WPROWADZENIE
Do kontroli części płatowca i układów sterowania, wykonanych z materiałów niemagnetycznych, zamiast metody defektoskopii barwnej często stosuje się metodę prądów wirowych. Metoda prądów wirowych jest prostsza technologicznie i jednocześnie dostatecznie pewna. W odróżnieniu od defektoskopii barwnej pozwala ona na:
- sprawdzenie detali bez usunięcia powłoki lakierniczej od razu po obróbce mechanicznej detali skrobakiem, płótnem ściernym, tarczą, wgniatającą materiał ścierny w docierak itd., gdy detale znajdują się w miejscach trudnodostępnych;
- wykrywanie usterek o małych wymiarach (o szerokości przy powierzchni 0,0005 mm) i usterek, wypełnionych tlenkami, zanieczysczeniami lub pokryte warstwą zniekształconego metalu;
- zmniejszenie nakładów pracy na wykonanie kontroli bez obniżenia efektywności, a w niektórych wypadkach podwyższając ją.
Metodą prądów wirowych sprawdza się dźwigary, podłużnice, belki, przysłonki, poszycie, profile złączy, węzły mocowania na styk, wsporniki, wahacze.
W charakterze przykładów, wyjaśniających własności kontroli, w rozdziale czwartym podano siedem oddzielnych metodyk sprawdzenia poszczególnych detali, zamontowanych w konstrukcjach samolotowych, co znacznie ułatwi specjalistom opracowanie dokumentacji technicznej.
Rozdział piąty zawiera wymogi, stawiane dokumentacji i specjalistom, wykonującym kontrolę.
Materiały niniejsze mogą być wykorzystane również do przeszkolenia specjalistów z zakresu defektoskopii.
1. ISTOTA I WŁASNOŚCI KONTROLI WIROPRĄDOWEJ
1.1. Zasady zastosowania defektoskopów typu WDC
Podczas kontroli detali defektoskopami typu WDC wzbudzenie prądów wirowych i ocena ich gęstości odbywa się za pomocą przetworników nakładanych – cylindrycznych cewek indukcyjności (rys. 1) z jednym uzwojeniem, zasilanym prądem zmiennym o częstotliwości 0,7-2,0 MHz z bloku elektronicznego.
Rys. 1. Nakładane przetworniki defektoskopów typu WDC:
1 – rdzeń; 2 – cewka; 3 – obiekt kontrolowany
Sprawdzany detal metalowy można umownie przedstawić jako detal, składający się z dużej liczby pierścieni koncentrycznych (rys. 2), współosiowych z uzwojeniem przetwornika. Każdy pierścień jest obwodem zamkniętym, przez który przenika część strumienia magnetycznego Φ, wytwarzanego przez przetwornik. Następstwem tego, że strumień magnetyczny Φ jest zmienny jest to, że w każdym pierścieniu wzbudzana jest własna, o określonej wielkości indukcja wzajemna i przepływa prąd elektryczny.
Z tego wynika, że sprawdzaną część można w przybliżeniu traktować jako uzwojenie wtórne zwarte transformatora powietrznego.
Prądy wirowe, jak każdy prąd w uzwojeniu wtórnym transformatora, mają wpływ na parametry uzwojenia wzbudzającego, tzn. na parametry uzwojenia przetwornika. Ten wpływ przejawia się w zmianie oporności czynnej i indukcyjności.
Blok elektroniczny defektoskopów typu WDC składa się z generatora prądu zmiennego, układu pomiarowego i indykatorów. Schemat kontroli prądami wirowymi znajduje się na rys. 3.
Jeżeli przetwornik usunięty jest z części sprawdzanej (rys. 4 a), to jego strumień magnetyczny jest równy Φ0, a oporność czynna i indukcyjność uzwojenia odpowiednio R0 i L0.
Przy umieszczeniu przetwornika na powierzchni detalu, wykonanego z metalu niemagnetycznego (rys. 4 b), w miejscu, gdzie nie ma uszkodzeń, prądy wirowe przepływają po okręgach koncentrycznych, współosiowych z przetwornikiem.
Rys. 2. Schemat wzbudzenia prądów wirowych:
a – detal podzielony na pierścienie koncentryczne; b – wzbudzenie prądów wirowych w poszczególnych pierścieniach; 1 – cewka; 2 – linia sił strumienia magnetycznego Φ; 3 – pierścienie; 4 – trajektoria przepływu prądów wirowych.
Rys. 3. Schemat kontroli prądami wirowymi:
1 – generator częstotliwości zmiennej; 2 – nadajnik; 3 – analizator sygnału; 4 – wskaźnik usterki; 5 – detal.
