Các phương pháp và kỹ thuật kiểm tra siêu âm mối hàn kim loại

Phương pháp Truyền qua Kiểm tra vật liệu kích thước lớn, suy giảm âm cao  Không cho biết vị trí bất liên tục  Phụ thuộc vào sự thẳng hàng của hai đầu dò... Phương pháp xung dội• Phươn

Các phương pháp

và

kỹ thuật kiểm tra

siêu âm

Phân loại

Sóng âm khi lan truyền trong vật liệu hoặc đến bề mặt phân cách có những biểu hiện khác nhau

Theo loại năng lượng siêu

Phương pháp Truyền qua

• Đầu dò phát

và đầu dò thu

đặt trên hai

phía đối diện

của đối tượng

Phương pháp Truyền qua

• sự tồn tại bất liên tục thể hiện sự suy giảm

hoặc mất chỉ thị tín hiệu thu trên màn hình

Phương pháp Truyền qua

Không có bất liên tục, ch ỉ thị cao 100%FSH

Phương pháp Truyền qua

Có bất liên tục, chỉ thị sụt giảm còn 60% FSH

Phương pháp Truyền qua

 Kiểm tra vật liệu kích thước lớn, suy giảm âm cao

 Không cho biết vị trí bất liên tục

 Phụ thuộc vào sự thẳng hàng của hai đầu dò

Phương pháp xung dội

Đầu dò-bộ phận phát và thu cùng đặt trên

một phía đối tượng kiểm tra

Chỉ thị phản xạ mặt đáy

Phương pháp xung dội

Phương pháp xung dội

Đầu dò tại vị trí có bất liên tục Chỉ thị phản xạ từ bất liên tục xuất hiện trước chỉ thị phản xạ bề mặt đáy

Phương pháp xung dội

• Phương pháp phổ biến nhất

• Chỉ cần tiếp cận một phía

• Cho biết vị trí, kích thước, loại

bất liên tục

Phương pháp xung dội

Suy giảm âm nhanh, khó kiểm tra vật liệu cấu trúc hạt thô, kích thước lớn…

Phương pháp cộng hưởng

• Sóng siêu âm lan truyền trong vật liệu có chiều dày bằng bội số lần của một nửa chiều dài sóng thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng:

Biên độ lớn !!!

• Sử dụng kiểm tra chiều dày, mối ghép dán…

4 Phương pháp TOFD thể hiện

vời hình ảnh như hình bên

Phương pháp nhiễu xạ

xử lý và trình bày dữ liệu

Phương pháp nhiễu xạ

Phương pháp xung dội

Tia thẳng

 Sóng âm phản xạ về đầu dò thu từ bề mặt đáy hoặc các bất liên tục song song với bề mặt kiểm tra

 Áp dụng đo chiều dày vật liệu, kiểm tra tách lớp, mối hàn…

 Bằng cách chuẩn thiết bị phù hợp, chiều dày,vị trí bất liên tục

được xác định chính xác

Sóng siêu âm phản xạ từ bề mặt đáy Sóng siêu âm phản xạ từ bất liên tục tách lớp

Tia thẳng • Một biến tử

• Hai biến tử

• Đường trễ…

Tia xiên

• Được dùng khi tia thẳng

không tiếp cận được với

Tia xiên

Tia xiên-tính toán-tôn phẳng

Tia xiên-tính toán -tôn phẳng

Thuật ngữ

Tia xiên-tính toán-mặt cong

SD2 = SD1 x Hệ số

Tia xiên-tính toán-mặt cong

Hệ số

Tỷ số chiều dày trên đường kính

Tia xiên-tính toán-mặt cong

Đầu dò 450 với độ dài đường truyền âm đến bất liên tục trong hai trường hợp đều là 35mm

Tia xiên-tính toán-mặt cong

Góc tới hạn sử dụng trong UT ống

Tia xiên-tính toán-mặt cong

 V ới tỷ số chiều dày và

đường kính cho trước,

góc lớn nhất có thể sử

dụng kiểm tra được

Sin θ = 1 – 2t/D

 V ới góc cho trước, tỷ

số chiều dày trên đường

kính t/D lớn nhất có thể

kiểm tra được

t / D = (1-Sinθ ) / 2

• Công nghệ Phased array (chùm tia xiên tách pha)

tạo ra một chùm tia siêu âm với các thông số có thể đặt trước tuỳ chọn: góc, khoảng hội tụ, điểm hội tụ qua các phần mềm.

