Một số vấn đề nghiên cứu thêm về phương pháp kiểm tra không phá huỷ (ndt) và tối ưu hóa chiều cao kết cấu giàn

PHẦN 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU THÊM VỀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HUỶ (NDT) VÀ TỐI ƯU HÓA CHIỀU CAO KẾT CẤU GIÀN. Chương 7: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM KHÔNG PHÁ HUỶ (NON DESTRUCTIVE TESTING = NDT) 7.1. Giới thiệu chung về các phương pháp kiểm tra không phá huỷ (NDT). 7.1.1. NDT là gì? Phương pháp kiểm tra không phá huỷ là một chuyên ngành kỹ thuật về kiểm tra, chẩn đoán chất lượng, độ toàn vẹn của các sản phẩm, công trình công nghiệp bằng các phương pháp không gây tổn hại đến khả năng sử dụng của các đối tượng kiểm tra. Kiểm tra không phá huỷ có thể áp dụng cho mọi sản phẩm, có thể kiểm tra 100% sản phẩm để đảm bảo 100% sản phẩm xuất xưởng đạt yêu cầu chất lượng. 7.1.2. Các phương pháp NDT? Kiểm tra không phá huỷ bao gồm nhiều phương pháp khác nhau có thể dáp ứng hầu hết các yêu cầu kiểm tra, chẩn đoán trong công nghiệp và cuộc sống. Từ các phương pháp đơn giản như kiểm tra bằng mắt thường đến phức tạp như chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân. Một số phương pháp NDT thông dụng như sau: - Phát hiện các khuyết tật trên bề mặt sản phẩm: + Phương pháp thẩm thấu chất lỏng. + Phương pháp bột từ + Phương pháp dòng điện xoáy (Phương pháp dòng Eddy) - Phát hiện khuyết tật bên trong sản phẩm: + Phương pháp chụp ảnh phóng xạ (X quang hay nguồn phóng xạ Gamma) + Phương pháp siêu âm. Ngoài các phương pháp kể trên, nhiều phương pháp khác cũng được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu của cuộc sống như: chụp ảnh Nơtron, phương pháp phát xạ âm, phương pháp nhiệt và hồng ngoại… 7.1.3. Lợi ích của NDT? - NDT giúp các nhà sản xuất tiết kiệm đáng kể chi phí sản xuất bằng cách loại bỏ các nguyên liệu, bán thành phẩm có khuyết tật trước khi chấp nhận và đưa chúng vào các khâu sản xuất tiếp theo. - NDT giúp cải thiện các quy trình sản xuất, bằng cách kiểm tra các sản phẩm trước và sau mỗi lần cải tiến. - NDT là công cụ thiết yếu giúp giảm đáng kể các sự cố, tăng cường sự an toàn cho con người, môi trường cũng như thiết bị, công trình bằng cách kiểm tra định kỳ các thiết bị máy móc, tìm ra các khuyết tật, thay thế kịp thời trước khi chúng gây nên sự cố nghiêm trọng. - NDT cung cấp các thông tin về chất lượng, tình trạng của sản phẩm mà không làm tổn hại đến sản phẩm, thiết bị giúp cho việc quản lý khai thác hiệu quả, an toàn. 7.1.4. Khi nào dùng NDT? Có thể dùng trong mọi công đoạn của sản xuất và sử dụng. Từ khâu lựa chọn vật liệu, kiểm soát chất lượng các bán sản phẩm trong các giai đoạn khác nhau đến việc đánh giá chất lượng các sản phẩm cuối trước khi xuất xưởng. 7.1.5. NDT dùng ở đâu? Có thể dùng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp dầu khí, cơ khí, hàng không, năng lượng, xây dựng, đóng tàu, công nghiệp hoá chất và thực phẩm. Trong ngành cơ khí, NDT dùng để kiểm tra đánh giá chất lượng của các sản phẩm đúc, rèn… và đặc biệt là kiểm tra chất lượng các mối hàn của các thiết bị đòi hỏi cao về mức độ an toàn. Đây là một công cụ hữu hiệu cho việc đánh giá chất lượng các sản phẩm cơ khí mà không phải phá huỷ chúng. 7.2. Phương pháp kiểm tra thẩm thấu. 7.2.1. Cơ sở và nguyên lý của phương pháp kiểm tra thẩm thấu. Thẩm thấu là phương pháp lâu đời và thông dụng vào bậc nhất trong các phương pháp kiểm tra không phá huỷ (NDT) thường dùng. Phương pháp này có khả năng phát hiện và định vị các khuyết tật hiện ra trên bề mặt của vật như vết nứt, rỗ khí, nếp gấp, tách lớp của các vật liệu không xốp (kim loại hay phi kim, sắt từ hay phi sắt từ, plastic hay gốm). - Phương pháp thẩm thấu bao gồm các bước cơ bản sau: 1. Làm sạch bề mặt của vật cần kiểm tra. 2. Áp dụng chất thẩm thấu lên bề mặt của vật cần kiểm tra, chờ một thời gian cho chất thẩm thấu ngấm vào các gián đoạn bề mặt. 3. Loại bỏ chất thẩm thấu dư thừa trên bề mặt sao cho các chất thẩm thấu trong các gián đoạn bề mặt không mất đi. 4. Áp dụng chất hiện hình lên bề mặt để kéo chất thẩm thấu trong các gián đoạn lên bề mặt tạo thành các chỉ thị gián đoạn. 5. Kiểm tra đánh giá các khuyết tật trong điều kiện chiếu sáng thích hợp. 6. Làm sạch bề mặt kiểm tra và nếu cần thì dùng chất chống ăn mòn thích hợp để bảo vệ vật kiểm tra. - Hiện tượng mao dẫn: là nguyên lý căn bản trong phương pháp này, trong đó chất thẩm thấu ngấm vào các gián đoạn bề mặt nhờ hiện tượng mao dẫn. Tác động mao dẫn là do sự kết hợp của 2 lực: lực dính kết của các phân tử cùng loại (cohesive) và lực bám dính của chất thẩm thấu với phân tử của vật (adhesive). - Sức căng bề mặt: là sự dính kết của các phân tử trong dung dịch lại với nhau. - Tác động làm ướt: tác động làm ướt chính là một ví dụ về lực bám dính, ở đó các phân tử có khuynh hướng bị dính vào bề mặt của các vật cần kiểm tra, làm cho chất thẩm thấu có khuynh hướng lan rộng.Như vậy, tác động thẩm thấu là một sự kết hợp của hai lực dính kết và bám dính tạo nên sức căng bề mặt và sự dính ướt của dung dịch. Tỷ lệ cân bằng giữa hai thành phần trên sẽ giúp cho chất thẩm thấu có khả năng thấm vào các gián đoạn bề mặt. Các tính chất trên cũng quyết định độ nhậy của chất thẩm thấu. Hình 7.2.1: Các bước cơ bản của kiểm tra thẩm thấu. Phương pháp thẩm thấu có thể phát hiện được các khuyết tật có độ rộng từ 1mm trở lên. 7.2.2. Chất thẩm thấu và các tính chất. Trong kiểm tra thẩm thấu, một chất thẩm thấu lý tưởng cần có những tính chất sau: - Khả năng thấm vào các vết mở cực kỳ nhỏ.- Khả năng giữ lại các vết mở thô.- Ít bay hơi.- Dễ rửa sạch khỏi bề mặt.- Không làm phai màu hoặc giảm hiệu suất huỳnh quang.- Không gây ăn mòn cho vật liệu thùng chứa.- Không có mùi khó chịu.- Không độc.- Giá thành hợp lý. Tính chất của chất thẩm thấu: - Độ nhớt: ảnh hưởng đến tốc độ thẩm thấu. Các chất thẩm thấu có độ nhớt thấp thường có khuynh hướng chảy tuột khỏi các khuyết tật nông. - Sức căng bề mặt: là một đặc tính quan trọng của chất thẩm thấu, các chất có sức căng bề mặt lớn thường là các dung môi tốt và thường hoà tan một cách dễ dàng các thành phần của chất thẩm thấu hay chất hiện. Tuy nhiên, các dung dịch có sức căng bề mặt thấp thường dễ thấm và thấm nhanh trên bề mặt của vật. - Khả năng làm ướt: là một đặc tính quan trọng của chất thẩm thấu. Khả năng làm ướt được thể hiện qua góc tiếp xúc với bề mặt của vật. Các chất lỏng có khả năng làm ướt kém chính là các loại có sức căng bề mặt lớn, làm cho chất lỏng có góc tiếp xúc với bề mặt của vật khá lớn (~170o) và dung dịch không có khả năng lan toả rộng. Do đó, góc tiếp xúc của hầu hết các chất thẩm thấu thường nhỏ hơn 5o. Hình 7.2.2: Góc tiếp xúc của một số loại dung dịch. - Mật độ: không ảnh hưởng đến khả năng thẩm thấu của dung dịch. Tất cả các chất thẩm thấu có mật độ nằm trong giới hạn 0,68 đến 1,06 ở 16oC. - Độ bay hơi: chất thẩm thấu phải là dung dịch ít bay hơi. Nếu bay hơi quá nhanh thì có thể: + Làm mất cân bằng công thức hoá học, gây tái tạo pha. + Giảm khả năng lan rộng và dễ khô. - Điểm bốc cháy: chất thẩm thấu cần có điểm bốc cháy cao nhằm đảm bảo an toàn trong sử dụng. Khi làm việc cần đảm bảo nhiệt độ của vật và nhiệt độ trong môi trường thấp hơn nhiệt độ bốc cháy của chất thẩm thấu. - Tính trơ hoá học và tính ăn mòn: phải là chất không gây ăn mòn đối với vật kiểm tra hoặc bình chứa, chất chứa trong bình. Như vậy, đặc trưng của một chất thẩm thấu không phải được quyết định bởi một đặc tính riêng biệt nào đó mà là sự kết hợp giữa các dặc tính để có một chất thẩm thấu tốt. 7.2.3. Các hệ thống thẩm thấu và phương pháp lựa chọn. 7.2.3.1. Các hệ thống thẩm thấu: Có 2 chất thẩm thấu cơ bản được sử dụng rộng rãi. Đó là chất thẩm thấu huỳnh quang và phi huỳnh quang. + Chất thẩm thấu huỳnh quang: chứa chất phát màu huỳnh quang dưới ánh sáng đen hay đèn cực tím. Chia làm các loại: siêu nhạy, rất nhạy, nhạy trung bình, nhạy thấp. + Chất thẩm thấu phi huỳnh quang: (chất thẩm thấu khả kiến, thẩm thấu màu, tương phản màu): chứa chất màu có độ tương phản cao với bề mặt vật kiểm tra dưới ánh sáng ban ngày. Hệ thống thẩm thấu: phân loại dựa trên phương pháp khử chất dư sau khi áp dụng chúng vào bề mặt của vật kiểm tra, có 3 loại: + Loại có thể rửa bằng nước. + Loại hậu nhũ tương hoá. + Loại rửa bằng dung môi. - Hệ thống thẩm thấu huỳnh quang rửa bằng nước: Đôi khi gọi là hệ thống tự nhũ tương hoá. Sau khi áp dụng chất thẩm thấu vào bề mặt trong một thời gian thích hợp thì có thể rửa bằng nước để loại bỏ chất thẩm thấu dư. Các chất thẩm thấu rửa bằng nước thường không phải là một dung dịch đơn mà là hợp chất của nhiều thành phần. Chúng bao gồm: dầu nhớt, chất màu, tác nhân nhũ tương và các tác nhân làm ổn định. Mục đích của việc phức hoá là tạo ra một dung dịch đơn giản kết hợp được khả năng thẩm thấu tốt, tính dễ tẩy rửa bằng nước. Ưu điểm của hệ thống: + Chất huỳnh quang làm tăng khả năng phát hiện các khuyết tật nhỏ. + Quá trình tiết kiệm nhờ giảm được khâu gây nhũ tương hoá. + Có thể dùng cho nhiều đối tượng khác nhau, nhiều loại khuyết tật. + Rất tốt cho bề mặt thô và phát hiện khuyết tật trong các khe bị che kín. Hạn chế của hệ thống này: + Không tin cậy để phát hiện khuyết tật nông. + Thường có nguy cơ rửa quá tay làm mất chất thẩm thấu trong khuyết tật. + Chất thẩm thấu rất dễ bị biến chất và kém tác dụng bởi các tác nhân gây ô nhiễm, đặc biệt là nước. + Độ nhậy bị ảnh hưởng bởi các axit (đặc biệt là axit cromic) và các chất cromat. + Khi tái kiểm tra thường kém tin cậy do bề mặt bị nhiễm bẩn. + Không thể sử dụng vì một lý do đặc biệt nào đó như trong động cơ máy móc. + Đòi hỏi phải có nguồn sáng đen và kiểm tra trong buồng tối. - Hệ thống thẩm thấu huỳnh quang hậu nhũ tương hoá: Hệ thống này có chất thẩm thấu không chứa chất gây nhũ tương. Sau khi áp dụng vào bề mặt của vật cần kiểm tra trong một khoảng thời gian thích hợp thì tiến hành nũ tương hoá chất thẩm thấu rồi mới tiến hành rửa bằng nước. Ưu điểm của hệ thống: + Có khả năng phát hiện các khuyết tật nông và hở mà hệ thống ở trên không phát hiện được. + Có độ nhạy cao đối với các khuyết tật tinh. + Có độ sáng cao vì cho phép dùng nồng độ các chất màu cao hơn. + Thời gian thẩm thấu ngắn do chất thẩm thấu không có tác nhân tạo nhũ tương, có khả năng thấm nhanh hơn vào khuyết tật. + Ít ảnh hưởng bởi axit và crommat. + Có thể kiểm tra nhiều lần mà kết quả ít thay đổi. Hạn chế của hệ thống: + Phải tốn thêm bước gây nhũ tương chất thẩm thấu. + Phải lựa chọn thời gian gây nhũ tương thích hợp để cho kết quả tốt. + Chất thẩm thấu ở các chỗ khe khuất khó rửa. - Hệ thống thẩm thấu huỳnh quang rửa bằng dung môi: Hệ thống này dùng hạn chế vào phép kiểm tra điểm hoặc khi mà phương pháp rửa bằng nước không thực hiện được. Với hệ thống này, chất thẩm thấu dư được