2. Nội dung và ý nghĩa đề tài
3.7.4 Các tín hiệu kiểm tra của phương pháp nhúng
Các tín hiệu kiểm tra siêu âm trong phương pháp nhúng, thường được biểu diễn trên màn hình thiết bị siêu âm, sử dụng kỹ thuật quét A thơng thường (biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ và thời gian truyền). Sẽ được giải đốn bằng cách phân tích ba yếu tố : biên độ của xung phản hồi từ khuyết tật, sự suy giảm (hoặc mất) tín hiệu xung phản hồi từ đáy, và khoảng cách tới khuyết tật tính từ bề mặt kiểm tra (là bề mặt phân cách mà sĩng âm đi vào vật liệu). Các khuyết tật đơn nhỏ so với kích thước biến tử, thường được xác định bằng cách so sánh biên độ xung phản hồi trong mẫu thử với biên độ xung phản hồi trong mẫu chuẩn, cộng với mất mát do hấp thụ nếu cĩ. Vì bề mặt của mẫu thử và bề mặt khuyết tật khơng nhẵn như bề mặt của mẫu chuẩn và bề mặt lỗ đáy bằng trong mẫu chuẩn đĩ, do vậy sự đánh giá kích thước khuyết tật thường nhỏ hơn một chút so với kích thước thực sự. Các khuyết tật cĩ kích thước lớn hơn kích thước của biến tử, được xác định bằng cách đánh dấu khoảng cách mà biến tử trượt trên mẫu thử trong khi tín hiệu vẫn cịn được duy trì (phương pháp 6 dB hoặc 20 dB). Trong trường hợp này, biên độ tín hiệu khơng cịn cĩ giá trị định lượng nữa; khoảng cách trên mặt mẫu mà biên độ cịn duy trì khơng giảm chính là độ dài khuyết tật trong một mặt phẳng. Sự suy giảm, hay mất tín hiệu xung phản hồi đáy là một bằng chứng rất rõ ràng là sĩng siêu âm truyền qua đã bị hấp thụ , bị khúc xạ hay phản xạ, do vậy mà sĩng siêu âm khơng trở lại đầu dị. Đánh giá bằng phương pháp này khơng xác định được kích thước của bất liên tục một cách chính xác như sử dụng phương pháp so sánh biên độ nĩi ở trên.
Khi khuyết tật tương đối lớn, nĩ sẽ làm giảm phản xạ từ đáy vì chùm sĩng âm khơng thể xuyên qua khuyết tật hồn tồn được
a. Tín hiệu từ các khuyết tật nhỏ: một số đáng kể các khuyết tật gặp phải khi kiểm tra siêu âm các vật đúc nhơm thường cĩ kích thước tương đối nhỏ. Các vật liệu dị thường hoặc bọt khí trong thỏi thép đúc bị cán, rèn hoặc kéo thành các khuyết tật rất mỏng trong quá trình gia cơng. Lực cán cĩ xu hướng làm cho các bất liên tục bị kéo dài ra theo hướng song song với bề mặt chi tiết. Trên hình 3-10 minh họa một khuyết tật trong quá trình
rèn và tín hiệu siêu âm tương ứng. Mối quan hệ giữa tín hiệu khuyết tật và
biên độ của nĩ được xác định bằng cách so sánh với tín hiệu phản xạ từ các lỗ đáy bằng trong một dãy các mẫu chuẩn như trên hình 3-12
___________________________________________________________________________________ 72
b. Tín hiệu từ các bất liên tục lớn. Các khuyết tật cĩ kích thước lớn hơn so với biến tử đầu dị, thường tạo ra các tín hiệu như trên hình minh họa 3- 11. Vì khuyết tật phản xạ hầu như tồn bộ năng lượng sĩng âm, nên biên độ phản xạ đáy sẽ bị mất một phần hay tồn bộ. Kích thước khuyết tật được xác định bằng cách đo khoảng cách mà đầu dị dịch chuyển trong khi vẫn duy trì được tín hiệu thu được (phương pháp 6 dB và 20 dB). Nếu khuyết tật khơng phẳng mà cĩ kích thước theo ba chiều, thì kích thước theo chiều thứ ba này được xác định bằng cách xoay vật kiểm tra và quét từ hướng đối diện. Cịn nếu hai khuyết tật nằm rất gần nhau thì ta phải kiểm tra vật thể từ bốn phía.
