Tìm hiểu phương pháp siêu âm trong đo và kiểm tra không phá hủy BKHN

Kiểm tra siêu âm Ultrasonic Testing – UT là một phương pháp kiểm tra không pháhủy dựa trên việc kích thích sóng siêu âm vào đối tượng hoặc vật liệu cần kiểm tra.Trong hầu hết các ứng dụn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO MÔN HỌC: ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY

Đề tài:

Tìm hiểu phương pháp siêu âm trong đo và kiểm tra không phá hủy

Giảng viên: TS Cung Thành Long

Nhóm: 06

Hà Nội, tháng 7 năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO MÔN HỌC: ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY

Đề tài:

Tìm hiểu phương pháp siêu âm trong đo và kiểm tra không phá hủy

Giảng viên: TS Cung Thành Long

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

1. Tìm hiểu tổng quan về phương pháp

1.1 Giới thiệu chung về NDT bằng Phương pháp siêu âm

Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing – UT) là một phương pháp kiểm tra không pháhủy dựa trên việc kích thích sóng siêu âm vào đối tượng hoặc vật liệu cần kiểm tra.Trong hầu hết các ứng dụng UT phổ biến, sóng xung siêu âm rất ngắn với tần số daođộng trung bình từ 0,1-15 MHz (đôi khi lên đến 50 MHz).Sóng được truyền vào vật liệu

để phát hiện sai sót bên trong vật liệu

Một hệ thống kiểm tra UT điển hình bao gồm một số đơn vị chức năng, chẳng hạn như

bộ phát / bộ thu, bộ chuyển đổi và thiết bị hiển thị Bộ thu / phát xung là một thiết bị điện

tử có thể tạo ra các xung điện điện áp cao Được điều khiển bởi bộ xung, bộ chuyển đổi tạo

ra năng lượng siêu âm tần số cao Năng lượng âm thanh được đưa vào và truyền qua cácvật liệu dưới dạng sóng Khi có một sự gián đoạn (chẳng hạn như một vết nứt) trên đườngtruyền sóng, một phần năng lượng sẽ bị phản xạ trở lại từ bề mặt khuyết tật Tín hiệu sóngphản xạ được đầu dò chuyển thành tín hiệu điện và được hiển thị trên màn hình Trongapplet bên dưới, cường độ tín hiệu phản xạ được hiển thị so với thời gian từ khi tạo tín hiệu

Hình 1: đầu dò siêu âm Hình 2: kỹ sư đang kiểm tra đối tượng bằng phương pháp siêu âm

đến khi nhận được tiếng vọng Thời gian di chuyển của tín hiệu có thể liên quan trực tiếpđến khoảng cách mà tín hiệu truyền đi.

Một ứng dụng phổ biến của siêu âm là đo độ dày siêu âm, kiểm tra độ dày của đốitượng thử nghiệm, ví dụ, để theo dõi sự ăn mòn đường ống

Bên cạnh việc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật (như phát hiện / đánhgiá khuyết điểm, đo kích thước, đặc tính vật liệu, v.v.), siêu âm cũng được sử dụng tronglĩnh vực y tế (như siêu âm, siêu âm trị liệu, v.v.)

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của Phương pháp kiểm tra siêu âm

Trước Chiến tranh thế giới thứ hai, sonar, kỹ thuật gửi sóng âm qua nước và quan sáttiếng vọng trở lại để xác định đặc điểm của các vật thể chìm dưới nước, đã truyền cảm hứngcho các nhà nghiên cứu siêu âm ban đầu khám phá cách áp dụng khái niệm này vào chẩn

Hình 3: nguyên lý đo bằng phương pháp siêu âm

Hình 4: kiểm tra bằng siêu âm trong thực tế

y tế Năm 1929 và 1935, Sokolov nghiên cứu việc sử dụng sóng siêu âm trong việc pháthiện các vật thể kim loại Mulhauser, vào năm 1931, đã nhận được bằng sáng chế về việc sửdụng sóng siêu âm, sử dụng hai đầu dò để phát hiện các lỗ hổng trong chất rắn Firestone(1940) và Simons (1945) đã phát triển thử nghiệm siêu âm xung sử dụng kỹ thuật xung dộiâm

Hình 4: máy siêu âm đầu tiên

7

2 Ứng dụng của phương pháp kiểm tra siêu âm

Kiểm tra siêu âm có thể được sử dụng trong nhiều phương pháp kiểm tra:

• Kiểm tra thể tích của, mối hàn, đúc, sản phẩm…

• Phát hiện khuyết điểm và lỗ hổng trong đường ống

• Đối với kiểm tra tiêu chuẩn và định kỳ của máy móc, thiết bị, động cơ, tuabin, máy bay,v.v…

• Trong các cuộc kiểm tra định kỳ và không định kỳ tại các trạm điện; Bao gồm nồi hơi,tàu, trống và đường ống

• Trong kiểm tra công nghiệp định kỳ và không định kỳ trong ngành dầu khí, Bao gồmcác lò phản ứng, đường ống, bể chứa, trao đổi nhiệt, vv…

• Trong kiểm tra công nghiệp định kỳ và không định kỳ trong ngành hóa chất; bao gồmmáy bơm và lưu trữ hóa học

• Phương tiện giao thông công cộng; Xe lửa, tàu, xe buýt và xe điện

• Các công trình bao gồm cầu, nền tảng dầu và cối xay gió

8

• Kiểm tra siêu âm mối hàn.

