Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, thuyết minh nghiên cứu của đề tài cĩ kết cấu gồm các chương, mục với các nội dung cụ thể như sau:
Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
- Chương 1: Tổng quan
Đề cập đến các khuyết tật hàn, phương pháp kiểm tra và giải đốn ảnh, cùng các nghiên cứu trong và ngồi nước cĩ liên quan. Trên cơ sở đĩ, phân tích tởng hợp để đi đến định hướng nghiên cứu.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày các cơ sở lý thuyết về xử lý ảnh để phát hiện khuyết tật.
- Chương 3: Phương pháp thực hiện
Trình bày phương pháp số hố hình ảnh, đề xuất giải pháp và cơng cụ phát hiện tự động khuyết tật hàn qua phim chụp ảnh bức xạ sử dụng trong đề tài.
- Chương 4: Kết quả nghiên cứu
Trình bày, đánh giá các kết quả nghiên cứu triển khai thực hiện đề tài.
- Kết luận và kiến nghị
- Tài liệu tham khảo.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Mối hàn
Hàn là một phương pháp cơng nghệ nhằm liên kết một hay nhiều chi tiết lại với nhau dưới dạng mối ghép khơng tháo gỡ được, bằng cách sử dụng nguồn nhiệt nung nĩng chi tiết đến trạng thái dẻo hoặc nĩng chảy, khi kim loại nĩng chảy đơng đặc lại hoặc dưới tác dụng của một ngoại lực sẽ hình thành mối liên kết gọi là mối hàn.
Phân loại mối hàn phụ thuộc vào dạng mối ghép và mối hàn đĩ thuộc mối hàn ngấu hồn tồn (Complete Joint Penetration - CJP) hay ngấu một phần (Partial Joint Penetration - PJP). Tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1 [15] chia các loại mối hàn thành các dạng sau:
Bảng 1.1: Phân loại mối hàn
Mối hàn giáp mối Mối hàn gĩc Mối hàn bẻ gờ Mối hàn nút Mối hàn điểm Mối hàn phức hợp (Compound)
Để làm rõ sự quan hệ giữa mối hàn và loại mối ghép ta cĩ thể tham khảo bảng sau:
Bảng 1.2: Mối quan hệ giữa mối hàn và mối ghép [15] Loại mối ghép
(Joint types)
Loại mối hàn (Weld types) Giáp mối (Butt) Gĩc (Fillet) Nút (Flug) Điểm (Spot) Bẻ gờ (Edge)
Giáp mối (Butt) X X
Chữ T (Tee) X X
Gĩc ngồi (Corner) X X
Chồng mí (Lap) X X X
Bẻ gờ (Edge) X
Trong các phương pháp hàn hồ quang làm kim loại đến trạng thái nĩng chảy, hồ quang hàn sẽ làm nĩng chảy kim loại cơ bản, kim loại điền đầy và thuốc bảo vệ vũng hàn. Vì vậy kim loại mối hàn, kim loại cơ bản sẽ trải qua hàng loạt các phản ứng hĩa học gây trước khi mối hàn được hình thành. Các thay đổi này gây ra hàng loạt thay đổi tế vi và hình dáng của mối ghép hàn khi đơng đặc, cĩ những sự thay đổi là lợi cho nối ghép hàn nhưng cũng cĩ những thay đổi làm giảm khả năng làm việc của mối hàn khi sử dụng.
Hình 1.1: Khuyết tật trên bề mặt và trong mối hàn
Các thay đổi khơng mong muốn làm giảm khả năng làm việc của mối hàn được gọi là khuyết tật hàn, các khuyết tật này cĩ thể là sự thay đổi gây ra sự bất liên tục trong mối hàn như: ngậm xỉ, khơng ngấu, thiếu ngấu, rỗ khí, nứt, cháy chân,... hoặc cĩ thể là khuyết tật làm thay đổi hình dạng ngoại quang của mối ghép hàn như: mối
hàn bị lệch cạnh, sự khơng đồng phảng của mối ghép, chảy tràn, cháy thủng,... Những khuyết tật này cĩ thể được nhìn thấy trực tiếp bằng mắt nhưng cũng cĩ những khuyết tật khơng thể nhìn thấy trực tiếp bằng mắt.
