PS 001 2016 WWW.pdf 57PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Porównanie możliwości diagnostycznych  metod magnetycznej pamięci metalu, szumu Barkhausena  i niskoczęstotliwościowej impedancji Comparison of diagnostic capabilities of metal magnetic memory method, Barkhausen noise method and low-frequency impedance spectroscopy method Dr  hab.  inż.  Maciej  Roskosz  – Politechnika Śląśka;  dr  inż.  Mirosław  Witoś  – Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych; dr hab. inż. Zbigniew Hilary Żurek, prof. nzw. PŚl.; mgr inż. Krzysztof Fryczowski – Politechnika Śląśka. Autor korespondencyjny/Corresponding author: maciej.roskosz@polsl.pl Streszczenie W artykule przedstawiono trzy metody badań nienisz- czących: metodę magnetycznej pamięci metalu, szumu Bar- khausena i niskoczęstotliwościowej impedancji. Zwrócono uwagę na niejawny, nieliniowy związek istniejący pomiędzy parametrami mechanicznymi i elektromagnetycznymi ma- teriału, a stanem jego wytężenia i degradacji. Omawianą tematykę zobrazowano przykładami, na podstawie których wykazano celowość uwzględnienia charakterystyk często- tliwościowych parametrów elektromagnetycznych materia- łu w opisie symptomów diagnostycznych metody magne- tycznej pamięci metalu i szumu Barkhausena. Słowa kluczowe: przewodnik; mikrostruktura; przenikalność ma- gnetyczna; konduktywność; degradacja materiału; NDT; SHM Abstract This paper presents three NDT method: Magnetic Metal Memory Method, Barkhausen noise method and LFIS method. The attention has been drawn to the implicit and non-linear relationship that exists between the me- chanical and electromagnetic parameters of the material and the degree of effort and degradation of the struc- ture. Presented topic has been illustrated by examples, on the basis of which demonstrated purposefulness of taking in the account frequency characteristics of electro- magnetic parameters of the material in the describtion of diagnostic symptoms of Metal Magnetic Memory method and Barkhausen noise. Keywords: conductor; microstructure; permeability; conduc- tivity; material degradation; NDT; SHM Wstęp Trzy metody badań nieniszczących: magnetyczna pa- mięć metalu (MPM), szum Barkhausena (BN) i niskoczęsto- tliwościowa spektroskopia impedancji (LFIS) umożliwiają identyfikację stanu technicznego przewodnika materiału przewodzącego prąd elektryczny (przewodnika) i jego wytę- żenia [1÷6]. Różnice między ww. metodami dotyczą: – celu i zakresu badań, – typu badanego materiału, – metody magnesowania materiału, – pasma częstotliwości mierzonego sygnału, – algorytmów analizy danych i symptomów diagnostycznych. Wspólnym obszarem opisywanych metod są właściwo- ści elektryczne i magnetyczne badanego materiału, które są odwzorowane niejawnie w symptomach diagnostycznych. Każda z ww. metod może zwiększyć swoje możliwości funk- Maciej Roskosz, Mirosław Witoś, Zbigniew Hilary Żurek, Krzysztof Fryczowski przeglad Welding Technology Review cjonalne i prawdopodobieństwo poprawnej diagnozy (POD), gdy w algorytmach analizy danych pomiarowych i kryteriach diagnostycznych uwzględni wiedzę pozyskaną przez pozo- stałe dwie metody - efekt synergii. Wiedza diagnosty musi być również powiązana z wiedzą specjalisty inżynierii ma- teriałowej w zakresie charakterystyk opisujących główne procesy degradacji materiału (LCF, HCF, VHCF i TMF) [7÷12]. Charakterystyka metod badawczych Metoda MPM jest przykładem procesu analizy sygnału