• Mở ra một loạt khả năng tiện ích mới:

- Thay đổi góc nhanh, quét toàn bộ không cần di

35 05/21/19

Lịch sử

• Sớm từ năm 1959 Tom Brown tại Kelvin và

Hughes đã trình một bằng sáng chế “patent” cho một hệ thống biến tử hội tụ động học hình

khuyên, sau này được biết như một hệ thống

“phased array”

• Nghiên cứu khoa học ban đầu những năm 1960 chủ yếu giới hạn trong các công việc phòng thí nghiệm, nhưng cuối 60 và đầu những năm 70, các nhà vật lý y học bắt đầu được khích lệ bởi khả năng tiềm tàng việc thể hiện được hình ảnh các bộ phận cơ thể người bằng siêu âm

36 05/21/19

37 05/21/19

Lịch sử

• Jan C Somer là một trong

các nhà khoa học được

công nhận đã nghiên cứu

việc tạo hình ảnh siêu

âm trong các ứng dụng y

học và là người đầu tiên

công bố công trình về

quét điện tử dùng cho

chuẩn đoán siêu âm năm

1968

38 05/21/19

Lich sử: ứng dụng trong công nghiệp?

• Giai đoạn này, các ứng dụng trong công nghiệp vẫn chưa được xem xét, cân nhắc

• Yếu tố hạn chế chủ yếu là do thiếu năng lực tính toán / máy tính cần cho việc xử lý số liệu đối

tượng công nghiệp

39 05/21/19

Ngày nay, một trong những công ty đi đầu trong việc phát triển ứng dụng PA trong công nghiệp:

RD-Tech

Các Models từ R/D-Tech

Phased arrays – Định nghĩa

• Một chuỗi (“mosaic”) các yếu tố biến tử

mà trong đó từng yếu tố này được kiểm soát để kích thích trong những thời

điểm xác định nhằm tạo ra các hiệu

ứng mong muốn, ví dụ:

 quét (steering) trục tia

 hội tụ chùm tia

Phased Arrays: cấu trúc

• Phased array bao gồm một chuỗi các yếu tố biến tử riêng biệt, mỗi cái có đầu kết nối riêng, mạch trể thời gian riêng, bộ chuyển đổi số/tương tự riêng (A/D).

• Các yếu tố biến tử này được bố trí cách âm với nhau.

• Các yếu tố biến tử được kích phát xung với các độ trễ thời gian so với nhau được tính toán trước, nghĩa

là “tạo pha / tách pha - phasing.”

• Vì lý do kinh tế, các bộ tạo xung (pulser) thường là loại đa phần (multiplexed)

• Thuật ngữ thiết bị của hệ thống Omniscan, PA 16/128 ngụ ý

nó có 16 bộ phát xung đa phần với tổng cộng 128 kênh siêu âm.

Đầu dò Phased-Array

Về cơ bản, phased-array là một biến tử dạng dài thông thường 

Nhưng được cắt thành nhiều yếu tố

Phased Array: tạo dạng chùm tia

• Việc tạo dạng chùm tia yêu cầu quá trình kích phát xung và tạo độ trễ thời gian phải chính xác

• Quá trình thu là ngược lại với quá trình kích phát

Minh họa - Tạo chùm tia và sự hội tụ

Hội tụ chùm tia (Beam Focusing)

• Là khả năng hội tụ năng lượng chùm tia vào một điểm rất nhỏ

• Qui luật hội tụ đối xứng, ví dụ parabolic, (thời gian trễ - vị trí biến tử)

• Giới hạn chỉ với vùng gần ( near-field )

• Chỉ có thể thực hiện trong mặt phảng

quét the steering plane , khi sử dụng array

1D-Beam Focusing

• Cho phép hội tụ tại một

số chiều sâu nhất định chỉ với một đầu dò

• Sử dụng qui luật hội tụ đối xứng cho chùm tia thẳng

Minh họa – Quét xiên chùm tia

Quét tia góc (Beam Steering)

