TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- PHẠM CÔNG HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN KẾT QUẢ KIỂM TRA CHIỀU DÀY VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số:
Trang 1BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng – Năm 2017
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-
PHẠM CÔNG HẢI
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN KẾT QUẢ KIỂM TRA CHIỀU DÀY VẬT LIỆU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã số: 60 52 01 03
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:PGS.TS ĐINH MINH ĐIỆM
Đà Nẵng – Năm 2017
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tác giả luận văn
Phạm Công Hải
Trang 4MỤC LỤC
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU 1
1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1
2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2
3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI 2
4 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN 2
5 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2
6 CẤU TRÖC LUẬN VĂN 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM 4
1.1 NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA KIỂM TRA BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM (KHÔNG PHÁ HỦY - NDT) 4
1.1.1 Định nghĩa và tầm quan trọng của NDT 4
1.1.2 Các phương pháp NDT 4
1.1.3 Phương pháp kiểm tra bằng mắt (Visual testing-VT) 5
1.1.4 Phương pháp kiểm tra bằng chất thấm lỏng (Liquid penetrant testing-PT) 6
1.1.5 Phương pháp kiểm tra bằng bột từ (Magnetic particle testing-MT) 6
1.1.6 Phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy (Eddy current testing-ET) 6
1.1.7 Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ (Radiographic testing-RT) 7
1.1.8 Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm (Ultrasonic testing-UT) 7
1.2 BẢN CHẤT CỦA SÓNG SIÊU ÂM 8
1.2.1 Định nghĩa siêu âm 8
1.2.2 Ưu điểm của việc lựa chọn dải tần số siêu âm so với âm thanh (nghe được) 9
1.2.3 Bản chất của các sóng âm 9
1.3 ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG 13
1.3.1 Tần số 13
1.3.2 Biên độ 13
Trang 51.3.4 Vận tốc 14
1.3.5 Âm trở 14
1.3.6 Âm áp 14
1.3.7 Âm năng 15
1.3.8 Cường độ âm 17
1.4 CÁC LOẠI SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG 18
1.4.1 Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves) 18
1.4.2 Sóng ngang hay sóng trượt (Transverse or shear waves) 19
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM 23
2.1 PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SIÊU ÂM 23
2.1.1 Phương pháp truyền qua 23
2.1.2 Phương pháp xung phản hồi 24
2.2 CÁC LOẠI ĐẦU DÕ (SENSORS) 27
2.2.1 Các loại đầu dò phát chùm sóng siêu âm tới thẳng góc (đầu dò thẳng) 31
2.2.2 Các loại đầu dò góc (đầu dò xiên) 37
2.3 Chuẩn định hệ thống kiểm tra 38
2.3.1 Mục đích của việc chuẩn định 38
2.3.2 Các mẫu chuẩn kiểm tra 39
2.3.3 Các đặc trưng của thiết bị 40
2.3.4 Chuẩn định với đầu dò thẳng 42
2.3.5 Chuẩn định với đầu dò góc 44
2.3.6 Xây dựng đường cong bổ chính biên độ - khoảng cách (DAC) khi sử dụng các mẫu chuẩn so sánh (đối chứng) 46
2.3.7 Chất tiếp âm (coupling medium) 47
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 49
3.1 MỤC TIÊU CỦA THỰC NGHIỆM 49
3.2 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM 49
3.2.1 Mẫu kiểm tra 49
3.2.2 Thiết bị kiểm tra 50
3.3 THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM 56
Trang 6khác nhau 57 3.3.2 Đánh giá kết quả kiểm tra chiều dày bằng phương pháp siêu âm trên vật liệu có chiều dày khác nhau 74 3.3.3 Đánh giá kết quả kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm khi thay đổi nhiệt độ 76
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 80
Trang 7TRA CHIỀU DÀY VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM
Học viên: Phạm Công Hải Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 60520103 Khóa: 2015 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt– Từ xa xưa, đo lường đã có vai trò vô cùng to lớn trong cuộc sống của con người, đo
lường như là một thứ ngôn ngữ để cho con người giao tiếp, trao đổi hàng hóa mà họ tìm kiếm được hay làm ra trong cuộc sống Khoa học đo lường đang tích cực tham gia vào các lĩnh vực khoa học đời sống của con người Xã hội chúng ta ngày càng phát triển đòi hỏi chúng ta càng phải nghiên cứu sâu hơn về ngành đo lường học
Hiện nay, công nghệ kiểm tra không phá hủy (Non Destructive Test: NDT) là một công nghệ thiết yếu và không thể thiếu của các ngành công nghiệp Kiểm tra không phá hủy (NDT) dùng
để kiểm tra chiều dày vật liệu như vỏ tàu, bình khí mà không thể đo được bằng các thiết bị khác là rất quan trọng, nó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Vì vậy kết quả đo trong quá trình kiểm tra chiều dày vật liệu đáng tin cậy nhất là vấn đề chúng ta cần hướng đến Kết quả
đo chiều dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: sai số chuẩn mẫu, vật liệu, phương pháp đo, chiều dày vật liệu, chất lượng bề mặt…
Từ khóa – siêu âm vật liệu; đo lường; sai số siêu âm; yếu tố ảnh hưởng; kỹ thuật siêu âm
RESEARCH ON IMPACT OF A NUMBER OF FACTORS TO THE RESULTS
OF INSULATING MATERIALS BY SUPER HYDROGEN METHOD
Abstract: Since ancient times, measurement has played an enormous role in human life,
measuring as a language for people to communicate and exchange the goods they seek or work in wave Measurement science is actively involved in the fields of human life sciences Our society is growing more and more demanding, and we need more research into metrology
