Tài liệu Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm olympus nortec 2000d+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

TRẦN CÔNG SƠN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- TRẦN CÔNG SƠN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SAI SỐ KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ SIÊU ÂM OLYMPUS-NORTEC 2000D+ ĐỂ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN CẤU KIỆN GIÀN KHOAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHÓA 2009 CHẾ TẠO MÁY Hà Nội – Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- TRẦN CÔNG SƠN NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SAI SỐ KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ SIÊU ÂM OLYMPUS-NORTEC 2000D+ ĐỂ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN CẤU KIỆN GIÀN KHOAN CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI Hà Nội – Năm 2012 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Phương pháp siêu âm đã ra đời và phát triển hàng trăm năm nay. Ngày nay, các nền công nghiệp lớn đang bước vào một cuộc chạy về công nghệ cũng như giá thành sản phẩm mà họ sản xuất ra. Chất lượng của sản phẩm được đặt lên hàng đầu cho các sản phẩm. Để có thể cạnh tranh được họ phải áp dụng các công nghệ hiện đại và phương pháp kiểm tra sản phẩm sao cho rẻ nhất và chất lượng nhất. Phương pháp kiểm tra siêu âm để kiểm tra chất lượng của sản phẩm là một trong nhưng công nghệ kiểm tra tối ưu để kiểm soát chất lượng. Trong gia công cơ khí kết cấu giàn khoan thì siêu âm được ứng dụng rất nhều trong gia công. Nó dùng để kiểm tra chất lượng đa số mối hàn kết cấu thép bởi vì phương pháp siêu âm có thể kiểm tra được chất lượng mối hàn bên trong mối hàn mà các phương pháp kiểm tra chỉ thị màu, kiểm tra từ tính không thể kiểm tra được. Tuy nhiên trong phương pháp siêu âm mối hàn kết cấu giàn khoan cũng có những yếu tố gây nên sai số, làm cho việc đánh giá không đúng chất lượng và có thể dẫn đến loại bỏ sai các chi tiết đạt chất lượng yêu cầu. Để góp phần vào việc nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế, tôi xin lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUS-NORTECD+ để kiêm tra chất lượng mối hàn kết cấu giàn khoan”. 2 Mục đích nghiên cứu của luận văn Nhằm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phép đo từ đó đưa ra được các phương pháp khắc phục các sai số đo để áp dụng trong kiểm tra mối hàn tại công ty. Nhằm tối ưu hóa các phương pháp kiểm soát chất lượng của các chi tiết trong kết cấu giàn khoan, tạo ra được độ tin cậy cao hơn trong phép đo kiểm tra mối hàn nói chung và mối hàn kết cấu giàn khoan nói riêng. Từ đó đi sâu nghiên cứu và phối hợp giữa phương pháp kiểm tra bằng sóng siêu âm và phương pháp khác trong kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm. Trang 1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tập trung vào nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi dùng phương pháp kiểm tra siêu âm để kiểm tra chất lượng mối hàn trong các kết cấu giàn khoan. 