Kiểm tra không phá hủy (NDT) bằng phân tích cộng hưởng âm thanh – Phần 1.

Kiểm tra cộng hưởng âm (Acoustic resonance testing – ART) là một công nghệ kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Technology – NDT) tương đối mới cho nhiều loại linh kiện: thiêu kết, đúc, rèn, gốm, v.v. Nó đặc biệt phù hợp để kiểm tra trong sản xuất hàng loạt môt cách kinh tế. ART là một phương pháp so sánh để đánh giá chất lượng, cho phép kiểm tra cả vùng gần bề mặt và trong thể tích của một bộ phận trong thời gian chu kỳ ngắn (Hình 1)

Hình 1: Kiểm tra cộng hưởng âm thanh không phá hủy

Do âm thanh được tạo ra trong quá trình kiểm tra bộ phận, loại kiểm tra này đôi khi được gọi là “kiểm tra ping”. Quá trình này đôi khi còn được gọi là “kiểm tra vết nứt” hoặc “kiểm tra phát hiện vết nứt”.

Bài viết sau đây giải thích các điều kiện tiên quyết của phương pháp, chức năng, quá trình thực hiện, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết lập thử nghiệm thực tế.

1. Lịch sử của phương pháp kiểm tra cộng hưởng âm thanh

Thử nghiệm cộng hưởng âm thanh (ART) là một trong những phương pháp kiểm tra chất lượng lâu đời nhất trên thế giới ( trong sản xuất thủ công như gốm hoặc thủy tinh), nhưng đối với sản xuất hàng loạt trong công nghiệp,nó là một phương pháp tương đối mới. Đối với việc sử dụng các giải pháp ART tự động trong công nghiệp, việc thử nghiệm ngói lợp vào những năm 1990 có thể được coi là điểm khởi đầu (Hình 2).

Hình 2: Vết nứt trên ngói gốm

Công việc cải tiến và tối ưu hóa là cần thiết để áp dụng các giải pháp ART tự động sang thử nghiệm thành công các bộ phận kim loại. Phát hiện khuyết tật bộ phận kim loại đòi hỏi tiêu chuẩn chất lượng cao hơn đáng kể so với các bộ phận gốm thô.

Điều này đã dẫn đến sự phát triển của các hệ thống thử nghiệm ART khác nhau:

  • Các hệ thống cơ bản chỉ đơn giản là kiểm tra xem một số tần số cộng hưởng nhất định có xuất hiện hoặc chúng có nằm trong một dải tần số xác định hay không (ví dụ: Simcenter Anovis Resonance Finder).
  • Các phương pháp tiếp cận mạng nơ-ron (hiện nay thường được gọi là “trí tuệ nhân tạo” hoặc viết tắt là “AI”) hiện đang là mốt cho rất nhiều ứng dụng. Các hệ thống dựa trên AI cần các tham chiếu được sắp xếp trước cho các bộ phận đạt yêu cầu và tất cả các loại bộ phận lỗi khác nhau được tìm thấy. Do đó, nó không thể nhận ra với sự khác biệt giữa các lô sản xuất hoặc với sự thay đổi của hành vi cộng hưởng trong một lô sản xuất. Đó là những hệ thống thử nghiệm cho mái ngói vào những năm 1990.
  • Hệ thống ART dựa trên thống kê (Hình 3) chỉ cần các bộ phận đạt yêu cầu từ dây chuyền sản xuất hiện tại để điều chỉnh. Các hệ thống như vậy có thể giải quyết sự khác biệt giữa các lô sản xuất, cũng như sự chênh lệch trong một lô sản xuất. Hệ thống ART dựa trên thống kê cung cấp khả năng phân loại các khuyết tật nhỏ cũng như các khuyết tật chưa từng được biết đến trước đây.
Hình 3: Hệ thống kiểm tra không phá hủy Simcenter Anovis ( NDT)

