Magnetická metoda prášková DZM 2013 1
2
ROZPTYL MAGNETICKÉHO POLE Metoda je založena na skutečnosti, že ve zmagnetovaném feromagnetickém materiálu se v místě necelistvosti (nebo náhlé změny magnetických vlastností) zvýší magnetický odpor, který způsobí deformaci magnetického pole označovanou jako rozptyl Rozptylem se rozumí ta část magnetického toku, která probíhá mimo předpokládanou dráhu, např. u povrchové vady vystoupí z magnetovaného předmětu nad jeho povrch do vzduchu, vlivem magnetické vodivosti vzduchu vadu překlene a za vadou se opět šíří předmětem dále. Tohoto jevu se pak využívá ke zjištění vady Rozptylový tok vytváří nad necelistvostí soustavu polokružnic, představujících indukční linie magnetického toku, které vystupují z feromagnetika do vzduchu
Tvar rozptylového toku nad necelistvostí 3
Vliv necelistvosti na vznik rozptylového pole Rozptyl magnetického pole závisí především na velikosti, tvaru a poloze necelistvostí ve zkoušeném předmětu (a na hodnotě magnetické indukce, na níž je předmět zmagnetován).
Největšího rozptylu magnetického pole se dosáhne, komunikuje-li necelistvost s povrchem (a). Rozptyl rychle klesá, roste-li vzdálenost necelistvosti od povrchu předmětu (b,d). Necelistvost se projeví zřetelněji tehdy, jestliže její poloha je kolmo ke směru magnetického pole šířícího se předmětem(a,b). V opačném případě, splývá-li směr necelistvosti se směrem pole, rozptylové pole nevzniká a necelistvost zůstane nezjištěna (c). 4
ZÁKLADNÍ VELIČINY MAGNETICKÉHO POLE Intenzita magnetického pole H
[A∙m-1] (ampér na 1m délky vodiče)
Charakterizuje magnetické pole ve vazbě k proudu, který toto pole vytváří. Intenzita magnetického pole roste kolem přímého vodiče, čím větší je síla proudu I a menší je odstup od středu vodiče r
H
I 2r
nekonečně dlouhý přímý vodič: H je intenzita magnetického pole ve vzdálenosti r od vodiče, I je elektrický proud protékající vodičem [A], r je kolmá vzdálenost místa s intenzitou H od osy vodiče [m]. 5
MAGNETICKÁ INDUKCE B [ T ]
(tesla)
je vektorová veličina charakterizující magnetické pole. 1. Udává počet indukčních čar na jednotku kolmé plochy. 2. Projevuje se silovými účinky na vodiče, protékané proudy a indukováním napětí při své změně. Magnetická indukce B charakterizuje magnetický stav látek, které se nacházejí v magnetickém poli s intenzitou magnetického pole H. Obě veličiny jsou vázány vztahem:
B = μH
kde μ je permeabilita látek (prostředí).
B H o
Železo má velkou schopnost koncentrovat siločáry ve svém vnitřku. Je tedy pro siločáry tzv. prostupné, jako vzduch. Poměrné číslo pro vyšší prostupnost v porovnání se vzduchem se nazývá jeho poměrnou (relativní) permeabilitou (z lat.= prostupnost).
Ve vakuu je magnetická indukce rovna:
Bo o H
kde μo= 4π.10-7 [H.m-1] (Henry na 1m) je permeabilita vakua – magnetická konstanta.
6
V látkách se magnetický stav vyjadřuje poměrnou (relativní) permeabilitou prostředí (r), udávající poměr magnetické indukce v magnetované látce (B) a magnetické indukce ve vakuu (Bo). Permeabilita je mírou magnetické vodivosti látky a udává, kolikrát je magnetický tok jejím jednotkovým průřezem větší než původní pole:
B Bo
r
magnetická indukce v magnetované látce poměrná (relativní) permeabilita magnetická indukce ve vakuu
MAGNETICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK Podle toho, jak se látky chovají v magnetickém poli, je dělíme na látky : 1.
diamagnetické mají poměrnou permeabilitu r < 1 (o málo menší než 1). Vloží-li se taková látka do magnetického pole vzniká v ní magnetické pole působící proti původnímu poli, v diamagnetické látce se původní pole zeslabí. K těmto látkám patří např. měd, rtuť, zinek, vizmut, voda.
2.
paramagnetické mají poměrnou permeabilitu r > 1 (o málo větši než 1). Vloží-li se taková látka do magnetického pole, vzniká v ní magnetické pole působící ve stejném směru jako původní pole. V paramagnetické látce se původní pole nepatrně zesílí. K paramagnetickým látkám patři např.: platina, hliník, hořčík, draslík, mangan apod.
Poněvadž se poměrná permeabilita diamagnetických a paramagnetických látek liší velmi málo od jedničky, pokládáme ji při výpočtech v běžné technické praxi za rovno jedničce (r = 1), tj. i pro tyto látky platí vztah:
B o H
8
3. feromagnetické, mají poměrnou permeabilitu r >> 1 (až 106 krát větší), U těchto látek závisí poměrná permeabilita r na intenzitě magnetického pole H, teplotě a předchozím magnetickém stavu. V těchto látkách se původní pole velmi zesiluje a to nám umožňuje dosáhnout velkých magnetických toků. K feromagnetickým látkám se řadí :
železo, nikl, kobalt a jejich slitiny.
4. ferimagnetické (ferity) - keramické materiály vytvořené ze sloučenin oxidů železa a některých jiných kovů, značně zesilují magnetické pole
http://www.wizardpickups.co.uk/images/humbucker4_large.jpg
http://www.aldebaran.cz/bulletin/2008_40/fero.jpg
Ferokapalina v magnetickém poli.
http://www.stewmac.com/freeinfo/i-5961/5961_1.jpg
9
Chování feromagnetické látky v magnetickém poli Proces magnetování popisuje křivka, která představuje závislost B = f (H).
magnetizační
pro vzduch je závislost Bo = oH přímka vycházející z počátku
u feromagnetických látek při zvětšování intenzity H stoupá magnetizační křivka rychle až k bodu P1, kde se ohýbá a s dalším zvyšováním intenzity H pak indukce B narůstá již pomalu
V bodě P3 přechází v přímku rovnoběžnou s magnetizační přímkou pro vzduch. Bod, kde se v nasycení magnetizační křivka vyrovnává do přímky, záleží na materiálu a pohybuje se u ocelí většinou mezi 0,6 až 1,5 T Za bodem P3 je látka magneticky nasycena (všechny její elementární magnety jsou již zorientovány a natočeny do směru vnějšího magnetického pole)
Magnetizační křivka feromagnetických látek.
10
MAGNETICKÁ HYSTEREZE Je charakteristickým jevem chování feromagnetik v magnetickém poli. U téměř všech technických materiálů se magnetizace nevrací zpět k nule, přestane-li vnější pole působit. V diagramu je vidět, že magnetizace se nevrací po původní křivce magnetizace, ale končí na ose hustoty toku B H = 0 v bodě B = Br . Křivka prvotní magnetizace tedy platí jen pro materiál bez magnetické minulosti, a označuje se také jako křivka panenská. Magnetická hystereze je způsobena poruchami krystalové mřížky a graficky se vyjadřuje hysterezní smyčkou
kde Bs je indukce nasycení Br je remanentní indukce Hc je koercitivní síla (síla zabraňující změnám magnetizace materiálů)
U ideální krystalové mřížky by magnetizační děje probíhaly bez hystereze. 11
Rozlišení feromagnetických materiálů podle tvaru hysterezní smyčky
magneticky měkké
- (s úzkou hysterezní smyčkou), mají malou koercitivní sílu Hc, nasytí se při středních hodnotách H. Jsou to např. měkké železo, slitiny Fe-Ni, křemíková ocel, permalloy apod. Těchto materiálů se používá pro konstrukci magnetických obvodů, které jsou v provozu střídavě magnetizovány (transformátory, tlumivky apod.), protože mají malé hysterezní ztráty. Po zániku vnějšího magnetického pole se samy odmagnetují.
magneticky tvrdé
- (se širokou hysterezní smyčkou), mají velkou koercitivní silou Hc, nasytí se až při velkých hodnotách H. Jsou to např. uhlíková, wolframová, chromová a kobaltová ocel, slitiny typu AINiCo apod. Potřebují vysoké hodnoty intenzity magnetického pole H k dosaženi nasyceného stavu.