lấy đi theo hai bước: + Lau bằng khăn khô. + Lau bằng khăn sạch có thấm một ít dung môi. - Hệ thống thẩm thấu khả kiến rửa bằng dung môi: Đây là hệ thống được sử dụng rộng rãi nhất. Thường dùng kiểm tra điểm hoặc trong các trường hợp hệ thống rửa bằng nước không dùng được. Trong hệ thống này, chất thẩm thấu được rửa bằng dung môi. Có 3 loại thường dùng: + Loại có điểm bắt lửa thấp: trong đó dung dịch thẩm thấu là một loại dầu dễ bay hơi và dễ bắt lửa. + Loại có điểm bắt lửa cao: trong đó chất thẩm thấu gồm nhiều dung dịch hữu cơ có khả năng cháy xong ít nguy cơ hoả hoạn do có điểm bắt lửa cao. + Loại không cháy: trong đó chất thẩm thấu gồm một dung môi hữu cơ không cháy. Ưu điểm của chất thẩm thấu khả kiến là nhờ: + Đơn giản trong quá trình sử dụng. + Có thể dùng ở mọi nơi + Không đòi hỏi nguồn điện và thiết bị. - Chất thẩm thấu rửa bằng nước: Loại này nên dùng khi yêu cầu độ nhậy kiểm tra thấp, và đối tượng kiểm tra là lớn. - Chất thẩm thấu hậu nhũ tương hoá: Loại này nên dùng khi yêu cầu độ nhậy kiểm tra thấp và đối tượng kiểm tra lớn. 7.2.3.2. Lựa chọn hệ thống thẩm thấu: - Các chất thẩm thấu huỳnh quang: + Loại có thể rửa bằng nước nên dùng trong: * Kiểm tra các diện tích bề mặt và khối lượng công việc lớn. * Các khuyết tật hẹp. * Các bề mặt khá thô (vật đúc). * Kiểm tra các đường ren hoặc lỗ khoá, các vị trí khó tiếp cận. + Loại thẩm thấu hậu nhũ tương nên dùng: * Kiểm tra các diện tích bề mặt và khối lượng công việc lớn. * Cần độ nhậy cao hơn. * Đối tượng nhiễm bẩn axit hoặc các hoá chất khác có nguy cơ gây hư hại đến các chất thẩm thấu rửa bằng nước. * Kiểm tra các đối tượng nhiễm bẩn bùn đất. * Kiểm tra các vết nứt tiện. + Loại rửa bằng dung môi: * Nên dùng cho các phép kiểm tra điểm hoặc khi các hệ thống rửa bằng nước không thực hiện được do kích thước, trọng lượng hay do các điều kiện bề mặt. - Các chất thẩm thấu khả kiến: * Loại rửa bằng nước: nên dùng với các công việc yêu cầu độ nhậy thấp nhất và với công việc có khối lượng lớn. * Loại nhũ tương hoá: nên dùng với các công việc cần độ nhậy cao hơn, khối lượng công việc lớn. * Loại rửa bằng dung môi: nên dùng với các phép kiểm tra điểm, và khi các hệ thống rửa bằng nước không thực hiện được hoặc khi khối lượng công việc ít. 7.2.4. Thiết bị và vật tư kiểm tra thẩm thấu. Thiết bị cố định: Có nhiều loại từ đơn giản đến tự động hoàn toàn và thay đổi theo kích thước, cách bố trí và sắp xếp phụ thuộc vào yêu cầu kiểm tra. - Các trạm làm việc: Cơ cấu bố trí của trạm làm việc phụ thuộc vào mỗi loại thẩm thấu và dây chuyền sản xuất sử dụng. Thiết bị sử dụng hệ thống thẩm thấu hậu nhũ tương hoá gồm các thành phần chính sau: + Trạm tiền làm sạch. + Trạm thẩm thấu (bể chứa). + Trạm làm ráo chất thấm (dùng chung với bể thẩm thấu). + Trạm gây nhũ tương hoá. + Trạm rửa (bể thường có nguồn sáng đen để kiểm tra độ sạch). + Trạm hiện. + Trạm sấy khô (thường dùng tủ sấy). + Trạm kiểm tra (buồng tối và các nguồn sáng đen). + Trạm làm sạch sau khi kiểm tra. Hình 7.2.4: Trạm làm việc. - Các thiết bị phụ trợ: + Thiết bị phun tĩnh điện: Các chất thẩm thấu và chất hiện đều có thể áp dụng bằng thiết bị phun tĩnh điện. Thông thường thì vật kiểm tra được nối đất còn súng phun thì nối với cực nguồn điện. Các điện tích âm trên các hạt thẩm thấu được tạo bởi điện trường xung quanh súng phun, do đó, một luồng bột thẩm thấu được phun ra “bọc” lấy vật khi công tắc được bật. Ưu điểm: - Tốc độ nhanh. - Kinh tế, tạo lớp phủ đều, mỏng và sử dụng thuận tiện. - An toàn ngay cả khi dùng với chất thẩm thấu khô. + Nguồn sáng đen: Là sóng cực tím có bước sóng của nguồn từ 320 ÷ 400 nm, dùng để quan sát các chỉ thị huỳnh quang. Thông thường nguồn gồm: một biến áp chỉnh dòng, một bóng đèn thủy ngân cao áp và bộ màn lọc. Để kiểm tra, đèn phải đảm bảo tạo được cường độ ánh sáng ở bề mặt của vật ít nhất là 800 W/cm2. Màng lọc có màu đỏ tía được thiết kế sao cho chỉ cho phép ánh sáng có bước sóng 320 ÷ 400 nm đi qua mà không cho các bước sóng khác đi qua. Thiết bị xách tay: Thường dùng cho công tác kiểm tra tại hiện trường. Cả hai loại thẩm thấu đều hay được dùng và được đựng trong các bộ đồ nghề gọn nhẹ. Chất thẩm thấu được nén trong các bình xịt. - Bộ đồ nghề dùng chất thẩm thấu khả kiến: + Bình làm sạch bằng dung môi. + Bình đựng chất thẩm thấu khả kiến. + Bình đựng chất hiện. + Khăn thấm và bàn chải. - Bộ đồ nghề dùng chất thẩm thấu huỳnh quang: + Nguồn sáng đen. + Chất làm sạch bằng dung môi. + Chất thẩm thấu huỳnh quang. + Chất hiện ướt không chứa nước. + Chất hiện dạng bột khô. + Khăn thấm và bàn chải. + Buồng tối. 7.2.5. Các phương pháp làm sạch bề mặt trước khi kiểm tra. Đây là bước đầu tiên trong quá trình kiểm tra thẩm thấu và có vai trò quan trọng quyết định độ tin cậy của phương pháp. Kết quả kiểm tra không đáng tin nếu bề mặt kiểm tra bị nhiễm bẩn. Mục đích: làm tăng khả năng làm ướt bề mặt của vật và tăng khả năng thấm vào khuyết tật. Các loại chất bẩn thường gặp: + Chất bảo vệ, dầu nhờn và các dung dịch chứa các thành phần hữu cơ. + Than, sơn, bùn hoặc đất. + Vảy, gỉ, lớp oxit, các sản phẩm ăn mòn, xỉ hàn. + Các lớp bảo vệ hữu cơ: sơn, vecni… + Nước, hydrat… + Các axit, bazơ, các gốc hoá học khác. + Các chất cặn từ các phép kiểm tra trước xót lại. Quy trình làm sạch trước khi kiểm tra: - Các phương pháp làm sạch: + Làm sạch bằng chất tẩy rửa: chất tẩy rửa sẽ kết hợp với dầu mỡ tạo thành các chất có thể rửa bằng nước. + Tẩy hơi: dùng các dung môi có thể hoà tan các chất dầu mỡ như Tricloroetan. + Làm sạch bằng dung môi (Aceton, Benzen, Toluen). + Dùng axit hoặc chất kiềm: xóa các lớp oxit trên bề mặt của vật. + Dùng siêu âm: có thể dùng với mọi hoá chất để tăng hiệu quả làm sạch. Thường dùng sóng có tần số 20 kHz. - Lựa chọn phương pháp: Tuỳ thuộc vào các thông số sau mà lựa chọn phương pháp rửa: + Loại chất bẩn. + Thành phần và hợp kim của vật thử. + Giá cả và thời gian. + Mức độ cần làm sạch, hình dạng, kích thước của vật… Trước khi áp dụng các chất thẩm thấu thì bề mặt của vật cần được làm khô hoàn toàn, không được để nước hay bất kỳ dung môi nào trong vùng cần kiểm tra. 7.2.6. Áp dụng chất thẩm thấu vào bề mặt kiểm tra. Các kỹ thuật áp dụng chất thẩm thấu: Đưa chất thẩm thấu vào bề mặt của vật có thể thực hiện được bằng cách nhúng vật vào bể chứa chất thẩm thấu, dùng bình phun tĩnh điện hay bình xịt thông thường hoặc dùng chổi quét. Dù bằng chất nào thì ta đều cần làm bề mặt của vật được làm ướt đều bằng chất thẩm thấu trong suốt thời gian thấm. Phải đảm bảo chất thẩm thấu có thể thấm sâu vào trong khuyết tật. Trong trường hợp nghi ngờ thì có thể tăng thêm thời gian thấm hoặc là tăng thêm chất thẩm thấu để đảm bảo phát hiện hết các khuyết tật. Có thể nung vật kiểm tra lên 65oC nhằm tăng độ nhậy của chất thẩm thấu. Loại vật liệu Chất thẩm thấu (a-c) Độ tương phản của chất thẩm thấu màu (MIL-I-25135, vùng I&III) Nước làm sạch có độ nhậy thấp Sự chuyển đổi giữa điểm nhũ tương hoá hoặc hoà tan, huỳnh quang (MIL-I-25135, vùng V,VI&VII) Nước làm sạch có độ nhậy cao. Chất huỳnh quang (MMS-615, bậc 3,4) Các vật đúc cát 15 30 20 2 Các vật đúc có hình dạng cố định 15 30 20 2 Các vật đúc bên ngoài 30 30 20 2 Lò luyện kim 20 30 20 5 Quá trình đẩy 20 30 20 5 Tấm – Phiến – Thanh 20 30 20 5 Linh kiện máy móc 20 30 20 5 Thiết bị hàn 15 (d) 20 5 Bảng 7.2.6: Thời gian thẩm thấu tối thiểu khuyến cáo cho các loại vật liệu và khuyết tật thường gặp Trong đó: (a) Thời gian thẩm thấu được sử dụng ở nhiệt độ từ 16 ÷ 38oC. Trên 38oC thì sử dụng tất cả bảng thời gian ở trên, ngoại trừ thời gian thẩm thấu tối thiểu 2 phút theo yêu cầu. Từ 2÷16oC là thời gian thẩm thấu nhỏ nhất. Việc kiểm tra ở nhiệt độ nhỏ hơn 2oC không được phép ngoại trừ có yêu cầu. (b) Tất cả thời gian ở trên phù hợp với các loại hợp kim khác hợp kim Titan. Với hợp kim Titan, thời gian ngưng tụ thẩm thấu nhỏ nhất bằng 2 lần thời gian ngưng tụ ở bảng trên hay bằng 30 phút, đây là giới hạn nhỏ nhất. (c) Tất cả thời gian được đưa ra là nhỏ nhất. (d) Thời gian thẩm thấu nhỏ nhất đối với những mối hàn thép là 60 phút, với mỗi mối hàn khác là 30 phút. 7.2.7. Loại bỏ chất thẩm thấu dư. Sau khi áp dụng chất thẩm thấu và chờ cho chúng đủ ngấm vào các khuyết tật, chất thẩm thấu dư cần được loại bỏ cẩn thận sao cho chỉ giữ lại các chất thẩm thấu trong các khuyết tật. - Cơ chế nhũ tương hoá chất thẩm thấu: + Chất gây nhũ tương thuộc loại dầu nhờn: Khi chất gây nhũ tương này được đưa vào lớp ngoài của bề mặt của chất thẩm thấu, quá trình pha trộn hoặc khuyếch tán xảy ra theo hai chiều: chất gây nhũ tương thấm vào chất thẩm thấu và ngược lại. Do đó tạo ra được một lớp mỏng chất thẩm thấu có thể rửa bằng nước. Để tránh chất nhũ tương ăn sâu vào các khuyết tật thì phải dừng quá trình nhũ tương tại một thời điểm thích hợp sao cho nó chỉ tác dụng hết phần chất thẩm thấu dư trên bề mặt vật. + Chất gây nhũ tương thuộc loại nước: cơ chế hoạt động tương tự như loại nhũ tương dầu nhờn. - Các điều kiện ảnh hưởng đến thời gian gây nhũ tương: + Loại thẩm thấu và chất gây nhũ tương sử dụng. + Loại bề mặt của vật cần kiểm tra. + Công suất đòi hỏi. + Chế độ rửa sau đó. Thời gian tối ưu thường được xác định bằng thực nghiệm. - Kỹ thuật làm sạch đối với chất gây nhũ tương bằng nước: Đầu tiên, ta rửa đi lớp nhũ tương trên bề mặt bằng nước, sau đó tiến hành lau nhẹ bằng khăn khô phần còn lại. Có thể sử dụng nước ấm phun bằng vòi ở góc 45o để rửa bề mặt. 7.2.8. Áp dụng chất hiện. - Chức năng của chất hiện: kéo các chất thẩm thấu bị giữ trong các khuyết tật lên bề mặt của các vật để tạo thành các chỉ thị, ngoài ra nó còn làm lan rộng kích thước của chất thẩm thấu, tăng độ tương phản để tăng cường ngưỡng phát hiện. Dưới ánh sáng đen, chất hiện huỳnh quang có màu đen, còn chất thẩm thấu có màu vàng chanh. Trong khi đó, chất khả kiến tạo nền trắng cho các chỉ thị khuyết tật có màu đỏ hoặc da cam. - Các loại chất hiện: dùng trong kỹ thuật có một số loại chất hiện sau: + Chất hiện dạng bột khô: dùng cho bề mặt khô. + Chất hiện dạng bột ướt: bột hiện được hoà tan hoặc lơ lửng trong nước. + Chất hiện tan hoặc lơ lửng trong dung môi. - Cơ chế tạo thành các chỉ thị thẩm thấu: là sự kết hợp của các hiệu ứng hoà tan, hấp thụ và hút bám. Các chất hiện tác động kết hợp hiệu ứng hấp thụ và hút bám vào chất thẩm thấu, kéo các chất thẩm thấu trong các khuyết tật lên bề mặt. Khi chất thẩm thấu phân tán vào chất hiện, chúng tạo nên các chỉ thị có thể nhìn thấy trong các điều kiện chiếu sáng thích hợp. - Phương pháp áp dụng chất hiện ướt: thường dùng là phương pháp phun chất hiện lên khắp bề mặt vật. Vì chất hiện ở dạng ướt hoặc dung dịch nên có thể nhúng vật vào bể chứa chất hiện. Sau đó, phải sấy khô vật thử. Kỹ thuật sấy thường dùng là sấy trong buồng sấy hoặc bằng khí nóng, nhiệt độ của vật <60oC. - Phương