Một trong những đặc điểm hữu ích nhất của thử nghiệm siêu âm là khả năng xác định vịtrí chính xác của khuyết điểm trong mối hàn Phương pháp kiểm tra này đòi hỏi mức độđào tạo và năng lực của người vận hành cao và phụ thuộc vào việc thành lập và áp dụngcác quy trình thử nghiệm phù hợp Phương pháp thử nghiệm này có thể được sử dụng trêncác vật liệu màu, thường phù hợp để thử nghiệm các phần dày hơn có thể truy cập từ mộtphía, và thường có thể phát hiện các dòng tốt hơn hoặc các khuyết tật đơn giản hơn có thểkhông được phát hiện dễ dàng bằng cách kiểm tra X quang

3 Đánh giá chung về phương pháp kiểm tra siêu âm

• Ưu điểm

• Khả năng thâm nhập cao, cho phép phát hiện các khiếm khuyết sâu trong vật liệu

• Độ nhạy cao, cho phép phát hiện các khuyết tật nhỏ

• Trong nhiều trường hợp chỉ cần tiếp cận từ một phía của vật cần kiểm tra

• Độ chính xác cao hơn các phương pháp không phá hủy khác và có thể xác định độsâu và vị trí khuyết tật

• Có khả năng ước lượng kích thước, định hướng, hình dạng và tính chất của khuyếttật

• Có khả năng ước lượng cấu trúc hợp kim dựa trên các thành phần có tính chất âmkhác nhau

• Không gây nguy hiểm cho con người khi hoạt động và không ảnh hưởng đến thiết bị

và vật liệu trong vùng lân cận

Hình 7: kiểm tra mối hàn

• Khả năng hoạt động xách tay hoặc tự động hóa.

• Kết quả là ngay lập tức Do đó ngay tại chỗ có thể đưa ra quyết định

• Nhược điểm

• Vận hành đòi hỏi sự chú ý cẩn thận của các kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm

• Kiến thức kỹ thuật chuyên sâu khi cần phát triển các quy trình kiểm tra

• Khó kiểm tra các chi tiết thô, hình dạng không đều, kích thước nhỏ hoặc mỏng, hoặckhông đồng nhất

• Bề mặt phải được chuẩn bị bằng cách lau chùi, loại bỏ sơn

• Cần sử dụng chất tiếp âm để truyền năng lượng sóng siêu âm giữa đầu dò và các bộphận đang được kiểm tra trừ khi sử dụng kỹ thuật không tiếp xúc như EMAT

• Các vật được kiểm tra phải đặc, có khả năng chịu nước

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

Phương pháp siêu âm sử dụng sóng âm là những dao động cơ học có khả năng truyềnqua các môi trường rắn, lỏng, khí Sóng này truyền trong môi trường cho trước với nhữngvận tốc riêng, theo hướng có thể đoán trước khi tới mặt phân cách giữa các môi trườngchúng sẽ phản xạ hay truyền qua theo những nguyên tắc khác nhau, dựa vào phân tích cácsóng phản xạ ta có được các thông tin về vật mẫu

1 Những đặc điểm của sóng âm

- Tần số âm là tần số dao động của nguồn âm, trong kiểm tra đo đạc tần số âm dao độngvới tần số trong khoảng từ 500 Khz đến 10Mhz Kí hiệu là f, đơn vị Hz

- Vận tốc âm là vận tốc của sóng âm lan truyền trong môi trường với những vận tốc khácnhau nó phụ thuộc vào mật độ của môi trường và độ đàn hồi của môi trường, sóng âmkhông thể lan truyền trong chân không Kí hiệu v, đơn vị m/s

- Chu kỳ là thời gian để sóng âm đi được 1 bước sóng

Hình 8: Dao động sóng âm

- Bước sóng là quãng đường sóng âm đi được trong 1 chu kỳ trong môi trường mà nó truyềnqua Kí hiệu λ giữa chu kỳ và vận tốc có liên hệ:

λ = v/f (m) (1)Trong đó:

+ Năng lượng âm truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác sẽ đổi hướng theo định luậtkhúc xạ của Snell.ta có công thức:

Trong đó:

phân cách hai môi trường

r: là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳngphân cách hai môi trường

n1: là chiết suất môi trường 1

Hình 9: định luật khúc xạ

2 Góc tới hạn của khúc xạ

- Chùm âm đi qua môi trường như nước hoặc plastic khúc xạ khi đi vào môi trường thứhai với một góc tới Đối với góc tới nhỏ, chùm âm khúc xạ và chuyển đổi dạng sóng, và kếtquả là kết hợp cả sóng dọc và sóng ngang Vùng giữa góc tới vuông góc và góc tới hạn thứnhất không hữu ích cho kiểm tra siêu âm như vùng sau góc tới hạn thứ nhất vì lúc đó chỉ cósóng ngang được tạo ra

- Góc tới hạn thứ nhất:

+ Khi góc tới tăng lên, góc tới hạn thứ nhất đạt tới khi góc khúc xạ chùm âm sóng dọc đạt

90 độ, ở điểm đó chỉ có sóng ngang tồn tại trong môi trường thứ hai Khi lựa chọn đầu dògóc sóng ngang, hoặc khi điều chỉnh đầu dò nhúng ở góc tới để tao sóng ngang thì cần xemxét hai điều kiện

+ Thứ nhất: sóng dọc khúc xạ phải phản xạ toàn phần như vậy chùm âm thâm nhập chỉgiới hạn là sóng ngang

+ Thứ hai: Sóng ngang khúc xạ phải đi vào chi tiết kiểm tra theo yêu cầu của tiêu chuẩnkiểm tra,trong kiểm tra bằng phương pháp nhúng, góc tới hạn thứ nhất được tín đảm bảorằng chùm âm đi vào chi tiết kiểm tra

+ Khi góc tới tiếp tục tăng lên, góc tới hạn thứ hai đạt tới khi góc chùm âm sóng ngangkhúc xạ 90 độ, ở điểm này, các sóng ngang phản xạ và trong trường hợp kiểm tra tiếp xúcvới chi tiết kiểm tra ở trong môi trường không khí thì sẽ tạo ra sóng bề mặt, trong kiểm tranhúng, môi trường lỏng nhớ rằng sóng bề mặt đã được tạo ra trong kiểm tra thí nghiệm trênchi tiết kiểm tra ngâm trong chất lỏng

- Sóng bề mặt hay còn gọi là sóng Rayleigh: các hạt có quỹ đạo chuyển động hình ê líp

và truyền qua bề mặt của vật liệu, chiều sâu chỉ khoảng một bước sóng

- Sóng dạng tấm hay còn gọi là sóng Lamb là một dạng dao động phức tạp trong các tấmmỏng có chiều dày vật liệu nhỏ hơn bước sóng và dạng sóng nàytruyền trong toàn bộ tiếtdiện của môi trường

Hình 10: Mô tả sóng dọc

Hình 11: Mô tả sóng ngang

- Sóng âm có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác Thông thường sóng ngangđược tạo ra trong vật liệu kiểm tra bằng cách truyền sóng dọc vào vật liệu dưới một góc đãchọn trước.

