TRẦN CÔNG SƠN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN CÔNG SƠN

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SAI SỐ KHI SỬ
DỤNG THIẾT BỊ SIÊU ÂM OLYMPUS-NORTEC 2000D+ ĐỂ KIỂM
TRA CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN CẤU KIỆN GIÀN KHOAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHÓA 2009

CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN CÔNG SƠN

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SAI SỐ KHI SỬ
DỤNG THIẾT BỊ SIÊU ÂM OLYMPUS-NORTEC 2000D+ ĐỂ KIỂM
TRA CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN CẤU KIỆN GIÀN KHOAN

kiểm tra được. Tuy nhiên trong phương pháp siêu âm mối hàn kết cấu giàn khoan
cũng có những yếu tố gây nên sai số, làm cho việc đánh giá không đúng chất
lượng và có thể dẫn đến loại bỏ sai các chi tiết đạt chất lượng yêu cầu.
Để góp phần vào việc nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế, tôi xin lựa
chọn đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị
siêu âm OLYMPUS-NORTECD+ để kiêm tra chất lượng mối hàn kết cấu
giàn khoan”.
2 Mục đích nghiên cứu của luận văn
Nhằm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phép đo từ đó đưa ra
được các phương pháp khắc phục các sai số đo để áp dụng trong kiểm tra mối
hàn tại công ty. Nhằm tối ưu hóa các phương pháp kiểm soát chất lượng của các
chi tiết trong kết cấu giàn khoan, tạo ra được độ tin cậy cao hơn trong phép đo
kiểm tra mối hàn nói chung và mối hàn kết cấu giàn khoan nói riêng. Từ đó đi
sâu nghiên cứu và phối hợp giữa phương pháp kiểm tra bằng sóng siêu âm và
phương pháp khác trong kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm.

Trang 1


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tập trung vào nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng đến sai số khi dùng phương pháp kiểm tra siêu âm để kiểm tra chất lượng
mối hàn trong các kết cấu giàn khoan.
4 Ý nghĩa của đề tài
Với các kết quả nghiên cứu của luận văn, bước đầu đã tạo cơ sở cho việc
xác định một số các yêu tố anh hưởng đến phép đo và mở ra một hướng công
nghệ mới trong ngành cơ khí với những ưu điểm nổi bật của phương pháp kiểm
tra siêu âm.

hoàn thành luận văn này.
TÁC GIẢ

Trang 3


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

CHƯƠNG 1:
ĐẠI CƯƠNG VỀ SÓNG SIÊU ÂM
1.1 GIỚI THIỆU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG ÂM
1.1.1 Định nghĩa sóng âm.
Sóng âm là dao động cơ học lan truyền trong các chất rắn, lỏng và khí ở
dạng sóng. Phổ âm dưới đây chỉ ra các tần số siêu âm tiêu biểu được sử dụng
trong hệ thống kiểm tra thương mại. Hình 1 là biểu diễn phổ âm.
Âm

SIÊU ÂM

Kiểm tra các vật đúc và rèn
Kiểm tra mối hàn
Kiểm tra độ dày
Kiểm tra độ
dày của vật
liệu mỏng
10H
z

20kHz


cũng giống như là của các sóng ánh sáng.
1.1.3 Các dạng sóng âm
Tất cả các dạng sóng đều được mô tả bằng tốc độ, tần số, bước sóng và
dạng lan truyền của chúng.
Tốc độ của sóng âm: Tốc độ của sóng âm là khoảng cách mà sóng lan truyền
được qua vật liệu trong một giây. Tốc độ là đại lượng đặc trưng của vật liệu và
được xác định bởi mật độ và các hằng số đàn hồi của nó. Tần số của sóng âm
thường được biểu diễn bằng m/s.
Tần số (f): Tần số của các sóng âm được biểu diễn bằng Hertz, là số chu kỳ dao
động trên giây.
1MHz=10 6 chu kỳ\giây
Bước sóng (λ): Đây là khoảng cách mà các mặt sóng chuyển động qua môi
trường trong một chu kỳ, trong đó tốc độ (v), tần số (f) và bước sóng (λ) liên hệ
với nhau qua công thức sau:
V=f.λ

(1-1)

1.1.4 Các dạng lan truyền của sóng âm
Phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, các sóng âm có thể lan truyền
trong vật liệu ở các dạng lan truyền khác nhau. Các chất rắn đàn hồi như kim
loại thì có bốn loại lan truyền sóng: đó là các loại sóng nén, sóng trượt, sóng
bề mặt và sóng lamb.

