CHệễNG 3 CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM VÀ NHỮNG GIỚI HẠN
3.2. CÁC LOẠI ĐẦU DÒ (SENSORS)
3.2.1. Các loại đầu dò phát chùm sóng siêu âm tới thẳng góc (đầu dò thẳng)
Các loại đầu dò này truyền một chùm sóng âm, thường là sóng dọc, vào vật thể kiểm tra theo góc vuông với bề mặt của vật. Hình 3.14 biểu diễn thiết kế của một đầu dò loại này. Tinh thể phải có bề mặt thực sự song song với bề mặt của vật thể kiểm tra để tạo ra chính xác chùm tia tới vuông góc. Điều quan trọng này thường được tính đến ngay trong bước thiết kế khi tinh thể được đặt cố định trong vỏ đầu dò cũng như khi gắn lớp bảo vệ.
Đầu dò loại tia thẳng được sử dụng cả trong tiếp xúc trực tiếp hoặc không cần tiếp xúc với vật thể kiểm tra. Trường hợp đầu được gọi là các loại đầu dò tiếp xúc còn trường
hợp sau được gọi là loại đầu dò không tiếp xúc. Trong loại đầu dò thẳng tiếp xúc trực tiếp thường sử dụng một tấm chịu mài mòn để bảo vệ biến tử khỏi bị mòn. Khi sử dụng tấm bảo vệ này, một lớp mỏng chất tiếp âm thường là dầu máy cần đưa vào giữa biến tử và tấm bảo vệ để sóng siêu âm có thể truyền qua mặt phân cách này. Có các đầu dò chỉ có một tinh thể biến tử trong khi có loại khác lại có hai tinh thể biến tử được đặt trong cùng một vỏ. Một số đầu dò có các mặt plastic được gia công đặc biệt nhằm hội tụ chùm tia tới những vùng hay điểm quan tâm. Các loại đầu dò thẳng khác nhau này được trình bày dưới đây :
3.2.1.1. Đầu dò thẳng đơn tinh thể:
Các đầu dò này dùng một biến tử đơn (hình 3.14) làm nhiệm vụ phát và thu sóng siêu âm. Biến tử này có điểm nối chung với bộ phát và bộ khuếch đại của máy dò khuyết tật (hình 3.15). Do sự nối chung với bộ phát và bộ thu mà biến tử đầu dò đơn có một xung phát rộng, điều này tạo ra một vùng chết rộng làm cho đầu dò ít được sử dụng trong kiểm tra khuyết tật nằm gần bề mặt và đo độ dày của các thành mỏng. Các đầu dò có độ dài xung ngắn, có vùng chết hẹp , sẽ thích hợp trong kiểm tra các vật liệu mỏng.
Vùng chết là vùng mà đầu dò không phát hiện được khuyết tật. Vùng chết được tính là xung truyền ở thời điểm bắt đầu của đường quét thời gian. Độ sâu của nó có thể thấy trên đường quét thời gian cơ bản đã chuẩn, bằng với lượng thời gian mà xung phát chiếm chỗ trên đường quét thời gian cơ bản. Vùng chết tăng lên khi tần số giảm, do đó đối với đầu dò thẳng đơn tinh thể có tần số 5MHz sẽ cho vùng chết nhỏ hơn so với đầu dò có tần soá 2,5MHz.
Những đặc tính riêng của đầu dò thẳng đơn tinh thể đã được đưa ra trong phần 2.7, bao gồm tần số, đường kính tinh thể, độ dài trường gần, góc phân kỳ chùm sóng âm. Nhà chế tạo đầu dò thường cung cấp cho ta các dữ liệu về đầu dò và âm lượng của các loại đầu dò khác nhau.
Hình 3.15 : Dạng làm việc của đầu dò đơn tinh thể.
