کاربردفناوری تراهرتز THzدر کنترل کیفیت  لوله و پروفیلهای فولادی

Application of terahertz (THz) technology in quality control of steel pipes and profiles

مهندس مردعلی کاکائی [2]لوله و پروفیل صباح- تهران

چکیده

فناوری تراهرتز (THz) به عنوان یک ابزار تحول آفرین در زمینه کنترل کیفیت محصولات فلزی ظاهر شده است و قابلیت های آزمایش غیر مخرب را ارائه می دهد که فرآیندهای تولید را بهبود می بخشد. امواج THz که در محدوده فرکانس تراهرتز کار می کنند، می توانند به انواع مواد نفوذ کرده و امکان تجزیه و تحلیل جامع ساختارهای داخلی، شناسایی عیوب و اندازه گیری خواص مواد را بدون ایجاد آسیب فراهم کنند. این مقاله به بررسی اصول فناوری THz و کاربرد آن در کنترل کیفیت پرداخته و بر اثربخشی آن در اندازه‌گیری ضخامت پوشش، تشخیص عیوب داخلی و ارزیابی یکپارچگی مواد تأکید می‌کند. با ادغام فناوری THz در گردش کار تولید، صنایع می توانند به دقت بازرسی بهبود یافته، کاهش زمان خرابی عملیاتی و قابلیت اطمینان محصول افزایش یافته دست یابند. این بررسی پیشرفت‌های روش‌های THz، پیاده‌سازی عملی آن‌ها و چالش‌های پیش‌رو را روشن کرده و پتانسیل این فناوری را برای متحول کردن تضمین کیفیت در تولید محصولات فلزی و فراتر از آن برجسته می‌کند.

کلمات کلیدی

فناوری تراهرتز- آزمایش غیر مخرب- – خصوصیات مواد- تشخیص نقص- اندازه گیری ضخامت-لوله وپروفیل های فولادی – امواج الکترومغناطیسی-کنترل کیفیت

مقدمه

در چشم انداز همیشه در حال توسعه تولید، اطمینان از کیفیت و یکپارچگی محصولات فلزی از اهمیت بالایی برخوردار است. تقاضا برای مواد قابل اعتماد، بادوام و با کارایی بالا نیاز به تکنیک های بازرسی پیشرفته ای دارد که می تواند به طور موثر عیوب را بدون به خطر انداختن یکپارچگی ساختاری محصولات شناسایی کند. فناوری تراهرتز (THz) به عنوان یک راه حل پیشگامانه ظهور کرده است و یک رویکرد آزمایش غیر مخرب را ارائه می دهد که به طور قابل توجهی فرآیند کنترل کیفیت را در صنایع فلز ی افزایش می دهد.

این فناوری نوآورانه که در محدوده فرکانس تراهرتز [3]کار می کند، از امواج الکترومغناطیسی برای نفوذ به مواد استفاده می کند و  دیدگاه های  ارزشمندی را در مورد خواص و ساختارهای داخلی آنها ارائه می دهد. برخلاف روش‌های بازرسی سنتی که ممکن است فقط ویژگی‌های سطح را ارزیابی کنند یا به تماس فیزیکی نیاز داشته باشند، فناوری THz می‌تواند عیوب پنهان را کشف کند، ضخامت را اندازه‌گیری کند و خواص مواد را با دقت چشمگیری تجزیه و تحلیل کند. این قابلیت به ویژه برای محصولات فلزی بسیار مهم است، جایی که حتی نقص های جزئی می تواند منجر به خرابی های فاجعه بار در برنامه های کاربردی در دنیای واقعی شود.

از آنجایی که صنایع به دنبال بهینه سازی کارایی تولید و اجرای استانداردهای ایمنی سختگیرانه هستند، ادغام فناوری تراهرتز در پروتکل های کنترل کیفیت یک فرصت متحول کننده را ارائه می دهد. از ارزیابی یکپارچگی جوش گرفته تا ارزیابی کیفیت پوشش‌های محافظ، فناوری THz دقت بازرسی و سرعت پردازش را افزایش می‌دهد و در عین حال ضایعات و خرابی عملیات را به حداقل می‌رساند.

