آموزش تست ذرات مغناطیسی Magnetic Particle Test
مقدمه
روش تست ذرات مغناطیسی جهت آشکار سازی عیوب سطحی و نزدیک به سطح مواد مغناطیسی شونده (فرومغناطیسی) بکار می رود .
ذرات مغناطيسی يعنی دانه های بسيار ريز پودر آهن نرم ( در حدود 3 تا 200 ميکرون ) که قابليت جذب شدن توسط ميدان مغناطيسی را دارد .

تئوری :
ميدان مغناطيسی بطور طبيعی در سطح وزيرسطح فضای پيرامون جاری می شود اگر شدت ميدان را طوری تنظيم کنيم که در سطح پيرامون کم باشد ، بعلت اثر پوسته وخارج شدن خطوط ميدان از محیط سطح انتهايی عمود بر ميدان و وارد شدن خطوط ميدان از محیط سطح ابتدايی عمود بر ميدان در لبه های ابتدا و انتهای قطعه فوران ميدان مغناطيسی خواهيم داشت .
اگر در سطح و زیر سطح پيرامون ، درچهت غیر موازی بر امتداد انتشار خطوط مغناطيسی ، ناپيوستگی وجود داشته باشد به دليل اثر پوسته ٬ نشت ميدان مغناطيسی و اينکه نا پيوستگی ، دو سطح با قطب های غیر همنام می باشند اين نشتی به شکل پل مغناطیسی در محل ناپيوستگی بوجود می آید .

اگر ذرات مغناطیسی روی چنين سطحی پاشيده شود جذب ميدان نشتی پل مغناطيسی در محل ناپيوستگی خواهد شد و آن را قابل رويت می کند .

تعاريف مغناطیسم :

میدان مغناطیسی
هر ماده مغناطیسی شده دارای دو قطب مثبت و منفی است و همچنین اطراف ماده مغناطیسی شده میدان مغناطیسی که شامل خطوط میدان است وجود دارد. نام دیگر خطوط میدان Magnetic Flux Lines (خطوط شار مغناطیسی) می باشد .
این خطوط را میتوان با قراردادن یک آهن ربا در زیر یک صفحه کاغذ که روی آن براده آهن وجود دارد ترسیم کرد . این خطوط از قوانین زیر تبعیت می نمایند:
.jpg)
فلوی مغناطیسی :
مجموعه کل خطوط مغناطیسی موجود در یک میدان مغناطیسی را بنام فلوی مغناطیسی می نامیم.
چگالی میدان مغناطیسی :
مقدار شار یا فلوی مغناطیسی در واحد سطح مقطع که شار را قطع کند چگالی میدان مغناطیسی گویند و واحد آن تسلا می باشد که جانشین گوس شده است (تسلا 1 = 104 گوس) و آنرا با B نشان می دهند.

نیروی محرکه مغناطیسی :
نیروی کلی که تمایل به ایجاد فلوی مغناطیسی در یک مدار آهن ربائی دارد را نیروی محرکه مغناطیسی می نامند و مقدار آن از حاصلضرب شدت جریان در تعداد حلقه های سیم پیچ به دست می آید. و آن را با Ө نشان می دهیم . Ө = I. N
I شدت جریان بر حسب آمپر و N تعداد دور سیم پیچ و Ө نیروی محرکه مغناطیسی بر حسب آمپر دور می باشند.

مدار آهنربائی در تست ذرات مغناطيسی به دو صورت می باشد سيم پيچ يا عبور جريان از يک هادی و نیروی محرکه مغناطیسی در اولی بر حسب آمپر در تعداد دور سيم پيچ و در دومی بر حسب آمپر در يک دور محاسبه می گردد .
اندازه شدت میدان مغناطیسی :
از تقسیم نیروی محرکه مغناطیسی ( Ө) به طول متوسط خطوط میدان (L ) بدست می آیدو با H نمایش داده می شود و واحد آن آمپر بر متر است. H = IN / L
در تست ذرات مغناطيسی اگر نيروی محرکه پيچه باشد L به طول خطوط ميدان در سطح جانبی گفته می شود که تقريناً دو برابر طول قطعه می باشد. و اگر نيروی محرکه عبور جريان باشد L به طول خطوط ميدان درمحيط سطح مقطع گفته می شود که تقريناً 3 برابرقطر قطعه می باشد
اين واحد در تست ذرات مغناطيسی کيلو آمپر بر متر( KA / M ) می باشد که برابر با 10 آمپر بر سانتيمتر است A /Cm ضربدر ۱۰ مقدار آن برابر است با 2 تا 5 واين مقدار ساده می شود به 20 تا 50 آمپر بر سانتيمتر 20 ~50 A/Cm
بوسیله دستگاه F S M اين مقدار اندازه گیری می شود .

