Ảnh hưởng của mép mối hàn khi sử dụng phương pháp siêu âm FMC/TFM

Sử dụng siêu âm truyền thống trong kiểm tra mối hàn

Phương pháp kiểm tra siêu âm sử dụng hiệu ứng lan truyền của sóng âm trong vật liệu cần kiểm tra. Sóng siêu âm lan truyền trong môi trường đồng nhất theo đường thẳng cho đến khi gặp bất liên tục hay khuyết tật, tại đó, một phần âm thanh bị phản xạ ngược trở lại. Trong kiểm tra siêu âm mối hàn, các khuyết tật không ngấu, rỗ khí, ngậm xỉ, nứt chân trong mối hàn sẽ làm phản xạ phản xạ, nhiễu xạ sóng âm. Sử dụng thiết bị kiểm tra siêu âm khuyết tật như EPOCH 650 có thể thu nhận tín hiệu xung phản hồi và phán đoán về vị trí, độ lớn và hình dạng các khuyết tật hàn.

Kiểm tra mối hàn với siêu âm truyền thống

Trong kiểm tra siêu âm khuyết tật mối hàn thủ công truyền thống, kỹ thuật hay sử dụng là kỹ thuật xung – dội. Đầu dò siêu âm thông thường có 1 biến tử dùng để phát và thu nhận tín hiệu.

Sử dụng siêu âm Phased Array trong kiểm tra mối hàn

Phương pháp kiểm tra siêu âm đầu dò dãy tổ hợp pha hay Phased Array là kỹ thuật kiểm tra siêu âm, trong đó đầu dò thường có từ 16 đến 256 biến tử nhỏ riêng biệt, mỗi biến tử có thể được kích hoạt độc lập. Cũng như đối với đầu dò thông thường, các đầu dò dãy tổ hợp pha có thể được thiết kế cho sử dụng tiếp xúc trực tiếp, hoặc kết hợp với nêm để tạo góc khi kiểm tra mối hàn.

Kiểm tra mối hàn với siêu âm Phased Array

Không giống như các thiết bị kiểm tra khuyết tật siêu âm thông thường, hệ thống đầu dò dãy tổ hợp pha có thể quét chùm âm theo một dải góc nằm trên mặt phẳng khúc xạ hoặc theo đường tuyến tính, hoặc hội tụ ở những độ sâu khác nhau, do đó tăng tính linh hoạt và khả năng tìm kiếm trong thiết lập kiểm tra, với một đầu dò có thể phát các góc độ từ 45 tới 70 độ vào bao quát toàn bộ các vị trí có thể xuất hiện khuyết tật trong mối hàn.

Phương pháp siêu âm Full Matrix Capture và Total Focusing (FMC/TFM)

FMC là một kỹ thuật thu thập dữ liệu siêu âm, khi đó tín hiệu được thu nhận từ mọi phần tử của đầu dò mảng tuyến tính. Kỹ thuật lần đầu tiên được giới thiệu cho NDT bởi Holmes et all vào năm 2005 và đã được sử dụng với siêu âm y tế trong nhiều năm trước đó. Dữ liệu được thu thập bằng cách sử dụng kỹ thuật “1 phát và tất cả thu“, với phần tử đầu tiên đóng vai trò là biến tử phát, và với mọi phần tử còn lại đóng vai trò là biến tử thu dữ liệu. Quá trình lặp lại cho đến khi tất cả các biến tử đều phát tín hiệu; tạo ra một tập hợp đầy đủ các dữ liệu với n mũ 2 A-scan. Vì năng lượng trong vật liệu tại bất kỳ thời điểm nào được tạo ra chỉ từ một biến tử duy nhất, nên kỹ thuật này thường được gọi là phương pháp thu thập dữ liệu tuần tự.

Trình tự thu thập dữ liệu với FMC

Hình ảnh của FMC sẽ được xử lý bằng phương pháp Total Focussing Method (TFM), trong đó, một lưới các điểm ảnh của vùng dữ liệu cần quan tâm sẽ được điền các thông tin về biên độ lấy được từ dữ liệu thu thập được sử dụng FMC. Vùng dữ liệu được chia lưới và đối với mỗi điểm trên lưới này, các tiêu điểm được tính cho toàn bộ tập hợp các phần tử của đầu dò mảng pha. Tất cả các tín hiệu được thay đổi và dịch pha tương ứng trước khi tổng hợp lại tại mọi điểm của lưới. Xử lý này kết thúc khi việc xây dựng dữ liệu được thực hiện cho mọi điểm của lưới.

Hướng truyền sóng và chế độ kiểm tra

Trong sơ đồ mô hình hóa và xử lý dữ liệu FMC, Chế độ hay Mode cho biết các dạng sóng âm nào được sử dụng trong thuật toán tái tạo và hình ảnh (Xung dội – LL, TT, TT-TT) (Tandem – TTT, TLL, LLT, LLL, LTT, TTL). Ví dụ, chế độ TT-TT trong FMC là chế độ xung dội, phát sóng cắt khúc xạ (hoặc sóng ngang T) vào trong mẫu kiểm tra. Sau đó, sóng ngang được phản xạ từ mặt đáy phía sau (TT) và gặp khuyết tật (TTT). Sóng ngang được phản xạ trở lại từ khuyết tật đến bề mặt đáy phía sau và được nhận bởi đầu dò (TTTT).

Các chế độ như LL cho biết chế độ kiểm tra này tạo ra sóng dọc và nhận sóng dọc phản xạ trực tiếp từ khuyết tật.