• Là khả năng điều biến góc khúc xạ của chùm tia bằng đầu dò array

• Cho phép kiểm tra với nhiều tia góc multiple angle inspections , với chỉ một đầu dò

• Áp dụng qui luật hội tụ không đối xứng (ví dụ, tuyến tính)

• Chỉ thực hiện được trong mặt phẳng quét steering plane , khi dùng 1D-arrays

• Có thể tạo ra cả sóng dọc (compression) và sóng

ngang (shear vertical) với một đầu dò

Quét tia góc (Beam Steering)

• Khả năng quét tia góc liên quan đến chiều rộng ( e ) của một yếu tố riêng biến tử của array

• Góc quét tối đa (at –6 dB), được tính theo công thức

• Phạm vi quét có thể được điểu chỉnh bằng một nêm góc

e

st



  0 5  sin

Quét tia góc (Beam Steering)

Minh họa – Quét xiên chùm tia

Beam Steering

• Là khả năng điều biến góc khúc xạ của chùm tia bằng đầu dò array

• Cho phép kiểm tra với nhiều tia góc multiple angle inspections, với chỉ một đầu dò

• Áp dụng qui luật hội tụ không đối xứng (ví dụ, tuyến tính)

Quét điện tử (tuyến tính) Electronic (Linear) Scanning

• Là khả năng di chuyển chùm tia dọc theo trục của dãy mà không cần di chuyển (đầu dò) một

cách cơ học

• Sự di chuyển chùm tia được thực hiện bởi đa biệt hóa thời gian (time multiplexing) cho các yếu tố kích hoạt (active element)

• Phạm vi quét giới hạn bởi:

– Số lượng yếu tố trong dãy “array”

– Số lượng kênh “channels” trong hệ thống tích hợp

Electronic (Linear) Scanning

Electronic (Linear) Scanning

• Là khả năng di chuyển chùm tia

dọc theo trục của dãy mà không cần di chuyển (đầu dò) một cách

cơ học

• Sự di chuyển chùm tia được thực hiện bởi đa biệt hóa thời gian

(time multiplexing) cho các yếu

tố kích hoạt (active element)

• Phạm vi quét giới hạn bởi:

– Số lượng yếu tố trong dãy “array” – Số lượng kênh “channels” trong hệ thống tích hợp

Quá trình xử lý chùm tia kết hợp

• Kỹ thuật Phased-array cho phép kết hợp các

khả năng xử lý:

focusing + steering : hội tụ / quét tạo góc

linear scanning + steering: quét tuyến tính / quét tạo góc

Quét tuyến tính kết hợp quét tạo góc và hội tụ

Quá trình xử lý chùm tia kết hợp

Phased array inspection

Trình bày kết quả S-scan

Phased Array Ultrasonic Testing (PAUT)

WP phải đủ lớn để thời gian sóng âm đi trong nước phải lớn hơn thời gian đi trong vật liệu kiểm tra WP phải lớn hơn ¼ chiều dày vật liệu thép kiểm tra

(WP)

MP = độ sâu hội tụ trong vật liệu kiểm tra

F = chiều dài hội tụ trong nước = R / (1-1/n),

R – bán kính cong, n = Vp / Vw

Vp = vận tốc âm trong khối nêm

Vm = vận tốc truyền âm trong vật liệu kiểm tra

Vw = vận tốc truyền âm trong nước

WP = độ dài quãngg đường truyền trong nước

WP = F- MP(Vm/Vw)

Kỹ thuật nhúng

Ưu điểm của hội tụ chùm tia:

tăng độ nhạy với khuyết tật nhỏ

Ưu điểm của hội tụ chùm tia:

cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Ưu điểm của hội tụ chùm tia:

cải thiện độ phân giải gần bề mặt

Ưu điểm của hội tụ chùm tia:

“hiệu chỉnh” các bề mặt cong

Kỹ thuật IRIS

• Kiểm tra mất mát chiều dày kim

loại thành ống do ăn mòn, mài mòn, rỗ, nứt…

Kỹ thuật IRIS

Kỹ thuật IRIS

• Áp dụng hiệu quả

để kiểm tra các ống của bộ trao đổi nhiệt, lò hơi…

Thank you for your attention !