كيف تؤثر حدود كشف الاختبار بالموجات فوق الصوتية على القياس؟

يُعتبر الاختبار بالموجات فوق الصوتية (UT) حجر الأساس في مجال الاختبارات غير الإتلافية (NDT)، إذ يمكنه الكشف عن العيوب الداخلية التي قد تُضعف السلامة الهيكلية للمكونات الحرجة. لا يوجد رقم واحد يحدد مدى صغر العيب الذي يمكن لاختبار UT اكتشافه، لأن ذلك يخضع لتفاعل معقد بين الفيزياء وخصائص المادة وقدرات المعدات. ومع ذلك، في ظل ظروف مثالية في البيئات الصناعية، يمكن لأنظمة UT الحديثة اكتشاف العيوب بدقة تصل إلى 50 ميكرون (0.05 مم) في المواد الملائمة، بينما يتراوح الحد العملي للكشف عادة بين 100 و500 ميكرون اعتمادًا على التطبيق.

الفيزياء الأساسية التي تحكم دقة الاختبار بالموجات فوق الصوتية

تُحدد الحدود النظرية والعملية لاختبار UT بشكل أساسي من خلال خصائص الموجات الصوتية أثناء انتقالها عبر المادة.

العلاقة بين الطول الموجي والتردد

العامل الأهم في تحديد حساسية الكشف هو تردد الموجة فوق الصوتية. الحد الأدنى لحجم العيب القابل للكشف يساوي تقريبًا نصف الطول الموجي (λ/2) للموجة داخل المادة. فكلما زاد التردد، قلّ الطول الموجي، مما يسمح باكتشاف العيوب الأصغر. ومع ذلك، تتناقص قدرة الموجات ذات التردد العالي على اختراق المادة بسبب ضعفها التدريجي، مما يحد من عمق الكشف الفعّال. هذا يؤدي إلى معادلة مباشرة بين الدقة والاختراق:

• تردد عالٍ (مثل 20–50 ميغاهرتز): ممتاز لاكتشاف العيوب الصغيرة (حتى ~50 ميكرون) في المقاطع الرقيقة أو المواد الدقيقة الحبيبات مثل السيراميك أو السبائك المستخدمة في الطيران والملاحة الجوية.

• تردد منخفض (مثل 1–5 ميغاهرتز): يُستخدم لفحص المقاطع السميكة أو المواد ذات الإخماد العالي مثل سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ المُنتجة عبر خدمة تشغيل الفولاذ المقاوم للصدأ CNC، لكنه يقدم دقة أقل، حيث يُكشف عن العيوب الأكبر من 1–2 مم.

نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)

لا يمكن اكتشاف العيب إلا إذا كانت الإشارة الصوتية المنعكسة (أو "الصدى") أقوى من الضوضاء الإلكترونية أو ضوضاء المادة. تنشأ الضوضاء المادية من البنية المجهرية — مثل حدود الحبيبات في المعادن أو المسامية في المواد المركبة أو الشوائب. تُظهر المكونات المصنعة من كُتل متجانسة عبر خدمة التشغيل الدقيق ضوضاء أقل، مما يسمح باكتشاف عيوب أصغر.

العوامل الحاسمة التي تؤثر على حدود الكشف العملية

إلى جانب المبادئ الفيزيائية، هناك عدة عوامل عملية تؤثر بشكل كبير على نتائج الفحص.

خصائص المادة والتوهين

خصائص المادة الصوتية هي العامل الأهم. يشير التوهين إلى فقدان طاقة الموجة أثناء انتقالها. المواد ذات التوهين العالي، مثل بعض خدمات تشغيل البلاستيك CNC أو سبائك التيتانيوم الخشنة الحبيبات، تتطلب ترددات منخفضة مما يقلل الدقة. وعلى العكس، المواد ذات التوهين المنخفض، مثل سبائك تشغيل الألمنيوم CNC الدقيقة (مثل 6061) أو Inconel 718، تُعد مثالية للفحص عالي الدقة.

خصائص العيوب: النوع، الاتجاه، والموقع

ليست كل العيوب بنفس القابلية للكشف حتى وإن كانت بنفس الحجم.

• النوع: المسام الغازية والشوائب عادةً كروية الشكل وتُعيد الموجات الصوتية في جميع الاتجاهات، مما يسهل اكتشافها. أما الشقوق فهي مسطحة وتعيد الموجة بشكل اتجاهي.

• الاتجاه: يجب أن يكون الشق متعامدًا تقريبًا مع شعاع الصوت ليعكس إشارة قوية نحو المسبار. أما الشق الموازي للشعاع فقد يكون غير مرئي تمامًا. يُعد هذا أمرًا بالغ الأهمية في فحص الأجزاء المعقدة المنتجة عبر خدمة التشغيل متعدد المحاور CNC، حيث يمكن أن تُسبب الإجهادات شقوقًا في اتجاهات محددة.

• الموقع: العيوب القريبة من السطح أو الزوايا قد تُخفيها انعكاسات الموجة الأولية أو الصدى الهيكلي، مما يجعل فصلها أكثر صعوبة.

تقنيات UT المتقدمة لتحسين الحساسية

يُعد الاختبار التقليدي بنظام النبضة–الصدى محدودًا، لكن التقنيات المتقدمة توسّع حدود الكشف الممكنة.

الاختبار بالمصفوفة الطورية (PAUT)

يستخدم PAUT مجسات متعددة العناصر يمكنها توجيه وتركيز وتحريك الشعاع إلكترونيًا دون تحريك المسبار. يتيح ذلك تركيز الطاقة الصوتية عند العمق المطلوب، مما يحسّن الإشارة الناتجة عن العيوب الصغيرة بشكل كبير ويزيد من نسبة الإشارة إلى الضوضاء. تُعد هذه التقنية ضرورية لفحص اللحامات الحرجة في صناعات توليد الطاقة والنفط والغاز.

الفحص بالغمر والمسح الآلي (C-Scan)

يتضمن الفحص بالغمر وضع الجزء والمحول في خزان ماء لتوفير اقتران مثالي ومستقر. عند دمجه مع أنظمة المسح الآلي، ينتج صورًا ثنائية الأبعاد (C-Scan) تمثل خريطة داخلية دقيقة للمكونات. يُعد هذا الأسلوب فعالًا للغاية في اكتشاف المسامية الدقيقة والشوائب في مكونات النمذجة الأولية لتشغيل CNC قبل الانتقال إلى الإنتاج الضخم.

في الختام، رغم أن اختبار UT يمكنه نظريًا تحقيق دقة أقل من 50 ميكرون، فإن الحد الأدنى العملي للفحص الصناعي الروتيني يتراوح عادة بين 100 و200 ميكرون للعيوب المسطحة، وأقل قليلًا للفراغات الحجمية. ويتطلب تحقيق أعلى حساسية مزيجًا متكاملًا من المجسات عالية التردد، والمواد منخفضة الضوضاء، وتقنيات المصفوفة الطورية المتقدمة، وفهمًا عميقًا لهندسة المكونات وآليات فشلها المحتملة.