بازرسی جوش به روش التراسونیک UT چیست؟ چه کاربردی در مهندسی مواد دارد؟

بازرسی جوش به روش التراسونیک Ultrasonic Testing یا فراصوتی روشی هوشمندانه و غیرمخرب است که امکان مشاهده درون یک جوش را بدون ایجاد تغییر یا آسیب فراهم می‌کند. در این روش امواج صوتی با فرکانس بالا وارد جوش می‌شوند، در امتداد آن حرکت می‌کنند و به محض برخورد با نقص یا مرز، بازتاب می‌یابند تا توسط تکنسین تفسیر شوند. بهترین ویژگی این روش آن است که برخلاف اشعه ایکس یا لیزر، بسیار کم‌خطرتر است. در این مقاله به دلایل اهمیت، مراحل و کاربردهای بازرسی جوش به روش التراسونیک می‌پردازیم.

چرا بازرسی جوش به روش التراسونیک مهم است؟

در مقاله روش‌های بازرسی جوش و تست‌های غیرمخرب NDT اشاره شد که تست التراسونیک یکی از روش‌های پیشرفته بازرسی غیرمخرب است که با استفاده از امواج مافوق صوت، عیوب داخلی و گاهی سطحی را با دقت بالا شناسایی می‌کند. این روش در طیف وسیعی از صنایع مانند اتصالات فولادی، شاسی خودرو، قطعات هوافضا و خط لوله قابل استفاده است. بنابراین سلامت جوش‌ها بدون نیاز به باز کردن یا استفاده از آزمون‌های مخرب تضمین می‌شود. از جمله دیگر مزایای می‌توان به شناسایی عیوب پنهان، اندازه‌گیری ضخامت و محافظت در برابر خوردگی اشاره نمود که برای تضمین دوام و یکپارچگی سازه در بلندمدت ضروری هستند. از آنجایی که ایمنی یکی از دلایل اساسی بازرسی جوش است، این روش به مرور زمان به ابزاری قابل اعتماد و پیشرفته بدل شده است. مثلا یک ترک نادیده‌گرفته شده در یک مخزن فشار را در نظر بگیرید که می‌تواند منجر به فجایعی مانند نشتی، سوختگی و انفجار شود.

از نظر فنی، روش‌هایی همچون PAUT و TOFD که زیرمجموعه روش التراسونیک قرار دارند، با پیشرفت‌های جدیدی مانند ضبط تمام‌ماتریسی (FMC) و روش تمرکز کامل (TFM) دامنه کشف عیوب را گسترده‌تر کرده‌اند و بهبود چشمگیری در تشخیص، اندازه‌گیری و وضوح ایجاد کرده‌اند. برای نمونه، PAUT مانند یک سونار هوشمند است که پرتو خود را به‌صورت الکترونیکی روی ماده جارو می‌کند و به حرکت فیزیکی نسازی ندارد و سرعت و جزئیات بیشتری به همراه دارد.

مزیت اصلی این فناوری‌ها دقت بالاست. چالش آن نیز به نیاز به تخصص عمیق و برنامه‌های آموزشی مربوط می‌شود. طبق گفته انجمن ASNT (انجمن آزمون‌های غیرمخرب)، تفسیر نتایج UT نیاز به تکنسین‌های ماهر و دارای گواهی دارد. علاوه بر این، آموزش ایمنی نه‌تنها مفید بلکه ضروری است، چرا که شکست‌های جوش ‌می‌توانند به حوادث جدی از جمله سقوط هواپیما و فروپاشی جرثقیل منجر شوند. این روش نظارتی دقیق و عمیق بر جوش‌ها ارائه می‌دهد و باعث جلوگیری از شکست‌های زیرساخت‌ها و صنایع می‌شود.

مراحل انجام بازرسی جوش به روش التراسونیک UT چیست؟

در گام نخست، بازرسی جوش به روش التراسونیک یا فراصوتی، با آماده‌سازی سطح آغاز می‌شود. به این معنی که باید گرد و غبار، زنگ‌زدگی، روغن، پوشش‌های سست یا هر چیزی که ممکن است در ارتباط آکوستیکی بین پروب و سطح جوش اختلال ایجاد کند، پاک شود. این مرحله از آن جهت مهم است که بدون سطح تمیز، آزمایش از شفافیت کافی برخوردار نخواهد بود، بنابراین نتیجه‌گیری ممکن است با خطا همراه شود.