Rys. 4. Schemat wzajemnego oddziaływania prądów wirowych
z przetwornikiem:
1 – cewka; 2 – linie sił strumienia magnetycznego wzbudzającego Φ0; 3 – linie sił strumienia magnetycznego Φ0 prądów wirowych; 4 – trajektoria prądów wirowych; 5 – detal;
a – przetwornik usunięty z detalu; b – przetwornik na nieuszkodzonym miejscu detalu; c – przetwornik na szczelinie.
Oporność czynna uzwojenia przetwornika zyskuje przyrost ΔR1 kosztem strat na nagrzewanie części prądami wirowymi, a indukcyjność (jest ona proporcjonalna do wypadkowej strumienia magnetycznego) zmniejsza się o ΔL1, ponieważ prądy wirowe wytwarzają własny strumień magnetyczny ΦB1, skierowany ku strumieniowi Φ0. Wypadkowa oporność czynna i indukcyjność są tu odpowiednio równe:
R1 = R0 + ΔR1;
L1 = L0 – ΔL1.
Wartości ΔR1 i ΔL1 zależą od gęstości prądów wirowych, na które wpływa przewodność elektryczna metalu i położenie nadajnika względem powierzchni detalu.
Przesunięcie przetwornika w to miejsce detalu, gdzie jest pęknięcie (rys. 4 b), powoduje zmniejszenie gęstości prądów wirowych i zniekształcenie trajektorii ich przepływu. W miejscu pęknięcia jak gdyby zmniejsza się przewodność (elektryczna) właściwa materiałów. Ta zmiana gęstości prądów wirowych powoduje zmianę parametrów przetwornika: znaczne zwiększenie oporności czynnej i nieznaczne zwiększenie indukcyjności:
R2 = R0 + ΔR1 + ΔRtr; R2 > R1
L2 = L0 – ΔL1 + ΔLtr; L2 > L1
Zapisując te zmiany można określić występowanie pęknięcia. Jednak, o czym już była mowa, zmiana parametrów przetwornika zachodzi również przy zwiększeniu luzu między przetwornikiem a powierzchnią detalu (tzn. przy odchyleniu przetwornika), co jest zakłóceniem. Natomiast przy odchyleniu obserwuje się zwiększenie indukcyjności i zmniejszenie oporności czynnej.
W defektoskopach typu WDC do zarejestrowania pęknięcia i wykluczenia wpływu odprowadzenia stosuje się następujący sposób:
Równolegle z uzwojeniem przetwornika połączony jest kondensator, co tworzy obwód rezonansowy o częstotliwości drgań własnych f0, która zależy od wartości pojemności kondensatora C i indukcyjności przetwornika L:
1
f0 = ----------------
____
2 π √ CL
Przy podłączeniu obwodu do generatora napięcia zmiennego powstają w nim drgania wymuszone. Jeżeli częstotliwość drgań wymuszonych jest równa częstotliwości własnej obwodu f0, to w obwodzie pojawia się zjawisko rezonansu. W defektoskopach typu WDC dochodzi się do tego przez zmianę pojemności C przy umieszczeniu przetwornika na detalu w miejscu nieuszkodzonym.
Amplituda drgań w obwodzie przy rezonansie zależy od jego dobroci, która jest równa
1 π f0 L
Θk = --------------- = -------------- ,
2 π f0 RC R
gdzie L i R – indukcyjność i oporność aktywna przetwornika.
Im większe straty w przetworniku i sprawdzanym detalu, tzn. im większe R, tym mniejsza dobroć obwodu i mniejsza amplituda drgań w nim. Ponieważ pęknięcie zwiększa R przetwornika, a odprowadzenie zmniejsza, to wykorzystując obwód, ustawiony w stan bliski rezonansu, można podzielić sygnały, wychodząc z tych dwóch czynników. Zmieniając napięcia w przypadku braku (krzywa 1) i obecności (krzywa 2) pęknięcia pod przetwornikiem, umieszczonym na powierzchni detalu oraz przy odchyleniu przetwornika (krzywa 3) pokazane są na rys. 6. Punkt 1 jest punktem roboczym i dotyczy przypadku umieszczenia przetwornika na powierzchni detalu bez luzu, w miejscu nieuszkodzonym. Temu punktowi odpowiada indukcyjność L1 i dobroć Θ1.
Przy umieszczeniu przetwornika nad pęknięciem napięcie zmniejsza się (punkt 2), ponieważ indukcyjność niewiele się zwiększa, lecz znacznie wzrasta oporność czynna, co prowadzi do obniżenia dobroci obwodu do wartości Θ2.
