مهندسی جوش

بازرسي جريان گردابي(Eddy Current Inspection)

مقدمه :

بازرسي جريان گردابي بر مبناي اصول القاي الكترومغناطيسي بنا مي شود، و به منظور شناخت و ملاحظه ي تفاوت بين گستره اي از انواع فيزيكي،ساختاري و شرايط متالورژيكي در فلزات و قطعات فلزي فرومغناطيس و غير فرومغناطيس مورد استفاده قرار ميگيرد.

بازرسي جريان گردابي را مي توان در موارد زير مورد استفاده قرار داد:

·اندازه گيري يا شناخت شرايط و خواصي همچون؛رسانايي الكتريكي ،تراوايي   مغناطيسي،اندازه ي دانه ها ،شرايط عمليات حرارتي ، سختی و ابعاد فيزيكي

. تعيين درزها ، لبگي ها ، ترك ها ، كاواك ها و آخال ها.

· تفكيك كردن فلزات غير مشابه و آشكار كردن تفاوت بين تركيب ها ، ريزساختار و خواص ديگر آنها

·اندازه گيري ضخامت پوشش غير رسانا كه بر روي فلز قرار گرفته است و يا اندازه گيري ضخامت پوشش غير مغناطيسي بر روي يك فلر مغناطيس.

به علت اينكه جريان هاي گردابي بر مبناي استفاده از تكنيك هاي  القاي مغناطيسي ساخته شده اند ،  متد هاي بازرسي نيازي به تماس مستقيم الكتريكي با قطعه ي مورد بازرسي ، ندارند.

متد جريان گردابي براي بازرسي با سرعت بالا بسيار سازگار مي باشد. و همچنين بدليل غير مخرب بودن آن مي توان براي بازرسي تمام محصولات خروجي در صورت نياز استفاده كرد.

اين متد بر مبناي اندازه گيري غير مستقيم بنا شده است ، و همبستگي بين مطالعات ابزار و  ويژگي هاي ساختاري و قابليت سرويس دهي قطعه ي بازرسي شده ، بايستي با دقت و تكرارهاي مداوم پايه گذاري شود.

امتيازات و محدوديت هاي بازرسي جريان گردابي

بازرسي جريان گردابي ، به شدت چند بعدي است كه مي تواند شامل هر دو بعد معايب و محاسن باشد.امتياز اين متد اين است كه مي توان اين متد را در مورد بسياري از مسائل بازرسي اعمال كرد ، اما به شرطي كه نيازهاي فيزيكي مواد با متد هاي بازرسي سازگار باشد. با اين وجود ، در بسياري از كاربرد ها ، حساسيت متد با اكثر خواص و ويژگي هاي تفكيك ناپذيرمواد  مي تواند خود به عنوان يك عيب قلم داد شود ؛ برخي از متغيرها در يك ماده كه در محدوده ي ماده يا قطعه ي قابل سرويس دهي چندان اهميت زيادي ندارند، شايد باعث ايجاد علامت هاي ابزاري شوند كه اين خود باعث نامحسوس شدن متغيرهاي بحراني مي شود ، يا اين متغيرهاي بحراني باعث تفسير اشتباه مي شوند.

جريان گردابي نقطه ي مقابل متد هاي بازرسي مغناطيسي.در بازرسي جريان گردابي ، جريان هاي گردابي ميدان مغناطيسي خود را مي سازند ، كه مي توان از طريق تاثيرات ميدان بر روي سيم پيچ  تحريك اوليه و يا بوسيله ي ابزارهاي يك سنسور مستقل ، اندازه گيري شوند.

در مواد غير فرومغناطيس ، ميدان الكترومغناطيسي ثانويه منحصرا از جريان هاي گردابي ناشي مي شود.با اين وجود ، در مواد فرومغناطيسي تاثيرات اضافي مغناطيسي اتفاق مي افتد كه معمولا به ميزان كافي مي توانند  تاثيرات ميدان ناشي ازالقاي جريان هاي گردابي را تحت شعاع قرار دهند.اگرچه نامطلوب ، اين تاثيرات اضافي مغناطيسي ناشي شده از تراوايي مغناطيسي ماده بازرسي شده را مي توان بطور طبيعي از طريق مغناطيسي كردن ماده در يك ميدان مغناطيسي ساكن ( جريان مستقيم ) از ميان برداشت. زماني كه تاثيرات تراوايي  غير قابل حذف شدن باشند ، متد هاي بازرسي  بدو دسته ي بازرسي هاي الكترو مغناطيسي و مغناطيس القايي طبقه بندي كرد.

گسترش فرايندهاي بازرسي

توسعه ي متد بازرسي جريان گردابي شامل استفاده از چندين روش علمي و تكنيكي شده است كه در ذيل به برخي از آنها اشاره مي شود:

·   القاي الكترو مغناطيسي

·   تئوري و كاربرد كويل هاي القايي

·   راه حل مشكل مقدار حدي كه بيانگر حركت و ديناميك ميدان هاي الكترومغناطيسي در نزديكي  كويل هاي القايي ، و مخصوصا حركت ميدان هاي الكترومغناطيسي ، شارش جريان الكتريكي ، اثر پوستي (Skin Effect) در رسانا ها در نزديكي اين    نوع كويل ها.

·   پيش گويي هاي تئوريكي تغييرات امپدانسي كويل هاي بازرسي جريان گردابي در نتيجه ي شارش هاي كوچك

·   ابزارسازي پيشرفته كه در نتيجه ي توسعه و گسترش لوله هاي خلا، نيمه رسانا ها ، مدار هاي مجتمع (IC)و ريز تراشه ها  كه همگي رهيافتي مي باشند جهت تكنيك هاي اندازه گيري بهتر و دقيق تر و  پاسخ گويي به تغييرات نامحسوس شارش جريان هاي گردابي در فلزات

·  فرآوري متالورژي و فلزات

· ابزارسازي پيشرفته ؛ نمايش سيگنال ، ثبت داده ها

القاي الكترومغناطيسي در سال 1831 توسط فارادي كشف شد. او پي برد  زماني كه جريان الكتريكي در يك حلقه ي بسته از سيمي را تغيير دهيم ( مانند قطع و وصل كردن يك باطري براي ايجاد تغييرات در جريان ) ، يك جريان الكتريكي در سيم پيچ دوم كه نزديك اولي مي باشد ،  القا مي شود.اين همان اثري است كه در بازرسي جريان گردابي مورد استفاده قرار مي گيرد ، اين اثر باعث مي شود كه جريان گردابي در ماده ي مورد بازرسي شارش يابد و از اين اثر براي بازبيني اين جريان ها استفاده مي شود.

در سال 1864، ماكسول پايان نامه ي خود را در مورد تئوري حركت ميدان مغناطيسي ارائه داد ، كه شامل يك سري معادلات بود كه تمام پديده هاي الكترومغناطيسي در مقياس بزرگ را توصيف مي كرد.اين پديده ها شامل توليد و شارش جريان هاي گردابي در رسانا ها و ميدان هاي مغناطيسي مربوطه مي شود. بنابراين تمام اثرات ميدان هاي مغناطيسي كه مبناي كار  بازرسي جريان گردابي مي باشند ، توسط اصول معادلات ماكسول براي مقادير مرزي بخصوص جهت كاربردهاي عملي ارائه مي شوند.

در سال 1879 ، هيوز (Hughes) متد جريان گردابي را مورد استفاده قرار داد، و تفاوت هايي را در رسانايي الكتريكي ، تراوايي مغناطيسي و دما ، در فلزات ثبت كرد.با اين وجود ، گسترش متد بازرسي جريان گردابي به آرامي به حركت خود ادامه مي داد ، كه مي توان علت آن را عدم نياز به اينگونه متد هاي بازرسي و همچنين ضرورت  توسعه ي تئوري هاي الكتريكي آتي ، براي كاربردهاي عملي ، دانست.

 محاسبه ي شار جريان القايي در فلزات بعدا توسط راه حل هاي معادلات ماكسول براي شرايط مرزي مخصوص  براي پيكربندي هاي متقارن گسترش يافت. اين فنون رياضي در توليد و انتقال صنعتي جريان الكتريكي ، حرارت دهي القايي و همچنين در متد بازرسي جريان گردابي مهم بودند.

 ابزار اندازه گيري ضخامت ديواره در اواسط دهه ي 1920 توسط کرانز (Kranz) گسترش يافت. از مثال هاي ديگري كه سريعا به عنوان پرونده ي كاري مورد قبول قرار گرفت و همچنين مقدمه اي را براي چندين جنبه ي متد بازرسي جريان گردابي ارائه داد ، اثر فارو ( Farrow) بود ، كسي كه پيشگام توسعه ي سيستم جريان گردابي براي بازرسي لوله هاي فولادي جوشكاري شده ، بود.او كار خود را در سال 1930 آغاز كرد و در سال 1935 به پيشرفتي  نائل شد كه آن ، يك سيستم بازرسي كه شامل يك كويل توليد برق اوليه ي مجزا ، كويل  آشكار ساز متغير ثانويه و كويل سولونوئيدي اشباع كننده ي مغناطيسي DC مي شد.فركانس هاي بازرسي مورد استفاده 500، 1000  و 4000 هرتزي بودند.

گستره ي قطر لوله اي از 6.4تا58 ميلي متر تغيير مي كند.سيستم بازرسي همچنين شامل يك شبكه ي متعادل كننده ، تقويت كننده ي فركانس بالا ، تميز دهنده ي فركانس ، تقويت كننده پالس فركانس پايين و يك فيلتر مي باشد.اينها از المان هاي اساسي مورد استفاده در سيستم هاي مدرن بازرسي جريان گردابي  مي باشند.

 در ابتدا از چندين عيوب مصنوعي در فلزات براي كاليبره و تنظيم كردن آزمون ها استفاده مي شود ، اما از سال 1935 به بعد سوراخ هاي دريل شده ، مرجعيي براي استاندارد كردن آزمون ها براي تمام محصولات مورد استفاده قرار داده شد.

علت استفاده از اين نوع سوراخ ها مي توان به موارد زير اشاره كرد :

الف -توليد نسبتا آسان آنها

ب-  قابليت توليد دوباره

ج-  قابليت توليد با اندازه هاي مدرج دقيق

د-  قابليت توليد سيگنال درتستر جريان گردابي مانند آنچه در عيب طبيعي رخ مي دهد.

ه-  به علت كوچكي اين عيب مصنوعي و شباهت آن به عيوب طبيعي و عيوب جوشكاري كه به سختي قابل آشكار سازي هستند.بنابراين اگر تستر بتواند اين حفره هاي كوچك را آشكار كند در نتيجه قابليت آشكار سازي اكثر عيوب طبيعي جوشكاري را خواهد داشت.

اصول عمليات

 متد بازرسي جريان گردابي و تكنيك حرارت دهي القايي كه براي حرارت دادن فلزات استفاده مي شود ، سخت سازي  القايي ، و تمپر كردن همه و همه از چندين لحاظ داراي شباهت هايي مي باشند.براي مثال ، هر دو وابسته به اصول القاي مغناطيسي ، جهت القاي جريان گردابي درون يك قطعه ي جاگذاري شده در درون يا نزديك يك يا چند كويل القايي ، مي باشند.گرما در نتيجه ي تلفات كه اين خود در نتيجه ي شارش جريان گردابي  در قطعه مي باشد توليد مي شود.تغييرات در هم بندي بين كويل هاي القايي و قسمتي كه در حال بازرسي مي باشد و همچنين تغييرات در خواص الكتريكي آن قسمت باعث ايجاد تغييرات  در بارگذاري و تنظيم ژنراتور مي شود.

سامانه ي حرارت دهي القايي در سطوح بالاي نيرو ، براي توليد نرخ حررات مورد نظر انجام مي شود.در نقطه ي مقابل اين سيستم ، سامانه ي بازرسي جريان گردابي معمولا در سطوح پايين تر نيرو براي به حداقل رسانيدن گرماي تلف شده و همچنين تغييرات دمايي انجام مي شود. همچنين در سامانه ي جريان گردابي، تغييرات بارگذاري الكتريكي كه در اثر تغييراتي كه در قطعه ي مورد بازرسي مانند ؛ حضور ترك و شكاف ها  يا تغييرات ابعادي قطعه ،وجود دارد ، نيز از طريق مدار الكتريكي بازبيني مي شود. در هر دوي بازرسي جريان گردابي و حرارت دهي القايي انتخاب فركانس عمليات بطور گسترده اي اثر پوستي راتحت تاثير قرار مي دهد. اين اثر باعث مي شود كه جريان گردابي در محلي نزديك به سطح كويل هايي كه حاوي جريان القايي مي باشند متمركز شود . اثر پوستي در قبال افزايش فركانس تاثيرات چشمگيرتري را  به بار مي آورد.

به علت تفاوت درسطح نيرو و ضرورت تفكيك بالا كه خود ملزم به آرايش و چيدش خاص كويل ها براي آسان گرداندن عمل بازبيني ميدان مغناطيسي در نزديكي قسمت مورد بازرسي مي باشد ، بين كويل هاي مورد استفاده در بازرسي جريان گردابي و كويل هاي عمليات حرارت دهي القايي تفاوتي وجود دارد.

عملكردهاي يك سيستم پايه.قسمتي را كه بايستي مورد بازرسي قرار گيرد ، را درون يا در نزديكي كويل هاي القايي كه حاوي جريان متناوب  مي باشند، قرار مي دهند.همانطور كه در شكل مشهود است، اين جريان متناوب ، كه جريان تحريك خوانده مي شود باعث شارش جريان گردابي در قطعه در نتيجه ي القاي الكترو مغناطيسي مي شود.اين شارش هاي جريان در حلقه ي بسته در قطعه ، ميزان و تنظيم فاز آنها به عوامل زير بستگي دارد:

الف- ميدان اوليه يا اصلي بنا شده توسط جريان تحريك

ب-  خواص الكتريكي قطعه

 ج-  ميدان هاي الكترومغناطيسي بنا شده توسط شارش جريان درون قطعه.

   - سيستم جريان گردابي از نظر پيچيدگي كار تفاوت هايي دارند ، كه بستگي بر تجهيزات بازرسي منحصر به خود ، دارند.با اين وجود ، اكثر اين سيستم ها عملكرد هاي زير را دنبال مي كنند:

الف-   تحريك كويل ها بازرسي

ب-    تنظيم سيگنال خروجي كويل بازرسي بوسيله ي قطعه ي مورد بازرسي

 ج-    پردازش سيگتال كويل بازرسي قبل از تقويت

 د-    تقويت سيگنال كويل بازرسي

 ه-    شناسايي سيگنال كويل بازرسي ، كه معمولا همراه با برخي تحليل ها يا تميز دادن سيگنال مي باشد.

 م-    نمايش سيگنال بر روي كنتور( سنجش گر ) ، اسيلوسكوپ يا ثبت كننده ي نمودار و يا حتي ثبت اطلاعات سيگنال بر روي نوار هاي مغناطيسي يا ديگر ظبط كننده هاي رسانه اي .