Giới thiệu về phương pháp phát hiện khuyết tật bằng siêu âm

(Bài viết của Tom Nelligan)

Trong tất cả các ứng dụng của kiểm tra siêu âm trong công nghiệp thì kỹ thuật kiểm tra khuyết tật là lâu đời và thông dụng nhất. Từ những năm 1940 các định luật vật lý về sự truyền sóng âm thanh trong vật liệu rắn đã được sử dụng để phát hiện các khuyết tật nằm ẩn bên trong như các vết nứt, lỗ rỗng, rỗ khí, và các bất liên tục nằm trong kim loại, chất dẻo, và gốm sứ. Sóng âm tần số cao phản xạ từ khuyết tật theo hướng có thể dự đoán được, tạo ra các xung phân biệt được hiển thị và ghi lại trên các thiết bị siêu âm sách tay. Kiểm tra bằng siêu âm hoàn toàn là kiểm tra không phá huỷ và an toàn, và là phương pháp kiểm tra hữu hiệu được thiết lập trong các ngành công nghiệp chế tạo, gia công, và dịch vụ, đặc biệt trong những ứng dụng liên quan đến hàn và các kim loại kết cấu. Bài viết này giới thiệu một cách tóm tắt về lý thuyết và thực tiễn về kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm. Trong khuôn khổ bài viết này tác giả cũng chỉ mong muốn cung cấp một cái nhìn khái quát. Những thông tin cụ thể hơn có thể tìm thấy ở các tài liệu tham khảo được liệt kê ở phần cuối.

1. Lý thuyết cơ bản:

Sóng âm thực chất là những dao động cơ học truyền qua môi trường, có thể ở thể rắn, thể lỏng hoặc thể khí. Những sóng này truyền trong mỗi môi trường cho trước với vận tốc riêng, theo hướng có thể dự đoán được, và khi tới mặt phân cách với môi trường khác chúng sẽ phản xạ hoặc truyền qua theo các nguyên tắc đơn giản. Đó là nguyên lý vật lý mà kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm lấy làm cơ sở.

Tần số: Tất cả các sóng âm dao động với tần số riêng biệt, hoặc là số các dao động hay chu kỳ trong một giây. Con người có thể nghe được các âm thanh có tần số cao nhất khoảng 20,000 chu kỳ trên giây (20 KHz), trong khi phần lớn các ứng dụng về phát hiện khuyết tật được thực hiện với tần số nằm trong dải từ 500,000 đến 10,000,000 chu kỳ trên giây (500 KHz to 10 MHz). Ở các tần số trong dải megahertz, năng lượng âm không truyền được tốt qua không khí hoặc các khí ga khác, nhưng nó truyền hiệu quả qua phần lớn các chất lỏng và các vật liệu kỹ thuật thông thường.

Vận tốc: Vận tốc của sóng âm thay đổi phụ thuộc vào môi trường mà nó truyền qua, ảnh hưởng bởi mật độ và tính chất đàn hồi của môi trường. Các dạng sóng khác nhau (xem các dạng truyền sóng, phía dưới) sẽ truyền với tốc độ khác nhau.

Bước sóng: Bất cứ sóng nào cũng đều có bước sóng, được hiểu là khoảng cách giữa hai điểm tương ứng bất kỳ trong chu kỳ sóng khi nó truyền qua môi trường. Bước sóng liên quan đến tần số và vận tốc bằng biểu thức đơn giản sau:

λ = c/f

Trong đó:
λ = bước sóng
c = vận tốc âm
f = tần số

Bước sóng là hệ số giới hạn kiểm soát lượng thông tin thu nhận được từ sóng. Trong kỹ thuật dùng siêu âm để phát hiện khuyết tật, thông thường giới hạn dưới của khuyết tật nhỏ được chấp nhận là một nửa bước sóng. Nhỏ hơn nữa sẽ không phát hiện được. Trong kỹ thuật đo chiều dày bằng siêu âm, về lý thuyết chiều dày nhỏ nhất có thể đo được là một bước sóng.

Các dạng truyền sóng: Các sóng truyền trong chất rắn có thể tồn tại ở các dạng sóng khác nhau được định nghĩa bằng dạng chuyển động liên quan. Sóng dọc và sóng ngang là những dạng được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm. Sóng bề mặt và sóng dạng tấm cũng được sử dụng.