1.2 Khuyết tật hàn
Khuyết tật hàn là những sai lệch về hình dạng, kích thước và tổ chức kim loại của kết cấu hàn so với tiêu chuẩn thiết kế và yêu cầu kỹ thuật, làm giảm độ bền và khả năng làm việc của nĩ.
Khuyết tật hàn được phân loại và mơ tả như sau đây:
1.2.1 Ngậm xỉ (Solid Inclusions)
Ngậm xỉ là hiện tượng các chất rắn bên ngồi (khơng phải là kim loại mối hàn) bị kẹt trong kim loại mối hàn, đây là loại khuyết tật rất dễ xuất hiện trong mối hàn. Xỉ hàn cĩ thể hình thành từ thuốc bọc que hàn, thuốc hàn, các oxit hoặc các hỗn hợp kim loại khác trong q trình hàn, vì lí do nào đĩ chúng khơng thốt ra khỏi bễ hàn khi kim loại mối hàn đơng đặc, chúng bị kẹt lại trong kim loại mối hàn, các xỉ hàn này cĩ thể nằm bên trong mối hàn hình 1.2 hoặc nằm trên bề mặt mối hàn xem hình 1.3.
Hình 1.2: Ngậm xỉ bên trong đường hàn Hình 1.3: Ngậm xỉ bên trên đường hàn
Mối hàn cĩ thể bị ngậm xỉ thành một rãnh dài cịn gọi là ngậm xỉ dạng đường hình 1.3, xỉ cũng cĩ thể tập trung thành các đoạn ngắn hay các lỗ chứa xỉ hình 1.2, các lỗ và các đoạn xỉ này cĩ thể tập trung hay phân bố trong đường hàn.
Tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1 [15] đã tiến hành phân loại các khuyết tât ngậm xỉ thành các dạng sau:
Hình 1.4: Sơ đồ phân loại các khuyết tật ngậm xỉ [15]
Trong thực tế, các khuyết tật ngậm xỉ thường xuất hiện ở các vị trí bên trên bề mặt (hình 1.5a) và bên trong mối hàn (hình 1.5b).
a) Bên trên mối hàn b) Bên trong mối hàn
Hình 1.5: Vị trí xuất hiện của các khuyết tật ngậm xỉ
Các phương pháp hàn phổ biến hiện nay cĩ thể dẫn đến khuyết tật ngậm xỉ như: - Phương pháp hàn SMAW: cĩ thể gây ra khuyết tật ngậm xỉ từ thuốc bọc que hàn nĩng chảy (slag), ngậm các ơxít.
- Phương pháp hàn GTAW: cĩ thể gây ra các khuyết tật ngậm các oxít, lẫn Tungsten, ngậm đồng và ngậm các kim loại khác.
- Phương pháp hàn SMAW, SAW và FCAW: cĩ thể gây ra khuyết tật ngậm thuốc hàn (Flux), các ơxít, ngậm đồng và ngậm các kim loại khác.
- Phương pháp hàn GMAW: cĩ thể gây ra khuyết tật ngậm ơxít, đồng, các kim loại khác.
1.2.1.1 Ngậm xỉ từ thuốc hàn nĩng chảy
Ngậm xỉ từ thuốc hàn nĩng chảy là hiện tượng xỉ hàn từ thuốc bảo vệ vũng hàn nĩng chảy bị kẹt lại trong mối hàn khi kim loại mối hàn đơng đặc lại. Thuốc bảo vệ cĩ thể là thuốc bọc que hàn, thuốc từ phương pháp hàn SAW hoặc cĩ thể là thuốc từ dây hàn FCAW. Khuyết tật này được phát hiện trên phim ảnh bức xạ bằng một vùng hay một điểm màu đen, khi kiểm tra bằng siêu âm xung báo cĩ hình cột với biên dạng xung bị gãy, gồ ghề như khuyết tật nứt hoặc thiếu ngấu.
Hình 1.6: Ngậm xỉ từ thuốc hàn nĩng chảy trên phim chụp ảnh bức xạ [7] 1.2.1.2 Ngậm xỉ từ thuốc hàn chưa nĩng chảy 1.2.1.2 Ngậm xỉ từ thuốc hàn chưa nĩng chảy
Là hiện tượng thuốc hàn bị kẹt lại trong hốc kim loại mối hàn khi kim loại mối hàn đơng đặc, xỉ hàn dạng này cĩ thể là thuốc hàn trong hàn SAW hoặc thuốc từ dây hàn lõi thuốc hoặc chưa nĩng chảy. Khuyết tật dạng này được phát hiện trên phim ảnh bức xạ bằng một vệt đen, phương pháp siêu âm cũng cho gai xung tương tự như khuyết tật ngậm xỉ từ que hàn thuốc bọc.
1.2.1.3 Ngậm xỉ từ các ơxít
Hiện tượng này xảy ra khi các oxit kim loại bị kẹt lại trong hốc kim loại mối hàn khi đơng đặc, một dạng khuyết tật phổ biến nhất của dạng này thường được bắt gặp trong hàn GTAW nhơm, phần nhơm bị oxi hĩa khơng kịp thốt ra khỏi vũng chảy sẽ tạo nên khuyết tật dạng này theo dạng nếp nhăn (puckering) và được nhìn thấy trên phim ảnh bức xạ bằng một vùng tối (hình 1.8). Đối với kỹ thuật siêu âm thì khuyết tật này được phát hiện như ngậm xỉ nhưng biên dạng khơng trịn đều và sĩng cĩ nhiều gai.
Hình 1.8: Ngậm xỉ từ các ơxít trên phim ảnh bức xạ [7] 1.2.1.4 Ngậm xỉ từ Tungsten 1.2.1.4 Ngậm xỉ từ Tungsten
Hiện tượng các hạt tungsten từ điện cực hàn bị nhúng chạm vào vũng kim loại nĩng chảy. Khuyết tật này chỉ xuất hiện trong phương pháp hàn GTAW, khuyết tật sẽ được nhận thấy bằng một điểm sáng trên phim chụp ảnh bức xạ, do Tungsten hấp thụ ánh sáng tốt hơn kim loại cơ bản (hình 1.9). Siêu âm phát hiện tương tự như khuyết tật ngậm xỉ.
1.2.1.5 Ngậm xỉ từ đồng
Xảy ra khi các hạt nhỏ đồng bị kẹt lại trong mối hàn, các hạt đồng này cĩ thể từ ống tiếp điện (contactip) của súng hàn chạm vào vũng hàn đang nĩng chảy hoặc một lượng nhỏ đồng trên lớp tráng dây điện cực bị kẹt lại trong vũng hàn khi đơng đặc. Dạng khuyết tật này thường gặp phải khi hàn MIG, MAG hay SAW, khuyết tật này được nhìn thấy bằng một điểm sáng trên phim chụp ảnh bức xạ và tương tự như khuyết tật Tungsten inclusion, chỉ khác là biên độ điểm sáng khơng thẳng đều như khuyết tật ngậm xỉ từ Tungsten (hình 1.10).
Hình 1.10: Ngậm xỉ từ đồng trên phim chụp ảnh bức xạ [7] 1.2.1.6 Ngậm xỉ từ các kim loại khác 1.2.1.6 Ngậm xỉ từ các kim loại khác
Là hiện tượng các kim loại khác khơng thuộc kim loại cơ bản, kim loại đắp hay một oxit kim loại từ bên ngồi lẫn vào vũng hàn và bị kẹt lại. Khuyết tật dạng này thường xuất hiện hầu hết ở các phương pháp hàn và việc phân biệt chúng cũng là một vấn đề khĩ khăn. Vì vậy việc khắc phục cũng phụ thuộc và từng trường hợp cụ thể.
Khuyết tật ngậm xỉ ảnh hưởng lớn đến độ bền, độ dai va đập và tính dẻo của kim loại mối hàn, giảm tuổi thọ và khả năng làm việc của kết cấu. Tuy nhiên, theo một số tiêu chuẩn thì khuyết tật này cĩ thể được chấp nhận tồn tại trong mối hàn nếu chúng được chứng minh là khơng gây ảnh hưởng đến kết cấu khi đưa vào sử dụng.