Trang 5


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Các sóng nén (Các sóng dọc hay chùm thẳng)

Hình 1.3: Dịch chuyển của phần tử trong sóng trượt
Các sóng trượt được sử dụng để kiểm tra các thép ferrit và các vật liệu
khác có cấu trúc hạt mịm đồng nhất. Chúng có thể sử dụng để kiểm tra hầu hết
các dạng sản phẩm của các kim loại đó. Chúng có thể lan truyền một khoảng
cách khá xa với các điều kiện âm học thích hợp. Các sóng trượt được sử dụng
rộng rãi nhất để kiểm tra các mối hàn trong sản phẩm rèn và cán của thép ferrit.
Các sóng mặt (còn gọi là sóng Rayleigh)
Trong các sóng mặt, dịch chuyển phần tử có dạng hình elíp, hệ quả của dịch
chuyển của sóng trượt biến dạng. Các sóng mặt lan truyền dọc theo bề mặt và chỉ
xuyên sâu khoảng một bước sóng. Tốc độ của sóng mặt vào khoảng 80-90% tốc
độ của sóng trượt. Các sóng mặt chịu ảnh hưởng mạnh tình trạng bề mặt của các
vật kiểm tra. Chúng được sử dụng để kiểm tra các cấu kiện có bề mặt rất nhẵn
như các phần cấu trúc của máy bay. Do chúng lan truyền theo bề mặt của vật liệu
cho nên chúng có thể được sử dụng để kiểm tra các khuyết tật như vết nứt mỏi
của các góc cua. Đôi khi chúng được sử dụng để kiểm tra lại những nơi mà
không thể tiếp cận được đối với phương pháp dòng xoáy và chất lỏng thẩm thấu

Phần tử dịch chuyển
Đường đi của
sự truyền sóng

Hình 1.4: Dịch chuyển phần tử trong sóng bề mặt

Trang 7


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Các sóng Lamb (các sóng tấm)
Các sóng Lamb là một dạng của sóng nén với sự dịch chuyển phần tử


λ(mm)

V(m/s)

λ(mm)

Không khí

330

0.165

N/A

N/A

Nhôm

6300

3.15

3080

1.54

Đồng thau

3830


2.3

2160

1.08

Gang đúc xám

5600

2.8

3000

1.5

Magnesium

5740

2.87

3080

1.54

Dầu Motor

1440


2.725

3350

1.675

Thép đen (mild)

5960

2.98

3240

1.62

Thép không gỉ (stainless)

5740

2.87

3130

1.565

Titanium

5990

Sin(α)/sin(θ)=v1/v2

(1-2)

Chuyển đổi dạng sóng
Phản xạ và khúc xạ là đặc tính của các dạng sóng. Tuy nhiên, sóng âm
trong các chất rắn đàn hồi có bốn dạng lan truyền khác nhau. Khi sóng âm đi vào
biên giới hai vật liệu có các đặc tính âm khác nhau thì ngoài sự phản xạ và khúc
xạ có thêm một hiện tượng khác là chuyển đổi dạng sóng. Mức độ chuyển đổi
dạng sóng phụ thuộc vào góc tới.
Ví dụ: Các sóng trượt đi vào biên giới thép ferrit-không khí với góc tới
300 thì sẽ phải chuyển đổi rất mạnh thành các sóng nén. Các sóng nén hình thành
lan truyền dọc theo bề mặt dưới dạng sóng creeping. Tới 90% năng lượng ban
đầu của sóng trượt chuyển thành sóng nén.

Trang 10


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Sin(θ) = sin(α).
Sóng nén

α

α

5960
2740


Khô

khí

θc

Sin(αC ) = sin(α).

5960
3240

Sin(θC ) = sin(α).

330
3240

Hình 1.5: Sự phản xạ, khúc xạ và chuyển đổi dạng tại biên giới thépkhông khí.
Các góc tới hạn
Khi các sóng âm đi vào biên giới, các góc được gọi là góc tới hạn xuất
hiện, khi góc tới tương ứng với góc khúc xạ của một dạng lan truyền sóng cho
trước bằng 900.

Trang 11


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN KIỂM TRA BẰNG SÓNG SIÊU ÂM
1.2.1 Kiểm tra truyền qua
Kiểm tra truyền qua là phương pháp kiểm tra siêu âm đầu tiên được sử

đủ để dò hữu hiệu các khuyết tật trong các sản phẩm thép đúc. Các bước phát
triển tiếp theo đã nhanh chóng đưa đến việc sử dụng hữu hiệu kiểm tra siêu âm
trong kiểm tra mối hàn.
Phương pháp xung vọng bao gồm một thiết bị định thời gian được kích
hoạt bởi một máy phát xung và một thiết bị nghe (nó cũng có thể tương tự như
thiết bị phát) để dò các năng lượng âm bất kỳ phản xạ về phía chúng. Thời gian
bao gồm giữa điểm phát xung và nhận xung phản xạ có quan hệ trực tiếp với
quãng đường đã vượt qua. Do đó hệ thống xung vọng giúp chúng ta có thể biết
chính xác vị trí của khuyết tật. Nếu thiết bị định thời gian là một ống tia cathode
có bộ phát thời gian tuyến tính hoạt động theo trục X thì trục đó có thể được sử
dụng để biểu diễn số lượng năng lượng âm được thu nhận.

Trang 13


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Hình 1.8: Nguyên lý của phương pháp kiểm tra xung vọng
Nguyên lý hoạt động máy dò khuyết tật (cho kiểm tra siêu âm xung dội)
Kiểm tra siêu âm xung dội phụ thuộc vào khả năng đo đạc chính xác
khoảng thời gian mà xung âm quay phản xạ trở lại điểm xuất phát của nó. Điều
này có thể đạt được khi sử dụng các ống tia cathode với đường nằm ngang biểu
diễn thời gian (hay khoảng cách lan truyền được) và trục dọc biểu diễn cường độ
âm thu nhận được (hay độ cao của xung).
Ống tia cathode (CRT)

Bộ điều chỉnh
thời gian

Bộ thu sóng

nhận được.

Trang 15


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan
Máy phát xung
Bộ điều
chỉnh trễ

Các bản cực
X của CRT

Bộ phát gốc
thời gian

Các bản cực
Y của CRT
Bộ truyền, khuyếch đại
Bộ suy giảm
(điều chỉnh độ lợi) 
Bộ thu,
Khuếch đại
Âm được
truyền

Đầu dò
phát

Đầu dò

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

1.2.3 Hấp thu âm trở và cộng hưởng
Khi tiến hành phát sóng âm, chùm tia siêu âm sẽ mở rộng(phân kỳ) khi
truyền qua mẫu kiểm tra và cường độ chùm tia giảm dần khi ra xa biến tử hay xa
tâm chùm tia.
Chùm tia phát ra từ biến tử gồm 2 miền:
Trường gần: Nằm sát với biến tử, cường độ chùm tia trong trường gần bị ảnh
hưởng của tương tác lẫn nhau của siêu âm nên có thay đổi phức tạp, những vị trí
có cường độ khác nhau không theo một quy luật nào cả, do đó, kiểm tra bất liên
tục trong trường gần(tức khu vực sát biến tử) là không tin cậy. Chiều dài trường
gần N theo lý thuyết được tính theo công thức sau:
N=D2/4λ=D2f/4V

(1-3)

Trong đó D là đường kính biến tử, λ, f và V là bước sóng, tần số và vận
tốc sóng siêu âm trong môi trường đang phát sóng.
Vùng sau trường gần là trường xa trong đó phần đầu trường xa là phần chuyển
tiếp dài khoảng 2-3 lần chiều dài trường gần.
Trong trường xa, trường âm bắt đầu mở rộng với góc mở được xác định theo
công thức:
Sin(α/2)=1.22(λ/D)

(1-4)

Trong trường xa, cường độ âm giảm dần theo khoảng cách. Độ suy giảm
này tuân theo quy luật nhất định do năng lượng âm bị tổn hao vì hấp thu và tổn
hao do mở rộng chùm tia. Tổn hao của các vật liệu khác nhau cũng khác nhau
phụ thuộc vào khả năng hấp thụ và tán xạ âm của vật liệu.