4 Ý nghĩa của đề tài Với các kết quả nghiên cứu của luận văn, bước đầu đã tạo cơ sở cho việc xác định một số các yêu tố anh hưởng đến phép đo và mở ra một hướng công nghệ mới trong ngành cơ khí với những ưu điểm nổi bật của phương pháp kiểm tra siêu âm. - Đưa ra một cái nhìn tổng quan cho phương pháp siêu âm để phục vụ kiểm tra các chi tiết gia công cơ khí. - Trên cơ sở thực nghiệm kiểm tra siêu âm mối hàn ống, hàn thép tấm trong kết cấu giàn khoan đã đạt kết quả khả quan, tạo tiền đề thuận lợi cho hướng phát triển siêu âm và ghi lại các hình ảnh thực bên trong các mối hàn. 5 Nội dung luận văn Luận văn đã tập trung giải quyết một số vấn đề về nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nội dung luận văn được chia thành 3 chương nhằm làm rõ vấn đề “Nghiên các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUS-NORTEC+ để kiêm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan”, cụ thể gồm: + Mở đầu + Chương 1: Đại cương về sóng siêu âm + Chương 2: Các phương pháp kiểm tra siêu âm và thiết bị siêu âm + Chương 3: Đo khuyết tật và các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo + Kết luận và đề xuất + Tài liệu tham khảo Trang 2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu, thực hiện khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được ý kiến góp ý của quý Thầy, Cô để bản luận văn được hoàn thiện hơn và trở thành một tài liệu tham khảo hữu ích cho việc ứng dụng công nghệ sóng siêu âm vào trong quá trình sản xuất. Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn Cô giáo TS. Nguyễn Thị Phương Mai, quý Thầy, Cô trong bộ môn Cơ khí chế tạo máy, Viện Cơ khí, Viện đào tạo Sau Đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. TÁC GIẢ Trang 3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ SÓNG SIÊU ÂM 1.1 GIỚI THIỆU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG ÂM 1.1.1 Định nghĩa sóng âm. Sóng âm là dao động cơ học lan truyền trong các chất rắn, lỏng và khí ở dạng sóng. Phổ âm dưới đây chỉ ra các tần số siêu âm tiêu biểu được sử dụng trong hệ thống kiểm tra thương mại. Hình 1 là biểu diễn phổ âm. Âm SIÊU ÂM Kiểm tra các vật đúc và rèn Kiểm tra mối hàn Kiểm tra độ dày Kiểm tra độ dày của vật liệu mỏng 10H z 20kHz 0.5MHz 1MHz 2MHz 5MHz 10MHz Hình 1.1: Phổ âm 1.1.2 Bản chất của các sóng âm Nếu trong một môi trường có sóng âm lan truyền là yên tĩnh và đồng nhất thì các sóng âm sẽ truyền theo đường thẳng. Tốc độ sóng là hằng số đối với một vật liệu bất kỳ cho trước và ở nhiệt độ xác định cho trước. Tác động của nhiệt độ lên tốc độ sóng âm là không đáng kể trong dải nhiệt độ từ –100 tới 800C. Sự thay đổi của nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh hơn đối với tốc độ âm trong các chất dẻo ( như Perspex), các chất lỏng và các chất khí. Trang 4 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Các sóng âm bị khúc xạ, phản xạ tại biên giới giữa các vật liệu có các đặc tính âm khác nhau. Định luật vật lý được áp dụng cho sự phản xạ và khúc xạ của sóng ánh sáng cũng được áp dụng cho sóng âm. Các sóng âm và sóng ánh sáng có thể là đối tượng trong các hiện tượng giao thoa làm cho nó mạnh lên hoặc bị giảm đi. Sự nhiễu xạ của các sóng âm cũng giống như là của các sóng ánh sáng. 1.1.3 Các dạng sóng âm Tất cả các dạng sóng đều được mô tả bằng tốc độ, tần số, bước sóng và dạng lan truyền của chúng. Tốc độ của sóng âm: Tốc độ của sóng âm là khoảng cách mà sóng lan truyền được qua vật liệu trong một giây. Tốc độ là đại lượng đặc trưng của vật liệu và được xác định bởi mật độ và các hằng số đàn hồi của nó. Tần số của sóng âm thường được biểu diễn bằng m/s. Tần số (f): Tần số của các sóng âm được biểu diễn bằng Hertz, là số chu kỳ dao động trên giây. 1MHz=10 6 chu kỳ\giây Bước sóng (λ): Đây là khoảng cách mà các mặt sóng chuyển động qua môi trường trong một chu kỳ, trong đó tốc độ (v), tần số (f) và bước sóng (λ) liên hệ với nhau qua công thức sau: V=f.