Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 36 năm 2012 _ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM TRONG KIỂM TRA KHUYẾT TẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI NGUYỄN VĂN HÙNG* TÓM TẮT Hiện nay, có nhiều phương pháp không phá hủy (NDT) để kiểm tra khuyết tật bên vật liệu kim loại ứng dụng công nghiệp Bài báo này, trình bày ứng dụng phương pháp siêu âm (UT) với việc sử dụng máy Tokimec để xác định khuyết tật vật liệu kim loại nhôm thép Kết thực nghiệm với mẫu nhôm TC4 (xác định khuyết tật) mẫu thép SA4 (xác định khuyết tật, có so sánh với kết xác định phương pháp chụp ảnh phóng xạ tia-X, RT) cho thấy phương pháp siêu âm tiện lợi có ích việc kiểm tra khuyết tật vật liệu Nghiên cứu có ích cho việc đào tạo kĩ thuật viên lĩnh vực kiểm tra khuyết tật vật liệu kim loại phương pháp siêu âm Từ khóa: kiểm tra không phá hủy (NDT), kiểm tra siêu âm (UT), kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (RT) ABSTRACT Applied research in ultrasonic method for examination of defects in metallic materials There are many methods on none-destructive testing (NDT) for examination of defects in metallic material applied in industry today This paper presents the application of ultrasonic method (UT) with using Tokimec device for determination of defects in metallic materials of aluminum and steel The experimental results with aluminum sample of TC4 (5 defects were determined) and steel sample of SA4 (8 defects were determined, in comparison with the result determined by method of X-ray radiographic testing, RT) show that the ultrasonic method is very convenient and useful for examination of defects in materials This research is very useful to train technicians in the field of examining defects in metallic materials Keywords: non-destructive testing (NDT), ultrasonic testing (UT), radiographic testing (RT) Mở đầu Hiện giới nước, phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) đóng vai trò quan trọng kiểm tra chất lượng sản phẩm công nghiệp (ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp khí, xây dựng, tàu * TS, Trung tâm Hạt nhân TPHCM 80 thủy, hàng không, lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân,… ), phương pháp siêu âm (UT) có nhiều ưu việt phổ biến Ưu điểm phương pháp phát khuyết tật nhỏ, cho phép kiểm tra chi tiết dày, có độ xác cao việc xác định vị trí kích thước khuyết tật chiều dày vật liệu, cần tiếp xúc từ phía vật liệu Nguyễn Văn Hùng Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ Cơ sở lí thuyết phương pháp sử dụng sóng siêu âm (là dạng dao động học) có dải tần số từ 0,5 MHz đến 10 MHz Sóng siêu âm phát từ đầu dò, đến mặt phân giới hai môi trường chủ yếu phản xạ ngược trở lại phần khúc xạ (phần khúc xạ nhỏ, mặt phân giới vật liệu không khí, nơi có khuyết tật mặt phân cách) Một nguyên lí phương pháp UT để kiểm tra vật liệu trình bày hình [1, 2] Xung phát Xung khuyết tật Xung đáy Đầu dò Bộ phát xung Khuyết tật Bộ thu xung Vật liệu kiểm tra Hình Một nguyên lí phương pháp UT kiểm tra khuyết tật vật liệu Tùy theo dạng, hướng vị trí khuyết tật mà người ta sử dụng loại đầu dò thẳng (Normal probe) hay đầu dò góc (Angle probe) để phát sóng siêu âm Trong phương pháp UT có số kĩ thuật thực nghiệm để xác định kích thước khuyết tật, sử dụng đường cong DAC (Distance Amplitute Correction), biểu đồ DGS (Distance Gain Size), giảm 20 dB hay