Hình 12: Mô tả sóng bề mặt

CHƯƠNG 3: ĐẦU DÒ THU PHÁT SÓNG SIÊU ÂM

Hình 13: Đầu dò thu phát sóng siêu âm

Hình 14: minh họa hiệu ứng áp điện

Các loại vật liệu áp điện

- Gốm áp điện

Gốm áp điện được cấu tạo bởi 3 yếu tố: cấu tạo bởi ba yếu tố

PZT (chì Pb, zorconi, titan) Gốm áp điện có áp điện cao, hằng số

điện môi cao và có thể được xử lý thành các hình dạng tùy ý,

nhưng chúng có yếu tố chất lượng cơ học thấp, mất điện lớn và độ

ổn định kém, và do đó thích hợp cho đầu dò công suất cao và rộng

bộ lọc dải Ứng dụng, nhưng không lý tưởng cho các ứng dụng có tần số cao, ổn định cao

- Tinh thể áp điện

Cấu trúc tinh thể không có trung tâm đối xứng và do đó có tính áp điện Chẳng hạn nhưtinh thể thạch anh, lithium niobate, niobate lithium, niobate titan và lithium niobate bóngbán dẫn sắt, lithium niobate…

- Polyme áp điện (vật liệu áp điện hữu cơ)

Loại vật liệu này và tính linh hoạt của vật liệu, mật độ thấp,

trở kháng thấp và hằng số điện áp cao (g) và các ưu điểm khác

cho sự chú ý của thế giới và phát triển rất nhanh, đo siêu âm âm

thanh dưới nước, cảm biến áp suất, bắt đầu đánh lửa và các khía

cạnh khác của ứng dụng Điểm bất lợi là hằng số biến áp áp điện

(d) là thấp, làm cho nó rất hạn chế như một bộ chuyển đổi phát xạ hoạt động

Hình 15: gốm áp điện

Hình 16: polyme áp điện

2 Cấu tạo đầu dò

Đầu dò thu phát sóng siêu âm gồm các bộ phận như trên hình

+ Wetting layer: đây là lớp bảo vệ đầu dò khỏi những tác động từ môi trường như nhiệt độ,

bề mặt sắc nhọn Lớp này thường được làm bằng nhựa cứng

+ Matching layer: Lớp này có vai trò giống như việc phối hợp trở kháng trong mạch điện.

Ở đây là phối hợp trở kháng trong môi trường truyền sóng, làm cho sóng phản xạ lại nhỏnhất có thể Lớp này thường được làm từ nhựa nhiệt rawnsn

+ Piezoelectric disc: đĩa áp điện, là bộ phận quan trọng nhất của đầu dò, có nhiệm vụ thu

và phát sóng siêu âm Nguyên lý và vật liệu đã được phân tích ở trên

+ Backing: lớp vật liệu nền, được làm từ hỗn hợp các chất đàn hồi, làm giảm sóng siêu âm

truyền ngược lại bên trong Bởi vì khi cung cấp điện áp hoặc nhận về dao động cơ, đĩa ápđiện sẽ dao động về cả 2 phía, nhưng để đảm bảo sóng siêu âm chỉ truyền theo một hướngnhất định và tắt dao động về phía bên trong nên cần phải có lớp backing layer để giúp việc

Hình 17: cấu tạo của một đầu dò thu phát sóng siêu âm

tắt hoặc không kéo dài thời gian dao động, triệt tiêu sóng dội ngược vào bên trong đầu dòcũng như sẵn sàng tạo dao động mới truyền ra bên ngoài.

+ 2 lớp điện cực: gắn vào 2 mặt của đĩa áp điện có vai trò truyền và nhận tín hiệu điện từ

đĩa áp điện

+ Coaxial cable: cáp đồng trục có vai trò truyền nhận tín hiệu điện từ điện cực đến mạch

xử lý tín hiệu

+ Thermocouple: cặp nhiệt điện ( cảm biến nhiệt độ), được tích hợp để theo dõi nhiệt độ

bên trong đầu dò cũng như để bù nhiệt độ

+ Front ring, main body, rear lid, cable exhaust tube: các thành phần cơ khí giúp cố định,

-Bộ dao động tần số vô tuyến (RF) được điều khiển bằng tinh thể được xây dựng xung quanhbóng bán dẫn T1 (BC549) tạo ra tín hiệu 8MHz, đóng vai trò là đầu vào cho bộ đếm thập

Hình 18: Mạch phát sóng siêu âm

phân đầu tiên được xây dựng xung quanh IC1 Bộ đếm chia tần số dao động thành 800kHz Đầu ra của IC1 được đưa đến bộ đếm CD4017 thứ hai (IC2), bộ đếm này tiếp tụcchia tần số thành 80 kHz.

-Flip-flop (IC3) chia tín hiệu 80kHz cho 2 để tạo ra tín hiệu 40kHz, tín hiệu này được truyềnbằng đầu dò siêu âm TX

-Mạch phát hoạt động 9-12V DC

3.2 Mạch thu sóng siêu âm

- Mạch thu được xây dựng xung quanh một bộ đếm CD4017 (IC4) và một vài thành phầnrời rạc Để kiểm tra hoạt động của máy phát, cần chuyển tín hiệu 40kHz xuống 4kHz đểđưa tín hiệu vào dải nghe được Bằng cách sử dụng bộ thu, bộ phát sóng siêu âm 40kHz

có thể được kiểm tra một cách nhanh chóng

- Bộ chuyển đổi của máy thu (RX) được giữ gần máy phát siêu âm đang được thửnghiệm Nó phát hiện tín hiệu 40kHz truyền đi, được khuếch đại bởi bộ khuếch đại đượcxây dựng xung quanh bóng bán dẫn BC549 (T2)