نفوذ پذیری : ( Permeability )
قابلیت جذب میدان مغناطیسی در ماده که بیانگر قدرت مغناطیسی شدن می باشد را می گویند. بعبارتی سهولت در قابلیت مغناطیسی شدن میزان نفوذ پذیری را نشان می دهد .
آهن نرم و فولاد های کم کربن براحتی مغناطیسی شده (با نیروی محرکه مغناطیسی کم) بنابراين نفوذ پذیری زیادی دارند ولی خاصیت مغناطیسی خود را هم زود از دست می دهد يعنی پسماند مغناطيسی کمی دارند و برعکس مواد مغناطیسی با نفوذپذیری کم مانند مونل ، بسختی مغناطیسی شده (با نیروی محرکه مغناطیسی زياد) ولی قابلیت نگهداری خاصیت مغناطیسی آنها بالاست يعنی پسماند مغناطيسی زياد دارند. از همین رو آهنربای نعلی شکل از مواد سخت (فولاد سخت) ساخته می شود.
اشباع :
اشباع مرحله ای است که هر افزایش در نیروی محرکه مغناطیسی (H) به قطعه تغییری در شدت میدان مغناطیسی B ایجاد نمی کند.

نگهدارندگی : ( Retentively )
درجه قابلیت نگهداری خاصیت مغناطیسی در مواد فرومغناطیسی را گویند.
رابطه بین نیروی محرکه مغناطیسی H و دانسیته شار میدان B:
اگر یک ماده مغناطیس شونده ای که خاصیت مغناطیسی در آن وجود ندارد را در یک سیم پیچ (کویل) قرار داده و جریان مستقیمی (DC) در کویل اعمال کنیم بطوریکه جریان از صفر شروع شده (آمپر ) و بطور پيوسته و با نرخ معین افزایش یابد منحنی فوق بدست می آید
نتیجه حاصل از گراف فوق :
با افزایش نیروی مغناطیس کننده، شار جریان یافته خطوط میدان در ماده افزایش می یابد تا به نقطه اشباع برسد.
نکته :اگر در ماده خاصیت مغناطیسی قبلی وجود نداشته باشد به گراف فوق، گراف بکر (Virgin) گفته می شود.
منحنی فوق میزان ماکزیمم دانسیته شار مغناطیسی را که می تواند در ماده جاری شود را بیان می کند. با کاهش تدریجی نیروی مغناطیسی کننده، دانسیته شار میدان نیز کاهش می یابد ولی به صفر نمی رسد و به مقدار میدان مغناطیس باقی مانده در ماده، پسماند مغناطيسی کويند.
قدرت نگهداری (Retentively Power)
به قابلیت نگهداری یک مقدار مشخص پسماند مغناطیسی در مواد گفته می شود.
نکته : مواد با قابلیت نفوذپذیری کم (ماده سخت) دارای قدرت نگهداری بالائی هستند.
با توجه به گراف فوق، اگر نیروی مغناطیس کننده بطور معکوس اعمال شود (همانند استفاده از جریان متناوب) بصورت تدریجی و در جهت مخالف افزایش یابد، دانسیته شار مغناطیس باقی مانده کاهش می یابد تا به صفر (نقطه C) برسد که این امر با اعمال یک نیروی مغناطیس کننده از نقطه 0 تا c ایجاد می گردد.
با اجرای عملیات فوق ، ماده عملاٌ از حالت مغناطیسی خارج شده (de magnetized) و ما می توانیم نیروی مغناطیس کننده لازم برای اینکار را محاسبه کنیم.
تعریف نیروی مغناطیس کننده معکوس : نیروی مغناطیس کننده معکوس (Coercive Force) به منظور از بین بردن مغناطیس باقیمانده در ماده بکار میرود.