λ (1-1) 1.1.4 Các dạng lan truyền của sóng âm Phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, các sóng âm có thể lan truyền trong vật liệu ở các dạng lan truyền khác nhau. Các chất rắn đàn hồi như kim loại thì có bốn loại lan truyền sóng: đó là các loại sóng nén, sóng trượt, sóng bề mặt và sóng lamb. Trang 5 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Các sóng nén (Các sóng dọc hay chùm thẳng) Sự dịch chuyển của các hạt là song song với hướng lan truyền. Các sóng nén có thể vượt qua các khoảng cách rất xa trong các chất rắn, lỏng và khí. Chúng được sử dụng trong kiểm tra không phá hủy để kiểm tra các sản phẩm kim loại, gốm và bê tông. Việc sử dụng một dạng đặc biệt của sóng nén là sóng “Creeping”. Các sóng “Creeping” đơn thuần chỉ là các sóng nén được phát ra theo cách thức nào đó để lan truyền rất gần và hầu như song song với bề mặt kiểm tra. Các sóng Creeping hiện nay được sử dụng rộng rãi để kiểm tra các khuyết tật ngấu gần bề mặt trong các mối hàn khe hở hẹp. Nếu các sóng nén được truyền vào trong vật liệu tấm mỏng thì hiện tượng cộng hưởng mạnh sẽ xuất hiện khi độ dài của tấm bằng một nửa bước sóng. Hiện tượng này được ứng dụng để đo rất chính xác độ dày của các tấm mỏng. Hướng lan truyền Hình 1.2: Dịch chuyển phần tử trong sóng nén Các sóng trượt Dịch chuyển phần tử trong sóng trượt là ngang với sự lan truyền sóng. Các sóng trượt chỉ có trong các vật liệu có các thông số đàn hồi đồng nhất, là bao gồm hầu hết nhưng không phải là tất cả các kim loại và hợp kim. Tốc độ của sóng trượt trong chất rắn cho trước bất kỳ là nhỏ hơn tốc độ của sóng nén trong vùng vật liệu Trang 6 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan . Hướng lan truyền Hình 1.3: Dịch chuyển của phần tử trong sóng trượt Các sóng trượt được sử dụng để kiểm tra các thép ferrit và các vật liệu khác có cấu trúc hạt mịm đồng nhất. Chúng có thể sử dụng để kiểm tra hầu hết các dạng sản phẩm của các kim loại đó. Chúng có thể lan truyền một khoảng cách khá xa với các điều kiện âm học thích hợp. Các sóng trượt được sử dụng rộng rãi nhất để kiểm tra các mối hàn trong sản phẩm rèn và cán của thép ferrit. Các sóng mặt (còn gọi là sóng Rayleigh) Trong các sóng mặt, dịch chuyển phần tử có dạng hình elíp, hệ quả của dịch chuyển của sóng trượt biến dạng. Các sóng mặt lan truyền dọc theo bề mặt và chỉ xuyên sâu khoảng một bước sóng. Tốc độ của sóng mặt vào khoảng 80-90% tốc độ của sóng trượt. Các sóng mặt chịu ảnh hưởng mạnh tình trạng bề mặt của các vật kiểm tra. Chúng được sử dụng để kiểm tra các cấu kiện có bề mặt rất nhẵn như các phần cấu trúc của máy bay. Do chúng lan truyền theo bề mặt của vật liệu cho nên chúng có thể được sử dụng để kiểm tra các khuyết tật như vết nứt mỏi của các góc cua. Đôi khi chúng được sử dụng để kiểm tra lại những nơi mà không thể tiếp cận được đối với phương pháp dòng xoáy và chất lỏng thẩm thấu Phần tử dịch chuyển Đường đi của sự truyền sóng Hình 1.4: Dịch chuyển phần tử trong sóng bề mặt Trang 7 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Các sóng Lamb (các sóng tấm) Các sóng Lamb là một dạng của sóng nén với sự dịch chuyển phần tử phức tạp. Chúng lan truyền trong các tấm kim loại mỏng có độ dày cỡ một bước sóng. Tốc độ của sóng Lamb phụ thuộc vào độ dày của tấm và tần số sóng được phát ra. Các sóng Lamb được sử dụng để dò tìm các khuyết tật loại tách lớp gần bề mặt. 1.1.5 Sự phản xạ, khúc xạ và chuyển đổi dạng sóng Khi các sóng âm chạm vào biên giới giữa hai vật liệu có các đặc tính âm khác nhau thì