- Tín hiệu khuếch đại được đưa đến bộ đếm thập phân IC4, bộ đếm này chia tần số thành

4 kHz Transistor T3 (SL100) khuếch đại tín hiệu

4kHz để đưa ra các cơ cấu tiếp theo

Hình 19: Mạch thu sóng siêu âm

4.1 Đầu dò kết hợp

Đầu dò Đầu dò kép sử dụng biến tử thu và phát riêng rẽ trong một vỏ chung Chúngthường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến các bề mặt kiểm tra thô ráp,vật liệu có cấu trúc hạt thô, phát hiện rỗ khí hoặc rỗ thủng, và chúng cũng có thể sửdụng được ở điều kiện nhiệt độ cao

Mặc dù độ chính xác của đầu dò kép thường không được như đầu dò đơn tinh thể,chúng thường mang lại kết quả hơn trong các ứng dụng khảo sát ăn mòn do đặc tính nhạyvới các ăn mòn dạng pitting hay khả năng giúp tăng độ phân giải gần bề mặt

Đầu dò kép cũng thường được sử dụng trong các ứng dụng chịu nhiệt độ cao và kiểm tracác bề mặt thô nhám như vật liệu đúc

Hình 23: ứng dụng đầu dò góc

ngang ở 45, 60 và 70 độ Đầu dò góc thường được sử dụng để kiểm tra mối hàn vàthường được đề cập rất rõ ràng trong các tiêu chuẩn kiểm tra.

4.3 Đầu dò trễ

Đầu dò trễ kết hợp một phần dẫn sóng bằng nhựa, ngắn giữa biến tử và bề mặt kiểmtra Chúng được sử dụng để tăng độ phân giải gần bề mặt và cũng để sử dụng kiểm tra ởnhiệt độ cao vì phần trễ này giúp bảo vệ biến tử tránh bị hư hại do nhiệt độ cao

4.4 Đầu dò tiếp xúc trực tiếp

Như tên gọi của chúng, các đầu dò tiếp xúc được sử dụng tiếp xúc trực tiếp với chitiết cần kiểm tra Năng lượng âm truyền vuông góc với bề mặt, và thường sử dụng đểphát hiện các lỗ rỗng, rỗ khí, và các vết nứt hoặc tách lớp song song với bề mặt ngoài củachi tiết, cũng như để đo chiều dày

Hình 24: đầu dò trễ

4.5 Đầu dò PiezoComposite

Ban đầu, gốm được cắt lát thành các hình vuông Các khu vực nhỏ giữa các ô vuôngđược đổ đầy epoxy và đầu dò được phủ đến độ dày cần thiết, tráng bạc và tráng bạc theocách tương tự như các phần tử đầu dò thông thường Sự khác biệt đối với người dùng là ởhiệu suất Do được làm bằng vật liệu giảm chấn (epoxy) xung quanh mỗi ô vuông, bộchuyển đổi thể hiện băng thông vượt trội và do đó độ phân giải cao hơn Có rất ít hoặckhông cần áp dụng một lớp nền; do đó, hiệu quả lớn hơn đầu dò gốm giảm chấn thôngthường Do không có mặt sau, cấu hình chiều cao của các thiết bị này có thể bị giảmxuống để có thể tiếp cận các khu vực nhỏ Các đầu dò này đặc biệt hữu ích khi kiểm tracác vật liệu sần sùi có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tăng lên

5 Giới thiệu công nghệ EMAT và đầu dò không tiếp xúc

Hình 26: bề mặt đầu dò piezocomposite

Hình 27: cấu trúc đầu dò EMAT

5.1 Nguyên lý, cấu tạo

Đầu dò EMAT viết tắt của từ Electro Magnetic Acoustic Transducer, có nghĩa là biến

tử phát âm bằng phương pháp điện từ trường Người ta sử dụng nguyên lí Từ giảo đểphát năng lượng sóng âm và trong trong kim loại sắt từ thông qua lớp oxit bao phủ bênngoài vật liệu Đầu dò EMAT không cần chất tiếp âm khi sử dụng Nếu kim loại khôngliên kết với lớp oxit bên ngoài thì sóng âm không thể truyền vào kim loại được, điều nàyđược giải thích là bởi vì dưới tác động của từ trường các hạt oxit sẽ bị kích thích và phát

ra sóng âm đi vào kim loại

Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường vuông góc với bề mặt của lớp oxit, trong khitrường động do nam châm điện (Bd) tạo ra làm cho lớp oxit bị kéo ra bên ngoài và vàotrong khi cuộn dây dao động Chuyển động này tạo ra sóng ngang có tần số đặc trưngtheo chiều dày của lớp oxit bên ngoài và sau đó tín hiệu được truyền vào trong thép Về

cơ bản, lớp oxit đóng vai trò là một phần của đầu dò để tạo ra xung siêu âm Tần số củaxung siêu âm sẽ thay đổi khi độ dày lớp oxit thay đổi, tăng dần khi lớp oxit trở nênmỏng hơn và giảm dần khi lớp oxit trở nên dày hơn Với lớp oxit tương đối mỏng, tần số

sẽ ở khoảng xấp xỉ 5 MHz Quá trình cũng hoạt động theo chiều ngược lại để tạo ra điện

áp trong cuộn dây khi tín hiệu phản hồi từ sóng ngang quay trở lại làm rung lớp oxit

5.2 Ưu nhược điểm

+ Ưu điểm

- Không cần loại bỏ lớp gỉ

- Không cần sử dụng chất tiếp âm

- Sử dụng ở chế độ tiếp xúc trực tiếp hoặc tiệm cận bề mặt

- Có thể sử dụng với bề mặt nhiệt độ cao

- Sử dụng cho các ống đường kính nhỏ

- Vòng bảo vệ bề mặt bằng kim loại có thể điều chỉnh cho tín hiệu tối ưu

+ Nhược điểm

- Hiệu suất thấp so với đầu dò áp điện.

