CHƯƠNG 6. CÁC ỨNG DỤNG ĐẶC TRƯNG SIÊU ÂM MẪU

Bằng cách sử dụng kỹ thuật đầu dò sóng dọc, các chỉ thị trên màn hình CRT xuất hiện từ các co ngót vi mô có khuynh hướng Quét để phát hiện những giới hạn khuyết tật Xung phản hồi khuyết

CHƯƠNG 6 CÁC ỨNG DỤNG ĐẶC TRƯNG SIÊU ÂM MẪU

6.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA :

6.1.1 Kiểm tra siêu âm các mẫu đúc :

Các khuyết tật trong vật liệu xuất hiện trong quá trình đúc thường là dạng co ngót, các lỗ rỗng hoặc các lỗ xốp, sự phân lớp, cấu trúc hạt thô, các tạp chất phi kim loại và các vết nứt Khuyết tật dạng co ngót xuất hiện trong quá trình kết tinh của thỏi đúc Trước hết các lớp ngoài hoá rắn đầu tiên, trong thời gian này kim loại lỏng tập trung tại các đỉnh của thỏi, tại đây sau khi hoá rắn xong một lõm dạng phễu có thể xuất hiện do co ngót Lõm co ngót có thể

hở hoặc kín bên trong thỏi đúc và trong điều kiện nhất định có thể xuất hiện lỗ trống

Vật liệu thỏi đúc có thể không đồng nhất Bất kỳ sự thay đổi nào về thành phần xảy ra trong quá trình kết tinh được gọi là sự phân lớp

Một kiểu phân lớp khác nữa là do trọng lực, xảy ra bởi sự phân lớp ở phần trên của thỏi đúc lẫn các tạp chất có nhiệt độ kết tinh thấp hơn và có tỷ trọng khác với kim loại xung quanh, kiểu phân lớp này chủ yếu chứa lưu huỳnh hoặc phốt pho

Cấu trúc hạt thô có thể xảy khi nhiệt độ rót cao và quá trình nguội xảy ra chậm Đôi khi hiện tượng khuyết tật này làm cho ta không thể dùng siêu âm để kiểm tra vì độ suy giảm sóng âm rất cao trong vật liệu hạt thô

Các chất khí hoà tan trong thép sẽ tách ra khi quá trình kết tinh bắt đầu vì độ hòa tan của nó trong kim loại lỏng giảm đi nhanh chóng ở giai đoạn này Nếu hàm lượng của chất khí cao, các bọt khí, hay lỗ khí thường bị kẹt dưới bề mặt hoặc bên trong thỏi đúc

Những tạp chất phi kim loại như xỉ, các vật liệu chịu nhiệt trong quá trình luyện thép lẫn vào kim loại trong quá trình nấu chảy hoặc đúc và thường là nguyên nhân chủ yếu gây ra dạng nứt mỏi Các vết nứt dọc hoặc ngang có thể xuất hiện trong khi kết tinh tùy theo phương pháp tạo khuôn đúc, nhiệt độ khuôn đúc, thành phần thép và nhiệt độ nấu chảy

Trong việc dò khuyết tật vật đúc hầu như người ta quan tâm đặc biệt đến các khuyết tật trong quá trình chế tạo như các lỗ co ngót, lỗ rỗng, các tạp chất (thường là cát, xỉ) và vết nứt (gây

ra do ứng suất trong khi làm nguội khi mà kim loại đã kết tinh hoàn toàn)

Bằng phương pháp siêu âm, rất khó phát hiện được sự phân lớp rõ ràng Vì vậy chỉ có thể dùng các phương pháp gián tiếp Ít khi người ta kiểm tra dạng nứt mỏi của vật đúc nhưng nếu cần thiết thì kỹ thuật kiểm tra cũng tương tự như kỹ thuật dùng để kiểm tra vật rèn

Về cơ bản, yêu cầu khuyết tật trong việc kiểm tra vật đúc là không thể cao như là đối với các chi tiết máy đang làm việc, vì luôn luôn có các lỗ co ngót và các rỗ khí trong vật đúc tạo nên các “tín hiệu cỏ” và các xung nhiễu nhỏ, ngay cả khi sử dụng tần số thấp

Cả hai kỹ thuật sóng dọc và sóng ngang đều được sử dụng rộng rãi để kiểm tra các vật đúc

Do cấu trúc hạt vật đúc có ảnh hưởng đáng kể đến sự suy giảm sóng siêu âm Tần số dùng để kiểm tra vật đúc có xu hướng thấp hơn so với tần số dùng để kiểm tra các sản phẩm khác Người ta thường dùng tần số 1,25MHz đến 2,5MHz, đôi khi cần phải giảm tới 0,5MHz để truyền sâu đến các vùng xa hơn Các đầu dò sóng dọc (đơn tinh thể hay tinh thể kép) và các đầu dò sóng ngang có góc 450, 600 và 700 là được sử dụng phổ biến nhất

Máy dò khuyết tật siêu âm dùng để kiểm tra vật đúc cần phải có dải tần số từ 0,5MHz đến 6MHz và khi sử dụng các đầu dò được chọn cho việc kiểm tra chung phải có độ phân giải và đặc tính xuyên thấu tốt.

Các tính chất xuyên thấu được đánh giá bằng cách đặt đầu dò sóng dọc lên miếng chất dẻo thủy tinh hữu cơ (perspex) được gài vào mẫu chuẩn V1, điều chỉnh các núm khuếch đại tới cực đại và đếm số xung phản hồi từ đáy Một kết quả có hai hoặc bốn xung phản hồi đáy cho thấy khả năng xuyên thấu yếu đối với việc kiểm tra và từ sáu đến mười xung phản hồi chứng

tỏ khả năng xuyên thấu cao

Sau đây trình bày những khuyết tật thông thường trong vật đúc cùng với những kỹ thuật kiểm tra phổ biến để phát hiện chúng

6.1.1.1 Các khuyết tật co ngót (Shrinkage defects) :

Khuyết tật co ngót là những hốc (lõm) hình thành khi kết tinh và được tạo ra trong quá trình chuyển từ thể lỏng sang rắn Những khuyết tật này đi kèm với bọt khí, khi hàm lượng khí cao

sẽ làm tăng đáng kể phạm vi của khuyết tật

Những vị trí điển hình mà tại đó các lỗ co ngót thường xuất hiện được biểu diễn như trong hình vẽ 6.1 Ở nơi có sự thay đổi cục bộ về bề dày tiết diện, sẽ xuất hiện một điểm nóng không được điền đầy tức thời Điều này dẫn tới sự tạo lỗ co ngót và vì vậy cần phải khắc phục ngay nếu có thể được Các vật đúc có hình dạng nối góc nhọn như hình chữ (V, X hoặc Y) là có nguy cơ bị lõm co mạnh nhất; các vật đúc có mối nối hình chữ T hay L là ít

có vấn đề hơn

Hình 6.1 –Vị trí điển hình của những lỗ rỗng do co ngót.

