Úvod do zkoušení vířivými proudy
Magnetismus, na jehož principu pracují elektrické motory a generátory, relé a stereo reproduktory, je také silou, na jejímž základě pracují nástroje důležité kategorie nedestruktivního zkoušení, nástroje na zkoušení vířivými proudy. Zkoušení vířivými proudy (EC) je bezkontaktní způsob kontroly kovových dílů.
Vířivé proudy jsou pole střídavého magnetického proudu, která vznikají při průchodu střídavého elektrického proudu jednou nebo několika cívkami v sestavě sondy. Při umístění sondy do blízkosti kontrolovaného dílu indukuje střídavé magnetické pole vířivé proudy ve zkoušeném dílu. Nespojitosti nebo odchylky ve vlastnostech ve zkoušeném dílu mění tok vířivého proudu a na základě těchto změn jsou tyto nespojitosti nebo odchylky detekovány sondou. Tento princip umožňuje měření tloušťky materiálu nebo detekci vad, jako jsou například trhliny nebo koroze.
V průběhu let technologie sond a zpracování dat pokročily natolik, že zkoušení vířivými proudy je uznáváno jako rychlá, jednoduchá a přesná technika. Tato technologie je v současnosti široce využívána v letectví, automobilovém a petrochemickém průmyslu i energetice k detekci povrchových vad a vad ležících blízko pod povrchem v materiálech, jako jsou hliník, korozivzdorná ocel, měď, titan, mosaz, slitiny Inconel® i uhlíková ocel (pouze povrchové vady). V tomto článku uvedeme, co je zkoušení vířivými proudy, jak funguje a popíšeme časté oblasti použití a používané metody tohoto typu zkoušení. Konkrétnější podrobnější informace o zkoušení vířivými proudy naleznete v našem výukovém materiálu.
Jak zkoušení vířivými proudy funguje
Zkoušení vířivými proudy je založeno na fyzikálním jevu elektromagnetické indukce. Vinutím cívky v sondě vířivých proudů protéká střídavý proud a vytváří oscilující magnetické pole. Je-li sonda se svým elektromagnetickým polem umístěna do blízkosti vodivého materiálu, například zkoušeného kovového dílu, začne se v kovu pohybovat kruhový tok elektronů, známý jako vířivý proud, který víří podobně jako voda v proudu. Tento vířivý proud tekoucí kovem vytváří své vlastní magnetické pole, které interaguje s cívkou a jejím polem prostřednictvím vzájemné indukčnosti.
Změny v tloušťce kovu nebo vady, například trhliny v blízkosti povrchu, přerušují nebo pozměňují amplitudu a tvar vířivého proudu a také výsledné magnetické pole. Tím dochází ke změnám impedance cívky a je ovlivněn také pohyb elektronů v cívce. Přístroj na zkoušení vířivými proudy vynese změny impedance a úhlu fáze do grafu, ve kterém může zkušený operátor identifikovat změny ve zkoušeném díle.
Hustota vířivých proudů je nejvyšší v blízkosti povrchu zkoušeného dílu, tudíž tato oblast je oblastí s nejvyšším rozlišením zkoušení. Standardní hloubka vniku je definována jako hloubka, ve které hustota vířivých proudů činí 37 % hodnoty na povrchu; tu lze vypočítat ze zkušební frekvence, permeability a vodivosti zkoušeného materiálu. Odchylky vodivosti ve zkušebním materiálu, jeho permeabilita, frekvence střídavých impulzů budících cívku a geometrie cívky mají vliv na zkušební citlivost, rozlišení a průnik.
Existuje mnoho faktorů, které mohou ovlivnit možnosti kontroly vířivými proudy. Vířivé proudy pohybující se materiály s vyššími hodnotami vodivosti jsou citlivější u povrchových vad, avšak méně pronikají do materiálu, přičemž průnik závisí také na zkušební frekvenci. Vyšší zkušební frekvence zvyšují rozlišení v blízkosti povrchu, ale omezují hloubku vniku, naproti tomu nižší frekvence hloubku vniku zvyšují. Většími cívkami lze z dané polohy provádět kontroly větších objemů materiálu, protože magnetické pole proniká hlouběji do zkoušeného dílu, zatímco malé cívky jsou citlivější na menší vady. Odchylky permeability materiálu vytvářejí šum, který může omezovat rozlišení vady z důvodu větších odchylek pozadí.
Vodivost a permeabilita jsou vlastnosti zkoušeného materiálu, na které operátor nemá žádný vliv, naproti tomu zkušební frekvenci, typ cívky i velikost cívky lze zvolit podle požadavků daného zkoušení. V dané zkoušce je rozlišení určeno typem sondy, naproti tomu možnosti detekce jsou dány materiálem a charakteristikami použitého zkušebního vybavení. U některých kontrol se používá rozmítání přes několik frekvencí za účelem optimalizace výsledků nebo provedení kontroly několika sondami pro získání co nejlepšího rozlišení a vniku potřebného k detekování všech případných vad. Vždy je důležité vybrat pro každou konkrétní oblast použití správnou sondu, aby se tak optimalizovala výkonnost zkoušení.
Vybavení na zkoušení vířivými proudy
Některé starší přístroje na zkoušení vířivými proudy jsou vybaveny jednoduchými analogovými displeji, avšak současným standardním formátem je graf impedanční roviny, na kterém je vynesen odpor cívky (osa x) vůči induktivní reaktanci (osa y). Odchylky v grafu odpovídají odchylkám ve zkoušeném díle. Například zobrazení níže znázorňuje uspořádání kontroly na přítomnost povrchových trhlin v hliníku. Horní křivka představuje 0,04 palců hlubokou povrchovou trhlinu, prostřední křivka je 0,02 palců hluboká trhlina a nejmenší křivka představuje 0,008 palců hlubokou trhlinu. Vodorovná čára je oddálení sondy (liftoff), při kterém byla sonda „nulována“ (vyvažována) na hliníkovém dílu, a při jejím zvednutí do vzduchu dochází k posunu signálu přímo doleva. Tato kontrola byla provedena tužkovou sondou.
Toto zobrazení by se mělo považovat za kalibraci přístroje. Po nastavení parametrů by se parametry neměly v průběhu kontroly měnit. Kontrolní měření jsou zcela závislá na porovnání neboli komparaci signálu s referenční kalibrací.
Další běžné zkoušení zahrnuje měření nevodivých povlaků, například nátěrů, aplikovaných na kovy. Zobrazení obrazovky níže ukazuje nekovový povlak na hliníku. U tohoto použití je sonda „nulována“ (vyvážena) ve vzduchu a poté umístěna na vzorek. Horní čára znázorňuje signál na hliníku bez jakéhokoli povlaku. Druhá čára odshora je 0,004palcový povlak, další čára je 0,008palcový povlak a spodní čára je 0,012palcový povlak. Pro vytvoření takového snímku je nutné změnit mezi jednotlivými měřeními polohu zobrazení, aby bylo zobrazeno oddělení mezi jednotlivými signály. Po provedení této kalibrace kontrolor změří materiál a sleduje vzdálenost, kterou signál putuje přes obrazovku. Lze používat alarmy, které kontrolora upozorní, když je povlak příliš tlustý nebo příliš tenký.
Druhým způsobem, jak změřit tloušťku nevodivého povlaku na vodivém materiálu, je využít možnost měření vodivosti, kterou poskytují přístroje řady NORTEC™ 600 Olympus (modely N600C, N600S a N600D). Toto měření využívá speciální sondu vodivosti, s jejímž použitím se namísto standardní obrazovky impedance, zobrazené výše, zobrazuje obrazovka uvedená níže. Toto měření se nejčastěji používá k určení vodivosti materiálu, ale poskytuje také informace o tloušťce povlaku, která je považována za „odstup (liftoff)“ od materiálu neboli jak daleko se sonda nachází od povrchu vodivého materiálu. Jako příklad zde byl použit 0,004palcový povlak na hliníkovém zkušebním dílu.
Přístroje na zkoušení vířivými proudy jsou schopny provádět celou škálu zkoušek, a to v závislosti na použitém typu sondy. Pečlivý výběr sondy pomáhá optimalizovat výkonnost zkoušení.
Běžné typy sond pro zkoušení vířivými proudy
Níže jsou uvedeny některé sondy, které jsou často používány pro zkoušení vířivými proudy, spolu s popisem typu vad, na který jsou zacíleny, a dílů, k jejichž kontrole jsou běžně používány.
Povrchové sondy: Používají se ke zjišťování vad na povrchu a pod povrchem kovů, povrchové sondy mají obvykle velký průměr, aby bylo možné používat nízké frekvence umožňující hlubší průnik nebo pokrytí větší plochy skenování.
Tužkové sondy: Sondy s menším průměrem s cívkami konstruovanými pro vysoké frekvence k dosažení vysokého rozlišení u vad v blízkosti povrchu.
Sondy pro snímání otvorů: Tyto sondy, navržené pro kontrolu uvnitř otvorů. Lze je otáčet rukou nebo automaticky pomocí rotačního skeneru.
Kruhové sondy: Jsou navrženy pro použití v letadlech ke kontrole otvorů spojovacího materiálu s umístěným spojovacím prvkem.
Posuvné sondy: Posuvné sondy jsou také používány pro kontroly otvorů pro spojovací prvky v letectví, nabízí vyšší rychlosti skenování než toroidní sondy.
ID sondy (sondy vnitřního průměru): Používají se pro kontroly výměníků tepla a podobných kovových potrubí zevnitř. Sondy vnitřního průměru jsou dostupné v různých velikostech.
OD sondy (sondy vnějšího průměru): Používají se pro kontroly kovových trubek a tyčí z vnější strany, kdy zkoušený díl prochází skrz cívku.
Úplný seznam typů sond pro zkoušení vířivými proudy a informace, jak se jednotlivé sondy používají, naleznete zde.
Běžné oblasti použití
Zkoušení vířivými proudy je široce používáno v leteckém průmyslu i v jiných výrobních a servisních prostředích, ve kterých je zapotřebí provádět kontrolu tenkých kovů za účelem zjištění potenciálních problémů souvisejících s bezpečností a jakostí. Zkoušení vířivými proudy lze, kromě detekce trhlin v plechu a trubkách, použít pro měření tloušťky některých kovů, například ke zjišťování koroze pod potahem letadla, měření vodivosti a sledování účinků tepelného zpracování a určení tloušťky nevodivých povlaků na vodivých podkladech. K dispozici jsou jak přenosné přístroje k použití v terénu, tak pevně instalované přístroje tak, aby byly uspokojeny potřeby široké škály provádění zkoušek.
Nedestruktivním zkoušením vířivými proudy lze rychle vyšetřovat velké plochy a není k němu potřeba žádných vazebních kapalin. Zkoušení vířivými proudy lze, kromě zjišťování trhlin, použít také k potvrzení tvrdosti kovů a vodivosti v oblastech použití, kde jsou tyto vlastnosti materiálu předmětem zájmu, a k měření tenkých vrstev nevodivých povlaků na kovových dílech. Zkoušení vířivými proudy je zároveň omezeno na elektroinduktivní materiály, a tudíž ho nelze používat pro plastové materiály. V některých případech se používají společně zkoušení vířivými proudy a zkoušení ultrazvukem jako doplňkové techniky, kdy zkoušení vířivými proudy má výhodu rychlejšího zkoušení povrchu a ultrazvukové zkoušení má výhodu hlubšího vniku.
Níže uvádíme výčet některých běžných oblastí použití zkoušení vířivými proudy:
Kontrola svarů – u mnoha kontrol svarů se používá nedestruktivní zkoušení ultrazvukem pro zkoušení podpovrchových oblastí doplněné o zkoušení povrchu technikou vířivých proudů, kterou se nasnímá povrch za účelem zjištění otevřených povrchových trhlin na převýšení svaru a tepelně ovlivněných oblastech (HAZ).
Zkoušení vodivosti – schopnost techniky zkoušení vířivými proudy měřit vodivost lze využít ke zjišťování a třídění železných i neželezných slitin a k ověření tepelného zpracování.
Kontrola povrchu – zkoušením vířivými proudy lze pohotově zjistit povrchové trhliny na strojně opracovaných dílech a plechách. To zahrnuje kontrolu oblastí spojovacích prvků v letadlech a dalších kriticky důležitých oblastech.
Detekce koroze – přístroje na zkoušení vířivými proudy lze využít k detekci a kvantifikaci koroze na vnitřní straně tenkých kovů, například hliníkovém potahu letadla. Nízkofrekvenční sondy lze využít k lokalizaci koroze ve druhé a třetí vrstvě kovu, kde nelze provést kontrolu ultrazvukem.
Kontrola otvorů – trhliny uvnitř otvorů lze detekovat pomocí sond určených pro otvory, často automatickými rotačními skenery.
Kontrola potrubí – běžné aplikace využívající vířivé proudy jsou jak kontrola potrubí vřazená do výrobní linky, tak kontrola potrubí, například výměníků tepla, v terénu. Detekovat lze jak trhliny, tak i odchylky v tloušťce.
Rozsáhlý seznam oblastí použití zkoušení vířivými proudy naleznete zde.
Referenční etalony pro zkoušení vířivými proudy
Systém pro zkoušení vířivými proudy sestávající z přístroje a sondy musí být vždy na začátku zkoušení zkalibrován příslušným referenčním etalonem. Tento proces zahrnuje identifikaci základního zobrazení z daného zkušebního kusu a sleduje, jak se mění za podmínek k jejichž identifikaci je zkoušení zamýšleno. Při použití k detekci vad je typicky součástí kalibračního procesu použití referenčního etalonu ze stejného materiálu, stejného tvaru a rozměrů jako je zkoušený díl, kdy tento etalon obsahuje umělé vady, jako jsou například zářezy, vývrty nebo stěny s rýhami, které simulují skutečné vady. Při použití k měření tloušťky jsou referenčními etalony různé vzorky známé tloušťky. Operátor pozoruje odezvu z referenčních etalonů, poté porovná indikace ze zkoušeného vzorku s těmito referenčními tvary a na základě toho provede kategorizaci dílů. Náležitá kalibrace provedená s patřičnými referenčními etalony je zcela zásadní součástí jakéhokoli procesu zkoušení vířivými proudy.
Pole vířivých proudů
Zkoušení vířivými proudy v režimu pole (array), neboli ECA – Eddy Current Array, je technologie, při které se používá současně několik cívek vířivých proudů, které jsou umístěny vedle sebe v sestavě jedné sondy. Každá jednotlivá cívka vytváří signál, jehož amplituda a fáze souvisí se strukturou, která se nachází pod cívkou. Tato data jsou svázána s kódovanou polohou a časem a graficky znázorněna formou zobrazení C-skenu, který zobrazuje struktury v planárním pohledu. ECA umožňuje, kromě vizualizace prostřednictvím obrazu C-skenu, pokrytí větších oblastí na jeden průchod při zachování vysokého rozlišení. Při ECA lze použít jednodušší upevnění; navíc může zjednodušit kontrolu složitých tvarů použitím sond upravených na míru a zkonstruovaných tak, aby odpovídaly profilu zkoušeného dílu.