pozyskanego z obiektu typu „czarna skrzynka”, o niezna- nych wymuszeniach i właściwościach (rys. 1). Zagadnienie podobne do diagnostyki wibroakustycznej. W tej metodzie 58 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Rys. 1. Diagnozowanie obiektu badań (DUT) metodami elektromagne- tycznymi: a) metoda MPM – proces analizy sygnału; b) metoda BN i LFIS – proces analizy systemu (T(t) – temperatura, α(t)- naprężenia mechaniczne i termiczne, H(t) – natężenie zewnętrznego pola magne- tycznego, B(t) – indukcja magnetyczna w punkcie pomiarowym) Fig. 1. Diagnosing device under testing (DUT) by electromagnetic methods: a) MMM method – a process of signal analysis; b) BN and LFIS methods – a process of system analysis (T(t) – tempera- ture, α(t)- mechanical and thermal stresses, H(t) – the intensity of an external magnetic field, B(t) – magnetic induction at the meas- urement point) diagnosta rejestruje i analizuje informację o zastanym na- magnesowaniu materiału, która jest nieliniowo skorelowana z mikrostrukturą, historią eksploatacji, poziomem degrada- cji, gęstością dyslokacji i tarciem wewnętrznym [13]. Pozo- stałe dwie metody są przykładem procesu analizy systemu o nieznanych cechach i sygnałach sterujących, identyfiko- wanego na bazie odpowiedzi badanego obiektu na znany sygnał wymuszający (rys. 1). W obu aktywnych metodach NDT diagnosta lokalnie przemagnesowuje materiał w celu uzyskania podstawowej informacji o badanym materiale, kasując przy okazji częściowo lub całkowicie informację zapisaną w materiale przez efekty magneto-mechaniczne o historii eksploatacji obiektu. Metoda magnetycznej pamięci metalu Metoda magnetycznej pamięci metalu jest stosowana do diagnozowania materiałów fer- ro-magnetycznych i metastabilnych materiałów paramagnetycznych [14]. Podczas badań MPM rejestrowane i analizowane są: – zastany rozkład składowej stałej namagneso- wania materiału (namagnesowanie resztko- we dla konstrukcji odciążonej, namagnesowa- nie naprężeniowe dla konstrukcji obciążonej, ślady magnetyczne pozostawione po defek- toskopii MT lub robotach do defektoskopii UT i RT); – lokalne anomalie magnetyczne (odstępstwo od trendu, uwzględniające kształt badanego obiektu i jego położenie względem ziemskie- go pola magnetycznego). Magnesowanie materiału i faza zapisu infor- macji diagnostycznej jest realizowana przez ze- wnętrzne pole magnetyczne, naprężenia mecha- niczne i termiczne, zmiany temperatury materiału oraz procesy degradacji struktury zmieniające poziom rozpraszania energii wewnętrznej oraz parametry elektryczne i magnetyczne materiału (rys. 2). Procesy na które w metodzie MPM dia- gnosta nie ma wpływu, ale których wypadkowe skutki może wiarygodnie zmierzyć przy pomocy taniego magnetometru. Prawdziwe symptomy diagnostyczne MPM (po wykluczeniu fałszywych anomalii magne- tycznych z danych pomiarowych) mogą być skorelowane ze stanem naprężeń I, II i III rodzaju, niejed- norodnością składu chemicznego i struktury (m.in. gęsto- ści dyslokacji, strefą HAZ spoiny) oraz defektami struktury [6,10,15,16]. Metoda MPM umożliwia (rys. 3): – szybką lokalizację obszarów materiału o odmiennych właściwościach magnetycznych i elektrycznych („stref koncentracji naprężeń” wg Dubova [11,12]); – diagnozowanie wczesnej fazy degradacji zmęcze- niowej materiału, poprzedzającej otwarte pęknięcie, pod warunkiem zachowania staranności metrologicz- nej i używania wiarygodnych algorytmów analizy da- nych pomiarowych [1,14]. Na podstawie analizy SWOT i badań własnych wyzna- czono mocne i słabe strony metody MPM [14]. Stwierdzono m.in., że: – Mocną stroną metody MPM są efekty magnetomecha- niczne, znane i opisane w literaturze od ponad 150 lat oraz wyniki badań magnesowania naprężeniowego ferromagnetyków w słabym polu magnetycznym wy- konane w różnych ośrodkach naukowych na świecie [1,16÷20]. – PN ISO 24497:1-3 może być stosowana tylko do diagno- zowania spoin spawalniczych nieruchomych obiektów, np. rurociągów i kadłubów maszyn stacjonarnych. – W normie PN ISO 24497:1-3 istnieją błędy logiczne, które obniżają POD diagnozy MPM, m.in. w algorytmie i kryteriach diagnostycznych pominięto właściwości elek- tryczne i magnetyczne materiału! – Wszystkie słabe strony metody MPM i jej aplikacji (pro- duktów firmy Energodiagnostyka) mogą być usunięte przy obecnym poziomie techniczno-technologicznym i badawczym, np. wykorzystując dostępną komercyjnie kamerę magnetyczną Mageye firmy Matesy o polu ro- boczym 8x8 mm dzięki której można uzyskać rozkład powierzchniowy składowej namagnesowania materiału w postaci magnetogramów. Rys. 2. Zobrazowano podstawy teoretyczne metody MPM - magnesowanie naprę- żeniowe i zmianę namagnesowania resztkowego ferromagnetyka pod wpływem cyklicznego naprężenia mechanicznego i rozpraszania energii w materiale [14,17] Fig. 2. Ilustration of the theoretical basis of the MMM method –magnetization caused by stress and a change of residual magnetization of ferromagnetic mate- rial influenced by cyclic loading and energy dissipation in the material [14,17] 59PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Rys. 3. Wykorzystanie efektu MPM ferromagnetyka do diagnozowa- nia ukrytego, szerokopasmowego przeciążenia łopatki ND-37 części niskoprężnej turbiny parowej: a) magnetogram przeciążonej łopatki w fazie poprzedzającej pęknięcie (MA – strefa anomalii magnetycz- nej skorelowana z linią węzłową drgań); b) magnetogram łopatki nie przeciążonej (referencyjny) [14] Fig. 3. MMM effect application for diagnosis of the hidden wideband overload of the LP steam turbine ND-37 blade: a) magnetogram of overloaded blade in the pre-crack phase (MA – magnetic anom- maly zone correlated with nodal line of the vibration), b) magneto- gram of the reference blade [14] Metoda szumu Barkhausena Metoda szumu Barkhausena jest stosowana tylko do diagnozowania stanu wytężenia materiałów ferromagne- tycznych i jednorodności ich warstwy wierzchniej [2,5,25]. W badaniach rejestrowany jest sygnał stochastycznego przemieszczania się granic domen magnetycznych pod- czas sztucznego przemagnesowania materiału z często- tliwością od 0,1 do 120 Hz. Sygnał krótkotrwałego, sze- rokopasmowego zaburzenia pola magnetycznego jest wykrywany w pobliżu badanego elementu przy pomocy cewki lub szerokopasmowego magnetometru. Ze wzglę- du na stochastyczny charakter sygnału, symptomy dia- gnostyczne muszą być wyznaczane jako średnia wartość z kilku cykli przemagnesowania. Są one skorelowane z siłą koercji i stratami histerezy magnetycznej materiału – pa- rametrami umożliwiającymi ocenę ilościową i jakościową mikrostruktury ferromagnetyka, jego twardości mecha- nicznej i stanu wytężenia oraz stanu zaawansowania pro- cesów zużycia. Przykładowe wyniki badań przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Metoda niskoczęstotliwościowej impedancji Metoda niskoczęstotliwościowej impedancji jest stosowana do diagnozowania wszystkich materiałów