متغیرهای موثر بر نتایج آزمون اولتراسونیک

آزمون اولتراسونیک می‌تواند اطلاعات مهمی در مورد چندین جنبه از یک ماده مانند: ضخامت، میرایی، شکل، وجود عیوب، اندازه و جهت آنها را به ما ارائه دهد. اینها بر دو اندازه گیری اصلی متکی هستند: دامنه سیگنال و زمان رسیدن سیگنال. محتوای فرکانس سیگنال نیز تا حدودی می تواند اطلاعات مفیدی را ارائه دهد، اما کاربرد آن چندان رایج نیست.

ما در مورد شرایط آزمایش مفروضات خاصی می‌کنیم و فرض می‌کنیم که تغییرات در زمان یا دامنه ناشی از تغییر در پارامتر مورد نظر است. مفروضات ساخته شده بر پایه ثابت بودن همه پارامترها است، به عنوان مثال، هنگام انجام یک اندازه گیری ضخامت، سرعت صوتی قطعه کالیبراسیون را قطعه آزمایشی را که اندازه می گیریم یکسان فرض می کنیم. ما همچنین فرض می کنیم که دمایی که در آن آزمایش ها و کالیبراسیون ها انجام می شود مهم نیست. با این حال، یکی یا هر دو پارامتر ثابت فرض شده (سرعت و دما مواد) می توانند بر نتایج آزمایش ما تأثیر بگذارند. متغیرهای مؤثر بر نتایج آزمون به 4 گروه تقسیم می شوند:

1. عملکرد دستگاه
2. عملکرد مبدل
3. تغییرات متریال مورد تست
4. تغییرات عیوب

یکی دیگر از عوامل مرتبط با نتایج یک بازرسی، عامل انسانی است، این یک موضوع بسیار مورد بحث است.

عملکرد دستگاه

تغییرات دامنه (نمایشگر) و پالسر/گیرنده می تواند بر زمان، دامنه و فرکانس محتوای سیگنال های اولتراسونیک تأثیر بگذارد.

متغیر اولیه در محدوده خطی بودن مبنای زمانی است. روش‌های راستی‌آزمایی معمولاً به تلورانس دقت تا درصدی از محدوده کل صفحه (معمولاً +/- 2٪) نیاز دارند. این تضمین می کند که هیچ فاصله اندازه گیری شده بیش از 2٪ خطا نخواهد داشت، به عنوان مثال. برای محدوده 250 میلی متری ممکن است خطای حداکثر +/-5 میلی متر در فولاد وجود داشته باشد.

پالسر گیرنده – عدم قطعیت دامنه ناشی از تغییرات در خطی بودن انحراف عمودی دامنه یا به دلیل عدم دقت در کنترل دامنه است. خطی بودن عمودی دامنه تضمین می کند که رابطه بین دو سیگنال با دامنه های مختلف در کل محدوده ارتفاع صفحه حفظ می شود. این کار با مقایسه ارتفاع نسبی دو اکو در ارتفاع های مختلف صفحه انجام می شود. به عنوان مثال، تنظیم دو اکو با فاصله 6 دسی بل با یکی در 80% FSH شروع می شود، دیگری در 40% FSH تنظیمات انجام می شود تا ابتدا سیگنال FSH 80% به 90% و 100% افزایش یابد.

سیگنال پایین باید به ترتیب 45% و 50% باشد. با کاهش سیگنال بالاتر در 10٪ افزایش FSH، پایین تر باید به نصف ارتفاع خود ادامه دهد. تحمل برای این پارامتر +/-5٪ از ارتفاع صفحه نمایش است. این تضمین می کند که نسبت سیگنال دو دامنه مختلف واقعاً تأثیرات اندازه یا فاصله را نشان می دهد. این برای مقایسه نوع DGS بسیار مهم است.

جنبه دیگر تغییرپذیری خطی عمودی، کنترل بهره دامنه است. این در مورد کنترل بهره کالیبره شده که معمولاً در افزایش دسی بل در آشکارساز عیب یافت می شود، صدق می کند. از آنجایی که dB از (dB = 20 log A2/A1 به دست می‌آید، تغییر dB با مقدار ثابتی باید نسبت سیگنال‌ها را تغییر دهد. این به ما این امکان را می‌دهد که انتظار داشته باشیم سیگنال در 50% FSH به 100% FSH افزایش یابد زمانی که 6dB است. به بهره گیرنده اضافه شد. استاندارد ASME نیاز دارد که اسکن یک جوش با استفاده از 14 دسی بل روی مرجع انجام شود.

این بدان معناست که سیگنالی که 20 درصد دامنه مرجع در بهره مرجع باشد، به سطح مرجع مشخص شده با DAC می رسد. بهره گیرنده خطی نیست کوچکترین نشانه قابل ضبط ممکن است بزرگتر یا کمتر از سطح مورد نظر باشد.

