Chương 2. Các nguyên lý chuyển đổi vμ khuếch đại
3.11. Kiểm tra khuyết tật bằng ph−ơng pháp không phá hủy
3.11.2. Các phương pháp xác định khuyết tật và vết nứt
Từ trước tới nay đã có nhiều phương pháp xác định khuyết tật từ thô sơ đến hiện đại, mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng. Sử dụng phương pháp nào là tùy thuộc vào ng−ời sử dụng, yêu cầu kỹ thuật của nhà thiết kế chế tạo,
tình trạng và kết cấu của thiết bị và vào thiết bị kiểm tra sẵn có. D−ới đây là một số ph−ơng pháp kiểm tra.
a. Ph−ơng pháp kiểm tra bằng mắt 1. Kiểm tra bằng mắt th−ờng
Phương pháp này dùng để phát hiện các vết nứt xuất hiện trên bề mặt của chi tiết. Có thể dùng mắt thường hoặc dùng thêm kính lúp với đồ phóng đại 10x hoặc chụp ảnh để xác định đ−ợc các vết nứt, rỗ của vật đúc, vật rèn... Đây là ph−ơng pháp cổ x−a nhất.
2. Kiểm tra bằng thiết bị nội soi
Phương pháp này sử dụng thiết bị thu nhận hình ảnh để quan sát kiểm tra tình trạng phía trong của vật cần kiểm tra hay tại các vị trí mà không thể quan sát bằng mắt thường. Các tạo chủ yếu của thiết bị bao gồm camera đặc biệt đi sâu vào bên trong của chi tiết hoặc cụm máy.... để ghi nhận hình ảnh và truyền tín hiệu thông qua cáp quang đến màn hiển thị đặt ở bên ngoài. Người thao tác có thể
điều chỉnh dễ dàng vị trí của camera theo các vị trí kiểm tra. Loại thiết bị hiện đại hơn có đầu camera đặt trên xe tự hành, việc thu nhận hình ảnh và điều khiển xe
đều bằng vô tuyến.
Phương pháp đặc biệt cần thiết cho việc kiểm tra tình trạng làm việc cũng như các hư hỏng bên trong các đường ống dẫn, bình, bồn chứa, buồng đốt động cơ, tuabin máy phát...
b. Ph−ơng pháp kiểm tra bằng thẩm thấu
Phương pháp này dùng để phát hiện các khuyết tật hay vết nứt rạn, nứt trên bề mặt của sản phẩm làm từ vật liệu không xốp, mà bằng mắt th−ờng khó phát hiện.
Nguyên lý và cách thức thực hiện: Đầu tiên cho một chất thẩm thấu lỏng vào bề mặt chi tiết cần kiểm tra, chờ một thời gian cho chất thẩm thấu thấm vào các khe nứt sau đó làm sạch chất thẩm thấu d− tại bề mặt chi tiết. Tiếp theo đ−a chất hiện hình lên bề mặt chi tiết, kết quả là chất thẩm thấu tại các khe nứt sẽ
đ−ợc hấp thụ bởi chất hiện hình, cho thấy hình ảnh về các khe nứt, vị trí, kích th−ớc cũng nh− bản chất của khuyết tật.
c. Ph−ơng pháp từ tính
Các phương pháp từ xác định vết nứt trên kim loại nhờ các nam châm từ, dựa trên sự có mặt các vết nứt có ảnh hưởng đến sự không liên tục của vật liệu.
Tính không liên tục ở vùng có khuết tật sẽ kếm hơn vùng không có khuyết tật. ở những chỗ có sự thay đổi tính không liên tục lẽ làm sai đường cong từ tính của từ tr−ờng. Bởi vì tại những nơi có vết nứt tính liên tục của vật liệu kém hơn ở nơi
không có vết nứt. Các đường cong lực từ thoát ra ngoài không khí ở vị trí đó như
trên Hình 3-82.
Hình 3-82. Xác định khuyết tật băng từ tính.
Trên Hình 3-82a biểu diễn các đường cong liên tục từ bị biến đổi bởi vết nứt, vị trí X là vết nứt. ở đây vết nứt đ−ợc biểu thị bằng đ−ờng đi ra ngoài không khí.
Trên Hình 3-82b là các đ−ờng cong liên tục từ bị biến dạng bởi lỗ. Vết rỗng bố trí dọc theo đ−ờng từ tr−ờng dòng điện.