Hình 3-10 . Hiển thị tín hiệu từ khuyết tật cĩ định hướng
c. Sự mất tín hiệu phản xạ đáy. Trong trường hợp này, những nguyên nhân gây sự suy giảm, hoặc mất tín hiệu phản xạ đáy là : cấu trúc hạt lớn, sự hiện diện của bọt khí, và sự phân tán các hạt kết tủa rất mịn. Hình 3-13 minh họa các tín hiệu từ một mẫu thử tốt và tín hiệu từ một mẫu thử dạng
Hình 3-12. Dải biên độ tín hiệu từ các lỗ đáy bằng (FBH) cĩ đường kính khác nhau
___________________________________________________________________________________ 74 rỗ xốp. Chú ý rằng các tín hiệu phản xạ đáy của các mẫu rỗ xốp sẽ bị suy giảm rất mạnh
d. Aûnh hưởng của mẫu kiểm tra tới đặc tính chùm tia siêu âm
Để đạt được độ tin cậy cao nhất khi thực hiện kiểm tra siêu âm, ta phải xem xét và tìm hiểu sự thay đổi hình học của mẫu và ảnh hưởng của nĩ lên chùm tia siêu âm như thế nào. Vì mọi nguồn gốc các tín hiệu nhiễu gây các xung giả đều xuất phát từ đây. Biện pháp nhanh nhất để đánh giá các ảnh hưởng hình học và các đặc tính vật liệu mẫu kiểm tra lên chùm tia siêu âm là khoan các lỗ đáy bằng , hay bất cứ một mặt phản xạ nào đĩ , lên một trong các mẫu kiểm tra, và sử dụng chúng như là các mẫu chuẩn so sánh. Với các mẫu chuẩn như vậy (hoặc khơng cĩ), kỹ thuật viên siêu âm phải làm quen với sự thay đổi hình học cũng như vật liệu sẽ ảnh hưởng như thế nào đến các tín hiệu xung siêu âm. Người kỹ thuật viên siêu âm sẽ gặp phải các tín hiệu gây bối rối hay tín hiệu nhiễu từ một trong các dạng như dưới đây :
i. Aûnh hưởng của độ nhám bề mặt. Nhám bề mặt sẽ gây ra các tín hiệu siêu âm sai lệch như sau : - Mất tín hiệu từ khuyết tật. Sự mất tín hiệu từ khuyết tật cĩ thể do sự tán xạ tại các bề mặt chi tiết cĩ độ nhám cao hoặc do độ nhám ngay tại bề mặt khuyết tật.
Hình 3-13. Sự suy giảm tín hiệu phản xạ đáy do mẫu rỗ xốp
- Khi chùm tia mở rộng sẽ gây ra sự tán xạ từ các bề mặt nhám hoặc do sử dụng tần số thấp cũng làm cho chùm tia mở rộng, gây nên sự tán xạ
ii. Aûnh hưởng của hình dạng phức tạp hoặc biên dạng cong của chi tiết. Các bề mặt phân cách khơng song song hoặc nghiêng gĩc hoặc biên dạng cong mẫu kiểm tra sẽ gây ra sự mất xung phản hồi tồn bộ hoặc một phần. Hình 3-15 minh họa một vật kiểm tra cĩ đáy nghiên gĩc so với mặt kiểm tra (hay cịn gọi là mặt trước. Mặt đáy mẫu kiểm tra khơng song song với bề mặt trên của nĩ, hay nĩi cách khác là khơng song song với bề mặt của biến tử đầu dị. Ở phần cĩ đáy song song với bề mặt trên, sĩng siêu âm sẽ phản xạ lại đầu dị. Phía bên trái mẫu tại vùng khơng cĩ đáy song song với bề mặt trên mà nghiêng một gĩc, thì sĩng siêu âm sẽ phản xạ liên tiếp từ biên giới này tới biên giới khác, cho đến khi nĩ tắt hẳn do bị hấp thụ. Trong thực tế, khi chùm sĩng âm bị mở rộng ra dần từ mỗi điểm phản xạ nên chỉ cĩ một số ít các tín hiệu yếu ớt quay trở lại đầu dị, các tín hiệu này sẽ gây ra các tín hiệu siêu âm rắc rối, khĩ phân tích và đánh giá chúng vì khơng biết chúng nằm thực sự ở điểm (mặt) phản xạ nào.