Rys. 5. Obwód rezonansowy defektoskopów WDC:
1 – przetwornik
Rys. 6. Zmiana napięcia w obwodzie rezonansowym przy wykryciu pęknięcia i przy odchyleniu.
Odchylenie przetwornika od detalu powoduje zwiększenie napięcia w obwodzie (punkt 3), ponieważ zwiększa się jego dobroć do wartości Θ3 wskutek wzrostu indukcyjności do L3 i zmniejszenia oporności aktywnej.
W taki sposób w przypadku wykrycia pęknięcia napięcie w obwodzie zmniejsza się, a w przypadku odchylenia przetwornika – zwiększa się. Pozwala to na wyodrębnienie sygnału, uwarunkowanego pęknięciem.
1.2. Czynniki, mające wpływ na wyniki kontroli wiroprądowej
Zmiana oporności czynnej i indukcyjności przetwornika wiroprądowego może być spowodowana nie tylko uszkodzeniem lub odchyleniem. Istnieje szereg innych czynników, które jak i odchylenie wpływają na parametry przetwornika i są zakłóceniami. Podczas kontroli wiroprądowej mogą one wywoływać również nieprawdziwe wskazania indykatorów, analogiczne do wskazań przy pęknięciu, lub obniżenie czułości wyregulowanego defektoskopu.
Tak więc, w pierwszym przypadku możliwe jest brakowanie części, a w ostatnim – przepuszczenie usterek.
Fałszywe wskazania wyregulowanych defektoskopów wiroprądowych mogą być spowodowane:
- zmniejszeniem przewodności elektrycznej materiału w stosunku do odcinka, gdzie znajdował się przetwornik podczas regulacji defektoskopu;
- znacznym zmniejszeniem grubości powłoki lakierniczej w odniesieniu do tego miejsca, gdzie znajdował się przetwornik podczas regulacji defektoskopu;
- wprowadzeniem nadajnika w strefę brzegową – odcinek powierzchni o szerokości 2-3 mm, przylegający do brzegu detalu, otworu, rowku, studzienki, jeżeli defektoskop wyregulowany jest przy umieszczeniu przetwornika w oddaleniu od brzegu;
- zmniejszeniem grubości ścianki o 10 % i więcej, jeżeli grubość ścianki wynosi 0,5 mm i mniej dla detali ze stopu aluminiowego lub 2 mm i mniej dla detali ze stopów tytanowych lub stali austenitycznej, a defektoskop był regulowany przy umieszczeniu przetwornika w miejscu, gdzie grubość ścianki jest największa;
- zmianą kształtu detalu, na przykład, jeżeli defektoskop był regulowany do kontroli odcinków płaskich, a przetwornik przesuwa się na odcinek wklęsły, w rowek, do wypustu, do zaokrągleń lub na żebro usztywniające, którego szerokość jest zbliżona do średnicy cewki przetwornika.
Do obniżenia czułości defektoskopów wyregulowanych przyczynia się:
- znaczne zwiększenie grubości powłoki lakierniczej w stosunku do grubości, która była uwzględniana przy regulacji defektoskopu;
- zmiana kształtu detalu, na przykład, jeżeli przetwornik przesuwał się z odcinka wklęsłego na płaski, z płaskiego na wypukły lub z wklęsłego na wypukły (strojenie defektoskopu odbyło się na pierwszym odcinku);
- zwiększenie przewodności elektrycznej materiału w stosunku do tej jej wartości, przy której defektoskop był regulowany;
- nachylenie osi cewki przetwornika do powierzchni detalu.
Wpływ tych czynników na wskazania defektoskopów wyjaśnia się tym, że prowadzą one do zmiany albo strumienia magnetycznego przetwornika, przenikającego do metalu detalu (na przykład, przy zmianie położenia nadajnika względem detalu), albo do zmiany gęstości prądów wirowych (na przykład, przy zmianach przewodności elektrycznej). Dlatego wpływ prądów wirowych na parametry uzwojenia przetwornika w każdym przypadku jest różne.
Podczas przeprowadzania kontroli wiroprądowej te czynniki należy zawsze uwzględniać. W celu wykluczenia ich wpływu należy stosować następujące zabiegi technologiczne:
- dzielić powierzchnie detalu, podlegające sprawdzeniu, na strefy kontroli, jeżeli jego fragmenty mają różne kształty oraz, jeżeli występują strefy brzegowe, w obrębie fragmentu lub w jego pobliżu znajdują się detale ferromagnetyczne;
- usuwać powłoki lakiernicze przy znacznych zmianach jego grubości lub znacznych uszkodzeniach;
- przeprowadzać kontrolę przy obniżonej czułości (na przykład, podczas kontroli detali o niejednorodnych właściwościach elektromagnetycznych lub dużej porowatości materiału).