Phương pháp từ có nhiều ưu điểm, nhưng chỉ đối với một số trường hợp.
Chúng ta không thể dùng cho các kim loại không mang tính chất từ, ví dụ, đồng, nhôm, thiếc...
Ngoài ra tính chất cơ học của vật liệu cũng là nguyên nhân làm thay đổi tương đối lớn đến từ trường và gây sự nhầm lẫn trong việc xác định vết nứt.
1. Ph−ơng pháp từ hóa
Tính chất từ tồn tại trong vật thể kiểm tra thường không đủ để có thể phát hiện vết nứt. Bởi vậy, vật cần đ−ợc từ hóa bằng từ tr−ờng ngoài. Ph−ơng pháp từ hóa phụ thuộc vào một số yếu tố nh−: hình dáng, độ lớn của chi tiết thử và vị trí cụ thể của vết nứt. Chẳng hạn, đối với các vết nứt ở góc phải so với trục thanh thì
phải có một nam châm từ theo chiều dọc trục. Công việc đ−ợc tiến hành do dòng dẫn đường đến chi tiết thử. Nếu các vết nứt dọc theo đường trục, ví dụ, dọc theo chiều cán hoặc dọc thanh, dọc theo dây... thì phải dùng từ hóa vòng.
Từ hóa này sẽ tạo ra dòng chạy qua chi tiết. Nếu nh− vết nứt bố trí một cách tùy ý thì phải dùng dòng từ hóa liên hợp.
Dòng từ hóa sẽ tạo ra từ hóa một chiều, dòng từ xoay chiều tạo ra xoay chiều. Ưu điểm chung của từ hóa một chiều là tạo ra từ trường phẳng để kiểm tra các vết nứt sâu dưới bề mặt. Cách này có thể xác định được vết nứt ở độ sâu 76mm d−ới bề mặt. Nh−ợc điểm của nó là phải khử từ. Mà việc khử từ lại khó
N X
S S
X N
b) a)
khăn hơn là việc tạo dòng từ xoay chiều. Vì các chi tiết đ−ợc từ hóa bằng dòng xoay chiều, nên có thể tiến hành quá trình từ hóa từng b−ớc bằng cách giảm dần cường độ dòng từ hóa. Để thực hiện khử từ cho chi tiết bằng dòng điện một chiều cần thiết phải có thiết bị chuyên dùng, hoặc chi tiết phải khử từ ngay sau khi thử nghiệm bằng cách giảm dần từng bước cường độ dòng từ.
ở các vị trí có vết nứt, các khuyết tật dạng từ tr−ờng sẽ đ−ợc thể hiện trên bề mặt chi tiết, do vậy có thể xác định đ−ợc vị trí vết nứt.
Trong phương pháp từ hóa, để đơn giản hơn, có thể dùng cách bắn từ. Bằng cách này ng−ời ta bắn dọc theo vật thử nghiệm. ở đây sẽ phát hiện ra các từ trường không đúng qui chuẩn. Sự có mặt các vết nứt được thể hiện qua sự thay
đổi dòng các đường cong. Ngoài ra, người ta còn sử dụng các bộ phận từ ở trạng thái khô hoặc trạng thái lỏng. Các bộ phận này biểu thị dạng vết nứt. Ph−ơng pháp này đ−ợc biểu thị giống nh− ph−ơng pháp bột từ và đ−ợc dùng nhiều trong công nghiệp.
2. Ph−ơng pháp bột từ
Trong phương pháp bột từ, sử dụng nguyên lý dùng bột sắt để làm thay đổi lực các vết nứt. Nếu cường độ giữ lại bột sắt ở vị trí vết nứt mà lớn hơn cường độ cần thiết cho sự phân tán thì nó tạo điều kiện để phát hiện vết nứt.
Để xác định vết nứt người ta thường sử dụng bột sắt mịn. Bột sắt thường
đ−ợc chế tạo từ thép có thành phần cacbon thấp, do vậy sẽ không có từ tính quá
cao. Cũng có thể sử dụng các phoi thép của quá trình mài tinh. Vết nứt đ−ợc phát hiện bằng qui trình khô hoặc −ớt. Qui trình khô có −u điểm là sạch hơn, nhạy cảm hơn khi xác định vết nứt dưới bề mặt, nhược điểm là các bột sắt sẽ rơi vào vết nứt do vậy khó làm sạch chúng, bởi vậy phần lớn ng−ời ta sử dụng ph−ơng pháp −ớt.
