Ispitivanje metodom magnetnih čestica

Amir Durmić

Rezime: U ovom radu su opisane osnove metode ispitivanja magnetnim česticama kao što je sam fenomen magnetizma, magnetnog polja, magnetne sile i međudjelovanja dva materijala koja imaju drugačiji intenzitet i pravac magnetnog polja. Također su opisane vrste električnih struja koje se koriste za stvaranje magnetnog polja i oprema koja se koristi u te svrhe i na kraju su navedeni praktični primjeri rezultata ove metode. Ova metoda je zbog svojih osobina i jednostavnosti jedna od najkorištenijih metoda ispitivanja bez razaranja u praksi i metoda koja je isključivo primjenjiva u pojedinim okolnostima.

Ključne riječi:

Indikacija, oštećenje, greška, pukotina, magnetizam, magnetno polje, magnetna sila, demagnetisanje, temperatura demagnetisanja, suhe magnetne čestice, magnetne čestice u suspenziji, permeabilnost, feromagnetni materijal, fluorescentna vidljivost, UV svjetlo.

1. Uvod

Metoda ispitivanja magnetnim česticama (u daljnjem tekstu označena sa MPI; magnetic particle inspection) je metoda ispitivanja bez razaranja korištena za detekciju oštećenja. MPI je brza i relativno jednostavna za primjenjivanje a stanje površine za ispitivanje nije kritično kao kod drugih metoda bez razaranja.

Drevni Grci su prvi otrkili fenomen magnetisanja u mineralu koji su nazvali magnetit. Poslije su naučnici kao Bergmann, Becquerel i Faraday otkrili da sve tvari, uključujući i tečnosti i gasove mogu biti pod uticajem magnetizma ali se to kod samo nekoliko manifestuje u primjetnoj mjeri.

Najranija poznata primjena magnetizma na ispitivanje objekta se desila 1868. Topovske cijevi su bile provjeravane na greške magnetiziranjem cijevi pa onda prelazom magnetnog kompasa dužinom cijevi. Ova ranija ispitivanja su mogla locirati grešku u materijalu posmatrajući iglu na kompasu. To je bila forma ispitivanja bez razaranja ali taj termin nije bio primjenjivan do nekog vremena poslije prvog svjetskog rata.

U ranim 1920tim William Hoke je uočio da magnetne čestice (obojena metalna piljevina) mogu biti korištene sa magnetizmom za lokaciju grešaka u materijalu. On je otkrio da površina greške u namagnetisanom materijalu uzrokuje promjene u magnetnom polju tako da ga deformiše i izdužuje izvan samog materijala. Primjenjujući sitni feromagnetni prah na namagnetisane elemente dobio je vidljive tragove na greškama.

Slika 1. Mašina za ispitivanje čelika napravljena 1928 [1]

U ranim 1930tim, MPI je brzo zamijenila metodu uljnog izbjeljivanja (rana foma metode sa tečnim penetrantima) kao primarna metoda u industriji željezničkih vozila za ispitivanje parnih kotlova, točkova, osovina i tračnica.

Danas, MPI se široko koristi za provjeravanje na greške širokog spektra proizvedenih materijala i komponenti kao što su odlijevci, zavareni spojevi i odkovci. Korištena je za ispitivanje materijala kao što su čelični profili u zalihama na pukotine i druge vrste grešaka prije nego se ti profili iskoriste za proizvodnju dijelova. Bitni automobilski dijelovi se detaljno provjeravaju prije upotrebe. MPI se koristi za ispitivanje elemenata pod velikim naprezanjem dok su oni u upotrebi već neko vrijeme. Na primjer, mnoge komponente sportskih automobila visokih performansi se provjeravaju dok su još na motoru prije nego on ode na remont. MPI se još koristi za procjenjivanje integriteta glavnih zavara na mostovima, posuda pod pritiskom i drugih konstrukcija kritičnih na sigurnost. Također, ovom metodom je moguće podvodno ispitivanje što je pogodno za provjeravanje nosača konstrukcija na moru ili podvodnih cjevovoda.

2. Osnovni principi

Teoretski, MPI je ralativno jednostavna metoda. Može se smatrati kao kombinacija dvije metode ispitivanja bez razaranja: ispitivanje magnetnim fluksom i vizualno ispitivanje. Magnetno polje u prizmičnom magnetu postoji u i okolo samog magneta. Mjesta na kojim magnetne linije ulaze i izlaze iz magneta nazivaju se polovi magneta. Mjesto na kom magnetne linije izlaze iz magneta se naziva sjeverni pol a mjesto gdje magnetne linije ulaze u magnet se naziva južni pol.

Kada se prizmični magnet slomi po centru dužine stvaraju se dva potpuna prizmična magneta sa svojim polovima na krajevima. Ako je magnet samo napuknut a ne potpuno razdvojen na dva dijela, sjeverni i južni pol će se formirati na svakoj strani pukotine. Magnetno polje izlazi iz sjevernog pola i ulazi u južni pol. Magnetno polje se širi kada nailazi na zračne šupljine stvorene u pukotini zato što zrak ne može podržavati magnetno polje po jedinici zapremine kako metal može.

