การทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงของรอยเชื่อมเหล็กดูเพล็กซ์: การตรวจสอบสมดุลระหว่างเฟอร์ไรต์และออสเทนไนต์ รวมถึงจุดบกพร่องที่อาจเกิดขึ้น

การทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงของรอยเชื่อมเหล็กดูเพล็กซ์: การตรวจสอบสมดุลระหว่างเฟอร์ไรต์และออสเทนไนต์ รวมถึงจุดบกพร่องที่อาจเกิดขึ้น

เหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์ (Duplex stainless steels) เป็นพื้นฐานสำคัญของอุตสาหกรรมยุคใหม่ ซึ่งได้รับการยอมชมด้วยคุณสมบัติความแข็งแรงสูงและการทนต่อการกัดกร่อนได้ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม โครงสร้างจุลภาคแบบสองเฟส (ออสเทนไนต์และเฟอไรต์) ที่ซับซ้อนของมันก่อให้เกิดความท้าทายเฉพาะตัวในการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) การทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (Ultrasonic Testing - UT) ถือเป็นเครื่องมือสำคัญในการตรวจสอบความสมบูรณ์ของรอยเชื่อมเหล็กกล้าดูเพล็กซ์ แต่ต้องอาศัยความเข้าใจอย่างลึกซึ้งว่าคุณสมบัติของวัสดุส่งผลต่อการตรวจสอบอย่างไร คู่มือนี้นำเสนอแนวทางเชิงปฏิบัติสำหรับการใช้ UT เพื่อประเมินทั้งคุณภาพของรอยเชื่อมและโครงสร้างจุลภาคในเหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์

เหตุใดการทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงจึงสำคัญต่อรอยเชื่อมแบบดูเพล็กซ์

การเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์เป็นกระบวนการที่ต้องควบคุมอย่างละเอียดอ่อน มันต้องบรรลุวัตถุประสงค์หลักสองประการ ได้แก่

1. รอยเชื่อมที่ปราศจากตำหนิ ไม่มีรอยร้าว การเชื่อมขาด รูพรุน และสิ่งเจือปน

2. โครงสร้างจุลภาคที่สมดุล รักษาสมดุลระหว่างเฟสไว้ที่ประมาณ 50% ออสเทนไนต์ และ 50% เฟอไรต์ เพื่อรักษาคุณสมบัติเชิงกลและความทนทานต่อการกัดกร่อน

UT เป็นวิธีหลักสำหรับการตรวจสอบวัตถุประสงค์ข้อแรก อย่างไรก็ตาม วัตถุประสงค์ข้อที่สองมีผลโดยตรงต่อการตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเอง โครงสร้างจุลภาคที่ไม่สมดุลสามารถกลบความบกพร่องหรือสร้างสัญญาณผิดพลาด ทำให้การเข้าใจทั้งสองประเด็นมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ความท้าทาย: ภาวะการแปรปรวนของความเร็วคลื่นเสียงในโครงสร้างผลึกแบบดูเพล็กซ์

ความท้าทายหลักในการตรวจสอบเหล็กกล้าดูเพล็กซ์คือ ภาวะการแปรปรวนของความเร็วคลื่นเสียง . ซึ่งหมายความว่าความเร็วของคลื่นเสียงจะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับทิศทางที่มันเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างผลึกของวัสดุ

• ในวัสดุที่มีคุณสมบัติเหมือนกันทุกทิศทาง (เช่น เหล็กกล้าออสเทนิติกหรือเฟอร์ริติกมาตรฐาน) คลื่นเสียงจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทุกทิศทาง ทำให้การตีความเป็นเรื่องง่าย

• ในวัสดุที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันตามทิศทาง (เช่น เหล็กกล้าดูเพล็กซ์และรอยเชื่อม) ลำคลื่นสามารถเกิดการกระเจิง เบี่ยงเบน และแยกตัว นำไปสู่ปัญหาดังต่อไปนี้:

  • การเบี่ยงเบนของลำคลื่น: คลื่นเสียงอาจไม่เดินทางเป็นเส้นตรง ทำให้ยากต่อการระบุตำแหน่งของข้อบกพร่องอย่างแม่นยำ

  • การลดทอนแสง: สัญญาณอ่อนตัวลง ลดความสามารถในการทะลุผ่านและตรวจจับข้อบกพร่องที่มีขนาดเล็กหรืออยู่ลึก

