Gelombang Ultrasonik dalam Pengujian Baja: Menjamin Integritas Struktural dan Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Gelombang ultrasonik mengacu pada gelombang suara frekuensi tinggi, biasanya di atas 20 kHz, yang digunakan secara luas dalam pengujian nondestruktif (NDT) di industri baja. Gelombang ini merambat melalui material baja, memungkinkan deteksi cacat internal, seperti retakan, rongga, inklusi, dan diskontinuitas lainnya, tanpa merusak spesimen. Pengujian ultrasonik (UT) memanfaatkan interaksi gelombang ini dengan fitur internal untuk menilai integritas material, memastikan produk baja memenuhi standar kualitas dan keselamatan.

Secara fundamental, gelombang ultrasonik adalah getaran mekanis yang ditransmisikan melalui struktur kisi material. Signifikansinya dalam pengendalian kualitas baja terletak pada kemampuannya untuk memberikan data inspeksi internal yang tepat dan real-time, yang sangat penting untuk mencegah kegagalan katastrofik dalam aplikasi kritis seperti bejana tekan, pipa, dan komponen struktural. Sebagai bagian dari kerangka jaminan kualitas yang lebih luas, pengujian ultrasonik melengkapi inspeksi visual dan metode nondestruktif lainnya, membentuk pendekatan komprehensif untuk memverifikasi integritas baja.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, hasil pengujian ultrasonik sering divisualisasikan melalui tampilan A-scan, yang menunjukkan amplitudo sinyal yang dipantulkan versus waktu, menunjukkan adanya diskontinuitas internal. Cacat seperti retakan atau inklusi menghasilkan gema karakteristik, muncul sebagai lonjakan yang berbeda pada tampilan. Sinyal ini diinterpretasikan oleh teknisi terlatih untuk menentukan ukuran, lokasi, dan tingkat keparahan cacat.

Secara mikroskopis, gelombang ultrasonik berinteraksi dengan fitur mikrostruktur seperti batas butir, antarmuka fase, dan inklusi. Variasi dalam impedansi akustik di antarmuka ini menyebabkan refleksi parsial, yang terdeteksi sebagai gema. Dalam baja, mikrostruktur—yang terdiri dari ferit, perlit, bainit, atau martensit—mempengaruhi propagasi gelombang, mempengaruhi kejernihan sinyal dan deteksi cacat.

Mekanisme Metalurgi

Dasar metalurgi interaksi gelombang ultrasonik melibatkan ketidakcocokan impedansi akustik di antarmuka dalam mikrostruktur baja. Diskontinuitas seperti retakan, rongga, atau inklusi non-logam menghadirkan daerah dengan kepadatan dan sifat elastis yang berbeda, menyebabkan refleksi parsial dan penyebaran energi ultrasonik.

Komposisi baja mempengaruhi perilaku gelombang; misalnya, kandungan paduan tinggi atau kotoran dapat mengubah ukuran butir dan keseragaman mikrostruktur, mempengaruhi atenuasi gelombang dan resolusi. Kondisi pemrosesan seperti perlakuan panas, penggilingan, atau penempaan memodifikasi struktur butir dan tegangan sisa, mempengaruhi karakteristik transmisi dan refleksi gelombang ultrasonik.

Sistem Klasifikasi

Klasifikasi standar hasil pengujian ultrasonik menggunakan penilaian keparahan berdasarkan ukuran cacat, lokasi, dan amplitudo sinyal. Umumnya, American Society for Nondestructive Testing (ASNT) atau standar ASTM mengkategorikan indikasi ke dalam kelas seperti:

• Diterima (Tidak ada cacat signifikan terdeteksi): Tidak ada gema yang menunjukkan cacat di atas ambang batas.
• Cacat kecil: Indikasi kecil yang tidak mengkompromikan integritas struktural.
• Cacat besar: Indikasi signifikan yang memerlukan perbaikan atau penolakan.

Tingkat keparahan sering kali diukur dengan amplitudo gema relatif terhadap standar kalibrasi, dengan ambang batas ditetapkan untuk kriteria penerimaan. Misalnya, gema cacat yang melebihi 50% dari amplitudo blok kalibrasi dapat diklasifikasikan sebagai kritis, mendorong evaluasi lebih lanjut atau penolakan.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode inti melibatkan pengujian ultrasonik pulsa-gema, di mana transduser memancarkan pulsa frekuensi tinggi ke dalam baja. Ketika gelombang ini menemui cacat internal atau batas, sebagian energi memantul kembali ke transduser, menghasilkan gema. Peralatan merekam sinyal ini, yang dianalisis untuk mengidentifikasi cacat internal.

