آموزش عیب یابی به روش اولتراسونیک + فرمول ها

عیب یابی اولتراسونیک از قدیمی‌ترین و رایج‌ترین روش آزمون آلتراسونیک در صنعت است. از دهه ۱۹۴۰ از قوانین فیزیک بر اساس انتقال امواج صوتی در مواد جامد برای شناسایی ترک‌های پنهان، خلل‌ها، تخلخل و دیگر ناپیوستگی‌های داخلی در فلزات، کامپوزیت‌ها، پلاستیک‌ها و سرامیک‌ها استفاده شده است. امواج صوتی با فرکانس بالا به طور قابل پیش‌بینی از عیوب بازتاب می‌یابند و الگوهای بازتاب خاصی تولید می‌کنند که توسط ابزارهای عیب یاب آلتراسونیک پرتابل نمایش و ضبط می‌شوند.

تست اولتراسونیک کاملاً غیر مخرب و ایمن است و این روش تست در بسیاری از صنایع پایه‌ تولیدی، فرآیند و خدمات، به‌ویژه در کاربردهایی که شامل جوش‌ فلزات است، به خوبی کاربرد دارد. این مقاله مقدمه‌ای بر اصول و تشخیص عیوب به روش اولتراسونیک می‌باشد و فقط به عنوان یک مرور کلی از موضوع در نظر گرفته شده است.

نظریه پایه در روش اولتراسونیک

امواج صوتی ارتعاشات مکانیکی سازمان‌یافته‌ ساده ای هستند که از طریق یک محیط، که می‌تواند جامد، مایع یا گاز باشد، حرکت می‌کنند. این امواج با سرعت یا سرعت خاصی در یک محیط معین حرکت می‌کنند و وقتی به مرز یک محیط دیگر برخورد می‌کنند، بر اساس قوانین فیزیک بازتاب یا منتقل می‌شوند. این اصل فیزیک، مبنای تشخیص عیوب به روش اولتراسونیک را تشکیل می‌دهد.

فرکانس:

تمام امواج صوتی با فرکانس خاصی نوسان می‌کنند، که تعداد ارتعاشات در ثانیه است و واحد آن هرتز Hz میباشد و به‌عنوان تون یا صدا در محدوده شنوایی ما تجربه می‌شود. شنوایی انسان تا ۲۰ کیلوهرتز گسترده است، در حالی که بیشتر کاربردهای تشخیص عیوب اولتراسونیک از فرکانس‌های بین ۵۰۰ کیلوهرتز تا ۲۰ مگاهرتز استفاده می‌کنند. در فرکانس‌های مگاهرتز، انرژی صوتی به‌طور مؤثر از طریق هوا یا دیگر گازها منتقل نمی‌شود، اما به‌طور آزادانه از طریق اکثر مایعات و مواد مهندسی معمولی منتقل می‌شود.

سرعت:

سرعت یک موج صوتی به ماده‌ای که از آن عبور می‌کند بستگی دارد و تحت تأثیر چگالی و خواص الاستیک ماده قرار می‌گیرد. انواع مختلف امواج صوتی (به عنوان مثال، امواج طولی و برشی) با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کنند.

طول موج:

هر نوع موج طول موج خاصی دارد که فاصله بین دو نقطه مشابه در چرخه موج است که از طریق یک محیط حرکت می‌کند. طول موج با فرکانس و سرعت با استفاده از معادله ساده زیر مرتبط است:

λ = c/f

در این معادله:

λ = طول موج
c = سرعت صوت
f = فرکانس

در تشخیص عیوب به روش آلتراسونیک ، حد پایین قابل قبول برای شناسایی یک نقص کوچک نصف طول موج است. هر چیزی کوچک‌تر از آن نامرئی خواهد بود. در اندازه‌گیری ضخامت اولتراسونیک، حداقل ضخامت قابل اندازه‌گیری بصورت تئوری یک طول موج است.