Každý feromagnetický materiál vykazuje feromagnetické vlastnosti jenom do určité teploty (Curierovy teploty), která je charakteristická pro daný typ látky. (např. pro Fe ≈ 780oC). 12
PŘEHLED ZPŮSOBŮ MAGNETOVÁNÍ pólové – jhem – cívkou
proudové – průchodem proudu – pomocným proudovodičem – indukcí proudu v předmětu
kombinované – současně proudově i pólově
13
STŘÍDAVÁ A STEJNOSMĚRNÁ MAGNETIZACE Používá-li se k magnetování
stejnosměrný
pak se neopouští pravá horní čtvrtina souřadnicového systému magnetizační křivky. To v principu platí i pro usměrněný střídavý proud. V obou těchto případech mluvíme o stejnosměrné magnetizaci.
proud,
Magnetizace střídavým proudem
znamená, že se musí brát v úvahu neustálé ztráty energie přemagnetováním zkoušeného předmětu. Ztráty lze např. pozorovat tak, že se předmět při delší magnetizaci zahřívá. Při magnetizaci stejnosměrným proudem se potřebné intenzity proudu dají relativně snadno a spolehlivě předem vypočítat. Stejnosměrná magnetizace principiálně umožňuje obsáhnout i podpovrchové objemové vady (až do cca 5 - 10 mm). Magnetizace střídavým polem reaguje jen na povrchové vady, nebo mírně podpovrchové vady (do asi 2 mm). Střídavá pole se lépe přizpůsobí komplikované geometrii zkoušeného předmětu, aniž by vyvolávala geometrické indikace. 14
PÓLOVÁ (PODÉLNÁ)
MAGNETIZACE
jhem
Uskutečňuje se pomocí trvalých magnetů, nebo magnetizačními cívkami. Elektromagnety a magnetizační cívky mohou být napájeny ze stejno-směrných, střídavých nebo impulsních zdrojů. Pod pojem pólové magnetováni zahrnujeme všechny způsoby magnetování, při nichž se na koncích nebo alespoň na části zkoušeného předmětu vytvářejí magnetické póly a to buď trvale nebo jen na určitou dobu. Při tomto způsobu magnetizace lze ve zkoušeném předmětu indikovat příčné vady, případně vady s převážně příčnou složkou.
Pólová magnetizace trvalým magnetem
Pólová magnetizace magnetizační cívkou 15
PŘÍSTROJOVÁ TECHNIKA Ruční elektromagnety
Ruční elektromagnet TS 230 S standardní provedení 230V/50 Hz
Ruční elektromagnet TS 230 provedení mini 230V/50 Hz
16
PÓLOVÁ (PODÉLNÁ) MAGNETIZACE cívkou Zkoušený předmět (nebo jeho část) je obklopen magnetovací cívkou. Cívka je napájena stejnosměrným, střídavým nebo impulsním proudem a vytváří homogenní magnetické pole se dvěma póly. Předmět je magnetován podélně, tzn. zjišťují se příčné necelistvosti.
předmět
Výhodou je, že při magnetování nevznikají opaly a předmět se nadměrně neohřívá. Nevýhodou je, že rozptylové pole cívky v určité vzdálenosti od ní zhoršuje tvorbu indikací vad. Spolehlivé zkoušení je proto omezeno na oblast uvnitř cívky a na úseky přibližně do 150 mm od obou konců cívky. Při magnetování pohybující se cívkou musí být detekční suspenze nanášena vždy před cívkou, nikoliv za ní. Rychlost pohybu předmětu cívkou nemá přesahovat 20 cm.s-1. Cívkové magnetování je často používaným způsobem u stacionárních přístrojů, ale má výhody i u přenosných proudových zdrojů, kde se při ručním zkoušení využívají většinou cívky navíjené na předmět přímo z proudových kabelů zdroje. 17
PROUDOVÁ MAGNETIZACE Magnetování průchodem proudu je druh cirkulárního magnetování. Zkoušeným předmětem nebo jeho části prochází elektrický proud přiváděný přiloženými elektrodami. Předmět je proudem příčně magnetován, takže jsou zjišťovány podélné necelistvosti. Proud může být stejnosměrný, střídavý nebo impulsní. Jeho intenzita se pohybuje od několika stovek do několika tisíc A, napětí je obvykle od 4 do 15 V. Magnetování pomocným vodičem je cirkulární magnetování prstencových a trubkových součástí nebo součástí s dírou (např. různá závěsná oka, díry pro šrouby apod.). Pomocným vodičem může být buď tyč, nebo kabel z vodivého neferomagnetického materiálu (Cu, Al, Ms). Proud múže být stejnosměrný, střídavý nebo impulsní značných intenzit. Pomocný vodič se umísťuje pokud možno v ose zkoušeného otvoru.
