3- khuyết tật; 4 ựầu dị thu (truyền qua); 5 ựầu dị thu (phản hồi)
3.4.2. đặc trưng cơ bản dị khuyết tật
3.4.2.1. Cơ sở của phương pháp kiểm tra siêu âm
Sĩng siêu âm khi ựến mặt phân cách giữa hai mơi trường thì một phần phản xạ ngược về mơi trường ban ựầu và một phần sẽ truyền qua mơi trường kia. Phương pháp kiểm tra siêu âm sử dụng phần năng lượng truyền qua của sĩng siêu âm ựược gọi là
phương pháp truyền qua. Cịn sử dụng phần năng lượng phản xạ của sĩng siêu âm ựược gọi là phương pháp xung phản hồi (h.3.8). Một phương pháp khác cũng thường ựược sử dụng trong kiểm tra siêu âm vật liệu là phương pháp cộng hưởng. Tuy nhiên, ngày nay phương pháp này ựược thay thế bằng phương pháp xung phản hồi do thiết kế biến tử ựược cải thiện và khơng sử dụng trong kiểm tra hàn.
a/ Phương pháp truyền qua
Phương pháp này (cịn ựược gọi là shadow method) sử dụng hai ựầu dị siêu âm. Một làm ựầu dị phát T và một làm ựầu dị thu R. Các ựầu dị này ựược ựặt ở hai mặt ựối diện của vật kiểm như ựược mơ tả trong (hình 3.11)
Hình 3.11. Vị trắ ựầu dị phát và ựầu dị thu trong phương pháp truyền qua
Hình 3.12. Dẫn hướng âm trong phương pháp truyền qua.
Trong phương pháp này, khuyết tật trong vật kiểm ựược phát hiện bằng quan sát sự giảm biên ựộ tắn hiệu, trong trường hợp khuyết tật lớn và nhiều thì tắn hiệu cĩ thể biến mất hồn tồn.
Phương pháp này ựược dùng ựể kiểm tra khi cĩ sự suy giảm mạnh và cĩ các khuyết tật lớn. Khi vật kiểm cĩ hình dạng phức tạp như hàn thân van, nĩ cĩ khả năng thu ựược các chỉ thị khuyết tật lớn (hình 3.12). Phương pháp này khơng ựưa ra ựược kắch thước và vị trắ khuyết tật
Ngồi ra, cần cĩ sự tiếp xúc tốt và sự ựịnh vị tương ựối giữa hai ựầu dị. Nĩ cũng hay ựược dùng trong các kết cấu hàn vảy dạng tổ ong (honeycomb)
b/ Phương pháp xung phản hồi
đây là phương pháp ựược dùng phổ biến nhất trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm. đầu dị phát và thu ựược ựặt cùng một phắa của vật kiểm và khuyết tật ựược phát hiện bằng sự xuất hiện xung phản hồi trước xung phản hồi ựáy. Nếu bề
mặt khuyết tật khơng phẳng thì biên ựộ sĩng thu ựược sẽ giảm ựi do chùm tia bị khuếch tán và tán xạ theo các phắa dưới các gĩc khác nhau. đầu dị thu và phát cĩ thể tách rời hoặc gộp lại trong cùng một vỏ.
Hầu hết các ựầu dị ựều cĩ thể hoạt ựộng ở chế ựộ thu cũng như phát. Màn hình CRT ựược chuẩn ựể biểu diễn ựược tách biệt về khoảng cách giữa thời gian ựến của xung phản hồi khuyết tật và xung phản hồi ựáy, do ựĩ toạ ựộ của khuyết tật cĩ thể xác ựịnh một cách chắnh xác. Nguyên lý của phương pháp xung
phản hồi ựược minh hoạ ở hình 3.13, trong ựĩ: a)- khuyết tật nhỏ; b)- hai khuyết tật nhỏ; c)- khuyết tật lớn che khuyết tật nhỏ; d)- khuyết tật làm lệch chùm phản xạ; e)- khuyết tật nhỏ nhưng tia tới khơng vuơng gĩc với mặt ựáy; f)- khuyết tật phân bố khắp nơi.