1.2.2 Thiếu ngấu (Lack of Fusion)
Mối hàn thiếu ngấu là hiện tượng kim loại mối hàn và kim loại cơ bản (basic metal) hoặc giữa các kim loại mối hàn ở các lớp khơng liên kết lại với nhau. Đây là
loại khuyết tật nghiêm trọng trong liên kết hàn. Ngồi ảnh hưởng khơng tốt như rỗ khí và ngậm xỉ, nĩ cịn là nguyên nhân chính dẫn đến các vết nứt gây phá hủy liên kết khi làm việc. Theo tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1[15] phân chia các khuyết tật thiếu ngấu thành các dạng sau:
Hình 1.11: Phân loại khuyết tật thiếu ngấu [15]
1.2.2.1 Thiếu ngấu cạnh
Hiện tượng kim loại mối hàn thiếu liên kết với cạnh mép vát kim loại cơ bản. Khuyết tật này cĩ thể được nhìn thấy trực tiếp (trên mối hàn) bằng mắt hoặc khơng nhìn thấy trực tiếp được bằng mắt (trong mối hàn). Khuyết tật được phát hiện trên phim ảnh bức xạ bằng vùng màu đen thẳng liên tục hoặc đứt đoạn ở hai bên mép vát mối hàn. Kỹ thuật siêu âm màu sẽ cho thấy khuyết tật nằm bên cạnh mép vát, với một mặt là đường thẳng đều, mặt bên cho biên dạng khơng đều.
a) Vị trí thường xuất hiện khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng phim ảnh bức xạ
Hình 1.12: Khuyết tật thiếu ngấu cạnh [7] 1.2.2.2 Thiếu ngấu giữa các lớp 1.2.2.2 Thiếu ngấu giữa các lớp
Hiện tượng kim loại mối hàn giữa lớp hàn trước khơng liên kết với kim loại mối hàn ở lớp hàn sau trong mối hàn nhiều lớp, chiều cao rãnh thiếu ngấu quá lớn
cũng dễ dẫn đến hiện tượng bẫy xỉ trong rãnh thiếu ngấu và tạo nên khuyết tật ngậm xỉ và khơng thấu (hình 1.13). Khuyết tật này rất dễ phát hiện bằng đầu dị siêu âm sĩng thẳng với gai sĩng tương tự khuyết tật thiếu ngấu cạnh với đường biên dạng thẳng.
a) Vị trí khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng phim chụp ảnh bức xạ
Hình 1.13: Khuyết tật thiếu ngấu giữa các lớp [7] 1.2.2.3 Thiếu ngấu chân 1.2.2.3 Thiếu ngấu chân
Hiện tượng kim loại mối hàn ở lớp chân (root) khơng liên kết với cạnh mép vát của chi tiết hàn, khuyết tật này thường để lại một vết đen thẳng trên phim chụp X quang, khuyết tật cĩ thể xuất hiện một bên hoặc hai bên cạnh mối hàn ở lớp chân, phương pháp siêu âm cũng dễ dàng phát hiện khuyết tật này bằng đầu dị gĩc với dạng sĩng tương tự như nứt chân mối hàn (hình 1.14).
a) Vị trí khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng phim chụp ảnh bức xạ
Hình 1.14: Khuyết tật thiếu ngấu chân [7] 1.2.3 Khơng thấu (Lack of Penetration) 1.2.3 Khơng thấu (Lack of Penetration)
Khơng thấu là hiện tượng kim loại mối hàn khơng ngấm sâu vào bên trong kim loại cơ bản hoặc kim loại mối hàn, khuyết tật này thường gây thay đổi tiết diện của
chi tiết hàn, dễ sinh ứng suất khi liên kết làm việc. Theo tiêu chuẩn BS EN ISO 6520- 1 [13] phân chia các khuyết tật khơng thấu thành các dạng sau:
Hình 1.15: Phân loại khuyết tật khơng thấu [15] 1.2.3.1 Khơng thấu hồn tồn
Hiện tượng kim loại mối hàn ở hai lớp khơng liên kết với nhau, khuyết tật này thường xuất hiện trong liên kết hàn ở hai mặt như : liên kết vát mép chữ X, chữ U hoặc giáp mối khơng vát mép, hình 1.16 trình bày khuyết tật dạng này. Tuy nhiên trong một số trường hợp do yêu cầu kỹ thuật mối ghép hàn khơng chịu lực lớn thì mối hàn dạng này chỉ thực hiện ngấu một phần (partial joint penetration - PJP) [15] khi đĩ mối hàn thiếu ngấu dạng này được xem như đặc điểm kỹ thuật chấp nhận khơng phải là lỗi khuyết tật.