نکته : مواد مغناطیسی سخت نیاز به نیروی مغناطیس کننده بیشتری جهت از بین بردن مغناطیس باقی مانده در ماده دارد .
فولادها دارای پسماند مغناطيسی نسبتاً بالائی هستند.
محدوده بین o-c نشانگر نیروی لازم برای از بین بردن مغناطیس باقی مانده در قطعه است.
محدوده بین o-b نشانگر میزان مغناطیس باقی مانده در ماده است . (یا قابلیت نگهداری خاصیت مغناطیسی در ماده)
در صورتیکه نیروی مغناطیس کننده از نقطه c بیشتر شود، دانسیته شار مغناطیسی تا نقطه اشباع زیاد می شود ولی در جهت معکوس (نقطه d)
اگر مجدداً ، نیروی مغناطیسی را تا نقطه صفر کاهش تدریحی دهیم ، نقطه e تا o نشانگر میزان مغناطیسی باقی مانده در جهت مقابل است.
با افزایش نیروی مغناطیسی در جهت اصلی، یک چرخه (loop) کامل ایجاد می شود. باید توجه کرد که منحنی خط چین دیگر دنبال نمی شود و به آن منحنی اصلی یا اولیه گفته می شود.
نقطه بین f تا o نشانگر مقدار نیرویی است که لازم است تا مغناطیس باقی مانده در جهت مخالف نیز از بین برود.
نکته : نیروی مغناطیس کننده لازم جهت مغناطیس زدائی در جهت اصلی و جهت عکس با هم برابرند و فقط علامت آنها با هم فرق می کند. (یکی مثبت و دیگری منفی)
به منحنی بسته فوق منحنی هیستریسیز (Hysteric's loop) گویند.
تعریف مقاومت مغناطیسی (Reluctance)
مقاومت ماده در مقابل نیروی مغناطیس کننده را گویند.
نکته : پهنای منحنی هیستر یسیز در مواد سخت بیشتر از مواد نرم است چون نیروی مغناطیس کننده لازم برای برطرف کردن مغناطیس باقی مانده در مواد سخت بیشتر است و علت آن بیشتر بودن میزان این مغناطیس باقی مانده می باشد
نتیجه گیری :
1- مواد با قابلیت نفوذ کم به سختی مغناطیس میشود.
2- مواد با قابلیت نگهداری زیاد مغناطیسی منجر به باقی ماندن میدان مغناطیس قوی تر می شود.
3- نیروی مغناطیس کنندگی بالا نیاز به نیروی مغناطیس معکوس زیاد برای برطرف کردن مغناطیس باقی مانده دارد.
4- مقاومت مغناطیسی بالا مقاومت زیاد در مقابل نیروی مغناطیس کننده دارد.
5- مغناطیس باقی مانده زیاد باقی ماندن میدان مغناطیسی قوی تر را موجب شود.
نکته : مواد مغناطیسی سخت ، مقاومت مغناطیسی بالائی دارند لذا نیاز به نیروی مغناطیس کننده قوی تر داشته و به طبع مغناطیس باقی مانده در آنها قوی تر است و نیاز به نیروی مغناطیس زدای قوی تری هم دارند.
مغناطیسی کردن و اثر ناپیوستگی های مواد :
جهت میدان مغناطیسی در یک مدار الکترومغناطیسی بستگی به جهت جریان در آن مدار داشته و خطوط میدان همیشه بر امتداد جریانی که از یک رسانا می گذرد عمود می باشد. رابطه بین جهت میدان و جریان نیز از روی قانون ساده انگشتان دست راست تعیین می شود.