pháp áp dụng chất hiện dung môi: phải đảm bảo bề mặt khô trước khi áp dụng chất hiện này, phải đảm bảo tạo được lớp mỏng, đều để đảm bảo độ nhậy cao nhất. Có thể dùng bình xịt hoặc súng phun. Nếu dùng bình xịt thì phải để cách xa bề mặt 15 cm và phun đều. - Phương pháp áp dụng chất hiện khô: khi áp dụng phương pháp này thì vật cần được sấy khô hoàn toàn trước khi đưa chất hiện vào. Có thể đưa chất hiện bằng cách nhúng các vật nhỏ vào thùng đựng bột hiện hay dùng quả bóp, súng phun, chổi mềm. Chất hiện thừa có thể lấy đi bằng quả bóp, gõ nhẹ. Thời gian hiện nên để vào cỡ một nửa thời gian thấm. - Phương pháp áp dụng chất thẩm thấu khả kiến: việc này quan trọng hơn đối với chất thẩm thấu huỳnh quang. Đòi hỏi tạo sự tương phản cao thì mới có thể phát hiện khuyết tật nhỏ, nên cần đòi hỏi có một lớp màu mỏng trắng để tạo nổi bật khuyết tật màu đỏ. Cũng vì thế mà người ta hay dùng loại thuốc hiện không chứa nước. Tuy nhiên, loại thuốc hiện ướt gần đây cũng có thể sử dụng và cho kết quả tốt. Cần khống chế độ dày chất hiện sao cho có độ tương phản tốt nhất nhưng không dày quá để che khuyết tật tinh. Nếu phát hiện thấy màu hồng nhạt khi cho chất hiện vào thì nghĩa là chất thẩm thấu dư thừa chưa được lấy ra hết. 7.2.9. Kiểm tra và đánh giá các chỉ thị. - Điều kiện quan sát: cần phải đảm bảo điều kiện chiếu sáng thích hợp để có thể tạo được độ tin cậy và độ nhậy mong muốn. Đối với loại thẩm thấu khả kiến. Đối với loại thẩm thấu khả tiến, cường độ ánh sáng trên bề mặt của vật phải đảm bảo ít nhất 1000 lux. Đối với các loại thẩm thấu huỳnh quang, phải đảm bảo nền có độ sáng < 20 lux và độ sáng của nền ít nhất 800W/cm2. Khi quan sát, cần chờ ít nhất 5 phút cho mắt quen với bóng tối. - Thời gian hiện: phụ thuộc vào loại thẩm thấu, chất hiện và khuyết tật cần phải đảm bảo đủ thời gian để cho các chỉ thị khuyết tật tạo thành, thông thường thời gian hiện bằng khoảng thời gian thẩm thấu. Cần quan sát kịp thời trước khi các chỉ thị bị nhoè đi hoặc thay đổi màu. - Các chỉ thị huỳnh quang: sẽ phát sáng rất mạnh khi được chiếu dưới ánh sáng đen. Để đạt kết quả tốt nhất, cần tiến hành trong buồng tối. Hình dạng và độ sáng của chỉ thị cho ta kết quả thông tin, mức độ thể loại của khuyết tật. Các rỗ khí có hình dạng tròn, các vết nứt biểu hiện thành các vạch sáng liên tục hoặc đứt đoạn… - Các chỉ thị khả kiến: trong khi các thuốc hiện khô dần thành lớp màu trắng mỏng thì các chỉ thị khuyết tật màu đỏ cũng dần được hiện ra ở các vị trí của khuyết tật. Chiều sâu của khuyết tật cũng có thể có mối tương quan với cấp màu, độ rộng của các chỉ thị. - Giải đoán và đánh giá kết quả: đây là hai bước khác nhau trong quá trình kiểm tra. Giải đoán một chỉ thị là xác định được bản chất của chỉ thị đó. Nó có thể là vết nứt, rỗ khí, hàn không ngấu, nếp gấp rập hay chỉ là các chỉ thị giả. Còn đánh giá là bước tiếp theo của minh giải. Nếu một gián đoạn phát hiện, ảnh hưởng của nó đến khả năng sử dụng cần được đánh giá. Thành công và độ tin cậy của quá trình minh giải và đánh giá một chỉ thị phụ thuộc vào toàn bộ quá trình kiểm tra, các kiến thức về vật liệu và khuyết tật học về các tiêu chuẩn, quy phạm liên quan. - Chỉ thị giả: là các chỉ thị không phải do các gián đoạn gây nên. Nguồn gốc chính là do làm sạch không triệt để hoặc các vết nhiễm bẩn từ bên ngoài vào như chất thẩm thấu dính trên tay các kỹ thuật viên. - Các chỉ thị quan trọng: đây là các chỉ thị gây bởi các gián đoạn thực sự. Mọi chỉ thị quan trọng đều phải được giải đoán và đánh giá đầy đủ. Các chỉ thị quan trọng rơi vào 5 thể loại: + Đường liên tục: do vết nứt, nếp gập, vết sước gây ra, các vết nứt thường thể hiện các đường lởm chởm, còn giáp mí thể hiện các đường nhẵn, hẹp và thẳng, nếp gấp rập thì nhẵn, gợn sóng. + Đường gián đoạn: thuộc về các gián đoạn cùng loại với gián đoạn nêu trên nhưng hình thành trong các điều kiện khác nhau. Các vết nứt tinh cũng gây ra các chỉ thị này. + Tròn chấm nhỏ: có dạng tròn hoặc elip, tỷ số L/B < 3 gọi là tròn. Chúng thường được tạo bởi các rỗ khí. Các khuyết tật nằm sâu nhưng hở ra bề mặt cũng có thể tạo nên các chỉ thị này. + Chỉ thị yếu. + Phân tán. 7.3. Phương pháp kiểm tra bột từ. Kiểm tra bột từ là phương pháp không phá huỷ có khả năng phát hiện và định vị các khuyết tật bề mặt và gần bề mặt trong các vật liệu sắt từ. Được phát minh vào năm 1920 do W.E. Hoke (Mĩ). Nguyên lý của phương pháp này là dựa trên sự biến dạng của từ trường trong vật nhiễm từ do có mặt của khuyết tật. Sự biến dạng gây nên một số biến đổi của đường sức từ. Hiện tượng này gọi là sự dò trường từ thông. Phương pháp kiểm tra bột từ bao gồm 3 bước chính: + Từ hoá vật kiểm tra. + Áp dụng bột từ. + Phát hiện, giải đoán đánh giá các chỉ thị. Ưu điểm: phát hiện được các khuyết tật nhỏ mà mắt thường không phát hiện được trong vật liệu sắt từ. Cho biết vị trí, hình dạng, kích thước gần đúng của khuyết tật. Có thể phát hiện khuyết tật nằm gần bề mặt, phụ thuộc chiều sâu, kích thước, thể loại, và cường độ dòng điện sử dụng. Hạn chế: Không sử dụng được cho các vật liệu phi sắt từ như: thuỷ tinh, gốm, chất dẻo, nhôm, magiê, đồng… 7.3.1. Cơ sở lý thuyết từ. Cơ sở của phương pháp kiểm tra bột từ là dựa trên các nguyên lý của lý thuyết điện và từ. Do đó, để có thể ứng dụng có hiệu quả thì cần có được các kiến thức cơ bản về các lý thuyết trên. - Nam châm: vật có khả năng hút sắt từ được gọi là nam châm. Mỗi nam châm đều có 2 hay nhiều cực. - Từ thông và thông lượng từ: từ thông thể hiện đường đi của các dường sức từ của một nam châm. Toàn bộ các đường từ thông gọi là thông lượng từ. Đơn vị của thông lượng từ là Maxwell hay Weber, một Maxwell là một đường từ thông và 1 Weber = 108 Maxwell. - Tính chất của các đường sức từ: + Chúng tạo nên các đường tròn liên tục, không gấp khúc và luôn khép kín. + Chúng không bao giờ cắt nhau. + Là các đại lượng có hướng: đi ra từ cực bắc, đi vào ở cực nam. + Mật độ của chúng giảm dần khi khoảng cách tăng. + Chúng có khuynh hướng bị lệch và đi qua các vật liệu từ và trong quá trình đó chúng làm cho vật liệu bị từ hoá. 7.3.2. Các phương pháp từ hoá. - Từ hóa bằng dòng điện: dùng dòng điện tạo nên các từ trường xung quanh và trong các vật liệu dẫn điện, có thể thay đổi hướng của dòng điện để thay đổi hướng của từ trường. Trong phương pháp kiểm tra bột từ, ta phải chọn hướng và cường độ của dòng điện sao cho các đường từ thông tạo thành có hướng và mật độ thích hợp trên các vùng khảo sát. Độ nhậy của phương pháp kiểm tra cao nhất khi từ trường vuông góc với trục chính của khuyết tật. Do đó, khi tiến hành kiểm tra phải làm nhiều lần để tạo ra các đường từ thông có hướng khác nhau. Tuy nhiên với hầu hết các công việc thì chỉ cần từ hoá 2 lần là đủ, lần sau sử dụng từ trường hoá vuông góc với lần đầu. + Từ hoá vòng: dòng điện chạy qua vật dẫn thẳng tạo nên từ trường xung quanh và trong vật dẫn. Đối tượng kiểm tra theo phương pháp này gọi là từ hoá vòng. Phương pháp này thích hợp cho việc phát hiện các khuyết tật nằm song song trục của vật kiểm tra. + Từ hoá trực tiếp và gián tiếp: Để xác định cường độ dòng điện thích hợp, tốt nhất nên dùng các mẫu chuẩn có các khuyết tật cho trước, tuy nhiên cũng có thể áp dụng nguyên tắc sau: 800 ÷ 1000A cho mỗi Inche (25 mm) đường kính hay chiều dày vật. Hình 7.3.2.a: Từ hóa vòng Hình 7.3.2.b: Từ hoá trực tiếp Đối với các vật kiểm tra là đường ống hay vậ rỗng thì phải từ hoá mặt trong ống bằng cách luồn một thanh dẫn điện vào trong ống và cho dòng điện chạy qua. Phương pháp này gọi là từ hoá gián tiếp. Hình 7.3.2.c: Từ hóa gián tiếp Hình 7.3.2.d: Thiết bị Prod + Từ hoá bằng thanh Prod: Thông thường rất khó có thể từ hoá toàn bộ vật kiểm tra chỉ bằng một lần từ hoá. Đối với các vật lớn, ta thường từ hoá từng vùng của vật bằng cách cho dòng điện chạy qua các vùng và tiết diện nhờ một dụng cụ gọi là Prod (hình 7.3.2.d). Bằng cách này ta tạo được từ trường vòng nằm ở giữa các các điểm tiếp xúc. Các que ấn làm bằng đồng (bọc nhôm ở đầu), được ấn chặt lên bề mặt của vật kiểm tra trong quá trình cho dòng điện chạy qua. Dòng điện thường khống chế trong khoảng 2 ÷ 16V. Trong quy trình kiểm tra, thông thường mỗi vùng được từ hoá 2 lần. Trong lần thứ hai, ta đặt các Prod vuông góc với bước thứ nhất. Khi sử dụng Prod thường dùng với bột từ khô, do: + Tăng khả năng linh động của các bột từ khô. + Có độ đâm xuyên tốt hơn. + Tránh bị điện giật, hỏa hoạn như khi dùng với bột từ ướt. Để xác định cường độ dòng thích hợp thì nên dùng các mẫu thử chuẩn có các khuyết tật cho trước. Tuy nhiên cũng có thể áp dụng nguyên tắc đơn giản sau: + Đối với vật có chiều dầy < 75mm, dòng từ hoá vào cỡ 90–110A cho mỗi khoảng cách 25mm giữa hai cực. + Đối với vật có chiều dầy ≥ 75 mm, giá trị tương ứng là 100 - 125A cho mỗi khoảng cách 25mm giữa hai cực. +Không nên đặt khoảng cách giữa 2 prod nhỏ hơn 50mm vì khi đó các bột từ sẽ bám vào các prod khiến quá trình kiểm tra khó khăn. - Từ hoá dọc: + Từ hoá bằng cuộn cảm: Nếu đặt một vật bằng sắt từ vào bên trong cuộn cảm thì hầu hết các đường sức từ đều tập trung trong vật gây nên sự từ hoá dọc đối với vật. Hình 7.3.2.e: Từ hoá bằng quấn dây quanh vật Hình 7.3.2.f: Từ hoá bằng cuộn dây di động Trong thực tế có hai cách từ hoá dọc hay dùng là: + Cho vật từ từ chạy qua cuộn cảm, để phát hiện khuyết tật dọc trong vật. + Nếu vật quá lớn, có thể dùng một vài vòng cáp quấn quanh vật. Để có được cường độ từ trường đủ lớn, có thể tính theo công thức sau: Trong đó: L: là chiều dài D: là đường kính hay chiều rộng vật cần kiểm tra. I: là cường độ dòng cần thiết t: là số vòng dây cuộn cảm Với điều kiện: +Tỷ số L/D nằm trong khoảng từ 2÷5 + Tiết diện của vật phải nhỏ hơn 1/10 tiết diện cuộn cảm + Vật đặt sát thành bên trong của cuộn cảm. + Từ hoá bằng nam châm chữ U (YOKE). Từ trường được tạo bởi nam châm điện chữ U khi cho dòng điện chạy qua và từ hoá vùng kiểm tra của vật. Dòng điện dùng tạo từ trường là dòng điện xoay chiều hoặc chỉnh lưu một chiều. Một số máy hiện đại có thể chuyển đổi giữa hai chế độ bằng một công tắc chuyển mạch. Các nam châm chữ U thường có khớp nối để điều chỉnh khoảng mở phù hợp. Hình 7.3.2.g: Từ hoá bằng nam châm chữ U (YOKE) Ưu điểm so với phương pháp trực tiếp và Prod là: + Không bị đánh lửa. + Thiết bị nhẹ. + Dễ sử dụng và linh hoạt. Có thể dùng thêm các khối sắt từ phụ trợ để tăng độ tiếp xúc của nam châm khi kiểm tra các chi tiết có hình dạng phức tạp. Hình 7.3.2.h: Khối sắt từ phụ - Thông số điều khiển quá trình từ hoá: Khi tiến hành kiểm tra bằng phương pháp từ hóa cần lưu ý những thông số sau đây: + Loại hợp kim, hình dạng, trạng thái của đối tượng kiểm tra. + Loại dòng điện kiểm tra. + Hướng của từ trường. + Các bước thực hiện. + Trị số của từ thông. + Công suất làm việc. + Loại khuyết tật cần phát hiện. - Ảnh