3.2.1.2. Các đầu dò thẳng hội tụ đơn tinh thể :
Đôi khi các đầu dò thẳng hội tụ với thiết kế đặc biệt được sử dụng để tăng độ nhạy ở một dải đo xác định cho một công việc kiểm tra nào đó. Để đạt mục đích này, người ta sử dụng các loại vật liệu gốm áp điện có hình cong, tròn, hoặc các tấm mỏng có gắn nêm cong tạo hiệu ứng thấu kính. cách sau cùng tăng mạnh độ nhạy ngay dưới bề mặt
Bộ phát Bộ khuếch đại
Đầu dò đơn tinh thể
CHệễNG 3 115
trong trường hợp đầu dò sử dụng theo kỹ thuật nhúng (hình 3.16) nơi các nêm hội tụ như vậy không sợ bị mài mòn. Trong kiểm tra tiếp xúc trực tiếp, các bề mặt biến tử barium titanate, hoặc thạch anh được tạo có dạng cong thích hợp, hoặc những lá thạch anh được lắp ráp với nhau tạo thành dạng hình trụ dùng cho các mục đích đặc biệt (kiểm tra t hép cán tròn hay vật rèn) như kiểm tra lỗ từ bên trong. Trong trường hợp bề mặt kiểm tra lõm và sử dụng phương pháp tiếp xúc, thì chùm sóng âm có thể bị mở rộng và độ nhạy theo chiều sâu thấp. Điều này có thể cải thiện bằng cách gắn một nêm dạng thấu kính vào giữa đầu dò và bề mặt kiểm tra. Nêm này sẽ gây ra một vùng bị nhiễu loạn nhưng phải chấp nhận, ngay cả khi vật liệu hấp thụ được sử dụng để hội tụ như các bộ lọc bằng cao su lưu hóa .
Hình 3.16 : Kỹ thuật kiểm tra nhúng với chùm tia hội tụ (dạng sơ đồ), biểu diễn sự thay đổi điểm hội tụ của chùm tia trong nước và trong kim loại được nhúng trong nước.
3.2.1.3. Đầu dò thẳng tinh thể kép (Đầu dò SE) :
Nhằm loại trừ các hạn chế của đầu dò thẳng đơn tinh thể khi đo các độ dày mỏng hoặc dò khuyết tật nằm gần bề mặt, các đầu dò thẳng tinh thể kép được sử dụng. Các đầu dò này còn được biết đến dưới các tên : đầu dò tinh thể kép, đầu dò TR hay đầu dò SE.
Đây là loại đầu dò được gắn hai biến tử trong cùng một vỏ. Các biến tử này được cách ly âm học bằng một vách cách âm (hình 3.17). Một biến tử được nối với bộ phát và biến tử kia với bộ thu của máy dò khuyết tật như hình 3.8, như vậy giảm được chiều dài xung phát.
Nét đặc trưng trong cấu tạo của đầu dò kép là sự nghiêng của các biến tử và có các khối trễ dài. Sự nghiêng này có tác dụng hội tụ và cho độ nhạy cực đại tại một điểm nhất định trong mẫu ứng với một góc nghiêng đặc trưng, “tức là góc nghiêng mái nhà” (hình 3.19 và 3.20).
Các khối trễ dài được làm từ thủy tinh hữu cơ hoặc đối với trường hợp bề mặt kiểm tra có nhiệt độ cao thì được làm bằng vật liệu gốm chịu nhiệt, cho phép chùm tia đi vào mẫu ở phần phân kỳ của nó (nghĩa là vùng trường xa). Điều này loại trừ những khó khăn khi đánh giá khuyết tật xuất hiện ở vùng trường gần cũng như có vùng chết hẹp hơn đối với đầu dò SE có góc mái nghiêng lớn hơn.
Sự phân kỳ nằm ngoài điểm hội tụ
Thấu kính âm học
Điểm hội tụ trong kim loại Điểm hội tụ trong nước
Khoảng cách nhỏ nhất mà tại đó các xung phản hồi khuyết tật có thể phát hiện được, là vùng mà nơi bắt đầu chùm sóng âm của phần phát và phần thu chồng lên nhau. Vì điều này, với các đầu do TR, chúng ta có thể xác định một vùng dạng ống có độ nhạy cực đại thường được cho trong tài liệu kỹ thuật của đầu dò TR. Độ nhạy cao ở vùng gần bề mặt được quyết định bởi góc nghiêng hai biến tử trong đầu dò. Mặt khác, khi đặt độ nhạy cao thì sẽ tạo ra các xung nhiễu, thường được gọi là xung nhiễu truyền trực tiếp (cross talk), gây lầm lẫn trong giải đoán ngộ nhận là xung khuyết tật.
Hình 3.17 – Đầu dò kép loại tiếp xúc và sự truyền sóng siêu âm của nó.
Hình 3.18 - Dạng làm việc của đầu dò kép.
Hình 3.19 : Sự truyền siêu âm với các góc nghiêng nhỏ và lớn của đầu dò kép.
Dây cáp đồng trục Tường cách âm
Tinh theồ Góc nghiêng của Tinh thể
Khối tạo trể Cuộn dây
Vỏ bọc bằng kim loại
Đầu dò tinh thể kép Bộ khuếch đại Bộ phát
Vuứng cheát
Vuứng cheỏt Độ nhạy
cực đại Độ nhạy
cực đại
GÓC NGHIÊNG NHỎ GÓC NGHIÊNG LỚN
CHệễNG 3 117
Hình 3.20 - Ảnh hưởng của góc nghiêng theo độ nhạy của đầu dò kép.
Phải chú ý khi bề dày của vật thể kiểm tra (dạng tấm) hoặc vị trí của khuyết tật giảm đi, sẽ dẫn đến sai số đo lớn, đó là sai số đường truyền chữ V (hình 3.21). Nó không bao giờ xảy ra khi khoảng cách nằm giữa hai bậc bề dày được sử dụng để chuẩn định, và nếu tỉ số độ dày của hai bước đó không được quá 2:1.
Hình 3.21 :Sai số đường chữ V với đầu dò TR.
Phần trăm (%) sai số đo do hiệu ứng này được tính toán từ phương trình : 100
T c 25 , 0 100 T
T T
S 2 2
(3.4) Ở đây T – Bề dày của mẫu.
S – Chiều dài quãng đường truyền sóng âm thực tế.
c – Khoảng cách giữa các tín hiệu của sóng âm đi ra và sóng âm đi vào đầu dò.
% sai soá
Đọc trên màn hình
Bề dày thực
Khoảng cách tính từ bề mặt
Độ nhạy
vuứng cheỏt
GÓC NGHIÊNG LỚN GÓC NGHIÊNG NHỎ
118
Cho c = 4mm và bề dày thành T từ 9 đến 1mm tương ứng với các giá trị % sai số được cho trong bảng 3.1. Bảng biểu diễn chỉ ra rằng các bề dày thành lớn thì sai số là tương đối nhỏ.
Vị trí khuyết tật và đánh giá có thể chỉ dựa vào đường quét cho tới xung phản hồi từ đáy bởi vì sau một số xung phản hồi đáy, sẽ có nhiều xung nhiễu xuất hiện do sự phân tách của sóng ngang.
Các đầu dò TR rất thường xuyên được sử dụng trong kiểm tra siêu âm nhằ m : (a) Kiểm tra kích thước của của mẫu (tấm).
(b) Đo bề dày còn lại của thành.
(c) Phát hiện vị trí và đánh giá những khuyết tật nằm gần bề mặt.
(d) Quét kiểm tra những khuyết tật lớn (tách lớp) khi sử dụng phương pháp giảm giá trị 1/2 (6dB).
Bảng 3.1 : Phần trăm sai số đối với các giá trị khác nhau của chiều dài quãng đường chùm sóng âm và bề dày của mẫu.
T S U = S – T %
9.0 9.2 0.22 2
8.0 8.2 0.25 3
7.0 7.3 0.28 4
6.0 6.3 0.32 5
5.0 5.4 0.39 8
4.0 4.5 0.47 12
3.0 3.6 0.61 20
2.0 2.8 0.83 41
1.0 2.2 1.24 124
3.2.1.4. Đầu dò thẳng loại nhúng :
Cấu trúc của loại đầu dò nhúng cơ bản cũng giống như cấu trúc của đầu dò thẳng loại tiếp xúc. Nhưng do đầu dò nhúng phải thường xuyên tiếp xúc với nước nên chúng phải không thấm nước và không cần có tấm bảo vệ chống mài mòn phía trước biến tử. Hình 3.22. biểu diễn cấu trúc của một đầu dò loại nhúng.
Đầu nối đồng trục Keo epoxy
Vỏ bọc
Vật liệu hấp thụ Tieỏp xuực ủieọn (+)
Tieỏp xuực ủieọn (-)
CHệễNG 3 119
Hình 3.22 : Cấu tạo của một đầu dò thẳng loại nhúng.
Cần phải lưu ý đặc biệt khi sử dụng đầu dò nhúng. Do không có tấm bảo vệ chống mài mài nên bề mặt tiếp âm của đầu dò không bao giờ tiếp xúc với bề mặt của chi tiết. Khi bị tiếp xúc trực tiếp sẽ gây phá hủy nhanh đầu dò vì lớp bề mặt bảo vệ rất mỏng và meàm.
Nước có thể thấm vào các kẻ hở trên đầu dò như ở chỗ nối cáp gây ra do sự di chuyển lặp lại nhiều lần của đầu dò, khe giữa lớp vỏ và biến tử do quá trình xử lý hoá học không tốt và do phồng rộp của khối trễ. Bất cứ sự rò rỉ nào cũng làm giảm độ nhậy cho đến lúc đầu dò hư hỏng hoàn toàn do ngắn mạch tại các chỗ nối tinh thể.