Hình 3.13. Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi
Phương pháp xung phản hồi dùng những xung siêu âm ngắn thay vì những sĩng liên tục. Khi chiều rộng xung tăng thì khả năng phân giải giảm xuống.
c/ Phương pháp tự ựộng và bán tự ựộng
Phương pháp kiểm tra siêu âm tự ựộng, bán tự ựộng và những hệ thống ựiều khiển kiểm tra siêu âm từ xa ựang phát triển nhanh chĩng. Ngày nay, nĩ ựược ứng dụng rất ựa dạng và phong phú. Phương pháp kiểm tra siêu âm tự ựộng và ựiều khiển từ xa ựược sử dụng ựể:
- Hạn chế ựược các thao tác chuyển ựổi nên các lỗi do con người gây ra trong quá trình kiểm tra cũng giảm.
- Khi vận hành thiết bị bằng tay gặp khĩ khăn hoặc khơng thể thực hiện ựược. - Tiết kiệm ựược sức người hoặc giảm ựược thời gian làm việc do tăng tốc ựộ kiểm tra.
- Ghi lại chắnh xác kết quả và mở rộng khả năng xử lý số liệu.
- Tự ựộng phân tắch và ựánh giá kết quả nhờ hệ thống ựược ựiều khiển bằng máy tắnh. Hệ thống tự ựộng trong kiểm tra siêu âm sau là một hệ thống cĩ thể ựiều khiển các ựầu dị bằng cơ, tự ựộng ghi lại các kết quả kiểm tra và xử lý số liệu kiểm tra. Hệ thống gồm một hoặc nhiều ựầu dị ựược ựặt trên vật thể kiểm tra cho trước. Tắn hiệu siêu âm ựược xử lý bằng thiết bị ựánh giá và biểu diễn trên màn hình hiển thị xung (nếu cĩ). Tất cả các số liệu ựo ựược cùng với những thơng số về vị trắ của ựầu dị ựược cấp vào máy tắnh ựể xử lý và ựánh giá. Thiết bị ựánh giá dựa trên ắt nhất một chương trình xử lý số liệu phức tạp, chúng cĩ thể thực hiện và cung cấp những tắn hiệu khuyết tật, nhận biết ựược khuyết tật trong vật thể kiểm tra hoặc cho biên bản của các kiết quả kiểm tra. Biên bản kiểm tra ựược ựưa ra bằng máy in hình 3.14.
Các thành phần chi tiết của hệ thống:
- Cơ cấu vận hành của một hoặc nhiều ựầu dị và ựiều khiển từ xa.
- Các ựầu dị hoặc các biến tử cĩ thể sử dụng ựược thắch hợp với quá trình tự ựộng.
- Tự cung cấp chất tiếp âm.
- điều khiển hệ số khuếch ựại tự ựộng
- Tự ựộng hiệu chỉnh hệ số khuếch ựại của thiết bị cho ựộ nhạy cơng việc ựặc thù (tự ựộng hiệu chỉnh biên ựộng - khoảng cách).
- Hệ thống kiểm sốt và tự kiểm tra.
- Các ứng dụng biểu diễn dạng quét B, dạng quét C, hệ thống hiển thị ảnh nổi 3 chiều (chụp ảnh giao thoa âm học, phân tắch tần sốẦ)
3.4.2.2. Các loại ựầu dị
Hình 3.15. Cấu tạo ựầu dị siêu âm ựiển hình
Bộ cảm biến trong kiểm tra siêu âm làm nhiệm vụ truyền và thu sĩng siêu âm. Chúng cịn ựược gọi là ựầu dị hay biến tử. Một ựầu dị siêu âm gồm (h.3.15):
- Tinh thể áp ựiện hoặc biến tử (1)
- Màng bảo vệ (2)
- Vật liệu ựỡ giảm chấn (3)
- Bộ phận phối hợp trở kháng (4) của biến tử áp ựiện với trở kháng của cáp dẫn ựể truyền năng lượng từ cáp vào biến tử là nhiều nhất và ngược lại.
- Dây dẫn (5)
- đầu nối cáp (7) a/ Các loại ựầu dị thẳng
Tại ựiểm ra, chùm sĩng âm thường là sĩng dọc vào vật kiểm theo phương vuơng gĩc với bề mặt của nĩ. Loại ựầu dị này ựược sử dụng trong cả tiếp xúc trực tiếp và khơng tiếp xúc trực tiếp với vật kiểm.