حالت‌های انتشار موج:

امواج صوتی در مواد جامد می‌توانند در حالت‌های مختلفی منتشر شوند که بر اساس نوع حرکت تعریف می‌شوند. امواج طولی و برشی رایج‌ترین حالت‌هایی هستند که در تشخیص عیوب استفاده می‌شوند. امواج سطحی و امواج صفحه‌ای نیز در مواقعی استفاده می‌شوند.

موج طولی یا فشاری: به‌وسیله حرکت ذرات در همان جهت انتشار موج مشخص می‌شود، مانند منبع پیستونی. صداهای شنیدنی به‌صورت امواج طولی وجود دارند.
موج برشی یا عرضی: با حرکت ذرات به‌طور عمود بر جهت انتشار موج مشخص می‌شود.
موج سطحی: دارای حرکت ذرات بیضوی است و بر روی سطح یک ماده حرکت می‌کند و به عمق تقریبی یک طول موج نفوذ می‌کند.
موج صفحه‌ای یا لامب: نوع پیچیده‌ای از ارتعاشات در صفحات نازک است که در آن ضخامت ماده کمتر از یک طول موج است و موج تمام مقطع عرضی محیط را پر می‌کند.

امواج صوتی می‌توانند از یک شکل به شکل دیگر تبدیل شوند. معمولاً، امواج برشی در یک ماده مورد تست در زاویه خاصی امواج طولی تولید می کند.

متغیرهای محدودکننده انتقال امواج صوتی:

فاصله‌ای که یک موج با فرکانس و سطح انرژی معین می‌تواند حرکت کند به ماده‌ای که از آن عبور می‌کند بستگی دارد. به‌طور کلی، مواد سخت و همگن امواج صوتی را کارآمدتر از مواد نرم و ناهمگن یا دانه‌دار منتقل می‌کنند. سه عامل انتقال یک موج صوتی در یک محیط معین را تحت تأثیر قرار می‌دهند: پخش پرتو، کاهش و پراکندگی. همان‌طور که پرتو موج حرکت می‌کند، لبه جلویی آن گسترده‌تر می‌شود، انرژی مرتبط با موج بر روی ناحیه بزرگ‌تری پخش می‌شود و در نهایت انرژی تحلیل می‌رود.

کاهش، از دست دادن انرژی مرتبط با انتقال صوت از طریق یک محیط است، به‌طور اساسی میزان جذب انرژی در هنگام حرکت جبهه موج مرتبط به پراکندگی بازتاب تصادفی انرژی صوتی از مرزهای دانه و ساختار میکروسکپی مشابه است. با کاهش فرکانس، پخش پرتو افزایش می‌یابد اما اثرات کاهش و پراکندگی کاهش می‌یابد. برای هر کاربردی، فرکانس مبدل یا ترانسدیوسر یا پراب التراسونیک باید برای بهینه‌سازی این متغیرها انتخاب شود.

بازتاب در مرز:

وقتی انرژی صوتی که از طریق یک ماده حرکت می‌کند به مرز با ماده‌ای دیگر برخورد می‌کند، بخشی از انرژی بازتاب می‌شود و بخشی از آن منتقل می‌شود. میزان انرژی بازتابیده شده یا ضریب بازتاب، به امپدانس صوتی نسبی دو ماده مربوط می‌شود. امپدانس صوتی به نوبه خود خاصیت ماده‌ای است که به‌عنوان چگالی ضربدر سرعت صوت در یک ماده معین تعریف می‌شود. برای هر دو ماده، ضریب بازتاب به‌عنوان درصدی از فشار انرژی وارد شده می‌تواند از طریق معادله زیر محاسبه شود:

         Z2 – Z1
R =   …………..
         Z2 + Z1

در این معادله:

R = ضریب بازتاب (درصدی از انرژی بازتابیده)
Z1 = امپدانس صوتی ماده اول
Z2 = امپدانس صوتی ماده دوم

برای مرزهای فلز/هوا که معمولاً در کاربردهای تشخیص عیوب به روش اولتراسونیک مشاهده می‌شود، ضریب بازتاب به ۱۰۰٪ نزدیک می‌شود. تقریباً تمام انرژی صوتی از یک ترک یا ناپیوستگی دیگر در مسیر موج بازتابیده می‌شود. این اصل بنیادین است که تشخیص عیوب به کمک اولتراسونیک را ممکن می‌سازد.