przewodzących prąd elektryczny (ferromagnetyków, paramagnetyków i diamag-netyków) [4,5]. W warun- kach laboratoryjnych pomiary charakterystyk impedan- cji sondy oraz identyfikacja właściwości elektrycznych i magnetycznych materiału są wykonywane w paśmie od kilku Hz do kilku MHz (rys. 6). W badaniach NDT po- miary impedancji są wykonywane tylko na kilku wybra- nych częstotliwościach lub na częstotliwości rezonan- sowej sondy. Gdy używany jest tani, podręczny mostek LCR, to pomiary impedancji są wykonywane tylko dla 5 Rys. 4. Relacje pomiędzy naprężeniami a energią szumu Barkhau- sena [21]: a) pomiar w kierunku X - prostopadłym do kierunku obcią- żania, b) pomiar w kierunku Y - współosiowy z obciążeniem Fig.  4. Relation between stress and Barkhausen noise energy [21]: a) measurement in direction X – perpendicular to direction of the load, b) measurement in direction X – parallel to direction of the load a) b) Rys. 5. Rozkład amplitudy FFT w funkcji częstotliwości (kolor czar- ny – stan dostawy, kolor czerwony - stan po pełzaniu) [22] Fig. 5. FFT amplitude distribution in function of frequency (black – delivery state, red – after creep test state) [22] 60 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 częstotliwości (100 Hz, 120 Hz, 1 kHz, 10 kHz i 100 kHz). Podczas badań rejestrowane są równocześnie sygna- ły napięcia u(ω,t) i prądu elektrycznego i(ω,t) w cewce testującej, która jest magnetycznie (indukcyjnie) sprzę- żona z badanym materiałem. Sygnałem referencyjnym jest charakterystyka częstotliwościowa impedancji son- dy bez wpływu badanego materiału Z0 (ω) i impedancja sondy z wpływem materiału wzorcowego Zmw (ω). Cew- ka testująca z wpływem materiału paramagnetycznego jest cewką liniową, natomiast z ferromagnetykiem jest cewką nieliniową. Impedancja cewki nieliniowej jest sil- nie zależna od poziomu sygnału testującego (magnesu- jącego) i charakterystyki B(H) magnesowania badanego materiału ferromagnetycznego. Impedancja elektryczna sondy i jej składowe opisuje relacja: Z(ω)=u(ω,t)/i(ω,t).=|Z|.e-jφ=R+jX gdzie |Z|=|Z|(ω) jest modułem impedancji (|Z|=√R2+X2); φ=φ(ω) jest przesunięciem fazowym między napięciem a natężeniem prądu elektrycznego; R=R(ω) jest rezystan- cją (oporem czynnym), która odpowiada za prąd płynący w fazie z napięciem i moc czynną; X=X(ω) jest reaktancją (oporem biernym), która odpowiada za prąd przesunięty względem napięcia o ±90° i moc bierną; ω=2πf jest czę- stością kołową; j jest jednostką urojoną liczby zespolonej (j2=-1). Impedancja sondy (cewki powietrznej) bez oddziaływa- nia badanego materiału i pojemności toru pomiarowego jest opisana relacją: Z0=R0+jωL0 Rys. 6. Charakterystyka impedancji sondy sprzężonej z stabilną stalą austenityczną, przed i po próbie zmęczeniowej (Rp – impedancja obwo- du równoległego LCR, SRF – częstotliwość rezonansowa sondy sprzęgniętej z materiałem) Fig. 6. Impedance characteristics of probe inductive coupling with austenitic stainless steel before and after the fatigue test (Rp– imped- ance of parallel LCR circuit, SRF – self resonance frequency of probe coupling with the test material) Impedancja cewki powietrznej z oddziaływaniem badane- go materiału opisuje zależność [24]: Zeq=Z0+(ω2M2)/(Re+jωLe)= =(R0+(ω2M2)/(Re2+(ωLe)2)Re)+ +jω(L0-(ω2M2)/(Re2+(ωLe)2Le) gdzie Re i Le są ekwiwalentną rezystancją i indukcyjnością pętli prądów wirowych na powierzchni badanego materiału; M jest indukcyjnością wzajemną. Parametry elektryczne