تأثیر فیلترهای باند بر روی دامنه کاهش ارتفاع سیگنال است اگر فرکانس مرکزی سیگنال دریافتی فراتر از (بیشتر یا کمتر از) ناحیه گذر باند حداکثر پاسخ باشد. این می تواند یک عامل زمانی باشد که مشخص شود سیگنال منعکس شده یا ارسال مجدد یک نقص دارای طیف فرکانسی است که با ویژگی های نقص تعیین می شود (این اساس تجزیه و تحلیل طیف صوتی یا تحلیل فرکانس است).

عملکرد مبدل

همانند پالسر/گیرنده، عملکرد مبدل برای تغییر بررسی و نظارت می شود. کدها و استانداردهایی جزئیات مربوط به تأیید عملکرد ابزار، مبدل و سیستم را پوشش می دهد. اما علاوه بر حصول اطمینان از اینکه این جنبه‌ها در محدوده تلورانس‌های مجاز اولیه هستند، همه آنها باید به طور منظم نظارت شوند تا اطمینان حاصل شود که هیچ تغییر مهمی رخ نمی‌دهد.

موارد نظارتی فوق برای پروب های تست تماس اعمال می شود. سایش ناشی از حرکت روی سطوح فلزی باعث تسریع تغییرات در عملکرد می شود. برخی از تغییرات ایجاد شده توسط سایش می تواند نتایج آزمایش را به طور قابل توجهی تغییر دهد. به عنوان مثال، تغییر زاویه پرتو را در نظر بگیرید. اگر در ابتدای روز یک پروب اسمی 60 درجه دارای زاویه واقعی 62 درجه بود، نشانه ای با مسیر صوتی 150 میلی متر در جوش لب به لب صفحه ای به ضخامت 100 میلی متر یافت می شود.

یک محاسبه سریع که توسط اپراتور انجام می‌شود، به رسم نمودار اجازه می‌دهد تا عیب را 132.4 میلی‌متر در امتداد سطح از نقطه خروج و سپس 70.4 میلی‌متر زیر سطح آزمایش قرار دهد. پس از چندین ساعت اسکن سنگین، اپراتور به صورت تصادفی پراب را روی بلوک کالیبراسیون قرار می دهد و زاویه واقعی به 58 درجه تغییر می کند (هر دو 62 درجه و 58 درجه در محدوده تحمل قابل قبول برای یک پروب 60 درجه اسمی هستند).

هنگامی که همان نشانه دوباره بررسی می شود، اپراتور نشانه ای را در همان ناحیه پیدا می کند، اما به نظر نمی رسد که یکسان باشد. مسیر صوتی برای نشانه “جدید” تنها 133 میلی متر است. اپراتور با این باور که زاویه شکست 62 درجه است، اکنون نقصی را 62 میلی متر زیر سطح ترسیم می کند. این وضعیت در شکل زیر نشان داده شده است.

خطاهای مشابهی در ترسیم موقعیت جانبی می تواند ناشی از کج شدن موج صوتی باشد. هنگام ترسیم یک نشانه با پرتو زاویه ای، فرض می کنیم که پرتو مستقیماً جلوتر در خط با محفظه پروب امتداد می یابد، اما سایش در یک طرف یا طرف دیگر باعث می شود پرتو از خط مرکزی دور شود. اگر از مثال قبلی با استفاده از کاوشگر 62 درجه استفاده کنیم که نشانه ای را در مسیر صوتی 150 میلی متری پیدا می کند، نمودار نمای پلان نشان می دهد که از نقطه خروج دقیقاً در مقابل کاوشگر حدود 132 میلی متر است.

اگر یک انحراف 5 درجه وجود داشته باشد که در نظر گرفته نشده باشد، خطا در مکان یابی این نشانه حدود 11.5 میلی متر خواهد بود (شکل زیر را ببینید).

نقطه شاخص یا نقطه خروج پرتو برای کاوشگر پرتو زاویه ای به راحتی بر روی بلوک VII ایجاد می شود. این برای تعیین زاویه شکست واقعی استفاده می شود، بنابراین دقت آن در +/-1.5 میلی متر ضروری است. برای مسیرهای صوتی طولانی تر (بیش از 25 میلی متر، تأثیر روی قرار دادن یک نقص به جلو یا عقب خیلی مهم نخواهد بود. به عنوان مثال، اگر عیب ترسیم شده در شکل بالا 1 میلی متر به جلو یا عقب بود، به دلیل اینکه نقطه خروجی 1 میلی متر از موقعیت خطی آن جدا شده است، این مشکل خواهد بود.

با این حال، اگر جوش آزمایش شده روی لوله ای به ضخامت 6 میلی متر با ریشه TIG باشد، عرض ریشه ممکن است حدود 2 میلی متر باشد. یک خطا در قرار دادن نقطه خروج می تواند عیب را در سمت اشتباه جوش ترسیم کند.