Currently, Non Destructive Testing (NDT) technology is an indispensable and indispensable technology of the industry Non-destructive testing (NDT) is used to check the thickness of a material such as hulls, cylinders, etc., which can not be measured with other equipment, which is important to the quality of the product Therefore the most reliable measure of the thickness of the material is the problem we need to address The results of the material thickness measurement by ultrasonic method are dependent on many factors such as sample standard error, material, measurement method, material thickness, surface quality
Key words – Ultrasound material; measure; Ultrasonic error; Factors affecting; Ultrasonic
technique
Trang 9DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 : Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng 15 Bảng 2.1 : Phần trăm sai số đối với các giá trị khác nhau của chiều dài quãng đường chùm sóng âm và bề dày của mẫu 37 Bảng 2.2: Mối quan hệ giữa các vị trí đầu dò và các dải bề dày chuẩn định 43 Bảng 3.1 Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu đồng thau silicon 57 Bảng 3.2 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng thau silicon 57 Bảng 3.3 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng thau silicon sau khi điều chỉnh vận tốc truyền âm 58 Bảng 3.4 Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu đồng chì 59 Bảng 3.5 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng chì 59 Bảng 3.6 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng chì sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm 60 Bảng 3.7 Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu đồng phosphor 61 Bảng 3.8 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng phosphor 61 Bảng 3.9 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng phosphor sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm 62 Bảng 3.10 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-01 63 Bảng 3.11 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-01 sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm 63 Bảng 3.12 Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu nhôm Al-02 64 Bảng 3.13 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-02 64 Bảng 3.14 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-02 sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm 65 Bảng 3.15 Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu nhôm Al-03 66 Bảng 3.16 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-03 67
Trang 10nhôm Al-03 sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm 67
Bảng 3.18 Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu nhôm đồng 68
Bảng 3.19 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
nhôm đồng 68
Bảng 3.20 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm 69
Bảng 3.21 Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu thép không gỉ nitơ 70
Bảng 3.22 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu thép không gỉ nitơ 70
Bảng 3.23 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu thép không gỉ nitơ sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm 71
Bảng 3.24 Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu thép mangan 72
Bảng 3.25 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu thép mangan 72
Bảng 3.26 Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu thép mangan sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm 73
Bảng 3.27 Kết quả kiểm tra chiều dày bằng phương pháp siêu âm trên các vật liệu có chiều dày khác nhau 74
Bảng 3.29 Kết quả kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm khi thay đổi nhiệt độ 76
Trang 11DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Phổ âm với các dải tần số siêu âm được sử dụng phổ biến cho kiểm tra một
số sản phẩm công nghiệp 8
Hình 1.2 a) Trọng vật treo bởi một lò xo; b) Hình vẽ dịch chuyển của W theo 9
thời gian 9
Hình 1.3 – Mô hình của một vật thể đàn hồi 10
Hình 1.4 – Đồ thị minh họa cho phương trình 1.1 mô tả sự dao động của những phần tử dao động theo thời gian 11
Hình 1.5 –Đồ thị minh họa cho phương trình 1.2 12
Hình 1.6 – Sóng dọc gồm các vùng nén và dãn xen kẽ nhau dọc theo phương truyền sóng 18
Hình 1.7 – Hình vẽ dịch chuyển của hạt theo quãng đường truyền sóng 19
Hình 1.8 – Biểu diễn mô phỏng của một sóng ngang 19
Hình 1.9 – Giản đồ lan truyền sóng mặt ở bề mặt một kim loại tiếp xúc với không khí 20
Hình 2.1: (a), (b) và (c) biểu diễn trên màn hình các khuyết tật có kích thước khác nhau trong phương pháp truyền qua 24
Hình 2.2: Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi kiểm tra siêu âm 24
Hình 2.3: Sự tác động của giảm chấn trong đầu dò xung phản hồi 25
Hình 2.4 – Trường hợp độ rộng xung lớn hơn 26
Hình 2.5 – Trường hợp độ rộng xung nhỏ hơn 26
Hình 2.6 – Ảnh hưởng của độ rộng xung lên độ phân giải khuyết tật 27
Hình 2.7: Thí dụ điển hình cho quá trình phân giải tốt và kém 27
Hình 2.8: Dạng làm việc của đầu dò đơn tinh thể 28
Hình 2.9: Kỹ thuật kiểm tra nhúng với chùm tia hội tụ (dạng sơ đồ), biểu diễn sự thay đổi điểm hội tụ của chùm tia trong nước và trong kim loại được nhúng trong nước 28
Hình 2.10: Đầu dò kép loại tiếp xúc và sự truyền sóng siêu âm của nó 34
Hình 2.11: Dạng làm việc của đầu dò kép 35
Hình 2.12: Sự truyền siêu âm với các góc nghiêng nhỏ và lớn của đầu dò kép 35
Hình 2.13: Ảnh hưởng của góc nghiêng theo độ nhạy của đầu dò kép 35
Hình 2.14: Sai số đường chữ V với đầu dò TR 36
Hình 2.15: Cấu tạo của một đầu dò góc 38
Hình 2.16: Mẫu chuẩn I.I.W (V1) 39
Trang 1242
Hình 2.17: Những vị trí của đầu dò trên mẫu chuẩn I.I.W (V1) để chuẩn định những dải đo khác nhau 43
Hình 2.18: Biểu diễn màn hình CRT đã chuẩn định cho dải kiểm tra 100 mm 43
