Phương pháp kiểm tra siêu âm mối hàn
Cơ sở nguyên lí máy siêu âm mối hàn
• Lịch sử-Nguyên lí
• Bản chất siêu âm
• Đặc trưng lan truyền sóng âm
• Các loại sóng siêu âm
• Biểu hiện của sóng siêu âm
• Tạo và phát hiện siêu âm
• Đặc trưng chùm tia siêu âm
Việc chuyển ngành khoa học này thành các kỹ thuật kiểm tra siêu âm hiện đại ứng dụng trong cuộc sống, có lẽ đã xuất phát từ biển cả đại dương
Sự phát triển kỹ thuật vô tuyến điện tử và radar những năm 30-40 thế kỷ trước: phát minh CRT
• Những hệ thống dò khuyết tật siêu âm xung dội hiện đại hoàn chỉnh đầu tiên đầu tiên đã cùng được độc lập thiết kế bởi các nhà khoa học Anh, Đức và Hoa Kỳ vào các năm 4247: Sproul,Trost và Gotz, Firestone.
• Từ đây, các nguyên lí chủ yếu phát hiện khuyết tật bằng kỹ thuật xung dội là giống như ngày nay. Sự phát triển mạnh xảy ra chủ yếu trong lĩnh vực máy móc, điện tử và xử lí số liệu….
Nguyên lý máy siêu âm mối hàn
• Sóng siêu âm, sóng âm có tần số cao, được truyền vào vật liệu kiểm tra, phản xạ lại từ các bề mặt hoặc khuyết tật.
• Năng lượng âm phản xạ được hiển thị tương ứng với thời gian lan truyền cho biết sự tồn tại, vị trí và kích thước khuyết tật
Bản chất siêu âm
• Sóng siêu âm là các sóng âm có tần số lớn, nằm ngoài khả năng nghe của tai người.
Bản chất siêu âm
Sóng âm là sự lan truyền của các dao động cơ học trong môi trường vật chất
Dao động cơ học là sự dịch chuyển của phần tử môi trường xung quanh một vị trí cân bằng nào đó
Bản chất siêu âm
• Để có các khái niệm liên quan đến dao động và sóng, cần nghiên cứu chuyển động của một trọng vật được treo bằng một sợi dây đàn hồi:
- Chu trình
- Chu kỳ dao động
- Tần số dao động
- Biên độ dao động
Bản chất máy siêu âm mối hàn
• Điều kiện để dao động cơ học lan truyền đi được là phải có môt trường vật chất, trong đó các phần tử liên kết với nhau bởi các lực đàn hồi, dao động của bất kỳ một phần tử nào sẽ kéo theo dao động của các
phần tử khác, do đó mà dao động được truyền đi: đó là sóng âm !!!
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Tần số
Là số dao động của các phần tử môi trường trong một đơn vị thời gian Tần số thường được kí hiệu là F
1Hz = 1 dao động/giây
1khz = 1 000 hz
1MHz = 1 000KHz= 1000 000 Hz
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Bước sóng
Độ dài sóng lan truyền được sau khoảng thời gian một chu kỳ T
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Vận tốc:
Độ dài sóng lan truyền được sau một đơn vị thời gian
Là tốc độ truyền năng lượng giữa hai điểm trong môi trường do sự lan truyền sóng gây ra
Kí hiệu là V
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Mối quan hệ cơ bản
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Âm trở là đại lượng mô tả sự cản trở của vật liệu đối với quá trình lan truyền sóng âm, được xác định
Âm áp: Là một khái niệm mô tả các ứng suất (lực) tuần hoàn tác dụng trong vật liệu khi có sự lan truyền sóng âm, được xác định
P = Z . a
Các loại sóng siêu âm.
Sóng dọc (sóng nén)
Phương dao động phần tử môi trường song song với phương lan truyền sóng
Sóng ngang (sóng trượt)
Phương dao động của các hạt vuông góc với phương truyền sóng
Sóng bề mặt (sóng Rayleigh):
Loại sóng này chØ lan truyền dọc trên một
bề mặt của chất rắn tiếp xúc với chất khí.
- Vận tốc của sóng bề mặt ~90% vận tốc
của sóng ngang
- Chiều sâu hiệu ứng (tính từ bề mặt)
Sóng bản mỏng (sóng Lamb):
Khi sóng bề mặt lan truyền trong một vật liệu có chiều dày 3 thì sẽ xuất hiện một dạng sóng khác gọi là sóng bản mỏng.
Vận tốc của sóng bản mỏng phụ thuộc :
- Loại vật liệu
- Chiều dày vật liệu
- Tần số và dạng sóng...
(Khi đó vật liệu dao động như một bản mỏng và sóng tràn ngập toàn bộ vật liệu)
Tạo và phát hiện sóng máy siêu âm mối hàn
là một dạng năng lượng cơ học, việc tạo ra sóng siêu âm sẽ thực hiện bằng cách chuyển một dạng năng lượng nào đó thành dạng năng lượng cơ học-sóng siêu âm, ví dụ:
Điện-Cơ Từ-Cơ
Nhiệt-Cơ Cơ-Cơ....