Jeżeli materiał znacznie różni się niejednorodnością właściwości elektromagnetycznych, przeprowadzenie kontroli wiroprądowej jest bardzo utrudnione, a w niektórych przypadkach nawet niemożliwe.
Materiały niemagnetyczne mają dostatecznie wysoką jednorodność cech elektromagnetycznych. I tak, jeżeli detal wykonany jest z metalu niemagnetycznego, nie ma połączeń spawanych, to zwykle zmiana przewodności elektrycznej materiału detalu w obrębie stref kontrolowanych nie przekracza 5 %. Taka zmiana nie wpływa na wskazania defektoskopów wiroprądowych typu WDC i w trakcie kontroli nie jest uwzględniana.
Materiały ferromagnetyczne w większości przypadków odznaczają się dużą niejednorodnością właściwości elektromagnetycznych, która wpływa na wskazania defektoskopów typu WDC. Z tej przyczyny stosowanie takich defektoskopów do kontroli części z materiałów ferromagnetycznych jest nieefektywne.
1.3. Ujawnione usterki
Wymiary najmniejszego uszkodzenia, które może być wykryte defektoskopami WDC, określają następujące czynniki:
- charakter uszkodzenia (pęknięcie, porowatość, nalot, ognisko korozji itd.);
- czułość defektoskopu z danym typem przetwornika, który zależy od wymiarów przetwornika, jego konstrukcji (kształtu) i regulacji defektoskopu;
- cechy szczególne sprawdzanej części (kształt, materiał, czystość powierzchni);
- warunki wykonania kontroli (dostęp do strefy, położenie miejsca wadliwego itd.).
Usterki zwartości materiału po oddziaływaniu prądów wirowych można podzielić umownie na następujące grupy (rys. 7):
1) Usterki, których każdy wymiar jest znacznie mniejszy (10 razy i więcej) od średniej średnicy cewki nadajnika. Należy do nich nagromadzenie drobnych por, ciał obcych niemetalowych, pękanie w kształcie siatki, ogniska korozji (rys. 7 a).
2) Usterki w postaci dużych szczelin (wklęśnięć), zanieczyszczeń, których wymiary są współmierne ze średnią średnicą cewki nadajnika (rys. 7 b).
3) Usterki, leżące w płaszczyźnie, równoległej do powierzchni produktu, np. rozwarstwienia (rys. 7 c).
4) Drobne wydłużone usterki typu pęknięć (rys. 7 d).
Defektoskopy WDC wykrywają defekty czwartej i pierwszej grupy, ponieważ one najbardziej oddziałują na prądy wirowe. Defekty drugiej i trzeciej grupy, jeżeli nie wchodzą one bezpośrednio na powierzchnię detalu, mogą być pominięte.
Rys. 7. Usterki zwartości, różniące się swoim oddziaływaniem na prądy wirowe
Pod terminem czułości defektoskopu rozumie się jego zdolność pewnego (z prawdopodobieństwem 0,95) wykrywania w danych warunkach wad o minimalnych wymiarach (określonej długości, głębokości, pęknięcia). Czułość, na jakiej defektoskop z określonym typem nadajnika zabezpiecza niezawodne wykrycie usterek o minimalnych wymiarach w jednorodnym pod względem właściwości elektromagnetycznych materiale detalu, o czystości powierzchni nie niższej niż Ñ6, przy braku powłoki lakierniczej w warunkach wydziałowych, będziemy nazywać progową dla danego typu przyrządu i nadajnika.
C z u ł o ś ć p r o g o w a jest jedną z charakterystyk defektoskopów W warunkach rzeczywistych czułość może różnić się od progowej. Może to być wywołane własnościami szczególnymi obiektu kontroli i warunkami wykonania kontroli, na przykład:
- obecnością powłoki lakierniczej;
- złym dojściem do strefy kontroli, w wyniku czego nie można zabezpieczyć stałego skoku przesuwu i niezmienionego położenia przetwornika względem powierzchni detalu przy jego przesunięciu;
- czynnikami zakłócającymi, których wpływ może być wyeliminowany przez zmniejszenie czułości defektoskopu (niejednorodność przewodności elektrycznej, porowatość materiału, gładkość powierzchni).
2. ŚRODKI KONTROLI DETALI PŁATOWCA I UKŁADU STEROWANIA
2.1. Wybrane charakterystyki techniczne defektoskopów i własności ich modyfikacji
Defektoskopy WDC przeznaczone są do wykrywania w warstwach powierzchniowych materiałów niemagnetycznych o przewodności elektrycznej 0,1–60...
michi003