Hình 3-14 : Aûnh hưởng của độ nhám bề mặt lên tín hiệu phản xạ
___________________________________________________________________________________ 76 Trên bề mặt cong lồi của một mẫu kiểm tra như hình vẽ mơ tả (hình 3-16). Chùm tia siêu âm sẽ bị mở rộng ra do sự khúc xạ sau khi đi qua mặt phân cách cong như vậy. Một phần đáng kể năng lượng sĩng âm bị mất đi do phản xạ tại bề mặt mẫu, và cũng do sự mở rộng của chùm tia siêu âm như thấy trên hình minh họa.Các tín hiệu phản xạ từ khuyết tật sẽ cĩ biên độ nhỏ hơn biên độ tín hiệu nhận được từ cùng một khuyết tật như vậy nhưng trên một mẫu cĩ bề mặt phẳng
Cũng giống như vậy nhưng trên mẫu cĩ bề mặt cong lõm xuống. Sau khi đi qua mặt phân cách cong lõm xuống như vậy, chùm tia siêu âm sẽ bị hẹp lại hoặc sẽ hội tụ lại. Do đĩ tín hiệu từ bất liên tục sẽ cĩ biên độ tương đối cao hơn bình thường, nhưng nĩi chung cũng rất khĩ xác định bởi vì cịn cĩ những tín hiệu phản xạ khơng mong muốn khác từ bề mặt cong của mẫu kiểm tra .
Hình 3-15 : Aûnh hưởng của hình dạng mặt đáy bất thường
Nĩi chung các bề mặt cong của mẫu rất thường hay gây ra các tín hiệu giả. Khi phân tích các tín hiệu mà cho là giả, cách tốt nhất là nghi ngờ tất cả các tín hiệu gây ra sự mất ổn định về biên độ và hình dạng khi đầu dị đang quét trên mẫu. Các tín hiệu phản xạ từ các bề mặt cong và gĩc thường tạo ra các xung tín hiệu nằm giữa các tín hiệu mặt trước và mặt sau của mẫu kiểm tra. Các tín hiệu này đơi khi hay bị nhầm lẫn với các tín hiệu từ bất liên tục.
Nếu cĩ một tín hiệu bị nghi ngờ là xuất phát từ bề mặt cong, thì biên độ của nĩ sẽ giảm bớt khi đầu dị quét trên phần diện tích bằng phẳng của mặt trước vật kiểm tra. Cùng lúc đĩ thì biên độ của tín hiệu từ phần diện tích bằng phẳng sẽ tăng lên. Dịch chuyển đầu dị ngược trở lại vùng bề mặt cong sẽ làm cho tín hiệu từ vùng cĩ bề mặt phẳng giảm xuống trong khi đĩ biên độ của tín hiệu đang nghi ngờ sẽ tăng lên.
Ở những vùng mà tín hiệu phản xạ từ một khuyết tật thực sự rất mạnh (tín hiệu đúng), thì một tín hiệu nhiễu lại thường cĩ khuynh hướng ổn định khi đầu dị quét trên bề mặt cong. Các tín hiệu phản xạ gây nhiễu chạy dọc theo các bề mặt cong cĩ thể bị phát hiện bằng cách chặn ngang đường đi của chùm tia siêu âm bởi một vật lạ như miếng kim loại, như thấy trên hình 3-18. Các xung rộng chân, trái ngược với các xung sắc nét, thường chính là các xung tín hiệu nhiễu xuất phát từ bề mặt cong (xung tín hiệu giả).
___________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang 78
iii. Aûnh hưởng của sự chuyển đổi dạng sĩng .
Khi hình dạng hay biên dạng của chi tiết kiểm tra cĩ cấu tạo làm sao mà chùm tia siêu âm/ hay một phần của nĩ lại khơng phản xạ trực tiếp về đầu dị, mà lại phản xạ tiếp đến một vị trí khác, thì cĩ thể xảy ra sự chuyển đổi dạng sĩng. Khi cĩ sự chuyển đổi dạng sĩng, sẽ xuất hiện các xung khuyết tật giả, gây khĩ khăn cho sự giải đốn kết quả. Sự chuyển đổi dạng sĩng xảy ra tại điểm biên giới vật kiểm tra tiếp xúc với chùm tia siêu âm đã bị mở rộng. Nếu ta nhận dạng được một xung phản hồi trực tiếp từ đáy vật kiểm tra, thì các xung tín hiệu do sự chuyển đổi dạng sĩng dễ dàng xác định được bởi vì chúng sẽ xuất hiện phía đằng sau xung phản hồi đầu tiên. Các xung tín hiệu do chuyển đổi dạng sĩng này sẽ xuất hiện trễ hơn, vì chúng cĩ vận tốc thấp hơn do chuyển từ sĩng dọc thành sĩng ngang. Chùm tia siêu âm bị phản xạ tại các điểm cĩ thể tính theo phương trình của định luật Snell như sau :
Sin φL/Sin φS = VS/VL
Trong đĩ : φL – Gĩc tới của chùm tia siêu âm
φS – Gĩc phản xạ của sĩng ngang
VS – Vận tốc sĩng dọc trong mẫu kiểm tra
VL – Vận tốc sĩng ngang trong mẫu kiểm tra
Nếu biết trước gĩc tới của sĩng dọc, thì gĩc phản xạ của nĩ cũng biết được (bằng gĩc tới). Từ đĩ gĩc phản xạ sĩng ngang sẽ bằng khoảng một phần hai gĩc phản xạ sĩng dọc (vì vận tốc sĩng ngang bằng một phần hai sĩng dọc). Hình 2-28 minh họa các phản xạ của chùm tia siêu âm trong một thanh kim loại đặc, dài. Chính sự mở rộng của chùm tia sẽ gây sư tiếp xúc với các thành của chi tiết kiểm tra cĩ bề rộng hẹp, tạo ra sự chuyển đổi dạng sĩng. Tùy thuộc vào vật liệu, sự chuyển đổi dạng sĩng sẽ bao gồm các dạng hỗn hợp sĩng dọc và ngang.
