Should Acoustic Beam Convergence Be Used When Inspecting Normal Welds

NDT.net forum discussion topic Aug. 2015/Ed Ginzel

Trăn trở “Hội tụ hay không hội tụ?” Hội tụ sẽ tốt hơn cho việc xây dựng TCG cho đường truyền âm dài hay giúp cho việc tăng độ phân giải và phát hiện tốt các khuyết tật gần nhau hơn?

Trong trường hợp kiểm tra mối hàn, sự việc không hẳn là triết lý về sự sống và cái chết như trong kịch Hamlet của Shakespeare, nhưng cũng là vấn đề đáng cân nhắc khi kiểm tra mối hàn PAUT.

Tôi đã nhận thấy rằng vẫn còn các cơ sở đào tạo NDT, ở đó các giảng viên trao đổi với các sinh viên về kiểm tra siêu âm Phased Array mối hàn, và hội tụ chùm tia là một phần của thiết lập khi kiểm tra. Chủ đề này đã được thảo luận trước đây trên diễn đàn NDT.net; vào tháng 1 năm 2015, thường khi tính toán độ sâu hội tụ, mọi người sẽ sử dụng một công thức để tính toán độ sâu tiêu cự như 2 lần chiều dày, 2,2 lần chiều dày…

Tôi cho rằng một phần của vấn đề này là cách mà một số nhà sản xuất thiết bị PAUT đã thiết kế Giao diện người dùng của các thiết bị PAUT. Các giao diện đầu vào tiện dụng thường được cung cấp giúp người dùng nhập các tham số như số lượng biến tử sẽ sử dụng trong khẩu độ, phần tử bắt đầu và bước biến tử (số phần tử cho quét E hoặc góc cho quét S).

Ngoài các tham số này, hầu hết các phần mềm đều yêu cầu nhập một giá trị hội tụ nào đó. Vì là tham số User Entry, người dùng thường sẽ nhập vào một giá trị. Nhưng dường như không chỉ người dùng không hiểu các khái niệm, một số người hướng dẫn, giáo viên cũng không hiểu được hết ý nghĩa đằng sau nó.

Thực ra, ngay hầu hết các giáo viên hướng dẫn cũng biết rằng tiêu cự của chùm tia bị giới hạn bởi khoảng cách trường gần. Một chùm tia không thể được hội tụ vào bất kỳ khoảng cách nào lớn hơn khoảng cách trường gần. Xác định trường gần thực tế (hiệu dụng) trở thành một thách thức khi chúng ta sử dụng nêm và qua đó chùm tia bị khúc xạ. Việc rút ngắn khoảng cách trường gần có thể được ước tính bằng nhiều công thức thực nghiệm. Chi tiết về vấn đề này đã được thảo luận trong bài báo của chúng tôi vào năm 2014.

Ngoài việc hội tụ trong trường gần, còn có vấn đề về mặt phẳng hội tụ. Có thể hội tụ tất cả các chùm tia trong E-scan ở độ sâu cụ thể. Điều này đòi hỏi phải thay đổi từng luật hội tụ chùm âm để bù cho sự khác biệt của đường truyền trong nêm tạo góc. Hoặc, nếu sử dụng quét S, có lẽ người dùng có kế hoạch hội tụ ở Soundpath (half-skip) hoặc tại đường ngấu của mối hàn theo Focal plane.

Nhưng không phải tất cả các phần mềm đều cho phép chùm tia được hội tụ tại bất kỳ mặt phẳng nào. Thậm chí, có nhiều thiết bị thậm chí cho chọn mặt phẳng hội tụ, trong khi Giao diện người dùng yêu cầu nhập khoảng cách tiêu cự. Vậy người dùng nên nhập gì?