Có thể phân loại các khuyết tật co ngót trong quá trình đúc thép làm ba loại : Co ngót vĩ mô,

co ngót vi mô, và co ngót dạng sợi

(a) Các dạng co ngót lớn (vĩ mô) (Macro – shrinkage) :

Các khuyết tật co ngót lớn là các lỗ trống lớn tạo thành khi hoá rắn Kiểu phổ biến nhất của khuyết tật này là lõm co thường xuất hiện do kim loại rót cung cấp không đủ Trong các thiết

kế tốt, khuyết tật lõm co thường bị cô lập tại đầu rót kim loại Kỹ thuật dùng để dò khuyết tật loại này phụ thuộc vào bề dày tiết diện vật đúc

Đối với những tiết diện có bề dày lớn 75mm có thể dùng đầu dò sóng dọc đơn tinh thể còn đối với những tiết diện có bề dày dưới 75mm thì nên dùng đầu dò sóng dọc tinh thể kép Sự

có mặt của loại khuyết tật này được biểu hiện bằng sự mất hoàn toàn xung phản hồi đáy đồng thời xuất hiện xung phản hồi khuyết tật mới Nên dùng đầu dò góc để xác định lại thông tin

Hình 6.2 – Những vị trí điển hình của đầu dò để kiểm tra co ngót lớn trong vật đúc.

(b) Khuyết tật co ngót dạng sợi (Filamentary shrinkage):

Đây là dạng thô của co ngót nhưng có kích thước nhỏ hơn các lỗ co ngót lớn Các lỗ lõm có thể thường giãn rộng, phân nhánh và nối liền với nhau

Về mặt lý thuyết, co ngót dạng sợi có thể xảy ra dọc theo đường trung tâm của tiết diện thỏi đúc, nhưng không phải trường hợp nào cũng vậy và trong một số trường hợp, nó kéo dài và

mở rộng đến tận bề mặt của vật đúc Sự mở rộng và kéo dài này đến bề mặt vật đúc còn do

sự trợ giúp của các lỗ rỗ hay lỗ rỗ dạng xoắn Co ngót dạng sợi mảnh có thể phát hiện được nhờ kết hợp hai đầu dò với nhau, nếu tiết diện vật đúc có bề dày nhỏ hơn 75mm Các xung phản hồi khuyết tật có khuynh hướng rời rạc hơn so với co ngót lớn (macro) Lần quét đầu tiên nên thực hiện bằng một đầu dò có đường kính lớn (20 - 25mm) và lần quét đánh giá sau cùng bằng một đầu dò có đường kính nhỏ hơn (10 – 15mm) (xem hình 6.3)

Hình 6.3 – Quét để phát hiện co ngót dạng sợi mảnh trong gang bằng đầu dò kép.

(c) Co ngót vi mô (Micro – shrinkage) :

Đây là sự co ngót dạng sợi mảnh hết sức tinh vi do co ngót hoặc sự vận động của khí trong quá trình kết tinh Các lỗ rỗng cũng hình thành ở biên giới hạt (co ngót trong tinh thể) hoặc giữa các tinh thể dạng nhánh cây (co ngót dạng nhánh cây) Bằng cách sử dụng kỹ thuật đầu

dò sóng dọc, các chỉ thị trên màn hình CRT xuất hiện từ các co ngót vi mô có khuynh hướng

Quét để phát hiện những giới hạn khuyết tật

Xung phản hồi khuyết tật

Co ngót lớn

Sử dụng đầu dò góc để

giống như tín hiệu cỏ, đó là một nhóm các xung phản hồi tương đối nhỏ, phân giải kém, trải dài trên phần nào đó của đường thời gian (hình 6.4).

Hình 6.4 – Các vị trí của đầu dò và sự xuất hiện co ngót vi mô trên màn hình CRT.

Sự tồn tại của xung phản hồi đáy đồng thời với các xung khuyết tật sẽ tùy thuộc vào tần số chọn sử dụng Ví dụ có thể không thấy một xung phản hồi từ đáy khi sử dụng đầu dò 4 – 5MHz do sự tán xạ của chùm tia siêu âm Điều này có thể gây ra sự nghi ngờ là có tồn tại một loại khuyết tật lớn Tuy nhiên, khi thay đổi đầu dò 1 – 2MHz là có thể truyền vượt qua được vùng có khuyết tật để làm xuất hiện xung phản hồi đáy trên nền xung phản hồi khuyết tật và do đó bác bỏ được cảm giác tồn tại một khuyết tật lớn

6.1.1.2.Các khuyết tật liên quan tới sự cản co trong quá trình kết tinh :

(a) Nứt nóng (hot tears) :

Đó là các dạng vết nứt, chúng không liên tục và thường có dạng gồ ghề Chúng được tạo ra

do ứng suất phát triển vào lúc gần với nhiệt độ kết tinh, khi kim lọai đang nguội đi co rút lại, chúng bị cản trở bởi thành khuôn hay ruột khuôn, hoặc do một tiết diện mỏng nào đó đã nguội trước sẽ gây nên các vết nứt nóng tại các vị trí yếu nhất của vật đúc Trên hình 6.5 trình bày một số nguyên nhân và vị trí của các vết rạn nứt kiểu này

(b) Các vết nứt do ứng suất (Stress cracks) :

Những khuyết tật này dễ xác định, các vết nứt gần như thẳng, chúng được hình thành khi kim loại đã hoàn toàn đông rắn

Xung phát

Co ngót vi mô

Xung phản hồi đáy

(b) Các bọt khí (Gas holes):

Những khuyết tật này là các lỗ trống rời rạc, thường có đường kính lớn hơn 1,5mm, chúng được tạo ra trong quá trình hòa tan chất khí từ kim loại trong quá trình kết tinh Lỗ rỗng dạng xoắn là tên đặt cho một hốc khí hình ống, luôn vuông góc với bề mặt của vật đúc Vì hốc khí

có thể gần với bề mặt, cho nên sử dụng đầu dò sóng dọc tinh thể kép là thích hợp nhất (hình 6.7)

Hình 6.6 – Những vị trí đầu dò và kết quả kiểm tra trên màn hình CRT trong quá trình kiểm

tra lỗ khí.

