Lịch sử phát triển máy dò khuyết tật kim loại - Early history of metal flaw detectors

Category: Materials Science and Engineering Published: 10 August 2011
Hits: 15359

Được biết đến là cha đẻ của siêu âm, Sergei Y. Sokolov, nhà khoa học nổi tiếng của Liên Xô tại VI Ulyanov (Lenin) Viện Kỹ thuật Điện, Leningrad sinh năm 1897 tại thành phố cùng tên của nước Nga. Ông đưa ra ý tưởng vào năm 1928, và một vài năm sau đó đã chứng minh kỹ thuật truyền qua để phát hiện khuyết tật trong kim loại. Ông cải tiến ý tưởng của mình trong cuối những năm 1920, thời điểm những công nghệ cần thiết như vậy không tồn tại. Ông đề xuất rằng kỹ thuật này có thể được sử dụng để phát hiện tính không đồng nhất trong chất rắn như kim loại.

Cùng với những khám phá ban đầu về siêu âm, các công trình nghiên cứu sâu rộng nhằm phát hiện lkhuyết tật trong các kim loại đã được tiến hành tại Đức vào đầu những năm 1930. Năm 1933, O Muhlhauser được cấp bằng sáng chế cho hệ thống truyền năng lượng siêu âm vào chi tiết kiểm tra, phát hiện khuyết tật không đồng nhất bằng sử dụng bộ biến đổi siêu âm-điện thứ cấp. Năm 1935 Sokolov công bố chi tiết các thiết kế thử nghiệm máy phát thạch anh, phương pháp cặp ghép nối máy phát điện với các bộ phận kiểm tra nhằm đạt được năng lượng truyền đến tối đa, và nhiều phương pháp phát hiện năng lượng siêu âm sau khi truyền qua các tiết kiểm tra. Ông đề xuất khái niệm ‘máy chụp ảnh siêu âm’ đầu tiên chứa hình ảnh thực thu nhận của một khuyết tật. Ông cho biết rằng bằng cách sử dụng sóng âm với tần số 3000 MHz, độ phân giải thu được có thể bằng độ phân giải của các kính hiển vi quang học. Phương pháp của ông đã sử dụng một bộ chuyển đổi nhận tín hiệu áp điện lớn khi điện tích tạo ra bởi các tín hiệu âm thanh đến ở trạng thái cô lập. Bề mặt của bộ chuyển đổi sau đó được quét bởi tiếp xúc cơ học hoặc khoảng cách, xây dựng “hình ảnh” của khuyết tật này. Độ phân giải của các thiết bị thí nghiệm mà ông đã chế tạo được tuy nhiên không đủ tốt để được sử dụng ở mức độ thực tế.

Tại Đức, năm 1936, Raimar Pohlman đã phát triển một phương pháp tạo ảnh siêu âm dựa trên sự truyền qua sử dụng ống truyền sóng âm và chuyển đổi hình ảnh kết quả sóng thanh thành hình ảnh quan sát được trong cùng một thể tích dò. Tại Đức, thiết bị chuyển đổi hình ảnh của ông được biết đến như là “tế bào Pohlman”. Được sử dụng rộng rãi vào gần cuối giai đoạn chiến tranh thế giới II tại Đức khi thử nghiệm vật liệu siêu âm đã trở nên cần thiết trong việc lựa chọn đạn dược để bảo vệ pháo phòng không của Berlin. Pohlman đã thực hiện thực nghiệm theo các tuyến tương tự với sự truyền siêu âm qua kim loại có khuyết tật, nhưng đã sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn khác với phương pháp phát hiện chùm tia nhận được. Máy dò của ông đình chỉ sử dụng một miếng nhôm dạng bông tuyết trong xylen kín đựng trong một vỏ trong suốt. Chùm siêu âm nhận được từ mẫu thí nghiệm tác động lên miếng nhôm hình bông tuyết khiến chúng tự sắp xếp bình thường theo hướng chùm siêu âm.Trong trường hợp có khuyết tật xuất hiện trong vật liệu khi thử nghiệm, các vùng tối sẽ được thay thế tại vị trí các bông tuyết duy trì định hướng ban đầu của chúng.