Předmět se magnetuje přičně, takže jsou zjistitelné podélné necelistvosti jak na vnějším, tak i na vnitřním povrchu. Lze detekovat i radiální necelistvosti v okolí dutin (např. na čele trubky). Magnetování pomocným vodičem se používá při ručním zkoušení přenosnými zdroji a hlavně ve stacionárních přístrojích, především automatizovaných. 18
KOMBINOVANÉ MAGNETOVÁNÍ je postup, kterým je možno zjistit necelistvosti libovolné orientace jediným pracovním pochodem. K tomu účelu musí být použito současně magnetizace podélné i příčné tak, aby jimi vyvolaná magnetická pole byla vzájemně kolmá a časový průběh polí byl rozdílný. V předmětu vznikne výsledné pole, jehož směr se periodicky mění.
Kombinovaná magnetizace pomocným vodičem a průchodem proudu v předmětu Kombinovaná magnetizace pomocným vodičem a indukcí proudu v předmětu 19
DEMAGNETIZACE Základy demagnetizace (odmagnetování)
Remanence
je vítaná při výrobě permanentních magnetů, nebo chceme-li zkoušet (s využitím remanence) ve zbytkovém poli. Pro další používání zkoušeného předmětu může mít remanence rušivý efekt, např. tím, že při svařování vychyluje oblouk, při mechanickém opracování přidržuje třísky, ovlivňuje činnost elektrických přístrojů Existuje-li nebezpečí, že zbytkový magnetismus ve zkoušeném předmětu bude negativně ovlivňovat další operace, anebo zejména jeho pozdější používání, musí být předmět po magnetické práškové zkoušce odmagnetován (demagnetizován). Po magnetizaci střídavým polem postačí k odmagnetování většinou protažení předmětu cívkou, nebo oddálení jha. Odmagnetování je v prvé řadě nezbytné po stejnosměrné magnetizaci, musí se použít nízká frekvence střídavého proudu, aby se dosáhlo velké hloubky vniku pole. Klesající intenzity pole se dosahuje pomalým oddalováním zkoušeného předmětu z demagnetizační cívky, nebo postupným snižováním proudu v cívce.
20
Odmagnetovací tunely
21
VLASTNOSTI DETEKČNÍCH PROSTŘEDKŮ
Hodnota pH Je hodnotou důležitou pro vodné suspenze. Ovlivňuje výrazně inhibitory koroze, které jsou jako přísady přidávány do těchto suspenzí. Čím je hodnota pH vyšší, tím lépe ochraňuje suspenze zkoušený předmět proti korozi. Protože však příliš zásadité vodné suspenze by nepříznivě působily na pokožku pracovníků, musí být hodnota pH vodných suspenzí 8 až 9,5.