مرحله بعدی که اغلب دست‌کم گرفته می‌شود، کالیبراسیون تجهیزات است که در دوره آموزش بازرسی جوش به روش التراسونیک UT نیز تدریس می‌شود. در اینجا تکنسین‌ها ابزار خود را با استفاده از بلوک‌های کالیبراسیون (قطعات فلزی با ابعاد یا نقص‌های شناخته‌شده) تنظیم می‌کنند تا از صحت داده‌های خوانده‌شده مطمئن شوند. این کار شامل انتخاب حالت و زاویه مناسب موج برای ماده و هندسه جوش است (مانند موج مستقیم یا موج زاویه‌ای). علاوه بر این، صحت کالیبراسیون سیستم از نظر اندازه‌گیری فاصله و دامنه سیگنال در مقایسه با استانداردهای مورد انتظار بررسی می‌شود.

وقتی تجهیزات تنظیم شدند، مرحله اصلی یعنی بررسی و ارزیابی آغاز می‌شود. در طول اسکن، مبدل پالس‌های فراصوتی را به درون جوش می‌فرستد. هر عیب داخلی بازتابی ایجاد می‌کند که روی نمایشگر ظاهر شده و تفسیر می‌شود. عمق، اندازه و موقعیت نقص‌ها در همین بازتاب‌ها آشکار می‌شوند. در این مرحله، تکنسین از استانداردهای پذیرش استفاده می‌کند تا تشخیص دهد آیا جوش مورد قبول است یا نیاز به اصلاح دارد.

در نهایت، همه‌چیز در مرحله گزارش‌نویسی جمع‌بندی می‌شود. نتایج مشاهده‌شده، شرایط کالیبراسیون، استانداردهای مرجع و جزئیات بازرسی مستند می‌گردد. این مستندسازی تضمین می‌کند که هر فرد دیگری بتواند بفهمد ارزیابی جوش چگونه انجام شده و چه تصمیمی باید گرفت. در جدول زیر، این مراحل را به‌صورت جامع و منسجم برای شما آماده کرده‌ایم.

کاربرد UT در مهندسی مواد چیست؟

تا اینجای مقاله به معرفی بازرسی جوش به روش التراسونیک، اهمیت و مراحل انجام آن پرداختیم. در دوره‌های مهندسی جوش نیز می‌توانید آموزش‌های روش‌های دیگر جوش را نیز فرا بگیرید. در اینجا در مورد بعضی از کاربردهای UT در زمینه‌های مختلف مهندسی مواد به‌صورت توضیحاتی خواهیم داد.

• صنعت آلومینیوم

به‌عنوان مثال، یک قوطی نوشابه را در نظر بگیرید که دارای دیواره‌هایی نازک، آلیاژِ سبک و چرخه تولید سریع می‌باشد. ضخامت‌سنجی فراصوتی، این دیواره‌ها را به‌سادگی و با روشی دیجیتالی، غیرمخرب و حتی از میان رنگ یا پوشش، اندازه‌گیری می‌کند. این موضوع از نظر کنترل کیفیت و ایجاد تجربه‌ای مطلوب برای مصرف‌کنندگان، بسیار ضروری است.

• آلیاژهای آستنیتی

فولادهای آستنیتی، آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی و فلز بابیت، حدود ۷۰ درصد از تولید فولاد ضد زنگ را تشکیل می‌دهند. در جوش‌های ضخیم، غیرهمجنس یا اتصالات دشوار لوله‌های نازک آستنیتی، روش متداول UT خطی پاسخگو نیست. در این مرحله که به دلیل پیچیدگی هندسی و ویژگی‌های ماده پیوستگی آزمون به چالش کشیده شده است، UT گزینه بسیار معقولی می‌باشد.

• فولاد کربنی

سازه‌های ساخته‌شده از فولاد کربنی همچون مخازن، لوله‌ها و قاب‌های صنعتی، نیازمند پایش مستمر هستند اما مسئله اینجاست که خوردگی به‌صورت تدریجی ظاهر می‌شود. UT این کاهش ضخامت دیواره را حتی در حین سرویس‌دهی، از زیر رنگ و در دماهای بالا اندازه‌گیری می‌کند. علاوه بر این، پره‌های توخالی توربین را نیز در نظر بگیرید. UT می‌تواند عیوب تولید یا سایش را پیش از آنکه موجب تخریب دستگاه شود، آشکار نماید.

• قطعات ریختگی

UT کاربردهای زیادی در مواردی مانند بلوک‌های موتور و قطعات ریختگی با ساختارهای درهم‌تنیده دارد. این فناوری ضخامت دیواره‌ها را در ریختگی‌های آهنی و غیرآهنی اندازه‌گیری کرده و میزان کروی بودن گرافیت (Nodularity) یا فقدان آن را مشخص می‌سازد. همچنین حفره‌ها، تخلخل‌ها، ناخالصی‌ها و ترک‌ها را شناسایی می‌کند. با پیشرفت فناوری ساخت افزایشی (چاپ سه‌بعدی) در مواد مرکب، UT در عرصه‌های نوین نیز می‌تواند بسیار راهگشا باشد.

