2. Nội dung và ý nghĩa đề tài
3.6.3Biên độ của các xung phản hồi dị thường
Việc phát hiện các khuyết tật cĩ thể được thực hiện trực tiếp bằng cách xem xét các xung phản hồi của chúng trong một khối vật liệu. Những xung phản hồi dị thường này nằm giữa xung phản hồi mặt trên và xung phản hồi mặt đáy (hình 3-9). Các cổng thời gian được đặt trong vùng này và khi tín hiệu vượt quá ngưỡng đặt trước sẽ báo động cho biết cĩ sự hiện diện của khuyết tật. Đặc điểm của xung phản hồi sẽ chỉ ra loại bất liên tục cịn biên độ của xung cho phép đánh giá kích thước của bất liên tục.
3.6.3 Các khuyết tật nhỏ :
Các khuyết tật riêng lẻ cĩ kích thước nhỏ hơn so với đường kính hiệu dụng của chùm tia siêu âm sẽ được đánh giá bằng cách so sánh biên độ xung phản hồi của chúng với biên độ xung phản hồi từ một lỗ đáy bằng trong mẫu chuẩn so sánh. Kinh nghiệm trong ngành cơng nghiệp hàng khơng đã chứng tỏ kỹ thuật này cho độ tin cậy chấp nhận được.
Khi sử dụng các mẫu chuẩn so sánh để đánh giá các khuyết tật nhỏ thì kích thước đánh giá được thường là nhỏ hơn kích thước của khuyết tật trong thực tế. Bề mặt của vật thể kiểm tra và bề mặt của khuyết tật trong thực tế thường khơng phẳng và nhẵn lắm như bề mặt của mẫu chuẩn và bề mặt của lỗ đáy bằng trong mẫu chuẩn so sánh. Ngồi ra, hệ số suy giảm trong vật thể kiểm tra thường khác với hệ số suy giảm trong mẫu chuẩn.
___________________________________________________________________________________ 68 Các khuyết tật đơn lớn hơn so với đường kính hiệu dụng của chùm tia siêu âm cũng được phát hiện qua sự hiển thị một xung phản hồi nằm giữa xung phản hồi mặt trên và xung phản hồi đáy. Tuy nhiên, kích thước của khuyết tật khơng xác định được bằng cách so sánh xung phản hồi của nĩ với xung phản hồi của lỗ đáy bằng trong mẫu chuẩn so sánh. Kích thước của khuyết tật biết được bằng cách di chuyển (biến tử) đầu dị dọc theo bề mặt của vật thể kiểm tra và tìm các điểm mà tại đĩ chỉ thị bất liên tục vẫn duy trì khơng đổi. Đường biên giới của bất liên tục được xác định bằng cách đánh dấu các điểm mà tại đĩ biên độ xung phản hồi giảm xuống 6dB, hoặc 20 dB so với biên độ xung phản hồi ở trung tâm của bất liên tục. Hoặc một hệ thống quét C (C – Scan) cĩ thể được sử dụng với độ khuếch đại của bộ thu hoặc hệ số suy giảm được chuẩn sao cho khi quét trên một mẫu chuẩn so sánh thì sẽ hiển thị được kích thước chính xác của khuyết tật.
3.6.5 Thời gian truyền đo được:
Một quá trình đo thời gian truyền điển hình được thực hiện giữa mặt trước và mặt sau của vật thể kiểm tra (hoặc một mặt phản xạ tạo ra xung phản xạ cĩ thể đánh giá được). Khi mặt phản xạ này là mặt đáy của vật thể kiểm tra thì khơng cĩ khuyết tật. Xung phản xạ trong quá trình đo thời gian truyền cho độ phân giải rất tốt. Độ phân giải bề mặt gần là 0,5mm và độ phân giải bề mặt xa là 0,25mm, bằng cách sử dụng một (biến tử) đầu dị cĩ tần số 5MHz được giảm chấn cao.
Quá trình đo thời gian truyền được thực hiện với sự trợ giúp của cổng thời gian để xác định vùng thời gian truyền đang quan tâm. Để làm giảm ảnh hưởng của các tín hiệu nhiễu siêu âm, chỉ cĩ các tín hiệu vượt quá mức ngưỡng báo động thì mới đo
Khi thực hiện kiểm tra các cấu trúc phức tạp thì gĩc tới của đầu dị và khoảng cách của nĩ tính từ bề mặt vật thể kiểm tra cĩ thể thay đổi theo một hàm vị trí. Khi độ tin cậy của quá trình kiểm tra bị giảm thì phải tăng hệ số khuyếch đại của hệ thống để cho xung phản hồi đầu tiên lớn hơn ảnh hưởng của sự thay đổi khoảng cách truyền trong nước. Chức năng này rất hữu dụng đối với các cấu trúc phẳng như các vật thể dạng bậc thang hoặc các vật thể cĩ bề mặt hơi cong.