جریانی که از یک ماده رسانای مستقیم مثل سیم یا میله میگذرد؛ در حول آن میدان مغناطیسی مدور ایجاد می کند و اگر رسانا از نوع فرومغناطیسی باشد، جریان الکتریکی در درون آن نیز ایجاد میدان خواهد کرد. بنابراین قطعه ای که به روش بالا مغناطیس شود دارای میدانی مدور مطابق شکل خواهد بود.

جریان الکتریکی را میتوان برای ایجاد میدانهای طولی در قطعات نیز مورد استفاده قرارداد. در این حالت رسانای جریان به صورت سیم پیچی مرکب از یک یا چند دور در می آید که قطعه را احاطه کرده و جریان گذرا از آن ، در قطعه میدانی خطی مطابق شکل ایجاد می کند.

اثر ناپیوستگی های مواد :
زمانی که یک میله مغناطیسی بدونیم می شود هر قسمت بطور مجزا دارای دو قطب S,N می شوند و در صورت چسباندن آنها از دو سر غیرهمنام، قطبها بطور کامل از بین نرفته و یک نشتی در ناحیه اتصال باقی خواهد ماند.
نشتی مغناطیسی در حقیقیت یک شکست یا ناهماهنگی در مدار مغناطیسی است.

همچنین اگر تکه ای از ماده مغناطیسی جدا شود خطوط نیرو از میله جدا شده و از طریق هوا از یک قطب به قطب دیگر وارد می شود. آزمایش پودر مغناطیسی برنشت مغناطیسی تکیه دارد. که در حقیقت سطح قطعات فرومغناطیسی را که هر گونه عیوب و نواقص سبب نشت شار مغناطیسی می شود را می توان بازرسی نمــود.
تعیین نشت فلوی مغناطیسی در آزمایش ذرات مغناطیسی به عوامل زیر بستگی دارد:
1- انـدازه عیوب 2 - شکل عیوب 3- حجم عیوب 4- جهـت عیوب
5- فاصـله عیب تا سطح قطعه کار 6- نفوذپذیری
قابلیت آزمون ذرات مغناطیسی ، برای عیب یابی ، بستگی به جهت عیوب نسبت به میدان القاء شده در قطعه داشته، و در حالیکه عیب عمود بر امتداد میدان باشد از بیشترین کارآئی برخوردار خواهد بود. این مسئله در شکل زیر نشان داده شده است.

برای آگاهی از وجود تمام عیوب یک قطعه ، معمولاً لازم است آنرا از بیش از یکبار مغناطیس نمائیم. برای قطعات به اشکال نسبتاً ساده اینکار به این ترتیب عملی می شود که برای تعیین عیوب طولی قطعه ، نخست میدان مغناطیسی دوار در آن القا شده و سپس قطعه مغناطیس زدائی و با استفاده از جریان حلقوی و ایجاد میدان طولی در آن ، عیوب غیرطولی آن نیز آشکار سازی می شود.
شکل زیر میله ای را که عیوب آن دارای امتدادهای مختلف اند نشان میدهد، با القاء مغناطیسی دو مرحله ای در این میله، جملگی عیوب آن قابل آشکارسازی خواهد بود.
هنگامیکه شکل قطعه پیچیده باشد، میدان های مغناطیسی الفاء شده در آن دچار اعوجاج شده و معمولاً ترکیبی از دو میدان دوار و طولی را در پی خواهد داشت.
ذرات مغناطیسی :
ذرات مغناطیسی مورد نیاز برای بازرسی را میتوان از هر ماده فرومغناطیسی دارای پسماند کم تولید نمود. این ذرات معمولاٌ از پودر نرم اکسیدها و یا فلزات مورد نظر انتخاب شده و بسته به نحوه اعمال آنها به دو گروه تر و خشک تقسیم می شوند، در حالیکه ذرات خشک در هوا یا گاز منتقل می شوند ، ذرات تر در دوغابی از یک مایع ناقل به نمونه عرضه می گردند.