hưởng của dòng điện từ hoá: Nhiều loại dòng điện có thể được dùng để từ hoá như: dòng điện xoay chiều (AC), dòng một chiều (DC), dòng chỉnh lưu một nửa (HWDC), dòng chỉnh lưu toàn phần (FWDC), dòng điện 3 pha. Hình 7.3.2.i: Một số dòng điện dùng để từ hoá Dòng điện một chiều từ ácquy từng được xem là tốt nhất cho quá trình từ hoá vì nó xuyên sâu vào vật liệu hơn dòng xoay chiều. Nhưng hạn chế lớn nhất chính là thời gian sử dụng hạn chế, rắc rối trong bảo dưỡng nên ngày nay chỉ được sử dụng trong một số ứng dụng đặc biệt. FWDC một pha và 3 pha dùng bộ chỉnh lưu Diot Silic (hiện nay thường dùng chỉnh lưu Tiristor Silic) có độ nhạy tương đương nhau. FWDC một pha có ưu điểm là tăng độ linh động của các hạt từ hơn. Còn FWDC thì đòi hỏi công suất tiêu thụ thấp hơn cho cùng một mật độ dòng. HWDC là dòng điện hiệu dụng nhất để xác định các khuyết tật gần và trên bề mặt khi dùng với bột từ kh. HWDC tạo nên các xung mạnh tới các hạt từ, tăng độ linh động của chúng do đó giúp tạo nên các chỉ thị từ của khuyết tật dễ dàng và đồng thời cản trở quá trình tạo thành chỉ thị giả. AC từ nguồn điện lưới là dòng điện thuận và hữu hiệu nhất cho việc phát hiện các khuyết tật trên bề mặt đặc biệt là các khuyết tật do mỏi. Ưu điểm khác của dòng xoay chiều là sau đó đối tượng sẽ bị khử từ. 7.3.3. Thiết bị kiểm tra bột từ. Để có thể lựa chọn phương pháp kiểm tra và thiết bị thích hợp cho kiểm tra bột từ thì cần nắm được các tính năng hoạt động của từng loại thiết bị, các đặc trưng và cách sử dụng các loại bột từ. Thiết bị tạo nên từ trường có thể chia làm hai loại: + Thiết bị từ dựa trên các từ trường tạo bởi dòng điện. + Thiết bị sử dụng các nam châm vĩnh cửu. - Thiết bị từ hoá: + Loại di động và cầm tay: nhiều công việc đòi hỏi phải đưa thiết bị đến tận nơi kiểm tra. Các thiết bị đáp ứng được yêu cầu này có khả năng tạo được dòng điện lên đến 1000A (loại xách tay) và 6000A (loại để trên xe). Các thiết bị cầm tay hay di động hoạt động bởi nguồn điện lưới dùng AC và DC cho Prod, cuộn cảm và thanh dẫn hay có thể dùng với loại bột từ ướt hoặc khô. Thiết bị còn có khả năng cung cấp dòng giảm dần và đổi cực từ để khử từ các vật sau khi kiểm tra. + Loại cố định: các thiết bị này phù hợp khi ta đưa vật kiểm tra đến sẽ đem lại nhiều thuận lợi hơn về vấn đề kinh tế. Thiết bị này thường sử dụng các kỹ thuật kiểm tra bột từ ướt huỳnh quang do bột từ và chất mang có thể đem tái tạo và dùng lại. Thiết bị có thể cung cấp cả dòng AC và DC, có thể tiến hành kiểm tra tự động hoặc bán tự động. + YOKE: là thiết bị tạo trường điện từ đơn giản nhất. Gồm một lõi sắt non và cuộn dây quấn quanh lõi. Vì hệ số từ thẩm của sắt non rất lớn, nên khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây thì sẽ xuất hiện một từ trường dọc rất mạnh. Số vòng của cuộn dây và cường độ của dòng điện sẽ quyết định cường độ của điện trường tạo thành. Các yoke thường làm việc với dòng điện AC 110 – 220V, hay acquy. Yoke có nhiều kích thước, khoảng cách trung bình giữa hai chân là 200mm. Yoke có thể thay đổi khoảng cách này bằng cách nối thêm các đoạn. Ưu điểm: + Nhỏ, nhẹ. + Có thể hoạt động bằng acquy. + Có thể sử dụng trong các khu vực hẹp. + Không gây đánh lửa hoặc nóng chảy vật kiểm tra như trong trường hợp dùng prod hay thanh dẫn. Hạn chế: + Có khuynh hướng quá nóng khi dùng liên tục. + Cần phải thêm các khối sắt chuẩn riêng để kiểm tra tính năng của thiết bị. Tính năng của Yoke được đánh giá thông qua khả năng nâng các mẫu chuẩn có trọng lượng xác định. Theo ASME thì yoke phải nâng được trọng lượng 4,5kg và 18kg khi sử dụng dòng điện AC và DC. + Nam châm vĩnh cửu: trong một số trường hợp thì có thể dùng nam châm vĩnh cửu để từ hoá. Ưu điểm: + Thiết bị gọn nhẹ. + Không cần dòng điện. + Không gây nóng chảy, đánh lửa cho vật kiểm tra. Hạn chế: + Từ trường quá yếu. + Các đầu nam châm dễ dính bột từ, gây khó khăn cho quá trình kiểm tra. 7.3.4. Bột từ và các tính chất. Trên thị trường hiện nay có 2 loại bột từ đang được lưu hành đó là: + Bột từ khô: dùng như là nhũ tương khô hoặc đám bụi bột từ trong không khí. + Bột từ ướt: dùng như là nhũ tương trong chất mang ở thể lỏng, thông thường thể lỏng là nước pha lẫn chất điều hoà hoặc là dầu. - Tính chất của từng loại bột từ: + Bột từ khô: bột từ dùng trong các phép thử khô được sản xuất với các tính chất cần chú ý sau: - Các tính chất từ: hầu hết bột từ là các hạt sắt từ nhỏ, mịn được bọc bằng các chất nhuộm màu. Người ta chọn vật liệu sắt từ có tính chất phù hợp với các quy trình kiểm tra bột từ sau: + Phải có chỉ số kháng từ nhỏ. + Phải có chỉ số lưu từ nhỏ: tăng khả năng chỉ thị rõ nét khuyết tật vì nếu hệ số này lớn , các hạt từ sẽ dính vào nhau, khi các hạt từ này được phun vào bề mặt của vật thể chúng sẽ bám vào bề mặt gây nhiễu chỉ thị của khuyết tật. + Hệ số từ thẩm cao: làm tăng khả năng phát hiện các khuyết tật nhỏ. + Nồng độ hạt từ trên các hạt màu hợp lý: nồng độ hạt từ cũng là thông số quan trọng. Nếu nồng độ thấp thì độ nhậy kém, còn nếu chất màu ít thì làm giảm khả năng phát hiện khuyết tật. - Kích thước và hình dạng: kích thước và hình dạng ở một mức độ nào đó còn quan trọng hơn cả hệ số từ thẩm trong việc tăng độ nhậy và tính dễ sử dụng của bột từ. Các hạt nhỏ (50m) có độ nhậy cao hơn các hạt lớn (150m). Các hạt lớn sẽ quá nặng với trường dò yếu, còn các hạt quá nhỏ cũng không tốt vì: + Thường bị dính bết vào tất cả các dị thường, gây nên phông lớn, ảnh hưởng đến phép thử. + Môi trường thử quá bụi, ảnh hưởng đén kỹ thuật viên. Hình dạng của hạt từ có ảnh hưởng quan trọng đến nền phông, cách dùng và kết quả thử hạt: hạt dài dễ bị bít vào các trường dò và dễ bị bón vào nhau thành các cục rất khó dùng. Các hạt tròn dễ làm, dễ phun thành đám, khó bám vào khuyết tật. Do đó, các bột từ có độ nhậy cao thường có hai dạng với tỷ lệ thích hợp, kích thước giới hạn của hạt từ vào khoảng 180m. - Màu sắc và độ tương phản: bột từ khô được lưu hành thành 3 loại: + Loại khả kiến. + Loại huỳnh quang. + Loại huỳnh quang dưới ánh sáng ban ngày. Loại khả kiến có 5 loại màu thông dụng: xám, đỏ, vàng, xanh, ánh kim. Khi sử dụng cần chọn mầu có độ tương phản cao nhất với bề mặt kiểm tra để đảm bảo độ nhậy cao. Các loại bột huỳnh quang ít dùng trong phương pháp bột từ khô. Bột huỳnh quang chỉ dùng trong các trường hợp cần có độ tương phản cao. - Cách sử dụng bột từ khô: phải phun nhẹ, đều thành đám quanh bề mặt thử trong khi từ hoá vật, đồng thời dùng quả bóp thu hồi lại hoặc thổi đi các bột từ tại các vị trí không có khuyết tật. Không nên sử dụng lại các bột từ đã dùng rồi. Cần bảo đảm bột từ ở nơi khô ráo vì độ ẩm làm tăng khả năng oxy hoá và đổi màu, các hạt từ dễ bết vào nhau. Trên 350oC, các hạt từ dính bết vào nhau, dễ cháy. + Bột từ ướt: - Các tính chất: Nếu bột từ có kích thước trên 25m thì là bột từ thô. Hạn chế của nó là: + Không phát hiện được các vết nứt tinh. + Độ lắng đọng nhanh (trong vòng 5 ÷10 phút), khó giữ ở trạng thái lơ lửng. Do đó, đối với phương pháp có độ nhậy cao thì các hạt có kích thước từ 5÷15m với chỉ số chiều dài trên đường kính là .1. - Màu sắc và độ tương phản: thường dùng có 2 loại: + Loại khả kiến: Gồm các hạt nhỏ là sắt, oxit sắt đen hoặc oxit sắt nâu. + Loại huỳnh quang: còn có thêm các hạt màu và chất kết dính. Khi dùng, bột từ này được pha với một chất gọi là chất mang. Chất mang thường có 2 loại: nước và dầu. Thường dầu được ưa chuộng hơn trong các trường hợp do: + Không gây rỉ cho vật thử. + Không có nguy cơ điện giật. + Một số hợp kim có nguy cơ bị giòn khi tiếp xúc với nước do hydro. Đối với chất mang là dầu thì phải đảm bảo nhiệt độ của vật nhỏ hơn nhiệt độ bốc cháy của dầu. Bản thân nước thuần khiết không phải là chất mang vì: + Làm cho bột từ lắng nhanh. + Khó làm ướt bề mặt. + Không phân tán đều các bột sắt. Do đó, phải kết hợp thêm các chất điều hoà khác, chất điều hoà phải đảm bảo: + Tăng cường làm ướt bề mặt đều. + Có pH ≤ 10. - Phạm vi ứng dụng: có thể dùng bột từ ướt cho mọi phép thử đòi hỏi phát hiện các vết nứt tinh trên bề mặt mà phép thử khô không thích hợp. Bột từ ướt có thể dùng cả với phương pháp từ hoá liên tục (có độ nhậy cao) hay phương pháp từ hóa dư. 7.3.5. Quy trình kiểm tra bột từ. Thành công của phép kiểm tra bột từ phụ thuộc vào việc lựa chọn các kỹ thuật thích hợp và tiến hành tốt các bước kiểm tra: + Chuẩn bị bề mặt kiểm tra. + Từ hoá bề mặt vật kiểm tra. + Lựa chọn phương pháp áp dụng bột từ. + Đánh giá kết quả kiểm tra. + Khử từ. + Tiến hành vệ sinh sau khi kiểm tra. - Chuẩn bị bề mặt kiểm tra: Độ nhậy của các phương pháp kiểm tra bột từ phụ thuộc vào các điều kiện bề mặt của vật kiểm tra. Bề mặt thô có khuynh hướng làm giảm khả năng phát hiện khuyết tật do các biến dạng của từ trường hoặc cản trở dự di chuyển của các bột từ do đó cản trở sự hình thành hình ảnh của bột từ. Nói chung nếu bề mặt càng nhẵn, đồng nhất; độ tương phản của bề mặt và chất màu càng cao thì độ nhậy càng lớn. + Tháo rời các bộ phận: yêu cầu với phần lớn phép kiểm tra là phải tháo rời các bộ phận nếu có thể. Động tác này cho phép kiểm tra được đầy đủ, chi tiết hơn, tránh khả năng xuất hiện các chỉ thị giả ở các điểm tiếp xúc của vật. + Làm sạch bề mặt trước khi kiểm tra: mục đích nhằm cải thiện các điều kiện bề mặt có thể ảnh hưởng đến công việc kiểm tra. Nói chung quá trình kiểm tra phải loại bỏ được các vật lạ, vết bẩn hay xỉ hàn có thể ảnh hưởng đến quá trình từ hoá, đến sự phân bố và nồng độ của các hạt từ hoặc đến cường độ và độ nét của các chỉ thị từ. Có thể áp dụng các cách sau để làm sạch, tuỳ thuộc vào yêu cầu: - Tẩy hơi: vật được tắm trong hơi dung môi. Đây là phương pháp hữu hiệu để làm sạch các vết dầu mỡ. Song không thể loại bỏ các chất hữu cơ như đất và các chất gỉ, chất khoáng, sơn hay nhựa. - Dùng các dung môi tẩy rửa: dùng để tẩy các loại dầu mỡ, nhớt… - Rửa siêu âm: Có thể rửa các chất vô cơ hoặc hữu cơ (khi rửa có dung môi) - Phương pháp cơ học: dùng bàn chải để loại bỏ các gỉ sắt. Có thể gây hư hại cho vật nên cần cân nhắc, cẩn thận khi dùng. - Loại bỏ lớp sơn. - Các chất tẩy kiềm: dùng làm sạch dầu mỡ. + Các phương pháp kiểm tra: Phương pháp thử thích hợp sẽ đem lại kết quả mong muốn. Lựa chọn phương pháp thử phụ thuộc nhiều yếu tố. Trong đó, yếu tố quan trọng là loại và hình dạng của vật cần kiểm tra, loại và vị trí nghi ngờ của khuyết tật, độ nhậy đòi hỏi, khả năng tiếp cận đối tượng và khả năng kinh tế cho phép. Còn độ nhậy phụ thuộc nhiều thông số như đặc trưng của bột từ, phương pháp từ hóa, độ lớn của từ thông, cường độ ánh sáng cần quan sát, kỹ năng kỹ xảo của kỹ thuật viên… Người kiểm tra phải nắm được các kiến thức về kỹ thuật và quy trình kiểm tra và phải biết được mức độ ảnh hưởng của các thông số kể trên đến các kết quả cuối cùng. Có hai phương pháp từ hoá thường dùng: - Phương