Ako su željezne čestice posute na napuknuti magnet, čestice će biti privučene u trag magnetnim poljem koje 'curi' iz magneta u blizini pukotina a ne samo na polovima magneta. Ovaj trag magnetnih čestica je obično mnogo lakše uočiti nego stvarnu pukotinu i to je osnova ispitivanja magnetnim česticama.

Prvi korak u ispitivanju magnetnim česticama je namagnetisavanje komponente koja se ispituje. Ako postoje defekti na ili u blizini površine, ti defekti će uzrokovati curenje magnetnog polja. Nakon što se dio namagnetiše na površinu se nanose magnetne čestice u suhom stanju ili u suspenziji. Čestice će potom biti privučene u trag u blizini šupljina pa će tvoriti vidljivu indikaciju koju posmatrač može uočiti.

3. Fizika magnetizma

3.1 Diamagnetni, paramagnetni i feromagnetni materijali

Kada se materijal postavi u magnetno polje, ono će djelovati na sile elektrona tog materijala. Ovaj efekt je poznat kao Faradejev zakon magnetne indukcije. Različiti materijali različito reaguju na prisustvo vanjskog magnetnog polja. Ova reakcija zavisi od više faktora, kao što je atomska i molekularna struktura materijala i magnetna mreža povezanosti između atoma. Što se tiće samog atoma, postoji više kretanja kao što su kretanje elektrona, promjena kretanja uzrokovana vanjskim magnetnim poljem i rotacija elektrona.

U većini atoma, elektroni se pojavljuju u parovima. Elektroni u parovima se rotiraju u suprotnom smijeru tako da poništavaju magnetno polje jedan drugom. Prema tome, ne postoji magnetna mreža povezanosti atoma. Suprotno tome, materijali sa nekim neuparenim elektronima će imati magnetnu mrežu povezanosti i više će reagovati na vanjsko magnetno polje.

Diamagnetni materijali imaju slabu, negativnu osjetljivost na magnetna polja. Ovi materijali su blago odbojni prema magnetnom polju i materijal ne zadržava magnetne osobine kada se vanjsko polje ukloni. U diamagnetnim materijalima svi elektroni su upareni pa u njima ne postoji trajni magnetni moment po atomu. Mnogi elementi periodnog sistema, uključujući bakar, srebro i zlato su diamagnetni materijali.

Paramagnetni materijali imaju malu, pozitivnu osjetljivost na magnetna polja. Ovi materijali su blago privučeni prema magnetnom polju i materijal ne zadržava magnetne osobine kada se vanjsko polje ukloni. Paramagnetne osobine su prisutne zbog prisustva nekih neuparenih elektrona i od preraspodjele elektronskih putanja uzrokovanih vanjskim magnetnim poljem. Paramagnetni materijali uključuju magnezij, molibden, litij i tantal.

Feromagnetni materijali imaju veliku, pozitivnu osjetljivost na vanjsko magnetno polje. Oni su podvrgnuti velikom privlačnosti na magnetno polje i mogu zadržati njihove magnetne osobine kada se vanjsko magnetno polje ukloni. Feromagnetni materijali imaju neke neuparene elektorne pa njihovi atomi imaju magnetnu povezanost. Kada je feromagnetni materijal nenamagnetisan, momenti njegovih atoma su nasumično poredani tako da se globalno poništavaju. Kada se primjeni magnetna sila, ovi momenti se poredaju jednoliko pa zajedno tvore jako magnetno polje u dijelu. Jačina tog polja zavisi od jednolikosti smijera magnetnog polja pojedinih zrna. Kada su sva zrna isto magnetno orjentisana tada se za materijal kaže da je magnetno zasićen i dodavanjem jačeg magnetnog polja materijal se ne može više namagnetisati. Željezo, nikl i kobalt su primjeri feromagnetnih materijala. Komponente od ovih materijala se često ispituju metodom magnetnih čestica.

Slika 2. Nenamagnetisan materijal [1]

Slika 3. Namagnetisan materijal [1]

3.2 Magnetno polje u i okolo prizmičnog magneta

Magnetno polje koje okružuje prizmični magnet je prikazano na slici magnetografa ispod. Jednostavni magnetograf se pravi postavljanjem papira iznad magneta i posipanjem papira sa željeznom strugotinom. Magnetne čestice se same ravnaju sa linijama magnetne sile proizvedene magnetom. Magnetne linije sile očito izlaze iz jednog pola magneta i ponovo ulaze u magnet na drugom polu sa suprotne strane magneta. Treba napomenuti da magnetne linije postoje u tri dimenzije ali su ovdje prikazane u dvije dimenzije slike.

Slika 4. Magnetno polje prizmičnog magneta [1]

Područje gdje magnetne linije izlaze iz magneta se naziva se magnetni sjeverni pol dok se područje gdje magnetne linije ponovo ulaze u magnet naziva južni pol.

3.3 Magnetno polje unutar i okolo magneta oblika potkovice i prstena

Magneti mogu biti raznih oblika i jedan od uobičajenih je oblik potkovice ili U magnet. U magnet ima sjeverni i južni pol isto kao i prizmični, samo što su zbog zakrivljenog oblika magneta polovi postavljeni u istoj ravni. Slično, magnetne linije teku između polova ali zbog blizine polova magnetno polje je više koncentrisano između polova.