chúng sẽ bị phản xạ và truyền qua. Điều này tương tự với cách mà sóng ánh sáng phản xạ và truyền qua tại biên giới không khí và kính. Tuy nhiên đối với các sóng âm còn xuất hiện hiện tượng thứ ba “chuyển đổi dạng”. Sự phản xạ Tỷ lệ sóng âm bị phản xạ đạt cực đại khi góc tới lớn. Và khi các đặc tính âm của các vật liệu càng khác nhau thì phần năng lượng âm phản xạ càng lớn. Ví dụ nếu biên giới thép-không khí thì gần 100% âm bị phản xạ và thậm chí ngay cả khi góc tới là 00. Dưới các điều kiện tương tự như mặt phân cách thép-nước thì có 87% âm phản xạ và 13% âm truyền qua. Nếu bề mặt phản xạ là phẳng thì góc phản xạ sẽ bằng góc tới. Trang 8 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Bảng 1.1: Giá trị tốc độ âm của một số vật liệu SÓNG NÉN SÓNG TRƯỢT VẬT LIỆU V(m/s) λ(mm) V(m/s) λ(mm) Không khí 330 0.165 N/A N/A Nhôm 6300 3.15 3080 1.54 Đồng thau 3830 1.915 2050 1.025 Đồng 4700 2.35 2260 1.13 Thuỷ tinh 5800 2.9 N/A N/A Gang đúc xám 4600 2.3 2160 1.08 Gang đúc xám 5600 2.8 3000 1.5 Magnesium 5740 2.87 3080 1.54 Dầu Motor 1440 0.72 N/A N/A Nickel 5630 2.815 2960 1.48 Plexiglas (perspex) 2740 1.37 N/A N/A Sứ (porcelain) 5450 2.725 3350 1.675 Thép đen (mild) 5960 2.98 3240 1.62 Thép không gỉ (stainless) 5740 2.87 3130 1.565 Titanium 5990 2.995 3120 1.56 Nước 1480 0.74 N/A N/A (đã cầu hoá) Trang 9 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Sự khúc xạ Một chùm âm chạm vào biên giới hai vật liệu có các đặc trưng âm học khác nhau thì nó bị khúc xạ khi góc tới khác 00 và do vậy sóng âm được truyền qua biên giới. Góc tới liên quan với góc khúc xạ bằng định luật Snell. Định luật này nói rằng tỷ số các sine của góc tới và của góc khúc xạ thì bằng tỷ số các tốc độ âm trong hai môi trường. Sin(α)/sin(θ)=v1/v2 (1-2) Chuyển đổi dạng sóng Phản xạ và khúc xạ là đặc tính của các dạng sóng. Tuy nhiên, sóng âm trong các chất rắn đàn hồi có bốn dạng lan truyền khác nhau. Khi sóng âm đi vào biên giới hai vật liệu có các đặc tính âm khác nhau thì ngoài sự phản xạ và khúc xạ có thêm một hiện tượng khác là chuyển đổi dạng sóng. Mức độ chuyển đổi dạng sóng phụ thuộc vào góc tới. Ví dụ: Các sóng trượt đi vào biên giới thép ferrit-không khí với góc tới 300 thì sẽ phải chuyển đổi rất mạnh thành các sóng nén. Các sóng nén hình thành lan truyền dọc theo bề mặt dưới dạng sóng creeping. Tới 90% năng lượng ban đầu của sóng trượt chuyển thành sóng nén. Trang 10 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Sin(θ) = sin(α). Sóng nén α α 5960 2740 Sóng nén tới perspex Sóng nén θS  Thép θC  Sóng trượt Sóng trượt phản xạ Thé Sóng trượt tới αC αS Sóng nén phản xạ αS Sóng nén khúc xạ rất yếu Khô khí θc Sin(αC ) = sin(α). 5960 3240 Sin(θC ) = sin(α). 330 3240 Hình 1.5: Sự phản xạ, khúc xạ và chuyển đổi dạng tại biên giới thépkhông khí. Các góc tới hạn Khi các sóng âm đi vào biên giới, các góc được gọi là góc tới hạn xuất hiện, khi góc tới tương ứng với góc khúc xạ của một dạng lan truyền sóng cho trước bằng 900. Trang 11 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN KIỂM TRA BẰNG SÓNG SIÊU ÂM 1.2.1 Kiểm tra truyền qua Kiểm tra truyền qua là phương pháp kiểm tra siêu âm đầu tiên được sử dụng trong thương mại, nó xuất hiện lần đầu tiên ở Đức vào đầu năm 1930. Kiểm tra truyền qua yêu cầu sử dụng hai đầu dò siêu âm, một truyền và một thu. Hai đầu dò này được đặt đối diện nhau qua vật kiểm tra ở giữa chúng. Các hệ thống đầu tiên liên quan tới kiểm tra nhúng và là loại tiêu biểu được sử dụng để dò các tạp