i magnetyczne przewodnika: – zespolona konduktywność elektryczna σ=σ1+jσ2=J⁄E, która odwzorowuje relację między gęstością prądu elek- trycznego J w materiale z natężeniem pola elektrycznego E powodującego przepływ tego prądu; – zespolona przenikalność elektryczna ε=ε1+jε2=D⁄E, która charakteryzuje zdolność materiału do zmiany in- dukcji pola elektrycznego D przy zmianie natężenia pola elektrycznego E; – zespolona przenikalność magnetyczna μ=μ1+jμ2=B⁄H, któ- ra określa zdolność materiału do zmiany indukcji magne- tycznej B przy zmianie natężenia pola magnetycznego H. są wyznaczane z wyników pomiarów impedancji elektrycz- nej sondy na podstawie obwodu zastępczego materiału (rzeczywistego induktora), modelu transformatora i dodat- kowych relacji σ∝R-1,.ε∝C,.μ∝L Możliwości diagnostyczne metody niskoczęstotliwościo- wej impedancji, wykraczające poza typowy zakres badań NDT, zobrazowano na rysunku 7. 1) 2) 3) 4) 61PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Rys. 7. Symptomy diagnostyczne (estymatory Par1 i Par2) w paśmie niskich częstotliwości dla danych z: a) próby HCF stali austenitycznej; b) kontroli jakości stopu aluminium (linie przerywane – częstotliwości podręcznego mostka LCR typ UT-612) [4] Fig. 7. Diagnostic symptoms (estimators Par1 and Par2) in the low frequency band for the data of: a) high cycle fatigue of austenitic steel; b) quality control of the aluminum alloy (dashed lines - the measurement frequency of the UT-612 LCR meters) [4] Wnioski Najszersze możliwości funkcjonalne w diagnozowaniu przewodników posiada metoda niskoczęstotliwościowej spek- troskopii impedancji, która umożliwia ilościową i jakościową ocenę materiałów ferromagnetycznych, paramagnetycznych i diamagnetycznych, w tym: – identyfikację parametrów elektrycznych i magnetycznych materiału, – weryfikację składu chemicznego i mikrostruktury, – detekcję ukrytych defektów mikrostruktury. Aplikacją niskoczęstotliwościowej spektroskopii impedancji jest metoda wieloczęstotliwościowych prądów wirowych [23] PMFT, która jest stosowana w przemyśle do kontroli jakości produkcji. Magnetyczna pamięci metalu i szum Barkhausena są cechami materiału ferromagnetycznego i wzajemnie uzupełniają- cymi się symptomami diagnostycznymi, wynikającymi w sposób niejawny z charakterystyk częstotliwościowych: – zespolonej konduktywności elektrycznej, – zespolonej przenikalności magnetycznej. Charakterystyki materiałów magnetycznych, wyznaczane w zadanych warunkach otoczenia przy pomocy prądów zmiennych, są w dużej mierze charakterystykami umownymi. W tym przypadku właściwości magnetyczne materiału są ściśle związane ze zjawiskiem prądów wirowych, które są silnie zależne od przewodności właściwej materiału, przenikal- ności magnetycznej, częstotliwości przemagnesowywania oraz kształtu i wymiarów próbki. Literatura [1] R. Stegemann et al.: Metal Magnetic Memory Technique – Prospects and Restrictions, 19th WCNDT, Monachium, 13-17.06.2016. [2] J. Błachnio: Efekt Barkhausena w diagnostyce elementów maszyn. Bi- blioteka problemów eksploatacji, Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji – PIB, Radom, 2009. [3] Impedance Measurement Handbook. A guide to measurement technolo- gy and techniques. 4th Edition, Keysight Technologies, 2014. [4] Z. H. Żurek, M. Witoś: Diagnostics of Degradative Changes in Paramagne- tic Alloys with the Use of Low Frequency Impedance Spectroscopy, 7th International Symposium on NDT in Aerospace, Bremen, 16-18.11.2015. [5] M. Roskosz, K. Fryczowski: Porównanie szumu Barkhausena i własne- go magnetycznego pola rozproszenia w odkształconych plastycznie próbkach ze stali S235 i P265GH, Przegląd Spawalnictwa, vol. 84(13), s. 35-40, 2012. 