زاویه بازتاب و شکست:

در مواقعی که امواج صوتی از یک مرز بازتاب می‌یابد، زاویه بازتاب برابر با زاویه برخورد است. پرتو صوتی که به سطحی با زاویه عمود برخورد می‌کند، مستقیماً به عقب بازتاب می‌یابد. پرتو صوتی که به سطحی با زاویه برخورد می‌کند، به همان زاویه به جلو بازتاب می‌یابد.

انرژی صوتی که از یک ماده به ماده دیگر منتقل می‌شود، بر اساس قانون شکست اسنل خم می‌شود. امواج که در مسیر مستقیم حرکت می‌کند، در همان مسیر مستقیم ادامه می‌یابد، اما امواج صوتی که به مرز با زاویه برخورد می‌کند، بر اساس معادله زیر خم می‌شود:

Sin Ø1 V1
…………..= ……..
Sin Ø2 V2

که در آن:

θ1 = زاویه برخورد در ماده اول
θ2 = زاویه شکست در ماده دوم
V1 = سرعت صوت در ماده اول
V2 = سرعت صوت در ماده دوم

مبدل‌های اولتراسونیک یا پراب

در وسیع‌ترین معنای خود، پروب یا ترانسدیوسر وسیله ای است که انرژی را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل می‌کند. مبدل‌های اولتراسونیک انرژی الکتریکی را به انرژی صوتی با فرکانس بالا و برعکس تبدیل می‌کنند.

مقطع عرضی یک پراب اولتراسونیک تماسی معمولی

پروبهای آلتراسونیک معمولی برای تشخیص عیوب دارای کریستال فعال از جنس سرامیک پیزوالکتریک، کامپوزیت یا پلیمر هستند. زمانی که این کریستال با یک پالس الکتریکی با ولتاژ بالا تحریک می‌شود، در یک طیف خاص از فرکانس‌ها ارتعاش کرده و یک دسته از امواج صوتی تولید می‌کند. زمانی که این کریستال توسط یک موج صوتی ورودی ارتعاش می‌کند، یک پالس الکتریکی تولید می‌کند.

سطح جلویی کریستال معمولاً با یک صفحه محافظ پوشانده شده است که از آن در برابر آسیب‌های فیزیکی محافظت می‌کند، و سطح پشتی آن به ماده‌ای پشتیبان متصل است که ارتعاشات را پس از اتمام فرآیند تولید صدا به‌طور مکانیکی کاهش می‌دهد. از آنجا که انرژی صوتی در فرکانس‌های اولتراسونیک به‌طور مؤثر از طریق گازها منتقل نمی‌شود، معمولاً لایه‌ای نازک از مایع یا ژل واسط بین پراب و قطعه آزمایش استفاده می‌شود.

پنج نوع از مبدل‌های اولتراسونیک رایج در تشخیص عیوب

پراب تماسی یا نرمال:

همان‌طور که از نام آن‌ها پیداست، پروبهای تماسی برای تماس مستقیم با قطعه آزمایش استفاده می‌شوند. آن‌ها انرژی صوتی را به‌طور عمود به سطح وارد می‌کنند و معمولاً برای شناسایی خلل‌ها، تخلخل‌ها و ترک‌ها یا جداشدگی‌های موازی با سطح بیرونی یک قطعه، و همچنین برای اندازه‌گیری ضخامت استفاده می‌شوند.

پراب زاویه‌ای:

پرابهای زاویه‌ای برای انتشار امواج برشی یا طولی به قطعه آزمایش در زاویه‌ای مشخص نسبت به سطح استفاده می‌شوند. آن‌ها به‌طور رایج در بازرسی جوش‌ها استفاده می‌شوند.

پراب خط تأخیر یا Delay Line:

پرابهای خط تأخیر شامل یک قطعه پلاستیکی کوتاه یا خط تأخیر بین کرستال پراب و قطعه آزمایش هستند. آن‌ها برای بهبود وضوح نزدیکی سطح و همچنین در تست‌های دمای بالا استفاده می‌شوند، جایی که خط تأخیر از کرستال پراب در برابر آسیب‌های حرارتی محافظت می‌کند.