Hình 2.19: Biểu diễn màn hình CRT đã chuẩn định cho dải kiểm tra 1m 44
Hình 2.20: Vị trí của đầu dò đặt trong kích thước dải kiểm tra 100 mm 44
Hình 2.21 : Xác định điểm ra của đầu dò bằng mẫu chuẩn V1 45
Hình 2.22: Xác định góc đầu dò bằng mẫu chuẩn V1 45
Hình 2.23: Những vị trí đầu dò khác nhau trên mẫu chuẩn cơ bản, để vẽ đường cong DAC bằng đầu dò góc 46
Hình 2.24: Màn hình CRT biểu diễn 100%, 50% và 20% DAC 47
Hình 2.25: Biến đổi biên độ tín hiệu với các loại chất tiếp âm và độ ghồ ghề bề mặt 48
Hình 3.1 Các mẫu bao gồm ba vật liệu chính: Đồng, nhôm, thép với các thành phần hóa học khác nhau 49
Hình 3.2 Các mẫu vật liệu có chiều dày khác nhau 50
Hình 3.3 Thiết bị phân tích thành phần kim loại PDA-7000 54
Hình 3.4 Thiết bị đo kích thước ba chiều ALTERA 8.7.6 55
Hình 3.5 Tủ vi khí hậu DM-600 56
Hình 3.6 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng thau silicon 57
Hình 3.7 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy 58
siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng thau silicon sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm 58
Hình 3.8 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng chì 59
Hình 3.9 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy 60
siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng chì sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm 60
Hình 3.10 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng phosphor 61
Hình 3.11 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy 62
Trang 13của thiết bị siêu âm 62 Hình 3.12 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-01 63 Hình 3.13 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy 64 siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-01 sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm 64 Hình 3.14 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-02 65 Hình 3.15 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy 66 siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-02 sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm 66 Hình 3.16 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-03 67 Hình 3.17 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-03 sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm 68 Hình 3.18 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm đồng 69 Hình 3.19 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm đồng sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm 70 Hình 3.20 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu thép không gỉ nitơ 71 Hình 3.21 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu thép không gỉ nitơ sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm 72 Hình 3.22 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu thép mangan 73 Hình 3.23 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu thép mangan sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm 74 Hình 3.24 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra trên vật liệu có chiều dày khác nhau 75 Hình 3.25 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra khi thay đổi nhiệt độ 77
Trang 14MỞ ĐẦU
1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Từ xa xưa, đo lường đã có vai trò vô cùng to lớn trong cuộc sống của con người, đo lường như là một thứ ngôn ngữ để cho con người giao tiếp, trao đổi hàng hóa mà họ tìm kiếm được hay làm ra trong cuộc sống Những đại lượng được đo đầu tiên là những đại lượng liên quan mật thiết đến đời sống của con người như độ dài, khối lượng, dung tích, thời gian Với sự phát triển như vũ bão của các ngành khoa học kỹ thuật công nghệ ngày nay thì lĩnh vực đo lường càng có vai trò to lớn, đảm bảo là cán cân của các ngành khoa học khác Vì vậy
đã hình thành nên ngành “Khoa học đo lường” như ngày nay Khoa học đo lường đang tích cực tham gia vào các lĩnh vực khoa học đời sống của con người
Xã hội chúng ta ngày càng phát triển đòi hỏi chúng ta càng phải nghiên cứu sâu hơn về ngành đo lường học
Hiện nay, công nghệ kiểm tra không phá hủy (Non Destructive Test: NDT) là một công nghệ thiết yếu và không thể thiếu của các ngành công nghiệp Kiểm tra không phá hủy (NDT) dùng để kiểm tra chiều dày vật liệu như vỏ tàu, bình khí mà không thể đo được bằng các thiết bị khác là rất quan trọng, nó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Vì vậy kết quả đo trong quá trình kiểm tra chiều dày vật liệu đáng tin cậy nhất là vấn đề chúng ta cần hướng đến Kết quả
đo chiều dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: sai số chuẩn mẫu, vật liệu, phương pháp đo, chiều dày vật liệu, chất lượng
bề mặt…
Xuất phát từ những nhu cầu như vậy, người nghiên cứu đề xuất đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến kết quả kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm” để làm luận văn tốt nghiệp
Trang 153 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI
Về mặt khoa học: Xác định được yếu tố ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm từ đó đưa ra những giải pháp phù hợp để có kết quả đáng tin cậy nhất
Về thực tiễn: Kiểm tra chiều dày vật liệu phục vụ công tác kiểm tra chất lượng cho hầu hết các sản phẩm trong lĩnh vực: Hàng không, Không gian, Năng lượng, Dầu khí, Hàng hải, nhằm hạn chế rủi ro, tăng cường tính toàn vẹn của kết cấu, tính an toàn và đảm bảo yêu cầu kỹ thuật
4 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Nội dung đề tài gồm 5 phần như sau:
1 Mở đầu
2 Tổng quan về đề tài cần nghiên cứu
3 Đổi tượng, địa điểm, nội dung và phương pháp nghiên cứu
4 Cấu trúc luận văn
5 Kết luận và kiến nghị
5 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương
pháp thí nghiệm thực tế tại đơn vị (Trung tâm Tiêu chuẩn – Đo lường – Chất
lượng 3/ Bộ Quốc phòng)
Lý thuyết
Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm và một số yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo
Trang 16Thực nghiệm
Kiểm tra chiều dày vật liệu với các tham số ảnh hưởng đến kết quả với các thiết bị hiện có tại đơn vị như sau:
+ Các loại vật liệu khác nhau: đồng, nhôm, kẽm, …
+ Chiều dày vật liệu: từ 5 mm đến 40 mm
C
6 CẤU TRÖC LUẬN VĂN
Cấu trúc luận văn được nghiên cứu và chia làm thành 3 chương:
- Chương 1: Tổng quan về siêu âm
Giới thiệu tổng quan lý thuyết cơ sở về một số nguyên lý cơ bản liên quan đến phương pháp kiểm tra bằng siêu âm
- Chương 2: Kỹ thuật kiểm tra siêu âm
Giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản trong quá trình kiểm tra siêu âm
- Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm
Thực nghiệm một số yếu tố ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra chiều dày bằng phương pháp siêu âm
Trang 17CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM
1.1 NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA KIỂM TRA BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM (KHÔNG PHÁ HỦY - NDT)
1.1.1 Định nghĩa và tầm quan trọng của NDT
a Định nghĩa và bản chất của NDT
Kiểm tra không phá hủy (NDT) là sử dụng các phương pháp vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong cấu trúc của các vật liệu, các sản phẩm, chi tiết máy mà không làm tổn hại đến khả năng hoạt động sau này của chúng NDT liên quan tới việc phát hiện khuyết tật trong cấu trúc của các sản phẩm được kiểm tra, tuy nhiên tự bản thân NDT không thể dự đoán những nơi nào khuyết tật sẽ hình thành và phát triển
b Tầm quan trọng của NDT
Phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm NDT cũng được sử dụng trong tất cả các công đoạn của quá trình chế tạo một sản phẩm
1.1.2 Các phương pháp NDT
Những phương pháp NDT có từ đơn giản đến phức tạp Kiểm tra bằng mắt là phương pháp đơn giản nhất trong tất cả các phương pháp Những bất liên tục trên bề mặt không nhìn thấy được bằng mắt thường có thể phát hiện được bằng phương pháp dùng chất thấm lỏng hoặc phương pháp dùng bột từ Khi cần phát hiện những khuyết tật bề mặt thực sự nghiêm trọng, thường là một điểm nhỏ thì cần tiến hành những phép kiểm tra phức tạp hơn bên trong vật thể bằng phương pháp siêu âm hoặc chụp ảnh bức xạ Những phương pháp NDT được chia thành từng nhóm theo những mục đích sử dụng khác nhau đó là: những phương pháp thông thường và những phương pháp đặc biệt Nhóm đầu tiên gồm
có các phương pháp được dùng phổ biến đó là: phương pháp kiểm tra bằng mắt
Trang 18hoặc còn gọi là phương pháp quang học, phương pháp kiểm tra bằng chất thấm lỏng, phương pháp kiểm tra bằng bột từ, phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy, phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ và phương pháp kiểm tra bằng siêu âm Nhóm thứ hai chỉ được dùng trong những ứng dụng đặc biệt và do
đó chúng bị hạn chế trong việc sử dụng Một số phương pháp trong các phương pháp đặc biệt được đề cập ở đây đơn thuần chỉ là để biết thêm, đó là các phương pháp như : chụp ảnh neutron, bức xạ âm, kiểm tra nhiệt và hồng ngoại, đo biến dạng, kỹ thuật vi sóng, kiểm tra rò rỉ, chụp ảnh giao thoa laser (Holography) Nên nhớ rằng không có một phương pháp nào trong số những phương pháp này
có thể giúp ta giải quyết được tất cả các vấn đề Những nguyên lý cơ bản, ứng dụng điển hình, những ưu điểm và hạn chế của từng nhóm những phương pháp này sẽ được trình bày tóm tắt dưới đây
1.1.3 Phương pháp kiểm tra bằng mắt (Visual testing-VT)
Phương pháp này thường không được chú ý tới trong danh sách liệt kê các phương pháp NDT, phương pháp kiểm tra bằng mắt là một trong những phương pháp phổ biến nhất và hiệu quả nhất theo nghĩa kiểm tra không phá hủy Đối với phương pháp kiểm tra bằng mắt thì bề mặt của vật thể kiểm tra cần phải có đủ
độ sáng và tầm nhìn của người kiểm tra phải thích hợp Để thực hiện có hiệu quả nhất phương pháp kiểm tra bằng mắt, cần phải chú ý đến những phẩm chất đặc biệt bởi vì trong phương pháp kiểm tra này cần phải được huấn luyện (kiến thức
về sản phẩm và các quá trình gia công, dự đoán điều kiện hoạt động, các tiêu chuẩn chấp nhận, duy trì số liệu đo) và bản thân người kiểm tra cũng cần phải được trang bị một số các thiết bị và dụng cụ Trong thực tế tất cả các khuyết tật được phát hiện bởi những phương pháp NDT khác cuối cùng cũng phải được kiểm chứng lại bởi quá trình kiểm tra bằng mắt Các phương pháp NDT phổ biến như là phương pháp kiểm tra bằng bột từ (MT) và phương pháp kiểm tra bằng chất thấm lỏng (PT) thực ra cũng là những phương pháp có tính khoa học
đơn giản để làm nổi bật các chỉ thị nhằm dễ nhìn thấy hơn
Trang 191.1.4 Phương pháp kiểm tra bằng chất thấm lỏng (Liquid penetrant testing-PT)
Đây là một phương pháp được áp dụng để phát hiện những bất liên tục hở
ra trên bề mặt vật liệu, chất thấm lỏng được phun lên bề mặt của sản phẩm trong một thời gian nhất định, sau đó phần chất thấm còn dư được loại bỏ khỏi bề mặt
Bề mặt sau đó được làm khô và phủ chất hiện lên nó Những chất thấm nằm trong bất liên tục sẽ bị chất hiện hấp thụ tạo thành chỉ thị kiểm tra, phản ánh vị
trí và bản chất của bất liên tục
1.1.5 Phương pháp kiểm tra bằng bột từ (Magnetic particle testing-MT)
Phương pháp kiểm tra bằng bột từ được dùng để kiểm tra các vật liệu dễ nhiễm từ Phương pháp này có khả năng phát hiện những khuyết tật hở ra trên
bề mặt và ngay sát dưới bề mặt Trong phương pháp này, vật thể kiểm tra trước hết được cho nhiễm từ bằng cách dùng một nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, hoặc cho dòng điện đi qua trực tiếp hoặc chạy xung quanh vật thể kiểm tra
Từ trường cảm ứng vào trong vật thể kiểm tra gồm có các đường sức từ Nơi nào
có khuyết tật sẽ làm rối loạn đường sức, một vài đường sức này phải đi ra và quay vào vật thể Những điểm đi ra và đi vào này tạo thành những cực từ trái ngược nhau Khi những bột từ tính nhỏ được rắc lên bề mặt vật thể kiểm tra thì những cực từ này sẽ hút các bột từ tính để tạo thành chỉ thị nhìn thấy được gần giống như kích thước và hình dạng của khuyết tật
1.1.6 Phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy (Eddy current testing-ET)
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để phát hiện các khuyết tật bề mặt, phân loại vật liệu, để đo những thành mỏng từ một mặt, để đo lớp mạ mỏng và trong một vài ứng dụng khác để đo độ sâu lớp thấm Phương pháp này chỉ áp dụng được cho những vật liệu dẫn điện Ở đây dòng điện xoáy được tạo ra trong vật thể kiểm tra bằng cách đưa nó lại gần cuộn cảm có dòng điện xoay chiều
Từ trường xoay chiều của cuộn cảm bị thay đổi do từ trường của dòng điện xoáy Sự thay đổi này phụ thuộc vào điều kiện của phần chi tiết nằm gần cuộn cảm, nó được biểu hiện như một điện kế hoặc sự hiện diện của ống phóng tia âm cực
Trang 20Có ba loại đầu dò được sử dụng trong phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy Những đầu dò đặt bên trong thường được dùng để kiểm tra các ống trao đổi nhiệt Những đầu dò bao quanh được dùng phổ biến để kiểm tra các thanh và ống trong quá trình chế tạo Việc sử dụng những đầu dò bề mặt để xác định vị trí vết nứt, phân loại vật liệu, đo bề dày thành và bề dày lớp mạ, và đo độ sâu lớp thấm
1.1.7 Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ (Radiographic testing-RT)
Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ được dùng để xác định khuyết tật bên trong của nhiều loại vật liệu và có cấu hình khác nhau Một phim chụp ảnh bức xạ thích hợp được đặt phía sau vật cần kiểm tra và được chiếu bởi
qua vật thể bị thay đổi tùy theo cấu trúc bên trong của vật thể và như vậy sau khi rửa phim đã chụp sẽ hiện ra hình ảnh bóng, được biết đó là ảnh chụp bức xạ của sản phẩm Sau đó phim được giải đoán để có được những thông tin về khuyết tật bên trong sản phẩm Phương pháp này được dùng rộng rãi cho tất cả các loại sản phẩm như vật rèn, đúc và hàn
1.1.8 Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm (Ultrasonic testing-UT)
Kiểm tra vật liệu bằng siêu âm là một trong những phương pháp kiểm tra không phá hủy, sóng siêu âm có tần số cao được truyền vào vật liệu cần kiểm tra Hầu hết các phương pháp kiểm tra siêu âm được thực hiện ở vùng có tần số 0,5 - 20 MHz Tần số này cao hơn rất nhiều so với vùng tần số nghe được của người là 20Hz - 20KHz Sóng siêu âm truyền qua vật liệu kèm theo sự mất mát năng lượng (sự suy giảm) bởi tính chất của vật liệu Cường độ của sóng âm hoặc được đo sau khi phản xạ (xung phản hồi) tại các mặt phân cách (khuyết tật) hoặc được đo tại bề mặt đối diện của vật thể kiểm tra (xung truyền qua) Chùm sóng
âm phản xạ được phát hiện và phân tích để xác định sự có mặt khuyết tật và vị trí của nó Mức độ phản xạ phụ thuộc nhiều vào trạng thái vật lý của vật liệu ở phía đối diện với bề mặt phân cách, và ở phạm vi nhỏ hơn vào các tính chất vật
Trang 21Kiểm tra độ dày
2.0 MHz 1.0 MHz
độ xuyên sâu lớn hơn hẳn phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ và ta có thể phát hiện được những vết nứt nằm sâu bên trong vật thể (khoảng 6 - 7 m sâu bên trong khối thép) Nó cũng rất nhạy với những khuyết tật nhỏ và cho phép xác định chính xác vị trí và kích thước của khuyết tật
1.2 BẢN CHẤT CỦA SÓNG SIÊU ÂM
1.2.1 Định nghĩa siêu âm
Siêu âm là tên gọi được sử dụng cho các sóng âm có tần số vượt khỏi dải tần số mà tai người có thể nghe được, tức là vượt quá 20 kHz Nói chung các sóng siêu âm có dải tần số từ 0,5 MHz đến 20 MHz được sử dụng trong kiểm tra vật liệu Hình 1.1 biểu diễn phổ âm với các dải tần số siêu âm được sử dụng phổ biến cho kiểm tra một số sản phẩm công nghiệp
Hình 1.1 - Phổ âm với các dải tần số siêu âm được sử dụng phổ biến cho kiểm tra một
số sản phẩm công nghiệp
Trang 221.2.2 Ưu điểm của việc lựa chọn dải tần số siêu âm so với âm thanh (nghe được)
Siêu âm được lựa chọn sử dụng thích hợp hơn so với âm thanh trong nhiều
ứng dụng thực tế là do một hoặc nhiều lý do sau:
- Khi siêu âm được lựa chọn sẽ tăng tính chất định hướng của kiểm tra - tần
số càng cao tính định hướng càng lớn Đây là xem xét chính để tăng khả năng phát hiện khuyết tật và tạo thuận lợi trong phân tích tín hiệu dưới nước
- Khi lựa chọn tần số càng cao thì bước sóng càng ngắn và đến mức có thể bằng hoặc nhỏ hơn nhiều kích thước các mẫu vật liệu Điều này có ý nghĩa quan trọng trong đo kiểm bề dày mỏng và phát hiện khuyết tật có độ phân dải cao
1.2.3 Bản chất của các sóng âm
Sóng siêu âm được biết là một dạng dao động cơ học Để hiểu chuyển động của sóng siêu âm trong một môi trường, cần phải hiểu cơ chế truyền năng lượng giữa hai điểm trong môi trường bằng cách hãy bắt đầu nghiên cứu dao động của một trọng vật treo ở đầu một lò xo (hình 1.2a)
Hình 1.2 a) Trọng vật treo bởi một lò xo; b) Hình vẽ dịch chuyển của W theo
thời gian
Có hai lực tác dụng lên W, khi nó ở trạng thái cân bằng A, là trọng lực G
và lực căng T của lò xo Bây giờ nếu W chuyển động từ vị trí cân bằng A đến vị trí B, thì sức căng T sẽ tăng Khi rời chuyển khỏi vị trí B thì W sẽ được gia tốc
về vị trí A dưới ảnh hưởng của sự tăng lực căng nó Khi về đến A trọng lực G và
Trang 23quán tính nó sẽ vượt qua A và chuyển động đến vị trí C, khi ấy lực căng T giảm dần và trọng lực G tăng tương đối có xu hướng hãm W cho đến khi W không còn động năng và dừng ở C Tại C, G lớn hơn T lại kéo W quay lại chuyển động
về phía A Tại A nó lại có động năng và lại một lần nữa vượt qua A Khi W chuyển động từ A đến B, T lại tăng dần và hãm dần W cho đến khi nó đến B Tại B, T lớn hơn G và toàn bộ quá trình lại bắt đầu lặp lại Trình tự dịch chuyển của W từ vị trí A đến B, từ B về A, từ A đến C và từ C về A được gọi là một chu trình Số chu trình diễn ra trong một giây được định nghĩa là tần số của dao động Thời gian cần thiết để thực hiện hoàn tất một chu trình được gọi là chu kỳ
T của dao động trong đó:
Hình 1.3 – Mô hình của một vật thể đàn hồi
Lực liên kết giữa các nguyên tử
Các nguyên tử Đàn hồi
Trang 24Nếu một nguyên tử của vật liệu bị dịch khỏi vị trí ban đầu của nó do một lực căng tác dụng lên vật liệu, thì nguyên tử này sẽ dao động như trọng vật W được mô tả ở hình 1.2a Do lực liên kết giữa các nguyên tử sẽ làm cho các nguyên tử kề cận nó dao động Và tiếp tục khi các nguyên tử kế cận dao động thì chuyển động dao động được truyền cho các nguyên tử bên cạnh và cứ thế tiếp tục … Nếu tất cả nguyên tử liên kết với nhau một cách vững chắc (liên kết cứng) thì sự truyền dao động là đồng thời và duy trì cùng một trạng thái dao động, tức
là cùng pha Nhưng thực tế, liên kết giữa các nguyên tử của vật liệu là lực đàn hồi, nên việc truyền dao động cần một thời gian xác định và các nguyên tử đạt được trạng thái pha dao động trễ hơn nguyên tử bị kích thích đầu tiên
Khi một sóng cơ học truyền qua một môi trường thì dịch chuyển của một hạt môi trường khỏi vị trí cân bằng ở thời điểm bất kỳ t được cho bởi :
a = a0sin2ft (1.1) Trong đó : a- Độ dịch chuyển của hạt ở thời điểm t
a0- Biên độ dao động của hạt
f - Tần số dao động của hạt
Biểu diễn đồ thị trong phương trình 1.1 được trình bày ở hình 1.4
Hình 1.4 – Đồ thị minh họa cho phương trình 1.1 mô tả sự dao động của những phần
tử dao động theo thời gian
Phương trình (1.2) là phương trình chuyển động của sóng cơ học trong môi trường Nó cho trạng thái của các hạt (pha) ở các khoảng cách khác nhau tính từ hạt bị kích thích đầu tiên ở thời điểm t xác định
Thời gian
f
1
T Chu kỳ
Trang 25Hình 1.5 cho ta đồ thị biểu diễn của phương trình 1.2
Hình 1.5 –Đồ thị minh họa cho phương trình 1.2
Vì trong thời gian một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v truyền đi được
T
1
f (1.4) Kết hợp phương trình (1.3) và (1.4) chúng ta thu được phương trình cơ bản của mọi chuyển động sóng là :
Trang 26Trong phương trình 1.5 nếu f có đơn vị là Hz, là mm thì đơn vị của v là mm/s
1.3 ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG
1.3.1 Tần số
Tần số của một sóng cũng là tần số dao động của các nguyên tử của môi trường mà trong đó sóng truyền – thường được ký hiệu bằng chữ f và biểu thị số chu kỳ trong một giây được đặt tên theo tên của nhà vật lý H.Hertz và viết tắt Hz
Trong các thiết bị hiện đại, có thể phát được tần số đến dải GHz Tuy nhiên, trong kiểm tra vật liệu tần số sóng siêu âm thường sử dụng nằm trong dải 0,5MHz đến 20MHz Cho kiểm tra kim loại dải tần số phổ biến nhất là từ 2MHz đến 20MHz Tần số đóng vai trò quan trọng trong phát hiện và đánh giá khuyết tật
1.3.2 Biên độ
Độ dịch chuyển của trọng vật (hình 1.2) hoặc các hạt môi trường (hình 1.4
và 1.5) so với vị trí cân bằng của nó được gọi là biên độ Trong phương trình
1.3.3 Bước sóng
Trong khoảng thời gian chu kỳ T của dao động, sóng truyền được một quãng đường xác định Quãng đường đó được định nghĩa là bước sóng và ký
một quãng đường trên sẽ ở cùng một trạng thái dao động (tức là ở cùng một pha như nhau) khi sóng truyền qua môi trường
rằng một môi trường xác định, bước sóng và tần số nghịch đảo với nhau Do đó tần số cao thì bước sóng càng ngắn và ngược lại Trong kiểm tra thực tế thường
thì khả năng phát hiện được các khuyết tật càng nhỏ hơn Như vậy sóng siêu âm
có bước sóng ngắn hoặc tần số cao cho độ nhạy khuyết tật tốt hơn
Trang 27Sức cản của một vật liệu đối với sự truyền sóng siêu âm được gọi là âm
của sóng siêu âm truyền trong vật liệu :
Z = .v (1.6)
Như vậy, giá trị âm trở của một vật liệu có thể xem như chỉ phụ thuộc vào các tính chất vật lý của chúng và không phụ thuộc vào các đặc tính và tần số của sóng
Bảng 1.1 cho các giá trị âm trở của một số vật liệu thường dùng
a – Biên độ dao động của hạt
Như vậy, dù nó có giá trị nhỏ nhất nhưng vẫn cần một thời gian xác định để năng lượng siêu âm truyền từ một lớp này qua lớp kế tiếp, nên pha dao động của mỗi lớp là khác nhau dù nhỏ nhưng vẫn là một lượng xác định Do vậy, năng lượng âm cần phải có thời gian để có thể truyền từ nguồn phát đến nơi ghi nhận (phương trình 1.2)
Trang 281.3.7 Âm năng
Ta hãy tưởng tượng có một đĩa tròn dao động và phát ra sóng âm đồng thời vật liệu được truyền âm chia thành vô số lớp mỏng Khi đĩa nguồn dao động, đầu tiên sẽ đẩy các lớp gần nó nhất theo hướng truyền Dần dần các lớp kế tiếp bị dịch chuyển một cách tuần tự và dịch chuyển này cứ tiếp tục cho đến lớp cuối cùng - nơi đặt thiết bị ghi nhận Đây chính là năng lượng của các dao động hoặc các sóng chứ không phải hạt trong vật liệu dịch chuyển từ nguồn phát đến nơi ghi nhận Bản thân các hạt chỉ dao động xung quanh vị trí trung bình của chúng với biên độ rất nhỏ, thực tế chỉ cỡ bằng một phần nhỏ của mm
Bảng 1.1 : Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng
2260
2560 -
Trang 293515 -
2020 -
Trang 301.3.8 Cường độ âm
Sự truyền của năng lượng cơ học do các sóng siêu âm qua một đơn vị tiết
diện vuông góc với phương truyền của sóng được gọi là cường độ sóng siêu âm,
thường ký hiệu là chữ I và liên hệ với âm áp P, âm trở Z và biên độ dao động
của hạt theo biểu thức sau :
Z 2
P I
Thang đo theo decibel (dB): Trong nghiên cứu siêu âm, các thay đổi
cường độ và âm áp thường theo thang logarit và việc đo đạc tiến hành nhằm so
sánh với một số tiêu chuẩn đặt ra
Đơn vị decibel bằng 1/10 bel là đơn vị dựa trên cơ sở logarit thập phân
ứng Do đó tỷ số cường độ siêu âm sẽ bằng với tỷ số công suất tín hiệu điện hình
thành, nghĩa là:
1 0
1
0
P
P I
I
(1.10)
Trong thực tế, thường sử dụng đồng hồ đo điện thế AC hoặc máy hiện
sóng dao động kế CRT (cathode ray oscilloscope) để ghi nhận Các thiết bị này
Khi thay vào phương trình (1.10) ta được :
2
1 0
1 0
1
0
V
V P
P I
Trang 31Tỷ số này tương đối lớn nên ta lấy logarit thập phân của hai vế phương trình (1.11) được:
1 0 2
1 0
1
0
V
V log 2 V
V log I
P log 10 I
I log 10
1
0 10 1
1.4 CÁC LOẠI SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG
Các sóng siêu âm được phân loại theo cơ sở dạng dao động của các hạt môi trường đối với phương truyền sóng, cụ thể là sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt và sóng lamb Các sự khác biệt chính của bốn loại sóng này sẽ được đề cập sau đây
1.4.1 Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves)
Trong dạng sóng siêu âm này, các vùng nén và dãn kế tiếp xen kẽ nhau được tạo ra do dao động của các hạt theo phương song song với phương truyền sóng Hình 1.6 trình bày mô phỏng của một sóng siêu âm dọc
Hình 1.6 – Sóng dọc gồm các vùng nén và dãn xen kẽ nhau dọc theo phương
truyền sóng
Vùng nén
Vùng dãn
Phương truyền sóng
Trang 32Đối với sóng dọc, biểu đồ 1.7 mô tả dịch chuyển của hạt theo quãng đường sóng truyền qua mà dọc theo đó có đỉnh nén và hố dãn
Hình 1.7 – Hình vẽ dịch chuyển của hạt theo quãng đường truyền sóng
Do loại sóng siêu âm này có thể phát và thu nhận dễ dàng nên nó được dùng rộng rãi nhất trong kiểm tra siêu âm Phần lớn năng lượng siêu âm sử dụng trong kiểm tra vật liệu đều xuất xứ từ dạng sóng này và rồi được chuyển đổi sang các dạng sóng khác trong các kiểm tra chuyên dụng Dạng sóng này có thể truyền trong các chất rắn, lỏng và khí
1.4.2 Sóng ngang hay sóng trượt (Transverse or shear waves)
Dạng sóng siêu âm này được gọi là sóng ngang hay sóng trượt vì phương dịch chuyển của hạt vuông góc hay cắt ngang phương truyền của sóng Nó được biểu diễn mô phỏng ở hình 1.8
Hình 1.8 – Biểu diễn mô phỏng của một sóng ngang
Để cho một sóng như vậy có thể truyền được trong vật liệu thì cần thiết rằng mỗi hạt vật liệu phải liên kết một cách vững chắc với các hạt lân cận sao
Trang 33cho khi một hạt dao động nó phải kéo theo hạt kế cận chuyển động cùng với nó
và gây ra sự truyền năng lượng siêu âm trong vật liệu với một vận tốc bằng khoảng 50% vận tốc của sóng dọc
1.4.3 Sóng mặt hay sóng Rayleigh (Surface or Rayleigh waves)
Các loại sóng mặt được Lord Rayleigh mô tả đầu tiên và vì vậy chúng được gọi là sóng Rayleigh Dạng sóng này chỉ có thể truyền dọc theo một bề mặt liên kết về một phía bởi các lực đàn hồi mạnh của vật rắn và về phía ngược lại
do các lực đàn hồi gần như không tồn tại giữa các phân tử khí Do vậy các loại sóng mặt hầu như không tồn tại ở vật rắn nhúng chìm trong chất lỏng ngoại trừ chất lỏng chỉ bao phủ bề mặt của chất rắn một lớp rất mỏng Loại sóng này có vận tốc bằng khoảng 90% vận tốc của sóng ngang tương đương trong cùng vật liệu và chúng chỉ có thể truyền trong vùng không dày hơn một bước sóng tính từ
bề mặt Ở độ sâu này, năng lượng của sóng chỉ bằng 4% năng lượng tại bề mặt
và biên độ của dao động giảm rõ rệt đến mức có thể bỏ qua ở các độ sâu lớn hơn
Trong sóng mặt, dao động của hạt nói chung theo quỹ đạo ellip, như trình bày mô phỏng ở hình 1.9 Các mũi tên nhỏ chỉ phương dao động của các hạt
Hình 1.9 – Giản đồ lan truyền sóng mặt ở bề mặt một kim loại tiếp xúc với không khí
Trục chính của ellip thẳng góc với bề mặt mà trong đó sóng truyền Trục phụ song song với phương truyền
Phương truyền sóng Không khí
KIM LOẠI
Phần tử dao động Tại bề mặt cân bằng
Trang 34Các sóng mặt được sử dụng rất hữu hiệu cho mục đích kiểm tra vì rằng ở cùng một vật liệu chúng bị suy giảm ít hơn so với các sóng ngang hoặc sóng dọc tương ứng và vì chúng có thể đi vòng qua các góc cạnh và do đó được dùng để kiểm tra các chi tiết có hình dạng phức tạp Tất nhiên, chỉ có thể phát hiện được các vết nứt bề mặt hoặc ở gần bề mặt
1.4.4 Sóng lamb hay sóng bản mỏng (Lamb or plate waves)
Nếu sóng mặt được truyền vào một vật liệu có độ dày bằng hoặc nhỏ hơn
ba lần bước sóng của nó thì sẽ xuất hiện một dạng sóng khác được gọi là sóng bản mỏng Vật liệu bắt đầu dao động như một bản mỏng tức là sóng tràn ngập toàn bộ bề dày của vật liệu Các sóng này còn được gọi là sóng lamb vì lý thuyết
mô tả chúng được Horace Lamb nghiên cứu vào năm 1916 Không giống như các sóng dọc, ngang hoặc sóng mặt vận tốc của sóng lamb trong vật liệu không những phụ thuộc vào vật liệu mà còn phụ thuộc vào bề dày của vật liệu, tần số
và dạng của sóng
Sóng bản mỏng hay sóng lamb tồn tại dưới nhiều dạng phức hợp của dao động hạt Hai dạng cơ bản của sóng lamb là :
(a) dạng đối xứng hay là dạng dãn nở và
(b) dạng phản đối xứng hay là dạng uốn cong
1.4.5 Vận tốc của các loại sóng âm
Vận tốc truyền các loại sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt phụ thuộc vào modul đàn hồi, mật độ của vật liệu Với vật liệu xác định, nó không phụ thuộc vào tần số của sóng và kích thước của vật liệu
Vận tốc sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt được đưa ra trong các phương trình sau :
