خانه / آزمون امواج گردابیET

آزمون امواج گردابیET

تست جریان گردابی نوعی بازرسی غیر مخرب است که برای کنترل کیفیت قطعات رسانا به کار می رود و یک روش الکترومغناطیسی است. تست جریان گردابی از لحاظ دقت و سرعت عمل، روش بسیار مناسبی در بررسی های غیر مخرب برای مواد رساناست و برای آشکار سازی عیوب و ناهمگنی های سطحی و زیر سطحی به کار می رود. یکی از مزایای تست جریان گردابی این است که وجود لایه های نازک رنگ، روغن و چربی روی سطح قطعه مزاحمت چندان زیادی را ایجاد نمی کند.

مبانی تست جریان گردابی (فوکو)

در تست جریان گردابی رسانایی الکتریکی ماده به عنوان متغییر اصلی است. هر فلز یا آلیاژ، رسانایی خاص خود را دارد. این رسانایی در اثر عوامل متعددی تغییر می کند. این عوامل می تواند تغییر در آنالیز شیمیایی، تغییر شبکه کریستالی و ریزساختار، تغییر دما، وجود ناهمگنی مثل ترک و یا شکاف و تغییر ابعاد باشد.

اساس کار در تست جریان گردابی عبور دادن جریان متناوب از یک سیم پیچ و ایجاد یک میدان مغناطیسی متغیر اولیه در اطراف آن و القای میدان مغناطیسی مخالف در قطعه مورد نظر و بررسی تاثیر متقابل آن ها با یکدیگر با استفاده از یک آشکار ساز است. به این منظور سیم پیچی را که جریان متناوبی از آن می گذرد کاملا به سطح قطعه نزدیک می شود، بدون این که سیم پیچ با قطعه تماس مستقیم و یا غیر مستقیم پیدا کند.

به این ترتیب میدان مغناطیسی متناوبی که در اطراف سیم پیچ تشکیل می شود سبب القای جریان ثانویه متناوبی موسوم به جریان گردابی در قطعه می شود. این جریان گردابی القا شده به صورت دایره ای شکل و موازی سطح قطعه و با همان فرکانس جریان متناوب اولیه به نوبه خود میدان مغناطیسی دیگری به نام میدان مغناطیسی ثانویه با جهت مخالف میدان اولیه سیم پیچ ایجاد می کند. تداخل میدان مغناطیسی ثانویه با میدان اولیه سبب ایجاد اختلال و تضعیف میدان اولیه و نتیجتا تغییر و انحراف آن می شود.

اکنون اگر قطعه در محدوده ی اندازه گیری کاملا همگن و دارای ضخامت یکنواخت باشد، مقاومت ظاهری یا امپدانس الکتریکی سیم پیچ که در مجاورت سطح قطعه قرار گرفته، در تمام نقاط سطح (به استثنای لبه ها و نقاط مجاور لبه ها) یکسان است.

مقاومت ظاهری یا امپدانس سیم پیچ از رابطه زیر بدست می آید:

در این رابطه R مقاومت ویژه سیم پیچ، X مولفه مقاومت موهومی و برابر است با:

F فرکانس جریان متناوب و di/dt تغییرات جریان نسبت به زمان است و این دو مولفه هم فاز نیستند، به طوری که حاصل جمع برداری آن ها برابر مقاومت ظاهری Z است. طبق رابطه فارادی اختلاف پتانسیل یا ولتاژ القا شده در سیم پیچ ناشی از تغییرات شار مغناطیسی برابر است با:

در این رابطه VL ولتاژ القا شده، N تعداد حلقه های سیم پیچ و dφ/dt آهنگ تغییر شار مغناطیسی است. در یک مدار اندازه گیری شدت جریان بسیار راحت تر از اندازه گیری شار مغناطیسی می باشد. به این جهت با استفاده از رابطه زیر می توان مقدار ولتاژ القا شده را با مشخص بودن ظرفیت القای مغناطیسی (L) و فرکانس جریان متناوب، محاسبه کرد:

اما وجود هر گونه ناپیوستگی یا ناهمگنی سطحی یا زیر سطحی (مانند ترک، جدایش، حفره و خوردگی) سبب اختلال و تغییر در مسیر جریان های گردابی و در نتیجه میدان مغناطیسی حاصل از این جریان های گردابی القا شده می شود. این تغییر تاثیر متقابلی بر مقاومت ظاهری سیم پیچ می گذارد. تغییر مقاومت ظاهری سیم پیچ ناشی از عیب یا ناهمگنی را می توان پس از تقویت با مدارهای الکترونیکی با استفاده از تجهیزات مناسبی آشکار ساخت. تجهیزات تست جریان گردابی از لحاظ نوع ارائه و نمایش نتایج اندازه گیری به شکل های مختلف آنالوگ و دیجیتالی وجود دارد. تجهیزات آنالوگ ساده ترین دستگاه های قابل دستیابی در تست جریان گردابی می باشند. اغلب این دستگاه ها شامل یک منبع جریان متناوب، یک سیم پیچ و یک ولت سنج برای اندازه گیری تغییر ولتاژ بین دو سر سیم پیچ و یا یک آمپر سنج برای اندازه گیری تغییر جریان به جای تغییر ولتاژ هستند. آن ها برای شناسایی ترک، بازرسی خوردگی و آزمایش رسانایی الکتریکی به کار می روند.