Hiệu ứng áp điện: là một cách phổ biến nhất hiện nay để tạo ra sóng siêu âm
Hiệu ứng áp điện thuận: (P.Curies, 1890)
Dùng để phát hiện sóng siêu âm
Hiệu ứng áp điện nghịch: (Lippman, 1890, P.Curies, 1891)
Dùng để tạo sóng siêu âm
Một số vật liệu có thể hiện hiệu ứng áp điện - vật liệu áp điện
Vật liệu áp điện tự nhiên (đơn tinh thể)
Gốm phân cực(đa tinh thể)
Các vật liệu đơn tinh thể:
Thạch anh: Dạng tinh thể được XĐ bởi các trục X,Y,Z
- Thạch anh cắt X dùng để phát và thu sóng dọc
- Thạch anh cắt Y dùng để phát và thu sóng ngang
Ưu điểm:
- Có độ bền cao
- Không tan trong nước
- Có độ ổn định cơ và điện cao
- Làm việc được ở nhiệt độ cao
Nhược điểm:
- Đắt tiền
- Hiệu suất phát siêu âm thấp
- Chịu ảnh hưởng bởi sự chuyển
đổi dạng sóng
- Cần điện áp cao khi làm việc
Các vật liệu đơn tinh thể:
Sulfat lithium:
Ưu điểm: - Có hiệu suất thu năng lượng cao nhất
- Âm trở nhỏ
- Không bị lão hoá
- Không bị ảnh hưởng bởi sự chuyển đổi dạng sóng
Nhược điểm: - DÔ vì
- Bị hoà tan trong nước
- Làm việc ở nhiệt độ < 75 độ C
Biến tử áp điện
Thiết bị chuyển dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác, và ngược lại, được gọi là biến tử. Biến tử áp điện được làm từ vật liệu áp điện
Các chí tiêu đánh giá chất lượng của các biến tử áp điện:
- Mô dun áp điện (d) : Là thước đo chất lượng phát siêu âm của biến tử.
- Hằng số biến dạng áp điện (H) : Đo khả năng thu siêu âm
- Thừa số liên kết điện cơ (K) : Hiệu uất biến đổi điện sang cơ và ngược lại
(quan trọng đối với biến tử vừa thu vừa phát)
- Hệ số liên kết dao động xuyên tâm (Kp): Càng nhỏ càng tốt (vì những dao
động xuyên tâm gây nhiụu tín hiêụ)
- Âm trở Z : Càng nhỏ càng tốt (thường bằng cì âm trở của chất lỏng liên kết)
Cơ sở nguyên lí máy siêu âm mối hàn
• Lịch sử-Nguyên lí
• Bản chất siêu âm
• Đặc trưng lan truyền sóng âm
• Các loại sóng siêu âm
• Biểu hiện của sóng siêu âm
• Tạo và phát hiện siêu âm
• Đặc trưng chùm tia siêu âm
Việc chuyển ngành khoa học này thành các kỹ thuật kiểm tra siêu âm hiện đại ứng dụng trong cuộc sống, có lẽ đã xuất phát từ biển cả đại dương
Sự phát triển kỹ thuật vô tuyến điện tử và radar những năm 30-40 thế kỷ trước: phát minh CRT
• Những hệ thống dò khuyết tật siêu âm xung dội hiện đại hoàn chỉnh đầu tiên đầu tiên đã cùng được độc lập thiết kế bởi các nhà khoa học Anh, Đức và Hoa Kỳ vào các năm 4247: Sproul,Trost và Gotz, Firestone.
• Từ đây, các nguyên lí chủ yếu phát hiện khuyết tật bằng kỹ thuật xung dội là giống như ngày nay. Sự phát triển mạnh xảy ra chủ yếu trong lĩnh vực máy móc, điện tử và xử lí số liệu….
Nguyên lý máy siêu âm mối hàn
• Sóng siêu âm, sóng âm có tần số cao, được truyền vào vật liệu kiểm tra, phản xạ lại từ các bề mặt hoặc khuyết tật.
• Năng lượng âm phản xạ được hiển thị tương ứng với thời gian lan truyền cho biết sự tồn tại, vị trí và kích thước khuyết tật
Bản chất siêu âm
• Sóng siêu âm là các sóng âm có tần số lớn, nằm ngoài khả năng nghe của tai người.
Bản chất siêu âm
Sóng âm là sự lan truyền của các dao động cơ học trong môi trường vật chất
Dao động cơ học là sự dịch chuyển của phần tử môi trường xung quanh một vị trí cân bằng nào đó
Bản chất siêu âm
• Để có các khái niệm liên quan đến dao động và sóng, cần nghiên cứu chuyển động của một trọng vật được treo bằng một sợi dây đàn hồi:
- Chu trình
- Chu kỳ dao động
- Tần số dao động
- Biên độ dao động
Bản chất máy siêu âm mối hàn
• Điều kiện để dao động cơ học lan truyền đi được là phải có môt trường vật chất, trong đó các phần tử liên kết với nhau bởi các lực đàn hồi, dao động của bất kỳ một phần tử nào sẽ kéo theo dao động của các
phần tử khác, do đó mà dao động được truyền đi: đó là sóng âm !!!