• سرامیک و ظروف فلزی چند لایه

سرامیک‌ها در صنایع سازه‌ای و الکترونیک با روش‌های فراصوتی مورد ارزیابی قرار می‌گیرند. قطعاتی مانند پره‌های توربین، شیرآلات و اجزای موتور به این شیوه پایش می‌شوند. در ظروف فلزی چند لایه متشکل از فولاد، مس یا آلومینیوم نیز UT برای بررسی ضخامت و کیفیت پیوند لایه‌ها استفاده می‌شود.

• کامپوزیت‌ها

کامپوزیت‌ها در صنایع هوافضا به دلیل سبکی و مقاومت بالا کاربرد گسترده دارند. UT به‌ویژه در قالب UT آرایه فازی برای شناسایی جدایش لایه‌ها، وجود مایعات محبوس یا آسیب هسته به کار می‌رود. این روش در بررسی بال‌ها، پنل‌های بدنه و پره‌های فن بدون نیاز به توقف پرواز استفاده می‌شود.

• شمش طلا

شمش‌های طلا که کالاهایی سرمایه‌ای محسوب می‌شوند، باید از یکنواختی و خلوص کافی برخوردار باشند. UT قادر است ناخالصی‌هایی مانند تنگستن یا وجود حفره‌ها را شناسایی کند.

• چدن

چدن می‌تواند به‌صورت کروی یا خاکستری وجود داشته باشد. بررسی میزان کروی بودن گرافیت در آن با UT انجام می‌شود تا یکنواختی ترکیب تضمین شود.

• مایعات

UT علاوه بر جامدات در مایعات نیز کاربرد دارد. در صنایع بطری‌سازی و خطوط لوله، سطح پرشدگی ظروف با این روش به‌صورت سریع و غیرمخرب اندازه‌گیری می‌شود. این روش امکان تشخیص وجود یا عدم وجود مایع در ظروف پلمب‌شده را فراهم می‌آورد.

• تجهیزات معدنی

قطعات مورد استفاده در صنایع معدنی مانند شافت‌های گردان، گوشواره‌ها و دنده‌های داخلی تحت فشارهای زیاد قرار دارند. UT آرایه فازی برای بازرسی این قطعات به کار گرفته می‌شود و قادر به شناسایی ضخامت دیواره‌ها، عیوب، خوردگی و خستگی در محل است.

ابزارهای مورد نیاز برای یک بازرس جوش به روش التراسونیک در مهندسی مواد

پایه و اساس بازرسی فراصوتی انتخاب مناسب مبدل یا پروب است. پروب‌های تماسی یا پرتو مستقیم، پالس‌ها را عمود بر جوش ارسال می‌کنند تا بازتاب عیوب پنهان شناسایی شود. پروب‌های پرتو زاویه‌ای، صدا را مورب وارد می‌کنند و امکان بررسی هندسه جوش یا جهت‌گیری ترک‌هایی که پرتو مستقیم قادر به تشخیص آن‌ها نیست، فراهم می‌آورد.

پروب‌های دو عنصری (TR یا Through-Transmission/Reflection) ارسال و دریافت امواج را در یک بدنه جدا می‌کنند و حساسیت بازرسی به‌ویژه در نواحی پیچیده جوش افزایش می‌یابد. در تست فراصوتی آرایه فازی (PAUT)، تعداد زیادی المان کوچک با زمان‌بندی هماهنگ فعال می‌شوند تا پرتوهای جهت‌دار و قابل جاروب بدون جابه‌جایی دستی پروب ایجاد گردد. این روش دقت اندازه‌گیری را افزایش داده و احتمال از دست دادن بازتاب‌های ظریف عیوب را کاهش می‌دهد.

روش پراش زمان پرواز (TOFD) شامل قرارگیری دو پروب در دو سوی جوش است. یکی پالس ارسال می‌کند و دیگری دریافت می‌کند. این روش با اندازه‌گیری صدای پراش‌یافته از نوک ترک، عمق ترک را مستقل از هندسه تعیین می‌کند. TOFD دارای محدودیت در نزدیکی سطح است و به‌همین دلیل توصیه می‌شود با روش‌های متداول یا آرایه فازی ترکیب شود.

پروب‌های EMAT (مبدل آکوستیکی الکترومغناطیسی) نوعی روش غیرتماسی هستند که بدون استفاده از ژل یا کوپلنت، امواج صوتی را از طریق القای الکترومغناطیسی وارد فلز می‌کنند. این پروب‌ها برای بازرسی سطوح داغ یا حساس به آلودگی کاربرد دارند.