این فناوری به عنوان یک ابزار قدرتمند در کنترل کیفیت در صنایع مختلف از جمله ساخت و بازرسی لوله ها و پروفیل های فولادی ظاهر شده است که با استفاده از تشعشعات تراهرتز می‌تواند بدون ایجاد آسیب به مواد نفوذ کند و به ویژه برای کاربردهای آزمایش غیر مخرب (NDT) مناسب است.

در زمینه تولید لوله و پروفیل فولادی، اطمینان از یکپارچگی و کیفیت مواد بسیار مهم است. روش‌های بازرسی سنتی، مانند آزمایش‌های اولتراسونیک یا اشعه ایکس، ممکن است محدودیت‌هایی در ارتباط با دسترسی، وضوح، و توانایی تشخیص انواع خاصی از عیوب داشته باشند. فناوری THz با ارائه یک روش بازرسی بسیار حساس و سریع که می‌تواند عیوب سطحی و زیرسطحی مانند ترک‌ها، خوردگی و تغییرات ضخامت مواد را شناسایی کند، این چالش‌ها را برطرف می‌کند. این مقدمه اصول، کاربردها و مزایای فناوری تراهرتز را بررسی و نقش حیاتی آن را در چشم انداز کنترل کیفیت مدرن تولید برجسته می کند

• آشنایی با فناوری تراهرتز

1-1  طیف الکترومغناطیسی :  تابش تراهرتز بین تابش مایکروویو و مادون قرمز در طیف الکترومغناطیسی،  در محدوده فرکانس از 0.1 تا 10 تراهرتز است که مربوط به طول موج های حدود 3 میلی متر تا 30 میکرومتر است.  . این محدوده منحصر به فرد فرکانس امکان ارزیابی غیر مخرب مواد را فراهم می کند و مزایای قابل توجهی را در ارزیابی کیفیت محصولات فولادی بدون آسیب رساندن به آنها ارائه می دهد. محدوده تراهرتز به ویژه  از این نظر جالب است که طیف وسیعی از فرکانس‌ها را در بر می‌گیرد تا بتواند به طور موثر در انواع مواد غیرفلزی نیز نفوذ کند، و آن را برای کاربردهای تصویربرداری، سنجش و تعیین مشخصات مواد ارزشمند می‌کند.( شکل  1  )

شکل  1 – موقعیت تراهرتز در طیف الکترومغناطیسی

1-2 تشعشعات غیر یونیزه: بر خلاف اشعه ایکس، تابش THz غیر یونیزه است، بنابراین انرژی کافی برای جابجایی الکترون ها یا آسیب رساندن به مواد و بافت های بیولوژیکی را ندارد

• تولید و شناسایی

2-1 روش های تولید: امواج THz را می توان با استفاده از چندین تکنیک تولید کرد، از جمله:

2-1-1   آنتن های رسانای نوری: از پالس های لیزر کوتاه برای ایجاد تشعشع THz استفاده می کنند.)  شکل2)

 

شکل     2  – تولید امواج تراهرتز شدید با یک ماده مغناطیسی

2-1-2   تصحیح نوری: این روش نور لیزر را مستقیماً به امواج THz تبدیل می کند.(شکل3)

2-1-3  لیزرهای آبشاری کوانتومی: این دستگاه ها از اثرات مکانیکی کوانتومی برای تولید تابش تراهرتز استفاده می کنند.

شکل3- تولید امواج تراهرتز با تصحیح نوری

2-2 روش های تشخیص: امواج THz را می توان با استفاده از:

2-2-1 – آشکارسازهای رسانای نوری: مشابه روش تولید، به فرکانس‌های THz حساس هستند.

2-2-2 – بولومترها[4]: قدرت تابش THz را با تشخیص تغییرات دما اندازه گیری می کنند.

2-2-3 –حسگرهای الکترواپتیک: این سنسورها از خواص کریستال های خاص برای تشخیص میدان های الکتریکی در فرکانس تراهرتز استفاده می کنند.(شکل 4 )

شکل4- محدوده تشخیص تراهرتز

-3  کاربردهای THz

شکل 5   – مهمترین کاربردهای تکنولوژی تراهرتز

1-3 –خصوصیات مواد: فناوری THz برای تجزیه و تحلیل و مشخص کردن مواد از طریق شناسایی ترکیب شیمیایی که مواد مختلف امواج THz را به طور متفاوتی جذب می‌کنند و «اثر انگشت طیفی» ایجاد می‌کنند.

