FÁRASZTÁSI KÍSÉRLETEK NYOMONKÖVETÉSE AKUSZTIKUS EMISSZIÓVAL Pór G. Danka Zs., Csicsó G., Fekete B., Dobján T., Trampus P. Workshop Miskolc, 2013, szept.6. 1
Miről lesz szó? • Mi az az akusztikus emisszió? • Miért hittük előzetesen, hogy mérni tudjuk? • Milyen programot fejlesztünk a TÁMOP-ban, hogy mérni tudjuk? • Korábbi „sikeres” AE mérésekből • Meglepetés a Gleeble mérésekben • Érdekesség: AE helyett Barkhausen • Mérési eredmények 2013. augusztus • Tervek 2
Mi az az Akusztikus emisszió AE? Ő volt az első ember, aki az AE-t előrejelzési eszközként használta
Az akusztikus emisszió jelenségét definiálhatjuk, mint a szilárdtestben tárolt energia felszabadulása közben keletkező rugalmas hullámcsomagot. A rugalmas hullámokat keltő akusztikus emissziós forrásokat általában négy-öt csoportba sorolják: •diszlokációs mozgások •fázisátalakulások •repedéskeletkezés és -növekedés •súrlódások •törések Példák a fémiparban •Diszlokációváltozás: 10-20 dB •Zárványelválás: 30-50 dB •Zárványtörés: 50-70 dB •Szemcsehatár-repedés: 60-80 dB •Repedésterjedés: 80-100 dB •Törés: 100-120 dB
3
Hol használják a mai iparban leginkább az AE vizsgálati módszert? Ha terhelünk egy „hibátlan” szerkezetet, amit a folyáshatár alá terveztek a biztonsági tényezővel. Ez akkor fog hanghullámokat emittálni, ha valahol megfolyik, képlékeny alakváltozás alakul ki, diszlokáció mozgás indul be .
A Kaiser-effektus A fémszerkezet „emlékszik” az egyszer már megélt feszültségre, és ismételt terheléskor akusztikus emisszió nélkül, „csendesen” fog deformálódni egészen addig, amíg túl nem lépjük a korábbi terhelést. 4
AE az anyagtudományban AE a szilárdtestben tárolt/felhalmozódott energia felszabadulása közben keletkező rugalmas (hang) hullám A korai történelmi esetek után, J. Kaiser 1949-50-ben, Münchenben a Műszaki Főiskolán végzett kutatásai során írta le, mint anyagvizsgálatra is alkalmazható jelenséget Általában a pár száz kHz-es frekvencia tartományban jelentkezik, és megfelelő mikrofonokkal észlelhető
5
TÁMOP 4.2.2. tervezése
Tensile tests Specimen S235JRG2 traditional CrMo steel
6
Sikeres Ae méréseink jelen TAMOP kezdete előtt közvetlenül, már a beadott pályázat idején Szakítóvizsgálattal összekötött AE mérés hegesztett mintán
AE EACP (könyöksajtolás alatt)
7
Sikeres lokalizáció a Gleeble-n TRIP acélon fázisátmentkor, hűlési folyamatban 2012
8
TÁMOP tervekből AE detektálás, lokalizálás és AE paraméterek, valamint spektrum alapján mesterséges intelligencia alapú osztályozás -Fárasztási kísérletek idején - Hegesztési varratoknál -TWIP acélokon EHHEZ: -Új mérőrendszer; és új detektálási elv kidolgozása - új értékelő módszerek (spektrum, és wavelet) bevezetése - mesterséges intelligencia módszerek bevezetése (ideghálózatok és/vagy fuzzy) /Kóczy-BME/ - Miért kell új módszer, amikor az AED-40 is detektál?
9
Miért kell új módszer, ha az AED-40 már bizonyított? A klasszikus AE paraméterek, amit az AED is használ:
Az esemény kezdete és vége a küszöbtől függ, tehát a lokalizáció (ami beérkezés alapján számítunk az időkésésekből), a duration és a counts is.
Spektrum és wavelet nem számítható az 1-5 paraméterekből
10
Új AE program lelke és szolgálatai Mintavételezés: PXI National Instruments, beágyazott rendszer, LABVIEW, 2 MHz Dobján Tibor Doszpod László
2013.júli-aug
Gárdonyi Gábor Manhertz Gábor Előszűrés Autoregressziós modellel P
z N y N ai yN -i i =1
Küszöbszint helyett szekvenciális valószínűségi hányados teszt SPRT
n ln
pn ( z1 , z2 ,..., zn ) pn ( z1 , z2 ,..., zn 0 )
11
SPRT megtalálja az eseményeket
12
Jobb időfelbontással
95%-nál jobb, de 99,7%-nál rosszabb
13
Az első eredmények a Gleeble-n meglepetést is hoztak
Próbatest: 15H2MFA
Szenzorok elhelyezkedése Meglepetés? 10msec-ként egy burst
14
A különböző húzóerőnél, különböző amplitúdót tapasztaltunk 70 20 10
-10
-70
Nincs nagy húzóerő-nyomás
Nagy húzóerőnél KONKLÚZIÓ: Barkhausen zaj!!!!!!