Hội tụ chùm âm thường được sử dụng để cải thiện độ phân giải trong một vùng độ dày nhỏ khi thực hiện đánh giá ăn mòn; hoặc có lẽ khi cố gắng tăng tín hiệu phản xạ từ các bất liên tục không ngấu hoặc ngậm xỉ trong mặt phẳng cụ thể trong một mối hàn. Nhưng hội tụ đồng nghĩa với việc làm giảm độ phân giải cho các chỉ thị ở các vị trí không hội tụ. Một lý do khác để hội tụ chùm âm là cố gắng giảm biên độ tín hiệu phản hồi từ các bề mặt không phải khuyết tật (Geometry) gần với điểm mà chùm tia được tập trung.

Đối với kiểm tra mối hàn chung, không nên hội tụ khi sử dụng PAUT. Có thể một vài giáo viên hướng dẫn sẽ đưa ra giải thích là có thể sử dụng TCG để bù độ nhạy giảm trước và sau khoảng cách tiêu cự… nhưng việc áp dụng TCG không cải thiện độ phân giải; mà độ phân giải lại là “lý do ban đầu) khi hội tụ chùm âm!

Tại tiêu điểm, chùm tia có kích thước nhỏ nhất và do đó độ nhạy thấp nhất đối với các bất liên tục lệch trục. Nhưng kiểm tra mối hàn nói chung không chỉ là tìm kiếm các chỉ thị phản hồi tại một đường truyền âm cụ thể. Toàn bộ quá trình là tìm kiếm các bất liên tục trong toàn bộ vùng mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt. Hội tụ đầu dò động (Dynamic Focussing) có thể được áp dụng để khắc phục sự phân kỳ chùm tia, nhưng áp dụng kỹ thuật này lại sử dụng một chùm âm phát không được hội tụ và chỉ có các luật hội tụ chùm âm khi nhận tín hiệu là được áp dụng giá trị hội tụ.

Trong kỹ thuật kiểm tra xung-dội thông thường, việc sử dụng hội tụ làm tăng áp suất âm thanh ở vùng hội tụ, nhưng với sự hi sinh về các suy giảm âm áp rất nhanh sau vùng hội tụ. Để minh họa hiệu ứng, phần mềm mô phỏng Civa cho ta rất nhiều thông tin hữu ích.

Để minh họa hiện tượng này, chúng tôi đã sử dụng phần mềm mô phỏng chùm tia Civa để cung cấp các biên dạng âm áp cho chùm âm tạo ra bởi đầu dò và khẩu độ thường gặp. Đầu dò mảng tuyến tính là 5L64 với khoảng gap 0,6mm và khẩu độ thụ động là 10 mm. Đầu dò được đặt trên nêm khúc xạ 36,5 ° và sử dụng biến tử từ 1-16 để tạo ra chùm tia 45 °, 60 ° và 70 ° không hội tụ. Các luật hội tụ sau đó đã được điều chỉnh để phát các chùm âm ở góc độ không đổi nhưng hội tụ ở độ sâu 10 mm dưới bề mặt thử nghiệm. Các chùm âm được mô phỏng ở chế độ phát sóng ngang, trong một khối thép dày 100mm.

Ở góc khúc xạ 45 °, chúng ta thấy chùm tia có trường gần 37mm dọc theo đường truyền âm từ điểm ra vào trong thép. Điều này tương đương với độ sâu hội tụ 26mm nằm bên dưới bề mặt thử nghiệm.

Chùm âm tương tự ở góc 60° có trường gần ở 31mm dọc theo trục, tương đương với độ sâu hội tụ ở 15.5mm.
Chùm âm tương tự ở 70° có trường gần ở 27mm tương ứng với độ sâu 9mm.

Bằng cách vẽ đồng thời các biên dạng chùm âm trên một đồ thị, chúng ta có thể so sánh âm áp dọc theo trục của cả ba chùm âm không hội tụ. Ngoài việc giá trị trường gần hiệu dụng thay đổi và trở nên ngắn hơn (và nông hơn), chúng ta cũng quan sát thấy có sự suy giảm đáng kể âm áp khi góc tăng.

