Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie może się pochwalić, że w ramach działalności Zakładu Obróbki Cieplnej Łukasiewicz – Instytutu Mechaniki Precyzyjnej wykonujemy nieniszczące badania metodą prądów wirowych oraz aparaturę i urządzenia kontrolno-pomiarowe.

 

Metoda prądów wirowych

Badania nieniszczące w Łukasiewicz – IMP Warszawa, znalazły szerokie zastosowanie w praktyce do oceny jakości i poprawności wykonania części maszyn i urządzeń, które pozostają wykorzystywane w różnorodnych gałęziach przemysłu. Są one wykorzystywane zarówno na etapie procesu produkcyjnego, jak i do kontroli eksploatacyjnej. Jedną z metod badań nieniszczących, która pozostaje systematycznie wdrażane w Łukasiewicz – Instytucie Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie,  jest metoda prądów wirowych (ET – Electromagnetic Testing lub Eddy Current Testing). Obok badań wizualnych (VT), metody penetracyjnej (PT) oraz metody magnetycznej (MT), metoda ET należy do grupy powierzchniowych metod badań nieniszczących [1, 2].

Główne kierunki wykorzystania metody prądów wirowych to wykrywanie wad materiałowych – defektoskopia, badania właściwości materiałów – strukturoskopia oraz określanie wymiarów (głównie pomiary grubości). Metoda, wykonywana przez pracowników Łukasiewicz – IMP Warszawa pozwala na badanie różnorodnych materiałów, pod warunkiem, że są one przewodnikami prądu elektrycznego. Podstawowym zjawiskiem wykorzystywanym w badaniach metodą prądów wirowych jest indukcja elektromagnetyczna, która polega na generowaniu prądu w materiale przewodzącym, w wyniku działania na niego zmiennego pola magnetycznego.

W zastosowaniach metody ET zmienne pole magnetyczne występuje wskutek zasilania cewek indukcyjnych prądem zmiennym.

Podstawę metody prądów wirowych, dostępne do wykorzystywania w Łukasiewicz – Instytucie Mechaniki Precyzyjnej,  można opisać w następujących punktach (rys. 1):

  1. Przez cewkę przepływa prąd zmienny I~;
  2. W cewce, jak i wokół niej, indukowane jest zmienne pole magnetyczne H~;
  3. Zmienne pole magnetyczne H~ wnika w badany materiał indukując w nim prądy wirowe EC;
  4. Prądy wirowe EC indukują swoje własne pole magnetyczne HEC;
  5. Pole magnetyczne HEC oddziałuje (osłabia) pole H~.

Jeżeli materiał badany jest jednorodny, wtedy osłabienie pola magnetycznego H~ jest stałe – brak zmian wskazań urządzenia pomiarowego. Natomiast jeżeli materiał jest niejednorodny, pojawiają się niezgodności (np. pęknięcia, zmiany struktury itd.), wówczas powodują one zmiany w osłabieniu pola H~, a tym samym zmiany wskazań na ekranie urządzenia.

 

Rys. 1. Idea indukowania prądów wirowych: prąd zmienny I~ zasilający cewkę, zmienne pole magnetyczne cewki H~, zmienne prądy wirowe EC, zmienne pole magnetyczne HEC generowane przez prądy wirowe.

Ścieżki przebiegu indukujących się prądów wirowych zależą od fizycznych własności badanego materiału. Od nich zależy też dobór parametrów kontroli wiroprądowej. Do najistotniejszych, z punktu widzenia metody ET, należą właściwości elektromagnetyczne, jakie gwarantuje Łukasiewicz – IMP Warszawa[2]:

  • przewodność elektryczna właściwa γ,
  • przenikalność magnetyczna względna µr.

Prądy wirowe płyną w materiale przez miejsca o większej przewodności elektrycznej, natomiast miejsca o mniejszej przewodności są przez nie opływane (rys. 2). Wszelkie zmiany w badanym materiale, jak zmiana twardości, zmiana struktury, nieciągłości itd., wpływają na wartość parametrów elektromagnetycznych, a tym samym na wartość natężenia prądów wirowych i indukowanego pola magnetycznego. Analiza wartości amplitudy sygnału wyjściowego, bądź amplitudy i przesunięcia fazowego pozwala na ocenę stanu badanego materiału [1-4].

