Detekcja wad

W defektoskopii magnetycznej prądem stałym [95] jak i metodami wiroprądowymi [121]

prowadzone są symulacje analityczne magnetycznego pola rozproszenia. Metodami anali­

tycznymi opisywane są jedynie proste przypadki defektów. Bardziej złożone przypadki defektów możliwe są do badania jedynie metodami numerycznymi.

6.3.1. Pomiar magnetycznego pola rozproszenia

Pomiary wykonano na stanowisku, którego fotografię pokazano na rysunku 6.32. W skład stanowiska wchodzą układ magnesujący, tj. jarzmo z nawiniętym uzwojeniem oraz wymienne próbki z nacięciami poprzecznymi.

Rys. 6.32. Stanowisko badawcze z zamonto­

waną próbką

Fig. 6.32. Research stand with installed test piece

Wymiary zewnętrzne układu magnesującego wynoszą odpowiednio 175m m /80m m / 40 mm. Uzwojenie cewki stanowi 470 zwojów nawiniętych w czterech warstwach na dłu­

gości 150 mm. Pomiary natężenia pola magnetycznego wykonano sondą języczkową urzą­

dzenia pomiarowego MP-U (Magnetic Fieldmeter) produkcji List-Magnetic GmbH. Zakresy pomiarowe i błąd wskazań zamieszczono w tabeli 6.4. Pomiary te posłużyły do oceny stosowania metod symulacyjnych numerycznych (zał. Z4) w defektoskopii magnetycznej.

Powierzchnie przygotowanych próbek po założeniu w obwód magnesujący skanowano, przemieszczając końcówkę sondy pomiarowej przyrządu zaopatrzonego w hallotron (KSY14) na odcinku 10 mm po obu stronach nacięcia wzdłuż jej osi. Przetwornik KSY zastosowano ze względu na wartości natężenia pola magnetycznego przekraczające zakresy pomiarowe przetworników KMZ. Uśrednione wyniki pomiaru dla próbek z rowkiem 4,0 mm i 0,35 mm zamieszczono na rysunku 6.33.

Tabela 6.4 Zakresy pomiarowe i błąd pomiaru

Wskazania Zakres Błąd katalogowy

Błąd

pomierzony Certyfikat

A/cm 1+199 2% 0,4% TUV/

DIN 55350

A/cm 1+1999 2% 0,4%

Rys. 6.33. Pomierzony rozkład natężenia poła magnetycznego Fig. 6.33. Measured distribution o f magnetic fie ld strength

Przeprowadzono dodatkową ocenę rozkładu natężenia pola magnetycznego na po­

wierzchni bocznej próbki w miejscu nacięcia. Posłużono się metodą fluorescencyjno-proszko- wą. Fotografię pobudzonego do świecenia w świetle ultrafioletowym proszku magnetycznego zgromadzonego w miejscach o wysokim natężeniu pola magnetycznego zamieszczono na rysunku 6.34.

Rys. 6.34. Fluorescencyjna fotografia powierzchni bocznej próbek Fig. 6.34. Fluorescent photograph o f latéral surface o f test piece

Badanie magnetyczne proszkiem fluorescensyjnym w świetle ultrafioletowym pozwala ocenić rozkład natężenia pola magnetycznego pomiędzy ścianami wady, jak i w materiale pod nią, a tym samym wstępnie zweryfikować pomiar.

Zastosowane techniki nacinania rowków mogą wpłynąć na parametry magnetyczne powierzchni rowka. Rowek szeroki (4 mm) nacinano frezem palcowym, który wprowadza zgniot powierzchni materiału. Rowek wąski (0,35 mm) nacinano metodą elektroiskrową.

Sposób ten nie wprowadza mechanicznych odkształceń powierzchni, jednak wpływu techniki elektroiskrowego nacinania na parametry magnetyczne materiału nie badano.

Symulację MES prowadzono niezależnie w programach Flux2D/3D i Femmld. Symu­

lację oparto na fizycznym modelu układu (załącznik 4). Dla prawidłowej analizy symula­

cyjnej rozkładu pola nad wadą uwzględniono rzeczywistą nieliniową charakterystykę magne­

sowania. Wyznaczoną krzywą pierwotnego magnesowania zamieszczono na rysunku 6.35.

Pomierzoną z trzech pomiarów i uśrednioną krzywą pierwotnego magnesowania wprowa­

dzono do katalogów programów symulacyjnych. Pomiary magnetyczne materiału St3 prze­

prowadzono ze względu na spotykane rozrzuty w składzie chemicznym stali konstrukcyjnych węglowych niskiej jakości.

Wyznaczony skład chemiczny stali (procentowa zawartość dodatków stopowych) zamieszczono w tabeli 6.5 w zestawieniu z danymi normatywnymi.

Węgiel jest jednym z głównych czynników wpływających na parametry magnetyczne stali. W rozpatrywanym przypadku wykryto jego podwyższoną wartość.