Rạn nứt nóng do cản co bởi khuôn

đúc dọc theo chiều dài C Rạn nứt nóng do thay đổi tiết diện D

Đầu dò đặt tại vị trí (1) Đầu dò đặt tại vị trí (2)

Xung phản hồi đáy thứ nhất

Xung phản hồi đáy thứ hai

Xung phản hồi khuyết tật

Hình 6.7 – Các vị trí đầu dò và tín hiệu xuất hiện trên màn hình CRT trong quá trình phát

hiện các bọt khí.

6.1.2 Kiểm tra siêu âm các mối hàn :

Trong công nghệ hàn, hai mảnh kim loại được nối liền với nhau Kim loại nóng chảy “rót” từ một que hàn lẫn vào với kim loại cơ bản nóng chảy ở bề mặt của hai vách đã được gia công

và liên kết hai mảnh kim loại đó với nhau khi mối hàn nguội và đông rắn lại Một số khuyết tật sinh ra do các bề mặt rãnh hàn không nóng chảy hay hòa lẫn với kim loại que hàn (các khuyết tật hàn không thấu và hàn không ngấu) Các khuyết tật sinh ra do vảy hoặc xỉ không được làm sạch hoàn toàn trước khi hàn phủ lớp tiếp theo (ngậm xỉ) Một số khuyết tật khác

do nhúng que hàn quá sâu vào dòng kim loại nóng chảy và một mảnh đồng hoặc tungsten rơi vào trong đường hàn nóng chảy (ngậm tạp chất kim loại) Một vài khuyết tật xuất hiện theo nhiều cách giống nhau như các khuyết tật trong vật đúc (các lổ khí, lõm co, lỗ khí xoắn, co ngót, rãnh khuyết mặt ….v.v) Một số khuyết tật xảy ra do ứng suất nhiệt, do có một số phần đang ở nhiệt độ nóng chảy, trong khi các phần còn lại của kim loại cơ bản thì đang ở nhiệt độ thấp hơn rất nhiều (vết nứt, xé …vv.)

Nhiều khuyết tật xuất hiện trong mối hàn nhưng không làm thay đổi độ bền của mối hàn, một

số khác có ảnh hưởng dưới nhiều mức độ khác nhau Tuy nhiên, các khuyết tật dạng phẳng (các vết nứt, các khuyết tật hàn không ngấu và hàn không thấu), gây ra sự gián đoạn trên bề mặt của mối hàn nối làm cho sức bền của mối hàn giảm xuống rất nhanh chóng

6.1.2.1 Các loại mối hàn nối :

Hầu hết các loại mối hàn đều có thể chia thành các loại sau :

(i) Mối hàn đối đầu

(ii) Mối hàn chữ T

(iii) Mối hàn ống dạng nhánh (Nozzle Weld)

Mối hàn nối đối đầu là mối hàn khi hai tấm kim loại hoặc hai ống thường là có đầu bề dày bằng nhau được nối lại với nhau theo một trong các cách vát mép như trong các hình vẽ 6.8

Đầu dò đặt tại vị trí (2)

Xung phản hồi của bọt khí

Xung phản hồi đáy thứ hai

Xung phản hồi

Hình 6.8 : Các cấu tạo khác nhau của mối hàn đối đầu.

Hình 6.8 mô tả hình dạng khác nhau của các mối hàn đối đầu Hình 6.9a minh họa quá trình chuẩn bị mối hàn chữ V đơn và những thuật ngữ thường dùng để mô tả những thành phần của vùng hàn Hình 6.9b biểu diễn mối hàn đó sau khi hàn, cho thấy hình dạng ban đầu và số lớp điền đầy mối hàn Mối hàn chữ T là mối hàn khi cả hai bản kim loại được nối vuông góc với nhau Mối hàn chữ T có thể xuyên thấu hoàn toàn (Hình 6.10a), hoặc chỉ xuyên thấu một phần (Hình 6.10b)

Mối hàn ống nhánh (Nozzle Weld) là mối hàn nối một ống với một nhánh ống khác theo một góc vuông hay một góc nào đó Cũng giống như mối hàn chữ T mối hàn ống có thể thấu hoàn toàn hoặc thấu một phần Ống nhánh có thể nối với ống chính sao cho chất lỏng hoặc chất khí thông nhau giữa hai ống, hoặc ống nhánh chỉ nối một cách đơn giản với một ống chính không cần khoan thủng ( như trong trường hợp gia cường một thanh đệm bên trong các dạng cấu trúc hình ống) Hai dạng hàn ống nói trên được biểu diễn trên hình 6.11a và 6.11b , phần gạch chéo biểu diễn thành ống

Hình vẽ 6.12 biểu diễn một số cách hàn ống nhánh Vách ống chính được gọi là thân, còn vách ống nối vào gọi là nhánh

Hình 6.9 a - Những thuật ngữ được sử dụng để mô tả những thành phần khác nhau trong vùng hàn.

Chuẩn bị gia công mối hàn hình chữ U Chuẩn bị gia công mối hàn cạnh vuông

Chuẩn bị gia công mối hàn hình chữ V kép

Chuẩn bị gia công mối hàn có miếng lót Chuẩn bị gia công mối hàn có nút đệm “EB”

Mối hàn C/L

Kim loại cơ bản Khe hở ở đáy

Gia công mối hàn góc

Bề dày thành

Bề mặt nóng chảy

Bề mặt đáy

Hình 6.9b – Hình dạng rãnh hàn ban đầu và số lớp điền đầy mối hàn.