3-2-اندازه گیری ضخامت: می تواند ضخامت موادی مانند پوشش ها و فیلم ها را اندازه گیری کند.

3-3 – تصویربرداری پزشکی: در زمینه های زیست پزشکی، تصویربرداری THz را می توان برای موارد زیر استفاده کرد:

3-3-1 تشخیص تومور: امواج THz می توانند بین بافت های سالم و سرطانی تمایز قائل شوند.

3-3-2  تصویربرداری از پوست: می تواند هیدراتاسیون بافت و سایر خواص را به صورت غیر تهاجمی ارزیابی کند.

3-4 – غربالگری امنیتی: فناوری THz در سیستم های امنیتی به کار می رود تا:

3-4 -1-کشف سلاح های مخفی: توانایی آن برای دیدن لباس ها بدون اثرات مضر، آن را برای غربالگری امنیتی در فرودگاه ها و رویدادها مفید می کند.

3-4-2- شناسایی مواد منفجره: THz می تواند مواد را مشخص کند و به شناسایی مواد مضر کمک کند.

3-5- ارتباطات: تحقیقات در حال انجام با هدف استفاده از فرکانس‌های THz برای ارتباطات بی‌سیم با سرعت بالا، به طور بالقوه فراتر از قابلیت‌های فعلی که در ارتباطات مایکروویو و فیبر نوری دیده می‌شود، است.

3-6- کیفیت سوخت : یک زمینه امیدوار کننده خاص از کاربردهای امواج تراهرتز، که به طور فزاینده ای توسط صنعت مورد پذیرش قرار می گیرد، نظارت بر سیالات هیدروکربنی است. هیدروکربن های خالص نسبت به امواج تراهرتز شفاف هستند و این امواج می توانند تغییرات ترکیبی، ارزش حرارتی یا عدد اکتان سوخت ها، طیف گسترده ای از آلاینده ها در سوخت ها و روان کننده ها، محصولات اکسیداسیون و محتوای رطوبت را تا سطح 0.01٪ تشخیص دهند.

4-کاربردهای کلیدی در کنترل کیفیت

کنترل کیفیت در تولید محصولات فلزی ( واز جمله لوله وپروفیلهای فولادی ) شامل چندین فرآیند است تا اطمینان حاصل شود که محصولات با استانداردهای مشخص شده در مورد دوام، استحکام، ترکیب و یکپارچگی ساختار مطابقت دارند. روش‌های بازرسی سنتی اغلب شامل تماس فیزیکی یا محدود به معاینه سطحی است که ممکن است نتواند به نقص‌های اساسی پی ببرد. فناوری تراهرتز (THz) به عنوان یک ابزار ارزشمند در کنترل کیفیت محصولات فلزی ظاهر شده است که به دلیل قابلیت های آزمایش غیر مخرب و حساسیت به خواص مواد، مزایای متعددی را ارائه می دهد. در اینجا نگاهی دقیق به کاربردهای آن در این زمینه داریم:

4-1 تجزیه و تحلیل یکپارچگی مواد

تشخیص عیوب داخلی: امواج THz می توانند تا حدی به فلزات نفوذ کنند و امکان تشخیص عیوب داخلی مانند ترک ها، حفره ها یا سایر ناهنجاری هایی را که ممکن است یکپارچگی سازه را به خطر بیندازند، می دهد.

تصویربرداری غیر مخرب: تصاویری را تولید می کند که تغییرات در خواص دی الکتریک را نشان می دهد، که می تواند به شناسایی مناطق نگران کننده در یک جزء فلزی کمک کند(شکل6)

شکل6- آزمون غیر مخرب با استفاده از اشعه تراهرتز

4-2 . اندازه گیری ضخامت

تکنولوژی Terahertz در اندازه گیری ضخامت پوشش های محافظ روی لوله های فولادی بسیار موثر است. این برای ارزیابی کاربرد لایه های مقاوم در برابر خوردگی، که می تواند به طور قابل توجهی طول عمر محصولات فولادی را افزایش دهد، حیاتی است. با اندازه‌گیری دقیق ضخامت پوشش، تولیدکنندگان می‌توانند اطمینان حاصل کنند که محصولاتشان استانداردهای صنعت را برآورده می‌کنند و در کاربردهای مورد نظر خود به طور موثر عمل می‌کنند.