پراب غوطه‌وری:

پرابهای غوطه‌وری برای انتقال انرژی صوتی به قطعه آزمایش از طریق یک ستون آب یا وان آب طراحی شده‌اند. آن‌ها در کاربردهای اسکن خودکار و همچنین در مواقعی که نیاز به پرتو متمرکز به‌طور واضح برای بهبود وضوح نقص است، استفاده می‌شوند.

پراب دوگانه یا T/R :

پرابهای دوگانه از کریستالهای فرستنده و گیرنده جداگانه در یک مجموعه واحد استفاده می‌کنند. آن‌ها غالباً در کاربردهایی که شامل سطوح زبر، مواد دانه‌دار درشت، شناسایی پیتینگ یا تخلخل است استفاده می‌شوند و همچنین تحمل خوبی در دماهای بالا ارائه می‌دهند.

صفحات پیشنهادی:

دستگاه‌های عیب یاب آلتراسونیک

دستگاه‌های مدرن مانند عیب یاب اولتراسونیک Smartor دستگاه‌های کوچک، قابل حمل و مبتنی بر میکروپروسسور هستند که برای استفاده در کارگاه و محیط‌های میدانی مناسب می‌باشند. این دستگاه‌ها امواج اولتراسونیک را تولید و نمایش می‌دهند که توسط یک اپراتور آموزش‌دیده، معمولاً با کمک نرم‌افزار تحلیل، برای شناسایی و دسته‌بندی نقص‌ها در قطعات آزمایش تفسیر می‌شود. این دستگاه‌ها معمولاً شامل یک پالس‌دهنده/گیرنده اولتراسونیک، سخت‌افزار و نرم‌افزار برای ضبط و تحلیل سیگنال، نمایش امواج و ماژول ثبت داده‌ها هستند.

بخش پالس‌دهنده/گیرنده مهمترین بخش یک عیب یاب آلتراسونیک است. این بخش یک پالس تحریک را برای تحریک پراب تأمین می‌کند و تقویت و فیلتر کردن برای اکوهای بازگشتی را انجام می‌دهد. دامنه، شکل و میرایی پالس را می‌توان کنترل کرد تا عملکرد پراب و همچنین نسبت سیگنال به نویز بهینه گردد.

روش کار تشخیص اولتراسونیک

تشخیص عیوب با روش اولتراسونیک اساساً یک تکنیک مقایسه‌ای است. با استفاده از استانداردهای مرجع مناسب همراه با دانش از انتشار امواج صوتی و رویه‌های آزمایشی پذیرفته شده به‌طور عمومی، یک اپراتور آموزش‌دیده الگوهای اکو خاصی که مربوط به پاسخ اکو از قطعات سالم و نقص‌های نماینده است را شناسایی می‌کند. الگوی اکو از یک قطعه آزمایش ممکن است سپس با الگوهای استانداردهای کالیبراسیون مقایسه شود تا وضعیت آن تعیین گردد.

آزمون به روش پرتو مستقیم:

آزمایش پرتو مستقیم با استفاده از پرایهای تماسی، خط تأخیر، دوگانه یا غوطه‌وری معمولاً برای یافتن ترک‌ها یا جداشدگی‌های موازی با سطح قطعه آزمایش، و همچنین خلل‌ها و تخلخل‌ها به کار می‌رود. این روش از اصل بنیادی استفاده می‌کند که انرژی صوتی که از طریق یک محیط حرکت می‌کند، تا زمانی که یا منتشر نشود یا از مرز با ماده دیگری مانند هوای اطراف دیواره دور یا داخل یک ترک منعکس نشود، به حرکت خود ادامه می‌دهد. در این نوع آزمایش، اپراتور پروب را به قطعه آزمایش متصل کرده و اکو برگشتی از دیواره دور قطعه آزمایش را مکان‌یابی می‌کند و سپس به دنبال هر اکو که قبل از اکو دیواره دور برسد، می‌گردد و نویز ناشی از پراکندگی دانه‌ها را در صورت وجود نادیده می‌گیرد. یک اکو آکوستیک مهم که پیش از اکو دیواره دور ظاهر می‌شود، وجود یک ترک لایه‌ای یا خلل را نشان می‌دهد. از طریق تحلیل بیشتر، عمق، اندازه و شکل ساختاری که بازتاب را تولید می‌کند، می‌توان تعیین کرد.