Chế độ TT và TTT trong kiểm tra TFM

So sánh TFM và PAUT trong kiểm tra mối hàn vát mép chữ V

TFM vs PAUT kiểm tra mối hàn V (Pulse-Echo Mode)

TFM Self-Tandem Modes kiểm tra mối hàn mép chữ U

Vậy tôi cần sử dụng TT hay TT-TT?

Đầu tiên, chúng ta sẽ tập trung vào chế độ gián tiếp được gọi là TT-TT. Theo ASME V, TT-TT được định nghĩa là chế độ truyền và nhận gián tiếp như có thể thấy trong hình ảnh sau.

Chế độ truyền và nhận sóng TT-TT với biến tử phát số 5 và biến tử nhận số 27 trên đầu dò 5L32-A32

Về cơ bản, sóng truyền từ biến tử phát đến backwall, phản xạ để đến từng vị trí pixel của hình ảnh TFM, có thể phản xạ trở lại backwall và quay về tất cả các biến tử thu của đầu dò mảng. Giống như tất cả các chế độ gián tiếp khác, chế độ TT-TT chỉ được tính toán trong độ dày của mẫu, tức là không có pixel nào có thể được tính bên ngoài chiều dày mẫu. Hình ảnh sau đây cho thấy hình minh họa TFM TT-TT thu được với đầu dò 5L32-A32 và nêm SA32-N55S-IHC. Mẫu thử là mối hàn Single V dày 0,5 inches. Hình ảnh cho thấy khiếm khuyết không ngấu vách được định vị chính xác dọc theo góc vát của mối hàn.

Đối với kiểm tra mối hàn, ASME V nói rằng các chế độ dựng hình ảnh trực tiếp (ví dụ T-T) không thể kiểm tra hết toàn bộ mẫu khiểm tra. Các chế độ trực tiếp (L-L hoặc T-T) thường được sử dụng để phát hiện các chỉ thị gần chân, chẳng hạn như không thấu đáy hoặc nứt chân, trong khi các chế độ sử dụng tia gián tiếp như TT-TT sẽ được sử dụng để kiểm tra mép vát mối hàn, vùng mũ hànvùng hàn. Theo một cách nào đó, nó rất giống với kiểm tra bằng siêu âm Phasing Array (PAUT), trong đó chùm tia góc cao được sử dụng để kiểm tra phần đáy của mối hàn và chùm tia góc thấp kiểm tra phần còn lại sử dụng chân thứ hai. Kiểm tra PAUT thường vẫn sử dụng chế độ hiển thị khu vực cần quan tâm ở chế độ gương cho thấy chân thứ nhất và thứ hai cùng lúc với mép mối hàn đối xứng nhau qua mặt phản xạ B0.

Chúng ta có lựa chọn cách tính toán các chế độ và hiển thị TT và TT-TT riêng biệt hay hiển thị chúng cùng lúc. Với chế độ hình ảnh hiển thị cả TT và TT-TT, nó cung cấp một hình ảnh tương tự như phép kiểm tra PAUT vẫn được sử dụng, các chỉ thị gần với backwall (không thấu đáy, nứt chân, v.v.) không bị cắt làm đôi.

Để hiển thị đồng thời cả hai chế độ, chúng tôi tính toán hình ảnh TT TFM và mở rộng hình ảnh lên gấp hai lần độ dày của chi tiết cần kiểm tra. Phần hình ảnh đối xứng của TFM theo TT là chế độ TT-TT như được giải thích trong hình ảnh dưới đây.

Chế độ kiểm tra trực tiếp TT khi đặt ở 2 lần chiều dày sẽ trở thành chế độ kiểm tra ở chân thứ 2 TT-TT

Để minh họa cho chế độ kiểm tra này, chúng tôi đã thu thập dữ liệu TFM trên mối hàn V đơn sử dụng đầu dò 5L32-A32 với nêm SA32-N55S-IHC. Chúng tôi đã chọn vùng TFM đủ cao để thu thập dữ liệu ở chân thứ nhất (T-T) và thứ hai (TT-TT) với độ phân giải được đặt để Độ trung thực biên độ nhỏ hơn 2dB.

Chúng ta có thể thấy các khiếm khuyết khác nhau được định vị ở chân thứ nhất (chế độ T-T) và / hoặc chân thứ hai (chế độ TT-TT). Khi đó, giải thích cho tín hiệu khá giống với PAUT, nhưng tín hiệu sử dụng theo TFM sẽ có các lợi thế với khả năng tăng độ phân giải trên toàn bộ vùng. Tín hiệu nhiễu xạ cũng có thể được quan sát khá tốt. Tuy nhiên với tiêu chuẩn ASME yêu cầu phải kiểm tra được cả khuyết tật vách thẳng đứng, ngoài chế độ T-T và TT-TT, chế độ TT-TTT cũng có thể cần được sử dụng.

Cũng từ cách dựng hình khi thay đổi độ dày như trên, khi lên phương án scan plan, vùng mối hàn có thể kiểm tra được bao gồm bản đồ màu cho TT với phần vật liệu ở 1 lần chiều dày và bản đồ màu TT-TT cho phần hình ảnh mối hàn ở 2 lần chiều dày. Đồng thời, mép vát của mối hàn cũng sẽ không thay đổi góc độ do cùng chế độ TT đang được sử dụng.

Kết luận

Khi kiểm tra mối hàn V hoặc Double V bằng TFM cho thấy các giới hạn so với Phased Array. Tuy nhiên TFM vẫn là một phương pháp có nhiều tiềm năng phát triển, đặc biệt với các mối hàn chữ J hay mối hàn có vách thẳng đứng hay mối hàn tiếp cận một phía (trong khi vẫn cần lưu ý đến các điểm hạn chế)