  • ระดับเสียงรบกวนสูง: โครงสร้างเกรนที่ซับซ้อนก่อให้เกิดเสียงรบกวนพื้นหลังในระดับสูงหรือที่เรียกว่า "กราส" ซึ่งอาจบดบังข้อบกพร่องที่แท้จริง

ปรากฏการณ์การเกิดผลึกไม่สมมาตรนี้มีความชัดเจนที่สุดในเนื้อโลหะเชื่อมเอง โดยโครงสร้างที่เกิดจากการหลอมเย็นตัวแบบมีทิศทางมีเกรนที่หยาบ และความรุนแรงของมันมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับสมดุลระหว่างเฟอร์ไรต์และออสเทนไนต์

ขั้นตอนการตรวจสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง: ประเด็นสำคัญสำหรับเหล็กดูเพล็กซ์

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ขั้นตอนการตรวจสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงต้องได้รับการออกแบบและรับรองอย่างรอบคอบ

1. การเลือกอุปกรณ์และตัวแปลงสัญญาณ:

• เทคนิค:  Time-of-Flight Diffraction (TOFD) มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการตรวจสอบรอยเชื่อมแบบดูเพล็กซ์ เนื่องจากมีความไวต่อการเบี่ยงเบนของลำแสงน้อยกว่า และให้ความสามารถในการวัดขนาดข้อบกพร่องในเชิงระนาบได้อย่างแม่นยำ การทดสอบคลื่นความถี่สูงแบบอาร์เรย์ลำดับเฟส (PAUT) ยังเหนือกว่าการทดสอบด้วยคลื่นความถี่สูงแบบธรรมดา เนื่องจากสามารถสร้างลำแสงมุมต่าง ๆ ได้หลายมุม และให้แผนที่ภาพที่ละเอียดของปริมาตรรอยเชื่อม

• มุม: ใช้มุมหักเหต่ำ (เช่น 45°) เพื่อปรับปรุงอัตราสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (Signal-to-Noise Ratio) ตัวแปลงสัญญาณแบบมาตรฐานที่มีมุม 60° หรือ 70° อาจเกิดการบิดเบือนของลำแสงมากกว่า

• ความถี่: ความถี่ต่ำ (เช่น 2 MHz) ให้ความสามารถในการทะลุทะลวงที่ดีกว่าแต่มีความละเอียดต่ำ ในขณะที่ความถี่สูง (เช่น 4-5 MHz) ให้ความละเอียดที่ดีกว่าแต่อาจเกิดการลดทอนของสัญญาณมากกว่า จึงจำเป็นต้องมีการปรับสมดุลระหว่างค่าทั้งสองตามความหนาของวัสดุ

2. การปรับเทียบและบล็อกอ้างอิง:

• หลักปฏิบัติที่สำคัญ: การปรับเทียบต้องดำเนินการบนบล็อกอ้างอิงที่ทำจาก เกรดดูเพล็กซ์และรูปแบบผลิตภัณฑ์เดียวกัน (เช่น ท่อ, แผ่น) กับชิ้นส่วนที่ต้องการตรวจสอบ

• ทำไมถึงสำคัญ: การใช้บล็อกอ้างอิงจากเหล็กกล้าคาร์บอนจะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนอย่างมาก เนื่องจากความเร็วของคลื่นเสียงแตกต่างกัน บล็อกแบบดูเพล็กซ์จะคำนึงถึงความเร็วและแรงดันของเสียงที่เกิดขึ้นจริงในวัสดุที่มีคุณสมบัติไม่สมมาตร (anisotropic material)

3. การสแกนและตีความข้อมูล:

• ผู้ปฏิบัติงานต้องได้รับการฝึกฝนให้สามารถแยกแยะระหว่าง:

  • สัญญาณที่เกิดจากลักษณะทางเรขาคณิต (Geometric indications): สัญญาณสะท้อนจากจุดรากเชื่อม ผิวเชื่อม และร่องเชื่อม

  • สัญญาณรบกวนจากโครงสร้างผลึก (Microstructural noise): ลวดลายพื้นหลังที่สม่ำเสมอและเป็นเม็ดละเอียดที่เกิดจากโครงสร้างเกรนของโลหะ