برای پاشیدن پودر از یک دمنده مکانیکی پودر یا افشانک لاستیکی استفاده می شود. در اعمال پودر بر سطح قطعه باید دقت لازم معمول شده و از پاشیدن مستقیم آن با فشار باید پرهیز شود، زیرا در این شرایط دانه های پودر، آزادی جذب شدن بوسیله تمام میدانهای نشتی را نخواهند داشت. از این جهت سعی می شود دانه ها بصورت ابری یکنواخت به سطح قطعه مغناطیس شده نزدیک شوند.

در حالیکه از روش بازرسی با پودر خشک استفاده شود، عاری بودن قطعه از چربی و دیگر لایه ها و مواد چسبنده حائز اهمیت می باشد، زیرا پودر می تواند بوسیله این مواد جذب شده و نشانه های کاذبی در ارتباط با وجود عیوب ایجاد نماید. برای سهولت مشاهده ، ذرات پودر در رنگهای متعدد که متداولترین آنها قرمز، زرد و سیاه است عرضه می شوند.
همچنین پودرهای خشک با پوشش دارای خاصیت فلورسانس نیز مورد استفاده قرار میگیرند، در این صورت لازم است برای مشاهده سطح از نور فرابنفش استفاده شود. هر چند افزایش مواد رنگی به پودر از حساسیت روش بازرسی میکاهد؛ ولی مشاهده پودر رنگی ممکن است در مقایسه با پودرهای سیاه مثل پودر Fe3O4 راحت تر باشد. انتخاب پودر، در هر مورد، بستگی به طبیعت سطح قطعه خواهد داشت.
آزمون با پودر خشک همراه با تجهیزات مغناطیسی کردن قابل جابجائی بسیار کارآمد و برای آشکارسازی عیوب از قابلیت بالائی برخوردار می باشد، (به خصوص اگر سطح قطعه تا حدی ناصاف باشد) همچنین حساسیت آن برای تشخیص عیوب زیر سطحی از روش پودر تر بیشتر می باشد.
پودر تر معمولاً برای تجهیزات ثابت مورد استفاده قرار می گیرد . مایع ناقل یک فرآورده نفتی سبک مانند کروزن است ، هر چند می توان از آب هم استفاده نمود. ذرات معمولاً در رنگهای سیاه یا قرمز و یا پوردهای آبی و یا زرد متمایل به سبز دارای خاصیت فلورسانس عرضه می شوند.

ذرات تر دارای تحرک بیشتری، در مقایسه با پودر خشک، بوده و اعمال آنها نیز ساده تر می باشد. با توجه به اینکه ماده ناقل پایه نفتی دارد. وجود چربی در روی سطح مسئله چندانی ایجاد نمی کند ، در عین حال باید تمهیدات لازم در خصوص خطرات آتش گیری و سمیت مورد توجه قرار گیرد. به علاوه، حمام مایع باید بطور مداوم بهم زده شود تا آزادی حرکت ذرات و همگنی مایع حفظ گردد. تمیز کردن منظم مخزن فوق، به منظور حذف آلودگیها ، نیز باید مدنظر باشد.

