Magnetoinduktívne metódy

Využívajú zmeny magnetickej vodivosti vo feromagnetických materiáloch. Feromagnetické látky – feromagnetiká sú látky, ktoré majú permeabilitu μ » 2, resp. suscebilitu κ » 1 a ich permeabilita závisí od magnetického poľa. Z kovov je to železo v modifikácii alfa. Ďalšie feromagnetické kovy sú nikel, kobalt a gadolínium.
Princíp všetkých magnetoinduktívnych metód sa zakladá na zisťovaní rozptylu magnetického poľa v mieste defektov nachádzajúcich sa na povrchu alebo tesne pod povrchom skúšaného predmetu.

Skúšaný predmet sa vystaví účinku magnetického poľa. Homogenita magnetických siločiar v objeme predmetu závisí od homogenity jeho magnetickej vodivosti. Ak sú v ceste magnetického toku nejaké prekážky, ktoré majú inú permeabilitu ako základný materiál, vzniká v mieste prekážky rozptylové magnetické pole.

Absolútna hodnota rozptylového magnetického poľa pri danej intenzite primárnej magnetizácie závisí od :
-rozdielu permeabilít μM – μD
-veľkosti, tvaru a polohy defektu

Prítomnosťou rozptylového magnetického poľa nad povrchom skúšaného predmetu je indikovaná povrchová alebo nadpovrchová necelistvosť objemu (trhlina a pod.) alebo iný defekt, ktorý vyvolá deformáciu magnetického poľa (veľké častice inej fázy a pod.). Rozptylové magnetické pole v mieste defektu možno indikovať :
-magnetickou práškovou metódou
-magnetografickým záznamom
-indikáciou pomocou ferosondy

Magnetická prášková metóda

Podľa spôsobu aplikácie magnetického prášku sa táto metóda ďalej rozdeľuje na :
•polievaciu
•naprašovaciu
•magnetofluorescenčnú

Pri polievacej metóde tvorí detekčnú látku magnetický prášok rozptýlený v kvapalnej suspenzii. Touto suspenziou sa polieva predmet vystavený účinku magnetického poľa. Drobné častice prášku sú tangenciálnou zložkou rozptýleného magnetického poľa priťahované do miesta defektu a kolmou zložkou pridržované na povrchu. Nad defektom sa tak vytvorí nános magnetického prášku, ktorého šírka X' je oveľa väčšia ako skutočná šírka defektu X. Tým je defekt zviditeľnený pre vizuálne pozorovanie.

Poloha, veľkosť a tvar defektov nie sú pred skúškou známe. Preto sa skúšané predmety musia zmagnetizovať v pozdĺžnom a priečnom smere. Pozdĺžnu (pólovú) magnetizáciu možno dosiahnuť pomocou trvalých magnetov alebo elektromagnetov s magnetizačnými cievkami. Skúšaný predmet sa vloží do uzavretého magnetického obvodu, v ktorom prebiehajú magnetické siločiary od jedného pólu k druhému. Zisťujú sa trhliny kolmé na smer magnetizácie. Priečna (cirkulárna) magnetizácia sa vyvodzuje tak, že cez skúšaný predmet prechádza elektrický prúd vysokej intenzity, ktorý v ňom vzbudí magnetické pole v rovine kolmej na smer prechádzajúceho prúdu. Magnetické siločiary majú tvar sústredných kružníc s najväčšou hustotou na povrchu predmetu. Striedavý prúd veľkej intenzity a nízkeho napätia sa získa transformáciou. Týmto spôsobom sa zisťujú trhliny, ktoré sú približne rovnobežné s osou skúšaného predmetu.

Pri naprašovacej metóde sa rozptylové magnetické pole indikuje naprašovaním suchého magnetického detekčného prášku.

Magnetofluorescenčná metóda používa na indikáciu detekčný magnetický prášok, ktorého častice sú pokryté luminoforom. Skúška sa vyhodnocuje podobne ako pri kapilárnej fluorescenčnej metóde v zatemnenom priestore pri ožiarením čiernym svetlom.