Sự chênh lệch này thường được bù tương ứng khi người sử dụng xây dựng đường TCG.

Khi vẽ hình ảnh trên mối hàn SV dày 25mm, chúng ta có thể thấy khi chùm âm được vẽ theo các khoảng cách truyền âm tương đồng, chùm âm ở 70° tiếp cận vị trí chân mối hàn cũng lúc với chùm âm 45° tiếp cận mũ mối hàn sau khi phản xạ ở bề mặt bên dưới (khoảng cách đủ để kiểm ta toàn bộ mối hàn). Với mối hàn dày 25mm, đường truyền âm có khoảng cách 70mm. Biên độ phản hồi giữa 45° và 70° chênh lệch nhau khoảng 3dB.

Để mình họa hiệu ứng hội tụ chùm âm ở độ sâu cố định, chúng tôi vẽ đồ thị âm áp khi hội tụ ở 10mm cho các chùm âm với thông số tương ứng.

Khi so sánh 3 góc hội tụ ở 10mm, chúng ta có thể nhận thấy chùm âm 45° cho sự dịch chuyển tới 16mm theo đường truyền âm trong thép (hay 11mm tính theo độ sâu). Tuy nhiên ở 60° và 70°, các chùm âm đều có biên độ phản hồi lớn nhất ở 24mm theo đường truyền âm.

Khi so sánh các chùm âm với nhau, các chùm âm hội tụ cho thấy sự chênh lệch không nhiều về độ nhạy ở gần vị trí hội tụ khi so sánh với chùm âm không hội tụ (khoảng 3.2dB). Tuy nhiên, chúng ta thấy tốc độ suy giảm của các chùm âm sau vị trí hội tụ không còn song song nữa. thay vào đó, chùm âm ở 45° cho thấy sự suy giảm nhanh hơn rất nhiều so với 60° và 70°.

Quan trọng hơn, khi kiểm tra mối hàn, chúng ta cần so sánh biên độ tương ứng của chùm âm hội tụ và không hội tụ.

Hình 9 minh họa mức tăng độ nhạy tương đối tại vị trí hội tụ giảm khi tăng góc khúc xạ. Chùm tia hội tụ phát ở góc 45 ° có độ nhạy cao hơn khoảng 2dB ở mức cực đại so với chùm tia không hội tụ phát ở góc 45 ° trong khi chùm tia 70 ° chỉ nhạy hơn khoảng 0,5dB khi ở giá trị cực đại.

Tuy nhiên, nếu xét trên tiêu chí phạm vi làm việc hữu ích (70mm trong ví dụ trong Hình 5), việc hội tụ thực sự làm giảm độ nhạy cho chùm 45 ° cũng như suy giảm tới 3dB so với chùm 60 ° và 70 ° cho thấy rất ít lợi ích từ việc hội tụ chùm âm.

Khi chúng ta quay lại Hình 5, chúng ta thấy rằng sự hội tụ làm tăng độ nhạy trong vùng 16-24mm của chùm tia. Tuy nhiên, đây là là vùng nằm trước vùng hàn và khu vực ảnh hưởng nhiệt! Sự tăng độ nhạy tại khu vực không cần thiết này cũng làm suy giảm giảm độ nhạy trong vùng hàn / HAZ, do đó yêu cầu người vận hành khuếch đại tín hiệu nhiều hơn khi xây dựng TCG. Kết quả là phía sau vị trí hội tụ sẽ có sự suy giảm của độ phân giải. Do đó, việc giải đoán các khuyết tật gần nhau trở nên khó hơn.

Tóm lại, tôi muốn khuyến nghị rằng đối với kiểm tra mối hàn nói chung bằng PAUT, không sử dụng hội tụ chùm âm. Các thiết bị cần đảm có tùy chọn cấu hình phát chùm âm không hội tụ (unfocus).