(1-6)

I2= 2I1 khi chuyển sang dB sẽ là 6 dB
I2= 10I1 khi chuyển sang dB sẽ là 20 dB
Do đó, hệ số tổn hao sẽ được đo bằng dB/mm
Âm trở Z là một đặc tính âm của vật liệu, được tính bằng tích số của mật
độ của vật liệu p và vận tốc sóng âm trong vật liệu đó là V
Âm trở = mật độ * vận tốc

Z = p* V

(1-7)

Khi năng lượng truyền qua mặt phân giới giữa hai môi trường hoàn toàn
giống nhau lý tưởng, vận tốc âm giống nhau và năng lượng âm hoàn toàn truyền
qua mặt phân giới. Tỷ số âm trở giữa 2 môi trường này bằng 1. Khi tỷ số âm
khác 1. Một phần năng lượng sẽ truyền qua và một phần năng lượng sẽ phản xạ
trở về đầu dò.
Hệ số phản xạ
Hệ số truyền qua

R =(Z2 –Z1)2/(Z2 +Z1)2
I=1–R

Trang 18

(1-8)
(1-9)



Phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc
Cường độ phản xạ và truyền qua: Khi sóng siêu âm tới thẳng góc với mặt
phân cách giữa hai môi trường có âm trở khác nhau thì một phần sóng sẽ bị phản
xạ và một phần sóng sẽ truyền qua được biên giới này. Khi bề mặt tại đó xảy ra
sự phản xạ gọi là mặt phân giới. Phần năng lượng của sóng âm bị phản xạ hoặc
truyền qua được phụ thuộc vào sự khác biệt giữa âm trở của hai môi trường. Nếu
sự khác biệt lớn thì phần lớn năng lượng sẽ phản xạ trở lại và chỉ một phần nhỏ
năng lượng truyền qua biên giới. Ngược lại nếu sự khác biệt âm trở là nhỏ thì
phần lớn năng lượng siêu âm sẽ truyền qua và chỉ một phần nhỏ bị phản xạ
ngược trở lại.
Định lượng, phần năng lượng siêu âm bị phản xạ khi sóng siêu âm tới

Trang 19


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

thẳng góc với mặt phân cách hai môi trường có âm trở khác nhau được cho như
sau:
Cường độ sóng siêu âm bị phản xạ tại biên giới

Hệ số phản xạ

=

Cường độ sóng siêu âm tới biên giới

⎛ Z − Z1 ⎞
I
⎟

I r ⎛ Z 2 − Z1 ⎞
⎟
=⎜
I i ⎜⎝ Z1 + Z 2 ⎟⎠

2

T
4Z1Z2
T= t =
=1− R
Ii (Z1 + Z2 )2

Trang 20

(1-12)


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Như vậy hệ số truyền qua: T=1-R trong đó:
T- Hệ số truyền qua
R- Hệ số phản xạ
Phần năng luợng truyền qua được biên giới phân cách được cho bởi quan hệ:

Cường độ của sóng siêu âm được truyền qua biên giới
Hệ số truyền qua =
Cường độ của sóng siêu âm được truyền qua biên giới

T=



Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Sóng dọc tới khi ấy được chia thành hai thành phần: Một phần là sóng dọc
và một phần là sóng ngang.
Ký hiệu L1 và S1 là thành phần dọc và sóng trượt trong môi trường 1 là
L2 và S2 là thành phần dọc và sóng trượt trong môi trường 2. Sẽ không có các
thành phần ngang phản xạ và khúc xạ nếu môi trường 1 hoặc môi trường 2 không
phải là môi trường rắn.
αL - Góc tới của sóng dọc.
αt – Góc phản xạ của óng ngang.
βt – Góc khúc xạ của sóng ngang.
βL – Góc khúc xạ của sóng dọc

Hình 1.13: Hệ số phản xạ của âm áp đối với sóng ngang và dọc phản xạ
tại biên giới thép – không khí.
(a) Âm áp phản xạ của sóng dọc có một cực tiểu 13% ở góc tới 680. Điều
đó có nghĩa là phần còn lại của sóng được chuyển đổi thành sóng ngang.
(b) Khi sóng ngang có góc tới khoảng 300, thì chỉ có 13% của âm áp là ở
dạng sóng ngang. Phần còn lại sẽ chuyển đổi thành sóng dọc.
Kết luận

Trang 22


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Qua việc nghiên cứu tổng quan về sóng siêu ở trong nước và trên thế giới
hiện nay ta thấy được tầm quan trọng và ứng dụng trong rất nhiều ngành công