Magnetoinduktívne metódy sa veľmi dobre osvedčujú najmä pri kontrole povrchových trhlín kalených súčiastok. Na brúsenom povrchu použitím vhodnej intenzity magnetizačného prúdu možno odhaliť také povrchové trhliny, ktoré sa dajú zistiť pod mikroskopom 200 až 300 - násobnom zväčšení. Metódu možno aplikovať aj na rozmerovo veľké výrobky, v ktorých sa magnetické pole v kontrolovanom mieste vyvolá prechodom elektrického prúdu cez pripojené bodové elektródy. Nevýhodou tejto metódy je, že v skúšanom predmete ostáva určitý remanentný magnetizmus, ktorý je v niektorých prípadoch nežiadúci (napr. zmagnetované súčiastky lietadla, ktoré sú umiestnené v blízkosti kompasu alebo iné zmagnetované rotujúce časti strojov môžu spôsobiť elektrické výboje). Tieto časti preto treba odmagnetovať, čo sa robí v demagnetizátoroch. Najčastejšie sa odmagnetúva pretiahnutím zmagnetovaného predmetu cez otvorenú cievku napájanú striedavým prúdom. Zmenšovaním amplitúdy striedavého prúdu sa zmenšuje aj amplitúda magnetického toku a predmet sa v cievke zbavuje remanentného magnetizmu.

Magnetografická metóda

V princípe je tiež práškovou metódou, ale detekčné magnetické častice tvoria magnetickú vrstvu magnetofónovej pásky. Rozptylové magnetické pole nad trhlinou magnetickú pásku miestne magnetizuje. Páska sa potom elektricky alebo akusticky vyhodnocuje. Táto metóda je bezdotyková a používa sa na plynulú kontrolu predmetov so stálym prierezom.

Indikácia pomocou ferosondy

Princíp tejto metódy spočíva v tom, že rozptyl magnetického toku v mieste defektu sa zachytáva elektromagnetickou indukciou v snímacej cievke umiestnenej v blízkosti povrchu skúšaného predmetu. Táto metóda je bezdotyková, je veľmi citlivá a umožňuje zistiť chyby v hĺbke 20 mm pod povrchom. Používa sa na skúšanie predmetov so stálym priečnym prierezom, ako sú koľajnice, rúry, laná a pod. Snímacia cievke predmet obopína a napätie, ktoré sa v miestach chyby indikuje do cievky, vyvolá prúd merateľný citlivým galvanometrom. Pritom je cievka upevnená a skúšaný predmet sa pohybuje alebo opačne. Výchylka galvanometra indikuje prítomnosť defektu. Ako snímače sa obvykle používajú permallyové a Hallove sondy.

Skúšané predmety s rovnakým geometrickým tvarom a rozmermi sa vkladajú do striedavého magnetického poľa v cievke, ktorou preteká striedavý prúd. Striedavé magnetické pole cievky indukuje v skúšanom predmete vírivé prúdy, ktorých intenzita je najväčšia na povrchu predmetu a závisí od jeho elektrickej vodivosti. Vírivé prúdy vytvárajú vlastné magnetické pole. Toto spätne pôsobí na pôvodné budiace pole cievky. Obe magnetické polia sa vektorove skladajú. Výsledné pole závisí od elektrickej vodivosti povrchu, to znamená, že jeho veľkosť sa zmení prítomnosťou defektu celistvosti v povrchovej vrstve. Metóda je bezdotyková a je vhodná aj pre neferomagnetické materiály. Používa sa pri automatickej kontrole na výrobných linkách rúrok, tyčového materiálu a pod.

Ultrazvuková defektoskopia

Ultrazvuk je pružné mechanické vlnenie hmotného prostredia s vyššou frekvenciou ako je frekvencia zvuku počuteľného ľudským uchom. Hraničná frekvencia ľudskej počuteľnosti je 16 kHz. Ultrazvukové vlny možno vytvoriť mechanicky, tepelne, piezoelektricky alebo magnetostrikčne.

V defektoskopii sa používa piezoelektrický spôsob, ktorý sa zakladá na princípe rozkmitania kremennej platničky vysokofrekvenčným prúdom. Platnička je vyrobená z kryštálu kremeňa, turmalínu alebo zo Seignetovej soli takým spôsobom, aby jej dve plochy boli kolmé na elektrickú os kryštálu. Mriežka kremeňa sa skladá z molekúl SiO2. Každý atóm kremíka má 4 pozitívne a atóm kyslíka 2 negatívne elektrické náboje. Ak je kryštál stlačený v smere polárnych osí (X1, X2, X3), rovnováha nábojov sa navonok poruší a na oboch povrchoch kryštálu vznikne voľný náboj opačného znamienka. Ťah vyvolá náboje opačnej polarity než tlak. Tento piezoelektrický jav je vratný, tzn., že keď sa privedie na povrch kryštálu elektrický náboj, nastane jeho deformácia podľa veľkosti a polarity privedeného náboja. Aby sa elektrické náboje rozdelili rovnomerne po celom povrchu kryštálov, pokrýva sa povrch vrstvou katódovo rozprášeného striebra. Privedením striedavého napätia vysokej frekvencie sa platnička mechanicky rozkmitá s totožnou frekvenciou. Keď sa zhoduje frekvencia striedavého prúdu s vlastnou frekvenciou platničky, nastáva rezonancia, pričom pružné kmity dosahujú najväčšiu amplitúdu. Rezonančný kmitočet platničky kremeňa hrúbky d je daný vzťahom :

E – modul pružnosti platničky
ρ – hustota platničky

V defektoskopii sa využívajú tieto základné vlastnosti ultrazvuku :
•schopnosť priamočiareho prenikaniami tuhými látkami
•schopnosť odrážať sa na rozhraní dvoch prostredí
Prechodom a odrazom ultrazvukových vĺn na rozhraní dvoch hmotných prostredí je napr. skúšaný materiál a trhlina. Charakteristickou vlastnosťou prostredia pre prechod ultrazvuku je akustický vlnový odpor :

ρ – hustota prostredia
c – rýchlosť ultrazvuku v tomto prostredí


Ultrazvuková energia IA dopadá na rozhranie dvoch prostredí pod uhlom α. Časť tejto energie veľkosti Ir sa odrazí pod rovnakým uhlom a časť IB ďalej preniká v druhom prostredí pod uhlom β. Akustický vlnový odpor prvého prostredia je :

                                                                                druhého :

Na posúdenie odrazu sa používa pomer oboch akustických odporov :

Odraz je tým väčší, čím sú hodnoty ρ a c pre obe prostredia rozdielnejšie. Napr. pre rozhranie kov – vzduch má i hodnotu rádove 108, preto sa tu odráža značná časť vysielanej ultrazvukovej energie.

Metódy ultrazvukovej defektoskopie

Pri prechode tuhým prostredím sa ultrazvukové vlny odrážajú na prekážkach (detektoch) alebo sa ohýbajú, rozptyľujú a tým čiastočne tlmia. Z hľadiska defektoskopie treba voliť také podmienky skúšky, aby sa dali zistiť defekty nadkritickej veľkosti. Ak je veľkosť defektu v rovine kolmej na smer šírenia ultrazvukových vĺn , nastáva odraz vĺn od defektu. Ak , vlny sa na defekte ohýbajú a rozptyľujú. Hodnota λ je vlnová dĺžka vlnenia určená vzťahom , pričom c je rýchlosť ultrazvuku a f jeho frekvencia. Vysielanie a prijímanie ultrazvukovej energie sa robí sondami, ktoré pomocou elektroakustického meniča premieňajú elektrickú energiu na ultrazvukové vlnenie a opačne.