شکل7  – استفاده از تکنولوژی  تراهرتز  در اندازه گیری ضخامت محصولات فلزی

 

4-3  مشخصه مواد

طیف سنجی تراهرتز دیدگاه های ارزشمندی را در مورد خواص مواد لوله های فولادی ارائه می دهد. این تکنیک می تواند جنبه های مختلفی از جمله ترکیب، چگالی و رطوبت را مشخص کند. چنین اطلاعاتی برای تعیین مناسب بودن مواد برای کاربردهای خاص و حصول اطمینان از اینکه آنها به طور مداوم استانداردهای کیفیت را برآورده می کنند بسیار مهم است. (شکل 8 )

شکل8-آنالیز مواد محصولات فولادی به کمک اشعه تراهرتز

4 -4 تجزیه و تحلیل سطح

کیفیت سطح به طور مستقیم بر عملکرد پروفیل های فولادی تأثیر می گذارد و تجزیه و تحلیل کامل را ضروری می کند. فناوری تراهرتز می‌تواند شرایط سطح را ارزیابی کند و عیوبی مانند زبری، خراش یا سایر عیوب را شناسایی کند. با استفاده از تصویربرداری تراهرتز، تولیدکنندگان می توانند اطمینان حاصل کنند که محصولاتشان الزامات زیبایی شناختی و عملکردی را برآورده می کند.(شکل9)

شکل9-آنالیز سطح به کمک تکنولوژی تراهرتز

4-5 اندازه گیری تنش و کرنش

فناوری THz را می توان برای مطالعه تنش های حرارتی و مکانیکی در محصولات فلزی مورد استفاده قرار داد، که برای پیش بینی خرابی در شرایط خدمات بسیار مهم است( شکل10)

شکل10 – اندازه گیری تنشهای حرارتی با فناوری تراهرتز

 

4-6  ارزیابی کیفیت جوش

ارزیابی کیفیت جوش در محصولات فلزی مونتاژ شده ( وازجمله لوله وپروفیلهای درزجوش دار ) برای اطمینان از ایمنی و دوام ضروری است. فناوری THz می‌تواند یکپارچگی جوش‌ها را با تشخیص عیوب پنهانی که روش‌های سنتی ممکن است از دست بدهند، ارزیابی کند.(شکل11)

شکل 11- ارزیابی کیفیت جوش لوله فولادی با تراهرتز

5-  مزایای استفاده از فناوری تراهرتز

5-1 سرعت کار: با قابلیت اسکن سریع، فناوری تراهرتز به طور قابل توجهی کارایی بازرسی ها را بهبود می بخشد و در زمان و منابع صرفه جویی می کند

5-2 رزولوشن وحساسیت بالا: تصویربرداری تراهرتز تصاویری با وضوح بالا ارائه می‌کند و امکان تشخیص دقیق عیوب کوچک را فراهم می‌کند.

5-3 ایمنی: فناوری تراهرتز به دلیل غیر یونیزه بودن حداقل خطر را برای اپراتورها و محیط زیست ایجاد می کند و آن را به انتخاب ایمن تری برای کنترل کیفیت تبدیل می کند

6- چالش ها و ملاحظات

6-1 عمق نفوذ محدود: در حالی که THz می تواند عیوب را تشخیص دهد، عمق نفوذ آن در فلزات در مقایسه با روش های آزمایش غیر مخرب مانند آزمایش اولتراسونیک،کمتر است  که این می تواند کاربردها را بسته به نوع و ضخامت فلز محدود کند.

6-2 شرایط محیطی: امواج THz می توانند تحت تأثیر رطوبت و شرایط جوی قرار گیرند که ممکن است در طول بازرسی ها به کنترل های محیطی خاصی نیاز داشته باشد.