(a) Mối hàn thấu hoàn toàn (b) Mối hàn thấu một phần.

Thành

ống

chính

Thành ống nhánh

Mũ hàn gia cường

Thân mối hàn Giọt lồi đáy mối hàn

Hình 6.12(c) –Mối hàn hoàn toàn xuyên thấu; (d) Mối hàn xuyên thấu một phần

Hình 6.12(e) - Mối hàn hoàn toàn xuyên thấu.

6.1.2.2 Quy trình chung để kiểm tra mối hàn bằng siêu âm :

Quy trình kiểm tra mối hàn bằng siêu âm trình bày sau đây, nếu thực hiện đúng sẽ cho kết quả nhanh chóng và có hiệu quả :

(a) Thu thập thông tin trước khi kiểm tra mối hàn:

Những thông tin cần thu thập trước khi kiểm tra một mối hàn bao gồm :

(i) Những đặc điểm của kim loại cơ bản

(ii) Công nghệ hàn

(iii) Cách thức gia công chuẩn bị mối hàn

(iv) Bề dày của kim loại cơ bản tiếp giáp với mối hàn

(v) Bất kỳ khó khăn đặc biệt nào trong khi hàn mà người thợ gặp phải

(vi) Vị trí của bất kỳ mối hàn nào đã bị sửa lại

(vii) Các tiêu chuẩn cho phép

(b) Xác định vị trí và kích thước chính xác của mối hàn:

Để xác định chính xác vị trí đường trung tâm của mối hàn, một cách lý tưởng thì kim loại cơ bản được đánh dấu ở mỗi phía mối hàn trước khi bắt đầu hàn Trong một số trường hợp, khi phần mũ gia cường của mối hàn được mài phẳng ngang bằng với kim loại cơ bản, phải vạch dấu vùng bề rộng của mối hàn

Đường trung tâm của mối hàn phải được đánh dấu thật chính xác trên bề mặt sẽ dò siêu âm Đối với mối hàn chữ V, khi mũ gia cường đã được mài bằng với kim loại cơ bản, thì đường trung tâm mối hàn được xác định bằng cách nối đường tâm của một đầu dò thẳng ở hai hoặc

ba vị trí trên mối hàn (hình 6.13a), ở đó ta sẽ nhận được một xung phản hồi cực đại từ giọt lồi đáy mối hàn Lúc đó đường nối các điểm này sẽ là đường trung tâm của mối hàn

Đối với mối hàn chữ V đơn, mà phần mũ tăng cường của mối hàn không được mài bằng, thì phải dùng một đầu dò góc, đầu tiên đặt đầu dò lên một phía của đường hàn (hình 6.13b) và đánh dấu điểm ra của đầu dò trên mẫu mà tại đó thu được xung phản hồi cực đại từ giọt lồi đáy mối hàn Thực hiện hai hoặc ba điểm như vậy ở trên cùng một phía của mối hàn Sau đó đầu dò lại được đặt sang phía bên kia của đường hàn và lặp lại quá trình như vậy Các điểm

Thành ống chính

Thành ống chính

Thành ống chính

Thành ống nhánh

(e)

trung tâm của các điểm đánh dấu ở cả hai phía này sẽ được nối lại với nhau, tạo thành đường trung tâm của mối hàn.

Hình 6.13 – Xác định vị trí đường trung tâm của mối hàn

c Kiểm tra bằng mắt thường (Visual inspection):

Cần phải kiểm tra sơ bộ bằng mắt thường trước khi bắt tay vào kiểm tra bằng máy siêu âm, phải chắc rằng bề mặt không còn dính các bụi kim loại hàn và đủ nhẵn để quét đầu dò Một

số khuyết tật như rãnh khuyết (undercut).v.v có thể thấy trên bề mặt và cần phải đánh dấu lại Nếu những khuyết tật này vượt quá tiêu chuẩn cho phép, thì chúng phải được sửa chữa lại trước khi kiểm tra bằng siêu âm Điều này không phải lúc nào cũng thực hiện được

Những dạng khuyết tật khác có thể nhận thấy được khi kiểm tra bằng mắt thường là sự lệch hàng và lệch mép (hình 6.14)

Những khuyết tật này có thể không ảnh hưởng đến sự chấp nhận/loại bỏ của mối hàn, nhưng

nó có thể cản trở đến quá trình kiểm tra siêu âm

Một giải pháp cho sự lệch hàng thường là làm rộng mũ mối hàn, vì thợ hàn thường cố gắng che đậy lỗi này bằng cách làm lẫn mũ hàn gia cường cùng với kim loại cơ bản phía bên kia đường hàn

Hình 6.14 – Biểu diễn những mối hàn lệch hàng và lệch mép

Hàn lệch hàng

Hàn lệch mép

Vị trí xung phản hồi cực đại

(d) Kiểm tra kim loại cơ bản:

Cần phải kiểm tra kim loại cơ bản bằng một đầu dò thẳng để phát hiện những khuyết tật bất

kỳ nào có thể, thí dụ như sự tách lớp … v.v chúng có thể ảnh hưởng đến việc kiểm tra mối hàn khi dùng đầu dò góc, cũng như sự đánh giá bề dày của kim loại cơ bản

Việc kiểm tra phải được thực hiện trên một vùng rộng hơn bước quét toàn phần của một bước quét khi sử dụng một đầu dò góc (thường là 700) Trên hình 6.15 cho thấy những gì sẽ xảy ra nếu một vết tách lớp lớn nằm ở trong kim loại cơ bản Sự hiện diện của vết tách lớp gây ra sự phản xạ tới mũ gia cường mối hàn và tạo nên một tín hiệu mà ta có thể nhầm lẫn với tín hiệu của một giọt đáy hàn bình thường, đồng thời làm cho ta không phát hiện được khuyết tật hàn không thấu

Để kiểm tra kim loại cơ bản có thể dùng một đầu dò đơn hoặc một đầu dò kép với tần số nằm giữa 2MHz và 6MHz Người ta ưa dùng tần số cao nhất trong khoảng tần số này

Để thiết lập độ nhạy cho việc kiểm tra này cần phải tiến hành theo hướng dẫn kỹ thuật hoặc theo quy phạm thực hành

Hình 6.15 – Ảnh hưởng của một khuyết tật dạng tách lớp lớn trong kiểm tra siêu âm.

