Nghiên cứu phương pháp kiểm tra mối hàn thép hợp kim bằng siêu âm

• Tác giả: Võ Đông Lao
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp kiểm tra bằng siêu âm, áp dụng cho mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra vết nứt mối hàn bằng siêu âm
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Tổng quan về thép hợp kim thấp độ bền cao
• 1.1.1. Khái niệm chung
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về Kiểm tra Mối hàn Thép Hợp kim bằng Siêu âm

Nghiên cứu này tập trung vào kiểm tra mối hàn thép hợp kim, cụ thể là ứng dụng phương pháp siêu âm trong kiểm tra không phá hủy mối hàn. Kiểm tra siêu âm mối hàn thép hợp kim là một kỹ thuật quan trọng để đánh giá chất lượng mối hàn, phát hiện các khuyết tật mối hàn như vết nứt, rỗ khí, xỉ hàn,… ảnh hưởng đến độ bền mối hàn. Kiểm tra độ bền mối hàn là yếu tố quyết định an toàn và tuổi thọ của cấu trúc. Nghiên cứu này trình bày quy trình, phương pháp và ứng dụng của kỹ thuật siêu âm công nghiệp trong kiểm tra mối hàn thép. Thép hợp kim có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ bền cao, chính vì thế việc đảm bảo chất lượng mối hàn là vô cùng cần thiết. Công trình tập trung vào phương pháp siêu âm kiểm tra mối hàn, bao gồm cả kiểm tra đáy mối hàn, kiểm tra thân mối hàn và các loại mối hàn khác nhau.

1.1 Tổng quan về Thép Hợp kim và Mối hàn

Thép hợp kim là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các kết cấu chịu tải trọng cao. Tính chất thép hợp kim phụ thuộc vào thành phần hoá học và quá trình xử lý nhiệt. Ứng dụng thép hợp kim bao gồm các cấu kiện trong xây dựng, cầu đường, máy móc, thiết bị công nghiệp nặng,… Mối hàn thép hợp kim là một phương pháp gia công quan trọng để tạo ra các kết cấu phức tạp. Tuy nhiên, quá trình hàn có thể tạo ra các khuyết tật mối hàn, ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của kết cấu. Nghiên cứu mối hàn nhằm mục đích hiểu rõ các cơ chế hình thành khuyết tật, và từ đó phát triển các phương pháp kiểm tra, đánh giá chất lượng mối hàn hiệu quả. Kiểm tra mối hàn thép là một yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn, hiệu quả sử dụng các kết cấu. Các tiêu chuẩn kiểm tra mối hàn quốc tế được áp dụng rộng rãi, đảm bảo tính thống nhất và chất lượng. Phân tích mối hàn cần bao gồm cả đánh giá về hình dạng, kích thước và chất lượng kim loại mối hàn. Chất lượng mối hàn được đánh giá dựa trên nhiều tiêu chí như độ bền kéo, độ dẻo, độ cứng, khả năng chịu mỏi, và đặc biệt là sự vắng mặt của các khuyết tật.

1.2 Phương pháp Kiểm tra Siêu âm Mối hàn

Kiểm tra siêu âm là một phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) được ứng dụng rộng rãi trong việc đánh giá chất lượng mối hàn. Nguyên lý của phương pháp này dựa trên việc sử dụng sóng siêu âm để phát hiện các khuyết tật mối hàn. Sóng siêu âm được phát ra từ đầu dò, truyền qua vật liệu và phản xạ lại khi gặp các bề mặt phân cách, bao gồm cả các khuyết tật mối hàn. Thời gian truyền và cường độ của sóng phản xạ được sử dụng để xác định vị trí, kích thước và loại khuyết tật. Thiết bị kiểm tra siêu âm mối hàn bao gồm đầu dò, máy phát sóng siêu âm, màn hình hiển thị. Ultrasonic testing cung cấp thông tin chi tiết về chất lượng mối hàn, giúp phát hiện các khuyết tật một cách hiệu quả. Việc lựa chọn tần số sóng siêu âm và loại đầu dò phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả. Giải thích kết quả kiểm tra siêu âm mối hàn đòi hỏi kiến thức chuyên môn sâu rộng về cả kỹ thuật siêu âm và cấu trúc mối hàn. Báo cáo kiểm tra siêu âm mối hàn phải trình bày đầy đủ các thông tin về phương pháp kiểm tra, kết quả quan sát và đánh giá chất lượng mối hàn.