تغییرات مواد مورد تست

هنگام در نظر گرفتن متغیرهای مواد آزمایشی که بر نتایج آزمون تأثیر می‌گذارند، می‌توانیم آنها را در سه حوزه مورد توجه قرار دهیم:

• سطح ورودی
• اندازه قطعه و هندسه
• ساختار داخلی.

متغیرهای سطح ورودی عبارتند از:

• زبری سطح
• پوشش های سطحی
• وضعیت کوپلنت
• زبری سطح

زبری سطح چندین اثر احتمالی در بازرسی یک قطعه آزمایش خواهد داشت. در تست تماس، زبری در مقیاس ناخالص ناشی از: پاشش جوش، مقیاس صفحه، کثیفی (ماسه) و سطوح ریخته‌گری ناهموار از ریخته‌گری شن و ماسه است. این بی نظمی ها باعث می شود که برخی از نقاط تماس کوپلنت را کنار زده و آن را به نواحی پایینی اطراف پروب فشار دهند. اگر کوپلنت به اندازه کافی ویسکوز نباشد، به سرعت تخلیه می شود و نمی تواند پروب را به قطعه آزمایش متصل کند. شکل زیر را ببینید.

• پوشش های سطحی

پوشش های سطحی برای محافظت از یک سطح در برابر خوردگی یا برای افزایش ظاهر آن اضافه می شوند. لایه‌های نازک مانند لایه‌های اکسید، لایه‌های آنودایز یا روکش‌های آبکاری شده و پوشش‌های کمی ضخیم‌تر رنگ یا لاک معمولاً به خوبی به سطح می‌چسبند. کیفیت پیوند را می توان با یک مقدار انتقال ساده با بلوک مرجع بدون پوشش مقایسه کرد. حتی اتلاف جزئی به دلیل پوشش ممکن است به برداشتن پوشش و تلاش برای بازرسی سطح ناهموار پنهان آن ارجح باشد.

• وضعیت کوپلنت

هر دو روش تماس و غوطه وری از رسانه های مداخله گر برای انتقال صدا از پروب به قطعه آزمایش و برگشت به گیرنده استفاده می کنند. با روش های غوطه وری، این کار با یک محیط سیال منفرد انجام می شود. در تست تماس تقریباً همیشه حداقل دو رسانه مداخله گر وجود دارد. خط تاخیری یا صورت محافظ و لایه نازک مایع جفت یا گریس. تضعیف و سرعت صوتی دو ویژگی اصلی هستند که عملکرد یک کوپلنت را دیکته می کنند. تضعیف دامنه سیگنال را تحت تأثیر قرار می دهد و سرعت هم زمان عبور و هم زوایای شکست را تعیین می کند.

• ساختار داخلی

جنبه نهایی تغییرات مواد موثر بر نتایج آزمایش، ساختار ماده تحت آزمایش است. پارامترهای مواد تابعی از آرایش و شرایط محیطی هستند. آرایش با طراحی و پردازش تعیین می شود. خواه ماده مورد آزمایش فولاد، آلومینیوم یا کامپوزیت فیبر باشد، ممکن است تغییراتی در طراحی ایجاد شود. نسبت رزین به فیبر در کامپوزیت ها متفاوت است و فلزات ممکن است تغییرات آلیاژی زیادی داشته باشند.

علاوه بر این، ساختار دانه فلزی را می توان با آلیاژ، عملیات حرارتی و کار تغییر داد. همه این عوامل تفاوت هایی را در نتایج آزمایش های اولتراسونیک ایجاد می کنند که به صورت تغییرات در سرعت یا تضعیف آشکار می شود. همچنین، همانطور که دما و فشار برای تغییر سرعت و تضعیف در کوپلنت‌ها مشخص شد، ماده مورد آزمایش نیز به طور مشابه تحت تأثیر این شرایط کنترل‌شده خارجی قرار می‌گیرد.

• تنوع نقص

چهارمین عامل اصلی مؤثر بر نتایج آزمایش، نقص یا سطح منعکس کننده مورد نظر است. در ارزیابی سیگنال یک اپراتور از سه آیتم استفاده می کند. مسیر صوتی، موقعیت پروب و دامنه. تغییر رابطه این سه جنبه را «دینامیک بازتاب پرتو صوتی» می نامند. بنابراین، بررسی دینامیک بازتاب پرتو صوتی یک نقص به اپراتور اجازه می دهد تا تصویری (ذهنی در اسکن دستی و احتمالاً بصری در صورت خودکار بودن) از شکل نقص ایجاد کند. چهار عامل در پاسخ به دست آمده از یک نقص مهم هستند.