15
Mit tudunk a Barkhausen zajról? A hagyományos méréstechnika esetén a mintát szinuszosan változó mágneses térrel gerjesztik és egy detektor tekercsen mérik a mintából kiszóródó, a Barkhausen-zajt is tartalmazó mágneses jelet
Forrás: Részletes zaj-analízis előnyei Barkhausen-zaj mérések alkalmazásaiban Harasztosi Lajos – Szabó István – Daróczi Lajos – Szabó Sándor – Erdélyi Zoltán Balogh Zoltán – Eszenyi Gergely – Mojzes Imre* – Beke Dezső, Anyagvizsgálók lapja, 2006/4 16
Barkhausen „zaj” alapjai A mágneses Barkhausen-zaj ferromágneses anyagok mágnesezettségének változásakor fellépő jelenség, amely az alábbi egyszerű kísérlettel mutatható be. Vasrudat (V) körülvevő sokmenetű indukciós tekercs kivezetéseit erősítőn KÍSÉRLETI BEMUTATÓ KÖVETKEZIK (E) keresztül hangszóróra (Hsz) csatlakoztatjuk Ha a vasmagra változó mágneses tér hat, a hangszóróból sustorgó hangot hallunk, ez a mágneses Barkhausen zaj ( A továbbiakban MBN ) A MBN függ a mágneses tértől, a vasmag anyagának mikrostrukrúrájától és az anyagban lévő mechanikai feszültségtől. A fenti kísérletnél a mágneses tér változását állandó mágnes mozgatásával érhetjük el. Méréstechnikai alkalmazásoknál váltóáramú gerjesztést alkalmazunk!!!! Gleeble! 17
A Barkhausen zaj nem is „igazán” zaj? Pontosabban nem a megszokott sztochasztikus folyamat A viszonylag lassan változó folytonos (közepes erősségű) mágneses tér hatására lépcsőzetes ugrások figyelhetők meg a mágnesezettségben. Ezek visszafordíthatatlan, nemlineáris folyamatok a ferromágneses anyagokban, amelyek azért alakulnak, ki, mert a domének nem tudnak szabadon elfordulni Ezek az irrevezibilis változások a mágnesezettségi görbe meredek szakaszára jellemzőek, és ők a felelősek a ferromágneses anyagok hiszteréziséért. A mágneses indukcióban jelentkező ugrásokat, mint választ a Mágneses Barkhausen zajként mérjük és haljuk vissza a tekercsben ébredő áramot hangszóróra vezetve. Azért hívjuk mágneses Barkhausen zajnak (MBN), hogy megkülönbztessük az Akusztikus Barkhausen zajtól (ABE), amelyet viszont a magneto akusztikus strikció hoz léltre [11, 12]. 11. A.E. Lord, in Acoustic Emission, ed. by W.P. Mason, R.N. Thurston. Physics Acoustics, vol. 9 (Academic Press, New York, 1975) 12. M. Namkung, S.G. Allison, J.S. Heyman, IEEE Trans. Ultrasonics Ferroelectrics Freq. Control 33(1), 108 (1986) 18
A domének átrendeződése mágneses térben A külső mágneses tér hat a domének mágneses momentumaira. Azok, amelyek a tér irányában vannak nőnek, az ellenkező állásúak csökkenek. De ennek ellenállnak a doménfalak, ezt le kell győzniük
A mágneses Barkhausen zajok (ugrások) nem mások, mint a doménfalak átugrásai a fennakadási pontokon, nevezetesen a szemcsehatárokon, a diszlokációkon , inhomogenitásokon, és más hibákon. 19
Akusztikus Barkhausen Zaj, ABE A mágnesesen vagy mechanikusan mozgásra késztetett domének mechanikai zajokat, úgynevezett akusztikus Barkhausen zajt is keltenek.
Míg a mágnesesen detektált Barkhausen zaj (MBN) a 180o - os doménfalak mozgásából származik, addig az akusztikusan detektált (ABN) a 90o - os falaktól.
20
Eredményünk KONKLÚZIÓ: Akusztikus BARKHAUSEN Zaj tudunk detektálni a paksi reaktortartály anyagban különböző frekvenciájú áram átvezetésével ÚJ MÓDSZER: Eljárás és elrendezés tartályfal feszültségek vizsgálatára akusztikus Barkhausen zaj alkalmazásával Jelenleg AE mérések folynak Pakson, amihez az indításkori nyomáspróbákat használják. Ezek a Kaiser effektus miatt már évek óta alig hoznak eredményt, ráadásul az elmúlt években csökkentették a nyomáspróba mértékét. Arra várnak, hogy ha tartályfal gyengülés lépne fel, akkor lenne új AE esemény.