chất xỉ, lỗ hổng co ngót trong các phôi đúc trước khi tiến hành cán hoặc rèn. Hiện nay nó chỉ được áp dụng để kiểm tra tự động các tấm thép để dò các khuyết tật tách lớp trong quá trình cán. Hình 1.6: Phương pháp kiểm tra truyền qua Với ứng dụng này, kiểm tra truyền qua có một ưu điểm hơn so với kiểm tra siêu âm xung vọng là có khả năng dò như nhau đối với quá trình tách lớp ở gần mặt trước, sau và ở giữa độ dày. Các bể nước nguyên thủy được thay thế bằng các cột nước áp suất cao. Kiểm tra truyền chỉ kiểm tra được các chi tiết có bề mặt song song và không thể biết về vị trí độ sâu của khuyết tật, về bản chất của khuyết tật. Trang 12 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan 1.2.2 Kiểm tra xung vọng Hình 1.7: Phương pháp kiểm tra xung vọng Sự phát triển của thiết bị siêu âm xung vọng trong những năm 1940 thể hiện sự tiến bộ về công nghệ trong kiểm tra siêu âm. Hệ thống siêu âm xung vọng đầu tiên được thiết kế để dò tìm dưới biển. Công nghệ tương tự sau đó được áp dụng để dò tìm các đàn cá. Vào đầu những năm 50 của thế kỷ trước, thiết bị siêu âm xung vọng đã được sử dụng một cách thương mại hóa để dò các vết nứt trong các tấm thép rèn. Đến cuối những năm 50 thì thiết bị đã đạt được mức độ đủ để dò hữu hiệu các khuyết tật trong các sản phẩm thép đúc. Các bước phát triển tiếp theo đã nhanh chóng đưa đến việc sử dụng hữu hiệu kiểm tra siêu âm trong kiểm tra mối hàn. Phương pháp xung vọng bao gồm một thiết bị định thời gian được kích hoạt bởi một máy phát xung và một thiết bị nghe (nó 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 hệ thống xung vọng giúp chúng ta có thể biết chính xác vị trí của khuyết tật. Nếu thiết bị định thời gian là một ống tia cathode có bộ phát thời gian tuyến tính hoạt động theo trục X thì trục đó có thể được sử dụng để biểu diễn số lượng năng lượng âm được thu nhận. Trang 13 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Hình 1.8: Nguyên lý của phương pháp kiểm tra xung vọng Nguyên lý hoạt động máy dò khuyết tật (cho kiểm tra siêu âm xung dội) Kiểm tra siêu âm xung dội 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 cathode với đường nằm ngang biểu diễn thời gian (hay khoảng cách lan truyền được) và trục dọc biểu diễn cường độ âm thu nhận được (hay độ cao của xung). Ống tia cathode (CRT) Bộ điều chỉnh thời gian Bộ thu sóng Bộ tạo thời gian Bộ phát xung Đến tất cả các mạch Nguồn nuôi Hình 1.9: Sơ đồ bố trí của một máy dò khuyết tật siêu âm Trang 14 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Hình 1.10: Ứng tia cathode Trong ống tia cathode 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 chất photpho phát quang thích hợp. Chỗ mà chùm điện tử đập vào thì lớp photpho phát quang chuyển đổi động năng của điện tử thành của năng lượng ánh sáng, tạo nên một điểm sáng xanh trên màn hình. Biểu diễn A-Scan Trong biểu diễn A-Scan ống tia Cathode 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 được thu nhận. Trong các đầu dò siêu âm được mô tả ở phần sau thì điện áp sinh ra bởi đầu dò thì tỷ lệ thuận với cường độ âm thu nhận được. Trang 15 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan Máy phát xung Bộ điều chỉnh trễ Các bản cực X của CRT Bộ phát gốc thời gian Các bản cực Y của CRT Bộ truyền, khuyếch đại Bộ suy giảm (điều chỉnh độ lợi)  Bộ thu, Khuếch đại Âm được truyền Đầu dò phát Đầu dò thu Bộ chỉnh lưu Âm bị phản xạ Mặt phân giới Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý 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 