Đằng sau mỗi bộ bánh răng chạy êm là một khối thép mà người mua hầu như không bao giờ nhìn thấy trực tiếp: vật liệu bên trong phôi. Lỗ co ngót do đúc, vết nứt do rèn, vết xệ, tạp chất và vết nứt tôi không xuất hiện trên bản vẽ bánh răng hoàn thiện, vậy mà bất kỳ một trong số chúng cũng có thể kết thúc một trục dẫn động, một bánh răng nhỏ của nhà máy cán hay một cấp tuabin gió sớm hơn tuổi thọ tính toán hàng tháng. Từ tính và thẩm thấu bắt được những gì nằm ở hoặc gần bề mặt, nhưng các khuyết tật nằm sâu dưới lớp vỏ vài milimet thì cả hai đều không thấy, và đó chính là những khuyết tật đứt gãy dưới tải mỏi. Kiểm tra siêu âm, hay UT, là câu trả lời công nghiệp phổ biến để nhìn vào khối lượng bên trong của một phôi thép bánh răng hoặc một bánh răng hoàn thiện mà không cần cắt nó ra. Hướng dẫn này giải thích UT xung-pha thực sự hoạt động ra sao, những loại khuyết tật nội bộ nào nó có thể và không thể tìm thấy, những tiêu chuẩn nào người mua và xưởng dựa vào, cách đọc một báo cáo UT để bạn phân biệt được một lần đạt thật với một con dấu máy móc, và những gì nên viết vào đơn mua hàng để việc kiểm tra bạn trả tiền chính là việc kiểm tra bạn thực sự nhận được.
Kiểm tra siêu âm xung-pha phát những chùm âm tần số cao ngắn, thường từ một đến mười megahertz, qua một đầu dò áp điện vào linh kiện, qua một lớp mỏng chất dẫn âm như glycerin, gel hoặc dầu để ép hết khe khí giữa mặt bộ chuyển âm và thép. Âm truyền qua thép đồng nhất ở một vận tốc gần như không đổi, khoảng năm nghìn chín trăm mét mỗi giây, cho đến khi nó chạm một biên giới trở kháng âm khác. Tại biên giới, một phần năng lượng phản xạ thẳng về đầu dò và một phần tiếp tục đi. Trên màn hình máy, xung thẳng đứng đầu tiên là echo bề mặt ban đầu, thường gọi là cú nổ chính, còn echo từ mặt đối diện của linh kiện, tức echo thành sau, đến sau hơn và đánh dấu toàn bộ đường đi của âm. Bất kỳ vật phản xạ nội bộ nào, một lỗ rỗ, một vết nứt hay một xỉ xếp chuỗi, nằm giữa đầu dò và thành sau và tạo ra echo riêng tại một vị trí trên trục hoành tương ứng trực tiếp với độ sâu, bởi độ sâu bằng vận tốc âm nhân với một nửa thời gian truyền đo được. Echo trên màn hình càng cao, và càng so sánh được với một vật phản xạ chuẩn có kích thước biết trước như một lỗ đáy phẳng, thì khuyết tật càng được đánh giá là lớn. Tần số đầu dò cao hơn cho độ phân giải độ sâu sắc nét và độ nhạy với khuyết tật nhỏ hơn, nhưng chúng tắt dần nhanh hơn trong thép đúc hoặc rèn hạt thô, nên những đoạn dày hoặc nhiều hạt thường hạ xuống còn hai hoặc hai phẩy hai mươi lăm megahertz, còn các vùng hoàn thiện mịn có thể dùng năm trở lên. Việc quét đầu dò thủ công dọc theo mặt răng, lỗ, núm bánh răng và lòng web theo một quy tắc đều đặn, rồi so mỗi echo với một đường cong biên độ theo khoảng cách đã hiệu chuẩn, là cách một kỹ thuật viên quyết định xem một phản hồi là một khuyết tật phẳng thật sự hay chỉ là hình học như rãnh then, bán kính lượn hay một thay đổi mặt cắt ngang.