Obsah prášku v suspenzi se řídí směrnicemi výrobce, popř. podle zkušebního předpisu. Moderní prášky se do suspenzí dávají v těchto poměrech: barevné prášky - 5 až 10 g na 1 litr nosné kapaliny fluorescenční prášky - 0,5 až 2 g na 1 litr nosné kapaliny v žádném případě by však obsah prášku neměl překračovat 20 g na 1litr
Fluorescence nosné kapaliny Nosná kapalina suspenze fluorescenčního prášku nesmí sama fluoreskovat a nesmí potlačovat fluorescenci prášku 22
PŘÍSTROJOVÁ TECHNIKA
Sedimentační baňka Sedimentační baňka se používá k určování podílu pevných částic v suspenzi nebo na kontrolu znečištění suspenze fluorescenčních a barevných prášků. Technické parametry: objem: materiál: stupnice: stojan
100 ml laboratorní sklo do 1.5 ml dělení po 0.1 ml, od 1.5 do 10 ml dělení po 0.5 ml
23
PŘÍSTROJOVÁ TECHNIKA UV lampy
UV lampa typ B – 100 AP Bodově fokusovaná S tepelnou ochranou proti přehřátí Intenzita UV světla 8 900ěW/cm2 ve vzdálenosti 250 mm 100 W, značka CE Hmotnost celková 4,2 kg Hmotnost samotné lampy 1,6 kg
UV lampa typ B – 100 A Bodově fokusovaná Bez tepelné ochrany Intenzita UV světla 8 900ěW/cm2 ve vzdálenosti 250 mm 100 W, značka CE Hmotnost celková 3,4 kg Hmotnost samotné lampy 1,2 kg
24
PŘÍSTROJOVÁ TECHNIKA
Bertholdova měrka Je jednoduchá pomůcka při zkoušení magnetickou práškovou metodou, používá se k ověření: směru magnetizace, zjistitelnosti vad Technické parametry: Průměr: 20 mm Výška: 5 mm Váha: 24 g
25
Měrka ASME - D 250 (ASME-V)
Měrka slouží jako indikátor směru magnetického pole. Měrka má vytvořené 4 umělé trhliny procházející středem a jsou vždy posunuté o 45o. 26
PŘÍSTROJOVÁ TECHNIKA Měrka Typ 1 podle EN ISO 9934–2 Měrka se používá k ověřování detekční suspenze při zkoušení magnetickou práškovou metodou. Na obou stranách povrchu měrky je hustá síť trhlin. Měrka je sama magnetická a má dostatečnou remanenci k vytvoření indikací trhlin.
27
28
29
30
31
32
33
34
Pro zjišťování svaru v okolí identifikačního čísla (navaření čísla VIN z jiného vozidla - např. vraku - na kradené vozidlo) jsou s úspěchem využívány magnetické nedestruktivní metody.Na obrázcích dole jsou vidět praktické výsledky zkoušek nedestruktivních magnetických metod na identifikačních číslech vozidel, kde byl zjištěn svar. V prvním případě (obr. vlevo - barevná metoda) je svar vyznačen šipkami.
Vevařené označení - magnetická prášková metoda na vozidle AUDI
Vevařené označení zjištěné pomocí magnetické práškové metody a při použití UV světla v zatemněném okolním prostředí (plachtou přehozenou přes kapotu vozidla) 35
ELEKTROINDUKTIVNÍ METODY Jsou metody, které k indikaci rozptylového pole nad necelistvostmi používají snímací cívky resp. sondy, ve kterých se působením vnějšího magnetického pole indikuje elektrické napětí, které je možno měřit nebo registrovat. Snímače rozptylových polí používané v těchto metodách jsou: - snímací cívka - feromagnetická sonda (Försterova) - Hallova sonda - magnetodioda - magnetorezistor Určitou nevýhodou těchto způsobů snímání rozptylových polí je, že k dosažení reprodukovatelných výsledků je nutné, aby snímač byl veden v malé a konstantní vzdálenosti nad povrchem zkoušeného tělesa. Intenzita rozptylového pole vyvolaného necelistvostí materiálu, a tedy i citlivost metody se vzdáleností od povrchu prudce klesá. Proto v praxi někdy tyto principy snímání narážejí na potíže vyplývající z nedodržení konstantní vzdálenosti mezi povrchem tělesa a čidlem.
36
Snímací cívky jsou snímače rozptylových polí s vhodně uspořádaným vinutím, v němž změna magnetického toku indukuje elektrické napětí E úměrné (podle indukčního zákona) počtu závitů cívky N a časové změně dt magnetického toku dF ve vinutí: Snímací vinutí musí vůči zkoušenému tělesu pohybovat, protože teprve průchodem místa, které je nositelem prostorové změny pole, dochází i k jeho časové změně vůči vinutí. Snímací cívky se používají buď bez jádra nebo s otevřeným jádrem. Pro některé účely (např. pro indikaci podélných vad ve válcových tělesech) se používají rotační cívky .
37
Principy snímání rozptylového pole – ČSN EN ISO 10893-3
Uspořádání defektoskopického vícekanálového systému s podélným magnetickým polem pro zjišťování příčných vad.