* đầu dị thẳng ựơn tinh thể * đầu dị thẳng hội tụ ựơn tinh thể * đầu dị thẳng tinh thể kép (TR) * đầu dị thẳng loại nhúng b/ Các loại ựầu dị gĩc
Trong các loại ựầu dị gĩc, sự khúc xạ và sự chuyển ựổi dạng sĩng ựược dùng ựể truyền sĩng siêu âm vào vật thể kiểm tra theo các gĩc khác nhau với bề mặt. Cấu trúc thực tế của ựầu dị gĩc loại tiếp xúc ựược biểu diễn như (h.3.16)
Hình 3.16. đầu dị gĩc: a- Cấu tạo; b- hình chụp;
1- tinh thể áp ựiện; 2- lớp ựệm; 3- nêm plastic; 4- vỏ bọc; 5- ựầu nối cáp; 6- phối hợp trở kháng; 7- chất hấp thụ; 8- tấm che 6- phối hợp trở kháng; 7- chất hấp thụ; 8- tấm che
c/ Các loại ựầu dị ựặc biệt
đầu dị tiêu chuẩn chỉ cĩ thể làm việc trong khoảng (-20) oC ựến (+60)oC. Khi nhiệt ựộ làm việc tăng phải sử dụng các loại vật liêu ựặc biệt ựể chế tạo các bộ phận ựầu dị. Các biến tử áp ựiện như metaniobate chì hoặc lithium niobate cĩ thể chịu ựược nhiệt ựộ (+300)oC ựến (+1000)oC.
Khi kiểm tra các mối hàn trong lị phản ứng hạt nhân ngồi khả năng chịu nhiệt các ựầu dị cịn chịu ựược các tia bức xạ. để kiểm tra các tấm hoặc thanh lớn khi hàn người ta dùng ựầu dị gồm một tinh thể phát rộng cùng ba tinh thể thu ựặt sát nhau (h.3.17). Khi kiểm tra vật lớn nếu chỉ cĩ một ựầu dị ựể quét thì khĩ ựạt ựược ựộ nhạy ựều cũng như xung phản hồi khơng cho chỉ thị ựầy ựủ. Vì thế người ta dùng biến tử dài gồm nhiều tinh thể ựược kắch hoạt riêng biệt. Biến tử như vậy ựược gọi là dãy tinh thể (phased array). Dãy tinh thể mà phase của kắch hoạt cũng cĩ thể bị biến ựổi ựược gọi là dãy phase. Mỗi phần tử cĩ chiều rộng nhỏ hơn bước sĩng ựược kắch hoạt tuần tự tạo ra các chùm lệch phase nhau (h.3.18)
Hình 3.18. đầu dị dãy tinh thể phased array
Các biến tử âm ựiện từ (EMAT) cho lợi thế ựáng kể trong việc kiểm tra siêu âm khơng cần tiếp xúc vật lý, khơng cần chất tiếp âm, tạo ựiều kiện thuận lợi cho việc kiểm tra tự ựộng với tốc ựộ cao các chi tiết dài. đầu dị EMAT cũng cĩ thể ựược dùng ựể kiểm tra những vật liệu kim loại ựược bao phủ lớp bảo vệ.
Biến tử hình cây bút ựược thiết kế cho việc khảo sát sơ bộ, chức năng chắnh của chúng là làm giảm thời gian kiểm tra trong khi vẫn quét hết tồn bộ. đây là một thuận lợi lớn khi kiểm tra các diện tắch lớn với ựầu dị nhỏ tinh thể ựơn. Sau khi
phát hiện ựược bất liên tục, chúng sẽ thực hiện khảo sát thêm ựể xác ựịnh kắch thước và vị trắ bằng cách sử dụng các ựầu dị chuẩnẦ
3.4.2.3. Kỹ thuật kiểm tra
Trong kiểm tra siêu âm, người ta dùng kỹ thuật tiếp xúc hoặc khơng tiếp xúc. Kỹ thuật tiếp xúc là ựặt ựầu dị lên bề mặt vật kiểm thơng qua lớp tiếp âm ựể năng lượng truyền vào trong tốt hơn. Với kỹ thuật khơng tiếp xúc - kiểm tra nhúng - ựầu dị ựược ựặt cách bề mặt vật kiểm, chùm siêu âm từ ựĩ qua nước hoặc khơng khắ ựược truyền vào vật.
Dưới ựây là một số kỹ thuật siêu âm ựược dùng ựể kiểm tra: - Kỹ thuật tandem (pitch and catch)
- Kỹ thuật ựầu dị hội tụ - Kỹ thuật ựầu dị kép
- Kỹ thuật Delta (Ả technique) - Kỹ thuật ựầu dị sĩng mặt - Kỹ thuật kiểm tra nhúng