UT nhắm vào khối lượng bên trong của bánh răng, và các khuyết tật ứng viên phụ thuộc vào cách phôi được chế tạo. Ở phôi bánh răng đúc, các đặc điểm nội bộ nguy hiểm là các lỗ khoang co ngót, lỗ rỗ vi co ngót, lỗ khí và tạp chất phi kim loại, những cụm xỉ hoặc cát làm đứt đường đi của âm và phản xạ lại những echo rộng và mờ. Ở phôi rèn, UT tìm vết nứt rèn, vết bùng, vết xệ và nếp gấp, thường hình thành ở các đầu hoặc ở những đoạn dày nơi biến dạng không đều, cùng những xỉ tạp chất phi kim loại xếp chuỗi theo dòng hạt. Sau nhiệt luyện, UT được dùng lại, bởi tôi có thể đưa vào những vết nứt tôi khởi đầu sâu trong lòng web hoặc ở chân răng và không bao giờ xuyên ra bề mặt cho đến khi bánh răng đã hỏng khi đang chạy. Lý do phương pháp không phá hủy được chọn theo vị trí thì thẳng thắn. Từ tính và thẩm thấu chất lỏng phản ứng với các gián đoạn ở hoặc ngay dưới bề mặt, nên chúng là công cụ đúng cho vết nứt mài, vết nứt tôi đã mở ra vỏ, vết xệ do gia công và nếp gấp rèn trên bề mặt. Chúng rẻ, nhanh và nhạy trên bề mặt, nhưng một khoảng rỗ hay vết nứt nằm sâu bốn mươi milimet trong núm bánh răng thì không để lại dấu vết gì. Phóng xuyên cũng nhìn xuyên khối lượng, nhưng nó kém trong việc bắt các khuyết tật phẳng có định hướng như một vết nứt mỏi chặt chạy song song với chùm tia. UT vì vậy là phương pháp khối lượng tiêu chuẩn cho bánh răng hạng nặng: nó tới được sâu, nhạy với các vật phản xạ phẳng, và có thể thực hiện ngay trên sàn xưởng mà không cần phim, vùng an toàn phóng xạ hay thời gian xử lý lâu.
Kết quả UT chỉ tốt ngang bằng tiêu chuẩn mà nó được phán xét, và lớp kiểm soát đầu tiên chính là người thực hiện việc quét. Thực hành công nghiệp thường yêu cầu người vận hành giữ một chứng chỉ như ISO 9712, hoặc chương trình quốc gia tương đương, về kiểm tra siêu âm ở cấp độ phù hợp, với cấp hai có thể đánh giá và báo cáo các tín hiệu, còn cấp ba chịu trách nhiệm phê duyệt quy trình và diễn giải. Với bánh răng thép rèn, người mua thường tham chiếu các khung chấp nhận rút ra từ các tiêu chuẩn như EN 10228-3 cho vật rèn thép, ASTM A388 cho vật rèn thép hạng nặng, hoặc ISO 4992-2 cho vật đúc và rèn thép dùng trong bộ truyền bánh răng, tùy theo ngành và thị trường cuối. Với phôi đúc, họ tiêu chuẩn liên quan thường là EN 12680 phần ba cho vật đúc dùng trong máy móc như bánh răng, cùng với các điều khoản vật liệu nằm bên trong các tiêu chuẩn đánh giá bánh răng. Trong mỗi tiêu chuẩn, linh kiện được gán một cấp chất lượng hoặc cấp chấp nhận, từ lỏng đến chặt, và các tín hiệu được đánh giá dựa trên các đường cong tham chiếu đã hiệu chuẩn như đường cong biên độ theo khoảng cách, vốn bù cho sự sụt giảm tự nhiên của chiều cao echo khi vật phản xạ nằm sâu hơn trong thép. Một tín hiệu được mô tả bằng kích thước tương đương của nó, thể hiện dưới dạng đường kính của một lỗ đáy phẳng sẽ cho cùng chiều cao echo, và bằng chiều dài được chỉ thị khi một vật phản xạ phẳng giống vết nứt được quét dọc theo trục dài của nó. Bất cứ thứ gì nằm trên đường cong tham chiếu, hoặc dài hơn chiều dài chỉ thị cho phép, đều chuyển vào vùng loại bỏ cho cấp đó; mọi thứ dưới nó đều chấp nhận được cho điều kiện làm việc đó.