1.3 Ứng dụng và Hiệu quả của Kiểm tra Siêu âm Mối hàn

Kiểm tra siêu âm mối hàn thép hợp kim có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm xây dựng, chế tạo máy móc, dầu khí, năng lượng… Hiệu quả của kiểm tra siêu âm mối hàn thể hiện ở việc giảm thiểu rủi ro do sự cố của các kết cấu hàn. Phương pháp này cho phép phát hiện sớm các khuyết tật, giúp ngăn ngừa hư hỏng và tai nạn. An toàn lao động trong kiểm tra mối hàn cũng là một vấn đề quan trọng cần được chú trọng. Weld inspection bằng siêu âm đảm bảo chất lượng sản phẩm, tiết kiệm chi phí sửa chữa và bảo trì. Sửa chữa mối hàn chỉ cần thiết khi phát hiện các khuyết tật nghiêm trọng, ảnh hưởng đến độ bền và an toàn của kết cấu. Việc áp dụng chuẩn kiểm tra mối hàn siêu âm đảm bảo tính khách quan và độ tin cậy của kết quả. Tiêu chuẩn kiểm tra mối hàn siêu âm quốc tế và quốc gia cần được tham khảo và tuân thủ trong quá trình kiểm tra. Phát hiện lỗi mối hàn kịp thời giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và độ tin cậy của kết cấu.

Tổng quan nghiên cứu

Kiểm tra chất lượng mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao là một vấn đề cấp thiết trong ngành công nghiệp chế tạo và xây dựng, đặc biệt tại các công ty dầu khí, nhà máy nhiệt điện và các doanh nghiệp sản xuất thiết bị cơ khí tại Việt Nam. Theo ước tính, các mối hàn chịu tác động lớn từ quá trình vận hành, dễ phát sinh các vết nứt và khuyết tật ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và an toàn kết cấu. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển phương pháp kiểm tra bằng siêu âm nhằm phát hiện chính xác các vết nứt trong mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao, đồng thời xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra vết nứt mối hàn bằng siêu âm. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2013 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào các mối hàn thép HSLA (High Strength Low Alloy Steel) với phạm vi áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng. Việc áp dụng phương pháp siêu âm giúp nâng cao hiệu quả kiểm tra, giảm thiểu rủi ro hỏng hóc, đồng thời góp phần đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ kết cấu hàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về thép hợp kim thấp độ bền cao (HSLA) và phương pháp kiểm tra không phá hủy bằng sóng siêu âm. Thép HSLA là loại thép có hàm lượng cacbon thấp (<0,26%) và bổ sung các nguyên tố hợp kim như Mangan, Silic, Vanadi, Titan nhằm tăng cường độ bền, độ dai va đập và tính hàn tốt. Các tiêu chuẩn quốc tế như TCVN, ASTM, JIS, DIN và GB được tham khảo để xác định thành phần hóa học và cơ tính của các mác thép HSLA phổ biến.

Phương pháp kiểm tra siêu âm dựa trên nguyên lý truyền sóng siêu âm tần số cao (trên 0,5 MHz) vào vật liệu, sóng phản xạ tại các mặt phân cách hoặc khuyết tật được thu nhận và phân tích để xác định vị trí, kích thước và bản chất của vết nứt. Các khái niệm chính bao gồm: sóng dọc, sóng ngang, tần số siêu âm, góc đầu dò, xung phản hồi, và kỹ thuật quét zigzag. Mô hình kiểm tra bao gồm các loại mối hàn: mối hàn đối đầu, mối hàn chữ T, mối hàn ống nhánh, mối hàn chữ V đơn và chữ V kép.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu mối hàn thép HSLA được chế tạo và chuẩn bị theo tiêu chuẩn quốc tế, kết hợp với các mẫu chuẩn V1, V2 để hiệu chuẩn thiết bị. Phương pháp phân tích sử dụng thiết bị siêu âm xách tay và phòng thí nghiệm với tần số từ 0,5 MHz đến 6 MHz, đầu dò đơn tinh thể và tinh thể kép, kết hợp các góc đầu dò 35°, 45°, 60°, 70°, 80° tùy theo bề dày vật liệu (từ 5 mm đến 200 mm). Cỡ mẫu nghiên cứu khoảng vài chục mẫu mối hàn với các dạng khuyết tật khác nhau như co ngót, rỗ khí, không ngấu, vết nứt ngang.

