vết nứt
vuônggóc vớimặt trêncủa chi tiết kiểmtra (nhánhthứ hai của đường truyền âm).
Sự đadạng về góc và hìnhdạngcủa đầu dòđược sử dụng để thích ứngvới các chi
tiết có hình dạngkhác nhauvà các dạng khuyếttật khác nhau, và nhữngvấn đề đó
được mô tả chi tiết trongcác qui trình và tiêu chuẩn kiểm tra như ASTM E-164và
tiêu chuẩn hàn kết cấu AWS Structural WeldingCode.
Toàn bộ danhsách liệt kê cácứng dụng về dò phát hiện khuyết tậtcủa
Olympus NDT