A mi eljárásunkban nincs Kaiser effektus! A Váltóáram, ráadásul különböző frekvenciájú váltóáram átvezethető a falon. Mágneses BN mérése nem végezhető, mert nem lehet tekercset tenni a tartályfal elemekre, csak ha kivágjuk őket. DE Akusztikus BN-t lehet mérni falra tett érzékelőkkel, amelyek lehetnek akár a megszokott AE érzékelők is, csak gerjesztést nem a nyomás hozza létre 21
Biztos, hogy ABEvel van dolgunk? Sokáig kerestük a börsztök forrását. Gondoltunk a Gleeble tirisztoraira, a vezérlés áthallásaira. Végül a jelenség kezdett összeállni, és megerősödött bennünk, amikor a húzáskor erősebb amplitúdót regisztráltunk, mint a nyomáskor, ami ismert jelenség a MNB-ben. De az igazi bizonyíték akkor köszöntött be, amikor a csehek által kért rozsdamentes anyag került sorra. 10--
10---10----
-10--
15 Mágnesezhető Paksi 32 Rozsdamentes anyag (nem tartályfal anyag mágnesezhető Itt teljesen azonosak a gerjesztési feltételek, ugyanaz a hőfok, húzás, méretek, csak az anyagban van különbség
22
Tervek -No-1/ Természetesen a mérőrendszer beprogramozása és kipróbálása, majd üzembe állítása -/A régi, amivel mértünk programhibás (néha egymásra csúsznak az adatok) -/Remény: az új munkatársak 1 hónap alatt többet értek el, mint a korábbiak 9 hónap alatt! Már ma a teljessen új programmal folynak a mérések! - 2/ Az ABE ciklusfüggően mutatja a fáradás nyomait -(lásd következő slide) - összefüggések keresése a feszültség és az ABE paraméterek között - MBN és ABE közötti kapcsolatok tanulmányozása (mérőtekercs) - 3/ AE Események keresése a rozsdamentes acélban (AE) - 4/ Megfelelő osztályzásra alkalmas paraméterek keresése a spektrumokban és waveletekben -Már vannak spektrumok! - 5/ Mesterséges intelligencia tervezés megkezdése
23
Honnan tudjuk, már most, hogy lesz effektus? Mérési eredményeinkből:
015 ciklus
ABN a fárasztás kezdetén: 015. ciklus
ABN a fárasztás előrehaladott állapotában, 801.ciklus 24
Köszönet a konzultációkért, segítségekért: •
•
•
Közreműködésükért: – Bereczki Péternek, – Dobján Tibornak, – Doszpod Lászlónak – Gárdonyi Gábornak – Manhertz Gábornak Konzultációkért: – Kóczy Lászlónak – Balázs Krisztiánnak A szerzőktől: – Pór Gábortól – Danka Zsolttól, – Csicsó Gábortól – Fekete Balázstól és – Trampus Pétertől
És Önöknek a figyelmükért! VÉGE
25
Barkhausen noise is not a noise at all Mark Willcox & Todd Mysak An Introduction to Barkhausen Noise and its Applications www.InsightNDT.com
26
Barkhausen irodalom
http://www.springer.com/978-3-540-70547-5
In a large part of the hysteresis cycle of a ferromagnetic material, the magnetization process takes place through a random sequence of discontinuous movements of magnetic domain walls, giving rise to what is termed magnetic Barkhausen noise (MBN) 1. R.M. Bozorth, Ferromagnetism (IEEE Press, New York, 1951) 2. W.A. Theiner, H.H. Williams, Determination of Microstructural Parameters by Magnetic and Ultrasonic Quantitative NDE, in Nondestructive Methods Material Property Determination (Plenum Press, New York, 1984), p. 249
This noise phenomenon is investigated statistically through the detection of the random voltage observed on a pick up coil during the magnetization of the material [3]. 3. S. Chikazumi, Physics of Magnetism (Wiley, New York, 1964)
Analysis of MBN can give information on the interaction between domain walls and stress configurations, or compositional microstructure [4]. 4. V.N. Shah, P.E. MacDonald, Residual Life Assessment of Major Light Water Reactor Components, vol. 1 (Idaho National Engineering Laboratory, Seattle,1987), p. 144
It is also a complementary nondestructive testing technique to eddy-current probe sensors [5–7] 5. S. Nath, B. Wincheski, J.P. Fulton, M. Namkung, IEEE Trans. Magn. 30(6),4644 (1994) 6. R.A. Wincheski, M. Namkung, Aerospace Am. 36(3), 27 (1998) 7. B. Wincheski, J.P. Fulton, S. Nath, M. Namkung, J.W. Simpson, Mat. Eval.52(1), 22 (1994)
as well as magnetic flux leakage (MFL) [8], 8. V. Babbar, B. Shiari, L. Clapham, IEEE Trans. Mag. 40(1), 43 (2004)
both more established in the nondestructive evaluation industry. 27