Quy trình nghiên cứu gồm khảo sát thực tế tại các doanh nghiệp, thu thập thông tin về đặc tính vật liệu và công nghệ hàn, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra vết nứt bằng siêu âm, tiến hành đo đạc và phân tích tín hiệu phản hồi. Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng (01/2013 – 12/2013), bao gồm các giai đoạn: tổng quan tài liệu, thiết kế thí nghiệm, thử nghiệm, phân tích kết quả và hoàn thiện báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công bài thí nghiệm kiểm tra vết nứt mối hàn bằng siêu âm: Bài thí nghiệm cho phép phát hiện các vết nứt có kích thước nhỏ, nằm sâu trong mối hàn thép HSLA với độ chính xác vị trí lên đến ±1 mm. Tỷ lệ phát hiện khuyết tật đạt khoảng 95%, vượt trội so với các phương pháp kiểm tra truyền thống.

2. Hiệu quả của các loại đầu dò và góc quét: Đầu dò tần số 2-6 MHz với góc 70° phù hợp cho kiểm tra mối hàn có bề dày từ 15 mm đến 35 mm, trong khi đầu dò 0,5-1,5 MHz thích hợp cho vật liệu dày trên 100 mm. Việc lựa chọn góc đầu dò theo công thức ( \text{Góc đầu dò} = 90^\circ - \frac{\theta}{2} ) (với ( \theta ) là góc nghiêng rãnh hàn) giúp tối ưu hóa phản hồi sóng siêu âm.

3. Phát hiện các dạng khuyết tật phổ biến: Các khuyết tật như co ngót vĩ mô, co ngót vi mô, lỗ rỗng khí, không ngấu và vết nứt ngang được xác định rõ ràng trên màn hình CRT với biên độ xung phản hồi khác biệt. Ví dụ, khuyết tật không ngấu tại đáy mối hàn cho xung phản hồi xuất hiện ở vị trí ngắn hơn 1/2 quãng đường truyền sóng siêu âm.

4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về khả năng xuyên sâu của sóng siêu âm (6-7 m trong thép), đồng thời cải thiện độ nhạy phát hiện khuyết tật nhỏ so với các thiết bị xách tay thông thường. Tỷ lệ phát hiện khuyết tật cao hơn khoảng 10-15% so với phương pháp kiểm tra bằng mắt thường và từ trường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của phương pháp kiểm tra siêu âm là do khả năng xuyên sâu và độ nhạy cao của sóng siêu âm trong vật liệu thép HSLA, kết hợp với việc lựa chọn đầu dò và góc quét phù hợp với từng loại mối hàn và bề dày vật liệu. Việc sử dụng kỹ thuật quét zigzag và hai đầu dò nối tiếp giúp phát hiện các khuyết tật phức tạp như vết nứt bắt đầu từ mép giọt lồi đáy mối hàn.

So với các phương pháp kiểm tra không phá hủy khác như kiểm tra từ trường hay chụp ảnh bức xạ, siêu âm có ưu điểm vượt trội về độ chính xác vị trí và khả năng phát hiện khuyết tật nhỏ nằm sâu bên trong vật liệu. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị đắt tiền và nhân viên có kinh nghiệm vận hành, đồng thời cần chuẩn bị bề mặt kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo tiếp xúc đầu dò tốt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ phát hiện khuyết tật giữa các loại đầu dò và tần số, bảng tổng hợp các loại khuyết tật phát hiện được theo từng phương pháp, cũng như hình ảnh tín hiệu phản hồi trên màn hình CRT minh họa các dạng khuyết tật.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng rộng rãi phương pháp kiểm tra siêu âm trong các doanh nghiệp chế tạo thiết bị dầu khí và nhà máy nhiệt điện nhằm nâng cao chất lượng mối hàn, giảm thiểu rủi ro hỏng hóc, với mục tiêu tăng tỷ lệ phát hiện khuyết tật lên trên 90% trong vòng 12 tháng.

2. Đào tạo chuyên sâu cho nhân viên kỹ thuật về vận hành thiết bị siêu âm và phân tích tín hiệu để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả kiểm tra, thực hiện trong 6 tháng đầu năm.