pháp liên tục: bột từ được áp dụng trong khi vật đang được từ hóa. Sự từ hoá được tiến hành trong suốt thời gian áp dụng bột từ và cả thời gian lấy đi hết phần bột từ dư. Phương pháp này cho độ nhậy cao nhất và được áp dụng trong hầu hết phép kiểm tra. - Phương pháp từ dư: việc áp dụng bột từ được áp dụng sau khi việc từ hóa kết thúc. Vì phép thử phụ thuộc nhiều vào từ dư của vật nên chỉ áp dụng hạn chế với các đối tượng có từ dư lớn. + Sử dụng bột từ: lựa chọn loại bột từ thích hợp (khô hay ướt) phụ thuộc vào tình trạng bề mặt của vật và loại khuyết tật cần phát hiện. Phương pháp bột từ khô thường dùng cho các bề mặt thô. Bột từ được phun thành từng đám mây xung quanh bề mặt kiểm tra trong khi vật bị từ hoá. Chọn loại có màu sắc tương phản cao nhất với bề mặt của vật. Để tăng độ tương phản có thể dùng chính chất hiện dùng trong phương pháp thẩm thấu quét lên trên bề mặt kiểm tra để tăng thêm sự tương phản. Phần bột từ dư thừa cần lấy khỏi bề mặt nhờ dòng không khí đủ mạnh nhưng không làm ảnh hưởng đến các ảnh từ khác. Phương pháp này thường kiểm tra các sản phẩm đúc, mối hàn. Thích hợp cho công việc kiểm tra hiện trường. Trong phương pháp bột từ ướt, các hạt từ có kích thước nhỏ hơn trong phương pháp bột từ khô được giữ lơ lửng trong chất lỏng là nước hoặc dầu nhẹ. Do kích thước hạt từ nhỏ, nên nó có độ nhậy cao hơn đối với các khuyết tật bề mặt nhưng kém nhậy đối với các khuyết tật nằm dưới bề mặt. Có thể dùng các bột từ có màu sắc khác nhau hoặc bột từ huỳnh quang. + Phát hiện và đánh giá các chỉ thị từ: Các chỉ thị từ không phục vụ được mục đích gì nếu chúng chưa được giải đoán và đánh giá. Các chỉ thị từ được nhận biết bằng mắt nhờ chúng có độ tương phản với nền phông trên đó chúng được tạo ra. Độ tương phản càng lớn, khả năng phát hiện và độ tin cậy càng cao. Có hai loại tương phản quan trọng trong kiểm tra bột từ: tương phản độ sáng và tương phản màu. - Tương phản độ sáng: là lượng ánh sáng phản xạ từ một bề mặt nào đó so với lượng ánh sáng phản xạ từ bề mặt bên cạnh. Các chỉ thị có thể có độ sáng cao hoặc thấp tuỳ thuộc vào bề mặt vật kiểm tra. - Tương phản màu: là sự khác biệt giữa hai màu ở cùng một độ sáng. Nếu ở cùng một độ sáng ta có 2 màu giống nhau, ta có độ tương phản màu thấp, trong khi đó 2 màu khác nhau có độ tương phản cao. Sự đóng góp của tương phản màu vào khả năng nhìn thấy khuyết tật chỉ chiếm tỉ lệ ít so với phần đóng góp của tương phản độ sáng. Khi tiến hành kiểm tra thì phải chọn loại bột từ có độ tương phản màu cao nhất so với phông nền. + Xác định bản chất của các chỉ thị: Bước đầu tiên trong giải đoán kết quả là xác định các đặc trưng của chỉ thị. Có 3 loại chỉ thị: chỉ thị quan trọng, chỉ thị không quan trọng, chỉ thị giả. Trong đó, các chỉ thị quan trọng là các chỉ thị liên quan đến các gián đoạn thực sự. Các chỉ thị này cần được đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn cho trước. Nếu vật kiểm tra nằm trong tiêu chuẩn cho phép thì chúng có thể được chấp nhận mặc dù chúng có gián đoạn. Nếu các tiêu chuẩn không thoả mãn thì chúng sẽ bị loại bỏ. Các chỉ thị quan trọng nằm trong 5 thể loại: đường liên tục, đường gián đoạn, tròn chấm nhỏ, chỉ thị yếu, và phân tán. - Đường liên tục: các chỉ thị này do các vết nứt, gập, vết xước gây nên. Vết nứt thường thể hiện là các đường lởm chởm, còn giáp mí thể hiện là các đường nhẵn, hẹp và thẳng, nếp gấp rập thì nhẵn, gợn sóng. - Đường gián đoạn: thuộc về các gián đoạn cùng loại với gián đoạn nêu trên nhưng hình thành trong các điều kiện khác nhau. Các vết nứt tinh cũng gây ra các chỉ thị này. - Các chỉ thị tròn: có dạng tròn hoặc elip, tỷ số L/B < 3 gọi là tròn. Chúng thường được tạo bởi các rỗ khí. Các khuyết tật nằm sâu nhưng hở ra bề mặt cũng có thể tạo nên các chỉ thị này. - Các chỉ thị không quan trọng: không cần đánh giá, các kỹ thuật kiểm tra thích hợp có thể giúp giảm bớt các chỉ thị này. - Chỉ thị giả: là các chỉ thị không gây bởi từ trường mà do các sai sót trong quá trình kiểm tra như: vết bẩn, vân tay kỹ thuật viên, vết sước… + Tiến hành khử từ: Có thể cần tiến hành cả trước và sau quá trình kiểm tra là vì: - Để tránh các phôi có thể bị hút vào trong các chi tiết có thể gây hỏng cho máy hoặc gây cản trở đến công việc gia công tiếp theo. - Tránh gây lệch hồ quang điện trong quá trình hàn. - Tránh gây nhiễu cho các máy đo … Mức độ dễ hoặc khó khử từ phụ thuộc một số yếu tố: - Lực kháng từ của vật. - Hình dạng của vật. - Loại từ dư trong vật. - Mức độ khử từ yêu cầu. Trái đất cũng có vai trò trong việc khử từ, để khử được từ, ta cần đặt vật theo hướng đông – tây. Khử từ hoàn toàn là việc không thực hiện được và điều đó cũng không quan trọng do: - Các vật thử là sắt non. - Các vật thử tiếp tục được xử lý nhiệt sau đó. - Vật sẽ được tiếp tục kiểm tra từ tiếp theo… Nguyên lý của khử từ: Dựa trên hiệu ứng trễ từ xảy ra khi vật bị từ hoá với dòng điện thay đổi cả về hướng lẫn độ lớn. Nếu ta cho dòng điện xoay chiều vào vật và giảm dần cường độ, từ dư của vật sẽ giảm dần đến giá trị nhỏ nhất. Như vậy, để khử từ ta tiến hành các công việc sau: - Phải đổi chiều dòng điện để tạo vòng từ trễ. - Giảm dần cường độ để dòng từ trễ co dần. Phải đảm bảo cường độ từ trường ban đầu đủ lớn để thắng lực kháng từ ban đầu và giảm dần để giảm từ dư của vật sau mỗi bước. Do hiệu ứng vỏ, tần số dòng xoay chiều không được quá lớn. Các phương pháp khử từ: Cả dòng xoay chiều (AC) và một chiều (DC) đều có thể được dùng để khử từ. Dòng xoay chiều dùng đơn giản hơn, tuy nhiên với vật có kích thước lớn, hình dạng thay đổi thì sẽ dễ khử từ hơn nếu dùng dòng một chiều. Khi cần khử từ những vật nhỏ, đơn giản thì tốt nhất nên cho vật đi qua một ống từ nhỏ dài khoảng 1m với dòng điện xoay chiều chạy qua. Có thể khử từ vật bằng cách cuốn dây cáp quanh vật, ít nhất 5 vòng rồi cho dòng điện xoay chiều chạy qua và giảm dần dòng điện. Một phương pháp khử từ hay dùng khác là cho dòng điện xoay chiều chạy trực tiếp qua vật và giảm dần cường độ dòng. Khử từ bằng dòng điện một chiều: cho dòng điện chạy qua vật, đổi chiều, giảm dần dòng điện từng nấc (thường là 40 nấc). Khử từ dùng YOKE là phương pháp rất hữu hiệu để khử từ dư ở các vùng nhiễm từ của vật. Để khử từ, ta đặt YOKE vào vùng nhiễm từ của vật, cho dòng điện chạy qua trong khi đó nhấc dần YOKE lên và xoay tròn. Làm sạch sau khi kiểm tra: đối với các bán thành phẩm thì có thể không cần làm sạch. Nếu là sản phẩm cuối thì cần tiến hành làm sạch vì các bột từ có thể ăn mòn bề mặt hoặc gây bào mòn giữa các bộ phận chuyển động trong quá trình sử dụng sau này. Có thể làm sạch bằng các cách thông thường như bàn chải, chất tẩy rửa… 7.4. Phương pháp kiểm tra siêu âm. 7.4.1. Các đặc trưng của siêu âm. Định nghĩa siêu âm: Là tên gọi được sử dụng cho các sóng âm mà tần số của nó lớn hơn dải tần số mà tai người có thể nghe được, tức là vượt quá 20.000 Hz (20kHz). Tính chất của các sóng siêu âm: + Là các dao dộng cơ học lan truyền trong các chất rắn, lỏng, khí ở các dạng sóng. + Nếu trong môi trường lan truyền là yên tĩnh và đồng nhất thì sóng siêu âm lan truyền theo đường thẳng. + Tốc độ sóng là hằng số cho trước đối với một vật liệu bất kỳ và ở một nhiệt độ xác định cho trước. + Đối với các chất rắn thì nhiệt độ không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ truyền âm trong khoảng từ -10oC ÷ 80oC, và chỉ ảnh hưởng đến chất lỏng và chất khí. + Sóng âm bị phản xạ, khúc xạ tại biên giới giữa các vật liệu có tính chất âm khác nhau. Định luật vật lý áp dụng cho sự phản xạ, khúc xạ này chính là định luật phản xạ, khúc xạ của ánh sáng. + Sóng âm cũng bị giao thoa làm cho các sóng này mạnh lên hay yếu đi. Đặc trưng của sóng âm: Tốc độ của sóng âm (m/s): tốc độ lan truyền của sóng âm qua vật liệu trong thời gian một giây. Tốc độ là đặc trưng của vật liệu và được xác định bởi mật độ và các hằng số đàn hồi của nó. Tần số sóng âm (Hz): số chu kỳ dao động của sóng âm trong thời gian một giây. Bước sóng (): là khoảng cách mà một mặt sóng chuyển động qua môi trường trong một chu kỳ. Tính theo công thức sau: Trong đó: v: là vận tốc sóng âm f: là tần số của sóng. Các dạng lan truyền sóng: được đặc trưng bởi hướng dịch chuyển của các phần tử so với hướng lan truyền. + Trong chất rắn đàn hồi: sóng nén, sóng trượt, sóng bề mặt, sóng lamb. + Trong chất lỏng, khí (một vài chất rắn như Perspex): chỉ có sóng nén do các thông số đàn hồi của nó nhỏ. Sóng nén (các sóng dọc hay chùm thẳng): sự dịch chuyển của các hạt là song song hướng lan truyền. Có khả năng vượt qua một khoảng cách rất xa trong chất lỏng, chất rắn, và chất khí. Một dạng sóng đặc biệt của sóng nén là sóng “Creeping”, là một loại sóng nén được tạo ra theo một cách nào đó để có thể lan truyền trong một khoảng cách ngắn, và gần như song song với bề mặt vật kiểm tra. Hiện nay, sóng creeping được sử dụng nhiều trong việc kiểm tra độ ngấu các mối hàn trong khe hở hẹp. Nếu các sóng nén được truyền vào trong vật liệu tấm mỏng thì hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra mạnh khi độ dầy của tấm bằng một nửa bước sóng. Hiện tượng này được sử dụng để đo rất chính xác độ dầy của các tấm mỏng. Hình 7.4.1.a: Dịch chuyển phần tử trong sóng nén Sóng trượt: phần tử sóng trượt dịch chuyển ngang so với phương lan truyền sóng. Sóng trượt chỉ xuất hiện trong các vật liệu có các thông số đàn hồi đồng nhất (tức là hầu hết các kim loại và hợp kim). Tốc độ của sóng trượt cho trước trong chất rắn bất kỳ là nhỏ hơn tốc độ của sóng nén. Chúng có thể lan truyền với khoảng cách khá xa trong các điều kiện âm học thích hợp. Hình 7.4.1.b: Dịch chuyển phần tử trong sóng ngang Sóng trượt được sử dụng để kiểm tra các thép ferit và các vật liệu khác có tổ chức hạt mịn và đồng nhất, kiểm tra các mối hàn trong sản phẩm rèn và cán của thép ferit. Sóng mặt (sóng Rayleigh): các phần tử sóng mặt dịch chuyển dạng elip, đây là hệ quả của dịch chuyển sóng trượt biến dạng. Các sóng mặt chỉ lan truyền dọc theo bề mặt và chỉ xuyên sâu vào khoảng một bước sóng. Tốc độ của sóng mặt vào khoảng 80 ÷ 90% tốc độ của sóng trượt. Chúng chịu ảnh hưởng bởi yếu tố bề mặt của vật kiểm tra. Thường được sử dụng để kiểm tra các cấu kiện có bề mặt rất nhẵn như cấu trúc vỏ máy bay. Do chúng lan truyền theo bề mặt của vật liệu nên chúng dùng để kiểm tra các khuyết tật như vết nứt mỏi của các góc lượn hay những vị trí không thể tiếp cận được để kiểm tra thẩm thấu hoặc bột từ. Hình 7.4.1.c: Dịch chuyển phần tử trong sóng mặt Các sóng Lamb (sóng tấm): là một dạng của sóng nén với sự dịch chuyển phần tử phức tạp. Chúng lan truyền trong các tấm kim loại mỏng dầy cỡ một bước sóng. Tốc độ của sóng phụ thuộc vào độ dầy của tấm và tần số sóng được phát ra. Dùng để dò tìm khuyết tật loại tách lớp ở gần bề mặt. Sự phản xạ, khúc xạ và chuyển