روش بازرسی پودر تر، به خصوص هنگامی که از پودر خاصیت فلورسانس و نور فرابنفش استفاده شود، دارای حساسیت بسیار بالائی خواهد بود. هر چند که اندازه و شکل واقعی ذرات پودر بستگی به سیاستهای خاص تولید کنندگان دارد، ولی لازم است از مزایا و محدودیت های مرتبط با این پارامترها اطلاع حاصل شود.
اندازه دانه ها – ذرات درشت برای پل زنی حفره ها و ترکهای بزرگ مناسب تر از ذرات ریز می باشند، در حالی که ذرات ریز برای آشکار سازی عیوب کوچک حساسیت بهتری دارند. دلیل بر این مسئله را باید در عدم جذب ذرات درشت در میدانهای نشتی ضعیف جستجو کرد؛ در حالیکه ذرات ریز بسادگی به تله میدانهای نشتی ضعیف می افتند. البته چسبیدن دانه های ریز به اثرات انگشت، مناطق خاک آلود و سطوح ناصاف نیز محتمل می باشد که این مساله نیز در آشکار شدن نشانه کاذب و مبهم شدن موقعیت عیوب واقعی می تواند موثر واقع شود.
ذرات دراز و باریک قابلیت قطبی شدن بیشتری نسبت به دانه های کروی برخوردار بوده و بنابراین قادرند ترکها و عیوب قطعه را راحت تر مشخص نمایند، البته قابلیت تحرک این ذرات بخصوص اگر بهم چسبیده و دسته شوند کمتر از پودرهای کروی می باشد. قدرت تشخیص عیوب و درجه حساسیت بازرسی را میتوان با مخلوط سازی پودر کروی و دراز (سوزنی) افزایش داد.
مشخصات دستگاههای آزمایش مغناطیسی
این دستگاهها می تواند به 3 دسته تقسیم گردد:
الف - تجهیزات قابل حمل
آهنربای دائمی
آهنربای دائمی بین دو قطب خود یک میدان مغناطیسی طولی ایجاد می کند. نوع جدید آن آهنربائی نعلی شکل است که بازوهای آن قابل تنظیم و انتهای قطب آن نیز از نظر هندسی قابل تغییر است. قابلیت عیب یابی آن وقتی که عیوب عمود بر فلو (90 درجه) باشد مطلوب است.

آهنربای الکتریکی(YOKE)

برای کاهش اتلاف جریان سرگردان، آهنربای الکتریکی را از ورقهای نرم آهن می سازند. مخصوصاً اگر از جریان متناوب مورد استفاده قرار گیرد. پایه ها دارای مفصل هستند تا در سطوح ناهموار نیز قادر به ایجاد تماس باشند. این آهنربای الکتریکی یک میدان طولی ایجاد می کند .
|
فوائد |
محدودیت |
|
با AC و DC کار می کند |
به تغذیه برق نیاز دارد |
|
قدرت میدان مغناطیسی قابل کنترل است |
فقط میدان طولی ایجاد می کند |
|
از شبکه برق می تواند مستقیم تغدیه گردد |
با ولتاژ معینی کار می کند |
|
با خاموش و روشن کردن دستگاه می توان به آسانی آنرا در محل آزمایش حرکت داد |
قطبهای دستگاه پودر مغناطیسی را جذب می کند |
|
به قطعه کار آسیب نمی رساند |
پایه ها باید سطحی برای تماس داشته باشند |
|
با AC می توان مغناطیس زدائی نمود |
|
ب -آزمایش میله ای (PROD) :

این دستگاه آزمایش یک آمپری حدود 1000 آمپر را به قطعه کار جهت تولید میدان مغناطیسی مدور در قطعه می فرستد . شدت جریان زیاد می تواند سبب ایجاد قوس بین سطح قطعه کار و میله (الکترود) شود.
سطح تماس باید بدقت تمیز گردد و میله و الکترود باید از جنسی انتخاب گردد که قطعه کار را آلوده و کثیف نکند.
|
فوائد |
محدودیت |
|
شدت میدان مغناطیسی قابل تغییر است |
خطر قوس الکتریکی |
|
میدان ایجاد شده از جریان AC و DC برای فضای محدود مفید است |
خطر گرمایش بیش از اندازه |
|
از ولتاژ پائین استفاده می شود |
نیاز به ترانسفورماتور سنگین |
|
قطبی موجود نیست تا ذرات مغناطیسی را جذب کند |
امکان روشن کردن آن بدون تولید میدان |
|
شدت جریان قابل کنترل است |
امکان آلودگی قطعه کار بوسیله الکترود |
|
شدت جریان قابل اندازه گیری است |
زمان برای آماده کردن جهت تماس الکتریکی کامل معمولاً استفاده از آن احتیاج به دو نفر اپراتور دارد |
دستگاه آزمایش کوئیل انعطاف پذیر :
در این روش کابل حامل جریان بدور قطعه کار پیچیده شده و تولید میدان مغناطیسی طولی می کند که قادر است نواقص موازی کابل را آشکار کند. اگر امکان داشته باشد، باید بین حلقه های کابل فاصله ای در نظر گرفت تا بازرسی قطعه کار بین آنها ممکن گردد.