62 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 [6] K. Fryczowski, M. Roskosz, Z. H. Żurek: Badania wstępne wpływu obcią- żeń rozciągających na parametry obwodu RLC, Przegląd Spawalnictwa, vol. 87(12), s. 45-49, 2015. [7] A. A. Abrikosov: Fundamentals of the Theory of Metals, North-Holland, Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo, 1988. [8] A. A. Shaniavski: Modeling of fatigue cracking of metals. Synergetics for aviation, Publishing House of Scientific and Technical Literature, Mo- nography, Ufa, 2007. [9] J. Dobrzański: Materiałoznawcza interpretacja trwałości stali dla energe- tyki, Open Access Library, t. 3, s. 1-228, 2011. [10] F. R. N. Nabarro: Dislocations in a Simple Cubic Lattice, Proc. Phys. Soc. 59(2), s. 256-272, 1947. [11] V.T. Vlasov, A.A. Dubov: Physical Theory of the Strain – Failure, Process. Part I. Physical Criteria of Metal’s Limiting States, Publishing House Spectr, Moscow, 2013. [12] V.T. Vlasov, A.A. Dubov: Physical Theory of the Strain – Failure, Process. Part II. Process Thermodynamics, Publishing House Spectr, Moscow 2016. [13] M. Blanter, I. S. Golovin: Internal friction, in: Encyclopedia of Iron, Steel and Their Alloys, Taylor and Francis, New York, s. 1852-1870, 2016. [14] M. Witoś, M. Zieja, B. Kurzyk: IT Support of NDE and SHM with Applica- tion of the Metal Magnetic Memory Method, 7th International Sympo- sium on NDT in Aerospace, Bremen, 16-18.11.2015. [15] M. Witoś: Increasing the Durability of Turbine Engine Components Thro- ugh Active Diagnostics and Control, Research works of AFIT, Issue 29, p. 324, 2011. [16] K. Kashiwaya: Fundamentals of Nondestructive Measurement of Biaxial Stress in Steel Utilizing Magnetoelastic Effect Under Low Magnetic Field, Jpn. J. Appl. Phys., 30, p. 2932, 1991. [17] M. F. Fischer: Note on the Effect of Repeated Stresses on the Magne- tic Properties of Steel, Bureau of Standards Journal of Research, Vol. 1, No. 5, pp. 721-732, 1928. [18] J. A. Ewing: Magnetic Induction in Iron and Other Metals, The Electrician, Printing and Publishing Co Ltd, London, 1900. [19] R. R. Birss, C. A. Faunce: Stress-Induced Magnetization in Small Magne- tic Fields, Journal de Physique, Colloque C I, supplément au no 2-3, Tome 32 Février-Mars, s. C1686-C1688, 1971. [20] I. M. Robertson: Magneto-Elastic Behaviour of Steels for Naval Applica- tions, MRL Technical Report MRL-TR-90-27, DSTO Materials Research Laboratory, 1991. [21] M. Roskosz: Wykorzystanie własnego magnetycznego pola rozproszenia w diagnostyce elementów ferromagnetycznych, Wydawnictwo Politech- niki Śląskiej, Gliwice, 2014. [22] Roskosz M., Fryczowski K., Griner S., Katunin A.: Analiza możliwości oce- ny procesu pełzania stali X12CrMoWVNbN10-1-1 na podstawie szumu Barkhausena, Przegląd Spawalnictwa, vol. 11, s. 35-40, 2014. [23] Chady T.: Inspection of Clad Materials Using Massive Multi-Frequency Excitation and Spectrogram Eddy Current Method, 19th WCNDT, Mona- chium, 13-17.06.2016. [24] Sikora R.: Elektromagnetyczne Metody Testowania Materii, Instytut Naukowo-Badawczy ZTUREK, 2003. [25] Mężyk D.: Magnetyczna ocena naprężeń w instalacjach rurociągowych z wykorzystaniem efektu Bar-khausena; Przegląd Spawalnictwa, Vol 86, No 5 (2014).