فهرست مطالب
مقدمه
تست التراسونیک (UT) یا فراصوت روشی از دسته آزمایش‌های غیرمخرب است که در آن برای آزمایش مواد یا اشیاء از امواج صوتی فرکانس بالا استفاده می‌شود.
این روش تست و آنالیز در صنایع مختلفی از جمله تولید، هوافضا، خودروسازی و سایر صنایع مانند حمل و نقل و همچنین ساخت سازه‌های فولادی و آلومینیومی کاربرد دارد.
در این مقاله به معرفی کلی تست التراسونیک می‌پردازیم و به مرور در انواع آن تا حد امکان عمیق می‌شویم.
با مطالعه این مقاله دانش لازم و مقدماتی برای ورود به دنیای تست التراسونیک را به دست خواهید آورد.
تست التراسونیک (UT) یا فراصوت روشی از دسته آزمایش‌های غیرمخرب است که در آن برای آزمایش مواد یا اشیاء از امواج صوتی فرکانس بالا استفاده می‌شود.
تست التراسونیک (فراصوت) چیست؟
همانطور که پیش تر گفته شد به ارزیابی یا بررسی یک شی از طریق امواج فرکانس بالا تست التراسونیک گفته می‌شود.
در این آزمون از امواج فراصوت یا التراسونیک با دامنه فرکانس ۰.۵ مگاهرتز تا ۲۰ مگاهرتز برای آزمایش مواد استفاده می‌شود. رایج ترین محدوده برای آزمایش فلزات از ۲ مگاهرتز تا ۵ مگاهرتز است. این امواج صوتی از محدوده ظرفیت شنوایی انسان بالاتر هستند.
اصول آزمون فراصوت یا التراسونیک
همان طور که می‌دانید، تست اولتراسونیک یک روش غیرمخرب یا NDT است که در آن از امواج صوتی با فرکانس بالا برای ارزیابی یک قطعه مورد آزمایش استفاده می‌کند.
در این تست یک گیرنده، پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا تولید می‌کند و یک مبدل این پالس‌های الکتریکی را به امواج فراصوت با فرکانس بالا تبدیل می‌کند.
این امواج در جسم مورد آزمایش به شکل امواج صوتی پخش می‌شوند.
اگر نقص یا ناپیوستگی در مسیر امواج صوتی وجود داشته باشد، این موارد به شکل امواج به گیرنده منعکس می‌شوند، و سپس مبدل امواج صوتی را به امواج الکتریکی تبدیل می‌کند و آنها را روی صفحه نمایش می‌دهد.
تصویر زیر درک بهتری از این موضوع به دست می‌دهد:
نحوه کار آزمایش فراصوت (تست التراسونیک)
تست التراسونیک چطور کار می‌کند؟
در تست التراسونیک یک مبدل امواج الکتریکی را به امواج صوتی با فرکانس بالا تبدیل می‌کند و این امواج را داخل قطعه یا شیء مورد آزمایش پخش می‌کند.
هنگامی که امواج صوتی در مسیر انتشار خود با هر گونه گسست و ناپیوستگی مواجه می‌شوند، این گسست را به گیرنده منعکس می‌کنند، و در گیرنده این امواج صوتی به امواج الکتریکی تبدیل می‌شوند و بر روی صفحه نمایش نوسانگر (Oscillator) نمایش داده می‌شوند.
در تست فراصوت یک ماده واسط یا کوپلانت (آب یا روغن) برای حفظ روند انتشار یکپارچه امواج صوتی استفاده می‌شود.
تست فراصوت با آنالیز نمودار نمایش داده شده روی نمایشگر نوسانگر، امکان تشخیص ضخامت، ترک‌ها یا دیگر عیوب قطعه یا شیء مورد آزمایش را فراهم می‌کند.