- Kích thước đầu dò tương đối lớn

- Sản xuất năng lượng siêu âm trong vật liệu không dẫn điện chỉ có thể thực hiện đượcnếu một lớp dẫn điện được phủ lên bề mặt

7 Chất tiếp âm dùng trong kiểm tra siêu âm

Như phân tích ở phần cơ sở lý thuyết, khi sóng âm truyền qua bề mặt phân cách giữahai môi trường ( đặc biệt là từ không khí vào chất rắn), hiện tượng phản xạ sẽ xảy ra với tỉ lệgần như 100% Chính vì vậy, để hạn chế sóng phản xạ lại người ta sử dụng một chất dạnglỏng gọi là chất tiếp âm (couplant) Chất này có dạng gel, được thoa vào bề mặt vật cầnkiểm tra trước khi tiến hành kiểm tra cùng như được lau sạch sau khi kiểm tra xong để tránhgây gỉ đối tượng

• Một số chất tiếp âm thường dùng:

- Chất tiếp âm B2 – Glyceri

Lợi thế của việc sử dụng glycerin là nó có độ nhớt và có trở kháng âm thanh cao, làm cho nó trở thành chất tiếp âm được ưa thích cho các bề mặt thô và các vật liệu suy giảm âm cao Glycerin có trở kháng âm là 2,42 x 10 gm-cm / giây (so với 1,61 của propylen glycol, khoảng 1,5 đối với dầu động cơ, và 1,48 đối với nước) Trở kháng âm thanh của Glycerin tương đương với chất dẻo và gần với kim loại hơn các chất lỏng thông thường khác, cung cấp khả năng truyền âm thanh hiệu quả hơn giữa đầu dò và vật kiểm tra

Bất lợi của việc sử dụng glycerin là nếu nó không được loại bỏ khỏi bề mặt sau khi kiểm tra,

nó có thể gây ra rỉ sét hoặc ăn mòn ở một số kim loại bằng cách hấp thụ và giữ nước từ bầu khí quyển Nó cũng có thể hỗ trợ sự phát triển của nấm mốc nếu không được loại bỏ Mặc

dù glycerin thường được đề nghị để thử nghiệm các vật đúc do đặc tính âm thanh tốt của nó,nên làm sạch cẩn thận sau khi sử dụng

- Chất tiếp âm D12 – Dạng Gel

Các chất tiếp âm kiểu gel thường được đề nghị cho các bề mặt thô như kim loại do có

độ nhớt cao và trở kháng âm tương đối cao sẽ làm tăng tối đa khả năng truyền âm trong trường hợp đầu dò không thể tiếp xúc tốt với bề mặt Các chất tiếp âm dạng gel cũng thườngđược sử dụng trong kiểm tra mối hàn, khi cần phải đưa đầu dò di chuyển trên một diện tích

bề mặt rộng Ở đây, lợi thế chỉ đơn giản là gel có thể nhanh chóng lan rộng trên một diện tích lớn và nó sẽ duy trì tiếp xúc tốt khi đầu dò được quét dọc theo mối hàn Gel cũng hữu ích trong việc kiểm tra bề mặt phía trên hoặc thẳng đứng, vì chúng sẽ không nhỏ giọt hoặc chảy Hầu hết các chất tiếp âm dạng gel có thể được sử dụng trên các bề mặt nóng vừa phải lên đến khoảng 200 ° F (90 ° C)

- Chất tiếp âm H-2 – Nhiệt độ Cao

Couplant H là một loại gel có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao lên đến 750 ° F (398 ° C) trong điều kiện môi trường nhất định Giống như bất kỳ chất tiếp âm nhiệt độ cao nào, người

sử dụng có trách nhiệm xác định rằng nó phù hợp với một ứng dụng hay không

- Chất tiếp âm I-2 – Nhiệt độ rất cao

Couplant I ở dạng gel có thể được sử dụng ở nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp -40 đến 1250 ° F (-40 đến 675 ° C)

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KỸ THUẬT TRONG ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY

BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

1. Phương pháp đo và kiểm tra

Dựa trên đặc tính khi chiếu sóng siêu âm qua vật liệu: khúc xạ, phản xạ hay suy yếu,nhiều kĩ thuật khác nhau được sử dụng để phát hiện những kiểu khuyết tật khác nhau có thểtồn tại trong vật liệu Theo đó người ta chia thành 3 phương pháp chính:

- Phương pháp truyền dẫn

- Phương pháp hồi âm

- Phương pháp cộng hưởng

1.1 Phương pháp dẫn truyền (Through transmission)

Trong phương pháp này, hai đầu dò siêu âm được sử dụng Một là đầu dò máy phát vàđầu dò kia là đầu dò máy thu Những Các đầu dò được đặt ở phía đối diện của mẫu thử nhưđược thể hiện trong hình:

Trong phương pháp này, sự hiện diện của một khiếm khuyết bên trong là được chỉ ra bởi

sự giảm biên độ tín hiệu nhận được ở đầu dò máy thu hoặc trong trường hợp khuyết điểmlớn thì sẽ mất hoàn toàn tín hiệu đã truyền 3 trường hợp hay gặp nhất được ví dụ như tronghình vẽ dưới đây:

c: Khiếm khuyết lớn

Nhược điểm, kĩ thuật dựa trên sự suy giảm năng lượng sóng siêu âm khi gặp lỗi bêntrong vật liệu, do đó có thể dễ dàng phát hiện lỗi bên trong vật liệu nhưng không xác địnhđược cụ thể hơn (vị trí, hình dạng, kích thước lỗi), những lỗi nhỏ dọc theo phương truyềnsóng có thể không phát hiện được; phải tiếp cận được bề mặt vật liệu ở cả hai phía cho đầu

dò phát và thu, và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng truyền sóng bên trong vật liệu (độnhám ở bề mặt vật liệu, tính không đồng nhất của vật liệu, …) có thể gây ra sai lệch trongquá trình kiểm tra

Ứng dụng: kiểm tra đặc tính của vật liệu so với mẫu có sẵn, kiểm tra độ hoàn chỉnh củanhững vật liệu hình dẹt (trong công nghiệp máy bay)