Pengujian ultrasonik array fase (PAUT) meningkatkan deteksi dengan mengarahkan dan memfokuskan berkas ultrasonik secara elektronik, memungkinkan pencitraan rinci fitur internal. Difraksi waktu-tempuh (TOFD) adalah teknik canggih lainnya yang mengukur waktu yang dibutuhkan gelombang ultrasonik untuk memantul dari ujung cacat, memberikan ukuran cacat yang tepat.

Pengaturan peralatan biasanya mencakup transduser yang dipasangkan ke permukaan baja melalui gel atau medium penghubung berbasis air, unit pemancar/penerima, dan sistem tampilan. Kalibrasi yang tepat dengan standar referensi yang diketahui memastikan akurasi pengukuran.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional seperti ASTM E2373, ISO 16810, dan EN 12668 mengatur prosedur pengujian ultrasonik untuk baja. Prosedur umum meliputi:

• Persiapan permukaan untuk memastikan penghubungan yang baik dan transmisi sinyal.
• Kalibrasi menggunakan blok referensi dengan ukuran cacat yang diketahui.
• Pemindaian permukaan baja secara sistematis dengan transduser, menjaga tekanan dan sudut kontak yang konsisten.
• Mencatat dan menganalisis gema, mencatat lokasi, ukuran, dan amplitudo sinyal cacat.
• Membandingkan hasil dengan kriteria penerimaan yang ditentukan dalam proyek atau standar industri.

Parameter kritis termasuk frekuensi pulsa (biasanya 2-10 MHz untuk baja), laju pengulangan pulsa, dan kualitas medium penghubung. Ini mempengaruhi resolusi dan kedalaman penetrasi, mempengaruhi deteksi cacat.

Persyaratan Sampel

Sampel harus disiapkan dengan permukaan yang bersih dan halus untuk memfasilitasi penghubungan yang efektif dan meminimalkan kehilangan sinyal. Kondisi permukaan dapat melibatkan penggilingan atau pemolesan, terutama untuk permukaan yang kasar atau terkorosi. Ukuran dan bentuk spesimen harus representatif dari komponen yang sebenarnya, dengan perhatian pada area yang rentan terhadap cacat.

Pemilihan sampel yang tepat memastikan validitas pengujian, karena geometri kompleks atau ketidakteraturan permukaan dapat menyebabkan artefak sinyal atau mengaburkan cacat. Untuk inspeksi las, bagian las yang representatif dengan dimensi standar digunakan untuk memastikan hasil yang konsisten.

Akurasi Pengukuran

Presisi pengukuran tergantung pada kalibrasi peralatan, keterampilan operator, dan kondisi permukaan. Repetisi dicapai melalui prosedur standar dan pemeriksaan kalibrasi sebelum pengujian. Reproduksibilitas di antara operator atau peralatan yang berbeda dipertahankan melalui kepatuhan ketat terhadap standar.

Sumber kesalahan termasuk penghubungan yang tidak tepat, sudut transduser yang salah, atau kebisingan sinyal. Untuk mengurangi ini, teknisi melakukan kalibrasi peralatan secara teratur, menggunakan penghubung yang sesuai, dan menerapkan teknik penyaringan sinyal. Validasi data melalui beberapa pemindaian meningkatkan kepercayaan pada hasil.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Ukuran cacat ultrasonik biasanya dinyatakan dalam hal panjang, kedalaman, atau volume cacat, diukur dalam milimeter atau inci. Amplitudo sinyal sering dinormalisasi relatif terhadap standar kalibrasi, dinyatakan sebagai persentase atau tingkat desibel (dB).

Pengukuran waktu-tempuh dicatat dalam mikrodetik (μs), yang sesuai dengan waktu perjalanan gelombang melalui material. Hubungan antara waktu-tempuh dan kedalaman cacat diatur oleh kecepatan gelombang yang diketahui dalam baja (~5900 m/s).

Faktor konversi mencakup hubungan:

$$\text{Kedalaman cacat} = \frac{\text{Waktu-tempuh} \times \text{Kecepatan gelombang}}{2} $$

yang memperhitungkan perjalanan pulang pergi dari pulsa ultrasonik.

Interpretasi Data