Podľa tvaru elektroakustického meniča môžu byť sondy :
-kruhové
-polkruhové
-pravouhlé

Podľa konštrukcie sa sondy rozdeľujú na :
-priame, ktoré vysielajú vlny kolmo na skúšaný povrch
-uhlové, vysielajúce vlny šikmo k povrchu
-dvojité, obsahujúce 2 elektroakustické meniče - vysielací a prijímací

Ultrazvuková elektroskopia sa uskutočňuje viacerými skúšobnými metódami. Najviac sa používajú odrazové a prechodové metódy.

Prechodová metóda sa zakladá na princípe vysielania ultrazvukových vĺn do jednej strany skúšaného predmetu a zachytávania úbytku ultrazvukovej energie na druhej strane. Dvojica sond, vysielacia VS a prijímacia PS, pozostáva z troch skúšobných polôh. Cez VS vnikne do skúšaného predmetu ultrazvuková energia, ktorá keď narazí na prekážku, dopadne na platničku kremeňa PS a rozkmitá ju. Vzniknuté elektrické impulzy sa registrujú v meracích registračných prístrojoch. Dvojica sond sa posúva po predmete, a pritom sa na meracom prístroji sleduje veľkosť ultrazvukovej energie, ktorá prešla materiálom.  Citlivosť tejto metódy závisí od priemeru použitých sond. Čím sú sondy menšie, tým menší defekt sa dá zistiť. Metóda sa dá použiť na kontrolu tých predmetov, ktoré sú z oboch strán prístupné.

Odrazovú metódu možno použiť na kontrolu predmetov prístupných len z jednej strany pomocou jednej alebo dvoch sond. Vysokofrekvenčný impulzový generátor vyšle začiatočný impulz ultrazvukového vlnenia cez časovú základňu do skúšaného predmetu a súčasne cez zosilňovač zaznamená tento impulz na obrazovke katódového osciloskopu. Sonda mení elektrický vysokofrekvenčný signál na ultrazvuk a naopak odrazenú ultrazvukovú energiu mení na elektrické signály. Ultrazvukový impulz odrazený od druhej strany predmetu sa na obrazovke zaznamená ako koncové echo, impulz dorazený od chyby zaznačí poruchové echo. Vzdialenosti medzi príslušnými signálmi na obrazovke sú úmerné hĺbke, resp. hrúbke predmetu. Obrazovka osciloskopu sa fotograficky sníma, z čoho vzniká reflektogram, ktorý sa ďalej vyhodnocuje.

Prístroj ultrazvukového impulzového defektoskopu s dvoma sondami pozostáva z katódového osciloskopu s časovou základňou zapojenou na vodorovne sa vychyľujúce platničky osciloskopu. Časovou základňou sa reguluje rýchlosť pohybujúcej sa stopy elektrónového lúča po tienidle obrazovky. Synchronizátor oneskorí impulz vyslaný časovou základňou pri návrate lúča do nulovej polohy na tienidle. Generátor v tom okamihu vyšle cez VS ultrazvukový impulz do skúšaného predmetu a súčasne zaznamená začiatočný impulz na obrazovke. Ultrazvukové impulzy odrazené od druhej strany predmetu alebo od defektu sú zachytené PS a vedú sa cez zosilňovač na obrazovku, kde značia koncové, resp. poruchové echo. Hĺbka, v ktorej sa chyba nachádza, je úmerná vzdialenosti medzi začiatočným impulzom a poruchovým echom na obrazovke. Na tomto princípe možno ultrazvukom merať napr. hrúbky stien, ktoré sú prístupné len z jednej strany.

Ultrazvuk sa najčastejšie používa pri kontrole veľkých rotorov parných turbín, elektrických generátorov, hriadeľov, valcov valcových stolíc, výkovkov, odliatkov, zvarov, a pod.