Để giữ cho gĩc tới khơng đổi thì một vài hệ thống kiểm tra dựa vào máy tính cĩ khả năng điều chỉnh được theo các đường của bề mặt cong. Điều này được thực biện bởi một phần mềm chứa đựng những thơng tin về các đường của bề mặt cong hoặc bởi các thiết bị nhạy cảm cao luơn giữ được chùm tia siêu âm vuơng gĩc với mặt trên của vật thể kiểm tra. Phương pháp được xây dựng thành chương trình cĩ thể thực hiện quét với tốc độ cao, nhưng sẽ tốn nhiều thời gian để đặt các
thơng số cấu hình của vật thể kiểm tra vào máy tính trước khi thực hiện kiểm tra. Những thiết bị nhạy cảm với các vật thể cĩ bề mặt cong thay đổi, đã được sử dụng nhiều hơn để kiểm tra các vật thể thuộc cùng một nhĩm cấu tạo hình học.
Thời gian truyền (số liệu về độ sâu) như là một hàm theo vị trí của (biến tử) đầu dị và cĩ thể được sử dụng để tạo ra hình ảnh ba chiều của bất liên tục.
___________________________________________________________________________________ 70
3.7.1 Tổng quát
Các tín hiệu kiểm tra siêu âm từ các khuyết tật trong vật kiểm tra thường cĩ mối quan hệ (so sánh định lượng và định tính) với các tín hiệu siêu âm từ các lỗ khoan đáy bằng mơ phỏng như là khuyết tật nhân tạo trong một mẫu chuẩn nào đĩ. Lỗ đáy bằng này (viết tắt là FBH) được chế tạo với các đường kính và chiều sâu khác nhau. Ở những điều kiện kiểm tra khác nhau, và bản thân khuyết tật thỉnh thoảng gây ra các hiệu ứng siêu âm rất khĩ giải đốn phân tích (sẽ bàn đến ở phần sau). Aâm trở vật liệu, độ nhám bề mặt, độ cong bề mặt mẫu, sự suy giảm sĩng âm, gĩc tới của chùm siêu âm là các tham số cần phải xét đến khi xác định kích thước và vị trí của khuyết tật bằng phương pháp so sánh biên độ của tín hiệu thu được. Phương pháp này rất đơn giản tức là so sánh tín hiệu kiểm tra của khuyết tật với tín hiệu thu được từ mẫu chuẩn cĩ tính chất vật liệu giống với mẫu cần kiểm tra về vật liệu, hình dạng, và các điều kiện phản xạ bề mặt. Các chuyên gia về kiểm tra siêu âm cũng phải biết cách phân biệt giữa tín hiệu siêu âm từ khuyết tật thật, giả và tín hiệu nhiễu .
3.7.2 Chọn tần số
Sử dụng tần số cao là một lợi thế đáng kể trong kiểm tra siêu âm nhúng. (Trong kiểm tra tiếp xúc, tần số kiểm tra tối đa thường là 10 MHz). Tần số thấp cho phép xuyên sâu hơn vào trong vật liệu, nhưng nĩ sẽ gây sự suy giảm về độ nhạy và độ phân giải gần bề mặt mẫu. Người ta sử dụng một mẫu chuẩn để đánh giá độ xuyên sâu của một đầu dị và hệ thống thiết bị (thường sử dụng nêm thủy tinh hữu cơ trong mẫu chuẩn V1), quan sát tổng số các xung phản hồi. Tần số sử dụng khoảng 10-25 MHz. Nếu khơng cĩ xung phản hồi nào, thì người ta sẽ sử dụng đến các tần số thấp hơn. Các tần số thấp hơn nữa sẽ được sử dụng cho tới khi thu được một vài xung phản hồi. Ngồi ra để đạt độ phân giải gần bề mặt thì phải lật chi tiết để kiểm tra từ bề mặt đối diện hoặc sử dụng tần số cao một cách tạm thời sau khi đã sử dụng tần số thấp để quét sơ bộ.
3.7.3 Chọn đầu dị
Việc chọn đầu dị phụ thuộc rất nhiều vào việc chọn tần số tối ưu của biến tử đầu dị. Trong phương pháp kiểm tra nhúng, cĩ thể sử dụng các loại đầu dị dạng bút viết cĩ tốc độ quét cao để phát hiện các khuyết tật cĩ kích thước lớn; hoặc sử dụng các đầu dị hội tụ cĩ độ nhạy cao hơn để phát hiện các khuyết tật nhỏ gần bề mặt (khơng sâu hơn 50 mm). Lưu ý rằng, với một đầu dị cĩ đường kính cho trước , sự mở rộng của chùm tia sẽ giảm khi tần số tăng. Thí dụ, cĩ hai đầu dị đường kính 3/8-inch, một cĩ tần số 10 MHz và cái kia cĩ tần số15 MHz, thì cái 15MHz sẽ cĩ hướng chụm hơn.
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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