Magnetizace se realizuje stejnosměrným proudem dvojicí cívek, mezi nimiž je přibližně homogenní magnetické pole. Mezi cívkami je umístěno senzorové pole navzájem přesahujících sond.
38
Principy snímání rozptylového pole - ČSN EN ISO 10893-3
Uspořádání defektoskopického vícekanálového systému s příčným magnetickým polem pro zjišťování podélných vad. Magnetizační rotační hlava rotuje kolem přímočaře se pohybující trubky. Senzorové pole ze dvou protilehlých segmentu je zavěšeno mezi póly elektromagnetu.
39
Principy snímání rozptylového pole
Defektoskopické systémy umožňují s určitou nejistotou rozpoznávat vady na vnějším a vady na vnitřním povrchu trubky. Napěťový impulz nad vadou na vnějším povrchu je vyšší a užší a obsahuje vyšší frekvenční složky oproti impulzu od vnitřní vady, který je širší a nižší.
40
INDIKACE VAD
Magnetickou práškovou metodou lze odhalit všechny povrchové a blízko pod povrchem ležící vady, které narušují magnetický tok uvnitř výrobku natolik, že na povrchu výrobku vzniknou zjistitelná rozptylová pole. Z povrchových vad jsou touto metodou zjistitelné nejsnáze vady plošného charakteru, především trhliny a studené spoje, neboť vyvolávají nejvýraznější rozptylová pole. Výskyt těchto polí je indikován výrazným nahromaděním magnetického prášku.
Obdobný je rovněž vzhled indikací řádkových vměstků u tvářených materiálů. Vady typu přeložek a plen materiálu, vyúsťujících šikmo na povrch výrobku, dávají vzhledem k orientaci vady méně výrazná rozptylová pole.
Zjistitelnost pórů je značně závislá na jejich vzájemném uspořádání a tvaru, takže jsou obvykle zřetelně indikovány jen tehdy, pokud vytvářejí řádkové shluky.
Vady prostorového charakteru jako jsou bubliny, staženiny, struskové s pískové vměstky, vytvářejí většinou méně výrazná rozptylová pole, jejich indikace nemívají dostatečně ostrou kresbu a hůře se hodnotí.
Podpovrchové vady se zjišťují tím obtížněji, čím je jejich vzdálenost od povrchu větší. Se vzdáleností od povrchu se zvětšuje i neostrost indikace a hodnocení takových difúzních indikací bývá málo spolehlivé. 41
NEPRAVÉ INDIKACE Magnetická rozptylová pole vznikají nejen v místech necelistvosti materiálu, ale často také tam, kde se necelistvosti nevyskytují. Indikacím, které nemají příčinu svého vzniku v porušení souvislosti materiálu, říkáme nepravé nebo falešné indikace. Příčinou vzniku nepravé indikace mohou být:
náhlé změny magnetických vlastností povrchu zkoušeného předmětu. Např. kontakt s ostrou hranou jiného zmagnetovaného předmětu (rýsovací jehla, šroubovák ap.). Tyto nepravé indikace zmizí po odmagnetování výrobku. Jsou časté zejména u cementovaných nebo kuličkováním zpevněných povrchů, náhlé změny průřezu výrobku vedou ke zvýšeni hustoty magnetického toku, který vyvolá nepravou indikaci. Odmagnetováním se tato nepravá indikace neodstraní, změny struktury materiálu vyvolávají nepravé indikace, které jsou většinou široké s neostrými okraji. Při stejném způsobu magnetování se tyto indikace objevují ve stejných místech
42
NEPRAVÉ INDIKACE
vlákna materiálu, zejména u ocelí tvářených za studena. U těchto nepravých indikací je nápadný shodný směr se směrem materiálových vláken. Potlačení těchto nepravých indikací je někdy možné snížením intenzity magnetování o 10 až 20 %. Pokud se indikace objeví i nadále, je třeba jejich výskyt ověřit jinou nedestruktivní metodou (např. kapilární), nadměrná intenzita magnetování předmětu vede ke vzniku četných drobných indikací, orientovaných ve směru magnetických siločar pole. Vznikají zejména v blízkosti pólů magnetovacího jha. Snížením intenzity magnetování se většinou tyto nepravé indikace potlačí. Podobný úkaz však může poskytnout i nadměrně vysoká koncentrace magnetického prášku v suspenzi.
43