2. Nguyên tắc cơ bản

 ART là một phương pháp so sánh để đánh giá chất lượng, cho phép kiểm tra cả vùng gần bề mặt và thể tích của một bộ phận trong thời gian chu kỳ ngắn. Nó đánh giá tần số cộng hưởng của các bộ phận giống nhau trong sản xuất hàng loạt. Tần số cộng hưởng của các bộ phận được xác định bởi các đặc tính bên trong như khối lượng, mật độ, hình học, mô đun đàn hồi và độ cứng. Do đó, kết quả của phương pháp được kết nối trực tiếp với các đặc tính phản ánh độ ổn định hoặc độ bền của các bộ phận được thử nghiệm, chứ không phải với các đặc tính bề mặt quang học.

Nhưng ART hoạt động như thế nào trong thực tế? Nói chung, có ba bước:

  • Kích thích tần số cộng hưởng của từng bộ phận.
  • Ghi lại âm thanh hoặc tín hiệu rung bằng các cảm biến phù hợp.
  • Cuối cùng, tín hiệu cần được xử lý để đi đến đánh giá chất lượng.

Việc kích thích âm thanh không được gây hư hỏng hoặc phá hủy đối tượng được thử nghiệm. Tuy nhiên, âm thanh phải đủ cường độ để có thể xảy ra hiện tượng phi tuyến tính (do vết nứt gây ra) và phải có xung ngắn nhất có thể. Điều này đạt được bằng cách gõ vào bộ phận với một thiết bị tác động (điều khiển bằng điện từ) hoặc bằng cách sử dụng một thiết bị trượt, tức là bằng cách để bộ phận rơi xuống tấm cản.

3. Yêu cầu chung

Việc lựa chọn phương pháp Kiểm tra không phá hủy (NDT) (hoặc kết hợp các phương pháp NDT khác nhau) phải được điều chỉnh cho phù hợp với từng bộ phận cụ thể. Từ đó có thể tìm thấy tất cả các vấn đề liên quan đến chất lượng. Cần tìm câu trả lời cho những câu hỏi như sau:

  • Những loại sai sót nào cần được phát hiện?
  • Kích thước khuyết tật tối thiểu là bao nhiêu?
  • Bộ phận được làm từ chất liệu gì?
  • Hình học như nào và ở những vị trí nào?
  • Chiều dày của bộ phận ?
  • Thời gian chu kỳ cho phép để kiểm tra trong quá trình sản xuất là bao nhiêu?

Tất cả những câu hỏi đó giúp tìm ra câu trả lời cho câu hỏi cơ bản: Phương pháp NDT nào phù hợp với tất cả các yêu cầu này?

Đối với kiểm tra cộng hưởng âm thanh như phương pháp NDT , một nghiên cứu sơ bộ cần được thực hiện để đưa ra câu trả lời đáng tin cậy cho các câu hỏi như ở trên. Nguyên nhân do kích thước tối thiểu của khuyết tật có thể phát hiện phụ thuộc vào sự phân tán của sản xuất  thông thường ( ART phân loại các bộ phận có hành vi cộng hưởng khác đáng kể so với sản xuất thông thường). Nhưng khi bắt đầu một dự án, mức độ phân tán sản xuất bình thường cho các thành phần tương ứng vẫn chưa được biết.

Điều đầu tiên chúng ta cần cân nhắc là loại thiết bị được sử dụng để kích thích bộ phận: Thiết bị tác động hoặc trượt (Hình 4).

Hình 4: Thiết bị tác động (trái) và thiết bị trượt (phải) để kích thích các tần số cộng hưởng.