dB [1, 3] Thực nghiệm 2.1 Thiết bị, dụng cụ thực nghiệm Máy siêu âm đầu dò (đầu dò thẳng đầu dò góc), mẫu chuẩn mẫu cần kiểm tra có Trung tâm đào tạo (Viện Nghiên cứu hạt nhân) sử dụng thực nghiệm a) Máy phát siêu âm dạng Analog TOKIMEC, Series SM-101 đầu dò Nhật Bản sản xuất (hình 2) Màn hình CRT (Cathode Ray Tube) máy dùng để hiển thị xung phản xạ từ đáy từ khuyết tật, từ ta tính vị trí kích thước khuyết tật [5] Hình Các loại đầu dò máy siêu âm khuyết tật TOKIMEC 81 Số 36 năm 2012 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ khuyết tật nhân tạo (có lỗ cách 12 mm so với bề mặt phía trên), dùng để xây dựng đường cong DAC Đường cong sử dụng để kiểm tra khuyết tật mẫu TC4 [5] b) Mẫu chuẩn nhôm TC3 mẫu kiểm tra nhôm TC4: Chúng dạng hình khối chữ nhật, có mối hàn dạng chữ V với kích thước (16x196x200 mm3) hình Mẫu chuẩn TC3 có 196 S1 S2 S4 S5 S3 200 16 12 Hình Kích thước, khuyết tật nhân tạo, vị trí đặt đầu dò (tương ứng với vị trí đánh số) mẫu chuẩn TC3 (Hình mặt nhìn từ xuống, hình mặt nhìn phía bên) c) Mẫu kiểm tra thép SA4: Dạng hình khối chữ nhật, kích thước 18x180x200mm có khuyết tật nhân tạo nằm bên khối mẫu [5] Mẫu kiểm tra khuyết tật so sánh với phương pháp chụp ảnh phóng xạ tia-X (RT) với việc sử dụng máy Radioflex-200EGM có Trung tâm đào tạo 2.2 Kết thực nghiệm Trong thực nghiệm sử dụng hai phương pháp để xác định khuyết tật: phương pháp đường cong DAC phương pháp giảm dB Phương pháp đường cong DAC Trên hình 4, vị trí đánh số 1, 2, tương ứng với độ sâu 3T/4, 5T/4, 7T/4 82 10T/4 (T bề dày mẫu kiểm tra) Đặt miếng plastic mỏng lên hình, đặt quét đầu dò góc S1, điều chỉnh núm độ lợi cho biên độ xung có độ cao 80% hình (Full Scale Heigh - FSH) Đánh dấu lên hình vị trí đỉnh xung Thực lại việc đánh dấu vị trí đỉnh xung hình với đường S2, S3, S4, S5 Nối điểm lại với ta xây dựng đường cong DAC (Hình 4) Đường cong biểu diễn biên độ xung phản xạ từ khuyết tật có kích thước nằm độ sâu khác Mức độ cao xung (chọn 80% độ cao hình) gọi mức so sánh (Primary Reference Level - PRE) [3, 4] Nguyễn Văn Hùng Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ 100 80 60 DAC for 56,50 Plate: 16 mm Al, 45 dB Range: 100 mm S1 S2 S3 40 32 S4 10 Hình Đường cong thực nghiệm DAC (Trục tung chiều cao hình, lấy 100%; trục hoành chiều dài, tính cm) Kết dò quét: Để phát khuyết tật, ta đặt độ nhạy máy cao mức độ nhạy đánh giá PRE, cách tăng núm độ lợi (Gain) máy lên dB (tăng độ khuếch đại máy lên gấp đôi) Quá trình dò quét phát khuyết tật ứng với vị trí đầu dò, có khoảng cách từ bị trí đầu dò đến đường trung tâm đo hình (3 khuyết tật cho xung hình CRT có biên độ vượt đường cong DAC) Kiểm tra mẫu nhôm TC4 Sử dụng đầu dò góc 56,5o, tần số MHz để quét kiểm tra mẫu TC4 Để đảm bảo chùm tia sóng âm chiếu vào vùng thể tích tối đa vật nhằm không bỏ sót khuyết tật cần phải tính toán trình dịch chuyển đầu dò Với mẫu TC4 cần xác định đường trung tâm L mối hàn, bề rộng mũ gia cường mối hàn (W = 28 mm), khoảng cách bước quét (S = 48,4 mm) Do đó, vùng dò quét đầu dò mẫu từ S/2 (24,2 mm) đến S+W/2 (62,4 mm) S+W/2=62,4 L KT2 S/2=24,2 50 M N 54 KT3 200 29 KT1 200 P Q 28 16 Vùng hàn 11 Vùng chiếu Hình Vùng quét đầu dò vị trí đầu dò ứng với khuyết tật A, B C (Hình mặt nhìn từ xuống, hình mặt nhìn phía bên) 83 Số 36 năm 2012 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ Giảm núm độ lợi máy dB để quay mức độ nhạy đánh giá thấy