ماده واسط در تست التراسونیک
انواع تست التراسونیک
انواع مختلفی از آزمون فراصوت وجود دارد که هر یک در حوزه‌های مشخصِ مورد نیاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. نام این روش‌ها در ادامه آمده است:
- تکنیک خودکار فراصوت پس پراکنش (Automated Ultrasonic Backscatter Technique – AUBT)
- تست آرایه فازی التراسونیک (Phased Array Ultrasonic Testing – PAUT)
- تست التراسونیک بُردِ بلند (long Range Ultrasonic Testing – LRAUT)
- سیستم‌های بازرسی چرخشی درونی (Internal Rotating Inspection Systems – IRIS)
- روش Time of Flight Diffraction (TOFD)
- روش تست Dry-Coupled Ultrasonic Testing (DCUT)
- روش شبکه‌بندی سریع التراسونیک (Rapid Ultrasonic gridding – RUG)
روش‌های تست التراسونیک
دو روش از روش‌های مرسوم انجام تست التراسونیک دو روش زیر هستند:
- روش تست اکو پالس (پژواک)
- روش انتقال مستقیم
۱. تست پالس اکو (Pulse-Echo)
تست فراصوت به روش اکو پالس بیشتر برای تست مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش پروب‌های فرستنده و گیرنده در یک سمت نمونه قرار دارند و وجود نقص با دریافت اکو قبل از این که دیوار پشتی اکو تولید کند، نشان داده می‌شود.
صفحه نمایش آشکار‌ساز تست التراسونیک، که به «تیوب پرتو کاتدی» یا CRT معروف است به گونه‌ای کالیبره شده است تا فاصله بین زمان رسیدن پژواک یا همان اکوی نقص و اکو دیوار پشتی نمونه را نشان دهد. بنابراین می‌توان محل یک نقص را به دقت ارزیابی کرد.
روش پالس اکو در تست فراصوت
۲. روش انتقال مستقیم
در روش انتقال مستقیم تست فراصوت، از دو پروب التراسونیک استفاده می‌شود. که یکی پروب فرستنده و دیگری پروب گیرنده است. این پروب‌ها همانطور که در شکل نشان داده شده است در دو طرف نمونه مقابل یکدیگر قرار دارند.
جایگاه پروب_های فرستنده و گیرنده در روش انتقال مستقیم
در این روش، وجود یک نقص داخلی با کاهش یافتن دامنه سیگنال یا در مورد نقص‌های فاحش، از دست رفتن کامل سیگنال ارسالی نشان داده می‌شود.
در تصویر زیر شکل ظاهری صفحه نمایش CRT در روش انتقال مستقیم نشان داده شده است.
شکل ظاهری صفحه نمایش CRT در روش انتقال مستقیم
این روش برای بازرسی شمش‌های بزرگ فلزات و ریخته‌گری به ویژه در مواقعی که تضعیف یا میرایی (attenuation) زیاد است و عیوب فاحش وجود دارد استفاده می‌شود.
البته این روش اندازه و محل نقص را نشان نمی‌دهد. علاوه بر این، جفت شدن مکانیکی خوب و تراز این دو پروب در این روش ضروری است.
رویهٔ انجام تست التراسونیک
در ادامه به رویه گام به گام انجام تست التراسونیک، می‌پردازیم:
- یک شی یا قطعه آزمایش برای انجام تست فراصوت شناسایی می‌شود.
- اکنون پروب‌ها را آغشته به روغن یا ژل می‌کنیم تا آنها سایش‌های نرم‌تر و سهل‌تر داشته باشند و داده‌های بهتری تولید کنند.
- پروب روی قطعهٔ مورد آزمایش قرار می‌گیرد، جایی که امواج الکتریکی به امواج صوتی با فرکانس بالا تبدیل می‌شوند.
- یک موج صوتی از طریق قطعه منتشر می‌شود.
- اگر نقص یا نقصی در مسیر امواج صوتی وجود داشته باشد، امواج بازتاب پیدا می‌کنند تا مورد بررسی قرار گیرند.
- باز هم این امواج التراسونیک به امواج الکتریکی تبدیل می‌شوند و روی صفحه نمایش نمایش داده می‌شوند.
- داده‌های بیشتر برای حصول نتیجه آزمایش آنالیز می‌شوند.