3.1. Thiết bị tác động

Một thiết bị tác động gõ vào thành phần bằng một chiếc búa điều khiển bằng điện từ. Hỗ trợ một phần là thành phần quan trọng để kết quả tái lập xuất sắc. Nó cung cấp vị trí có thể lặp lại của thành phần và đồng thời, tránh sự kẹp chặt của thành phần. Kẹp sẽ làm giảm dao động của đối tượng được thử nghiệm. Các tần số cộng hưởng của nó không được ảnh hưởng nhiều hơn những gì cần thiết để giữ nó ở một vị trí ổn định, xác định. Việc đánh các thành phần nằm – dù ít hay nhiều – trên băng chuyền đang chuyển động dẫn đến chất lượng và khả năng tái tạo của quang phổ thu được thấp hơn nhiều. Do đó, nó chỉ cung cấp một giải pháp thích hợp cho các khuyết tật nghiêm trọng như các vòng bị nứt hoàn toàn hoặc gần như hoàn toàn. Trong mỗi trường hợp, cần chọn điểm và cường độ kích thích.

Để giảm thời gian kích thích rung động, búa va chạm được tăng tốc đến tốc độ khá cao, tùy thuộc vào điện áp gia tốc có thể chọn. Bản thân búa va chạm có khối lượng m tương đối nhỏ so với các thành phần thích hợp cho loại kích thích này, vì động năng E của nó phải ở dưới mức phá hủy của thành phần tương ứng. Giới hạn dưới của năng lượng tác động được đưa ra do sự các biên độ tần số phải đủ cao để đánh giá tự động ổn định, cho phép phát hiện các vấn đề liên quan đến chất lượng. Sau khi đập vào bộ phận, búa tác động ở rất gần micrô (Hình 5), không được phát ra bất kỳ âm thanh nào trong thời gian đo (tức là ngay sau khi đập vào bộ phận đó). Hơn nữa, đầu của nó cần phải được tách ngay lập tức và đều đặn khỏi bề mặt của thành phần.

Hình 5: Thiết bị va đập (tâm trên cùng) dùng để kiểm tra một ròng rọc (tâm giữa). Một micrô (trên cùng bên phải) ghi lại phản hồi âm thanh để xác định xem có lỗi hay không. Các miếng chèn đàn hồi (dưới cùng, màu xanh lá cây) tránh cho bộ phận này bị đàn hồi trở lại.

Chức năng này đạt được nhờ búa có khối lượng nhỏ, phản xạ rất tốt sau khi va đập vào một bộ phận (được đặt trong một bộ phận ổn định), liên quan đến khoảng cách được tinh chỉnh giữa bề mặt của bộ phận và vị trí cuối cùng của đầu búa, và nó được hỗ trợ bởi một cơ chế lò xo bổ sung. Đồng thời, bộ phận kiểm tra không được bật trở lại sau khi bị va đập, điều này đạt được nhờ thiết kế phù hợp của giá đỡ và các miếng chèn đàn hồi.

3.2. Thiết bị trượt

Thiết bị trượt sử dụng một tấm cản làm bằng kim loại cứng rơi tự do trong thời gian ngắn để kích thích bộ phận đó. Kết quả tác động được đo bằng micrô.

Hướng của cấu kiện lúc bắt đầu, góc nghiêng của ray và tấm cản, và khoảng cách giữa ray và tấm cản cần phải được xác định theo hình dạng của bộ phận được thử nghiệm. Mục tiêu thiết kế ở đây là cấu kiện không được đổ nhào khi rơi tự do hoặc sau khi va vào tấm cản. Kích thích âm thanh bằng thiết bị trượt cho phép chu kỳ thử nghiệm cực ngắn dưới hai giây.

Cường độ kích thích có thể thay đổi ở một mức độ nào đó bằng cách thay đổi độ cao thả. Nhưng không thể tự do lựa chọn điểm kích thích vì nó chủ yếu phụ thuộc vào hướng của bộ phận tại chốt nhả của bản trượt, vào sự tương tác của nó với thanh dẫn hướng và sự rơi tự do của bộ phận đó liên quan đến trọng tâm của nó. Một thiết kế tốt của ray trượt (Hình 6) và sự lựa chọn hướng thích hợp của bộ phận là không thể thiếu để đạt được độ tái lập tốt của các kết quả đo.