Slika 5. Magnetno polje unutar i okolo U magneta [1]

Ako postavimo prizmični magnet na kraj U magneta ili ako je magnet u obliku prstena, linije magnetne sile čak i ne trebaju da prolaze izvan magneta. Upotrebljivost ovakvih magneta je ograničena zbog toga što se magnetno polje u potpunosti prostire kroz sami materijal magneta. Bilo kako bilo, bitno je poznavati osobinu magnetnog polja da može teći kružno u materijalu.

3.4 Glavne osobine linija magnetne sile

Linije magnetne sile imaju više bitnih osobina koje uključuju:

One prate put najmanjeg otpora između suprotnih polova. Kod jediničnog prizmičnog magneta one teže da formiraju zatvorene krugove od pola do pola kao na slici 6.

Nikada se ne sijeku.

Sve imaju istu jačinu.

Njigova gustoća se smanjuje kada se kreću iz područja više permeabilnosti u područje niže permeabilnosti.

Gustoća im se smanjuje udaljavanjem od polova.

Smatra se da teku između polova iako ne posjeduju nikakvo kretanje.

Teku od južnog prema sjevernom polu unutar magneta i od sjevernog prema južnom polu u zraku okolo magneta.

Slika 6. Linije magnetnog polja [1]

3.5 Magnetno polje dobiveno zavojnicom

Kada se provodnik kroz koji teče struja formira u krug ili više krugova u obliku zavojnice, magnetno polje se formira i teče kroz centar zavojnice u smijeru longitudalne ose i kruži nazad vanjskim dijelom zavojnice. Magnetno polje koje se formira od svakog kruga se superponira sa magnetnim poljem drugog kruga da bi bilo koncentrisano kao jako polje čitave zavojnice. Slabo namotana zavojnica je prikazana na slici X da bi se ilustrovala interakcija magnetnog polja. Magnetno polje je u biti uniformnije po dužini zavojnice kada je zavojnica gusto namotana.

Slika 7. Magnetno polje u kalemu [1]

Jačina magnetnog polja zavojnice raste ne samo porastom jačine struje nego i sa povečanjem broja krugova u zavojnici. Duga, prava zavojnica od žice se naziva kalem ili solenoid i može se koristiti da se formira skoro uniformno magnetno polje slično kao kod prizmičnog magneta. Koncentrisano magnetno polje unutar kalema je veoma korisno kod namagnetisavanja feromagnetnih materijala za ispitivanje koje se vrši pomoću magnetnih čestica. Treba napomenuti da je polje izvan kalema slabo i ono se ne može koristiti za namagnetisavanje feromagnetnih materijala.

3.6 Kvantitetne magnetne osobine

Tabela 1. Kvantitativne osobine [1]

Kvantitet Oznaka SI jedinica CGS jedinica

Jačina polja H A/m oersted

Gustina polja (magnetna indukcija) B tesla gauss

Magnetni fluks Φ weber maxwell

Namagnetisanje M A/m erg/Oe-cm3

Jedinica za jačinu magnetnog polja H je amper po metru. Jačina magnetnog polja vrijednosti 1 amper po metru je proizvedena u centru jediničnog kružnog provodnika sa prečnikom jednog metra kroz koji protiče električna struja jačine jednog ampera.

Slika 8. Smjer magnetnog polja [1]

Broj linija magnetne sile koji siječe data ravan pod određenim uglom se naziva gustina polja, B.

Ukupan broj linija magnetne sile u materijalu se naziva magnetni fluks. Ukupan fluks je jednostavno gustina polja primjenjena na površini.

Namagnetisanje je mjera opsega do kog se materijal magnetiše.

Tabela 2. Jedinice u SI i CGS sistemu [1]

Kvantitet SI jedinica CGS jedinica

Jačina polja 1000/4π A/m 1 Oe

Gustina polja 0,0001 tesla 1 gauss

Namagnetisanje 1000 A/m 1 erg/Oe-cm3

3.7 Namagnetisanje feromagnetnih materijala

Postoje razne metode koje se koriste za uspostavljanje magnetnog polja u elementu koje je potrebno za ispitivanje magnetnim česticama. Obično se ove metode klasificiraju kao direktne i indirektne.

Kod direktnog magnetiziranja, struja protiče kroz sami element i tako stvara magnetno polje. Koristeći pravilo desne ruke, poznato je da su magnetne linije fluksa okomite smjeru struje i formiraju kružno polje unutar i okolo provodnika. Kod korištenja ove metode, potrebno je osigurati dobar elektični kontakt između opreme za ispitivanje i ispitivanog elementa. Slab kontakt može uzrokovati stvaranju luka koji može direktno oštetiti element. Također je moguće pregrijati zone visokog otpora kao što su kontaktne tačke i područja malog poprečnog presjeka.