Xác định các vết nứt nhỏ, đặc biệt các vết nứt ở lỗ nhỏ trên phần dưới của các móng máy... ng−ời ta sử dụng môi tr−ờng huỳnh quang. Trong tr−ờng hợp này bột kim loại đ−ợc sử dụng trong ánh sáng cực tím. Ph−ơng pháp này gọi là ph−ơng pháp Magnaglo.
Một số n−ớc sử dụng rất rộng rãi ph−ơng pháp bột từ trong sản xuất cũng nh− trong thí nghiệm để dễ dàng xác định các vết nứt trên bề mặt vật đúc, trên các chi tiết rèn, cán, mài.
3. Ph−ơng pháp cảm ứng từ
Phương pháp bột từ không đạt độ tin cậy đối với vết nứt dưới bề mặt chi tiết.
Phương pháp cảm ứng từ cho kết quả khá tốt. Người ta đã thiết kế các loại thiết bị với vòng cảm ứng từ khác nhau, nh−ng tất cả đều dựa vào nguyên lý chung là làm
thay đổi dòng từ trường ở vùng gần vết nứt bằng dòng cảm ứng từ trong vùng đo.
ở thiết bị với vòng di động, từ trường hình thành dòng từ liên tục. Khi vòng cảm ứng di chuyển theo bề mặt vật thử sẽ làm thay đổi từ trường của cảm ứng trong chúng. Tín hiệu từ vòng được khuếch đại và được ghi chép lại. Phương pháp này dùng để thử nghiệm cho mối hàn, các băng thép...
Hình 3-83 biểu diễn thiết bị có vòng cảm ứng cố định, chi tiết chuyển động dọc vòng cảm ứng hoặc dùng dòng xoay chiều để từ hóa. Thiết bị thường dùng để kiểm tra vết nứt của các băng.
1-vòng kích thích; 2-vòng dò; 3-đồng hồ đo Hình 3-83. Kiểm tra vết nứt bằng cảm ứng từ.
Hình 3-84. Nguyên lý của ph−ơng pháp xung phản hồi kiểm tra siêu âm.
2
1
3
1
KhuyÕt tËt lín KhuyÕt tËt
khuyÕt tËt lín c)
MÉu cã PT
Không có xung phản hồi đáy Xung phản hồi đáy Xung phản hồi khuyết tật
Xung phản hồi đáy Xung truyÒn
PT MÉu cã
b)
khuyÕt tËt nhá khuyÕt tËt a)
Mẫu không có PT
Xung truyÒn
Xung phản hồi khuyết tật Xung truyÒn
d. Ph−ơng pháp siêu âm 1. Ph−ơng pháp xung phản hồi
Ph−ơng pháp này đ−ợc dùng phổ biến nhất trong kiểm tra vật liệu bằng siêu
âm. Đầu dò thu và phát đ−ợc đặt cùng một phía của mẫu và hiện diện của một khuyết tật đ−ợc chỉ thị bằng sự nhận đ−ợc xung phản hồi tr−ớc xung phản hồi
đáy. Hầu hết các đầu dò đều có thể hoạt động ở chế độ thu cũng nh− phát.
Nguyên lý của ph−ơng pháp xung phản hồi đ−ợc minh họa ở Hình 3-84.
Phương pháp này được ứng dụng khá rộng rãi, thường sử dụng để kiểm tra các mối hàn, các sản phẩm rèn, cán và đúc.
2. Ph−ơng pháp truyền qua
Ph−ơng pháp này sử dụng hai đầu dò. Một đầu dò phát và một đầu thu. Các
đầu dò này đ−ợc đặt ở hai bề mặt đối diện của vật thể kiểm tra nh− đ−ợc mô tả ở H×nh 3-85.
Phương pháp này được dùng để kiểm tra các thỏi đúc và các vật đúc lớn, đặc biệt khi có sự suy giảm mạnh và có các khuyết tật lớn. Ph−ơng pháp này không
đ−a ra kích th−ớc và vị trí của khuyết tật. Ngoài ra tất nhiên cần có sự tiếp xúc tốt và sự đồng trục về vị trí hai đầu dò.