6-3 هزینه‌های تجهیزات: ابزارهای THz فعلی نسبتاً حجیم (معمولاً حدود 0.5 متر مکعب) و گران (معمولاً حدود 100 هزار دلار آمریکا) هستند که هر دو مانعی برای استقرار گسترده‌تر در صنعت هستند

7- نتیجه گیری

تکنولوژی Terahertz به سرعت در حال تبدیل شدن به یک تغییر دهنده بازی در کنترل کیفیت لوله ها و پروفیل های فولادی است. این فناوری با ارائه راه‌حل‌های آزمایش غیر مخرب پیشرفته، نظارت سریع و بی‌درنگ و مشخصه‌های دقیق مواد، قابلیت اطمینان و طول عمر محصولات فولادی را افزایش می‌دهد. همانطور که صنعت فولاد به استقبال نوآوری ها ادامه می دهد، انتظار می رود کاربردهای فناوری تراهرتز گسترش یابد که منجر به اقدامات کنترل کیفیت حتی پیچیده تری در آینده شود. با ادغام روش‌های بازرسی THz، تولیدکنندگان می‌توانند از استانداردهای کیفیت بالاتر اطمینان حاصل کنند و خطر خرابی محصول را کاهش داده وبنابراین کارایی عملیاتی کلی را افزایش ‌دهند

برای تولیدکنندگانی که به دنبال بهینه‌سازی فرآیندهای کنترل کیفیت خود هستند، سرمایه‌گذاری در فناوری تراهرتز فرصتی امیدوارکننده برای اطمینان از بالاترین استانداردهای عملکرد و ایمنی محصول فولادی است.

منابع

کتابها

1. “Terahertz Spectroscopy and Imaging”by Philip A. S. Reaney and Andrew J. W. G. Horne

. این کتاب یک مرور کلی از طیف‌سنجی تراهرتز و تکنیک‌های تصویربرداری ارائه می‌دهد و اصول، کاربردها و پیشرفت‌های آنها در

این زمینه را مورد بحث قرار می‌دهد.

2. “Terahertz Science and Technology”by K. J. K. A. Kumar and R. R. M. D. N. G. Y. T. A. V. A. T. K. M. H. N. K.

.این کتاب  در مورد کاربردهای مختلف فناوری تراهرتز، از جمله کنترل کیفیت، غربالگری امنیتی و تجزیه و تحلیل مواد بحث می کند

3. “Introduction to Terahertz Electronics”by Steven M. Anlage

مقدمه‌ای بر الکترونیک تراهرتز، شامل اصول تولید و آشکارسازی امواج تراهرتز، همراه با بحث در مورد کاربردها در ارتباطات و سنجش ارائه می‌دهد                                                                                                                                                                                                 .مقالات

1. “Terahertz Technology: A Review” by M. Tonouchi

. این مقاله مروری بر پیشرفت‌های فناوری تراهرتز از جمله تولید، تشخیص و کاربردها در زمینه‌های مختلف را خلاصه می‌کند

1. “Nondestructive Evaluation of Metals Using Terahertz Technology” by S. D. Durbin et al.

• . این مقاله چگونگی استفاده از فناوری THz را برای آزمونهای غیر مخرب فلزات مورد بحث قرار می دهد و بینشی در مورد روش و نتایج ارائه می دهد.

1. “Terahertz Imaging: A Review of Recent Advances” by T. A. Thon et al.

مقاله منتشر شده در اخبار اپتیک و فوتونیک (2019). این مقاله پیشرفت‌های اخیر در فناوری تصویربرداری THz و کاربردهای بالقوه آن در صنایع مختلف از جمله کنترل کیفیت مواد را مرور می‌کند.

1. “The Promise of Terahertz Technology for Manufacturing” by G. G. W. Greaves et al.

این مقاله کاربردهای بالقوه فناوری تراهرتز را در فرآیندهای تولید بررسی و نقش آن را در افزایش کنترل کیفیت برجسته می کند.

 

[1] Terahertz Technology

[2] کارشناس رسمی استاندارد ، پژوهشگرمدیریت پروژه و مدیر کنترل کیفیت شرکت لوله و پروفیل صباح

3-[3] تابش تراهرتز معمولاً از 0.1 تا 10 تراهرتز (تقریباً 0.1 تا 10000 گیگاهرتز) را در بر می گیرد و شکاف بین فرکانس های مایکروویو و مادون قرمز را پر می کند.

[4] نوعی دماسنج مقاومتی است که از نوارهای فلزاتی مانند پلاتین یا نیکل و یا از یک نیمرسانا ساخته می شود