a) Vị trí xuất hiện khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng phim chụp ảnh bức xạ
Hình 1.16: Khơng thấu hồn tồn [7] 1.2.3.2 Khơng thấu chân 1.2.3.2 Khơng thấu chân
Hiện tượng kim loại mối hàn ở lớp chân khơng xuyên ngấu qua mặt sau của kim loại cơ bản, khuyết tật dạng này chỉ xuất hiện ở mối hàn với yêu cầu ngấu hồn
Khơng thấu hồn tồn (Incomplete penetration)
Khơng thấu (Lack penetration)
Khơng thấu chân (Incomplete root fusion)
Vị trí khuyết tật
tồn. Khuyết tật này xuất hiện trên phim chụp ảnh bức xạ với một vệt đen tối thẳng đều. Khi kiểm tra bằng siêu khuyết tật cho gai tương tự dạng nứt nhưng cột sĩng cao và đều hơn.
a) Vị trí xuất hiện khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng X quang
Hình 1.17: Khuyết tật khơng thấu chân [7] 1.2.4 Khuyết tật rỗ khí/hốc khí (Porosity) 1.2.4 Khuyết tật rỗ khí/hốc khí (Porosity)
Hiện tượng các khí sinh ra trong q trình hàn hoặc trong q trình kim loại mối hàn đơng đặc bị lẫn vào mối hàn. Rỗ khí cĩ thể sinh ra ở bên trong hoặc ở bề mặt mối hàn. Rỗ khí cĩ thể nằm ở phần ranh giới giữa kim loại cơ bản và kim loại đắp.
Rỗ khí cĩ thể phân phối tập trung hoặc nằm rời rạc trong mối hàn. Sự tồn tại của rỗ khí trong liên kết hàn sẽ làm giảm tiết diện làm việc, giảm cường độ chịu lực và độ kín của liên kết, theo tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1[15] phân chia các khuyết tật rỗ khí thành các dạng sau:
Hình 1.18: Phân loại khuyết tật rỗ khí theo BS EN [15]
a) Rỗ khí phân bố đều b) Tập trung thành chùm c) Thành đường Rỗ khí (Porosity) Từ các hốc bẫy khí (gas porosity) Do co ngĩt (Shrinkage porosity) Rỗ khí bị cơ lập (isolated) Rố khí phân bố đều (uniformly distributed porosity) Rỗ khí tập trung thành chùm (clustered porosity) Rỗ khí tập trung thành đường (linear porosity) Rỗ thành khoang dài (elongated cavity) Rỗ khí dạng lỗ sâu (worm-hole) Rỗ khí trên mặt (surface pore)
Rỗ khí phân nhánh (interdendritic shrinkage) Rỗ khí rãnh hồ quang (crater pipe) Rỗ khí vi mơ (microshrinkage)
Rỗ khí cĩ thể nằm trong các dạng sau: - Bị phân bố cơ lập rời rạc (isolated). - Phân bố đồng điều
- Tập trung dạng chùm
- Nhiều lỗ tập trung thành dạng đường - Thành khoang kéo dài
- Thành các lỗ nổi trên bề mặt mối hàn
Nhìn chung rỗ khí cho phản xạ sĩng siêu âm rất kém, khi di chuyển đầu dị kích thước khuyết tật hầu như khơng đổi, nếu xung báo là một nhĩm xung nhỏ và cĩ nhiều xung thì cĩ thể đĩ là khuyết tật rỗ khí chùm.
Hình 1.20: Rỗ khí bên trong mối hàn 1.2.4.1 Rỗ khí dạng lỗ sâu 1.2.4.1 Rỗ khí dạng lỗ sâu
Hiện tượng các rỗ khí hình thành trong q trình đơng đặc, khuyết tật dạng này thường cĩ thể tập trung đơn lẻ hoặc theo nhĩm. Các khuyết tật kéo dài cĩ thể được nhìn thấy như dạng xương cá trên phim chụp ảnh bức xạ.