- Sóng dọc hay còn gọi là sóng nén được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt cùng hướng với phương truyền sóng. Sóng âm nghe được tồn tại như sóng dọc.

- Sóng ngang hay còn gọi là sóng trượt được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt có hướng vuông góc với phương truyền sóng.

- Sóng bề mặt hay còn gọi là sóng Rayleigh: các hạt có quỹ đạo chuyển động hình ê líp và truyền qua bề mặt của vật liệu, chiều sâu chỉ khoảng một bước sóng.

- Sóng dạng tấm hay còn gọi là sóng Lamb là một dạng dao động phức tạp trong các tấm mỏng có chiều dày vật liệu nhỏ hơn bước sóng và dạng sóng này truyền trong toàn bộ tiết diện của môi trường.

Sóng âm có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác. Thông thường sóng ngang được tạo ra trong vật liệu kiểm tra bằng cách truyền sóng dọc vào vật liệu dưới một góc đã chọn trước. Vấn đề này sẽ được đề cập trong mục Kiểm tra bằng chùm tia góc ở phần 4

Các giới hạn truyền có thể thay đổi của sóng âm:

Khoảng cách mà sóng âm với tần số và mức năng lượng được xác định trước truyền được trong phụ thuộc vào vật liệu mà nó truyền qua. Theo nguyên lý chung, vật liệu cứng và đồng nhất sẽ truyền âm tốt hơn vật liệu mềm và không đồng nhất hoặc hạt thô. Ba yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền âm trong môi trường xác định trước: sự mở rộng chùm tia, độ suy giảm, và sự tán xạ âm. Khi truyền, chùm tia trở nên rộng hơn, năng lượng sóng âm lan toả trên diện tích lớn hơn, và do đó mà năng lượng âm suy giảm đi. Sự suy giảm là sự mất mát năng lượng khi sóng âm truyền qua môi trường, cơ bản là mức độ năng lượng bị hấp thụ khi sóng âm dịch chuyển. Sự tán xạ âm là sự phản xạ ngẫu nhiên của năng lượng âm ở các đường biên giữa các hạt của vật liệu và các cấu trúc tế vi. Khi tần số tăng lên, độ mở của chùm tia tăng lên nhưng ảnh hưởng của độ suy giảm và sự tán xạ âm lại giảm đi. Cho từng ứng dụng riêng biệt, tần số của đầu dò nên lựa chọn để tối ưu các thông số có thể thay đổi.

Phản xạ ở mặt phân cách: Khi năng lượng âm truyền qua vật liệu và tới mặt phân cách với vật liệu khác, một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại và một phần sẽ truyền qua. Phần năng lượng phản xạ trở lại hoặc hệ số phản xạ, liên quan đến âm trở tương đối của hai vật liệu. Mặt khác âm trở lại là tính chất của vật liệu được xác định bằng tích của mật độ với vận tốc âm trong vật liệu. Đối với hai vật liệu, hệ số phản xạ được biểu diễn bằng phần trăm của năng lượng áp suất truyền tới có thể tính bằng công thức:

Z2 - Z1
R = ---------
Z2 + Z1

Trong đó:
R = hệ số phản xạ(phần trăm của năng lượng phản xạ)
Z1 = âm trở của vật liệu thứ nhất
Z2 = âm trở của vật liệu thứ hai

Đối với mặt phân cách giữa kim loại và không khí thường gặp trong các ứng dụng phát hiện khuyết tật bằng siêu âm, hệ số phản xạ đạt tới 100%. Hầu như tất cả năng lượng âm phản xạ từ vết nứt hoặc bất liên tục khác trên đường truyền sóng âm. Đó là nguyên lý cơ bản của kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm.

Góc phản xạ và khúc xạ:

Năng lượng âm trong tần số siêu âm có tính định hướng cao và chùm tia sử dụng để phát hiện khuyết tật được xác định rõ ràng. Trong các trường hợp sóng âm phản xạ ở mặt phân cách, góc tới bằng góc phản xạ. Chùm tia tới vuông góc với bề mặt sẽ phản xạ thẳng góc trở lại. Còn chùm tia tới bề mặt dưới một góc thì sẽ phản xạ cũng bằng góc đó.

Năng lượng âm truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác sẽ đổi hướng theo định luật khúc xạ của Snell. Tóm lại, tia truyền thẳng sẽ tiếp tục truyền thẳng, nhưng khi tới mặt phân cách dưới một góc thì sẽ lệch hướng theo công thức

Sin Ø1 V1
-------- = -----
Sin Ø2 V2

Trong đó:
Ø1 = góc tới trong vật liệu thứ nhất
Ø2= góc khúc xạ trong vật liệu thứ hai
V1 = vận tốc âm trong vật liệu thứ nhất
V2 = vận tốc âm trong vật liệu thứ hai

Công thức này rất quan trọng trong kiểm tra bằng đầu dò góc, sẽ được nêu chi tiết trong mục 4.


2. Đầu dò siêu âm

Với nghĩa rộng, đầu dò là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Đầu dò siêu âm chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng âm tần số cao và ngược lại.


Các đầu dò điển hình trong kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm sử dụng biến tử được làm từ các vật liệu gốm, tổng hợp và polymer áp điện. Khi biến tử này được kích hoạt bằng xung điện áp cao, chúng sẽ dao động theo một dải tần số và tạo ra sóng âm. Khi nó bị dao động bởi sóng âm, nó sẽ tạo ra xung điện. Mặt trước của biến tử thường được bao phủ bởi một lớp chống va đập, và ở mặt sau được gắn với một lớp vật liệu có tác dụng tắt dao động ngay khi quá trình tạo sóng âm hoàn thành. Vì năng lượng âm ở tần số siêu âm truyền không tốt trong môi trường khí nên đầu dò thường tiếp xúc với bề mặt chi tiết kiểm tra qua một lớp chất tiếp âm lỏng.

Có năm loại đầu dò siêu âm thường được sử dụng trong các ứng dụng phát hiện khuyết tật bằng siêu âm:

- Đầu dò tiếp xúc: Như tên gọi của chúng, các đầu dò tiếp xúc được sử dụng tiếp xúc trực tiếp với chi tiết cần kiểm tra. Năng lượng âm truyền vuông góc với bề mặt, và thường sử dụng để phát hiện các lỗ rỗng, rỗ khí, và các vết nứt hoặc tách lớp song song với bề mặt ngoài của chi tiết, cũng như để đo chiều dày.

- Đầu dò góc: Đầu dò góc được sử dụng kết hợp với các miếng nêm bằng nhựa hoặc epoxy để tạo sóng ngang hoặc sóng dọc vào trong chi tiết kiểm tra nghiêng một góc được xác định trước đối với bề mặt kiểm tra. Chúng thường được sử dụng để kiểm tra mối hàn.

- Đầu dò trễ: Đầu dò trễ kết hợp một phần dẫn sóng bằng nhựa, ngắn giữa biến tử và bề mặt kiểm tra. Chúng được sử dụng để tăng độ phân giải gần bề mặt và cũng để sử dụng kiểm tra ở nhiệt độ cao vì phần trễ này bảo vệ biến tử tránh bị hư do nhiệt.

- Đầu dò nhúng: Đầu dò nhúng được thiết kế để truyền năng lượng âm vào trong chi tiết cần kiểm tra qua cột nước hoặc bể nước. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng quét tự động và cũng được sử dụng trong các trường hợp chùm tia cần được hội tụ sắc nét để cải thiện độ phân giải.

- Đầu dò kép: Đầu dò kép sử dụng biến tử thu và phát riêng rẽ trong một vỏ chung. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến các bề mặt kiểm tra thô ráp, vật liệu có cấu trúc hạt thô, phát hiện rỗ khí hoặc rỗ thủng, và chúng cũng có thể sử dụng được ở điều kiện nhiệt độ cao.

Các ưu điểm cụ thể khác của các loại đầu dò khác nhau cũng như dải các tần số và đường kính của chúng có thể tìm thấy trong mục đầu dò trên trang web của chúng tôi.