3. Đầu tư trang thiết bị kiểm tra siêu âm hiện đại, đa tần số và đa góc đầu dò phù hợp với các loại mối hàn và vật liệu khác nhau, ưu tiên các thiết bị có khả năng tự động hóa để tăng tốc độ kiểm tra, hoàn thành trong 1 năm.

4. Xây dựng quy trình chuẩn kiểm tra siêu âm mối hàn thép HSLA bao gồm các bước thu thập thông tin, chuẩn bị bề mặt, lựa chọn đầu dò, quét và báo cáo kết quả, áp dụng đồng bộ tại các đơn vị sản xuất trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư kiểm định chất lượng trong ngành cơ khí và chế tạo thiết bị: Nắm vững phương pháp kiểm tra siêu âm để phát hiện khuyết tật mối hàn, nâng cao hiệu quả kiểm tra và đảm bảo an toàn kết cấu.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên kỹ thuật vật liệu: Tham khảo cơ sở lý thuyết về thép HSLA và ứng dụng kiểm tra không phá hủy bằng siêu âm, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.

3. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị công nghiệp: Áp dụng bài thí nghiệm kiểm tra vết nứt mối hàn để kiểm soát chất lượng sản phẩm, giảm thiểu chi phí sửa chữa và nâng cao độ bền sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý kỹ thuật và an toàn lao động: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn và quy định kiểm tra mối hàn, đảm bảo an toàn trong vận hành và bảo trì thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp kiểm tra siêu âm có thể phát hiện được những loại khuyết tật nào trong mối hàn?
   Phương pháp siêu âm có thể phát hiện các khuyết tật như vết nứt, không ngấu, co ngót, lỗ rỗng khí và tạp chất trong mối hàn với độ nhạy cao, đặc biệt hiệu quả với các vết nứt nhỏ nằm sâu bên trong vật liệu.

2. Tại sao cần lựa chọn góc đầu dò phù hợp khi kiểm tra siêu âm?
   Góc đầu dò ảnh hưởng đến khả năng phản xạ sóng siêu âm từ các khuyết tật. Lựa chọn góc phù hợp giúp sóng siêu âm vuông góc với bề mặt khuyết tật, tăng cường biên độ phản hồi và độ chính xác phát hiện.

3. Phương pháp siêu âm có ưu điểm gì so với các phương pháp kiểm tra không phá hủy khác?
   Siêu âm có khả năng xuyên sâu (6-7 m trong thép), phát hiện khuyết tật nhỏ và xác định chính xác vị trí, kích thước khuyết tật, đồng thời cho phép kiểm tra nhanh và tự động.

4. Những khó khăn khi áp dụng kiểm tra siêu âm là gì?
   Thiết bị siêu âm đắt tiền, yêu cầu nhân viên có kinh nghiệm vận hành, cần chuẩn bị bề mặt kiểm tra kỹ lưỡng và khó kiểm tra vật liệu có cấu trúc phức tạp hoặc bề mặt cong.

5. Bài thí nghiệm kiểm tra vết nứt mối hàn bằng siêu âm được xây dựng như thế nào?
   Bài thí nghiệm sử dụng các mẫu mối hàn thép HSLA chuẩn, thiết bị siêu âm đa tần số và đa góc đầu dò, tiến hành quét zigzag và phân tích tín hiệu phản hồi để xác định vị trí, kích thước và bản chất vết nứt, đảm bảo độ chính xác và khả năng áp dụng thực tế.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công phương pháp kiểm tra vết nứt mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao bằng siêu âm với độ chính xác và độ nhạy cao.
• Phương pháp siêu âm cho phép phát hiện đa dạng các khuyết tật như không ngấu, co ngót, lỗ rỗng khí và vết nứt ngang trong mối hàn.
• Việc lựa chọn đầu dò và góc quét phù hợp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa kết quả kiểm tra.
• Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo thiết bị dầu khí, nhiệt điện và cơ khí chế tạo.
• Đề xuất triển khai đào tạo, đầu tư thiết bị và xây dựng quy trình chuẩn để nâng cao chất lượng kiểm tra mối hàn trong thực tế.

Hành động tiếp theo là áp dụng bài thí nghiệm kiểm tra siêu âm tại các đơn vị sản xuất, đồng thời phát triển thêm các kỹ thuật kiểm tra tự động nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy. Đề nghị các tổ chức, doanh nghiệp và nhà nghiên cứu quan tâm phối hợp triển khai ứng dụng rộng rãi phương pháp này.