مسیر جریان های گردابی القا شده در داخل قطعه به صورت حلقه های بسته در صفحه های عمود بر شار مغناطیسی، اما ناهمگن و غیر یکنواخت به داخل قطعه نفوذ می کند. تراکم جریان های گردابی در نقاطی از سطح قطعه در زیر سیم پیچ حداکثر بوده و با افزایش فاصله از سطح به سمت داخل قطعه شدیدا کاهش می یابد. این پدیده به عنوان اثر پوسته ای برای جریان گردابی نامیده شده است. این تراکم جریان در عمق های مختلف به فرکانس جریان نیز بستگی دارد. بنابراین در هر بازرسی باید فرکانس جریان در ارتباط با عمق عیب مورد انتظر انتخاب شود. عمقی از سطح قطعه که مقدار جریان گردابی در آن به اندازه  (حدود 37 درصد) جریان در سطح قطعه کاهش می یابد را به عنوان عمق نفوذ استاندارد نامیده اند.

رابطه زیر برای تعیین مقدار عمق نفوذ استاندارد با تقریب خوبی ارائه ده است:

در این رابطه ρ مقاومت ویژه ماده بر حسب اهم میلیمتر، μr نفوذ پذیری نسبی مغناطیسی ماده (برای مواد غیر مغناطیسی 1= μr و برای فولاد در ارتباط با نوع فولاد اعداد از حدود 1 تا 2000) و f فرکانس جریان بر حسب هرتز، در این صورت  S بر حسب میلی متر به دست می آید. البته این رابطه عوامل موثر بر روی عمق نفوذ استاندارد را نشان می دهد و رابطه ای برای توزیع میدان جریان گردابی با افزایش عمق از سطح نیست.

فورستر و همکارانش حداقل فرکانس (fg) را برای نمونه های استوانه ای شکل به صورت زیر ارائه داده اند:

در این رابطه d قطر نمونه مورد آزمایش بر حسب میلی متر است.

بنابراین جریان الکتریکی القا شده در قطعه از لحاظ مقدار و فاز به میدان مغناطیسی اولیه سیم پیچ، خواص الکتریکی ماده قطعه مورد بازرسی و میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده در قطعه بستگی دارد.

مسیر جریان گردابی در قطعه نیز به خواص الکتریکی قطعه، حضور یا عدم حضور عیوب یا ناپیوستگی های سطحی و زیر سطحی در قطعه الکترومغناطیسی حاصل از میدان مغناطیسی اولیه و میدان ثانویه مخالف آندر قطعه بستگی دارد. بنابراین ایجاد هر گونه اختلال در مسیر جریان گردابی و نهایتا تغییر در میدان مغناطیسی القا شده ناشی از وجود عیب یا ناهمگنی سطحی یا زیر سطحی در قطعه است.

معمولا در هر آزمون فرکانس به اندازه ای انتخاب می شود که به ازای آن به حساسیت بهینه ای در عمق نفوذ مورد نظر بتوان رسید. در بررسی مواد غیر مغناطیسی برای آشکار سازی عیوب سطحی می توان از فرکانس های نسبتا بالا (در حد چند مگا هرتز؛ برای مثال برای آلومینیم با کاوشگر 2 مگا هرتزی و برای تیتانیم با کاوشگر 6 مگا هرتز) و برای عیوب زیر سطحی از فرکانس های نسبتا پایین در حد چند کیلو هرتز استفاده کرد. اما فرکانس های پایین به کاهش حساسیت و احیانا آشکار نشدن عیوب ریز منجر خواهد شد.