(e) Kiểm tra đáy của mối hàn (Critical root Examination):

Bước tiếp theo là kiểm tra một cách thật kỹ lưỡng vùng đáy của mối hàn Vì ở vùng đáy các khuyết tật thường hay xảy ra và ở đó sự tồn tại của chúng là có hại hơn cả Tại vùng này các xung phản hồi từ giọt lồi đáy một mối hàn tốt và tín hiệu xung phản hồi khuyết tật đáy sẽ xuất hiện rất gần nhau, do vậy người kiểm tra rất hay bị nhầm lẫn Những chi tiết kỹ thuật về kiểm tra đáy mối hàn chữ V đơn và chữ V kép sẽ được trình bày tương ứng ở các phần VI.1.2.3 và VI.1.2

(f) Kiểm tra thân mối hàn:

Sau khi kiểm tra đáy mối hàn, ta kiểm tra thân của mối hàn bằng một đầu dò góc thích hợp

để tìm khuyết tật Những chi tiết kỹ thuật của việc kiểm tra thân mối hàn sẽ được mô tả cho mổi loại mối hàn nối trong những phần tiếp theo dưới đây

(g) Kiểm tra các vết nứt ngang (transverse cracks):

Sự tách lớp Hàn không thấu

Hàn không thấu

Tín hiệu của giọt đáy mối hàn

Tín hiệu của mũ gia cường mối hàn

Khoảng cách 1/2 đường truyền sóng âm Tín hiệu khuyết tật

Sau khi đã kiểm tra cả đáy và thân của mối hàn, bước tiếp theo là tìm các vết nứt ngang trên

bề mặt đỉnh hay mặt đáy mối hàn Đối với các mối hàn bằng vật liệu sắt từ, phương pháp từ thì nhanh và rất có hiệu quả để phát hiện các vết nứt nằm ở trên bề mặt phía trên, do vậy thường chỉ dùng phương pháp kiểm tra siêu âm để phát hiện các vết nứt ở bề mặt phía đáy của mối hàn Nếu mũ hàn gia cường không được mài phẳng, như trên hình 6.16, thì việc dò quét này được thực hiện dọc theo đường trung tâm của mối hàn và đầu dò hướng nghiêng theo với đường trung tâm

Vì vết nứt có cạnh sắc gồ ghề, như vậy chỉ có một phần ít năng lượng phản xạ ngược lại đầu phát Cho nên một kỹ thuật an toàn hơn là sử dụng một cặp đầu dò: Một đầu phát và một đầu thu Kỹ thuật này được biểu diễn trên hình 6.16

Nếu mũ gia cường mối hàn được mài phẳng ngang bằng với kim loại cơ bản, ta có thể dò quét dọc theo đường trung tâm của mối hàn và song song ở cả hai phía của đường trung tâm,

từ mỗi hướng dò này sẽ quét được toàn bộ chiều rộng mối hàn

(h) Xác dịnh vị trí, kích thước và bản chất của khuyết tật:

Qua những kiểm tra nói trên, nếu phát hiện được một khuyết tật, thì bước tiếp theo là phải khảo sát khuyết tật càng kỹ càng tốt để xác định

(i) Vị trí chính xác của khuyết tật trong mối hàn

(ii) Chiều dài của nó song song với trục mối hàn Để thực hiện việc này thường sử dụng cả hai phương pháp giảm 6dB và 20dB

(iii) Kích thước của khuyết tật theo bề dày của mối hàn

(iv) Bản chất của khuyết tật (xỉ, lỗ rỗng, vết nứt.v.v )

Hình 6.16 – Quét mối hàn để kiểm tra những vết nứt nằm ngang.

(i) Báo cáo kiểm tra:

Để đánh giá một cách đầy đủ kết quả kiểm tra siêu âm, thì nhân viên kiểm tra phải ghi chép một cách có hệ thống tất cả những gì mình phát hiện được Bản báo cáo kết quả kiểm tra phải bao gồm tất cả những chi tiết của công việc kiểm tra, thiết bị đã sử dụng và những quy trình chuẩn máy và dò quét khuyết tật Ngoài ra, góc, vị trí của đầu dò và mức độ khuyết tật cũng cần ghi lại để trong trường hợp phải lặp lại những phép thử trên

Hai đầu dò được dịch chuyển cùng một lúc

Kỹ thuật một đầu dò

Mối hàn

Vết nứt ngang

Kỹ thuật hai đầu dò Hướng dịch chuyển

C/L R

T

5.1.2.3 Kiểm tra đáy mối hàn nối đối đầu hình chữ V đơn không có vòng lót, trong các

mối hàn dạng tấm và ống

Quy trình dò quét:

Quy trình dò để kiểm tra đáy mối hàn bao gồm các bước sau :

(a) Chọn góc của đầu dò

(b) Chuẩn thời gian quét trên mẫu chuẩn V1 hoặc V2 trong một dải bề dày thích hợp Đối với bề dày kim loại cơ bản đến 30mm thì thời gian quét được chuẩn ở dải 100mm

là phù hợp nhất

(c) Xác định góc đầu dò thật chính xác bằng cách dùng mẫu chuẩn V1 hoặc V2

(d) Dùng mẫu chuẩn V1 hoặc V2 để xác định điểm ra của đầu dò

(e) Tính khoảng cách 1/2 bước quét (1/2 skip distance) và 1/2 chiều dài đường truyền của chùm tia siêu âm (1/2 beam path length) cho đầu dò đã chọn

(f) Đánh dấu các đường dò quét tại khoảng cách 1/2 bước quét trên ở cả hai phía từ đường trung tâm của mối hàn (xem hình 6.17a)

(g) Đặt độ nhạy để dò quét và đánh giá

(h) Phép dò quét được tiến hành bằng cách dịch chuyển đầu dò rất chậm từ điểm đầu của vật kiểm tra đến điểm cuối sao cho điểm ra của đầu dò luôn luôn trùng với đường quét Để thực hiện điều này tại điểm cuối của mẫu ta đặt một thước dẫn hướng ở đằng sau đầu dò cũng nằm trên đường quét mà khi đầu dò quét chạm vào thước dẫn hướng thì điểm ra của đầu dò nằm trên đường quét (hình 6.17b) Những thước nam châm mềm rất hữu dụng cho mục đích này

Những vùng có xung phản hồi từ khuyết tật được đánh dấu trên vật kiểm tra, sau này tiếp tục dò quét lại để đánh giá bản chất và kích thước của khuyết tật

Hình 6.17 – Quy trình quét mối hàn chữ V đơn.