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Tần số
Là số dao động của các phần tử môi trường trong một đơn vị thời gian Tần số thường được kí hiệu là F
1Hz = 1 dao động/giây
1khz = 1 000 hz
1MHz = 1 000KHz= 1000 000 Hz
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Bước sóng
Độ dài sóng lan truyền được sau khoảng thời gian một chu kỳ T
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Vận tốc:
Độ dài sóng lan truyền được sau một đơn vị thời gian
Là tốc độ truyền năng lượng giữa hai điểm trong môi trường do sự lan truyền sóng gây ra
Kí hiệu là V
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Mối quan hệ cơ bản
Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Âm trở là đại lượng mô tả sự cản trở của vật liệu đối với quá trình lan truyền sóng âm, được xác định
Âm áp: Là một khái niệm mô tả các ứng suất (lực) tuần hoàn tác dụng trong vật liệu khi có sự lan truyền sóng âm, được xác định
P = Z . a
Các loại sóng siêu âm.
Sóng dọc (sóng nén)
Phương dao động phần tử môi trường song song với phương lan truyền sóng
Sóng ngang (sóng trượt)
Phương dao động của các hạt vuông góc với phương truyền sóng
Sóng bề mặt (sóng Rayleigh):
Loại sóng này chØ lan truyền dọc trên một
bề mặt của chất rắn tiếp xúc với chất khí.
- Vận tốc của sóng bề mặt ~90% vận tốc
của sóng ngang
- Chiều sâu hiệu ứng (tính từ bề mặt)
Sóng bản mỏng (sóng Lamb):
Khi sóng bề mặt lan truyền trong một vật liệu có chiều dày 3 thì sẽ xuất hiện một dạng sóng khác gọi là sóng bản mỏng.
Vận tốc của sóng bản mỏng phụ thuộc :
- Loại vật liệu
- Chiều dày vật liệu
- Tần số và dạng sóng...
(Khi đó vật liệu dao động như một bản mỏng và sóng tràn ngập toàn bộ vật liệu)
Tạo và phát hiện sóng máy siêu âm mối hàn
là một dạng năng lượng cơ học, việc tạo ra sóng siêu âm sẽ thực hiện bằng cách chuyển một dạng năng lượng nào đó thành dạng năng lượng cơ học-sóng siêu âm, ví dụ:
Điện-Cơ Từ-Cơ
Nhiệt-Cơ Cơ-Cơ....
Hiệu ứng áp điện: là một cách phổ biến nhất hiện nay để tạo ra sóng siêu âm
Hiệu ứng áp điện thuận: (P.Curies, 1890)
Dùng để phát hiện sóng siêu âm
Hiệu ứng áp điện nghịch: (Lippman, 1890, P.Curies, 1891)
Dùng để tạo sóng siêu âm
Một số vật liệu có thể hiện hiệu ứng áp điện - vật liệu áp điện
Vật liệu áp điện tự nhiên (đơn tinh thể)
Gốm phân cực(đa tinh thể)
Các vật liệu đơn tinh thể:
Thạch anh: Dạng tinh thể được XĐ bởi các trục X,Y,Z
- Thạch anh cắt X dùng để phát và thu sóng dọc
- Thạch anh cắt Y dùng để phát và thu sóng ngang
Ưu điểm:
- Có độ bền cao
- Không tan trong nước
- Có độ ổn định cơ và điện cao
- Làm việc được ở nhiệt độ cao
Nhược điểm:
- Đắt tiền
- Hiệu suất phát siêu âm thấp
- Chịu ảnh hưởng bởi sự chuyển
đổi dạng sóng
- Cần điện áp cao khi làm việc
Các vật liệu đơn tinh thể:
Sulfat lithium:
Ưu điểm: - Có hiệu suất thu năng lượng cao nhất
- Âm trở nhỏ
- Không bị lão hoá
- Không bị ảnh hưởng bởi sự chuyển đổi dạng sóng
Nhược điểm: - DÔ vì
- Bị hoà tan trong nước
- Làm việc ở nhiệt độ < 75 độ C
Biến tử áp điện
Thiết bị chuyển dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác, và ngược lại, được gọi là biến tử. Biến tử áp điện được làm từ vật liệu áp điện
Các chí tiêu đánh giá chất lượng của các biến tử áp điện:
- Mô dun áp điện (d) : Là thước đo chất lượng phát siêu âm của biến tử.
- Hằng số biến dạng áp điện (H) : Đo khả năng thu siêu âm
- Thừa số liên kết điện cơ (K) : Hiệu uất biến đổi điện sang cơ và ngược lại
(quan trọng đối với biến tử vừa thu vừa phát)
- Hệ số liên kết dao động xuyên tâm (Kp): Càng nhỏ càng tốt (vì những dao
động xuyên tâm gây nhiụu tín hiêụ)
- Âm trở Z : Càng nhỏ càng tốt (thường bằng cì âm trở của chất lỏng liên kết)