Một báo cáo UT mà bạn không thể diễn giải được, về mặt mua hàng, cũng chỉ tốt hơn một báo cáo không có là mấy. Điều đầu tiên cần kiểm tra là phạm vi: những mặt, lỗ, núm bánh răng, lòng web và vùng răng nào đã được quét, bằng đầu dò nào và ở tần số nào, và thực tế đã phủ bao nhiêu phần trăm bề mặt. Một báo cáo chỉ nói rằng kiểm tra siêu âm đã đạt, mà không liệt kê các vùng quét, là đang yêu cầu bạn tin lời xưởng về độ phủ, và độ phủ chính là nơi người ta cắt xén góc cạnh. Tiếp theo, bất kỳ tín hiệu nào được ghi lại cũng phải mang một vị trí độ sâu đo từ bề mặt đã quét và một vị trí theo trục dọc hay vòng quanh bánh răng, để bạn có thể biết vật phản xạ nằm ở vùng chân răng chịu ứng suất, một đoạn web tải nhẹ hay một vùng vành không then chốt. Báo cáo nên nêu rõ kích thước tương đương và chiều dài chỉ thị của mỗi tín hiệu, cấp chấp nhận được áp dụng, và một kết luận rõ ràng đạt hay loại đối với cấp đó. Độ tin cậy đến từ tính nhất quán: số chứng chỉ và cấp độ của người vận hành, kiểu máy và số seri đầu dò, ngày hiệu chuẩn, khối tham chiếu đã dùng, cùng ngày giờ quét đều phải có mặt, và báo cáo phải khớp với số lô nhiệt luyện hoặc số seri trên chính chiếc bánh răng. Nếu một báo cáo cho thấy không có tín hiệu nào trên một vật đúc rõ ràng có vết cắt nở tô, hoặc trích một cấp chất lượng chưa bao giờ xuất hiện trong bản vẽ của bạn, hãy coi đó là một tài liệu cần đặt câu hỏi chứ không phải bằng chứng về vật liệu tốt.
Đưa UT vào hồ sơ hỏi giá của bạn, thay vì khám phá ra nó ở khâu kiểm tra cuối, là cách bạn giữ cho khoản phạt về giá và tiến độ có thể đoán trước. Hãy nêu rõ tiêu chuẩn và cấp chấp nhận một cách tường minh: tham chiếu EN 10228-3, ASTM A388 hoặc bất kỳ khung nào mà khách hàng cuối của bạn công nhận, và nêu rõ cấp bạn yêu cầu thay vì chỉ yêu cầu UT như thể một cấp là vừa cho tất cả. Hãy nêu rõ thời điểm của phép thử: hầu hết người mua yêu cầu UT trên phôi rèn hoặc đúc thô trước khi cam kết bất kỳ gia công tốn kém nào, rồi lại một lần nữa sau nhiệt luyện và lý tưởng là trước mài hoàn thiện, để một vết nứt tôi được tìm thấy trước khi nó thành phế phẩm ở công đoạn cuối. Hãy nêu rõ độ phủ: quét một trăm phần trăm núm bánh răng, lòng web và vùng răng, hoặc một kế hoạch lấy mẫu đã thỏa thuận cho lô sản xuất, và quy định những bề mặt nào phải được quét. Hãy nêu rõ báo cáo có bắt buộc bao gồm vị trí kích thước, kích thước tương đương và chiều dài chỉ thị cho mọi tín hiệu có thể ghi lại hay không. Hãy nêu rõ phép thử có phải được chứng kiến bởi một bên thứ ba độc lập như một hội phân loại, một giám định viên của chủ sở hữu hay một phòng thí nghiệm công nhận hay không, và liệu bạn có muốn bản in echo thô đính kèm báo cáo hay không. Cuối cùng, hãy hỏi UT ảnh hưởng thế nào đến giá và tiến độ: một lần quét khối lượng đầy đủ có chứng kiến bên thứ ba trên một phôi bánh răng hạng nặng thêm cả giờ kiểm tra lẫn lịch thời gian, và việc đặt nó vào hồ sơ hỏi giá cho phép xưởng lên kế hoạch cho cửa sổ quét, chuẩn bị bề mặt ghép âm và các khối hiệu chuẩn trước khi vật rèn thậm chí chưa đến nơi.
Kiểm tra siêu âm không thay thế được kiểm tra kích thước, phép thử độ cứng hay những kiểm tra bề mặt bằng mắt thường đi vào một bộ hồ sơ nghiệm thu bánh răng. Nó bổ sung đúng một mẩu thông tin mà những phương pháp kia không thể cho bạn: một phát biểu về khối lượng nội bộ của khối thép bạn đang mua. Khi phương pháp, tiêu chuẩn, trình độ người vận hành, độ phủ và các tín hiệu được báo cáo đều đã được ghi chép, đối chiếu chéo và gắn với số seri trên linh kiện, UT trở thành bằng cấp hợp đồng chứ không phải một lời hứa mơ hồ về vật liệu tốt. Nếu bạn đang mua bánh răng cho nhà máy cán, truyền động mỏ, bánh răng hàng hải, thiết bị năng lượng hay bất kỳ điều kiện làm việc nào mà một núm bánh răng bùng vỡ hay một vết nứt tôi ẩn sẽ làm dừng một dây chuyền sản xuất, việc quy định UT xung-pha kèm một cấp chấp nhận được nêu tên trong hồ sơ hỏi giá là một chi phí nhỏ so với thời gian dừng máy mà một khuyết tật chôn sâu có thể gây ra.