(i) Nếu điểm ra của đầu dò nằm trùng với đường quét (đường dò) thì một xung phản hồi của khuyết tật hàn không thấu sẽ xuất hiện ở thang 1/2 chiều dài quãng đường truyền của chùm tia siêu âm (1/2 skip beam path length)

Nếu đó là một mối hàn tốt, thì có thể sẽ xuất hiện một xung phản hồi trên giọt lồi đáy mối hàn ở một khoảng cách xa hơn chút ít so với vị trí của xung phản hồi khuyết tật dạng không thấu được biết như trên (Tùy thuộc vào giọt lồi ở gốc của mối hàn lớn hay

Các đường quét

Đầu dò

(a) Biểu diễn theo sơ đồ

Thước dẫn hướng

Đầu dò

60 0

Thước dẫn hướng

nhỏ và khuyết tật hàn không thấu lớn hay nhỏ) (hình 6.18a) Nếu có ít nhiều co ngót hay rãnh khuyết ở đáy mối hàn thì xung phản hồi từ những khuyết tật này sẽ xảy ra ở khoảng cách ngắn hơn chút ít so với vị trí xung phản hồi đáy thực của mối hàn (hình 6.18b).

(a) Vì hàn không thấu có một góc phản xạ rất tốt, nên xung phản hồi từ đó sẽ khá lớn so với một xung phản hồi từ rãnh khuyết hoặc co ngót ở gốc

(b) Với một xung phản hồi do hàn không thấu thì tất nhiên ở đó sẽ không có xung phản hồi giọt lồi, còn với rãnh khuyết và co ngót ở gốc thì lại hay có xung giọt lồi

(c) Những xung phản hồi từ rãnh khuyết và co ngót ở đáy sẽ cực đại khi đầu

dò được dịch chuyển lùi lại phía sau đường quét

(d) Nếu vị trí và biên độ của xung phản hồi giọt lồi ở đáy mối hàn thay đổi nhiều thì sẽ khả năng có khuyết tật xảy ra ở vùng đáy của mối hàn là lớn

(k) Sau khi kiểm tra thật cẩn thận đáy mối hàn bằng cách dò ở một phía của đường trung tâm mối hàn, cần tiến hành lần dò thứ hai giống như lần trước nhưng ở phía đối diện với đường trung tâm mối hàn để khẳng định những điều đã ghi nhận trong lần dò trước Vả lại, lần dò thứ hai cũng sẽ giúp ta trong việc giải thích hai loại khuyết tật có ở vùng đáy mối hàn Loại khuyết tật thứ nhất được biểu diễn trên hình 6.19 Đó là một hạt xỉ nhỏ hoặc rỗ khí ở ngay bên trên của đáy mối hàn.Khuyết tật này có thể xuất hiện hơi nhỏ hơn 1/2 chiều dài đường truyền của chùm tia (half skip beam path length) khi dò trong lần một, làm cho ta dự đoán đó là do lẹm đáy hoặc co ngót ở đáy Nếu lần dò thứ hai cũng dò như vậy, nó phải ở xa hơn so với mức thông thường Nhưng trong thực tế các loại tạp chất sẽ được biểu diễn tại những vị trí giống nhau tức là nó nằm ở vị trí ngắn trở lại Hơn nữa, xung phản hồi do lẹm đáy thì sẽ đạt cực đại khi ta lùi đầu

dò về phía sau trong lần dò đầu, Nhưng nếu xuất phát từ các tạp chất nó sẽ đạt cực đại nếu đầu dò tiến lên phía trước Xung phản hồi từ hạt xỉ cũng sẽ đat cực đại khi đầu dò tiến về phía trước trong lần dò thứ hai

Chiều dài tăng lên thường khoảng 2 – 3mm

Giảm khoảng cách

Hình 6.19 –Quét đáy để kiểm tra những khuyết tật nằm ở ngay trên đáy của mối hàn.

Khuyết tật loại thứ hai mà ta nói ở trên được biểu diễn trong hình 6.20 Nó cho thấy có vết nứt bắt đầu từ mép của giọt lồi ở đáy Từ vị trí 1 ta thu được một xung phản hồi khá lớn xuất hiện ngay ở nơi mà ta chờ đợi xung phản hồi do lẹm đáy và sẽ không đi cùng với xung giọt lồi Từ phía 2, ngược lại, hoàn toàn có thể thu được một xung phản hồi từ giọt lồi cũng như

là xung phản hồi từ khuyết tật

Hình 6.20 – Dò quét khuyết tật bắt đầu từ mép đến giọt lồi đáy mối hàn.