1.2 Phương pháp cộng hưởng (Resonance)

Một phương pháp phát hiện độ dày của vật liệu hoặc chỉ số về khuyết điểm bên trongbằng cách đưa năng lượng siêu âm có tần số thay đổi vào vật liệu đó là pp cộng hưởng.Một tần số cụ thể của năng lượng sẽ tạo ra hiện tượng cộng hưởng với một độ dày nhấtđịnh của vật liệu

Kích thước và độ cứng của một thành phần xác định tần số cộng hưởng tự nhiên của nó

Do đó, những thay đổi về kích thước hoặc độ cứng sẽ ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng.Các đặc tính đàn hồi của vật liệu, cũng như sự hiện diện của các khuyết tật, sẽ ảnh hưởngđến độ cứng của thành phần, do đó về mặt lý thuyết có thể phát hiện được các khuyết điểmgiự vào hiện tượng cộng hưởng

Kiểm soát bước sóng trong siêu âm đạt được bằng cách kiểm soát tần số Nếu chúng ta

có một máy phát có thể điều khiển tần số thay đổi, nó có thể được điều chỉnh để tạo ra mộtđiều kiện cộng hưởng cho độ dày của tấm được thử nghiệm Điều kiện cộng hưởng này dễdàng nhận biết bởi sự gia tăng của biên độ xung nhận được trên màn hình Biết cộng hưởnghoặc tần số cơ bản f và vận tốc V của sóng siêu âm trong mẫu thử độ dày ‘T’ của mẫu đượcthử nghiệm có thể được tính toán từ phương trình:

T =

Trên thực tế thì ngta khó xác định được tần số cộng hưởng cơ bản của sóng đưa vào, do

đó thường sử dụng chênh lệch giữa 2 lần liên tiếp đưa tần số khác nhau vào vật liệu để cóthể tính toán:

T = Phương pháp cộng hưởng của siêu âm đã có một thời đặc biệt thích hợp để đo độ dàymỏng các mẫu vật chẳng hạn như ống bọc cho nhiên liệu lò phản ứng Phương pháp hiện đãphần lớn được bổ sung bởi phương pháp hồi âm xung vì thiết kế đầu dò được cải tiến

1.3 Phương pháp hồi âm (Pulse echo)

Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất cũng là một phương pháp đáng tin cậy

và có độ chính xác rất cao trong siêu âm Phương pháp này là một trong những kỹ thuậtkiểm tra không phá hủy được sử dụng phổ biến nhất trong giao thông vận tải và sản xuấthàng không vũ trụ Nó cũng được sử dụng để kiểm tra kết cấu dầm, mối hàn, đường ống…

Phương pháp hồi âm có thể sử dụng một thiết bị duy nhất để gửi và nhận sóng âm thanh

để phát hiện các vết nứt, khe nứt và các khuyết tật khác

Cũng có thể sử dụng 2 đầu dò trong đó: Đầu dò máy phát và đầu dò có vai trò làm máythu và chúng cùng nằm trên cùng một mặt của mẫu

Về nguyên tắc: Khi xung siêu âm gặp khuyết diểm , vết nứt một phần của sóng của xung

sẽ bị phản xạ trở lại từ bề mặt có khuyết tật Sóng phản xạ được biến đổi thành tín hiệu điệnbởi một bộ chuyển đổi và được hiển thị trên màn hình:

2 Các kĩ thuật đo thường gặp

2.1 Kĩ thuật kiểm tra chùm tia thông thường

Đây là một trong những kĩ thuật ứng dụng của phương pháp hồi âm cơ bản nhất

• Đặc điểm: Có thể sử dụng nhiều loại đầu dò khác nhau nhưng đều có đặc điểm chung làtiếp xúc trực tiếp với mẫu vật

• Nguyên tắc: Một xung chùm siêu âm được chiếu vào mẫu và nhận được tiếng vọng từcác lỗ hổng, vết nứt bên trong mẫu và từ thành sau của mẫu vật Trong đấy, loại songđược sử dụng có tần số nằm trong khoảng từ 1 -5 Mhz

• Ứng dụng: Tìm các vết nứt hoặc vết tách song song với bề mặt của mẫu thử, cũng như

tìm các khoảng trống bên trong và độ xốp của mẫu thử

Chúng ta thường gặp 2 cách kiểm tra bằng chùm tia thông thường đó là sử dụng đầu dòđơn và đẩu dò kép

Hình 28: Mẫu vật không có khuyết điểm

Hình 29: Mẫu vật có khuyết điểm nhỏ

Hình 30: Mẫu vật có khuyết điểm lớn

- Kỹ thuật đầu dò đơn trở nên hiệu quả trong việc phát hiện các lỗ hổng gần bề mặt và đốivới các phép đo độ dày thành mỏng.

- Kỹ thuật đầu dò kép lại rất hữu ích khi hình dạng mẫu không đều và bề mặt sau khôngsong song với mặt trước Một đầu dò truyền chùm sóng siêu âm vào mẫu và đầu dò cònlại đóng vai tròn nhận tiếng vọng từ các lỗ hổng và bề mặt sau của vật mẫu

Tuy nhiên kĩ thuât sử dụng chùm tia thông thường này có nhược điểm đó là không pháthiện đc Các vết nứt hoặc các bất liên tục khác vuông góc với bề mặt chi tiết, hoặc nghiêng

so với bề mặt đó do hướng của chúng đồi voiwis chùm tia chiếu tới Các khuyết tật đó cóthể xuất hiện mối hàn, các chi tiết kết cấu kim loại, và rất nhiều các cấu kiện xung yếukhác

2.2 Kĩ thuật chùm tia góc

2.2.1 Giới thiệu

Để cải thiện những nhược điểm của kĩ thuật chùm tia thông thương, khi tiền hành đokiểm tra bằng phương pháp siêu âm, người ta thường sử dụng đến “ Kỹ thuật chùm tiagóc” Kỹ thuật này thường được sủ dụng để kiểm tra các ống, mối hàn, và đây cũng là kĩthuật được sử dụng phổ biến nhất trong phát hiện lỗ hổng khuyết điểm bằng phương phápsiêu âm

Kĩ thuật này sử dụng thêm 1 nêm nhựa giữa đầu dò và đối tượng kiểm tra giúp chochùm tia siêu âm có thể đi vào trong mẫu vật dưới một góc xác định trước (< 90°) so với bềmặt