Rys. 2. Linie sił pola magnetycznego i linie przepływu prądów wirowych: a) sonda stykowa, b) sonda przelotowa; 1 – uzwojenie wejściowe, 2 – uzwojenie wyjściowe, 3 – linie sił pola magnetycznego, 4 – nieciągłość materiałowa (pęknięcie), 5 – linie przepływu prądów wirowych [3].

Do oceny głębokości wnikania prądów wirowych służy standardowa głębokość wnikania prądów wirowych δ. Nie określa ona rzeczywistej wielkości głębokości, natomiast stanowi głębokość wnikania prądów wirowych, przy której amplituda tych prądów zmniejsza się
e-krotnie, czyli około 2,72 razy, w stosunku do amplitudy na powierzchni materiału.

Standardowa głębokość wnikania jest opisana zależnością [3, 4]:

δ – standardowa głębokość wnikania prądów wirowych [mm],gdzie:

f – częstotliwość pracy przetwornika [Hz],

γ – przewodność elektryczna właściwa materiału [S/m],

µr – przenikalność magnetyczna względna elementu, bezwymiarowa.

Zgodnie ze wzorem (1) im wyższe są wartości częstotliwości pracy przetwornika wiroprądowego oraz przewodności elektrycznej właściwej materiału i przenikalności magnetycznej względnej badanego elementu, tym standardowa głębokość wnikania prądów wirowych jest mniejsza.

Wpływ niezgodności materiałowych oraz zmian strukturalnych na sygnały przetworników jest ograniczony do tzw. efektywnej głębokości wnikania prądów wirowych. Jest to głębokość około trzech standardowych głębokości wnikania prądów wirowych (3δ) [5].

Wybór częstotliwości pracy urządzenia pomiarowego f zapewnia możliwość regulowania głębokości wnikania prądów wirowych, a tym samym wybór obszarów, jakie mają być badane. Do badania warstw wierzchnich w Łukasiewicz – IMP Warszawa stosuje się przetworniki o wysokiej częstotliwości pracy (rzędu kilku MHz). Natomiast do wykrywania niezgodności i zmian strukturalnych na pewnej głębokości od powierzchni należy używać przetworników o niższej częstotliwości (rzędu od kilku do kilkuset kHz) [5].

Podczas pomiarów metodą prądów wirowych, która na stałe zagościła w ofercie prezentowanej przez Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej,  określa się zmianę wskazań urządzenia pomiarowego w odniesieniu do poziomu przyjmowanego za prawidłowy. Poziom ten ustala się na powierzchni elementu bez wad i o takiej samej strukturze jak materiał badany. Metoda ma więc charakter porównawczy i wymaga korzystania z wzorców bądź próbek odniesienia.

Zalety metody ET:

  • duża czułość w wykrywaniu małych wad,
  • wykrywanie wad powierzchniowych i podpowierzchniowych,
  • badania dają natychmiastowy wynik,
  • przenośna aparatura,
  • łatwość automatyzacji,
  • nie wymaga środka sprzęgającego sondy z materiałem badanym,
  • możliwość badania z dużymi prędkościami,
  • możliwość bezkontaktowego badania,
  • nie wymaga dokładnego przygotowania powierzchni,
  • możliwość akwizycji danych pomiarowych,
  • bezpieczna dla operatora i środowiska.

Wady metody ET:

  • możliwość badania tylko materiałów przewodzących prąd,
  • wymaga dostępu do powierzchni badanej dla sondy pomiarowej,
  • wymaga zaawansowanego szkolenia dla personelu wykonującego badania,
  • metoda porównawcza, wymagająca wzorców lub próbek odniesienia,
  • ograniczona głębokość wnikania prądów wirowych,
  • wady, takie jak rozwarstwienie ułożone równoległe do uzwojenia cewki sondy, są niewykrywalne,
  • wykończenie powierzchni i chropowatość może wpływać na wskazania,
  • ograniczona możliwość badań elementów w pobliżu krawędzi (efekt krawędziowy).

 

[1] A. Lewińska-Romicka, Defektoskopia wiroprądowa. Poradnik., Warszawa: Biuro Gamma, 1997.[2] C. Dybiec i S. Włodarczyk, „Badania nieniszczące metodą prądów wirowych – możliwości zastosowań.,” Ochrona przed korozją nr 3, pp. 67-74, 2010.[3] A. Lewińska-Romicka, Badania nieniszczące. Podstawy defektoskopii., Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2001.[4] A. Lewińska-Romicka, Badania materiałów metodą prądów wirowych., Warszawa: Biuro Gamma, 2007.[5] A. Kondej, M. Baranowski, K. Niedźwiedzki, S. Jończyk i A. Szczepański, „Automatyczne stanowisko do badań nieniszczących metodą prądów wirowych.,” Inżynieria Powierzchni, nr 1, pp. 57-62, 2014.

 

Projekty badawcze związane z zastosowaniem metody prądów wirowych realizowane przez Łukasiewicz –  Instytut Mechaniki Precyzyjnej

Nasze publikacje na temat metody prądów wirowych z ostatnich lat

  • Adam Kondej: Zminiaturyzowane urządzenie pomiarowe do badań nieniszczących metodą prądów wirowych Wirotest M1 – możliwości zastosowania. Inżynieria Powierzchni, nr 3, 2017, s. 26-31.
  • Adam Kondej, Artur Szczepański: Zminiaturyzowane urządzenie pomiarowe do badań nieniszczących metodą prądów wirowych – Wirotest serii M. Przegląd Spawalnictwa, nr 9, 2017, s. 26-30.
  • Adam Kondej, Tomasz Babul, Sylwester Jończyk: Aparatura i możliwości badań nieniszczących metodą prądów wirowych w Instytucie Mechaniki Precyzyjnej. Badania Nieniszczące i Diagnostyka, nr 3, 2017, s. 38-42.
  • Sylwester Jończyk, Adam Kondej, Michał Baranowski, Sylwia Włodarczyk, Tadeusz Samborski: Warstwy nawęglane – korelacja oznaczeń metodą prądów wirowych i pomiarów twardości. Przegląd Spawalnictwa, nr 10, 2016, s. 16-19.
  • Sylwester Jończyk, Artur Szczepański, Karol Niedźwiedzki: Nieniszczący pomiar grubości warstwy nawęglonej i twardości powierzchniowej uzębienia koła zębatego. Inżynieria Powierzchni, nr 2, 2016, s. 19-23.
  • Sylwester Jończyk, Tadeusz Samborski, Sylwia Włodarczyk: Nieniszczące badania metodą prądów wirowych w odniesieniu do pomiarów twardości HV jako komplementarna kontrola jakości wyrobów mosiężnych. Inżynieria Powierzchni, nr 1, 2016, s. 18-23.
  • Adam Kondej, Michał Baranowski: Badania złączy spawanych ze stali martenzytycznej metodą prądów wirowych. Przegląd Spawalnictwa, nr 6, 2014, s. 12-16.
  • Adam Kondej, Michał Baranowski: Metoda prądów wirowych w badaniu złączy spawanych – ocena głębokości wklęśnięcia lica spoiny. Przegląd Spawalnictwa, nr 3, 2014, s. 18-21.
  • Tomasz Babul, Sylwester Jończyk, Tadeusz Samborski: Ocena lokalnych wad mikrostruktury – korelacja wyników pomiarów wiroprądowych i oznaczeń mikrotwardości. Przegląd Spawalnictwa, nr 3, 2014, s. 11-17.
  • Sylwester Jończyk, Tadeusz Samborski, Sylwia Włodarczyk: Możliwość zastosowania metody prądów wirowych do kontroli jakości warstw azotowanych. Inżynieria Powierzchni, nr 2, 2014, s. 52-58.
  • Adam Kondej, Michał Baranowski, Karol Niedźwiedzki, Sylwester Jończyk, Artur Szczepański: Automatyczne stanowisko do badań nieniszczących metodą prądów wirowych. Inżynieria Powierzchni, nr 1, 2014, s. 57-62.
  • Tomasz Babul, Sylwester Jończyk, Sylwia Włodarczyk: The Selected Measurement Problems in the Aspect of the Non-Destructive Testing of the Gear Wheels and the other Parts. Advances in Materials Science, nr 4, 2014, s. 92-101.
  • Tomasz Babul, Sylwester Jończyk, Tadeusz Samborski, Sylwia Włodarczyk: Wykrywanie niejednorodności materiału i lokalnych zmian mikrostruktury metodą prądów wirowych. Przegląd Spawalnictwa, nr 12, 2013, s. 25-28.
  • Tomasz Babul, Sylwester Jończyk, Sylwia Włodarczyk, Czesław Dybiec: Ocena metodą prądów wirowych stanu naprężeń spowodowanych wnikaniem wodoru. Inżynieria Powierzchni, nr 4, 2013, s. 59-65.

 

Zapraszamy do odwiedzenia naszej strony na Facebooku poświęconej badaniom nieniszczącym.

Print Friendly, PDF & Email