Chọn đầu dò góc :

Việc lựa chọn đầu dò góc là một công việc quan trọng nhằm nhận được lượng thông tin nhiều nhất trong một thời gian ngắn nhất của một quá trình kiểm tra nào đó Điều này có thể thực hiện được bằng cách dùng những đầu dò có tần số cao Trong việc lựa chọn đầu dò nhằm thực hiện các công việc kiểm tra thủ công (dò tìm không tự động), cần phải tính đến những hệ số dưới đây :

(a) Điều kiện bề mặt : Đối với bề mặt thô nhám thì tốt hơn là nên chọn đầu dò có tần số thấp, tại nơi dò tìm cần phải được tiếp xúc tốt

(b) Mặt cong : Những đầu dò nhỏ không nên đặt phạm vi dịch chuyển giống như là các đầu dò lớn

(c) Loại vật liệu : Khả năng truyền của chùm sóng âm khác nhau tùy thuộc vào các loại vật liệu và điều kiện của vật liệu Trong kim loại hàn thường có những hạt kết tinh thô, nên chùm sóng siêu âm có thể bị suy giảm mạnh Điều này đặc biệt đúng cho thép không gỉ austenit, ở đây những tinh thể kích thước lớn làm cho chùm sóng âm bị tán xạ ngược đến đầu dò thu, làm cho kỹ thuật siêu âm rất hạn chế trong loại vật liệu này.(d) Cấu trúc bên trong của quá trình luyện kim : Kích thước hạt của vật liệu cơ bản có thể cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng siêu âm Khi kích thước hạt hoặc kích

1 2

Vết nứt

thước của các chất lắng hoặc tạp chất bắt đầu hình thành lớn hơn 10% bước sóng siêu

âm, chúng có thể gây ra sự khúc xạ hoặc phản xạ, dẫn đến sự suy giảm hoặc nhiễu.(e) Khả năng xuyên sâu : Trong vật liệu, những sóng siêu âm có tần số thấp sẽ xuyên sâu hơn so với những sóng siêu âm có tần số cao

(f) Độ phân giải : Những đầu dò có tần số cao có những đặc tính phân giải tốt hơn,vì vậy những khuyết tật nhỏ có thể được phát hiện dễ dàng hơn so với những đầu dò có tần số thấp

(g) Độ chính xác : Thông thường các đầu dò có tần số cao cho độ chính xác cao hơn trong việc xác định kích thước của các loại khuyết tật

(h) Tốc độ quét : Các khuyết tật lớn đã được dò tìm đường bao trong lần dò quét đầu tiên; thì sử dụng những đầu dò lớn có tần số thấp sẽ cho tốc độ quét nhanh hơn

(i) Góc của đầu dò : Góc của đầu dò phải được lựa chọn sao cho để có thể thu được xung phản hồi từ hầu hết các khuyết tật Hãy chú ý tới các khuyết tật có định hướng mà đầu dò không thu được xung phản hồi từ chúng, ngoại trừ các đầu dò góc thích hợp tạo

ra các phản hồi vuông góc từ chúng Chúng là các khuyết tật thường gặp nhất như là khuyết tật hàn không ngấu ở các vách và tại đáy và vết nứt Góc của đầu dò thông thường hay sử dụng tương ứng với những bề dày kiểm tra khác nhau được cho trong bảng 6.1 bên dưới, trừ trường hợp trong những điều kiện đặc biệt thì có thể sẽ khác

Bảng 6.1 Góc của đầu dò phù hợp cho những dải bề dày khác nhau

Trong những trường hợp đặc biệt ta có thể dùng theo bảng này Trong quá trình chọn góc đầu dò nên nhớ rằng góc tới của chùm tia phản xạ tại bề mặt 300 sẽ gây ra sự chuyển đổi dạng sóng, và năng lượng của sóng ngang mất đi khoảng 20dB (90%) Ngoài ra, có sự suy giảm sóng mặt phát sinh do sử dụng đầu dò góc 800 , nhưng sự suy giảm này nằm trong giới hạn cho phép

(j) Lựa chọn dải bề dày quét :

Đường truyền chùm tia siêu âm, tương ứng với tần số, phải ngắn vừa đủ để tránh sự suy giảm quá mức Với giả thiết là quan tâm đến góc của đầu dò, bản chất của khuyết tật và độ mở của chùm tia, ta có thể chọn dải quét lớn hơn 200mm (8 inch) đối với đầu

dò có tần số trong khoảng 2- 6MHz ; dải lớn hơn 400mm (16 inch) đối với đầu dò 1 - 1,5MHz

6.1.2.4 Kiểm tra thân mối hàn chữ V đơn không có đệm lót (backing strip) :

Sau khi việc kiểm tra đáy mối hàn đã hoàn thành, người ta sẽ kiểm tra đến thân mối hàn, theo quy trình sau :

(a) Chọn một đầu dò có góc thích hợp

(b) Tính khoảng cách một nửa bước quét, bước quét toàn phần, chiều dài một nửa và chiều dài đầy đủ đường truyền tia siêu âm (skip beam path length) tương ứng với góc của đầu dò đã chọn.

(c) Đánh dấu trên kim loại cơ bản ở cả hai phía của mối hàn : các đường song song với đường trung tâm mối hàn tại các khoảng cách bằng 1/2 bước quét và các đường song song tại khoảng cách bằng bước quét toàn phần + 1/2 bề rộng mũ gia cường mối hàn (xem hình vẽ minh họa)

(d) Chuẩn thời gian quét cơ bản cho một phạm vi kiểm tra thích hợp

(e) Đặt độ nhạy cho hệ thống đầu dò và trong một phạm vi kiểm tra lớn nhất, trong trường hợp này sẽ là chiều dài tổng của đường truyền chùm tia siêu âm (full skip - BPL)

(f) Quét dò đối tượng kiểm tra theo một đường đi zic - zac (zigzag) giữa hai giới hạn là đường song song đã vạch như trên (hình 6.21) Mỗi lần dò quét về phía trước thì đầu dò nên vuông góc với đường trung tâm mối hàn, bước đi của mỗi zic - zac phải cỡ bằng 1/2 bề rộng của đầu dò nhằm đảm bảo quét hết toàn bộ mối hàn

Hình 6.21 – Quét theo đường zigzag kiểm tra thân mối hàn.

(g) Đánh dấu những vùng mà ở đó xuất hiện các xung phản hồi khuyết tật, tiếp theo là xác định vị trí, bản chất và kích thước của khuyết tật này Hình 6.22 trình bày cách dịch chuyển đầu dò nhằm xác định kích thước và bản chất khuyết tật

Hình 6.22 – Dịch chuyển đầu dò để xác định bản chất và kích thước của khuyết tật.