Các đầu dò chùm tia góc được sử dụng phổ biến nhất tạo ra sóng cắt khúc xạ ở cácgóc tiêu chuẩn 45, 60 hoặc 70 độ trong vật liệu thử nghiệm Góc tới cần thiết để tạo ra mộtgóc khúc xạ mong muốn dựa trên vận tốc âm thanh bên trong vật liệu và được tính từ Địnhluật Snell

Dựa trên tính toán thì Trên đây là bảng các góc thăm dò thường được sử dụng nhiểunhất cho các độ dày khác nhau của vật liệu:

Bảng 1 Một số góc thăm dò thường gặp

0.25 đến 0.75 inch0.5 đến 2 inchLớn hơn 1.5 inch

2.2.2 Nguyên tắc tính toán cơ bản

• Trong đó:

- AB: Half skip distance (HSD)

- AC: Full skip distance (FSD)

- AD: Half skip beam path length (HSBPL)

- AD + DC: Full skip beam path length (FSBPL)

Ta định nghĩa một số khoảng cách trên bằng những công thức khác:

FSD = 2 * t * tan (2)HSBPL = (3)

Hình 31: Nguyên tắc tính toán cơ bản

• Không thu được chùm sóng phản xạ.

Hình 32: Vật liệu không có lỗi

• Tín hiệu thu được sau khi hiệu chỉnh bằng với khoảng half skip, nghĩa là có lỗi ởmặt dưới của vật liệu

BC = HSBPL * sinAC: HSD

• Tín hiệu thu được sau khi hiệu chỉnh bằng với khoảng full skip, nghĩa là có lỗi ở mặttrên của vật liệu

33Hình 33: Lỗi ở mặt dưới của vật liệu.

AD chính là khoảng FSD

2.3 Thử nghiệm ngâm

Kỹ thuật thử nghiệm ngâm chủ yếu được sử dụng trong phòng thí nghiệm và cho các cơ

sở lắp đặt lớn thực hiện việc lắp đặt kiểm tra siêu âm tự động

• Ưu điểm: Kiểm tra hiệu quả các thành phần lớn, với độ phân giải cao so với kiểm tra siêu

âm thông thường.Tính linh hoạt cao của hình dạng, kích thước và vật liệu của thành phầnđược kiểm tra Quét có độ chính xác không gian cao, được kích hoạt bởi chuyển động đầu

dò tự động và các bước tăng thu thập dữ liệu đặt trước Độ lặp lại cao, do tính nhất quáncủa nước làm môi trường ghép nối Không gây ra thiệt hại cho đối tượng thử nghiệm,không giống như thử nghiệm phá hủy

• Nhược điểm: Không áp dụng cho kiểm tra tại chỗ do yêu cầu bể ngâm Các bộ phận phảichìm trong nước và có thể dễ bị ăn mòn, tùy thuộc vào loại vật liệu Giới hạn truy cậpthăm dò có thể ngăn cản việc kiểm tra các hình dạng quá mức phức tạp

• Ứng dụng: Chúng thường được sử dụng như một phương pháp chính xác để xác định vịtrí phân loại và kích thước các khuyết tật rất chính xác trong vật liệu tấm lớn, thanh hoặccác vật liệu rèn

• Nguyên lí: Đối tượng, hoặc bộ phận thử nghiệm được định vị trong bể chứa nước Mộtđầu dò siêu âm sau đó được di chuyển trên bề mặt của bộ phận Âm thanh truyền quanước và đi vào các bộ phận Sau sự tương tác của âm thanh với cấu trúc vi mô bêntrong, bất kỳ sai sót nào có thể tồn tại hoặc với bề mặt bên trong của thành phần, sóng

âm thanh dội lại sẽ quay trở lại đầu dò Thời gian xuất hiện của tiếng vang và biên độcủa nó cho phép giải thích vị trí và nguồn gốc của nó trong vật liệu

• Phân loại

+) Kỹ thuật ngâm

+) Kỹ thuật bộ chuyển đổi bánh xe

+) Kỹ thuật sủi bọt (kĩ thuật phun nước)

2.3.1 Kỹ thuật ngâm

Trong kĩ thuật ngâm cả đầu dò và mẫu thử đều được ngâm trong nước Chùm siêu âmđược dẫn xuyên qua nước vào mẫu thử , sử dụng kĩ thuật chùm thông thường để tạo songdọc hoặc kĩ thuật chùm tia góc để tạo sóng ngang

Đối với trường hợp sử dụng chùm tia thông thường: khoảng cách đường đi của songtrong nước phải luôn dài hơn khoảng cacshh S được định nghĩa như sau:

S = T: bề dày vật mẫu

: Vận tốc âm thanh trong nước và vật mẫu

Hình 35: Chùm tia góc

Hình 36: Chùm tia thẳng

2.3.2 Kỹ thuật sủi bọt

Là một biến thể của pp thủ nghiệm ngâm Máy tạo bọt thường được sử dugnj với một

hế thống tự động để quét tốc độ cao của tấm, đường ray, ống và các dạng vật mẫu có hìnhdạng tương tự, Chùm âm thanh siêu âm được chiếu vào vật liệu qua mọt cột nước chảy vàđược hướng vuông góc với bề mặt thử nghiệm để tạo ra sóng dọc Nso cũng có thể đượcđiều chỉnh theo 1 góc so với bề mặt để tạo ra sóng biến dạng

2.3.3 Kỹ thuật bộ chuyển đổi bánh xe

Kỹ thuật này cũng là một biến thể của phương pháp thử nghiệm ngâm Trong đó chùm

âm thanh được chiếu qua một lốp xe chứa đầy nước vào đối tượng thử nghiệm, Bộ chuyểnđổi lắp trong trục bánh xe được giữ ở một vị trí cố định trong khi bánh xe và lốp quay tự do,

Hình 37: Kĩ thuật sủi bọt

Hình 38: Kĩ thuật bộ chuyển đổi bánh xe

Bánh xe có thể được gắn treen một thiết bị di động chạy trên vật liệu, hoặc nó có thể đượcgắn trên một bộ cố định nơi vật liệu được di chuyển qua nó.