موج فراصوت یا التراسونیک چیست؟
امواج صوتی ارتعاشات ذرات گازها، جامدات یا مایعات هستند. محدوده صدای قابل شنیدن فرکانس‌ها معمولا از ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز در نظر گرفته می‌شوند و امواج صوتی با فرکانس‌های بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز به عنوان امواج التراسونیک شناخته می‌شوند.
به طور کلی برای آزمایش مواد از امواج فراصوت یا التراسونیک با دامنه فرکانس ۰.۵ مگاهرتز تا ۲۰ مگاهرتز استفاده می‌شود. و محدوده معمول برای آزمایش فلزات نیز از ۲ مگاهرتز تا ۵ مگاهرتز است.
- فرکانس قابل شنیدین – ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز
- فرکانس فراصوت یا التراسونیک – بزرگ‌تر از ۲۰ کیلوهرتز
انوع امواج التراسونیک
انواع مختلفی از امواج التراسونیک وجود دارد که برخی از آنها را در ادامه شرح داده‌ایم:
- امواج طولی (Longitudinal Waves)
- امواج عرضی یا برشی (Longitudinal Waves)
امواج طولی و عرضی فراصوت
۱. امواج طولی
این امواج، امواج فشاری (Compression Waves)نیز نامیده می‌شوند. در این نوع از امواج التراسونیک، با ارتعاش ذرات همراستا با جهت انتشار امواج، مناطق فشرده و نادری به صورت متناوب تولید می‌شوند.
امواج طولی التراسونیک
در یک موج التراسونیک طولی، نمودار جابجایی ذرات در مقابل فاصله امواج همراه با قله فشرده‌سازی حاصله و مجرای همگرای زیرین آن حرکت می‌کند. در موج طولی جابجایی در همان جهت جهت انتشار موج است.
نمایش شماتیک یک موج طولی
۲. امواج عرضی یا برشی
این نوع از امواج التراسونیک موج برشی یا عرضی نامیده می‌شود زیرا جهت جابجایی ذرات در زاویه‌های مناسب یا عرضی نسبت به جهت انتشار است.
موج عرضی التراسونیک یا فراصوت
برای اینکه چنین موجی از یک ماده عبور کند. لازم است که هر ذره ماده به شدت به همسایگان خود متصل باشد به طوری که با حرکت یک ذره، ذره همسایه خود را نیز باخود بکشد.
در نتیجهٔ این عمل باعث می‌شود که انرژی التراسونیک با سرعتی در حدود ۵۰ درصد سرعت موج طولی در ماده منتشر شود.
نمایش شماتیک موج عرضی یا برشی
برای تحقق اهداف عملی، امواج عرضی تنها می توانند در جامدات منتشر شوند.
این موضوع به این دلیل است که فاصله بین مولکول‌ها یا اتم‌ها، یعنی میانگین مسیر آزاد، در مایعات و گازها به قدری زیاد است که جاذبه بین آنها به اندازه‌ای نیست که اجازه دهد یکی از آنها دیگری را بیش از کسری از حرکت خود حرکت دهد و بنابراین امواج به سرعت تضعیف می‌شوند.
انتقال این نوع موج (موج کوتاه) از طریق یک ماده به سادگی با حرکت یک طناب در هنگام لرزش آن طناب نشان داده و تجسم می‌شود.
هر ذره از طناب تنها به بالا و پایین حرکت می‌کند، با این حال امواج از نقطه تحریک در امتداد طناب حرکت می‌کنند.
چرا از تست التراسونیک استفاده می‌شود؟
تست التراسونیک راحت‌ترین و آسان‌ترین تست در روش‌های آزمایش‌های غیر مخرب است.
تست فراصوت اندازه و عمق دقیق نقص‌ها یا عیوب و نتایج فوری را بدون آسیب رساندن به جسم به نمایش می‌گذارد.
مناسب بودن این روش تست غیرمخرب برای بسیاری از انواع مواد یا فلزات نیز دلیلی برای استفاده از آنها در بخش‌ها و صنایع مختلف است. تست فراصوت در صنایع هوافضا، مکانیک، ساخت و ساز، پزشکی و سایر بخش‌ها در مقیاس وسیعی مورد استفاده قرار دارد.