iv. Aûnh hưởng của các cạnh, gờ chi tiết: Trong các chi tiết kiểm tra cĩ nhiều gĩc cạnh, sĩng siêu âm rất hay phản xạ từ các gĩc, cạnh khi đầu dị tiến tới gần. Các phản xạ gĩc này xuất hiện khi đầu dị nằm cách cạnh chi tiết khoảng ½ in , tuy nhiên nĩ khơng làm mất phản xạ đáy. Các chi tiết cĩ bề mặt nhẵn, bĩng đơi khi cũng làm xuất hiện các tín hiệu xung nhiễu giả từ các gĩc cạnh. Thí dụ như với một tấm nhơm dày được gia cơng cĩ bề mặt rất bĩng, sẽ xuất hiện các tín hiệu của một bất liên tục giả nằm ở 1/3 bề dầy của mẫu. Khi đầu dị dịch chuyển trên bề mặt tấm phẳng, tín hiệu sẽ duy trì tương đối ổn định về hình dáng và biên độ. Hình như loại tín hiệu này do sĩng mặt phát sinh trên các bềâ mặt siêu nhẵn bĩng và cũng cĩ thể nĩ bị phản xạ từ một cạnh nào đĩ gần đấy. Điều này cĩ thể tránh được bằng cách phủ một lớp sáp hay dầu máy mỏng lên trên bề mặt vật cần kiểm tra.
v. Aûnh hưởng của hướng khuyết tật và chiều sâu khuyết tật. Các khuyết tật nằm trong mặt phẳng nghiêng gĩc so với mặt trên của chi tiết (mặt mà đầu dị quét trên đĩ), đơi khi khĩ phát hiện và đánh giá. Thơng thường, cách tốt nhất là bắt đầu quét đầu dị với hệ số khuyếch đại đặt tương đối cao (độ nhậy cao) để phát hiện được các khuyết tật cĩ mặt phẳng nghiêng gĩc. Sau đĩ đầu dị được điều khiển quét xung quanh vùng nghi ngờ cĩ khuyết tật để đánh giá độ lớn của nĩ. Trong trường hợp này, việc điều khiển đầu dị xung quanh vùng nghi ngờ nhằm mục đích tạo cho chùm sĩng âm tới vuơng gĩc với mặt phẳng chính của khuyết tật – lúc đĩ biên độ của tín hiệu từ khuyết tật sẽ lớn, dễ đánh giá. Đối với các khuyết tật lớn cĩ bề mặt tương đối phẳng, nhẵn nhưng lại nằm nghiêng gĩc so với mặt phẳng trên, thì xung tín hiệu phản xạ sẽ dịch chuyển dọc theo đường quét thời gian trên màn hình khi đầu dị dịch chuyển, bởi cĩ sự thay đổi về khoảng cách chùm tia siêu âm đi đến bất liên tục.
___________________________________________________________________________________ 80
vi. Các ảnh hưởng do kích thước hạt . Cấu trúc hạt thơ trong mẫu kiểm tra cĩ thể gây ra các “nhiễu” một cách khác thường, các tín hiệu này được minh họa trên hình 3-21. Trên cùng hình này, cũng cĩ minh họa các tín hiệu phản xạ rõ ràng từ các loại vật liệu giống như vậy nhưng cĩ kích thước hạt mịn hơn. Trong một số trường hợp, cấu trúc hạt lớn bất thường sẽ gây ra mất tồn bộ xung phản hồi đáy do sự tán xạ sĩng âm. Tình trạng này thường xảy ra trong các quá trình rèn kéo dài và sai nhiệt độ, hoặc nhiệt độ quá cao trong lúc gia cơng nĩng và quá trình ủ tiếp theo sau đĩ khơng đúng quy cách