3. Các thiết bị dò khuyết tật bằng siêu âm

Các thiết bị dò khuyết tật bằng siêu âm hiện đại như các sê ri Epoch của hãng Panametrics-NDT đều nhỏ, sách tay, thiết bị dựa trên bộ vi xử lý thích hợp cho sử dụng ngoài ngoại trường cũng như trong phòng thí nghiệm. Chúng tạo ra và hiển thị dạng sóng siêu âm cho người kiểm tra diễn giải, thường được trợ giúp của các phần mềm phân tích để xác định vị trí và phân loại khuyết tật được phát hiện trong chi tiết kiểm tra. Chúng thường bao gồm các module như phát/thu, phần cứng và phần mềm cho thu nhận và phân tích tín hiệu và module lưu trữ dữ liệu. Trong khi một số máy siêu âm dạng analog vẫn được sản xuất, phần lớn các thiết bị hiện nay đều sử dụng xử lý tín hiệu kỹ thuật số để tăng tính ổn định và chính xác.

Phần thu/phát là phần ngoại vi siêu âm của thiết bị dò. Nó cung cấp xung kích hoạt đầu dò, và khuếch đại và lọc xung vọng trở lại. Biên độ, hình dạng và sự giảm của xung có thể được điều chỉnh để tối ưu sự hoạt động của đầu dò, và sự khuếch đại thu cùng với độ rộng dải tần có thể điều chỉnh để tỉ lệ tín hiệu/nhiễu được tối ưu.

Các thiết bị dò hiện đại thu nhận hình ảnh sóng dạng số sau đó thực hiện các chức năng đo và phân tích khác nhau trên đó. Đồng hồ hoặc thiết bị bấm giờ sẽ được sử dụng để đồng bộ xung của đầu dò và để chuẩn khoảng cách. Sự xử lý tín hiệu có thể đơn giản như tạo ra hình ảnh dạng sóng mà biên độ tín hiệu theo thời gian trên dải đo đã được chuẩn hoặc phức tạp như thuật toán sử lý tinh vi kết hợp sự hiệu chỉnh biên độ /khoảng cách và những tính toán lượng giác học cho đường truyền âm bằng đầu dò góc. Cổng cảnh báo luôn được sử dụng để theo dõi độ cao tín hiệu tại điểm đã chọn trong dãy sóng để đánh dấu xung phản xạ từ khuyết tật.

Màn hình hiển thị có thể là dạng CRT, LCD hoặc quang điện. Màn hình thường được hiệu chuẩn theo đơn vị chiều sâu hoặc khoảng cách. Hiển thị bằng nhiều màu sắc cũng có thể được sử dụng để trợ giúp cho việc diễn giải.

Bộ lưu trữ dữ liệu trong thiết bị được sử dụng để ghi toàn bộ dạng sóng cùng các thông tin đã cài đặt liên quan đến mỗi lần kiểm tra, nếu được yêu cầu cho mục đích tài liệu bằng chứng, hoặc các thông tin được lựa chọn như biên độ xung, các giá trị khoảng cách hoặc chiều sâu, hoặc có hoặc không trạng thái cảnh báo.

4. Qui trình

Phát hiện khuyết tật bằng siêu âm về cơ bản là kỹ thuật so sánh. Sử dụng các mẫu đối chứng thích hợp cùng với kiến thức về sự truyền sóng âm và các qui trình kiểm tra đã được phê chuẩn, người kiểm tra được huấn luyện nhận dạng hình dạng xung tương ứng từ chi tiết tốt và từ các khuyết tật điển hình. Hình dạng xung từ chi tiết kiểm tra sau đó có thể so sánh với dạng xung từ mẫu chuẩn để xác định trạng thái của nó.

- Kiểm tra bằng chùm tia thẳng góc -- Kiểm tra bằng chùm tia thẳng góc sử dụng đầu dò tiếp xúc, trễ, hai biến tử hoặc nhúng để phát hiện các vết nứt hoặc tách lớp song song với bề mặt chi tiết, cũng như các lỗ hổng hoặc rỗ khí. Nó sử dụng nguyên lý cơ bản là năng lượng âm truyền qua một môi trường sẽ tiếp tục truyền cho đến khi gặp mặt phân cách với vật liệu khác nó sẽ tán xạ hoặc phản xạ, như không khí bao quanh mặt đáy chi tiết hoặc có trong vết nứt. Trong dạng kiểm tra này, người kiểm tra đặt đầu dò lên bề mặt chi tiết và xác định xung trở về từ mặt đáy của chi tiết, sau đó tìm bất kỳ xung nào xuất hiện phía trước của xung đáy đó, giảm bớt nhiễu tán xạ từ các hạt nếu có. Xung lớn đứng trước xung đáy có thể do sự có mặt của vết nứt hoặc trống rỗng tạo thành lớp. Thông qua các phân tích tiếp theo, độ sâu, kích thước, và hình dạng của cấu trúc tạo ra sự phản xạ có thể được xác định.


Năng lượng âm sẽ truyền đến mặt đáy của chi tiết, nhưng phản xạ trước nếu vết nứt tạo lớp hoặc bất liên tục tương tự tồn tại.

Trong một số trường chuyên dụng, kiểm tra được thực hiện bằng kỹ thuật truyền qua, trong đó năng lượng âm truyền giữa hai đầu dò được đặt trên hai mặt đối diện của chi tiết. Nếu tồn tại khuyết tật lớn trên đường truyền âm, chùm tia bị che khuất và xung sóng âm không tới được đầu thu.

- Kiểm tra bằng đầu dò góc — Các vết nứt hoặc các bất liên tục khác vuông góc với bề mặt chi tiết, hoặc nghiêng so với bề mặt đó thì thường không phát hiện được bằng kỹ thuật kiểm tra sử dụng chùm tia thẳng góc do hướng của chúng đối với chùm tia. Các khuyết tật đó có thể xuất hiện mối hàn, các chi tiết kết cấu kim loại, và rất nhiều các cấu kiện xung yếu khác. Để phát hiện được chúng, kỹ thuật chùm tia góc được sử dụng với các đầu dò góc thông thường hoặc đầu dò nhúng được sắp đặt sao cho chùm tia hướng vào chi tiết với góc đã chọn. Thường sử dụng chùm tia góc trong kiểm tra mối hàn.

Các đầu dò góc thông thường sử dụng sự chuyển đổi dạng sóng và định luật Snell để tạo ra sóng ngang với các góc đã lựa chọn (thông thường là các góc 30, 45, 60, hoặc 70 độ) trong chi tiết kiểm tra. Khi góc tới của sóng dọc tăng lên so với bề mặt thì phần năng lượng âm chuyển đổi thành sóng ngang trong vật liệu thứ hai tăng lên, và nếu góc đó lớn đến mức mà toàn bộ năng lượng âm trong vật liệu thứ hai sẽ có dạng sóng ngang. Có hai ưu điểm khi thiết kế các đầu dò góc dạng này. Ưu điểm thứ nhất: sự truyền năng lượng sẽ hiệu quả hơn tại những góc tới mà tạo ra sóng ngang trong thép hoặc các vật liệu tương tự. Ưu điểm thứ hai là độ phân giải khuyết tật nhỏ nhất được tốt hơn khi ta sử dụng sóng ngang, vì với tần số xác định, bước sóng của sóng ngang chỉ sấp sỉ 60% bước sóng của sóng dọc.


Chùm tia góc rất nhạy với các vết nứt vuông góc với mặt đáy của chi tiết kiểm tra (nhánh thứ nhất của đường truyền âm) hoặc sau khi đập vào mặt đáy tới vết nứt vuông góc với mặt trên của chi tiết kiểm tra (nhánh thứ hai của đường truyền âm). Sự đa dạng về góc và hình dạng của đầu dò được sử dụng để thích ứng với các chi tiết có hình dạng khác nhau và các dạng khuyết tật khác nhau, và những vấn đề đó được mô tả chi tiết trong các qui trình và tiêu chuẩn kiểm tra như ASTM E-164 và tiêu chuẩn hàn kết cấu AWS Structural Welding Code.


Tài liệu tham khảo:

• American Society for Nondestructive Testing, Nondestructive Testing Handbook, Volume 7, Ultrasonic Testing
  
  
• ASM International, Metals Handbook, Volume 17, Nondestructive Evaluation and Testing