Układ objęty modelowaniem składa się z elementów o odmiennych właściwościach fizycznych, dla których założono następujące warunki brzegowe:

- dla granicy modelu - warunki Dirichleta, - dla granicy stal/powietrze - warunki brzegowe,

- określoną rzeczywistą przenikalnością magnetyczną względną jur.

Dodatki stopowe stali St3 Tabela 6.5

wyznaczone 0,24 0,53 0,20 0,017 0,009 0,03 0,1 0,028

Rys. 6.35. Krzywa pierwotnego magnesowania badanego materiału Fig. 6.35. Curve ofprim ary magnetization o f studied material

Wymienione warunki brzegowe są dostępne w programie symulacyjnym FEMM (magnetostatycznym). Rozkład indukcji magnetycznej w obszarze nieciągłości dla obu przypadków szerokości rowka (0,35 mm i 4,0 mm) pokazano na rysunku 6.36.

: 1 100e+000

Rys. 6.36. Rozkład indukcji magnetycznej w materiale Fig. 6.36. Distribution o f magnetic fie ld density in material

Porównanie wyników symulacji z wynikami pomiaru zamieszczono na rysunku 6.37.

Rys. 6.37. Porównanie wyników pomiaru i symulacji Fig. 6.37. Comparison o f measurement andsimulation

Przesunięcia przebiegów teoretycznych w stosunku do uzyskanych z pomiaru wynikają z uśredniającego wpływu wymiaru struktury pomiarowej zastosowanego hallotronu KSY 14.

6.3.2. Wnioski wstępne

Pomiar pola magnetycznego związany z badaniami dla defektoskopii lub diagnostyki będzie zawsze wiązał się ze znacznym błędem. W zakresie defektoskopii magnetycznej, gdzie decydującym czynnikiem jest detekcja wady, błąd rzędu 60 % uznawany jest za mały, mimo iż defektoskopię zaliczono do dziedziny metrologii. Zastosowanie metod magnetycznych do pomiaru naprężeń możliwe jest jedynie dla konkretnych rozwiązań (46) i znanych materiałów (toroduktory kołowe, transduktory). Podobnie w omawianym w pracy zakresie diagnostyki magnetycznej problem pomiaru musi być rozpatrywany w stosunku do konkretnego zadania.

Każdorazowo będzie wymagał odniesienia się do wzorca i skalowania. Podstawową trud­

nością w zrozumieniu potrzeb diagnostyki w stosunku do pomiaru jest to, że diagnostyka odnosi się do sygnału wzorcowego. Wzorcem tym jest przebieg amplitudowo-czasowy, a najczęściej amplitudowo-częstotliwościowy (obwiednia sygnału lub analiza falkowa) urzą­

dzenia sprawnego. Wykrycie w sygnale pomierzonym składnika nieoczekiwanego jest powo­

dem dalszych szczegółowych analiz. W przypadku badań magnetycznych bazą odniesienia jest namagnesowanie początkowe związane z przenikalnością materiału w stosunku do na­

magnesowania związanego z zaistniałym w przedziale czasu stanem mechanicznym. Z upły­

wem czasu zmienia się stan powierzchni, a tym samym baza pomiarowa. Konstrukcja urzą­

dzenia pomiarowego musi uwzględniać także rozkład pola magnetycznego w strefie pomiaru.

Przeprowadzona w rozdziale 5 analiza rozkładu pola magnetycznego w strefie powierzchni badanej miała na celu:

- ocenę rozproszenia pola magnetycznego,

- badanie wpływu pola magnetycznego na parametry przetwarzania zastosowanego magnetorezystora,

- dyskusję możliwości pomiaru magnetorezystorem wobec trudności dostępu alterna­

tywnych co do wymiaru, przetworników pomiarowych, - ocenę powtarzalności pomiaru,

- badanie wpływu zmian temperatury otoczenia,

- dyskusję wybranych przyczyn generujących błąd pomiaru,

- przeprowadzenie szeregu badań potwierdzających możliwość zastosowań magnetore-zystorów (przy czym w szczególnych przypadkach pomiarowych stosowano hallotron typu KSY 14).

Laboratoryjne zastosowania metody w badaniu stanu elementu oceniono na przykładach:

- pomiaru naprężeń w próbce obciążonej na maszynie wytrzymałościowej,

- pomiaru natężenia pola magnetycznego przy powierzchni bocznej uszkodzonego koła zębatego.

- detekcji rozkładu naprężeń w połączeniu wciskowym, - pomiaru procesu zmęczenia materiału.

- W zakresie badań symulacyjnych:

- oceniono ograniczenia pomiaru naprężeń,

- oceniono możliwości pomiaru naprężeń złożonych,

- przedyskutowano zasadność przenoszenia stref zmian obciążeń mechanicznych do programów symulacyjnych pola magnetycznego.