Hình 6: Thiết bị trượt dùng để kiểm tra các vòng chuyển số cho hộp số

Rủi ro hư hỏng phụ thuộc nhiều vào vật liệu và hình dạng của từng bộ phận và vào điểm mà nó chạm vào tấm cản. Kích thích thông qua thiết bị trượt – theo nguyên tắc chung – rất phù hợp với các thành phần nhẹ hơn 50 g. Một lý do cho điều này là việc thử nghiệm các thành phần nặng hơn sẽ làm tăng đáng kể độ mài mòn của tấm cản quang. Một lý do khác là độ cao rơi tối thiểu cho cấu kiện chủ yếu được xác định bởi đường kính của nó, vì cấu kiện phải rời khỏi đường ray và rơi tự do trước khi va vào tấm cản. Các thành phần lớn hơn ( thường nặng hơn) cũng yêu cầu chiều cao rơi tự do lớn hơn và năng lượng tác động dẫn đến có thể quá cao, dễ bị phá hủy.

3.3 So sánh các thiết bị

So sánh hai phương pháp thử nghiệm về sự cô lập dao động, các hạn chế và về thời gian chu kỳ để thử nghiệm.

Cả hai thiết bị đều cần cách ly dao động với môi trường, để hầu như chỉ ghi lại phản ứng dao động của vật thể được thử nghiệm. Điều này đạt được bằng cách chèn vật liệu đàn hồi và việc lựa chọn khối lượng, vật liệu thích hợp cho một số bộ phận chức năng của hệ thống.

Cả hai phương pháp thử nghiệm đều bị hạn chế về kích thước và trọng lượng của các thành phần cần thử nghiệm. Kích thích âm thanh thông qua thiết bị va đập rất phù hợp với các linh kiện có kích thước trung bình và lớn, nhưng các thành phần rất nhỏ và / hoặc nhẹ có thể bị đẩy ra khỏi giá đỡ bộ phận khi bị búa va đập. Kích thích âm thanh qua thiết bị trượt được giới hạn trong các thành phần nhỏ và nhẹ.

Kích thích âm thanh thông qua thiết bị tác động cho phép hai chế độ đo bổ sung so với kích thích qua thiết bị trượt: Thứ nhất, nhiều tác động có thể được thực hiện trên các điểm khác nhau được xác định rõ ràng của cùng một bộ phận, điều này có thể cần thiết để kiểm tra hoặc các bộ phận thể hiện sự đối xứng quay. Thứ hai, một phép đo có thể được lặp lại. Điều này đôi khi được thực hiện trong trường hợp NOK, nếu trường hợp giả bị từ chối do các lý do như bụi bẩn tại điểm kích thích hoặc các trường hợp hiếm hoi gây ra tiếng ồn đáng lo ngại sẽ bị loại trừ.

 Nếu thiết bị va đập được sử dụng để kích thích âm thanh, thì việc xử lý bộ phận (tải và dỡ giá đỡ mẫu) thường mất nhiều thời gian hơn so với chính quá trình thử nghiệm. Tuy nhiên, chu kỳ kiểm tra kéo dài khoảng 3s. Có thể rút ngắn thời gian thử nghiệm bằng cách song song tải, thử nghiệm và dỡ tải thông qua việc sử dụng một số bộ phận cố định giống hệt nhau được gắn trên bàn xoay. Đối với kích thích âm thanh qua thiết bị trượt, các chu kỳ thử nghiệm dưới hai giây là khả thi nếu tất cả các thành phần khớp với nhau tốt: trao đổi thông minh giữa thiết bị xử lý, thiết bị thử nghiệm và thiết bị phân loại, được hỗ trợ bởi một máy tính hoạt động tốt và các cấu hình chức năng phân tích và lưu trữ dữ liệu hiệu quả.

Còn tiếp …

Tài liệu tham khảo: https://community.sw.siemens.com/s/article/Acoustic-Resonance-Testing

This post is also available in: enEnglish

Chia sẻ bài đăng này



Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *