201406_Pspaw.pdf 12 Przegląd sPawalnictwa 6/2014 Badania złączy spawanych ze stali martenzytycznej metodą prądów wirowych testing the welded joints   made out of martensitic steel   by using the eddy current method Streszczenie w artykule opisano badania złączy ze stali marten- zytycznej X5CrniCunb16-4 metodą prądów wirowych. Do badań wykorzystano stacjonarne stanowisko automa- tyczne AutowIR-S1 opracowane i wykonane w Instytu- cie Mechaniki Precyzyjnej. Analizie poddano trzy rodza- je próbek: pierwszy to materiał rodzimy, drugi to złącze spawane bez wad, natomiast trzeci to złącze z wykrytymi pęknięciami spoiny. Przedstawiono aparaturę pomiarową oraz metodykę badań. wykazano skuteczność metody prądów wirowych w wykrywaniu przebiegu spoiny oraz detekcji pęknięć. Słowa kluczowe: metoda prądów wirowych, złącza spa- wane, wykrywanie pęknięć, stanowisko automatyczne abstract This paper describes testing the welded joints made out of martensitic steel X5CrniCunb16-4 by using the eddy current method. The study used stationary automatic stand AutowIR-S1 developed and manufac- tured at the Institute of Precision Mechanics. Three kinds of specimens were examined: first entirely made out of base metal, second welded without defects, third weld- ed with cracks. The measurement equipment and the methodology of the study was given. The effectiveness of the eddy current method was demonstrated in detect- ing the course of the weld and the presence of cracks. Keywords: eddy current method, welded joints, detec- tion of cracks, automatic stand Adam Kondej Michał Baranowski Mgr inż. adam Kondej, mgr inż. Michał Baranowski – Instytut Mechaniki Precyzyjnej. Autor korespondencyjny/Corresponding author: adam.kondej@imp.edu.pl Wstęp Metoda prądów wirowych (ET– Electromagnetic Te- sting lub Eddy Current Testing) należy do grupy podsta- wowych metod badań nieniszczących. Jest metodą po- równawczą, wymagającą wzorców odniesienia. Oparta jest na zjawisku indukcji magnetycznej, która polega na indukowaniu prądów wirowych w materiale prze- wodzącym prąd elektryczny w wyniku działania zmien- nego pola magnetycznego. Prądy wirowe wytwarzają własne pole magnetyczne, którego natężenie zależy od przewodności elektrycznej i przenikalności magne- tycznej badanego materiału. wszelkie zmiany struk- tury, geometrii, obecność nieciągłości itd. wpływają na wartości tych parametrów. Analiza zmian pola ma- gnetycznego wytworzonego przez prądy wirowe umoż- liwia ocenę stanu badanego materiału [1÷3]. Technika pomiarowa metodą ET polega na określa- niu zmian wskazań układu pomiarowego w odniesieniu do poziomu przyjmowanego za prawidłowy. Poziom ten ustalany jest na powierzchni próbek odniesienia, bądź na powierzchni badanego elementu w miejscu pozbawionym wszelkich wad i nieciągłości. Metoda prądów wirowych znajduje zastosowanie do wykrywania zmian struktury, zmian składu chemicznego, oceny twardości, oceny kierunku i wielkości naprężeń, do badania przewodności elektrycznej, do pomiaru gru- bości warstw i powłok, a także do wykrywania wszelkie- go rodzaju nieciągłości materiałowych (defektoskopia). 13Przegląd sPawalnictwa 6/2014 Metoda jest szczególnie przydatna do wykrywania wad powierzchniowych oraz podpowierzchniowych, zalega- jących na niewielkiej głębokości [1÷5]. Metoda ET charakteryzuje się względnie niskim kosztem wykonywania pomiarów, szczególnie w przy- padku kontroli elementów o zbliżonych kształtach i wy- miarach. Proces kontroli może być łatwo automatyzo- wany oraz prowadzony z dużą prędkością. Opis stanowiska Stanowisko do badań metodą prądów wirowych AutowIR-S1 (rys. 1) jest przeznaczone do prowadzenia pomiarów w trybie automatycznym. Umożliwia bada- nie elementów o płaskich powierzchniach (np. blachy, płyty itd.) oraz elementów o kształcie brył obrotowych (np. koła zębate, tuleje, krążki, pierścienie itd.). w skład stanowiska wchodzi układ napędowo-pozycjo- nujący, defektoskop wirotest 302 wraz z sondą styko- wą oraz komputer PC z aplikacją sterującą [6]. Przedmiot badań Przedmiotem badań były złącza spawane ze stali nie- rdzewnej X5CrniCunb16-4 (oznaczenie wg En: 1.4542) o strukturze martenzytycznej, umacnianej drobnody- spersyjnymi wydzieleniami faz międzymetalicznych. właściwości elektromagnetyczne badanej stali zostały podane w tablicy I. Rys. 1. Stacjonarne stanowisko automatyczne do badań nieniszczą- cych metodą prądów wirowych Fig. 1. Stationary automatic stand for non-destructive eddy current testing tablica I. właściwości elektromagnetyczne stali X5CrniCunb16-4 table I. Electromagnetic properties of the steel X5CrniCunb16-4 Rezystywność ρ, Ω·m 8·10-7 Przewodność elektryczna właściwa γ, S·m 12,5·106 względna przenikalność magnetyczna, µr 150 Próbki wycięto z blachy o grubości 3 mm, pracują- cej jako taśma prasująca przy produkcji płyt typu MDF. Była ona poddawana cyklicznym obciążeniom, w wyni- ku których następowały lokalne pęknięcia. Fragmenty z wykrytymi wadami były wycinane, a ubytki taśmy uzu- pełniane przez wspawanie nowej blachy metodą TIG. Lico spoiny czołowej usuwano mechanicznie, zatem spoina nie powodowała zmian geometrii powierzchni. naprawiona w ten sposób taśma była dalej eksploato- wana. Kolejne obciążenia cykliczne powodowały po pewnym czasie powstawanie nowych pęknięć, które były zlokalizowane w najbardziej wrażliwych miejscach taśmy – w spoinach i strefie wpływu ciepła. Konse- kwencją pęknięć pojawiających się na taśmie prasują- cej były uszkodzenia powierzchni produkowanych płyt, przez co musiały być one odrzucone. Badaniu poddano trzy rodzaje próbek. Pierwszy rodzaj (nr 1) stanowił wycinek blachy bez spoiny oraz pęknięć, geometrię i wymiary próbki przedstawiono na rysunku 2. Drugi rodzaj (nr 2) również nie miał pęk- nięć, jednak w tym przypadku był to fragment taśmy po naprawie, w którym występowała spoina. Geometrię oraz wymiary próbki nr 2 przedstawiono na rysunku 3. Trzeci rodzaj próbki (nr 3) był kołowym wycięciem frag- mentu złącza, w którym wykryto pęknięcia i powierzch- niowe ubytki materiału, geometrię oraz wymiary próbki przedstawiono na rysunku 4. Stronę blachy, od której prowadzono naprawczy pro- ces spawania, oznaczono jako A, natomiast drugą jako B. Przyjęte oznaczenia wprowadzono także dla bada- nych próbek, w celu jednoznacznego zdefiniowania powierzchni skanowania. Rys. 2. Geometria próbki nr 1 – strona A Fig. 2. The geometry of the sample no. 1 – side A Rys. 3. Geometria próbki nr 2 z zaznaczonym przebiegiem spoiny – strona A Fig. 3. The geometry of the sample no. 2 with marked course of weld – side A 14 Przegląd sPawalnictwa 6/2014 Metodyka badań Pomiary zostały wykonane na stanowisku auto- matycznym w trybie powierzchniowego skanowania (rys. 5). Badania przeprowadzono z wykorzystaniem sond stykowych produkcji IMP o różnej częstotliwości pracy przetwornika (tabl. II) oraz przy różnej czułości układu pomiarowego. Skanowanie powierzchni prowadzono po stronie A dla każdej z próbek według schematu zamieszczo- nego na rysunku 6. Przecięcia linii siatki wyznaczały punkty pomiarowe, w których rejestrowano wskazania defektoskopu. Ruch sondy realizowany był w sposób skokowy. w pierwszej fazie badań pomiary przepro- wadzono ze zwiększonym skokiem sondy (5 mm), w celu skrócenia czasu skanowania. na podstawie analizy uzyskanych wyników określono optymalną czułość układu pomiarowego, dla której wykonano ska- nowanie dokładne – ze zmniejszonym skokiem sondy (2 mm). Zerowanie układu pomiarowego (ustalanie pozio- mu odniesienia) wykonywano każdorazowo dla danej Rys. 4. Geometria próbki nr 3 wraz z rozmieszczeniem nieciągłości od strony A; 1÷5 – powierzchniowe ubytki materiału, 6 – pęknięcie Fig. 4. The geometry of the sample no. 3 together with arrange- ment of the discontinuities on a side A; 1÷5 – surface material losses, 6 – crack Rys. 5. Skanowanie powierzchni próbki nr 3 Fig. 5. Scanning the surface of the sample no. 3 Oznaczenie sondy Częstotliwość pracy przetwornika Średnica zewnętrzna sondy SnC/11/010 3 kHz Ø16 mm SnC/06/001 250 kHz Ø12 mm SnC/05/007 0,5 MHz Ø12 mm SnC/05/003 1 MHz Ø12 mm tablica II. wykaz sond użytych w badaniach table II. List of probes used in measurements Wyniki badań Praca badawcza obejmowała trzy etapy. w pierw- szym określono wpływ materiału rodzimego (stali X5Cr- niCunb16-4) na wskazania poszczególnych sond przy różnych ustawieniach czułości układu (próbka nr 1). w drugim etapie zbadano możliwość wykrywania Rys. 6. Kierunki skanowania Fig. 6. Scanning directions sondy, czułości oraz próbki w ściśle określonym miejscu. Dla wszystkich przypadków miejsce zerowania znajdo- wało się w materiale rodzimym wolnym od pęknięć. w badaniach zastosowano uchwyt z dociskiem sprężynowym sondy, gdzie szczelinę pomiędzy czołem sondy a powierzchnią badaną osiągnięto za pomocą nakrętki dystansowej (wartość szczeliny wynosiła 0,05 mm). 15Przegląd sPawalnictwa 6/2014 zmian struktury metodą prądów wirowych przez ska- nowanie próbki, w której wyróżnić można materiał ro- dzimy, spoinę i strefę wpływu ciepła (SwC). Etap trzeci miał na celu określenie reakcji układu pomiarowego na obecność nieciągłości materiału (próbka nr 3). w artykule zostały przedstawione wybrane wyniki skanowania powierzchniowego próbki nr 2 i nr 3 dla sondy o częstotliwości pracy przetwornika 1 MHz. Wykrywanie zmian struktury materiału (spoina i SWC) Zamieszczony na rysunku 7 wykres powierzchnio- wy próbki nr 2 ujawnił położenie i przebieg spoin oraz SwC. Zmiana struktury, będąca wynikiem cyklu ciepl- nego spawania, spowodowała wyraźny spadek wska- zań wirotestu 302 względem materiału rodzimego. na rysunku 8 zamieszczono wykres powierzchniowy wraz z naniesioną geometrią próbki nr 2 (przedstawioną na rys. 3), potwierdzającą lokalizację wykrytych zmian. Rys. 7. wykres powierzchniowy próbki nr 2 – sonda 1 MHz Fig. 7. Surface graph of the sample no. 2 – probe 1 MHz Rys. 8. wykres powierzchniowy z nałożoną geometrią próbki nr 2 (sonda 1 MHz) Fig. 8. Surface graph with marked geometry of the sample no. 2 (probe 1 MHz) Wykrywanie nieciągłości powierzchniowych Zamieszczony na rysunku 9 wykres powierzchnio- wy próbki nr 3 ujawnił położenie i przebieg spoiny oraz SwC, a także wykazał obecność pęknięcia. Obecność spoiny i SwC spowodowała spadek wskazań wiro- testu 302 względem materiału rodzimego. natomiast w obszarze pęknięcia zostało zarejestrowane wskaza- nie o najwyższych wartościach dodatnich. na rysunku 10 zamieszczono wykres powierzchniowy wraz z nanie- sioną geometrią próbki nr 3 (przedstawioną na rys. 4), potwierdzającą lokalizację wykrytych zmian. Rys. 9. wykres powierzchniowy próbki nr 3 – sonda 1 MHz Fig. 9. Surface graph of the sample no. 3 – probe 1 MHz Rys. 10. wykres powierzchniowy z nałożoną geometrią próbki nr 3 (sonda 1 MHz) Fig. 10. Surface graph with marked geometry of the sample no. 3 (probe 1 MHz) 16 Przegląd sPawalnictwa 6/2014 Podsumowanie na podstawie przeprowadzonych badań można wytypować sondy, których charakterystyka pracy pozwala na prowadzenie skutecznej kontroli złą- czy spawanych ze stali X5CrniCunb16-4. Sonda o częstotliwości pracy przetwornika 1 MHz przy optymalnych ustawieniach układu pomiarowego (czułość, szczelina) umożliwia wykrywanie pęknięć powierzchniowych w spoinie i strefie wpływu ciepła (SwC). Ponadto na podstawie wskazań możliwe jest określenie położenia oraz przebiegu spoiny i SwC. Sonda została sprawdzona na próbkach o określo- nej grubości, wykonanych z materiału o ściśle okre- ślonych właściwościach elektromagnetycznych. na sygnał wyjściowy przetwornika ma wpływ wie- le czynników. Zmiany struktury, geometrii, twardości materiału, obecność nieciągłości itd. wpływają na wskazania defektoskopu. Bardzo często zmiany te występują jednocześnie, co stanowi znaczne utrud- nienie, szczególnie w badaniach ukierunkowanych na wykrywanie konkretnych zmian. Zamieszczone w artykule wyniki badań próbki nr 3 potwierdzają skuteczność wykrywania pęknięć. natomiast wykry- wanie drobnych ubytków powierzchniowych mate- riału nie zostało potwierdzone. Ubytek nr 1 (rys. 4) znajduje się zbyt blisko krawędzi. w wyniku oddzia- ływania efektu krawędziowego nie zaobserwowano sygnałów pochodzących od tej niezgodności. Uby- tek nr 2 ze względów na niewielkie wymiary (pole powierzchni poniżej 0,5 mm2) również nie został wykryty. Pozostałe ubytki znajdowały się zbyt blisko pęknięcia, które silnie wpływało na sygnał wyjściowy sondy. Dodatkowo wszystkie ubytki powierzchniowe znajdowały się w obszarze spoiny i SwC, co mogło mieć istotny wpływ na ich wykrywalność. w celu jed- noznacznego potwierdzenia skuteczności wykrywa- nia tego typu niezgodności należy wykonać badania na specjalnie przygotowanych próbkach, w których czynniki zakłócające będą wyeliminowane. Prowadzenie badań w trybie automatycznym znacznie skraca czas kontroli. Zmniejszenie skoku skanowania umożliwia dokładniejszą kontrolę mate- riału, jednakże znacznie wydłuża czas całego proce- su, zwłaszcza w przypadku skanowania powierzch- niowego dużych elementów. należy zatem dążyć do określania optymalnych parametrów skanowania. w przypadku badań ukierunkowanych na wykrywa- nie zmian struktury materiału skok sondy może być odpowiednio większy, niż w przypadku badań mają- cych na celu wykrywanie niewielkich pęknięć bądź drobnych ubytków materiału. w przypadku kontroli elementów o zmiennej geometrii, mającej znaczący wpływ na sygnał wyj- ściowy, korzystne jest stosowanie uchwytów sond zapewniających stałą odległość od materiału bada- nego. Ma to na celu zmniejszenie lub wyeliminowa- nie wpływu efektu uniesienia na wskazania defek- toskopu. Jednym z rozwiązań, zaprezentowanych w artykule, jest wykorzystanie uchwytu z dociskiem sprężynowym, który niweluje wpływ zmian geometrii elementu na wartość szczeliny. Literatura [1] Lewińska-Romicka A.: Badania materiałów metodą prądów wirowych. Biuro Gamma. warszawa 2007. [2] Dybiec Cz., włodarczyk S.: Badania nieniszczące metodą prądów wirowych – możliwości zastosowań. Ochrona przed korozją, nr 3/2010, s. 67-74. [3] Dybiec Cz.: Prądy wirowe. Metoda i aparatura pomiarowa. Za- kres zastosowań. Materiały szkoleniowe IMP. warszawa 2004. [4] Babul T., Jończyk S., Samborski T., włodarczyk S.: wykrywanie niejednorodności materiału i lokalnych zmian mikrostruktury meto- dą prądów wirowych. Przegląd Spawalnictwa, nr 12/2013, s. 25-28. [5] Babul T., Jończyk S., Samborski T.: Ocena lokalnych wad mikrostruktury – korelacja wyników pomiarów wiroprądo- wych i oznaczeń mikrotwardości. Przegląd Spawalnictwa, nr 3/2014, s. 11-17. [6] Kondej A., Baranowski M., niedźwiedzki K., Jończyk. S., Szczepański A.: Automatyczne stanowisko do badań nienisz- czących metodą prądów wirowych. Inżynieria Powierzchni, nr 1/2014, s. 57-62. Miesięczne i roczne spisy treści oraz streszczenia artykułów opublikowanych w Przeglądzie Spawalnictwa są dostępne na stronie internetowej: www.pspaw.pl