Thực tế kĩ thuật kiểm tra siêu âm này được sử dụng phổ biến trong ngành đường sắt.Các đầu dò gắn trên bánh xe được cố định vào toa xe được gắn vào các phương tiện cóđường ray

Các bánh xe của bộ chuyển đổi có thê chứa một số bộ chuyển đổi và các bộ chuyển đổinày có thể được định vị để tạo ra các thử nghiệm dọc và cắt ra khỏi mỗi bánh xe để pháthiện sự không liên tục trong các thanh ray từ đó tìm ra khuyết điểm

2.4 Kĩ thuật sóng bề mặt

• Ưu điểm: chúng tuân theo các đường viền nhẹ nhàng và chỉ được phản chiếu sắc nét bởi

những thay đổi đột ngột trong đường viền, do đó làm cho nó trở thành một công cụ để

kiểm tra các thành phần có hình dạng phức tạp

• Nhược điểm: Ngay lập tức bị suy giảm nếu bề mặt hoàn thiện thô, hoặc nếu bất kỳ tác

động bên ngoài ( ví dụ: kĩ thuật của kĩ sư vận hành)

• Ứng dụng:

- Sử dụng thành công nhất là trong ngành công nghiệp máy bay

- Không quá phổ biến trong thép công nghiệp

CHƯƠNG 5: XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

1 Tìm hiểu về A scan, B scan, C scan

Khi chúng ta thực hiện đo không phá huỷ bằng phương pháp siêu âm, thì dữ liệu thu được có thể hiện thị dưới rất nhiều dạng, trong đó 3 dạng cơ bản và phổ biến nhất là A scan,

B scan và C scan và đang phát triển gần đây đó là siêu âm đa chiều Trước khi đi vào tìm hiểu cụ thể về từng chế độ hiển thị, em xin được trình bày sơ bộ về cấu tạo của màn hình hiển thị CRT

2 CRT

- CRT là viết tắt của Cathode Ray Tube ( ống tia âm cực)

- chứa cuộn dây nóng H làm nóng cực âm C để làm cho nó phát ra các electron Các

electron này được tăng tốc bởi một hiệu điện thế đặt giữa cực âm C và cực dương A Các chùm điện tử kết quả được hội tụ bởi hình trụ hội tụ F để nó xuất hiện trên màn hình huỳnh quang S dưới dạng điểm Khi các điện tử di chuyển về phía màn hình CRT chúng vượt qua hai cặp đĩa lệch X và Y Một điện áp đặt vào các tấm X làm lệch hướng chùm tiađiện tử nằm ngang trong khi một hiệu điện thế đặt vào Y - các tấm làm lệch tia theo

Hình 39

phương thẳng đứng Từ đó màn hình sẽ hiển thị dữ liệu siêu âm theo từng phương pháp

cụ thể

3 A Scan

Thực chất, A scan là chế độ hiển thị thể hiện biên độ của xung siêu âm phản hồi theothời gian dưới dạng sóng vô tuyến RF vơis trục ngang thể hiện thời gian (thường là s) vàtrục dọc thể hiện biên độ ( đơn vị dB) A scan hiển thị hình ảnh 1 chiều về vật kiểm tra

• Cấu tạo :

Chế độ A Scan gồm có bộ tạo xung, bộ tạo thời gian gốc( được kết nối với cặp đĩa lệch

X của màn CRT ) làm cho điểm sáng trên màn hình CRT di chuyển ngang theo trục X,

và bộ khuếch đại nối với cặp đĩa lệch Y làm điểm sangs di chuyển theo trục Y

điện áp cấp từ bộ tạo xung tới đầu dò cũng được cấp cho bộ khuếch đại, do đó màn hìnhCRT sẽ hiển thị như tại điểm a Đây còn gọi là xung đầu vào ( initial pulse).

+ Điểm sáng trên màn CRT tiếp tục di chuyển ngang cùng lúc sóng siêu âm phát ra từđầu dò đi xuyên qua vật thể Khi sóng siêu âm gặp bề mặt khuyết tật b, 1 phần sẽ phản xạlại receiver và ta có điểm b Đây gọi là phản hồi khuyết điểm ( defect echo)

+ Phần còn lại của xung siêu âm sẽ đi tiếp tới mặt đáy của vật kiểm tra và phản hổi lại,

ta có điểm c Đây gọi là phản hồi đáy ( bottom echo) Trong trường hợp khuyết điểm lớnhơn nhiều so với độ rộng xung siêu âm phát ra, ta sẽ không có xung đáy này

• Ứng dụng :

Ta có thể ước lượng vị trí của khuyết điểm đến bề mặt :

Distance = velocity x time : thời gian với V : vận tốc của sóng siêu âm trong vật vàtime: thời gian xung siêu âm từ khi gặp bề mặt khuyết điểm tới khi tới đầu thu

- Độ dày của vật cần kiểm tra dựa vào xung phản hồi đáy

- Ước lượng được kích thước của khuyết điểm bằng việc so sánh biên độ sóng phản hồicủa khuyết điểm đang kiểm tra với những khuyết điểm đã biết trong những vật kiểmtra mẫu Ví dụ theo bảng dưới đây :nhờ vào cường độ của sóng siêu âm phản hồi tahoàn toàn có thể ước lượng độ sâu và kích thước lỗ hổng

• Khuyết điểm :

- Chỉ phát hiện khuyết điểm chứ không thể xác định chính xác hình dạng của khuyết điểm

- Cần phải biết rõ vận tốc của sóng siêu âm trong vật thể thì mới có thể xác định được dộsâu khuyết điểm

- Cần có tham chiếu mới có thể ước lượng kích thước của khuyết điểm

4 B Scan

- Hiển thị hình ảnh 2 chiều của dữ liệu sóng siêu âm dựa trên vị trí của đầu dò và độ sâu của khuyết điểm

- Có 2 loại B scan : B Scan giá trị đơn và B scan mặt cắt

- Đều hoạt động dựa trên miền độ lớn của biên độ sóng siêu âm phản hồi