چه موادی را می‌توان با آزمایش التراسونیک تست کرد؟
ماده‌های متعددی وجود دارند که می‌توان آنها را به روش آزمایش فراصوت یا همان UT آزمایش کرد. این مواد عبارتند از:
- فلزات
- پلاستیک
- کامپوزیت‌ها
- سرامیک
- بتن
ماده‌های متعددی وجود دارند که می‌توان آنها را به روش آزمایش فراصوت یا همان UT آزمایش کرد
مزایای تست التراسونیک
تست التراسونیک مزایای متعددی دارد که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره کرده‌ایم:
- نتایج فوری حاصل می‌شود.
- برای سطح و زیر سطح مواد مناسب است.
- این روش آزمایش خطرناک نیست، به این معنی که بر سلامت بازرس و آزمایش‌کننده تأثیر نمی‌گذارد.
- می‌تواند اندازه، ضخامت و عمق عیوب را اندازه‌گیری کند.
- تجهیزات مورد نیاز برای انجام آن قابل حمل هستند.
- مناسب برای آزمایش موادی است که دسترسی فقط به یک طرف آن ماده امکان‌پذیر باشد.
- برجسته‌ترین مزیت این روش تشخیص دقیق آن است.
- این روش حساسیت بالایی دارد.
- ظرفیت نفوذ بالایی دارد.
معایب تست التراسونیک
در کنار مزایایی که تست فراصوت دارد، این روش معایبی را نیز داراست که در ادامه به آنها اشاره‌ای کرده‌ایم:
- برای انجام این روش آزمایش به یک فرد آموزش‌دیدهٔ ماهر مورد نیاز است.
- آزمایش اشکال ناهموار، نامنظم، نازک یا غیرهمگن به شکل قابل توجهی دشوار است.
- برای انتقال روانتر امواج التراسونیک به روغن یا ژل نیاز است.
- در این روش به کالیبراسیون تجهیزات نیاز است.
- بازرسی مادهٔ چدن و سایر مواد درشت دانه با این روش دشوار است.
محدودیت‌های تست التراسونیک
روش تست فراصوت از نظر دقت و انعطاف‌پذیری یکی از بهترین گونه‌های تست‌های غیرمخرب است اما محدودیت‌هایی را نیز دارد که باید به آن اشاره کرد:
- اجزاء فلزی ممکن است حساسیت امواج صوتی را کاهش دهند.
- برای حصول نتیجهٔ مناسب از آزمایش التراسونیک باید رنگ‌ها را از سطح مواد جدا کرد.
- تست موادی که هندسه پیچیده‌ای دارند دشوار است.
- تجهیزات انجام آزمایش گران قیمت هستند.
- برخی از مواد پذیرای امواج التراسونیک نیستند.
کاربردهای تست التراسونیک
در این به بخش به تعدادی از کاربردهای آزمایش فراصوت می‌پردازیم:
- بازرسی از ریخته‌گری‌ها یا اشیاء بزرگ.
- بازرسی از ریل‌ها، جاده‌ها و فولاد
- تعیین ضخامت
- بازرسی مواد آهنی و غیرآهنی (به جز برخی از مواد)
استانداردها و کدهای تست التراسونیک
استانداردهای شناخته‌شده و مفید مربوط به تست التراسونیک عبارتند از:
۱. استانداردهای BIS
الف) IS2417-1977
که به واژه‌نامه اصطلاحات مربوط به آزمایش التراسونیک اشاره دارد.
ب) IS7281-7974
کد اقدام به تست التراسونیک غوطه‌ور به روش بازتاب، با استفاده از امواج طولی پالسی.
پ) IS7666-1975
روش توصیه شده التراسونیک برای تشخیص عیوب ریخته گری فریتی کانن و فولاد کم آلیاژ.
۲. استاندارد بریتانیایی
الف) BS2704-1966
که اشاره به بلوک‌های کالیبراسیون و توصیه‌هایی برای استفاده از آنها در تشخیص عیوب به روش التراسونیک دارد.
ب) BS3889-1968
اشاره به تست التراسونیک لوله‌های آهنی (به استثنای ریخته‌گری) دارد.
پ) BS3923-1968
به روش‌های بررسی التراسونیک نقاط جوش می‌پردازد.
۳. استانداردهای آمریکایی (ASTM)
الف) E113-74
به تست التراسونیک به روش رزونانس اشاره دارد.
ب) E114-75
به آزمایش التراسونیک مستقیم اکوپالس به روش تماس مستقیم اشاره دارد.
پ) E127-75
به بررسی آلیاژ آلومینیوم به وسیله تست التراسونیک اشاره دارد.
۴. استاندارد فرانسوی
الف) NF.A04.305.74– UT
به تست التراسونیک بر روی صفحات فولادی، روش‌های آزمایش و تعریف کیفیت‌ها اشاره دارد.
ب) NF.A04.3111.64– UT
به تست التراسونیک بر روی بلوک‌های کالیبراسیون، محصولات آهنی، و قطعات فولادی اشاره دارد.
پ) NF.A49.200.72
به تست التراسونیک برای بررسی لوله‌های فولادی بدون درز برای اعمال دما و فشار بالاتر و طبقه بندی بر اساس کیفیت و کاربردهای مختلف آنها اشاره دارد.
۵. استاندارد آلمانی (DIN)
الف)DIN- 54119
به تست غیر مخرب و تعاریف تست التراسونیک می‌پردازد.
ب) DIN-54120
به شماره مرجع برای تست مخرب و کاربرد آن برای تنظیم و کنترل تجهیزات التراسونیک اکو پالس اشاره دارد.
پ) DIN-54122
به شماره مرجع برای تست غیر مخرب – و استفاده از آن برای تنظیم و کنترل تجهیزات اکوپالس اشاره دارد.
۶. سازمان استاندارد بین المللی (ISO)
ISO-2400-72
شماره مرجعی برای کالیبراسیون تجهیزات مورد استفاده در تست التراسونیک نقاط جوش است.
تست التراسونیک در بازرسی جوش
تست اتراسونیک یکی از مناسب‌ترین روش‌ها در بازرسی جوشکاری‌ها است و داده های دقیقی در مورد ناپیوستگی‌ها و عیوب و نقصان‌ها می‌دهد.
در خطوط لوله گاز با لوله‌های دور بالا یا دارای اتصالات ترجیح داده می‌شود بازرسی از طریق تست فراصوت انجام شود زیرا نسبت به سایر روش‌های تست غیرمخرب به صورت فوری داده‌هایی را تولید می‌کند که بر اساس آنها تصمیم‌گیران می‌توانند به سرعت تصمیم‌گیری کنند.
تاریخچه تست التراسونیک
در طول جنگ جهانی دوم، استفاده از فناوری‌های سونار (فاصله‌یاب صوتی) و ارسال امواج صوتی برای شناسایی اجسام متراکم‌شده یا اندازه‌گیری عمق آب دریا از طریق امواج التراسونیک، محققان را بیشتر و بیشتر نسبت به تحقیق در خصوص کاربردهای گسترده‌تر و عمیق‌تر امواج فراصوت تشویق کرد.
در ادامه با ذکر تاریخ و مجری به برخی از این پیشرفت‌ها و تحقیقات عمده در گسترده ساختن کاربرد امواج فراصوت پرداخته‌ایم.
سال ۱۹۳۱
در این سال مولهاوزر حق اختراعی برای استفاده از امواج التراسونیک را با استفاده از دو مبدل برای بازرسی مواد جامد به ثبت رساند.
سال‌های ۱۹۲۹ تا ۱۹۳۵
در طی این سال‌ها سوکولوف در خصوص استفاده از امواج التراسونیک در تشخیص اجسام فلزی مطالعات گسترده‌ای را انجام داد.
سال‌های ۱۹۴۰ تا ۱۹۴۵
در این بازهٔ زمانی دو متخصص به نام‌های فایراستون و سیمونز از تست التراسونیک به روش اکو پالس پرده برداشتند.