đổi dạng sóng: khi sóng âm chạm vào biên giới giữa hai vật liệu có đặc tính âm khác nhau thì chúng sẽ bị phản xạ và truyền qua. Ngoài ra, sóng âm còn bị “chuyển dạng”. Tỷ lệ quan hệ năng lượng âm phản xạ, truyền qua và chuyển dạng phụ thuộc vào mức độ khác nhau của các vật liệu về đặc tính âm và cũng phụ thuộc vào góc tới của chùm âm. - Sự phản xạ: tỷ lệ sóng âm bị phản xạ cực đại khi góc tới càng lớn, đặc tính âm càng khác nhau. - Sự khúc xạ: một chùm âm chạm vào biên giới hai vật liệu có dặc trưng âm học khác nhau thì nó bị khúc xạ khi góc tới khác 0, và nó được truyền qua biên giới. Góc tới liên quan với góc khúc xạ theo định luật Snell: Tỷ số các sin góc tới và sin góc khúc xạ bằng tỷ số các vận tốc trong hai môi trường: - Chuyển đổi dạng sóng: mức độ chuyển đổi dạng sóng phụ thuộc rất mạnh vào góc tới. Vd: khi sóng trượt đi vào biên giới của thép ferit và không khí thì chúng sẽ chuyển đổi rất mạnh thành sóng nén. Các sóng nén hình thành lan truyền theo bề mặt dưới dạng sóng Creeping. Tới 90% năng lượng ban đầu của sóng trượt chuyển thành sóng nén. Chuyển đổi dạng sóng đôi khi gây ra các trục trặc trong siêu âm nhưng đôi khi cũng dùng để kiểm tra khuyết tật. 7.4.2. Các nguyên lý cơ bản của kiểm tra siêu âm. - Kiểm tra truyền qua: Xuất hiện ở Đức vào năm 1930, đây là phương pháp siêu âm đầu tiên được sử dụng. Kiểm tra truyền qua yêu cầu sử dụng hai đầu dò siêu âm: một phát và một thu. Hai đầu dò này đặt đối diện nhau, vật kiểm tra được đặt giữa chúng. Các hệ thống đầu tiên được sử dụng để dò các tạp chất sỉ, lỗ co ngót trong các phôi đúc. Hiện nay, nó chỉ được dùng trong kiểm tra tự động các phôi thép trong quá trình cán. Hình 7.4.2.a: Kiểm tra truyền qua Hình 7.4.2.b: Đầu dò cột nước thay thế bể thử Với ứng dụng này, kiểm tra truyền qua có ưu điểm nhiều hơn so với kiểm tra xung vọng là có khả năng dò như nhau đối với quá trình tách lớp ở gần mặt trước, sau và ở giữa độ dầy. Có thể thay các bể nước bằng các cột nước có áp suất cao. Kiểm tra truyền qua bị giới hạn để kiểm tra các chi tiết có bề mặt song song, không cho bất kỳ thông tin nào về vị trí, độ sâu, độ lớn của khuyết tật. - Kiểm tra xung vọng: Sự phát triển của kỹ thuật kiểm tra siêu âm xung vọng trong những năm 1940 thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ kiểm tra siêu âm. Vào đầu những năm 50, thiết bị siêu âm xung vọng đã được sử dụng trong thương mại để dò tìm những khuyết tật trong sản phẩm thép đúc. Các bước phát triển tiếp theo đã đưa đến việc sử dụng hữu hiệu kiểm tra siêu âm trong kiểm tra mối hàn. Hệ thống siêu âm xung vọng dựa trên các yếu tố: + Các sóng âm truyền theo một đường thẳng với tốc độ không đổi. + Chúng phản xạ tại biên giới các vật liệu có đặc tính âm khác nhau. Các hệ thống xung vọng phát ra chuỗi ngắn (thường nhỏ hơn 10 chu kỳ trong một giây). Nó bao gồm một thiết bị định thời gian được kích hoạt bởi một máy phát xung và một thiết bị nghe (cũng có thể tương tự như thiết bị phát) để dò các năng lượng âm bất kỳ phản xạ về phía chúng. Thời gian bao gồm giữa điểm phát xung và nhận xung phản xạ có quan hệ trực tiếp với quãng đường đã vượt qua. Do đó, có thể cho thông tin về vị trí khuyết tật. Nếu thiết bị định thời gian là một ống tia Catot (CRT) có bộ phát thời gian tuyến tính hoạt động theo trục X thì trục có thể được sử dụng để biểu diễn số năng lượng âm thu nhận được. Nguyên tắc cơ bản của xung vọng: Tại thời điểm t=0, máy phát ra một xung điện ngắn tới bộ phát/thu. Bộ phát/thu chuyển đổi xung điện thành năng lượng siêu âm và nó được truyền vào trong vật kiểm tra. Các xung âm truyền với tốc độ không đổi v, cho đến thời điểm bằng x thì nó bị phản xạ từ mặt phân cách trở lại bộ thu / phát. Đến bộ thu / phát tại thời điểm 2x. Sau đó, nó chuyển đổi thành năng lượng điện rồi được khuyếch đại và chỉnh lưu. Nếu tốc độ v = const thì quãng đường mà nó đi được là 2xv và mặt phản xạ cách đầu dò một khoảng xv. Do đó, ta có thể biết khoảng cách từ một mặt phản xạ tới đầu dò nếu biết thời gian 2x. Các nguyên tắc cơ bản của xung vọng được chỉ ra trên hình sau: Hình 7.4.2.c: Nguyên tắc cơ bản của kiểm tra xung vọng - Máy dò khuyết tật (cho kiểm tra xung vọng): Kiểm tra siêu âm xung vọng phụ thuộc vào khả năng đo đạc chính xác khoảng thời gian mà xung âm quay phản xạ trở lại điểm xuất phát của nó. Điều này có thể đạt được khi sử dụng các ống tia catot với đường nằm ngang biểu diễn thời gian (hay khoảng cách lan truyền được) và trục dọc biểu diễn cường độ âm thu được (hay độ cao của xung). - Ống tia catot (CRT) Trong ống tia catot có một chùm rất hẹp các điện tử tốc độ cao được phát ra từ một súng điện tử chuyển động trong buồng chân không về phía màn hình. Màn hình được phủ một lớp phốtpho phát quang. Chỗ mà chùm điện tử đập vào thì lớp phốtpho phát quang chuyển đổi động năng của điện tử thành năng lượng ánh sáng tạo nên một điêm sáng xanh trên màn hình. Các lớp phủ phốtpho phát quang có dộ lưu ảnh rất thấp. Đó là vì chúng không được phép lưu lại hình ảnh trước đó sau khi bị các chùm điện tử va đập lên các điểm của màn hình. Các điện tử có điện tích âm và có thể bị đổi hướng trong điện trường. Do đó, người ta bố trí các bản cực X và Y có điện trường thay đổi được để thay đổi hướng quét chuyển động của chùm tia theo hướng ngang hay thẳng đứng. Hình 7.4.2.d: Sơ đồ bố trí máy dò khuyết tật A-SCAN. Hình 7.4.2.e: Mặt cắt ngang của CRT Hình 7.4.2.f: Mặt cắt đứng CRT - Biểu diễn A-SCAN: Trong biểu diễn A-SCAN, ống tia catot điện tích được dùng để biểu diễn các tín hiệu phản xạ thu nhận được bởi đầu dò. Khi hoạt động theo kiểu A-SCAN, một đường gốc thời gian có thể điều chỉnh được áp dụng đối với trục X của màn hình trong khi sự chênh lệch của chùm điện tử hướng theo Y là tỷ lệ thuận trực tiếp với điện áp của tín hiệu thu nhận được. Hình 7.4.2.g: Sơ đồ hoạt động của máy A-SCAN. Nguyên lý hoạt động: bộ phát xung phát ra xung điện truyền qua một mạch trễ có thể điều chỉnh được để kích thích bộ phát gốc thời gian. Bộ phát thời gian làm cho chùm điện tử quét từ trái sang phải trên màn hình dọc theo đường gốc trên màn hình với vận tốc không đổi. Vận tốc này có thể điều chỉnh được khi sử dụng bộ điều chỉnh dải. Xung điện tương tự có thể truyền qua bộ khuyếch đại truyền tới đầu dò và năng lượng điện được chuyển đổi thành siêu âm. Xung siêu âm được truyền trong vật liệu, tới mặt phân giới và bị phản xạ trở lại đầu dò. Đầu dò chuyển đổi năng lượng âm phản xạ thành năng lượng điện. Xung điện do đầu dò sinh ra được khuyếch đại và chỉnh lưu toàn phần. Sau đó, nó vượt qua bộ suy giảm (điều chỉnh độ nhạy) tới các bản cực Y của CRT. Nó làm cho các điểm sáng chạy ngang trên màn hình bị lệch theo chiều dọc một lượng tỉ lệ thuận với điện áp của tín hiệu thu nhận được. Tín hiệu khi đó được biểu diễn là một đỉnh nhọn trên màn hình. Nếu đường thời gian được áp dụng lên các bản cực X là tuyến tính thì khoảng cách mà chùm điện tử đã vượt qua trên màn hình trươc khi thu nhận tín hiệu sẽ tỉ lệ thuận với thời gian của chùm siêu âm phải lan truyền trong vật liệu. - Các công tắc và núm điều khiển của máy dò siêu âm: Phần dưới đây mô tả các công tắc và các loại núm điều khiển thường có của một số loại máy dò siêu âm. Hình 7.4.2.h: Bố trí núm điều chỉnh trên máy siêu âm thông dụng + Núm chỉnh dải (thô và tinh): dùng để điều chỉnh thời gian: chúng để điều chỉnh thời gian mà chùm điện tử quét ngang trên màn hình. Nếu tốc độ quét giảm xuống thì độ rộng màn hình thể hiện một khoảng thời gian dài hơn. Tốc độ của sóng âm là hằng số cho nên núm chỉnh dải có thể được điều chỉnh để trục nằm ngang thể hiện khoảng cách mà chùm âm lan truyền được. Núm điều chỉnh dải thô thường có ghi nhãn bằng mm (vd: 50mm, 100mm, 250mm…). Các nhãn này được xử lý chỉ với một hướng dẫn: thường có thể điều chỉnh dải đo 100mm khi sử dụng núm chỉnh dải thô ở vị trí 50mm hoặc 200mm. + Núm trễ: làm trễ các tín hiệu từ bộ phát xung đến bộ phát gốc thời gian do đó, nó làm trễ điểm bắt đầu của đường nằm ngang. Núm này cho phép kỹ thuật viên làm trễ ra ngoài màn hình khoảng thời gian mà chùm âm tiêu phí trong đế của đầu dò trước khi nó chạm vào vật kiểm tra. Do vật điểm không trên màn hình có thể đại diện cho điểm không của vật liệu, tức là thời điểm mà tại đó chùm âm đi vào vật liệu. + Núm điều chỉnh độ lợi (bộ suy giảm): điều chỉnh điện áp tác dụng lên các bản cực Y. Do đó, chúng điều khiển độ cao của xung xuất hiện trên màn hình. Các núm chỉnh độ lợi được chỉnh bằng dB. Đây là đơn vị chuẩn để so sánh một cường độ âm này với cường độ âm khác. dB là đơn vị lôgarit được bắt nguồn từ tỉ số của độ cao xung thứ nhất so với xung thứ hai. Độ cao của xung vọng trong máy A-SCAN tỷ lệ thuận với cường độ âm và được tính như sau: Ở đây: Hn là độ cao tương ứng với cường độ In. + Núm điều chỉnh loại bỏ (nén): loại bỏ tất cả các tín hiệu bên dưới một mức độ cao xác định của màn hình. Những tín hiệu này làm cho khuyếch đại không được tuyến tính: độ cao của tín hiệu biểu diễn không tỉ lệ với cường độ âm thu được. Vì thế, núm loại bỏ nói chung chỉ được sử dụng với các phép đo độ dày và khi được yêu cầu. Chắc chắn là chúng không bao giờ được sử dụng trong kiểm tra mối hàn. Hình 7.4.2.i: Núm điều chỉnh loại bỏ tắt. Hình 7.4.2.j: Núm điều chỉnh loại bỏ bật. + Công tắc đầu dò đơn, đôi: khi công tắc ở vị trí đơn các đầu ra và vào của đầu dò được nối song song với các đầu phát và thu. Do vậy, không có sự khác nhau về đầu nối đối với các đầu dò đơn tinh thể. Khi công tắc ở vị trí đôi, các đầu được cách ly về điện và thiết bị phù hợp với việc sử dụng đầu dò tinh thể kép. + Công tắc tần số: các máy siêu âm có bộ khuyếch đại có thể điều chỉnh tần số cho phù hợp với đầu dò được sử dụng. Nếu máy có núm chỉnh Tần số thì điều quan trọng là phải chỉnh được tần số phù hợp với đầu dò. Chú ý: tần số được kiểm soát bởi độ dày của tinh thể chứ không phải của máy siêu âm. 7.4.3. Các đầu dò siêu âm (cho phương pháp xung vọng) Siêu âm được tạo ra do hiệu ứng áp điện của các vật liệu xác định. Các vật liệu áp điện xuất hiện tự nhiên bao gồm thạch anh, tuy nhiên các vật liệu điện áp được sử dụng rộng rãi là các sản phẩm gốm đơn tinh thể nhân tạo. Phổ biến nhất là PZT (Ziconate Titanite Chì). Gần đây, một số vật liệu polime có tính áp điện đã được phát minh và được ứng dụng trong một số trường hợp đặc biệt. - Hiệu ứng áp điện: Nếu một điện tích được tác động lên một tinh thể áp điện thì tinh thể có thể thay đổi hình dạng, hoặc giãn ra hoặc co lại phụ thuộc điện tích tác động là dương hay âm. Do đó, nếu tác động một điện tích thay đổi thì tinh thể sẽ dao động. Phụ thuộc vào kích thước vật lý (độ dày) của tinh thể thì sẽ có tần số cộng hưởng tương ứng. Điều này có nghĩa là tần số của sóng siêu âm phát ra từ một đầu dò không ảnh hưởng bởi tần số của điện áp mà bởi độ dày của tinh thể. Ngược lại, tinh thể áp điện chịu các tác động cơ học thì sẽ sinh ra dòng điện xoay chiều nhỏ. Điện áp của dòng xoay chiều tỷ lệ thuận với độ lớn của dao động nhận được. - Cấu tạo đầu dò: Các đầu dò cho kiểm tra NDT có thể là đơn tinh thể hay đa tinh thể. Chúng được cấu tạo sao cho có thể phát ra loại lan truyền sóng đặc biệt trong vật liệu kiểm tra ở một tần số nào đó. Thông thường, người ta hay dùng tần số 1, 2, 4, 5 MHz. Các tần số cao hơn tần số này được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt. Trong kiểm tra tiếp xúc tinh thể, đầu dò được gắn trên một đế bảo vệ, thường là Plexiglass hoặc gốm để tránh tinh thể khỏi bị hỏng. Mặt khác các đầu dò kiểm tra chúng không yêu cầu một đế như vậy vì ở đây chúng không bị mài mòn. Hình 7.4.3.a: Góc nêm và góc bị khúc xạ Nếu khả năng cho lan truyền lớn hơn một dạng sóng thì có thể xuất hiện đồng thời các dạng sóng khác nhau trong đầu dò. Đây là điều không mong muốn. Do vậy, đế đầu dò thường được chế tạo từ Perspex là chất rắn có khả năng mài mòn hợp lý. Tuy nhiên nó có một vài đặc tính giống như chất lỏng: là chỉ cho sóng nén lan truyền trong nó. Trong một số trường hợp, các tinh thể được gắn lên trên một đế gốm. Để giảm thiểu các trục trặc với các sóng ngang trong các đế đầu dò, đế gốm phải có cấu tạo cực kỳ mỏng. Các đế này được sử dụng chỉ cho các đầu dò sóng nén 0o. Tinh thể và vật liệu đế phải tiếp xúc với nhau. Các sóng ngang, creeping, nén nghiêng và các sóng bề mặt được sinh ra trong các vật liệu kiểm tra bằng cách khống chế cẩn thận góc nêm của đế đầu dò perspex. Trong thép, với góc nêm <27,37o (góc tới hạn thứ nhất), thì cả hai sóng nén và sóng ngang đều sinh ra trong thép. Khi góc nêm tiến đến 0o, thì năng lượng của sóng nén tăng lên. Hình 7.4.3.b: Góc khúc xạ theo góc nêm (nêm Perspex) trên thép Ferit Trong vỏ của đầu dò luôn có chứa vật liệu làm nhụt âm, chúng có hai tác dụng: + Hấp thụ âm được truyền từ phía sau của biến tử. + Làm nhụt tinh thể để tránh hiện tượng ngân quá mức do đó sinh ra một xung ngắn của năng lượng âm và làm giảm vùng chết. Các vật liệu này thường là Vônfram Aradite. Một vài đầu dò có cuộn trở kháng nhỏ để làm nhụt tinh thể về điện. Hầu hết các đầu dò đơm tinh thể đều có vật liệu làm nhụt giống như vỏ phía trước của đầu dò. Nó giúp hấp thụ các xung phản xạ nội tại, làm giảm số lượng xung này quay trở lại tinh thể, tiếp tục giảm vùng chết của đầu dò này. Cấu tạo của một số loại đầu dò sóng siêu âm: Hình 7.4.3.c: Đầu dò sóng nén tinh thể Hình 7.4.3.d: Đầu dò sóng nén tinh thể đôi Trong các đầu dò đơn tinh thể thì tinh thể làm nhiệm vụ phát và thu tín hiệu. Đây là nguyên nhân gây nên các vùng chết do tinh thể tiếp tục rung sau khi đã phát tín hiệu xong. Các đầu dò kép hạn chế vùng chết bằng cách cách ly đầu phát và đầu thu bằng một hàng rào cách âm. Do đó, chúng được sử dụng để kiểm tra vùng gần bề mặt. Tuy nhiên các đầu dò đơn tinh thể có khả năng xuyên thấu mạnh hơn và nó được sử dụng đối với các vật liệu dày hơn. Hình 7.4.3.e: Đầu dò đơn tinh thể (loại có thể thay đổi) - Chùm siêu âm: Các đầu dò siêu âm có rất nhiều loại khác nhau. Để đạt được mức độ tối ưu trong kiểm tra thì đầu dò phải được chọn cẩn thận cho mỗi ứng dụng riêng biệt. Chùm âm được phát ra bởi các đầu dò như trên bị phân kỳ ra khi chúng lan truyền trong vật liệu. Sự phân kỳ này có sự tương đồng như sự phân kỳ của bức xạ phát ra từ một nguồn điện, nhưng phức tạp hơn. Một tinh thể có đường kính 10mm hoặc lớn hơn thì rõ ràng không phải là một điểm đơn thuần. Thực tế nó bao gồm nhiều nguồn điểm và tất cả cùng phát ra sóng âm cùng phản hồi với nhau. Vì mặt trước của các sóng nhỏ phân kỳ so với các nguồn điểm tương ứng cho nên chúng sẽ gặp các mặt sóng từ các điểm khác trên tinh thể. Các sóng có thể giao thoa tăng cường lẫn nhau hay triệt tiêu lẫn nhau. Hiện tượng này xảy ra mạnh đối với vùng nằm gần nguồn phát và giảm dần khi đi ra xa nguồn. Vùng này gọi là “vùng gần”, trong đó xảy ra hiện tượng thay đổi áp suất âm do giao thoa cộng hưởng sóng. Độ dài của vùng gần cho các tinh thể riêng lẻ là hàm số của đường kính của nó và bước sóng của sóng âm được phát ra tính theo công thức sau: , mm Trong đó: D: đường kính tinh thể (mm) : bước sóng (mm) N: khoảng cách vùng gần (mm) Đằng sau vùng gần, áp suất âm ở tâm chùm âm giảm dần; đầu tiên chậm, sau nhanh dần cho tới khi tốc độ giảm cực đại tại điểm 3 hay 4 độ dài của vùng gần từ tinh thể. Tốc độ giảm tỷ lệ thuận với trong đó R là khoảng cách từ tinh thể. Vùng gần còn gọi là vùng Fresnel, vùng ở sau vùng gần gọi là vùng xa, hay còn gọi là vùng Fraunhofer. Hình 7.4.3.f: Áp suất âm tại tâm của chùm siêu âm. Hình 7.4.3.g: Các biên giới đẳng áp 6dB, 12dB, 20dB của áp suất âm trong một chùm âm Góc một nửa của sự phân kỳ cho mỗi đường đẳng áp có thể được tính theo công thức sau: Trong đó: : là góc phân kỳ của chùm. k: hằng số cho mỗi đường đẳng áp : bước sóng âm D: đường kính tinh thể. - Sự suy giảm: Ngoài việc suy giảm tự nhiên của áp suất âm hay cường độ âm theo khoảng cách do sự phân kỳ của nó, còn có sự mất mát do sự suy giảm do tán xạ âm khi va chạm với các hạt trong vật kiểm tra. Kích thước hạt càng lớn thì sự tán xạ càng nhiều dẫn đến sự suy giảm càng mạnh. - Các yếu tố ảnh hưởng đến việc chọn đầu dò: + Tần số: sóng âm có bước sóng dài và tần số thấp thì suy giảm thấp hơn, có vùng trường ngắn hơn so với các chùm âm có bước sóng ngắn và tần số cao. Tuy nhiên, ta thường chọn tần số đầu dò cao nhất có thể do: - Có độ nhậy cao với khuyết tật, độ phân giải cao. - Có độ phân kỳ thấp hơn. Tuy nhiên, tần số cao thì vùng gần cũng dài hơn nhưng có thể được khắc phục bằng cách dùng một đế “đầu dò trễ” do đó, vùng gần thực tế nằm ngoài khu vực của vât liệu kiểm tra. + Đường kính tinh thể: Tinh thể lớn tạo chùm âm thường ít bị phân kì, nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên vùng gần dài hơn và không thực tế khi kiểm tra các mặt cong (do sự không ổn định của đầu dò). Các tinh thể đường kính lớn thường dùng để tìm khuyết tật, còn các tinh thể có đường kính nhỏ thường dùng để xác định độ lớn của khuyết tật. + Góc của chùm: Khi các mặt phản xạ có dạng gương phẳng thì các đầu dò phải được chọn sao cho chùm âm gần như vuông góc với bề mặt của mặt phản xạ sao cho chùm âm lan truyền sẽ quay trở lại điểm xuất phát. + Dạng lan truyền: Các sóng ngang có tổn hao lớn hơn các sóng dọc cho trước ở một tần số bất kỳ cho trước. Tuy nhiên, do bước sóng của chúng nhỏ hơn nên chúng có thể dò ra các khuyết tật nhỏ hơn. Chúng cũng nhạy hơn với các phản xạ góc (vd như không ngấu ở mối hàn một phía). Sóng ngang có thể được phát ra với góc bất kỳ trong khoảng 35÷75o trong thép ferit mà không gây ra bất cứ dạng sóng lan truyền nào khác. Trong khi sóng dọc có thể được phát ra ở 0÷90o ở vùng vật liệu. + Tinh thể đơn hoặc kép: Trong các đầu dò đơn tinh thể, chúng có hai nhiệm vụ là thu và phát tín hiệu. Do đó, chúng có một vùng chết. Dó la khoảng liên quan tới tiếng ồn nội tại mà máy không thể nhận ra các sóng phản hồi. Tiếng ồn nội tại này liên quan đến sự rung của tinh thể và vỏ. Có thể giảm bằng cách tăng mức độ làm nhụt tinh thể, giảm độ dài của xung điều khiển và thiết kế đế đầu dò. Các đầu dò đơn tinh thể được sử dụng nhiều hơn đầu dò kép do tính đâm xuyên và độ phân giải cao hơn. Tuy nhiên việc sử dụng đầu dò kép thường được dùng để dò các khuyết tật gần bề mặt. Các đầu dò kép có điểm chung là tinh thể của chúng nghiêng vào nhau khoảng 4o, do đó làm phát sinh một điểm mù ở khoảng cách rất ngắn và không thích hợp để sử dụng cho dải vượt quá 50mm. Hình 7.4.3.h: Vùng chết của đầu dò đơn Hình 7.4.3.i: Vùng chết của đầu dò sóng nén kép. 7.4.4. Kiểm tra thiết bị. Trước khi tiến hành kiểm tra siêu âm thì cần tiến hành kiểm tra hệ thống máy dò và đầu dò. Các tiêu chuẩn như ASME và BS 3923 phần 1 có các yêu cầu tối thiểu trong việc kiểm tra thiết bị và được coi là phương pháp chuẩn để kiểm tra. Việc mô tả các phương pháp tiến hành kiểm tra thiết bị, tần suất cần phải lặp lại và các giới hạn có thể chấp nhận được, phải được viết trong quy định kiểm tra chung được áp dụng chung cho các đặc tính của kiểm tra siêu âm. 7.4.4.1. Kiểm tra máy dò khuyết tật: + Hiệu chỉnh hằng năm: một việc có ý nghĩa thực tế rất cao đó là mang máy trở lại cho các nhà sản xuất hay các chuyên gia bảo trì thiết bị hiệu chỉnh hằng năm. Khi đó, đường quét thời gian và bộ khuyếch đại sẽ được kiểm tra và được điều chỉnh bởi các thiết bị điện tử một cách chính xác hơn nhiều so với khi tiến hành kiểm tra tại hiện trường. Hơn nữa các bộ phận khác cũng được tiến hành hiệu chỉnh để đạt mức độ tối ưu, các chi tiết bị xác định là hỏng sẽ được thay thế. + Độ tuyến tính đường thời gian: kiểm tra tại hiện trường. Người ta có thể sử dụng máy dò khuyết tật không có đường thời gian tuyến tính cho các phép kiểm tra đơn giản như kiểm tra phân lớp của một lớp thép. Tuy nhiên cho hầu hết mục đích, điểm chính yếu của phép kiểm tra là đường thời gian phải tuyến tính bởi vì kiểm tra siêu âm phụ thuộc vào việc thu nhận được thông tin vị trí một cách chính xác. Thông thường độ tuyến tính của đường thời gian bị trôi sau một thời gian vì vậy nó phải được kiểm tra thường xuyên (hằng tuần hoặc hằng ngày). Việc kiểm tra tại hiện trường của độ tuyến tính thời gian có thể tiến hành khi sử dụng đầu dò sóng nén cho tiếp xúc với một phần thuận lợi bất kỳ của vật liệu có cạnh song song. Các bộ chỉnh dải và chỉnh trễ được điều chỉnh để có từ 5 hay 10 xung đáy liên tiếp cách đều nhau dọc theo trục X của màn hình. Một cách lý tưởng thì mỗi xung trong chuỗi ở vị trí chính xác vị trí vạch chia của nó. Thiết bị lý tưởng nhỏ hơn 1% hoặc có thể 2% cho toàn bộ độ rộng màn hình. Hình 7.4.3.j: Máy dò khuyết tật này được chấp nhận + Độ tuyến tính bộ khuyếch đại: kiểm tra tại hiện trường. Vì hầu hết các tiêu chuẩn kiểm tra siêu âm yêu cầu các phản hồi từ các mặt phản xạ trong chi tiết kiểm tra phải được so sánh với phản hồi từ các mặt phản xạ chuẩn ở cùng dải, yếu tố chính cho phép kiểm tra là bộ khuyếch đại đã được hiệu chỉnh là tuyến tính. Cần chú ý là núm triệt nhiễu ở hầu hết các bộ khuyếch đại có xu hướng làm cho bộ khuyếch đại mất tuyến tính. Do đó, núm này phải để ở vị trí OFF khi tiến hành kiểm tra tuyến tính. Tất cả các phép kiểm tra tuyến tính bộ khuyếch đại phụ thuộc vào việc biểu diễn một xung và điều chỉnh nó tới một tỷ lệ thuận tiện của độ cao toàn bộ màn hình sau khi thêm vào hoặc bớt đi một lượng xác định độ lợi. Ví dụ: xung đáy từ dày 25mm của khối BS 2704 A2 đầu tiên được điều chỉnh tới 80% FHS: thêm 2 dB và phản hồi tăng lên 100% FSH, trừ đi 6 dB và phản hồi giảm xuống còn 50% FSH, trừ tiếp 8 dB thì phản hồi giảm xuống còn 20% FSH, trừ tiếp 6 dB thì phản hồi giảm còn 10% FSH, thêm vào 18 dB thì phản hồi phải tăng lên 80%. Hình 7.4.3.k: Kiểm tra độ tuyến tính bộ khuếch đại. Người ta thường hay kiểm tra hai núm độ lợi và tinh. Trong ASME V mô tả phép kiểm tra cho một trong hai núm trên và chỉ rõ xung thực tế trên màn hình phải bằng độ cao trên màn hình mong muốn " 5% FSH. Các phép kiểm tra này phải lặp lại thường xuyên. + Độ tuyến tính bộ khuyếch đại và đường thời gian với các máy dò khuyết tật số: Một vài máy dò có mạch điện tử theo dõi và điều chỉnh độ tuyến tính của đường thời gian và bộ khuyếch đại. Các thiết bị này thường tự ngắt nếu độ tuyến tính của đường thời gian và bộ khuyếch đại không duy trì được. Một số máy dò số có khả năng tự giữ độ tuyến tính ngay khi núm triệt nhiễu được bật. 7.4.4.2. Kiểm tra đầu dò: + Tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn: thường được định nghĩa là tỉ số của độ cao trên tiếng ồn ở cùng dải. Tiếng ồn bao gồm 3 thành phần sau: - Tiếng ồn điện tử: có thể xuất hiện ngay cả khi đầu dò không tiếp xúc với vật. Các máy dò khuyết tật còn bị ảnh hưởng bởi các tiếng ồn từ bên ngoài ở dạng sóng giao thoa radio. - Tiếng ồn cấu trúc (còn gọi là đáp ứng hạt hay “cỏ”): xuất hiện do sự phản xạ chùm âm tại các biên giới hạt trong vật liệu. Cỏ cũng lớn hơn ở các vật liệu thô hơn và khi tần số đầu dò cao hơn. - Tiếng ồn nội tại: Do các phản hồi không mong muốn ở vỏ đầu dò. Khi đầu dò cũ đi thì lớp dán của vỏ bị lỏng, do đó tiếng ồn tăng mạnh và có thể nhận thấy được. Tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn có thể đo được cho tất cả các đầu dò siêu âm. Nó có thể được biểu diễn như một tỷ số đơn giản nhưng thường được biểu diễn bằng dB. Yêu cầu tối thiểu của tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn là 6 dB hay 12 dB. Nếu tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn quá thấp sẽ dẫn đến chỉ báo sai các khuyết tật ảo. Khi tiến hành kiểm tra mối hàn của thép Ferit thì không cần đo tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn do tỷ số này rất lớn. Nhưng khi kiểm tra các vật liệu thô hơn như các mối hàn khuyếch tán của thép không rỉ thì phải đo tỷ số này do nó có thể nhỏ hơn 6dB. Phương pháp đo tỷ số này như sau: - Thu và làm cực đại một xung từ mặt phản xạ hiệu chỉnh ở một dải cho trước. Sử dụng bộ điều chỉnh độ lợi đưa xung này xuống một mức thấp tương quan là 10 hay 20% FSH và ghi giá trị độ lợi. - Tăng độ lợi cho tới khi mức ồn ở cùng dải với độ cao màn đã chọn (10 hay 20%FSH). Ghi nhận mức tăng độ lợi. Nó chính bằng tỉ số tín hiệu trên tiếng ồn ở dải đã chọn. Tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn thay đổi theo dải. Khi tỉ số tín hiệu trên tiếng ồn ở một dải nào càng lớn thì càng dễ phân biệt các phản hồi khuyết tật ở dải này. Tỷ số tín hiệu trên tiếng ồn giảm dần khi đầu dò cũ đi. Do các tinh thể dính vào đế kém hơn. Các đầu dò kép thường dễ nhiễu do bị nhiễm bẩn chất tiếp âm vào hàng rào cách âm giữa các tinh thể phát, thu. Đây là một trục trặc đặc thù khi mỡ hay dầu được sử dụng làm chất tiếp âm. + Độ phân giải: được định nghĩa là khả năng của một hệ thống siêu âm để phân biệt giữa hai hay nhiều hơn các mặt phản xạ ở các dải khác nhau từ đầu dò. Độ phân giải giảm đi khi tăng độ dài xung siêu âm. Độ dài xung chịu ảnh hưởng bởi 3 yếu tố: + Sự ngân của tinh thể: có thể coi là mức độ tinh thể tiếp tục dao động sau khi được kích thích bởi hoặc xung điện gốc hoặc xung siêu âm quay trở về. Các đầu dò siêu âm được thiết kế để làm giảm sự ngân của tinh thể nhờ sử dụng các chất liệu làm nhụt trong đế của đầu dò. Làm nhụt điện tử cũng có thể áp dụng để làm giảm độ ngân. Các đầu dò tần số cao thường có độ ngân nhỏ hơn các đầu dò tần số thấp. Hình 7.4.3.l: Độ phân giải đầu dò 4 MHz Hình 7.4.3.m: Độ phân giải đầu dò 1 MHz + Độ dài xung điện: nó được điều khiển bởi máy dò khuyết tật. Hầu hết các máy dò khuyết tật có ít nhất hai độ dài xung được đặt. + Độ gồ ghề của mặt vào: kiểm tra các bề mặt gồ ghề có thể làm tăng độ dài của xung siêu âm. Các khối BS 2704 A7 có thể được sử dụng để đánh giá khả năng phân tích của tất cả các đầu dò siêu âm. Khối này bao gồm nửa các khối hình trụ có đường kính khác nhau của thép ferit. Nó có các bước 2 - 3,5 -5 mm. Hình 7.4.3.n: Khối phân giải BS 2704 A7. Phương pháp để đánh giá độ phân giải như sau: Đầu dò được đặt trên mặt phẳng của khối phân giải A7 và phản hồi từ bề mặt hình trụ được thu cực đại. Đầu dò được ngắm kỹ lưỡng ở bước yêu cầu và các xung từ hai bên bề mặt hình trụ được nói là tách biệt khi hai xung ở độ cao toàn bộ màn hình là tách biệt ở độ cao hơn 50%FSH. Khả năng phân giải là yếu tố cực kỳ quan trọng khi đánh giá mối hàn vì nó rất quan trọng để đánh giá các xung gần nhau. Vd: tín hiệu từ giọt đáy của mối hàn một phía có thể tách biệt chỉ trong khoảng 2 ÷ 3 mm so với các tín hiệu do nứt mép đáy hoặc không ngấu đáy. Nếu các xung này không được tách biệt thì không thể đánh giá đáy của các mối hàn đó có độ tin cậy cao. Do khả năng phân giải bị ảnh hưởng mạnh bởi độ dài xung nên cần sử dụng độ dài xung được sử dụng để đánh giá độ phân giải. + Vùng chết: đây là độ sâu của vùng ngay dưới bề mặt của chi tiết kiểm tra mà không thể dò thấy khuyết tật nhỏ một cách chắc chắn. Đối với các đầu dò đơn tinh thể thì vùng chết sinh ra do tiếng ồn nội tại của đầu dò, do sự phản xạ trong chất tiếp âm (đặc biệt khi bề mặt gồ ghề) và sự rung tinh thể. Đối với các đầu dò kép thì vùng chết xuất hiện do có điểm mù mà độ dài của nó được xác định bởi cấu tạo của đầu dò. Tất cả các đầu dò kép đều có một điểm hội tụ mà độ nhậy là lớn nhất và giảm dần đi ở các vùng khác. Các yêu cầu của vùng chết thường không được nêu ra trong tiêu chuẩn cần quan tâm nhưng vùng chết cần được tính toán kỹ khi phát triển các quy trình siêu âm, nếu không một số vùng của chi tiết vẫn không được khảo sát hết. + Điểm xa (điểm phát của đầu dò): áp suất của chùm âm là lớn nhất dọc theo chùm. Loại trừ trường hợp các đầu dò sóng nén đơn tinh thể, chùm âm là không đối xứng hoàn toàn quanh trục của nó. Điểm ra có thể được định nghĩa là điểm tại đó trục của chùm rời khỏi đế của đầu dò. Trong trường hợp đầu dò sóng nén 0o nó luôn luôn là tâm hình học của đế đầu dò. Trong trường hợp các đầu dò sóng ngang thì điểm ra của đầu dò được xác định riêng biệt cho từng đầu dò. Nếu không thể thực hiện được điều đó thì không thể xác định thật chính xác điểm tâm của bất kỳ phản hồi cực đại cho trước (để đạt được điều đó cần xác định được chính xác góc của đầu dò). Phương pháp tìm điểm ra của đầu dò góc sóng ngang là hướng chùm tia về các bề mặt hình trụ lõm. Bề mặt được chọn phải lớn hơn đường kính chùm theo mặt phẳng nằm ngang. Khi phản hồi từ các bề mặt hình trụ đã được thu cực đại thì điểm ra của đầu dò có thể được đánh dấu trùng với điểm tâm của mặt trụ. Khối chuẩn BS 2704 A2 là thích hợp cho mục đích này (khối A4 có thể được sử dụng nhưng kết quả không đáng tin cậy như khối A2). Đôi khi đường tâm của đầu dò không vuông góc với bề mặt trụ khi các xung thu được cực đại. Trong các trường hợp này điểm ra của đầu dò được đánh dấu trên mỗi phía của đầu dò và đầu dò bị coi là “lé” (squint). + Góc của chùm: được coi là góc khúc xạ của chùm âm trong vật kiểm tra, góc được đo tại trục của chùm. Các đầu dò sóng ngang được cung cấp với góc chuẩn lên thép ferit được ghi trên vỏ. Chú ý là do tốc độ âm khác nhau cho mỗi vật liệu khác nhau cho nên đầu dò sóng ngang bất kỳ sẽ có góc khác nhau cho mỗi vật liệu kiểm tra. Vd: một đầu dò có góc là 60o trong thép ferit (tốc độ sóng ngang 3240m/s) sẽ có góc của chùm vào khoảng 56,8o trong thép không gỉ austenit (tốc độ sóng ngang 3130m/s). Do đó, khi đo góc thì điều quan trọng là khối thử được sử dụng có các đặc tính âm của chi tiết được kiểm tra. Một phương pháp nhanh để kiểm tra góc của đầu dò là sử dụng khối BS 2704 A2 hoặc A4. Nó bao gồm việc định hướng chùm về hướng lỗ khoan sườn có trong các mẫu này và đọc góc chùm ở thang tương ứng ở bên cạnh của khối khi các xung từ lỗ được thu cực đại. Phương pháp này chỉ có thể thực hiện một phép kiểm tra tương đối góc của chùm. Để kiểm tra độ chính xác cao (như kiểm tra một mối hàn đối đầu một phía) thì khối BS 2704 A5 được sử dụng. Như đã nói, điều quan trọng khi kiểm tra mối hàn là phải xác định chính xác góc của đầu dò. Vd: khi kiểm tra đáy mối hàn góc một phía dày 20mm thì sai số chỉ 1o của góc chùm sẽ sinh ra sai số dọc theo đường âm là 3mm. Điều này gây ra các giải đoán sai về chất lượng đáy. Góc của chùm thay đổi liên tục do mòn, nên cần tiến hành kiểm tra thường xuyên. + Biên dạng của chùm: Do biên dạng của chùm âm thay đổi phụ thuộc vào vật kiểm tra nên điều quan trọng là vật liệu của khối vật liệu khối chuẩn phải tương tự như vật kiểm tra. Phương pháp để thu được biên dạng chùm âm tương tự như khi tiến hành vẽ trục của chùm âm. Trong thực tế thực nghiệm tiêu chuẩn để kiểm tra cả hai biên dạng chùm và góc cùng một lúc. Khi yêu cầu vẽ biên dạng của chùm thì người ta thường yêu cầu là việc vẽ này phải được lặp lại thường xuyên hàng tháng, hàng ngày do có sự mòn của đầu dò. 7.4.5. Các kỹ thuật xác định vị trí và độ lớn của khuyết tật. Kiểm tra siêu âm thường được sử dụng để xác định vị trí và đôi khi xác định độ lớn của khuyết tật trong chi tiết. Có một số phương pháp khác nhau để đánh giá độ lớn của khuyết tật nhưng chỉ có một phương pháp để xác định vị trí của khuyết tật bằng phương pháp siêu âm. Cả hai loại đầu dò đơn và kép đều được sử dụng để dò tìm vị trí của khuyết tật nhưng loại đầu đơn được ưa thích hơn vì hình dạng và cấu trúc của chùm âm thẳng hơn. Hình 7.4.5.a: Tiết diện chùm âm của các loại đầu dò trong vùng trường xa. 7.4.5.1. Vị trí khuyết tật: Khi một đầu dò được quét theo hướng bất kỳ ở trên mặt phản xạ, độ cao xung được biểu diễn như trên màn hình A-SCAN được quan sát là tối thiểu có một lần cực đại trước khi giảm xuống 0 vì chùm âm đã dịch chuyển hoàn toàn ra ngoài khuyết tật. Nếu mặt phản xạ là phẳng và nhẵn hoặc nhẵn và tròn, theo hướng mà đầu dò dịch chuyển qua mặt phản xạ thì chỉ một xung phản hồi cực đại được nhìn thấy. Các mặt phản xạ gồ ghề và nhiều mặt cho các xung phản xạ phức tạp hơn thường gồm một loạt các đỉnh xung tách biệt và không tách biệt. Có thể thu cực đại của đỉnh xung bằng cách dịch chuyển cẩn thận đầu dò. Phương pháp xác định vị trí khuyết tật: Giả sử trước tiên là xung vọng cực đại chỉ có thể thu được khi mặt phản xạ là ở trên trục của chùm (bởi vì ở đó áp suất âm là cực đại). Giả sử này được duy trì với các đầu dò có tần số cao hơn và đường kính tinh thể lớn hơn so với các đầu dò tần số thấp và đường kính tinh thể nhỏ bởi vì khu vực có áp suất âm cực đại ở trục của chùm là sắc nét hơn một cách rõ ràng cho các đầu dò đường kính lớn, tần số cao. Nếu các mặt phản xạ nằm trong vùng gần thì có thể xuất hiện trục trặc (do áp suất âm biến