Năm 1939, các nhà nghiên cứu tại Viện Gang thép Anh quốc (British Iron and Steel Institute) quyết định nghiên cứu khả năng phát hiện các dạng nứt kẽ (hairline) trong thép sử dụng sóng siêu âm thu được khi sử dụng máy dò kiểu Pohlman, nhưng thiết bị này được cho là không đủ nhạy. Năm 1942 Donald Sproule áp dụng thành công các nguyên tắc của âm vọng (echo-sounding) để phát hiện các khuyết tật trong thép. Thiết bị của ông sử dụng riêng biệt các bộ chuyển đổi truyền và nhận đầu dò siêu âm. Gần như ngay tại thời điểm đó nhưng hoàn toàn độc lập một nhà khoa học người Mỹ, Floyd Firestone đã phát minh ra “máy dò khuyết tật bằng phổ phản xạ-reflectoscope”, thiết bị hoạt động dựa trên những nguyên tắc tương tự, nhưng sử dụng một bộ chuyển đổi duy nhất để truyền và nhận siêu âm.

Trong kỹ thuật phản xạ (reflection), xung sóng âm thanh được truyền từ một mặt của mẫu khảo sát, phản chiếu khỏi mặt kia, và trở lại vị trí máy thu tại điểm ban đầu. Do ảnh hưởng của khuyết tật hay vết nứt trong vật liệu, tín hiệu được phản xạ lại và độ dịch thời gian của chúng thay đổi. Thời gian trễ thực tế trở thành thước đo vị trí của khuyết tật, bản đồ của vật liệu có thể được tạo ra để minh họa vị trí và hình học của các khuyết tật. Trongphương pháp truyền qua thẳng, các máy phát và thu được đặt trên các mặt đối diện của vật liệu; sự gián đoạn trong việc truyền qua của sóng âm được sử dụng để định vị và đo đạc khuyết tật. Công nghệ thương thấy là cách sử dụng môi trường nước trong đó đặt cả máy phát siêu âm, mẫu, máy thu siêu âm. Công nghệ tương tự cũng đã được nghiên cứu tại Đức và Nhật Bản, nhưng sự phát triển đã bị gián đoạn do chiến tranh thế giới thứ hai.

Những người có đóng góp quan trọng,Floyd Firestone, Donald Sproulevà Adolf Trost không hề biết đến nhau  như thể họ làm việc trong bí mật vậy. Kể cả các ứng dụng bằng sáng chế của họ đã được công bố. Sproule và Trost sử dụng công nghệ truyền qua với các đầu dò truyền và nhận siêu âm hoàn toàn riêng biệt. Trost phát minh ra cái gọi là “Trost-Tonge”. Hai đầu dò được nối theo hướng đối diện với tấm, đặt trên cùng một trục bằng một thiết bị cơ khí - the tonge - và tạo cặp kết hợp với cả hai mặt bằng dòng nước chảy liên tục. Sproule đặt 2 đầu dò trên cùng một phía của vật. Vì vậy, ông đã phát minh ra máy dò tinh thể kép. Ông đã sử dụng sự kết hợp này cũng với các khoảng cách khác nhau từ chúng. Firestone là người đầu tiên nhận ra kỹ thuật phản xạ. Ông sửa đổi một thiết bị radar và phát triển một máy phát có các xung ngắn và bộ khuếch đại với vùng ngưng ngắn (dead zone). Sproule cuối cùng đã từ bỏ phương pháp truyền qua và nộp một bằng sáng chế vào năm 1952 mang tên “những cải tiến trong/hoặc liên quan đến thiết bị phát hiện khuyết tật và đo vận tốc bằng phương pháp siêu âm vọng”.

Firestone đã thực hiện các bài thuyết trình sau đây và/hoặc đăng ký bằng sáng chế trong các năm từ 1940 đến 1951:

  • 1940 thiết bị phát hiện khuyết tật và dụng cụ đo
  • 1943 phương pháp kiểm tra cộng hưởng; phương pháp và thiết bị sóng bề mặt và ngang (shear)
  • 1945 máy phổ phản xạ siêu âm, thiết bị để kiểm tra các bộ phận bên trong của chất rắn bằng sóng âm thanh
  • 1946 Tăng độ chính xác trong máy phổ phản xạ siêu âm, phân cực âm
  • 1948 Thủ thuật với máy phổ phản xạ siêu âm
  • 1951 Phương pháp và phương tiện để phát sinh và sử dụng sóng rung cho mẫu dạng tấm