Không thu đ−ợc xung
P T Mẫu không
cã khuyÕt tËt
a)
Hình 3-85. Nguyên lý của ph−ơng pháp truyền qua kiểm tra siêu âm.
3. Một số kiểu máy kiểm tra bằng siêu âm
Thiết bị kiểm tra bằng siêu âm đã đ−ợc nhiều hãng chế tạo. Trong một vài
khuyÕt tËt nhá
b)
MÉu cã T
P
Xung phát Xung thu
Xung phát KhuyÕt tËt
Xung thu
Xung phát
P T MÉu cã
c)
khuyÕt tËt lín KhuyÕt tËt lín
năm trở lại đây, nhờ sự phát triển của kỹ thuật số nên các thiết bị đã có nhiều cải tiến, đạt độ nhạy tốt và độ chính xác khá cao, rất thuận lợi cho việc sử dụng.
Trên thị tr−ờng Việt Nam có các loại sau: EPOCH của hãng Parametric (Mỹ), USK của hãng Kraukramer (Đức), TOKIMEC (Nhật Bản), SONATEST (Anh).
e. Ph−ơng pháp điện
Đối với các vật liệu không nhiễm từ thì ph−ơng pháp từ bị hạn chế. Để kiểm tra vết nứt trong các vật liệu nh− nhôm, đồng, thiếc và các vật liệu không có từ khác cần sử dụng các ph−ơng pháp điện nh−:
• Ph−ơng pháp sự khác biệt thế năng (điện thế).
• Ph−ơng pháp dòng điện xoáy (dòng phucô).
1. Ph−ơng pháp dòng khác biệt điện thế
ở phương pháp này người ta đưa vào chi tiết thử nghiệm một điện thế định tr−ớc và đo kết quả sự khác biệt dòng. Dòng trong vật thử không có vết nứt và có vết nứt sẽ khác nhau, từ đó có thể xác định được vết nứt. Phương pháp này có kết quả tốt khi kiểm tra mối hàn. Thông thường xác định quan hệ giữa giá trị điện thế
đo đ−ợc trên hai phía của mối hàn và giữa chất l−ợng của mối hàn.
Khi kiểm tra rôto tuabin lớn ng−ời ta cho dòng điện chạy qua rôto theo chiều dài với dòng cỡ 10.000A. Điện thế thay đổi trên mọi điểm là đồng đều theo khoảng cách và sẽ xác định đ−ợc sự khác biệt điện thế giữa hai điểm liền kề. Nếu sự khác biệt là không đồng đều có thể là có vết nứt.
Người ta dùng phương pháp này để kiểm tra vết nứt trên các ray đường sắt.
Dụng cụ tự động kiểm tra đ−ợc vết nứt. Độ lớn vết nứt các ray đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp khác biệt điện thế có tên Spery.
2. Ph−ơng pháp dòng điện xoáy
Chúng ta đã biết, khi đ−a một cuộn dây có dòng thay đổi đến gần sản phẩm thì từ tr−ờng cuộn dây sẽ sinh ra dòng điện xoáy trên sản phẩm. Nh−ng từ tr−ờng thay đổi cuộn dây lại bị thay đổi bởi từ trường của dòng điện xoáy. Sự thay đổi này phụ thuộc vào điều kiện của phần gần cuộn dây. Nếu trên sản phẩm có vết nứt thì từ tr−ờng dòng điện sẽ khác so với từ tr−ờng khi sản phẩm không có vết nứt. Sau đó nhờ dụng cụ đọc bằng đồng hồ hoặc chỉ thị trên ống phóng điện tử, sẽ
đọc được sự thay đổi từ trường của cuộn dây. Các cảm biến thường chế tạo có hai cuộn dây: cuộn phát và cuộn đo.
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để phát hiện khuyết tật bề mặt, đo chiều dày thành mỏng từ một phía. Tất nhiên sản phẩm đo phải là vật dẫn điện.
f. Phương pháp xác định vết nứt bằng thiết bị rơnghen (tia X) Tia X thuộc loại sóng ngắn, có
chiều dài sóng bằng 1/10.000 chiều dài sóng ánh sáng, vì thế nó có thể xuyên qua đ−ợc vật liệu mà ánh sáng th−ờng không thể xuyên qua đ−ợc.