truyền trong vật liệu, tới mặt phân giới và bị phản xạ trở lại đầu dò. Rồi đầu dò 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 cathode. Nó làm cho các điểm sáng chạy ngang trên màn hình bị lệch theo chiều dọc một lượng tỷ lệ thuận với điện áp của tín hiêụ 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 trước khi thu nhận tín hiệu sẽ tỷ lệ thuận với thời gian của chùm siêu âm phải lan truyền trong vật liệu. Trang 16 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan 1.2.3 Hấp thu âm trở và cộng hưởng Khi tiến hành phát sóng âm, chùm tia siêu âm sẽ mở rộng(phân kỳ) khi truyền qua mẫu kiểm tra và cường độ chùm tia giảm dần khi ra xa biến tử hay xa tâm chùm tia. Chùm tia phát ra từ biến tử gồm 2 miền: Trường gần: Nằm sát với biến tử, cường độ chùm tia trong trường gần bị ảnh hưởng của tương tác lẫn nhau của siêu âm nên có thay đổi phức tạp, những vị trí có cường độ khác nhau không theo một quy luật nào cả, do đó, kiểm tra bất liên tục trong trường gần(tức khu vực sát biến tử) là không tin cậy. Chiều dài trường gần N theo lý thuyết được tính theo công thức sau: N=D2/4λ=D2f/4V (1-3) Trong đó D là đường kính biến tử, λ, f và V là bước sóng, tần số và vận tốc sóng siêu âm trong môi trường đang phát sóng. Vùng sau trường gần là trường xa trong đó phần đầu trường xa là phần chuyển tiếp dài khoảng 2-3 lần chiều dài trường gần. Trong trường xa, trường âm bắt đầu mở rộng với góc mở được xác định theo công thức: Sin(α/2)=1.22(λ/D) (1-4) Trong trường xa, cường độ âm giảm dần theo khoảng cách. Độ suy giảm này tuân theo quy luật nhất định do năng lượng âm bị tổn hao vì hấp thu và tổn hao do mở rộng chùm tia. Tổn hao của các vật liệu khác nhau cũng khác nhau phụ thuộc vào khả năng hấp thụ và tán xạ âm của vật liệu. Hấp thu là quá trình giảm năng lượng âm trên đường truyền do dao động nhiệt của các hạt trong vật liệu. Phần năng lượng âm bị hấp thu cũng sẽ chuyển thành nhiệt Tán xạ âm là quá trình phản xạ và khúc xạ của âm trên đường truyền âm qua mặt phân giới là các biên giới hạt của vật liệu. Tổn hao do mở rộng chùm tia phụ thuộc vào góc mở tức phụ thuộc vào đường kính và tần số biến tử. Tuy nhiên, nếu xét tổn hao do mở rộng chùm tia Trang 17 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan theo đơn vị chiều dài trường gần thì tổn hao là như nhau không phụ thuộc vào biến tử. Trong trường xa, khi quảng đường tăng lên 2 lần thì tổn hao là 50%. Trong tổn hao được đặc trưng bởi hệ số suy giảm α là lượng tổn hao cho một đơn vị khoảng cách e-2 α= I2/I1 => α=1/2 ln (I2/I1 ) (1-5) Trong đó : I2/I1 là tỷ số cường độ âm giữa 2 điểm cách nhau 1 đơn vị khoảng cách. Thang đo dB: để xác định hệ số tổn hao hay hệ số khuếch đại, người ta thường dùng hệ đơn vị đề xi ben dB Ta có : dB= 20 log (I2/I1) (1-6) I2= 2I1 khi chuyển sang dB sẽ là 6 dB I2= 10I1 khi chuyển sang dB sẽ là 20 dB Do đó, hệ số tổn hao sẽ được đo bằng dB/mm Âm trở Z là một đặc tính âm của vật liệu, được tính bằng tích số của mật độ của vật liệu p và vận tốc sóng âm trong vật liệu đó là V Âm trở = mật độ * vận tốc Z = p* V (1-7) Khi năng lượng truyền qua mặt phân giới giữa hai môi trường hoàn toàn giống nhau lý tưởng, vận tốc âm giống nhau và năng lượng âm hoàn toàn truyền qua mặt phân giới. Tỷ số âm trở giữa 2 môi trường này bằng 1. Khi tỷ số âm khác 1. Một phần năng lượng sẽ truyền qua và một phần năng lượng sẽ phản xạ trở về đầu dò. Hệ số phản xạ Hệ số truyền qua R =(Z2 –Z1)2/(Z2 +Z1)2 I=1–R Trang 18 (1-8) (1-9)