Lựa chọn góc phát đầu dò :

Chọn góc của đầu dò để kiểm tra thân của mối hàn phụ thuộc vào góc nghiêng của rãnh hàn khi chuẩn bị gia công mối hàn Góc đầu dò được lựa chọn sao cho có thể phát hiện được những khuyết tật không ngấu trên vách của rãnh mối hàn, sao cho phương của chùm tia vuông góc với bề mặt rãnh thì sẽ đạt phản hồi cực đại Góc này được tính toán như sau: Góc đầu dò = 900 – θ/2 (6.1) Trong đó : θ - là góc nghiêng rãnh hàn

Góc đầu dò cũng cần được thay đổi theo từng loại vật liệu của vật kiểm tra Điều này được trình bày trong bảng 6.2 :

Bảng 6.2 : Sự thay đổi góc đầu dò tuỳ thuộc vào các loại vật liệu khác nhau.

Tính toán các khoảng cách liên quan tới đầu dò góc :

Đó là : 1/2 bước quét (Half Skip), một bước quét (Full Skip); chiều dài đường đi của chùm tia siêu âm (Beam Path Length):

Hình 6.23 định nghĩa 1/2 bước quét (HSD), một bước quét (FSD), 1/2 chiều dài đường truyền của chùm tia siêu âm (HSBPL) và chiều dài đường truyền của chùm tia siêu âm (FSBPL) đối với đầu dò góc của góc khúc xạ

Khoảng cách AB = 1/2 bước quét (HSD)

Khoảng cách AC = một bước quét (FSD)

Khoảng cách AD 1/2 chiều dài đường truyền của chùm tia siêu âm (HSBPL)

Khoảng cách AD + DC = Chiều dài tổng đường truyền của chùm tia siêu âm (FSBPL)

θ

Hình 6.23 – Những khoảng cách bước quét và chiều dài đường truyền của chùm tia siêu âm

đối với một đầu dò góc.

Các hệ thức dùng để tính HSD, FSD, HSBPL và FSBPL với một mẫu có bề dày t biết trước được cho như sau đây :

HSD = t × tanθ (6.2) FSD = 2t × tanθ (6.3) HSBPL = t/cosθ (6.4) FSBPL = 2t/cosθ (6.5)Nếu góc thực tế của đầu dò đúng bằng giá trị góc ghi ở đầu dò(góc danh định), thì các kích thước nói trên trên được tính toán theo các công thức sau :

Khoảng cách cần tính = F × t (6.6) Trong đó F là một thừa số cho trong bảng 6.3

Bảng 6.3 : Thừa số F đối với các đầu dò góc

6.1.2.5 Kiểm tra mối hàn nối chữ V đơn có đệm lót hoặc có nệm chèn ở đáy

Quy trình kiểm tra của loại mối hàn này khác với loại mối hàn chữ V đơn không có đệm lót ở phần kiểm tra đáy thực của mối hàn Trong kiểm tra đáy của loại mối hàn có đệm lót này, vấn đề chủ yếu là phải biết chắc rằng giữa kim loại cơ bản, đáy mối hàn và đệm lót hoặc nệm chèn đã ngấu hoàn toàn với nhau hay chưa

Các mối hàn với nệm EB :

Khi ngấu hoàn toàn, hình dạng của loại mối hàn này giống mối hàn chữ V đơn hoàn hảo với một chuỗi giọt ở đáy không thay đổi Trình tự để kiểm tra đáy mối hàn này cũng giống hệt như đối với mối hàn chữ V đơn không có đệm lót Bằng cách quét dọc theo thước dẫn hướng đầu dò sẽ thu được xung phản hồi từ giọt đáy, nó xuất hiện ở một vị trí đặc biệt trên đường quét thời gian và sẽ có biên độ không đổi (tất nhiên cần lưu ý chất tiếp âm và độ thô nhám phải như nhau)

Biên độ xung phản hồi giảm đi là do hàn không ngấu hoàn toàn Sự hiện diện của một xung phản hồi ngay tại 1/2 quãng đường truyền của chùm tia siêu âm chứng tỏ sự tồn tại của hiện tượng không ngấu Vì các nệm chèn ở đáy sẽ cho một xung phản hồi khá lớn và nằm cách từ

2 đến 3mm ngoài vị trí 1/2 quảng đường truyền chùm tia siêu âm, hiện tượng không ngấu sẽ cho xung phản hồi ở khoảng cách ngắn hơn 1/2 quãng đường truyền - hình 6.25 Góc của đầu

dò phải chọn sao cho có thể tạo ra các chùm tia siêu âm tới vuông góc với vết không ngấu trên vách rãnh hàn theo phương vuông góc, để cho xung phản hồi đạt cực đại Góc chính xác

của đầu dò để tới mặt ngấu của mối hàn theo phương vuông góc cũng được tính theo công thức (6.1).

Hình 6.24 – Quét giọt đáy mối hàn có chêm EB.

Hình 6.25 – Chỉ thị trên màn hình CRT với khuyết tật không ngấu tại đáy mối hàn.

Dải bề dày cần kiểm tra, khi dùng đầu dò góc 700, có thể sẽ quá lớn và do đó độ nhạy đối với các khuyết tật khác như khuyết tật không ngấu ở phía các vách rãnh hàn có thể khá thấp Trong những trường hợp như vậy thì hợp lý hơn là nên dùng các đầu dò 450 hoặc 600 để tiến hành dò quét bổ sung Nếu mũ gia cường của mối hàn đã được mài phẳng thì vấn đề này có thể khắc phục được bằng cách dò quét ngay trên đường hàn trung tâm của mối hàn

Khuyết tật hàn không ngấu ở đỉnh nẹm chèn đáy (hình 6.26), có thể được phát hiện tốt nhất bằng cách sử dụng đầu dò sóng dọc Để thực hiện mục đích này thì mũ của mối hàn cần phải được mài phẳng để đầu dò thẳng có thể dò được Nếu điều này không thể thực hiện được hoặc chưa làm được, thì khuyết tật này có thể phát hiện được khi ta dùng một đầu dò góc thì xung phản hồi của nó xuất hiện ngay trên xung phản hồi đáy, và có thể gây nhầm lẫn là do ngậm xỉ gây ra

Hàn không ngấu

Tín hiệu giọt đáy mối hàn (nệm lót ở đáy mối hàn)