مقدمه

 مقدمه

          روش تست ذرات مغناطیسی جهت آشکار سازی عیوب سطحی و نزدیک به سطح مواد مغناطیسی شونده (فرومغناطیسی) بکار می رود .

 

ذرات مغناطیسی یعنی دانه های بسیار ریز پودر آهن نرم  ( در حدود 3 تا 200 میکرون ) که قابلیت جذب شدن توسط میدان مغناطیسی را دارد .

ذرات مغناطیسی

تئوری :

میدان مغناطیسی بطور طبیعی در سطح وزیرسطح جاری می شود اگر شدت میدان را طوری تنظیم کنیم که در سطح پیرامون کم باشد ، بعلت اثر پوسته ، در لبه های ابتدا و انتهای قطعه فوران میدان مغناطیسی خواهیم داشت .

اگر در سطح یا زیر سطح ، درجهت غیر موازی بر امتداد انتشار خطوط مغناطیسی ، ناپیوستگی وجود داشته باشد به دلیل اثر پوسته ٬ نشت میدان مغناطیسی و اینکه نا پیوستگی ، دو سطح با قطب های غیر همنام می باشند این نشتی به شکل پل مغناطیسی در محل ناپیوستگی بوجود می آید .

اگر ذرات مغناطیسی روی چنین سطحی پاشیده شود جذب میدان نشتی (پل مغناطیسی) در محل ناپیوستگی خواهد شد و آن را قابل رویت می کند .

 

تعاریف مغناطیسم :

مـاده مغنـاطیسی 

Magnetic material

 مواد مغناطیسی مانند آهن و نیکل و کبالت و بعضی آلیاژهای آنها جذب آهن ربا می گردند و یک میدان مغناطیسی اطراف آنها ایجاد می شود . هر مغناطیس دو قطب مثبت (+) و منفی (-) دارد. قطبهای مغناطیسی هم نام یکدیگر را دفع و قطبهای مغناطیسی غیرهمنام یکدیگر را جذب می کنند. مواد فرومغناطیسی موادی هستند که بشدت جذب میدان مغناطیسی میگردند. آنها را میتوان تبدیل به مغناطیس نمود و آزمایش پودر مغناطیسی برروی آنها انجام داد. در شکل زیر عوامل آهن ربا شدن مواد فرومغناطیسی نشانداده شده است که در نهایت دارای یک قطب شمال و یک قطب جنوب می گردند.

 

میدان مغناطیسی

Magnetic field

          هر ماده مغناطیسی شده دارای دو قطب مثبت و منفی است و همچنین اطراف ماده مغناطیسی شده میدان مغناطیسی که شامل خطوط میدان است وجود دارد. نام دیگر خطوط میدان Magnetic Flux Lines (خطوط شار مغناطیسی) می باشد .

 این خطوط را میتوان با قراردادن یک آهن ربا در زیر یک صفحه کاغذ که روی آن براده آهن وجود دارد ترسیم کرد . این خطوط از قوانین زیر تبعیت می نمایند:

جهت قراردادن شار مغناطیسی از قطب شمال به جنوب در خارج ماده مغناطیسی و از جنوب به شمال در داخل آن است.

خطوط شار مغناطیسی همدیگر را قطع نمی نمایند.

بطور جانبی یکدیگر را دفع می کنند.

در یک وضعیت کششی هستند.

جائیکه شدت میدان مغناطیسی بزرگتر است خطوط نیروی بیشتری موجود است.

جریان مغناطیسی :

Magnetic flow

مجموعه کل خطوط مغناطیسی موجود در یک میدان مغناطیسی را بنام فلوی مغناطیسی می نامیم.

چگالی میدان مغناطیسی :

density of the magnetic field

          مقدار شار یا فلوی مغناطیسی در واحد سطح مقطع که شار را قطع کند چگالی میدان مغناطیسی گویند .

 واحد آن تسلا می باشد که جانشین گوس شده است (تسلا 1 = 104 گوس) و آنرا با B  نشان می دهند.

نیروی محرکه مغناطیسی :

Magnetic the driving force

 نیروی کلی که تمایل به ایجاد فلوی مغناطیسی در یک مدار آهن ربائی دارد را نیروی محرکه مغناطیسی می نامند .

 مقدار آن از حاصلضرب شدت جریان در تعداد حلقه های سیم پیچ به دست می آید.   و آن را با Ө نشان می دهیم .                

 Ө = I. N    

 I   شدت جریان بر حسب آمپر و N   تعداد دور سیم پیچ و Ө نیروی محرکه مغناطیسی بر حسب آمپر دور می باشند.

 

 

مدار آهنربائی در تست ذرات مغناطیسی به دو صورت می باشد .

1- سیم پیچ 

یا 

2- عبور جریان از یک هادی 

نیروی محرکه مغناطیسی در اولی بر حسب آمپر در تعداد دور سیم پیچ و در دومی بر حسب  آمپری که از قطعه می کذرد  محاسبه می گردد .

اندازه شدت میدان مغناطیسی :

Measured magnetic field strength

  از تقسیم نیروی محرکه مغناطیسی ( Ө) به طول متوسط خطوط میدان (L ) بدست می آیدو با H   نمایش داده می شود و واحد آن آمپر بر متر است.

 H = IN / L

در تست ذرات مغناطیسی اگر نیروی محرکه پیچه باشد L به طول خطوط میدان در سطح جانبی گفته می شود .  

اگر نیروی محرکه، عبور جریان باشد L به طول خطوط میدان درمحیط سطح مقطع گفته می شود .

این واحد در تست ذرات مغناطیسی کیلو آمپر بر متر( KA / M ) می باشد که برابر با 10 آمپر بر سانتیمتر است A /Cm ضربدر ۱۰ مقدار آن برابر است با 2 تا 5 واین مقدار ساده می شود به 20 تا 50 آمپر بر سانتیمتر 20 ~50 A/Cm

بوسیله دستگاه F S M با پراب اثر هال این مقدار اندازه گیری می شود .

 

نفوذ پذیری : ( Permeability )

 قابلیت جذب میدان مغناطیسی در ماده که بیانگر قدرت مغناطیسی شدن می باشد را می گویند. بعبارتی سهولت در قابلیت مغناطیسی شدن میزان نفوذ پذیری را نشان می دهد .

 آهن نرم و فولاد های کم کربن براحتی مغناطیسی شده (با نیروی محرکه مغناطیسی کم) بنابراین نفوذ پذیری زیادی دارند ولی خاصیت مغناطیسی خود را هم زود از دست می دهد یعنی پسماند مغناطیسی کمی دارند و برعکس مواد مغناطیسی با نفوذپذیری کم مانند مونل ، بسختی مغناطیسی شده (با نیروی محرکه مغناطیسی زیاد)  ولی قابلیت نگهداری خاصیت مغناطیسی آنها بالاست یعنی پسماند مغناطیسی زیاد دارند. از همین رو آهنربای نعلی شکل از مواد سخت (فولاد سخت) ساخته می شود.

اشباع :

Saturation magnetization

 اشباع مرحله ای است که هر افزایش در نیروی محرکه مغناطیسی (H) به قطعه تغییری در شدت میدان مغناطیسی B ایجاد نمی کند.

 

نگهدارندگی : ( Retentively )

 درجه قابلیت نگهداری خاصیت مغناطیسی در مواد فرومغناطیسی را گویند.

رابطه بین نیروی محرکه H و چگالی شار میدان B:

          اگر یک ماده مغناطیس شونده ای که خاصیت مغناطیسی در آن وجود ندارد را در یک سیم پیچ (کویل) قرار داده و جریان مستقیمی (DC) در کویل اعمال کنیم بطوریکه جریان از صفر شروع شده (آمپر ) و بطور پیوسته و با نرخ معین افزایش یابد منحنی فوق بدست می آید

نتیجه حاصل از گراف فوق :

با افزایش نیروی مغناطیس کننده، شار جریان یافته خطوط میدان در ماده افزایش می یابد تا به نقطه اشباع برسد.

نکته :اگر در ماده خاصیت مغناطیسی قبلی وجود نداشته باشد به گراف فوق، گراف بکر (Virgin) گفته می شود.

منحنی فوق میزان ماکزیمم دانسیته شار مغناطیسی را که می تواند در ماده جاری شود را بیان می کند. با کاهش تدریجی نیروی مغناطیسی کننده، دانسیته شار میدان نیز کاهش می یابد ولی به صفر نمی رسد و به مقدار میدان مغناطیس باقی مانده در ماده، پسماند مغناطیسی کویند.

قدرت نگهداری (Retentively Power)

به قابلیت نگهداری یک مقدار مشخص پسماند مغناطیسی در مواد گفته می شود.

نکته : مواد با قابلیت نفوذپذیری کم (ماده سخت) دارای قدرت نگهداری بالائی هستند.

با توجه به گراف فوق، اگر نیروی مغناطیس کننده بطور معکوس اعمال شود (همانند استفاده از جریان متناوب) بصورت تدریجی و در جهت مخالف افزایش یابد، دانسیته شار مغناطیس باقی مانده کاهش می یابد تا به صفر (نقطه C) برسد که این امر با اعمال یک نیروی مغناطیس کننده از نقطه 0 تا c ایجاد می گردد.

با اجرای عملیات فوق ، ماده عملاٌ از حالت مغناطیسی خارج شده (de magnetized) و ما می توانیم نیروی مغناطیس کننده لازم برای اینکار را محاسبه کنیم.

تعریف نیروی مغناطیس کننده معکوس : نیروی مغناطیس کننده معکوس (Coercive Force) به منظور از بین بردن مغناطیس باقیمانده در ماده بکار میرود.

نکته : مواد مغناطیسی سخت نیاز به نیروی مغناطیس کننده بیشتری جهت از بین بردن مغناطیس باقی مانده در ماده دارد .

فولادها دارای پسماند مغناطیسی نسبتاً بالائی هستند.

محدوده بین o-c نشانگر نیروی لازم برای از بین بردن مغناطیس باقی مانده در قطعه است.

محدوده بین o-b نشانگر میزان مغناطیس باقی مانده در ماده است . (یا قابلیت نگهداری خاصیت مغناطیسی در ماده)

در صورتیکه نیروی مغناطیس کننده از نقطه c بیشتر شود، دانسیته شار مغناطیسی تا نقطه اشباع زیاد می شود ولی در جهت معکوس (نقطه d)

اگر مجدداً ، نیروی مغناطیسی را تا نقطه صفر کاهش تدریحی دهیم ، نقطه e تا o نشانگر میزان مغناطیسی باقی مانده در جهت مقابل است.

با افزایش نیروی مغناطیسی در جهت اصلی، یک چرخه (loop) کامل ایجاد می شود. باید توجه کرد که منحنی خط چین دیگر دنبال نمی شود و به آن منحنی اصلی یا اولیه گفته می شود.

نقطه بین f تا o نشانگر مقدار نیرویی است که لازم است تا مغناطیس باقی مانده در جهت مخالف نیز از بین برود.

نکته : نیروی مغناطیس کننده لازم جهت مغناطیس زدائی در جهت اصلی و جهت عکس با هم برابرند و فقط علامت آنها با هم فرق می کند. (یکی مثبت و دیگری منفی)

به منحنی بسته فوق منحنی هیستریسیز (Hysteric's loop) گویند.

 

تعریف مقاومت مغناطیسی (Reluctance)

 مقاومت ماده در مقابل نیروی مغناطیس کننده را گویند.

نکته : پهنای منحنی هیستر یسیز در مواد سخت بیشتر از مواد نرم است چون نیروی مغناطیس کننده لازم برای برطرف کردن مغناطیس باقی مانده در مواد سخت بیشتر است و علت آن بیشتر بودن میزان این مغناطیس باقی مانده می باشد

نتیجه گیری :

1- مواد با قابلیت نفوذ کم       به سختی مغناطیس میشود.

 2- مواد با قابلیت نگهداری زیاد مغناطیسی        منجر به باقی ماندن میدان مغناطیس قوی تر می شود.

 3- نیروی مغناطیس کنندگی بالا       نیاز به نیروی مغناطیس معکوس زیاد برای برطرف کردن مغناطیس باقی مانده دارد.

4- مقاومت مغناطیسی بالا        مقاومت زیاد در مقابل نیروی مغناطیس کننده دارد.

 5- مغناطیس باقی مانده زیاد       باقی ماندن میدان مغناطیسی قوی تر را موجب شود.

نکته : مواد مغناطیسی سخت ، مقاومت مغناطیسی بالائی دارند لذا نیاز به نیروی مغناطیس کننده قوی تر داشته و به طبع مغناطیس باقی مانده در آنها قوی تر است و نیاز به نیروی مغناطیس زدای قوی تری هم دارند.

مغناطیسی کردن و اثر ناپیوستگی های مواد :

effects of magnetic material discontinuities

 جهت میدان مغناطیسی در یک مدار الکترومغناطیسی بستگی به جهت جریان در آن مدار داشته و خطوط میدان همیشه بر امتداد جریانی که از یک رسانا می گذرد عمود می باشد. رابطه بین جهت میدان و جریان نیز از روی قانون ساده انگشتان دست راست تعیین می شود.

 

جریانی که از یک ماده رسانای مستقیم مثل سیم یا میله میگذرد؛ در حول آن میدان مغناطیسی مدور ایجاد می کند و اگر رسانا از نوع فرومغناطیسی باشد، جریان الکتریکی در درون آن نیز ایجاد میدان خواهد کرد. بنابراین قطعه ای که به روش بالا مغناطیس شود دارای میدانی مدور مطابق شکل  خواهد بود.

 

جریان الکتریکی را میتوان برای ایجاد میدانهای طولی در قطعات نیز مورد استفاده قرارداد. در این حالت رسانای جریان به صورت سیم پیچی مرکب از یک یا چند دور در می آید که قطعه را احاطه کرده و جریان گذرا از آن ، در قطعه میدانی خطی مطابق شکل ایجاد می کند.

 

اثر ناپیوستگی های مواد :

Discontinuities of material

 زمانی که یک میله مغناطیسی بدونیم می شود هر قسمت بطور مجزا دارای دو قطب S,N می شوند و در صورت چسباندن آنها از دو سر غیرهمنام، قطبها بطور کامل از بین نرفته و یک نشتی در ناحیه اتصال باقی خواهد ماند.

نشتی مغناطیسی در حقیقیت یک شکست یا ناهماهنگی در مدار مغناطیسی است.

 

 

همچنین اگر تکه ای از ماده مغناطیسی جدا شود خطوط نیرو از میله جدا شده و از طریق هوا از یک قطب به قطب دیگر وارد می شود. آزمایش پودر مغناطیسی برنشت مغناطیسی تکیه دارد. که در حقیقت سطح قطعات فرومغناطیسی را که هر گونه عیوب و نواقص سبب نشت شار مغناطیسی می شود را می توان بازرسی نمــود.

تعیین نشت فلوی مغناطیسی در آزمایش ذرات مغناطیسی به عوامل زیر بستگی دارد:

1- انـدازه ترک        

2 - شکل  ترک        

3- حجم   ترک        

4- جهـت  ترک

5- فاصـله ترک تا سطح               

6- نفوذپذیری قطعه

قابلیت آزمون ذرات مغناطیسی ، برای عیب یابی ، بستگی به جهت عیوب نسبت به میدان القاء شده در قطعه  داشته، و در حالیکه عیب عمود بر امتداد میدان باشد از بیشترین کارآئی برخوردار خواهد بود. این مسئله در شکل زیر نشان داده شده است.  

 

برای آگاهی از وجود تمام عیوب یک قطعه ، معمولاً لازم است آنرا بیش از یکبار مغناطیس نمائیم. 

برای قطعات به اشکال نسبتاً ساده اینکار به این ترتیب عملی می شود که برای تعیین عیوب طولی قطعه ، نخست میدان مغناطیسی دوار در آن ایجاد شده و سپس قطعه مغناطیس زدائی و با استفاده از جریان حلقوی و القاء میدان طولی در آن ، عیوب غیرطولی آن نیز آشکار سازی می شود.

شکل زیر میله ای را که عیوب آن دارای امتدادهای مختلف اند نشان میدهد، با عبور جریان در این میله،فقط عیوب طولی آن قابل آشکارسازی خواهد بود.

 

 

 هنگامیکه شکل قطعه پیچیده باشد، میدان های مغناطیسی الفاء شده در آن دچار اعوجاج شده و معمولاً ترکیبی از دو میدان دوار و طولی را در پی خواهد داشت.

ذرات مغناطیسی :

Magnetic particles

ذرات مغناطیسی مورد نیاز برای بازرسی را میتوان از هر ماده فرومغناطیسی دارای پسماند کم تولید نمود. این ذرات معمولاٌ از پودر نرم اکسیدها و یا فلزات مورد نظر انتخاب شده و بسته به نحوه اعمال آنها به دو گروه تر و خشک تقسیم می شوند، در حالیکه ذرات خشک در هوا یا گاز منتقل می شوند ، ذرات تر در دوغابی از یک مایع ناقل به نمونه عرضه می گردند.

برای پاشیدن پودر از یک دمنده مکانیکی پودر یا افشانک لاستیکی استفاده می شود. در اعمال پودر بر سطح قطعه باید دقت لازم معمول شده و از پاشیدن مستقیم آن با فشار باید پرهیز شود، زیرا در این شرایط دانه های پودر، آزادی جذب شدن بوسیله تمام میدانهای نشتی را نخواهند داشت. از این جهت سعی می شود دانه ها بصورت ابری یکنواخت به سطح قطعه مغناطیس شده نزدیک شوند.

در حالیکه از روش بازرسی با پودر خشک استفاده شود، عاری بودن قطعه از چربی و دیگر لایه ها و مواد چسبنده حائز اهمیت می باشد، زیرا پودر می تواند بوسیله این مواد جذب شده و نشانه های کاذبی در ارتباط با وجود عیوب ایجاد نماید. برای سهولت مشاهده ، ذرات پودر در رنگهای متعدد که متداولترین آنها قرمز، زرد و سیاه است عرضه می شوند.

همچنین پودرهای خشک با پوشش دارای خاصیت فلورسانس نیز مورد استفاده قرار میگیرند، در این صورت لازم است برای مشاهده سطح از نور فرابنفش استفاده شود. هر چند افزایش مواد رنگی به پودر از حساسیت روش بازرسی میکاهد؛ ولی مشاهده پودر رنگی ممکن است در مقایسه با پودرهای سیاه مثل پودر Fe3O4 راحت تر باشد. انتخاب پودر، در هر مورد، بستگی به طبیعت سطح قطعه خواهد داشت.

 آزمون با پودر خشک همراه با تجهیزات مغناطیسی کردن قابل جابجائی  بسیار کارآمد و برای آشکارسازی عیوب از قابلیت بالائی برخوردار می باشد، (به خصوص اگر سطح قطعه تا حدی ناصاف باشد) همچنین حساسیت آن برای تشخیص عیوب زیر سطحی از روش پودر تر بیشتر می باشد.

پودر تر معمولاً برای تجهیزات ثابت مورد استفاده قرار می گیرد . مایع ناقل یک فرآورده نفتی سبک مانند کروزن است ، هر چند می توان از آب هم استفاده نمود. ذرات معمولاً در رنگهای سیاه یا قرمز و یا پوردهای آبی و یا زرد متمایل به سبز دارای خاصیت فلورسانس عرضه می شوند.

 

 ذرات تر دارای تحرک بیشتری، در مقایسه با پودر خشک، بوده و اعمال آنها نیز ساده تر می باشد. با توجه به اینکه ماده ناقل پایه نفتی دارد. وجود چربی در روی سطح مسئله چندانی ایجاد نمی کند ، در عین حال باید تمهیدات لازم در خصوص خطرات آتش گیری و سمیت مورد توجه قرار گیرد. به علاوه، حمام مایع باید بطور مداوم بهم زده شود تا آزادی حرکت ذرات و همگنی مایع حفظ گردد. تمیز کردن منظم مخزن فوق، به منظور حذف آلودگیها ، نیز باید مدنظر باشد.

 

 روش بازرسی پودر تر، به خصوص هنگامی که از پودر خاصیت فلورسانس و نور فرابنفش استفاده شود، دارای حساسیت بسیار بالائی خواهد بود. 

هر چند که اندازه و شکل واقعی ذرات پودر بستگی به سیاستهای خاص تولید کنندگان دارد، ولی لازم است از مزایا و محدودیت های مرتبط با این پارامترها اطلاع حاصل شود.

اندازه دانه ها – ذرات درشت برای پل زنی حفره ها و ترکهای بزرگ مناسب تر از ذرات ریز می باشند، در حالی که ذرات ریز برای آشکار سازی عیوب کوچک حساسیت بهتری دارند . 

دلیل این مسئله را باید در عدم جذب ذرات درشت در میدانهای نشتی ضعیف جستجو کرد؛ در حالیکه ذرات ریز بسادگی به تله میدانهای نشتی ضعیف می افتند. 

البته چسبیدن دانه های ریز به اثرات انگشت، مناطق خاک آلود و سطوح ناصاف نیز محتمل می باشد که این مساله نیز در آشکار شدن نشانه کاذب و مبهم شدن موقعیت عیوب واقعی می تواند موثر واقع شود.

ذرات دراز و باریک قابلیت قطبی شدن بیشتری نسبت به دانه های کروی برخوردار بوده و بنابراین قادرند ترکها و عیوب قطعه را راحت تر مشخص نمایند، البته قابلیت تحرک این ذرات بخصوص اگر بهم چسبیده و دسته شوند کمتر از پودرهای کروی می باشد. قدرت تشخیص عیوب و درجه حساسیت بازرسی را میتوان با مخلوط سازی پودر کروی و دراز (سوزنی) افزایش داد.

مشخصات دستگاههای آزمایش مغناطیسی

این دستگاهها می تواند به 3 دسته تقسیم گردد:

قابل حمل YOKE

 

متحرک    PROD

 

نصب شده یکپارچه (ایستگاهی ) Bench Type

الف - تجهیزات قابل حمل

آهنربای دائمی

Permanent magnet

آهنربای دائمی بین دو قطب خود یک میدان مغناطیسی طولی ایجاد می کند. نوع جدید آن آهنربائی نعلی شکل است که بازوهای آن قابل تنظیم و انتهای قطب آن نیز از نظر هندسی قابل تغییر است. قابلیت عیب یابی آن وقتی که عیوب عمود بر فلو (90 درجه) باشد مطلوب است.

 

آهنربای الکتریکی(YOKE)

 

 

 برای کاهش اتلاف جریان سرگردان، آهنربای الکتریکی را از ورقهای نرم آهن می سازند. مخصوصاً اگر از جریان متناوب مورد استفاده قرار گیرد. پایه ها دارای مفصل هستند تا در سطوح ناهموار نیز قادر به ایجاد تماس باشند. این آهنربای الکتریکی یک میدان طولی ایجاد می کند .

فوائد

محدودیت

با AC و DC کار می کند

به تغذیه برق نیاز دارد

قدرت میدان مغناطیسی قابل کنترل است

فقط میدان طولی ایجاد می کند

از شبکه برق می تواند مستقیم تغدیه گردد

با ولتاژ معینی کار می کند

با خاموش و روشن کردن دستگاه می توان به آسانی آنرا در محل آزمایش حرکت داد

قطبهای دستگاه پودر مغناطیسی را جذب می کند

به قطعه کار آسیب نمی رساند

پایه ها باید سطحی برای تماس داشته باشند

با AC می توان مغناطیس زدائی نمود

 

ب -آزمایش سیخک (PROD) :

           این دستگاه آزمایش آمپری زیادی را به قطعه کار جهت تولید میدان مغناطیسی مدور در قطعه می فرستد . شدت جریان زیاد می تواند سبب ایجاد قوس بین سطح قطعه کار و سیخک (الکترود) شود.

سطح تماس باید بدقت تمیز گردد و سیخک باید از جنسی انتخاب گردد که قطعه کار را آلوده و کثیف نکند. 

منبع : http://weld123.blogfa.com/post-306.aspx