Slika 9. Magnetno polje u provodniku [1]

Slika 10. Magnetno polje u materijalu proizvedeno ubadaljkama [1]

Indirektno namagnetisavanje se postiže korištenjem snažnih vanjskih magnetnih polja za uspostavljanje magnetnog polja u samom elementu. I ovdje postoji više načina za uspostavljanje magnetizma.

Korištenja stalnih magneta je jeftina metoda za uspostavljanje magnetnog polja. Međutim, njihova upotreba je ograničena zbog manjka kontrole na snazi polja i problematičnosti kod postavljanja i uklanjanja snažnih trajnih magneta na i sa komponenata.

Elektromagneti u formi podesivog U magneta uklanjaju probleme povezane sa trajnim magnetima i široko se koriste u industriji. Elektromagneti su izloženi magnetnom fluksu samo kada električna struja protiče kroz namotaj oko meke željezne jezgre.

Slika 11. Postavljanje U magneta za otkrivanje pukotine [1]

Drugi način indirektnog uspostavljanja magnetnog polja u materijalu je korištenjem magnetnog polja od provodnika kroz koji protiče struja. Kružno magnetno polje može biti uspostavljeno u cilindričnim komponentama korištenjem centralnog bakarnog provodnika.

Upotreba kalema ili solenoida je treća metoda za indirektno namagnetisavanje. Kada je dužina komponente nekoliku puta veća od njenog prečnika, longitudinalno magnetno polje se uspostavlja u komponenti. Komponenta se postavlja u centar kalema gdje magnetno polje koncentrisano.

Slika 12. Postavljanje kalema za otkrivanje pukotine [1]

3.8 Elektična stuja za magnetisanje

Osnovne dvije vrste elektične stuje koje se koriste su istosmjerna i izmjenična struja. Za uspostavljanje magnetnog polja u komponenti koriste se jednofazna struja 110V do trofazne struje 440V. Tok struje je obično prilagođen za uspostavljanje potrebnog magnetnog polja u komponenti. Vrsta struje koja se koristi direktno utiče na rezultate ispitivanja pa je potrebno navesti osnovne vrste.

3.8.1 Istosmjerna struja (DC)

Istosmjerna struja teče neprestano u jednom smjeru sa konstantnom voltažom. Najpoznatiji izvor istosmjerne struje je baterija. Tok istosmjerne struje je od pozitivnog do negativnog pola, po konvenciji, dok je u stvarnosti to tok elektrona od negativnog do pozitivnog pola. DC struja se koristi za otkrivanje grešaka ispod površine materijala pošto ova struja teče kroz čitav poprečni presjek komponente.

3.8.2 Izmjenična struja (AC)

Izmjenična struja mijenja svoj smjer 50 (u većini zemalja) do 60 (u Americi i Australiji) puta u sekundi. Kako je izmjenična struja dostupnija, ona se više koristi za MPI u industriji. Međutim, izmjenična struja protiče samo kroz tanki sloj materijala uz površinu i koristi se ispitivanje u toj zoni. Ovaj fenomen je poznat kao 'skin efekt' i pojavljuje se zbog javljanja vrtložnih struja u materijalu zbog promjene magnetnog polja. Vrtložne struje prave magnetno polje koje se suprodstavlja primarnom polju pa smanjuje magnetni fluks ispod površine. Prema tome, izmjenična struja se koristi samo kada se ispituju površinski defekti.

3.8.3 Ispravljena izmjenična struja

Očito, skin efekt ograničava upotrebu AC pošto mnoga ispitivanja zahtijevaju otkrivanje defekata ispod površine. Upotrebom ispravljivača, AC se može pretvoriti u DC pa se kao takva može koristiti za ispitivanje ispod površine. Postoje tri vrste ispravljene izmjenične struje:

Polufazna ispravljena AC (HWAC). Ispravljivač pušta struju samo u jednom smjeru. Primjer ovog ispravljivača je obična silicijska dioda.

Punofazna ispravljena AC (FWAC). Ispravljivač pušta struju kada je njen smjer pozitivan dok mijenja smjer struje kada je negativan. Primjer ovog ispravljivača je Gretz-ov spoj koji je kombinacija četiri silicijske diode.

Punofazna trofazna ispravljena AC. Slično kao kod FWAC ispravljivač sve tri faze pušta kada su u pozitivnom smjeru dok im mijenja smjer kada su negativne.

Slika 13. Tipovi električne struje korišteni za namagnetisavanje [1]

3.9 Demagnetisanje

Nakon ispitivanja magnetnim česticama, obično je potrebno izvršiti demagnetizaciju komponenti. Zaostala magnetna polja mogu:

Uzrokovati grebanje komponente zaostalim česticama na komponenti.

Utjecati na elektroničnu opremu kao što je kompas.

Uzrokovati stanje poznato kao 'udar luka' kod zavarivanja. Udar luka može utjecati na luk tako da on lijepi ili odbija materijal iz zavara.

Utjecati na abrazivne čestice tako da se one zadržavaju na ležaju ili vodilici pa povećaju trošenje.

Uklanjanje polja se može postići na nekoliko načina. Izmjenični položaj magnetnog polja pojedinih čestica se može postići zagrijavanjem komponente iznad vrijednosti temperature demagnetisanja (curie temperature). Ova temperatura za niskougljenične čelike je 770oC. Zagrijavanjem čelika iznad njegove temperature razmagnetisavanja on postaje austenitni i gubi magnetne osobine. Kada se ohladi, prolazi kroz reverzibilnu transformaciju i ne sadrži zaostalo magnetno polje. Materijal bi trebao biti uzdužno postavljen u pravcu istok-zapad da bi se izbjegao utjecaj Zemljinog magnetnog polja.

Obično je nepovoljno zagrijavanje materijala pa se najčešće koriste druge metode koje ne demagnetišu materijal u potpunosti ali dovoljno za određene potrebe. Podvrgavanje komponente obrnutom i smanjenom magnetnom polju će vratiti dipole u skoro izmjeničan položaj. Ovo se postiže provlačenjem komponente više puta kroz kalem kroz koji protiče izmjenična struja. Također, ovo je moguće i korištenjem izmjeničnog U magneta.

Slika 14. Kriva histereze[1]

Za mjerenje zaostalih magnetnih polja obično se koriste posebni uređaji. Industrijski standardi najčešće zahtijevaju da magnetni fluks u komponenti koja je bila ispitivana magnetnim česticama bude manji od 3 gausa.

4. Oprema i materijali

4.1 Portabilna oprema za ispitivanje magnetnim česticama

Za pravilno ispitivanje komponente na pukotine ili druge defekte, bitno je upoznati se sa raznim tipovima opreme koja se koristi u ove svrhe. Smjer polja mora biti pod uglom od 45 do 90 stepeni s tim da se okomite greške najbolje uočavaju. Prema tome, za pravilno ispitivanje komponente, bitno je uspostaviti magnetno polje u bar dva smjera. Postoje razni tipovi opreme za MPI ispitivanje.

4.1.1 Trajni magneti

Trajni magneti se ponekad koriste kao izvor magnetizma kod MPI. Dva osnovna tipa trajnih magneta su prizmični magneti i U magneti. Ovi magneti korišteni u industriji su obično velike

snage pa ih je često teško ukloniti sa ispitivanog dijela. Zbog te osobine, ovi magneti imaju ograničenu upotrebu, međutim, često su korišteni u ispitivanju pod vodom ili u eksplozivnim okolinama. Također, trajni magneti mogu biti proizvedeni kao mali tako da se mogu postavljati na mjesta gdje elektromagneti ne mogu dostići.

Slika 15. Postavljanje trajnog magneta na čelični profil [1]

4.1.2 Elektromagneti

Danas, većina opreme korištena za proizvodnju magnetnog polja korištena za MPI je bazirana na elektromagnetima. Jednostavan primjer elektromagneta je namotaj žice oko željeznog jezgra kroz koji se propušta električna struja. Neki U elektromagneti za ispitivanje mogu podići masu od 20kg.

Slika 16. Portabilni U elektromagnet sa baterijom [1]

Slika 17. Kompletna portabilna oprema [1]

4.1.3 Ubadaljke

Ubadaljke su ručne elektrode koje se pritiskuju na površinu komponente koja se ispituje da bi se napravio kontakt za propuštenje električne struje kroz metal. Struje propuštene kroz ubadaljke prave cirkularna magnetna polja oko vrhova u materijalu. Ubadaljke su obično napravljene od bakra i imaju izoliranu dršku za zaštitu rukovodioca. Jedna od ubadaljki ima prekidač tako da se struja lako može uključiti i isključiti.

Slika 18. Primjena ubadaljki [1]

Ako nije obezbijeđen pravilan kontakt između ubadaljki i površine komponente, električni luk se može pojaviti i uzrokovati oštećenje komponente. Da bi se ovo spriječilo, ubadaljke se trebaju često provjeravati na oksidaciju i zaprljanje.

Ovaj tip opreme se najčešće koristi za ispitivanje zavara.

4.1.4 Portabilni kalemi i provodni kablovi

Ovaj tip opreme omogućava uspostavljanje longitudinalnog magnetnog polja u komponenti. Kalemi obično imaju tri ili pet namotaja bakarnog kabla u izoliranom kućištu. Kabal koji se koristi u ove svrhe je obično veoma fleksibilan. Broj namotaja je određen potrebnom magnetnom silom i naravno, dužinom kabla. Namotaji se postavljaju u što bliži položaj.

Slika 19. Portabilni kalem [1]

Slika 20. Provodni kabal [1]

4.2 Neprenosivi uređaji za MPI

Ovaj tip opreme je dizajniran za ispitivanje u laboratorijskim uslovima. Najčešći stacionarni sistem je horizontalna jedinica sa suspenzijom. Ova jedinica je pogodna za skupinu ispitivanja na različitim komponentama. Cirkularno magnetno polje je proizvedeno direktnom magnetizacijom. Hvataljka se može postavljati u razne položaje da bi omogućila uklještenje raznih oblika komponenti. Ova hvataljka se pomjera pneumatski preko nožnog prekidača.

Slika 21. Horizontalna jedinica sa suspenzijom [6]

Većina ovakvih jedinica ima i pokretni kalem koji se koristi za longitudinalno magnetisanje cilindričnih dijelova. Ovi kalemi su obično sa pet namotaja. Suspenzija sa magnetnim česticama se zadržava u spremniku poslije nanošenja na komponentu pa se pumpnim sistemom ponovo potiskuje u kabal. Mogu se koristiti vidljive i fluorescentne čestice. Neki sistemi omogućavaju i podešavanje struje koja se koristi za namagnetisavanje. Neke jedinice omogućavaju i demagnetisanje komponenti poslije njihovog ispitivanja.

Slika 22. Upravljanje horizontalnom jedinicom sa suspenzijom [1]

Ova jedinica se može koristiti za uspostavljanje cirkularnog magnetnog polja koristeći centralni provodnik. Ovo je ispitivanje pogodno za ispitivanje komponenti sa otvorenom sredinom kao što su zupčanici, cijevi i drugi prstenasti elementi.

4.3 Višesmjerna oprema za MPI ispitivanje

Višesmjerne jedinice omogućavaju namagnetisanje komponente u dva pravca, longitudinalno i cirkularno, u veoma kratkom vremenskom periodu. Ova omogućava da se komponente ispitaju najednom, bez pomjeranja i naknadnih podešavanja. Jačina polja u oba pravca je približno jednaka pa su ove jedinice pogodne za pronalaženje grešaka koje su orijentisane u više pravaca.

Slično kao kod horizontalne vlažne jedinice i ovdje se koriste različiti tipovi električne struje kao što je istosmjerna, izmjenična ili kombinacija u zavisnosti od testnih parametara. Ovaj tip namagnetisanja se može koristiti za ispitivanje komponenti velikih volumena.

Slika 23. Višesmjerna jedinica [1]

4.4 Svjetla za MPI

MPI se može izvršavati korištenjem čestica koje su jedva vidljive na dnevnoj svjetlosti ali su veoma vidljive u uslovima ultraviolentnog (UV) zračenja. Kada se ispituje česticama vidljive boje nije potrebna nikakva dodatna oprema ukoliko je komponenta dovoljno osvjetljena. Potrebna je svjetlost intenziteta najmanje 1000 lux-a za ovo ispitivanje koje se postiže raznim vrstama izvora svjetlosti.

Kada se koriste fluorescentne čestice, potrebno je koristiti posebne UV lampe. Čestice su presvučene materijalom koji emituje svjetlost iz vidljivog spektra kada je izložen svjetlima blizu UV valne dužine. Ovaj 'sjaj čestica' čini tragove velikog kontrasta na mjestima gdje se one nakupljaju. Najviše u upotrebi su čestice žuto-zelene fluorescentne boje jer je ljudsko oko najviše osjetljivo na ovu boju u tamnim uslovima. Međutim, koriste se i čestice fluorescentne crvene, plave, žute i zelene.

Slika 24. Primjenjivanje UV svjetla[1]

Slika 25. Prikaz indikacije pod UV svjetlom [1]

4.4.1 UV svjetlo

UV ili 'crno svjetlo' je svjetlo valne dužine 100-400 nm u elektromagnetnom spektru. Ova svjetlost je nevidljiva za ljudsko oko. Valne dužine iznad 400 nm su u području vidljive svjetlosti i prikazuju se kao ljubičaste boje. Što je manja valna dužina ovih valova, više

energije je emitovano u talas i on je više štetan za ljudske čelije. UV svjetlost je svrstana u tri klase:

Tabela 3. Klase UV svjetlosti [1]

Klasa Spektar valnih dužina

UV-C 100-280 nm

UV-B 280-320 nm

UV-A 320-400 nm

Najviše se u ove svrhe koristi UV-A koja je najsigurnija za upotrebu. UV-B daje jače efekte jer tada fluorescentne čestice jače svjetle, međutim, ne koristi se jer je opasna i može da izazove opekotine na koži ili jako oštećenje očiju. Ove valne dužine daju radijaciju kod elektrolučnog zavarivanja. UV-C je najštetnija za žive čelije i koristi se za uništavanje bakterija u industrijskim i medicinskim postrojenjima.

Slika 26. 100 W žarulja sa živom [1]

Slika 27. 400 W halogena žarulja za 'super svjetlo' [1]

4.5 Indikatori magnetnog polja

Da bi MPI bilo efikasno potrebno je da postignemo prikladnu jačinu i pravac magnetnog polja. Mogućnost upravljanjem snagom i pravcem polja je neophodno kod ispitivanja u višesmjernim mašinama jer ako polja nisu balansirana pravilno, moglo bi doći do propuštanja postojećih grešaka u materijalu.

U suštini, ne postoji metoda koja sa lakoćom određuje intenzitet polja u datoj tački jer da bi to bilo moguće, potrebno je presijecati linije magnetnog polja.

4.5.1 Gauss-metar

Ovo je najčešće korišten uređaj za mjerenje snage polja tangencijalno na površinu komponente. Princip ovog uređaja se zasniva na fenomenu indukovanja električne struje u provodniku kada se nađe u magnetnom polju. Prednosti ovog uređaja su što omogućavaju kvantitativno mjerenje jačine magnetnih polja tangentno površini komponente, mogu se koristiti za mjerenje zaostalih magnetnih polja i mogu se koristiti više puta.

Osnovni nedostaci su to što se ovaj uređaj mora povremeno kalibrisati i što se ne mogu koristiti za uspostavljanje ravnoteže polja u višesmjernim aplikacijama.

Slika 28. Gauss-metar [2]

4.5.2 Kvantitativno kvalitetni indikator (QQI)

QQI je često prvobitno odabrana metoda za obezbjeđenje pravilnog smjera polja i prikladne snage polja. Upotreba QQI je također jedini praktični način uspostavljanja balansiranog intenziteta polja i smjera u višesmjernoj opremi za namagnetisavanje. Koriste se isključivo kod vlažnih metoda i mogu se koristiti samo sa neprekidnom magnetizacijom.

QQI je tanki lim debljine 0,05 ili 0,1 mm napravljen od AISI 1005 čelika. Obično je dimenzija 19x19 mm ali mogu biti i manji. Na površini se ureže poseban otisak kao što su koncentrični krugovi ili znak plus. QQI mora biti u fizičkom kontaktu sa ispitivanim dijelom ili blisko zaljepljen. Komponenta se tada namagnetiše i nanesu se magnetne čestice. Kada je jačina polja dovoljna, čestice će se rasporediti po QQI i omogućit će informacije o smjeru polja. Kada se koristi višesmjerna oprema, balans polja je uspostavljen onda kada sva područja QQI daju približne indikacije.

Prednosti ove metode su što je jednostavna i ponovljiva uz pažljivo rukovođenje ali je ona nekada spora. Nedostaci su što dijelovi moraju biti čisti i suhi, ne može se koristiti za indikaciju zaostalog magnetizma, lim je osjetljiv na oštećenje i ukoliko nije pravilno očišćen, može korodirati.

Slika 29. QQI lim [1]

4.5.3 Pie Gage indikator

Ovaj indikator je u suštini disk napravljen od visoko provodljivog materijala podijeljen u četiri, šesti ili osam odsječaka koji su razdvojeni neferomagnetnim materijalom. Ove podjele koriste kao vještački defekti koji idu u raznim smjerovima iz centra. Prečnik diska je 20 do 25 mm a sloj neferomagnetnog materijala nije veći od 0,3 mm. Disk je presvučen bakrom sa jedne strane koja postavlja na stranu koja ne dira materijal. Nakon što se čestice nanesu i ukloni višak, zaostale čestice daju jasnu orjentaciju magnetnog polja.

Slika 30. Pie Gage indikator [1]

Ovaj indikator se koristi na ravnim zavarima ili čeličnim otkovcima kada se koristi suhi prah sa U magnetima ili ubadaljkama. Nije preporučljiv za preciziranje dijelova sa kompleksnim oblikom i za ispitivanje sa česticama u suspenziji. Disk se mora demagnetizirati između očitavanja.

Osnovna prednost ovog uređaja je što je jako jednostavan i može se koristiti neodređeno puta bez kvara ali ima i nekoliko nedostataka. Zbog materijala od kog je napravljen on zadržava magnetno polje pa očitavanje neće biti potpuno tačno. Mogu se koristiti samo na ravnim zonama i ne može se pouzdano koristiti za određivanje balansa polja u višesmjernim jedinicama za namagnetisavanje.

4.5.4 Narezane trake

Narezane trake, poznate kao Burmah-Castrol trake su trake od visoko provodnog feromagnetnog materijala sa urezima različitih debljina. Postavljaju se na ispitivani dio i indikacije na urezima daju generalan uvid u snagu polja u određenoj zoni.

Prednosti su što se relativno jednostavno postavljaju na ispitivani objekat, mogu se koristiti za suhu i metodu ispitivanja sa suspenzijom sa naprekidnim magnetnim poljem i mogu se

koristiti ponovljivo. Neki od nedostataka su što se ne mogu postavljati na komponente sa kompleksnom konfiguracijom i nisu prikladni za primjenjivanje u višesmjernim jedinicama pošto pokazuju polja samo jednog smjera.

Slika 31. Narezane trake [3]

Slika 32. Primjena narezanih traka [4]

4.6 Magnetne čestice

Najjednostavniji oblik ovih čestica je oblik sitne strugotine od željeza ili željeznog oksida. Na čestice se može nanijeti i boja da bi one bile lakše uočive. Metal koji se koristi za čestice mora da ima visoku magnetnu provodnost ali da slabo zadržavaju magnetizam. Magnetna provodnost mora biti što veća da bi se čestice lakše odazvale toku magnetnog polja a ne trebaju zadržavati magnetizam da se ne bi međusobno spajale ili spajale sa površinama bez prisustva toka magnetnog polja.

4.6.1 Suhe magnetne čestice

Dostupne su u crvenoj, crnoj, sivoj, žutoj i u još nekoliko boja koja se bira na osnovu kontrasta prema ispitivanom dijelu. Jako je bitna i veličina čestica i suhe čestice su dostupne u spektru veličina čestica. Fine čestice su oko 50 µm a grube oko 150 µm. Sitne čestice se koriste za otkrivanje malih diskontinuiteta. Mogu se koristiti i za veće diskontinuitete ali to nije preporučeno zbog toga što su one osjetljivije na nečistoću komponente, mogu popuniti neravnine površine i mogu lakše biti otpuhane okolnim zrakom. Također, sitne čestice je teško pokupiti nakon ispitivanja pa se teže mogu ponovo koristiti.

Oblik čestica je također jako bitan. Duge, tanke čestice teže da se poravnaju duž linija magnetne sile. Međutim, istraživanje je pokazalo da je suhi prah koji se sastoji samo od dugih čestica nepoželjan za ispitivanje. Izdužene čestice koje se ispuhuju iz raspršivaća nemaju sposobnost da slobodno teku i da formiraju željeni oblak čestica iznad komponente. Prema tome, dodaju se čestice koje su kraće koje će omogućiti lakši tok i dobru osjetljivost. Većina čestica koje se koriste imaju omjer dužine i prečnika čestice između jedan i dva.

Slika 33. Obojene suhe čestice za MPI [1]

4.6.2 Magnetne čestice u suspenziji

Magnetne čestice su dostupne i u suspenziji kao što je voda ili ulje. Ispitivanje magnetnim česticama u suspenziji je generalno osjetljivije nego suho jer suspenzija obezbjeđuje česticama da mobilnije prekrivaju površinu i efekat zaprašenja i nečistoće površine je znatno smanjen ili uklonjen. Ova metoda također čini lakšim nanošenje čestica uniformnije na reletivno velike zone ispitivanja.

Čestice koje se nanose u suspenziji imaju znatno manje dimenzije pa im je veličina obično 10 µm i manja a čestice sa željeznim oksidom imaju dimenzije čak oko 0.1 µm. Ova veoma mala veličina čestica rezultuje jako preciznim prikazom nepravilnosti ako su postignuti uslovi dobrog kontrasta. Magnetne čestice u suspenziji su također u kombinaciji dugih i globularnih čestica.

Kao što je spomenute, čestice mogu biti u suspenziji vode ili ulja. Voda obezbjeđuje brže formiranje indikacija, jeftinija je, ne predstavlja opastnost od vatre, ne daje opasna isparavanja i lakše je očistiti komponentu poslije ispitivanja. Vodene suspenzije obično sadrže protukorozivne aditive. Međutim, uljne suspenzije omogućavaju neuporedivu sigurnost od korozije i zaštitu materijala koji su osjetljivi na vodik.

Slika 34. Fluorescentne čestice u suspenziji za MPI [1]

Tečne suspenzije mogu biti također od petroleja koji omogućava jako dobro kvašenje površina.

5. Primjeri indikacija u MPI

5.1 Primjeri vidljivih indikacija sa MPI suhim česticama

Jedna od bitnih prednosti MPI nad nekim drugim metodama je što se indikacija pojavljuje direktno na materijalu zbog stvarnog toka. To nije slučaj sa NDT metodama kao što su ultrazvučna i metoda vrtložnim strujama, gdje električni signal mora biti obrađivan. Ispod su neki zabilježeni slučajevi primjera otkrivanja pukotina.

Slika 35. Pukotina na nožu pile [1]

Slika 36. Pukotine u zavaru [1]

Slika 37. Indikacija pukotine koja se širi od otvora [1]

Slika 38. Prije i poslije ispitivanja na komponenti sa otvorom [1]

5.2 Primjeri vidljivih indikacija sa fluorescentnim česticama

Indikacije nastale česticama u suspenziji su oštrije od indikacija suhih čestica formiranih nad sličnim defektima. Kada se koriste fluorescentne čestice, vidljivost indikacija se znatno povećava. Ispod je navedeno nekoliko primjera sa fluorescentnim česticama.

Slika 39. Indikacija pukotina na voznom vratilu [1]

Slika 40. Indikacija pukotine na prstenu ležaja [1]

Slika 40. Indikacija defekta u unutrašnjosti kranske kuke [1]

Slika 41. Indikacija pukotine na malom radijusu [1]

Slika 42. Indikacija pukotine na materijalu nastale od rupe sa navojem [1]

Literatura

[1]http://www.ndt-ed.org/EducationResources/ /CommunityCollege/MagParticle/cc_mpi_index.html (dostupno 13.11.2011)

[2]http://www.magmedix.com/products/

/measurement/lab_gaussmeter.html (dostupno 20.11.2011)

[3]http://radiatronics.com/products.asp?rad_id=MT-PRAP-1021&prod= =Magnetic%20Particle&str=s&id1=10&id2=217 (dostupno 22.11.2011)

[4]http://www.asnt.org/publications/tnt/tnt9-4/tnt9-4wksmarter.htm (dostupno 22.11.2011)

[5]http://www.rgf.bg.ac.rs/predmet/RO/VI%20semestar/Tehnicka%20dijagnostika/Predavanja/13.TehDi.pdf (dostupno 26.11.2011)

[6]http://en.wikipedia.org/wiki/File:New_Wet_Horizontal.jpg (dostupno 15.12.2011)