Czech Society for Nondestructive TestingNDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2011November 9 - 11, 2011 - Harmony Club Hotel, Ostrava - Czech Republic

DEFEKTOSKOPIE 2011 155

PŘÍSPĚVEK KE KALIBRACI PŘÍSTROJŮ ŘADY DOMENA BENEFIT TO CALIBRATION APPARATUS SERIES DOMENA

Břetislav SKRBEK, Pavel LHOTÁK, Michal FLANDERKA Technická univerzita v Liberci, bretislav.skrbek@tul.cz.

Abstrakt Nedestruktivní testování struktury. Magnetická strukturoskopie ocelí a litin. Princip metody magnetické skvrny. Reference – aplikace. Omezující faktory. Využití absolutní hodnoty, gradientu, rozdílu opakovaných hodnot Hrn. Úkony při nastavování (kalibraci) přístroje předměřením podle kalibračního „vzorku“. Nepříznivý vliv materiálu kalibru na stabilitu procesu měření. Zbytková opakovaná magnetizace spojitých a nespojitých feromagnetik různětepelně zpracovaných. Návrh materiálu pro nastavování přístrojů DOMENA.

Klíčová slova Nedestruktivní měření, metoda magnetické skvrny, kalibrace.

Abstract Non-destructive testing textures. Magnetic structuroskopie steel and cast iron. Principle method magnetic spot. Reference – application. Restrictive factors. Usage absolute value, gradient, difference repeated values Hrn. Acts at setting movement (calibration) apparatus before metering according to calibration „ sample". Unfavourable influence material calibre on stability of the process metering. Residual repeated magnetization connected and disconnected ferromagnetic body variously heat - treated. Proposal material for setting movement apparatus DOMENA.

Key words Stability of the process, method magnetic spot, calibration

1. ÚvodObor nedestruktivního testování materiálu tvoří defektoskopie a strukturoskopie. Defektoskopie nalézá v materiálu defekty – vady typu nespojitostí nebo jejich projevy. Strukturoskopie hledá charakteristiky spojité hmoty. Příspěvek ukazuje na jeden z problémů magnetické diagnostiky struktury

2. Strukturoskopie Z běžně používaných metod je normovaná RTG difrakce. Ostatní metody v rámci strukturoskopické aplikace předmětem norem nejsou. Jedná především o UT, ET a MT. Jejich praktické využití spočívá ve vytvoření konkrétní efektivní úlohy výzkumem, aplikačním vývojem dané problematiky.

2.1. Metoda magnetické skvrny Zaměřuje se na lokální měření vlastností zbytkového magnetizmu s balistickým (impulzním) způsobem magnetizace [1]. V oceli se stejně magneticky orientované atomy soustřeďují v doménách, které tvoří jakési subzrna v zrnech struktury. Polarizací vnějším magnetickým polem dochází k růstu domén posunem tzv. Blochových zón a polarizací shodnou s vnějším magnetickým polem, nebo dochází ke skokové změně polarizace tzv. Barkhausenovými přeskoky (zdroj Barkhausenova šumu). Po zániku vnějšího magnetického pole Ho se nevrátí všechny domény do původního stavu. Vzniká remanentní polarizace Ir. Zmagnetované místo má vlastní

156 DEFEKTOSKOPIE 2011

magnetické pole o intenzitě Hr. Vratným změnám brání atomy feromagnetika vázané v molekulách a atomární. napětí, mřížkové poruchy. Proto složky struktury, které obsahují karbid železitý, martenzit, četné dislokace a hranice zrn vykazují vysokou hodnotu remanentní polarizace Ir. Hr = Ho – N×Ir/µ [A/m] (1) Demagnetizační činitel N charakterizuje vnější i strukturní geometrické poměry rozhraní feromagnetika. Na zkoušené místo výrobku působí impulzní magnetické pole o intenzitě Ho. Tvar proudového impulzu vedený do příložné silové cívky, případně přesně definovaný jejich sled definuje tok parazitních vířivých proudů (mohou se vhodně využít k potlačení negativních vlivů N) a strukturně selektivní citlivost metody. Metody používané v Rusku a České republice se právě zásadně odlišují v charakteristikách magnetizace a tím i v cíli aplikací. Snímačem Hr může být Hallova nebo Főrsterova sonda. Příspěvek dHri jednotlivých zrn feromagnetika na výsledné hodnotě Hr závisí na stínícím účinku m a jejich vzdálenosti ti od snímačeHr= ∑m×ti×dHri [A/m] (2)

Obr.1. Typické strukturní složky litin. Fig.1. Typical structure of cast irons.

S hloubkou průniku magnetizačního pole klesá vliv jednotlivých zrn na Hr. V praxi do t=12mm. V tenčích stěnách se tak energie pulzu soustředí do menšího objemu zrn. Hodnota Hr do hodnoty Lkriroste podle experimentálně stanoveného modelu. HrL = HrL12× (81×L-3+1) [A/m] (3)

DEFEKTOSKOPIE 2011 157

Slitiny železa (oceli a litiny) tvoří spektrum nejrozšířenějších konstrukčních materiálů.Feromagnetické vlastnosti lze přiřadit jejich drtivé většině. K hodnotě Hr se přiřazuje tvrdost nebo podíl v % některé ze strukturních složek dle obr.1 mimo grafit. Znalost hodnot mechanických vlastností v kriticky namáhaném místě u exponovaných dílůpřevládá nad potřebou integrální informace o vybrané mechanické vlastnosti. Z těchto důvodů má lokální magnetická strukturoskopie významné postavení v spektru ostatních metod. Aplikační rozšíření nalezla ve formě impulzní magnetické kontroly hlavně v Rusku a Čechách. Charakterizuje ji vysoká produktivita kontroly s cílenou dostatečnou citlivostí ke kontrolovanému strukturnímu parametru. V západní Evropě se pro tuto oblast materiálů využívá výhradně metod ET. Střídavé vířivé proudy však popisují více povrchové partie

2.2 Přístroje V aplikaci nejrozšířenější jsou přístroje DOMENA B3 (obr.2). Řídí je vlastní procesor. Ukazuje přímo na displeji hodnotu měřené veličiny podle do paměti vložené úlohy. Jednodušší DOMENA NC měří jen s PC obvykle notebooky. DOMENA PROMAG je samostatný strukturoskop. Magnetickou skvrnu nevytváří balisticky vybíjením kondenzátoru do magnetizační cívky, ale cyklem předem naprogramovaných pulzůz výkonového zesilovače. Princip magnetizace ukazuje obr. 4.. Měří se obvykle systémem, který eliminuje rušivá magnetická pole. Buď sondou s jednou hallovou sondou v ose pro snímání normálné bebo tečné (rozložení tečné složky magnetické skvrny ukazuje graf obr.6 v příloze) složky Hr. Pak se provádí magnetizace v opačných polaritách a výslednou hodnotu Hr tvoří součet absolutních hodnot opačné polarity. Nebo se používá k potlačení rušivých vlivů polí dvou hallových snímačů k měření gradientu tečné nebo normálné složky Hr. Na obr.3. je DOMENA NC – varianta GR se snímači pro snímání tečného a normálního gradientu pole Hr.

2.3. Nastavení před měřením Na reprodukovatelnost měřícího procesu způsob kalibrace před měřením. Reprodukovatelnost měření se tvoří stabilitou magnetizace a přijímače hallova signálu. Při kondenzátorové magnetizaci skvrny závisí její velikost na proudu, impedanci magnetizačního obvodu, neboť velikost napětí U na kondenzátoru je stabilizovaná. Impedanci zvyšuje teplota, přítomnost feromagnetika v magnetickém obvodu – přiložením sondy k odlitku. Proto magnetizace tenkých stěn, hran (menší impedance) vytvoří větší hodnoty Hr

Kondenzátorové Domény se proto seřizují po přiložení etalonu z tvrdé oceli, litiny. Cejchování má několik úkonů. Předem se zvolí kalibrační hodnota. Postup cejchovacího protokolu u Domen NC:

Možnost cejchování probíhá v programu při každém spuštění po nastavení konstant: Nastav cejchovní režim -T- DOMENy stiskem klávesy T ! Není-li nutné cejchovat magnetickou sondu, nastav měřicí režim -L- DOMENy stiskem klávesy L !

Režim -T- (hodnota -a- se stanoví měřením etalonu) Nastav hodnotu etalonu: Mo = (nutno zapsat známou hodnotu) Změř hodnotu: M = (proběhne změření) Opravný koeficient: a = Mo/M (porovnání zadané a změřené hodnoty)

Režim -L- (hodnota -a- se pamatuje pro etalon Mo) Ukáže Etalon Mo =

158 DEFEKTOSKOPIE 2011

Opravný koeficient a = Poté probíhá vlastní měření

DOMENA PROMAG dodává výkonovým elektronickým zdrojem do magnetizační cívky konstantní proud, který nezávisí na její impedanci. Tato nesporná výhoda stability procesu je vykoupena špatnou energetickou účinností, napájením ze sítě,menší mobilitou. Po spuštění DOMENY – PROMAG, jejího řídícího programu v PC a zadání názvu měřeného souboru dat se nastaví:

� Kombinace zapojení Hallovýh sond (dvě sondy/jedna sonda; normálové, tečněměření; gradient pole/složka pole)

� Tvar impulsu (Jednoduchý trojúhelník, Trojúhelníky s menší zápornou amplitudou, jednostranné trojúhelníky s klesající amplitudou, dvojité trojúhelníky)

� Amplituda magnetizačního proudu (2, 4, 6, 8, 10 A) � Zesílení zesilovače [dB

Následuje předstart měření spočívající v magnetizaci dvakrát kladnou a dvakrát zápornou polaritou magnetovacího pólu.

Po přepnutí na kladnou polaritu magnetizačního pólu lze spustit měření dle řídícího programu.

DOMENA PROMAG se neseřizuje podle „cejchovního kamene“. Používané cejchovní ocelové nebo litinové kameny „kondenzátorových“ DOMEN vykazují podobně jako ostatní „železa“ pokles Hr po opakované magnetizaci. Tento jev se využívá pro rozlišení struktur (obr.5) [3], Správnému nastavení DOMEN NC a B a reprodukovatelnosti procesu však neprospívá.. Dalších výzkumné práce [1, 2, 4] objevily materiály, které nevykazují pokles Hr po opakované magnetizaci. Pro cejchovní kameny DOMEN lze doporučit některé stavy austenitických ocelí a tepelně zpracované hliníkové bronzy . Výsledky rozboru v procentech hmotnosti konkrétního polotvaru pro nové „cejchovní“ kameny:

Fe Mn Al Ni Cu zbytek 3,80 1,15 14,3 0,00

3. ZávěrPro dosažení vysoké reprodukovatelnosti měření přenosnými přístroji DOMENA B a NC nutno používat cejchovní kameny z Al bronzů nebo speciálních (ventilových) ocelí po zpracování. Stabilní kontrolní pracoviště doporučuji vybavit přístroji DOMENA PROMAG. Příspěvek byl vypracován za podpory VZ MSM 4674788501.

DEFEKTOSKOPIE 2011 159

Obr.2. DOMENA B3. Fig.2. DOMENA B3

Obr. 3. DOMENA GR (DOMENA NC). Fig.4. DOMENA GR (DOMENA NC)

Obr. 4. Blokové schéma magnetizace DOMENA PROMAG.Fig.3. DOMENA PROMAG - princip magnetization.

R

+_1 2 3

ŘÍDÍCÍ JEDNOTKA ŘÍZENÝ PROUDOVÝ ZDROJ

Snímačmagnetiz

I

160 DEFEKTOSKOPIE 2011

12050

140

160

180

200

220

240

260

1 2 3 4 5 6 7číslo měření

inte

nzita

mag

net

ické

ho

po

le H 1K M

1P1 M

1P2 M

Obr.5. Fig.5.

1 3 5 7 9

11 13 15 17 19 21 23 25 27

S1

S6

S11

S16

S21

S26

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0,9-1

0,8-0,9

0,7-0,8

0,6-0,7

0,5-0,6

0,4-0,5

0,3-0,4

0,2-0,3

0,1-0,2

0-0,1

Obr. 6. Rozložení Hrt . magnetické skvrny. Fig.6. Hrt arrangement magnetic spot.

DEFEKTOSKOPIE 2011 161

Literatura: [1] SKRBEK, B.: NDT diagnostika strukturních změn austenitických ventilových ocelí

In: Sborník semináře "Provozní degradace austenitických ventilových ocelí" Liberec : TU KMT, 2006, p. 58-62, ISBN 80-7372-113-9.

[2] SKRBEK, B.: Výzkum diagnostiky jemné disperze. Mezinárodní konference METAL 2008, Sborník abstrakt a CD, 13.-15. 2008 , Hradec nad Moravicí, ČR,paper 98, ISBN 978-80-254-1987.

[3] SKRBEK, B.: Rozlišení struktur opakovanou magnetizací. Mezinárodní konference DEFEKTOSKOPIE 08, Brno, 4.-6.11. 08. [Sborník], s. 203-206, ISBN 978-80-214-3759-3.

[4] SKRBEK, B., NOSEK, V., KYSEL, M., and SLÁMA, P. Solution of modern pair of guide and valve of piston engines. In 1st International Conference about Recent Trends in Structural Materials. Dobřany : COMTES FHT a.s., 2010, p. 31-32 [Including CD ROM with fulltexts]. ISBN 978-80-254-8683-2

162 DEFEKTOSKOPIE 2011