Nhờ tính chất đó, người ta chiếu tia X qua vật thử nghiệm, đặt phim ở phía sau vật thử: ở chỗ có khuyết tật, vết nứt trên phim sẽ xuất hiện thành các vết sẫm, từ đó có thể phân biệt, xác
định đ−ợc khuyết tật. Tia gama cũng có tính chất nh− tia X nh−ng có khả
năng xuyên qua vật liệu lớn hơn tia X, do đó người ta cũng chế tạo thiết bị gama.
Hình 3-86. Nguyên lý kiểm tra vết nứt bằng tia X.
Hình 3-86 biểu diễn sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc khi dùng thiết bị Rơnghen để kiểm tra vết nứt.
Thiết bị Rơnghen 1 là một ống điện tử đặc biệt có điện thế cao. Điện tử phát ra từ
âm cực 2 với vận tốc rất lớn và rơi xuống một vị trí rất nhỏ của bia Rơnghen mà chúng ta gọi là tiêu điểm C (nguồn của thiết bị). Bia Rơnghen là một tấm volfram đ−ợc nối với cực d−ơng. Tại vị trí C tia X phản xạ thành chùm qua màng lọc 4 tới vật thử nghiệm 6.
Những khuyết tật vết nứt trong vật thử nghiệm đ−ợc phim trong ống 9 chụp lại.
Bảng 3-2.
Độ sâu lớn nhất của khuyết tật chụp đ−ợc.
§é s©u lín nhÊt (mm)
Điện áp của
Rơnghen (kV) Thép Hợp kim
đồng
Hợp kim nhôm
Hợp kim Magnasium
85 12,7 9,5 50,8 76,2
140 38,1 25,4 114,3 165,1
220 76,2 50,2 304,2 _
400 133,4 120,7 _ _
1000 208,8 177,8 _ _
20.000 508,0 _ _ _
1 2
C
4 5
6 7 7
8 8 9
Ngoài ra thiết bị chụp khuyết tật còn có các bộ phận sau:
5- bộ phận che bảo vệ thiết bị Rơnghen.
8- tấm kim loại chì nhằm ngăn ngừa chất phóng xạ.
7- chi tiÕt kiÓm tra.
Thiết bị Rơnghen có điện thế càng lớn thì chụp đ−ợc khuyết tật càng sâu.
Bảng 3-2 cho biết độ sâu lớn nhất của khuyết tật chụp được tương ứng với điện áp của thiết bị Rơnghen.
g. Các ph−ơng pháp kiểm tra khác 1. Ph−ơng pháp giảm chấn ma sát nội
Phương pháp này còn tương đối mới. Nguyên lý nh− sau: chi tiết kiểm tra chịu lực tác động nhờ búa gõ và nhờ quá trình dao động tự do của chi tiết. Do nội ma sát, tác động sẽ tắt dần theo luật hàm số mũ theo thời gian và
đ−ợc đặc tr−ng bằng độ giảm chấn lôga. Từ điểm chịu lực, sóng sẽ lan truyền ra mọi phía nh− nhau. Nếu vật có vết nứt, thì tại chỗ có vết nứt nội ma sát là lớn.
1-vật liệu không có khuyết tật;
2-vật liệu có khuyết tật, ma sát nội không đẳng hướng.
Hình 3-87. Rung động của vật liệu có và không có vết nứt.
Bằng cách so sánh bức tranh rung động của vật liệu không có vết nứt và có vết nứt có thể đoán nhận đ−ợc vết nứt.
ở vật liệu không có khuyết tật rung động tắt dần có tính chất đối xứng, còn ở vật liệu có thuyết tật thì rung động có tính chất bất đẳng hướng (Hình 3-87).
2. Ph−ơng pháp âm thanh
Phương pháp này đơn giản và được dùng từ lâu. Dùng búa gõ nhẹ vào vật và lắng nghe. Mỗi chi tiết sẽ dao động với tần số riêng của nó. Nếu tiếng kêu không chuẩn nghĩa là có vết nứt (trong các nhà ga xe lửa công nhân dùng búa đi gõ các chi tiết để xem chi tiết nào bị nứt trong quá trình vận hành. Điều này đòi hỏi các công nhân phải có kinh nghiệm để chuẩn đoán). Phương pháp này không phải bao giờ cũng đủ tin cậy. Người ta đã xác định các bánh răng bị nứt lớn do quá trình tôi dọc theo bề ngang cũng có tiếng kêu giống nh− các bánh răng không có khuyết tật, nên
1
2