Trang 35Phương trình (1.13) cũng cắt nghĩa tại sao vận tốc sóng trong nước nhỏ hơn trong thép mặc dù mật độ của thép lớn hơn mật độ của nước đó là vì độ đàn hồi của thép lớn hơn rất nhiều độ đàn hồi của nước đến mức vượt hơn ảnh hưởng của mật độ Bảng 1.1 cho các giá trị vận tốc của sóng dọc và sóng ngang trong một số vật liệu thường dùng
Trang 36
CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM
2.1 PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SIÊU ÂM
Sóng siêu âm khi đến mặt phân cách giữa hai môi trường thì một phần phản xạ ngược trở về môi trường ban đầu và một phần sẽ truyền qua môi trường kia Phương pháp kiểm tra siêu âm sử dụng phần năng lượng truyền qua của sóng siêu âm được gọi là phương pháp truyền qua Còn phương pháp sử dụng phần năng lượng phản xạ của sóng siêu âm được gọi là phương pháp xung phản hồi Một phương pháp khác cũng thường được sử dụng trong kiểm tra siêu âm vật liệu là phương pháp cộng hưởng
2.1.1 Phương pháp truyền qua
Trong phương pháp này, sử dụng hai đầu dò siêu âm Một là đầu dò phát
và một làm đầu dò thu
Trong phương pháp này, sự hiện diện của khuyết tật trong vật thể kiểm tra được chỉ thị bởi sự giảm của biên độ tín hiệu, trong trường hợp khuyết tật lớn thì tín hiệu có thể biến mất hoàn toàn Màn hình biểu diễn nguyên lý kiểm tra của phương pháp được minh họa trên hình 2.1 (a), (b) và (c)
Phương pháp này được dùng để kiểm tra các thỏi đúc và các vật đúc lớn, đặc biệt khi có sự suy giảm mạnh và có các khuyết tật lớn Phương pháp này không đưa ra kích thước và vị trí của khuyết tật Ngoài ra tất nhiên cần có sự tiếp xúc tốt và sự đồng trục về vị trí hai đầu dò
Trang 37Hình 2.1: (a), (b) và (c) biểu diễn trên màn hình các khuyết tật có kích thước khác
nhau trong phương pháp truyền qua
2.1.2 Phương pháp xung phản hồi
Đây là phương pháp được dùng phổ biến nhất trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm Đầu dò phát và thu được đặt cùng một phía của mẫu và hiện diện của một khuyết tật được chỉ thị bằng sự nhận được xung phản hồi trước xung phản hồi đáy Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi được minh họa ở hình 2.2 (a), (b) và (c)
Hình 2.2: Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi kiểm tra siêu âm
(a) Mẫu không có khuyết tật
(b) Mẫu có khuyết tật nhỏ
(c) Mẫu có khuyết tật lớn
Xung phản hồi khuyêt tật
Xung phản hồi đáy
Không có xung phản hồi đáy
(a) Không
có khuyết tật (b) Có khuyết tật nhỏ (c) Có khuyết tật lớn
Xung phản hồi khuyết tật
Trang 38Một vật kiểm có các bề mặt song song với nhau (hình 2.2a) không những cho ta một xung phản hồi đáy mà còn cho nhiều xung phản hồi liên tiếp cách đều nhau Sở dĩ chúng ta nhận được một chuỗi xung phản hồi từ đáy, bởi vì xung đầu tiên phản xạ từ đáy trở về đầu dò đặt tại mặt trước, chỉ truyền một phần nhỏ năng lượng của chùm sóng âm đi đến đầu dò, phần còn lại tiếp tục bị phản xạ ngược xuống đáy với phần năng lượng còn lại thấp hơn, và cứ tiếp tục quá trình như vậy thì tạo ra một chuỗi xung phản hồi từ đáy Độ cao của những xung phản hồi này giảm xuống, một phần do năng lượng tổn hao trong đầu dò, phần khác của sóng âm bị suy giảm trong vật liệu do sự truyền của chùm sóng siêu âm theo luật phân tán chùm tia, nhiễu xạ, …
Hầu hết các loại đầu dò đều gắn vào tinh thể một thiết bị giảm chấn có dạng miếng đệm Miếng đệm giảm chấn này phải có âm trở lớn hơn âm trở của tinh thể Lý tưởng là dao động của tinh thể phải chấm dứt đột ngột tách ra khỏi dao động trước đó của nó, sao cho năng lượng phản xạ chỉ còn kích thích một tinh thể “trơ’ mà thôi, và không một tinh thể nào còn đang dao động nữa (Hình 2.3 a và b)
Hình 2.3: Sự tác động của giảm chấn trong đầu dò xung phản hồi
Ảnh hưởng của độ rộng xung đối với khả năng phân giải sẽ được đề cập dưới đây Trước hết cần phải nhấn mạnh rằng một xung siêu âm được tạo thành
từ một số sóng do dao động của tinh thể trong vài micro giây tạo ra (hình 2.4)
Không có giảm chấn Có giảm chấn
(a)
(b)
Trang 39Hình 2.4 – Trường hợp độ rộng xung lớn hơn
Hình 2.5 – Trường hợp độ rộng xung nhỏ hơn
12mm này không thể phân giải được hai khuyết tật này bởi vì xung phản hồi của chúng bị chồng lên nhau Do đó độ rộng của xung này sẽ không thể phân giải tốt những khuyết tật nằm gần với nhau trong khoảng 6mm Những khuyết tật nằm cách nhau trong vòng 6mm sẽ cho một chỉ thị trên sườn sau của xung phản hồi chính trên màn hình CRT Những khuyết tật nằm cách nhau dưới giá trị này sẽ
bị biến mất trong biên dạng xung phản hồi chính Hình 2.6 (a và b) biểu diễn xung từ các khuyết tật cách nhau cách nhau 3mm và 6mm
Để xác định độ rộng của xung: nhân số sóng có trong một xung với bước sóng Hoặc : Chiều dài xung = (vận tốc/tần số) x số sóng trong một xung
Độ rộng xung
Số sóng
Độ rộng xung
Khuyết tật cách nhau 3mm
Trang 40
Hình 2.6 – Ảnh hưởng của độ rộng xung lên độ phân giải khuyết tật
a) Độ phân giải thấp hơn bởi vì độ rộng xung lớn hơn b) Độ phân giải tốt hơn vì độ rộng xung nhỏ hơn
Tóm lại, để có độ phân giải tốt đòi hỏi xung phải rất ngắn để phản xạ từ một khuyết tật nằm gần với một khuyết tật khác không bị mất đi trong tín hiệu đầu tiên được ghi nhận Độ phân giải tốt và kém được biểu diễn trong hình 2.7 Cần lưu ý rằng tần số sóng siêu âm càng cao thì độ rộng xung càng ngắn Đồng thời tần số cao thì bước sóng sẽ ngắn nên cho độ nhạy cao hơn đối với khuyết tật nhỏ Kết hợp hai điều này sẽ cho khả năng phát hiện khuyết tật và độ phân giải tốt hơn
Hình 2.7: Thí dụ điển hình cho quá trình phân giải tốt và kém
2.2 CÁC LOẠI ĐẦU DÕ (SENSORS)
Thuật ngữ bộ cảm biến trong kiểm tra siêu âm được sử dụng để nói về thiết
bị truyền và thu sóng siêu âm Chúng còn được gọi là đầu dò hay biến tử Một
đầu dò siêu âm bao gồm :
Màn Hình
Khuyết tật cách nhau 3mm
Khuyết tật cách nhau 6mm