1. اندازه و هندسه
2. موقعیت مکانی نسبت به سطوح مجاور
3. جهت محور اصلی
4. نوع ناپیوستگی و شرایط انعکاس.

• اندازه و هندسه نقص

هر دو اندازه نقص و شکل نقص تأثیر قابل توجهی بر دامنه سیگنال دارند. اصول سیستم AVG(همان نمودار DGS) نشان داد که چگونه دامنه سیگنال تابعی از نسبت مساحت بازتابنده به سطح عنصر است. عموماً نقص‌های کوچک سیگنال‌های دامنه کوچک‌تری نسبت به نقص‌های بزرگ‌تر ارائه می‌دهند. با این حال، شکل نامنظم نقص ممکن است به این معنی باشد که تمام نقص صدا را به گیرنده منعکس نمی کند. وجوه نامنظم یک ترک یا نزدیکی منافذ در خوشه های تخلخل می تواند منجر به تلفات کافی به دلیل پراکندگی شود که سیگنال های بسیار کوچکی دریافت می شود، علی رغم این واقعیت که حجم زیادی از فلز وجود ندارد. یعنی دامنه سیگنال هیچ تضمینی برای اندازه نقص نیست.

• موقعیت مکانی با توجه به سطوح مجاور

موقعیت عیب نسبت به سطوح مجاور چندین علت نتایج متغیر را نشان می دهد. تضعیف ساده باعث کاهش دامنه سیگنال با افزایش مسیر صوتی (در منطقه دور) تا نقص می شود. اگر نقص به سطح بازتابی دیگری نزدیک باشد، ممکن است سیگنال‌های گیج کننده ایجاد شود یا سیگنال‌ها از بین بروند. شکل زیر نشان می دهد که چگونه سیگنال تبدیل حالت ممکن است به دلیل انعکاس یک نقص مسطح در نزدیکی یک سطح صاف ایجاد شود.

• جهت گیری محور اصلی

هنگامی که محور اصلی یک نقص دقیقاً عمود بر انعکاس پرتو نباشد باعث می شود سیگنال برگشتی از مسیر برگشت ساده به فرستنده دور شود. برای زوایای کوچک، این امر باعث از دست دادن کامل سیگنال نمی شود، زیرا ابعاد پرتو کافی است که قسمت های خارج از مرکز همچنان توسط کاوشگر شناسایی شوند. حتی زوایای کوچک خارج از حالت عادی (به عنوان مثال +/-5 درجه) می تواند منجر به کاهش قابل توجه سیگنال شود. هنگامی که عیوب مورد انتظار مسطح هستند و نمی توان زاویه مناسب پالس پژواک را ترتیب داد تا اطمینان حاصل شود که پرتو به نقص برخورد می کند در ترتیبات پروب پشت سر هم با زاویه قائمه ترجیح داده می شود.

 

• نوع ناپیوستگی و شرایط بازتاب

تا حدودی این مورد توسط جنبه های دیگر مورد توجه قرار گرفته است. اندازه و هندسه نقص معمولاً بر اساس نوع آن تعیین می شود. به عنوان مثال، تخلخل معمولاً کوچک و کروی است، سرباره از نظر شکل و اندازه نامنظم و غیر همجوشی معمولاً مسطح است. با این حال، بازتاب عیوب یک موضوع ساده در زاویه برخورد نیست. برای تخلخل بسیار ریز ممکن است سیگنال بازتابی قابل توجهی وجود نداشته باشد اما پراکندگی چنین نقص پراکنده ای باعث کاهش انرژی ارسالی می شود.

حداکثر بازتاب خارج از یک مرز آزاد رخ می دهد. این وضعیت به طور مؤثری برای عدم گداخت و ترک هایی است که در آن فضای خالی هوا است. با این حال، هنگامی که یک ماده غیر مشابه فضای خالی را پر می کند، همانطور که در یک سرباره یا آخال تنگستن در جوش TIG یا آخال های کاربید در قطعات ریخته گری یا آهنگری وجود دارد، بخشی از صوت وارد شده بر روی مرز منتقل می شود. این باعث کاهش سیگنال منعکس شده می شود.

به تلفات ناشی از انتقال به محیط بعدی، تلفات مربوط به انعکاس در هر زاویه ای غیر از 0 درجه اضافه می شود. ضرایب بازتاب و انتقال که قبلاً مورد بحث قرار گرفت نشان می‌دهد که دامنه‌ها با چه سرعتی می‌توانند به دلیل تفاوت مواد مرزی و زوایای برخورد تغییر کنند.

در نهایت، شرایط محیطی فشار می تواند تأثیرات عمیقی بر دامنه سیگنال داشته باشد. مطالعات نشان داده‌اند که وقتی نمونه ترک خورده در حالت فشرده قرار می‌گیرد، یک سیگنال از یک ترک شکسته سطحی تا 20 دسی بل کاهش می‌یابد.