آزمون به روش پرتو زاویه‌ای:

ترک‌ها یا سایر ناپیوستگی‌ها که عمود بر سطح یک قطعه آزمایش یا با آن سطح زاویه‌دار هستند، معمولاً با تکنیک‌های آزمایش پرتو مستقیم به دلیل جهت‌گیری آن‌ها نسبت به پرتو صوتی قابل مشاهده نیستند. چنین نقص‌هایی ممکن است در جوش‌ها، قطعات فلزی ساختاری و بسیاری از اجزای دیگر رخ دهد. برای یافتن آن‌ها، از تکنیک‌های پرتو زاویه‌ای استفاده می‌شود. آنها مجموعه‌های پرابهای زاویه‌ای (لایه) معمولی یا پرابهای غوطه‌وری که به‌طور منظم جهت‌دهی شده‌اند تا انرژی صوتی را به قطعه آزمایش در زاویه‌ای مشخص هدایت کنند، بهره می‌برند. استفاده از آزمایش پرتو زاویه‌ای به‌ویژه در بازرسی جوش‌ها رایج است.

مجموعه‌های پرتو زاویه‌ای معمولاً از تبدیل حالت و قانون اسنل برای تولید یک موج برشی در زاویه‌ای مشخص (معمولاً ۳۰، ۴۵، ۶۰ یا ۷۰ درجه) در قطعه آزمایش استفاده می‌کنند. با افزایش زاویه موج طولی ورودی نسبت به سطح، بخش بیشتری از انرژی صوتی به موج برشی در ماده دوم تبدیل می‌شود و اگر زاویه به اندازه کافی بالا باشد، تمام انرژی در ماده دوم به شکل امواج برشی خواهد بود.

دو مزیت برای طراحی پرتوهای زاویه‌ای معمولی برای بهره‌برداری از پدیده تبدیل حالت وجود دارد. اولاً، انتقال انرژی در زوایای ورودی که امواج برشی را در فولاد و مواد مشابه تولید می‌کنند، مؤثرتر است. ثانیاً، دقت شناسایی حداقل اندازه نقص از طریق استفاده از امواج برشی بهبود می‌یابد، زیرا در یک فرکانس معین، طول موج یک موج برشی تقریباً ۶۰٪ طول موج یک موج طولی مشابه است.

پرتو زاویه‌دار به‌طور خاص به ترک‌ها عمود بر سطح دور قطعه آزمایش (آزمایش اولین مرحله) یا پس از برخورد با طرف دور، به ترک‌ها عمود بر سطح اتصال (آزمایش مرحله دوم) بسیار حساس است. انواع مختلفی از زوایای پرتو و موقعیت‌های پروب برای تطابق با هندسه‌های مختلف قطعه و انواع نقص‌ها استفاده می‌شود که این‌ها به تفصیل در کدها و رویه‌های بازرسی مناسب مانند ASTM E-164 و کد استاندارد جوشکاری AWS شرح داده شده است.

جمع بندی

این مقاله به مقدمه‌ای بر اصول و تشخیص عیوب به روش اولتراسونیک با بررسی اصول پایه و روش های عیب یابی اولتراسونیک پرداخته است. روش اولتراسونیک که بر پایه انتقال امواج صوتی در مواد جامد برای شناسایی ترک‌های پنهان، تخلخل و دیگر ناپیوستگی‌های داخلی است کاملا بی ضرر و غیرمخرب است. در ادامه نیز با روش کار دستگاه ها و پنج نوع از مبدل‌های اولتراسونیک رایج در تشخیص عیوب آشنا شدید. شما می توانید برای تهیه بهترین عیب یاب های التراسونیک به سایت مجموعه زنگ آزمون مراجعه کنید.