  • ข้อบกพร่องที่แท้จริง (Real defects): สัญญาณที่ชัดเจนและเด่นชัด ซึ่งปรากฏขึ้นเหนือระดับเสียงรบกวนอย่างชัดเจน และสามารถตรวจสอบย้อนกลับได้จากมุมของหัวตรวจวัดที่แตกต่างกัน

การตรวจหาความไม่สมดุลของโครงสร้างผลึกด้วยการทดสอบคลื่นอัลตราโซนิก (UT)

แม้ว่าการวัดสมดุลเฟสแบบเชิงปริมาณจะต้องใช้เทคนิคในห้องปฏิบัติการทางโลหะวิทยา (เช่น การวิเคราะห์แบบจุดนับ) แต่ UT สามารถให้ข้อมูลเชิงคุณภาพที่ชัดเจนเกี่ยวกับปัญหาได้:

หมายเหตุสำคัญ: หากการทดสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกชี้ให้เห็นถึงความผิดปกติของโครงสร้างจุลภาค จำเป็นต้องยืนยันผลด้วยการทดสอบแบบทำลาย (เช่น การตัดชิ้นส่วนเพื่อวิเคราะห์ทางโลหะวิทยา) เนื่องจาก การทดสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นเพียงเครื่องมือคัดกรองโครงสร้างจุลภาค ไม่ใช่การวัดที่ให้ผลสรุปแน่ชัด

ข้อบกพร่องในการเชื่อมที่พบบ่อยและลักษณะเฉพาะที่ตรวจพบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกในเหล็กกล้าแบบดูเพล็กซ์

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการตรวจสอบที่เชื่อถือได้

1. การรับรองขั้นตอนการทำงาน: ตรวจสอบความเหมาะสมของขั้นตอนการตรวจสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (UT) โดยใช้แบบจำลองที่มีข้อบกพร่องจริงที่เป็นตัวแทน (เช่น รอยตัดด้วยเลื่อย รอยบากจาก EDM) และบริเวณที่ทราบว่ามีความไม่สมดุลของโครงสร้างผลึก

2. บุคลากรที่ได้รับการฝึกอบรม: ใช้เฉพาะช่างเทคนิค UT ระดับ II และระดับ III ที่มีประสบการณ์เฉพาะในการตรวจสอบวัสดุที่มีคุณสมบัติไม่สมมาตร เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์ และรอยเชื่อมเท่านั้น

3. การบันทึกข้อมูล: บันทึกข้อมูล A-scan ทั้งหมด และสำหรับ PAUT/TOFD ให้บันทึกข้อมูลการสแกนแบบ sector scan ทั้งหมด ซึ่งจะช่วยให้สามารถวิเคราะห์ย้อนหลังและขอความเห็นเพิ่มเติมจากผู้เชี่ยวชาญในกรณีที่มีข้อบกพร่องที่ตีความได้ยาก

4. การเปรียบเทียบข้อมูลร่วมกับวิธีการตรวจสอบแบบไม่ทำลายอื่นๆ: เมื่อไม่แน่ใจ ควรเปรียบเทียบผลการตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกกับวิธีการอื่น วิธีการทดสอบด้วยของเหลวซึมผ่าน (PT) เหมาะมากสำหรับข้อบกพร่องที่ผิวหน้า ในขณะที่การทดสอบด้วยรังสี (RT) สามารถให้มุมมองที่ต่างออกไปเกี่ยวกับข้อบกพร่องในเชิงปริมาตร

สรุป

การทดสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสำหรับรอยเชื่อมสเตนเลสสองชั้น (duplex stainless steel) จำเป็นต้องเปลี่ยนจากแนวปฏิบัติมาตรฐาน ความสำเร็จขึ้นอยู่กับการรับรู้ว่าโครงสร้างจุลภาคของวัสดุนั้นไม่ใช่เพียงคุณสมบัติที่วัดได้เท่านั้น แต่เป็นตัวแปรพื้นฐานที่มีผลต่อการตรวจสอบเอง โดยการใช้เทคนิคขั้นสูง เช่น PAUT และ TOFD การปรับเทียบบนบล็อกอ้างอิงที่เหมาะสม และการเข้าใจลายเซ็นเสียง (acoustic signatures) ของทั้งข้อบกพร่องและสิ่งผิดปกติในโครงสร้างจุลภาค ผู้ตรวจสอบสามารถรับประกันความสมบูรณ์และการทำงานของชิ้นส่วนสเตนเลสสองชั้นที่สำคัญได้อย่างเชื่อถือได้