ابزار اصلی بازرسی شامل دستگاه آشکارساز عیب یا ابزار فراصوتی است که بازتاب‌ها، پالس‌ها و پژواک دیواره پشتی را ثبت و تفسیر می‌کند. برخی دستگاه‌ها امکان ثبت بی‌سیم داده‌ها و همگام‌سازی با اسکنرها برای تصویربرداری یا تحلیل پیشرفته را دارند. لوازم جانبی شامل گوه‌ها برای زاویه‌دهی به پرتو، کوپلنت‌ها برای انتقال امواج، بلوک‌های کالیبراسیون و اسکنرها یا فریم‌های رباتیک برای حرکت منظم پروب‌ها است.

در نتیجه تجهیزات و پروب‌های مورد نیاز را می‌توانیم به این صورت طبقه‌بندی کنیم:

• دستگاه آشکارساز عیب یا ابزار فراصوتی با قابلیت ثبت و تحلیل داده
• مجموعه پروب‌ها: تماسی - پرتو زاویه‌ای برای کاربردهای عمومی، آرایه فازی برای اسکن با وضوح بالا، TOFD برای تعیین اندازه ترک، EMAT برای شرایط بدون کوپلنت
• ابزار پشتیبان: کوپلنت‌ها یا جایگزین آن‌ها برای EMAT، گوه‌ها، استانداردهای کالیبراسیون، تجهیزات اسکن یا رباتیک برای بازرسی‌های منظم و قابل تکرار

کدام عیوب جوش در مهندسی مواد با بازرسی به روش التراسونیک قابل شناسایی هستند؟

همان‌طور که اشاره کردیم، بازرسی فراصوتی (UT) یکی از روش‌های اصلی آزمون غیرمخرب (NDT) است که برای شناسایی و ارزیابی عیوب داخلی در سازه‌های جوشکاری‌شده به‌کار می‌رود. این روش با ارسال امواج صوتی با فرکانس بالا به داخل ماده و تحلیل بازتاب‌های حاصل، امکان تشخیص عیوبی را فراهم می‌کند که ممکن است یکپارچگی جوش را تحت تاثیر قرار دهند. مهم‌ترین عیوب قابل شناسایی با UT شامل این موارد هستند:

• ترک‌ها: ترک‌ها می‌توانند در بخش‌های مختلف جوش، از جمله ریشه، گلو یا لب جوش ایجاد شوند. UT قادر است ترک‌های سطحی و زیرسطحی، از جمله ترک‌های طولی، عرضی و گودال‌مانند را با تحلیل تغییرات بازتاب امواج صوتی تشخیص دهد.
• تخلخل (Porosity): حبس گاز در طول انجماد موجب ایجاد حفره‌هایی در فلز جوش می‌شود. UT این حفره‌ها را با بررسی تغییرات دامنه و الگوی بازتاب امواج صوتی که ناشی از حضور حباب‌های گازی است، شناسایی می‌کند.
• عدم ذوب کامل و نفوذ ناقص: زمانی رخ می‌دهد که فلز جوش به‌طور کامل با فلز پایه ادغام نشده یا نفوذ به ریشه اتصال ناقص باشد. UT این موارد را از طریق شناسایی بی‌نظمی‌ها در بازتاب امواج صوتی مشخص می‌کند.
• شامل شدن سرباره‌ها: باقی‌مانده‌های غیر فلزی در فلز جوش می‌توانند اتصال را ضعیف کنند. UT شامل‌شدن سرباره را با شناسایی ناهنجاری‌های بازتاب امواج صوتی نسبت به ماده اطراف تشخیص می‌دهد.

تکنیک‌های پیشرفته UT، شامل تست فراصوتی آرایه فازی (PAUT) و پراش زمان پرواز (TOFD)، قابلیت شناسایی و اندازه‌گیری دقیق عیوب را افزایش می‌دهند. در PAUT، از المان‌های متعدد برای هدایت و تمرکز پرتو فراصوتی استفاده می‌شود و امکان اسکن کامل هندسه‌های پیچیده جوش فراهم می‌آید. در TOFD، زمان رفت و برگشت امواج صوتی از عیب اندازه‌گیری می‌شود و عمق و موقعیت نوک ترک‌ها با دقت بالا تعیین می‌گردد.

جمع‌بندی

در این مقاله به معرفی و تحلیل بازرسی جوش به روش التراسونیک پرداختیم و آموختیم که نقش مهم و پررنگی در صنایع مختلف ایفا می‌کند. بنابراین مهندسان مواد باید از ابعاد مختلف آن آگاه باشند تا بتوانند به نحو احسن از این روش کاربردی استفاده نمایند. برای کسانی که به دنبال تلفیقی از علم تئوری و مهارت‌های عملی هستند، دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان انتخابی ایده‌آل است زیرا مهندسان جوش، در خط مقدم تولید و ساخت قرار دارند و نقش کلیدی در تضمین کیفیت و ایمنی سازه‌ها ایفا می‌کنند.

نویسنده: مصطفی عینعلی، کارشناس ارشد مهندسی مواد – رضا صفایی، کارشناس مدیریت صنعتی