برای بررسی قطعات استوانه ای شکل (توخالی یا توپر) سیم پیچ دایره ای شکل متناسب با اندازه آن به کار می رود. در این گونه موارد فقط عیوبی قابل شناسایی هستند که موقعیتی موازی با محور لوله یا میله داشته باشند. برای شناسایی عیب مانند ترک، شکاف یا هر نوع ناهمگنی باید جهت جریان گردابی تا حد امکان تقریبا در امتداد عمود بر عیب باشد. در این صورت است که در بازرسی می توان حداکثر واکنش میدان مغناطیسی را در ارتباط با عیب کسب و آن را ساده تر شناسایی کرد. چنانچه جهت عیب موازی با امتداد جریان گردابی باشد، اختلالی در مسیر جریان گردابی صورت نمی گیرد و یا به اندازه ای نیست که واکنش آن بر میدان اولیه سیم پیچ چندان قابل ملاحظه باشد که بتواند به شناسایی عیب منجر شود.

در تست جریان گردابی موقع آزمایش فاصله سیم پیچ تا سطح قطعه باید ثابت نگهداشته شود، زیرا که فاصله سیم پیچ تا سطح قطعه مورد بازرسی در مقاومت ظاهری سیم پیچ تاثیر دارد. اگر این فاصله بسیار زیاد باشد، میدان سیم پیچ به قطعه نمی رسد و نتیجتا هیچ جریان گردابی در سطح قطعه جریان نمی یابد و میدانی هم ایجاد نمی شود که بتواند تغییری در مقاومت ظاهری سیم پیچ به وجود آورد.

شناسایی عیوب ریز به حساسیت دستگاه کاوشگر بستگی دارد. با دستگاهی که حساسیت بسیار بالایی ندارد، عیوب بسیار ریز را نمی توان تشخیص داد. اما از طرفی دیگر دستگاهی که دارای حساسیت بسیار بالایی است، کوچکترین ناهمگنی موجود در قطعه را می تواند به عنوان عیب تلقی کند. همانند دیگر روش های غیر مخرب لازم است قبل از بازرسی، دستگاه تست جریان گردابی با استفاده از نمونه های استاندارد شده کنترل و تنظیم شود. نمونه های استاندارد شامل ناهمگنی ها و عیوب ایجاد شده با اندازه های معین (عیوب مصنوعی) هستند و برای مثال برای بازرسی لوله ها در جداره نمونه های لوله ای شکل از جنس مورد نظر سوراخ هایی با قطر یکسان (حدود 1 تا 1.5 میلی متر) در امتداد محور لوله به عنوان عیب مصنوعی ایجاد می کنند. در مواردی نمونه های آزمایشی پس از توافق به عمل آمده بین شرکت سازنده و متقاضی ساخته و همراه دستگاه به متقاضی تحویل داده می شود.

کاربرد تست جریان گردابی

این روش معمولا برای بازرسی عیوب سطحی تولیدات نیمه تمام مانند لوله ها، انواع پروفیل ها، میله ها، شمش های داغ ریخته گری مداوم، مفتول های داغ در حین فرآیند شکل دهی گرم با دمای بالا (حدود 800 تا 1200 درجه سانتی گراد) و محصولات نهایی مانند غلتک ها، پین ها و ارزیابی خوردگی سازه ها و سطوح مخفی بال هواپبماها و بدنه کشتی ها و مخازن به کار می رود.

در هر مورد از تاثیر یکی از عوامل موثر بر جریان گردابی استفاده می شود و تاثیر عوامل دیگر تا حد امکان حذف می شود. برای مثال شناسایی عیب یا ناهمگنی از اختلاف قابلیت رسانایی الکتریکی موضعی عیب با دیگر نقاط سالم مجاور آن استفاده می شود. عوامل موثر دیگری که بر روی تمامی قطعه به صورت یکنواخت تاثیر می گذارد، می تواند با استفاده از یک سیم پیچ ثانوی حذف شود. بازرسی جریان گردابی نه فقط برای شناسایی عیوب بلکه برای اندازه گیری ابعاد، ضخامت لایه پوشش، سختی و استحکام فولادها و تعیین فازهای حاصل از عملیات حرارتی به کار می رود.

 این آزمایش بیشتر برای بازرسی قطعات از جنس مواد رسانا و غیر مغناطیسی به کار می رود. البته برای مواد مغناطیسی نیز می توان این روش را به کار برد، اما به علت این که نفوذ پذیری مغناطیسی خود قطعه بر نتایج آزمایش تاثیر نامطلوب دارد، در اینگونه موارد موقعی می توان از این روش استفاده نمود که به کمک یک میدان مغناطیسی ثابت این تاثیر را تا حد امکان کاهش داد. به این منظور از یک سیم پیچ با جریان مستقیم (DC) یا یک مغناطیس مداوم برای غلبه بر تاثیر نفوذ پذیری استفاده می شود و فرکانس انتخابی نیز در حد پایینی است (برای مثال برای شناسایی عیوب سطحی حدود 100 تا 200 هرتز و برای شناسایی عیوب زیر سطحی از فرکانس های پایین تر).