có khuyết tật có biên độ xung vượt đường cong DAC, chứng tỏ khuyết tật có kích thước lớn khuyết tật nhân tạo mẫu chuẩn nên khuyết tật phải bị loại bỏ Vị trí sơ đồ khuyết tật xác định hình hình S/2+W/2 Đường trung tâm mối hàn S/2 KT Y1 Z X L1 KT S/2+W/2 Đường trung tâm mối hàn Z2 KT S/2 Y2 L2 X2 KT Hình Vị trí khuyết tật KT1 (hình trên) KT2 (hình dưới) KT1 20 28 16 KT2 18 5,4 40 KT2 KT1 Hình Vị trí kích thước khuyết tật mẫu kiểm tra nhôm TC4 (Hình mặt nhìn từ xuống, hình mặt nhìn phía bên) 84 Nguyễn Văn Hùng Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ Kiểm tra mẫu thép SA4 Sử dụng đầu dò thẳng phương pháp giảm dB để xác định kích thước khuyết tật sau: Xác định vị trí đầu dò cho thu biên độ xung cực đại từ khuyết tật; điều chỉnh biên độ xung khuyết tật đến độ cao thích hợp (chẳng hạn 80% FSH); dịch chuyển đầu dò sang phía cho biên độ xung khuyết tật giảm xuống nửa, tức biên độ xung 40% FSH Ghi lại vị trí tâm đầu dò bề mặt mẫu kiểm tra; dịch chuyển đầu 180 dò theo chiều ngược lại, biên độ xung khuyết tật lại tăng dần lên, đạt giá trị cực đại lại giảm xuống, biên độ xung 40% FSH dừng lại Ghi lại vị trí đầu dò mẫu Khoảng cách điểm đánh dấu kích thước khuyết tật theo phương Từ xác định vị trí kích thước khuyết tật mẫu kiểm tra SA4 (hình 8) Kết đo so sánh với kết sử dụng phương pháp RT, nêu bảng [4] KT1 KT2 200 18 10 Hình Vị trí kích thước khuyết tật mẫu kiểm tra SA4 (Hình mặt nhìn từ xuống, hình mặt nhìn phía bên) Bảng So sánh kết dùng phương pháp siêu âm (UT) với chụp ảnh phóng xạ tia-X (RT) Điểm đo UT (mm) RT (mm) Sai số (%) 20,0 19,0 5,0 72,0 70,0 2,8 31,0 34,0 8,8 30,0 32,0 6,3 Kết luận Như vậy, sử dụng phương pháp UT xác định khuyết tật vật liệu: mẫu nhôm TC4 xác định khuyết tật (trong có 81,0 80,0 1,2 26,4 26,0 1,5 1,0 - 2,0 - 11,0 12,0 8,3 10 15,0 15,0 0,0 khuyết tật to bị loại bỏ theo tiêu chuẩn chất lượng khuyết tật) mẫu thép SA4 xác định khuyết tật (riêng điểm đo phát khuyết tật không xác định 85 Tạp chí KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 36 năm 2012 _ kích thước chúng điều kiện λ /2 = mm, với λ bước sóng siêu âm đầu dò phát) Trên sở dựa theo tiêu chuẩn đánh giá chất lượng sản phẩm để đưa kết luận sản phẩm có chấp nhận không hay phải bị loại bỏ phải gia công lại Về kết hai phương pháp giống với sai số phạm vi cho phép (nhỏ 9%) Phương pháp RT có ưu điểm xác định đường kính lỗ khuyết tật, phương pháp UT lại xác định xác vị trí khuyết tật chiều dày vật liệu Tóm lại, thực tế nhiều trường hợp cần có bổ sung phương pháp khác để đạt kết kiểm tra cao Ngoài ra, kết nghiên cứu giúp ích cho công tác đào tạo kĩ thuật viên kiểm tra khuyết tật vật liệu kim loại ứng dụng công nghiệp [1, 3, 4] TÀI LIỆU THAM KHẢO Công ti Ứng dụng phát triển công nghệ “NEAD” (2002), Phương pháp siêu âm kiểm tra vật liệu – cấp II (Bản dịch từ nguyên IAEA), Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam Trương Quang Nghĩa (1997), Giáo trình kĩ thuật kiểm tra không hủy thể phương pháp siêu âm, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM IAEA (1988), Ultrasonic testing of materials at level 2, IAEA-TECDOC-462, Vienna, Austria I.I.W (1977), Handbook on the ultrasonic examination of Welds, The Welding Institute, England Tokimec Inc (2006), Portable ultrasonic flaw detector – Operation manual, Series SM101, Japan (Ngày Tòa soạn nhận bài: 27-12-2011; ngày chấp nhận đăng: 24-4-2012) 86