Sproule và Firestone đã tìm được các đối tác công nghiệp cho các thiết bị của họ:Kelvin-Hughes và Sperry Inc. Năm 1952, Kelvin-Hughes cho ra đời sản phẩm thương mại đầu tiên của họ. Một vài năm sau đó, tại Đức, năm 1949, hai người nhận được thông tin về Máy phản xạ-Firestone Sperry trên các báo kỹ thuật: Josef Krautkrämer ở Cologne và Karl Deutsch ở Wuppertal. Cả hai bắt đầu phát triển ý tưởng - mà không hề biết lẫn nhau. Josef Krautkrämer và anh trai của ông Herbert là các nhà vật lý, hoạt động trong lĩnh vực máy hiện sóng. Họ có thể phát triển các dụng cụ siêu âm của riêng  mình. Karl Deutsch, một kỹ sư cơ khí cần cho một đối tác cho thiết bị điện tử và tìm thấy ông nhờ Hans-Werner Branscheid người đã có một số kinh nghiệm kỹ thuật về kỹ thuật-radar trong chiến tranh.  Chỉ trong vòng một năm cả hai công ty trẻ và nhỏ có thể cho ra đời thiết bị dò kiểm tra khuyết tật bằng siêu âm của họ, bắt đầu một cuộc cạnh tranh vẫn còn hiện hữu cho đến tận ngày nay.

Thiết bị kiểm tra Ống thủa sơ khai với thiết bị Krautkrämer (năm 1950)

Sau đó nhiều thiết bị kiểm tra siêu âm có mặt trên các thị trường quốc tế: Siemens vàLehfeldt ở Đức, Kretztechnik ở Áo, Ultrasonique ở Pháp và Kelvin-Hughes ở Anh. Tất cả họ đã ngừng sản xuất sản phẩm của mình trước những năm 1970. Kelvin-Hughes cũng dừng lại tại thời điểm đó, Sperry sau đó được đổi tên thành Liên hợp tự động hóa công nghiệp.

Krautkräme đã trở thành sản phẩm thương mại đứng đầu trên thế giới những năm 60 và vẫn giữ vị trí này cho đến tận ngày nay. Bên cạnh Karl Deutsch những cái tên mới xuất hiện: Nukem ở Đức, Panametrics và Stavely (sau Sonic và Harisonic) tại Mỹ, Sonatest và Sonomatic ở Anh, Gilardoni ở Italia.

Bốn máy dò lỗ hổng khuyết tật của Đức trong những năm 1950.

phía trên bên trái: Krautkramer, phải: Siemens.Phía dưới bên trái: Lehfeldt, phải: Karl Deutsch.

Nghiên cứu siêu âm và phát hiện khuyết tật trong kim loại tại Nhật Bản đã cắt giảm đáng kể khi chiến tranh thế giới II nổ ra vào năm 1941, tại thời điểm đó cả người Mỹ và người Đức đều tích cực nghiên cứu siêu âm và sự phát triển của Radar. Các nghiên cứu trong kỹ thuật Radar tại Nhật Bản cũng bị đặt trong thế bất lợi. Khi chiến tranh kết thúc năm 1945, nghiên cứu điện tử năng lượng cao đã bị cấm ở Nhật Bản trong một khoảng thời gian (cho đến 1948, khi sự phát triển của điện tử phi quân sự trở lại).

Các tổ chức của Nhật đã tiếp nhận các nghiên cứu từ Mỹ và Anh rồi sớm phát triển các máy dò lỗ  hổng khuyết tật trong kiểm tra không phá hủy của riêng mình. Vào khoảng năm 1949, bốn công ty Nhật Bản bắt đầu sản xuất thiết bị dò lỗ hổng của riêng mình. Đó là: Tập đoàn điện Mitsutbishi, Công ty Radio Nhật Bản (sau này trở thành Công ty Aloka), Công ty Sản xuất Shimadsu và Công ty siêu âm công nghiệp Toyko. ChỉMitsubishi tiếp tục mở rộng trong lĩnh vực kiểm tra không phá hủy và các công ty khác chuyển sang các lĩnh vực khác và ứng dụng siêu âm trong y tế chẩn đoán đặc thù. Hiệp hội Nhật Bản về kiểm tra không phá hủy (The Japanese Society for Non-Destructive Inspection) chính thức công nhận năm 1952 là năm đầu tiên kiểm tra không phá hủy được thực hiện tại Nhật Bản.

Nguồn: http://www.ob-ultrasound.net/ndt.html

Translated by Nguyễn Thị Phượng

Edited by Nguyễn Hoàng Việt

viet4777
Author: Nguyễn Hoàng Việt
About: Viet Nguyen-Hoang is a lecturer in school of Materials Science and Engineering at HUST (www.hust.edu.vn). He starts coding with Joomla from 2006. His lectures could be found at kythuatvatlieu.ORG. His writing is about IT, Joomla and his teaching topics.

Donate

Donate using PayPal
Amount: