TMM. Teknik Bilgi. Tahribatsız Malzeme Muayene San.ve Tic.Ltd.Şti Non-Destructive Inspection Co

Transkript

1 Magnetik Partikül Çatlak Kontrolü ve Demagnetizasyon Giriş Magnetik Partikül yöntemi 100 yıla yakın bir süredir endüstriyel anlamda yüzey ve yüzey altı hataların muayenesinde kullanılmaktadır yıllarından bu yana özellikle Amerika ve Avrupa da, Magnetik Partikül Çatlak Kontrol cihazlarını ve bunların yan ürünlerini üreten bir endüstri dalı oluşmuştur. Hızla gelişen sanayinin artan otomasyon talepleriyle birlikte zaman ayarlı, mikroprosesör kontrollü, akım geri beslemeli, demagnetizasyonlu, yükleme ve boşaltma olanaklarına sahip tam otomatik muayene ekipmanları üretilmiştir. Muayene ekipmanlarını birbirinden ayıran en önemli özellik kullanılan akım cinsi olmaktadır. Çok genel bir deyişle Magnetik Partikül Çatlak Kontrol Cihazları Alternatif, Yarı Dalga Doğru akım ve Tam dalga doğru akım cihazları şeklinde 3 ana başlık altında toplanabilmektedir. Alternatif akım ve Doğru akım cihazlarının Magnetizasyon ve demagnetizasyon şartları, kullanılan akımların farklı karakteristikleri nedeniyle birbirinden farklı olmaktadır. İlerleyen sayfalarda magnetizasyon ve demagnetizasyon ile ilgili açıklayıcı bilgiler yer almaktadır. Magnetik Partikül Yöntemi ve Kullanım Alanları: Magnetik parçacık çatlak kontrol yöntemi ile magnetik permeabilitesi 100 ün üzerindeki ferromagnetik olan fakat östenitik olmayan bütün çelik ve alaşımları ile dökme demirler muayene edilebilir. Genellikle yüzey ve yüzeyin hemen altındaki çatlak şeklindeki malzeme ayrılmaları tespit edilebilir. Belirli koşullar altında döküm ve dövme parçalarda ve kaynak dikişlerinde yüzey altı hatalar da görüntüye getirilebilir. Bu hatalar, parçaların üretimi sırasında oluşan çatlak ve malzeme ayrılmaları olabileceği gibi işletme koşullarında oluşan hasarlar da olabilmektedir. Magnetik Partikül Çatlak Kontrol yöntemi özellikle döküm ve dövme sektörü ile kaynak dikişi kontrollerinde yoğun olarak kullanılmaktadır. Otomotiv sektöründe işlenmiş ve ısıl işlem görmüş parçaların kontrolünde, çelik konstrüksiyonlarda, güç santralleri, petrokimya ve havacılık sektörlerinde yoğun bir uygulama alanı bulmaktadır. Hakan Günay 1

2 Çatlak ve malzeme ayrılmaları nasıl tespit edilir? TMM Ferromagnetik malzemelerin magnetik iletkenliği iyidir ( permeabiliteleri yüksektir ). Magnetizasyon sırasında magnetik alan çizgileri çatlaklarda olduğu gibi daha az iletken bir bölgeye geldiğinde, değişen magnetik iletkenlikten dolayı bir magnetik alan saçılması oluştururlar. Magnetik alandaki bu değişim, magnetik partikül muayenesinde temel oluşturur. Bir çatlak veya malzeme ayrılmasının oluşturduğu bu saçılan alan, magnetizasyon sırasında yüzeye kuru veya süspansiyon içerisinde uygulanan ve serbest olan demir ve demir oksit tozlarını çekmeye ve hatalı bölge üzerinde magnetik bir köprü oluşturmaya başlar. Bu şekilde çatlak veya malzeme ayrılması üzerinde oluşan toz yığını gözle görülerek hatalı bölge olarak tanımlanabilir (Şekil 1). Şekil1. Magnetik partikül çatlak kontrolünün temel prensibi Magnetik Partikül Çatlak Kontrolünde temel parametreler nelerdir? Magnetik partikül çatlak kontrolünün temel parametreleri aşağıdaki gibi sıralanabilir: 1. Uygulanan metodun doğruluğu 2. Uygulanan akımların dalga formları ( Alternatif, Yarı ve Tam Dalga doğru akım ) 3. Magnetik akıların parça üzerindeki doğrultu ve büyüklükleri (A/cm veya Öersted ) 4. Magnetikleştirme süresi 5. Demagnetizasyon 6. Hatayı gösteren ekipmanlar, aksesuarlar ve uygulama yöntemleri ( Test sıvısı v.s ) 7. Operatör Yukarıda belirtilen esaslar doğru bir magnetik partikül çatlak kontrolü için en uygun durumlarında olmalıdır. Hakan Günay 2

3 Uygulama metodu seçilirken parçanın her yerinde yeterli magnetik alan şiddetlerinin oluşturulabilmesi ve her yöndeki çatlakların görüntülenebilmesi esas alınır. Bir çatlak görüntüsü için en önemli şart, magnetik alan çizgileriyle çatlak veya malzeme ayrılması arasındaki açının 45 den az olmamasıdır. Magnetizasyon Teknikleri Magnetik partikül muayenesinde, muayene parçasında bir magnetik alan oluşturmak için doğrudan ve dolaylı magnetizasyon teknikleri uygulanır (Şekil 2). Şekil 2. Magnetizasyon Teknikleri Boyuna hataların tespitinde pratikte en çok uygulan malzemenin kendisi üzerinden veya yardımcı iletken üzerinden akım geçirme yöntemidir. Bu yöntemde ferromagnetik malzeme, kendisi üzerinden veya belirli bir bölümünden ya da yardımcı iletken üzerinden alternatif, yarı dalga veya tam dalga doğru akım geçirilerek magnetize edilir. İçerisinden akım geçen iletkenin çevresinde magnetik alan oluşacağı ve alan çizgilerini dik kesen hataların tespit edilebilirliği prensibi gereği, olası boyuna çatlaklar görüntüye getirilir. Malzemeden geçirilmesi gereken akımlar malzeme kesiti ile doğru orantılıdır ve bu yüzden malzemenin temas noktalarında yanma noktaları oluşmaması için çok iyi bir temas sağlanması gerekmektedir. Enine hataların tespiti için ise parça magnetik akı tesiri altında bırakılır. Bu yöntemde magnetizasyon bobinleri veya elektromıknatıslar kullanılır. Her iki yöntemde de boyuna magnetik akı oluşturularak enine hataların tespiti yapılır. Hakan Günay 3

4 TMM Resim 1. Doğrudan akım ve bobin magnetizasyonu ile krank şaft kontrolü Resim 2. Doğrudan akım ve elektromıknatıs ile biyel kolu kontrolü Her iki yöntemin de temel uygulama şekli, test cihazının temas kafaları arasına test parçasının sıkıştırılarak, üzerinden akım geçirilmesi ve bobin ya da elektromıknatıs ile elde edilen doğrusal akının parça üzerinden iletilmesi şeklindedir (Resim 1 ve 2). Parçadan geçirilmesi gereken minimum akımlar ve akılar, parçanın kritik bölgelerinde bile minimum alan şiddetini oluşturabilecek şekilde seçilir. Boyu 800mm den kısa parçalar için bobin uygulaması yerine elektro mıknatıs uygulamaları tercih edilebilmektedir (Resim2). Hakan Günay 4

5 Magnetik Partikül Testlerine genel bakış TMM Standart bir magnetik Partikül Test sisteminin işleyişi aşağıdaki şekilde gösterilebilir. (Şekil 3). Tristörler aracılığı ile şebeke akım ve gerilimi kontrol edilerek yüksek akım transformatörlerinin primer gerilimleri ayarlanır. Yüksek akım transformatörlerinin sekonder çıkışı üzerindeki akım trafolarından akım geri beslemeleri alınır ve PLC ile kumanda edilir. Elde edilen yüksek akım ile parça üzerinde magnetik akı indükte edilir. Bu esnada parça üzerine gönderilen magnetik partikül test sıvısı içerindeki magnetik partiküller kaçak akı bölgelerinde toplanarak UV ışık altında hataları belirgin hale getirirler. Şekil 3. Standart Magnetik Partikül Test akış şeması Magnetik Partikül testlerinde Demagnetizasyon Yukarıda kısaca bahsettiğimiz gibi pek çok değişik yöntemler kullanılarak magnetize edilen parça üzerinde, test esnasında magnetik kutuplaşma oluşturulduğu için, test sonrasında üzerinde kalıcı mıknatıslık oluşabilmektedir. Alternatif akım cihazlarında deri etkisi nedeniyle bu mıknatıslık yüzeysel oluştuğu için kolaylıkla giderilebilmektedir. Yarı dalga ve tam dalga doğru akım cihazlarında ise mıknatıslığı gidermek oldukça zor ve uzun olmaktadır. Magnetizasyon ve demagnetizasyonu açıklamak için malzemenin atomal boyutlarına inmek gerekmektedir. Bilindiği gibi malzemenin yapı taşı atomlardır ve bir çekirdek etrafında dönen elektronlardan meydana gelmiştir. Ferromagnetik malzemelerde ise aynı doğrultuda bir araya gelen atomlar magnetik nüfuz bölgeleri oluşturmaktadır. Bu bölgelere magnetik domainler Hakan Günay 5

6 adı verilmektedir. Magnetik domainler malzemenin içerisindeki küçük mıknatısçıklar şeklinde de düşünülebilir. Magnetikleşmemiş bir malzemede magnetik domainler dağınık vaziyette bulunmaktadır. Malzeme, yoğun bir magnetik alan içerisinde veya etkisi altında magnetikleştirildiğinde ise magnetik kutuplar aynı doğrultuyu işaret ederler ve metal bir mıknatıs haline gelirler (Şekil 4). Şayet magnetik domainler çabucak rastgele dizilmiş durumlarına döndürülürse de demagnetize edilmiş olur. Yumuşak ferromagnetik metaller çabucak magnetize edilebildiği gibi magnetikliklerini de uzun süre koruyamazlar. Alaşımlı sert metallerin magnetizasyonu çok zor olmasa da demagnetize edilmesi zorlaşmaktadır. Şekil 4. Ferromagnetik malzemelerde magnetizasyon Histeresiz eğrileri Ferromagnetik malzemelerin magnetizasyon eğrileri histeresiz eğrileri olarak adlandırılır (Şekil 5). Bu eğriler, malzemenin kimyasal kompozisyonu ile değişim gösterir. Mıknatıslığı tamamen giderilmiş bir malzemeye değişken bir dış magnetik alan uygulandığında, bu alan ile akı yoğunluğu ölçülerek histeresiz eğrisi çizilebilir. Histeresiz, ferromagnetik malzeme kütlesine etki eden magnetik alan şiddeti değiştirildiğinde, magnetik etkinin gecikmesi anlamına gelmektedir. Eğrinin düşey ekseni B, malzemedeki akı yoğunluğunu, H ise uygulanan alan şiddetini göstermektedir. Eksenlerin kesişim noktası,0, mıknatıslamanın olmadığı ve hiçbir kuvvetin uygulanmadığı anı temsil eder. Magnetik alan şiddeti arttırıldığında, akı yoğunluğu önce hızlı, sonra maksimum ya da doyma noktasına ulaşıncaya kadar yavaşlayarak artar. Magnetik alan şiddetinin daha fazla arttırılması akı yoğunluğunda bir artış meydan getirmez. Akı yoğunluğunun yükselişi noktalı çizgi ile gösterilmiştir. Magnetik alan şiddeti ters yönde 0 a düşürüldüğünde B r noktasında malzemede bir miktar mıknatıslanma mevcut kalır. Buna malzemenin artık mıknatıslığı (remanens) adı verilir. Mıknatıslama akımı ters çevrilerek yavaşça 0 a düşürüldüğünde malzemedeki akı yoğunluğu azalır. Artık mıknatıslık c noktasında 0 olur. Yatay eksendeki mesafe, giderme kuvveti (koersitif) olarak adlandırılır. Giderme kuvveti, Hakan Günay 6

7 mıknatıslanma sonrasında malzemelerdeki magnetik akı yoğunluğunu 0 a indirgemek için gerekli olan magnetik alan şiddeti değeridir. Bu noktadan magnetik alan şiddeti daha da arttırılırsa malzeme tekrar doyuma ulaşır (d). Magnetik alan şiddeti tekrar yavaş yavaş 0 a düşürüldüğünde, akı yoğunluğu bir miktar azalır(e). Bu noktada da malzemede bir miktar artık mıknatıslanma görülür. Magnetik alan ilk yönde arttırılmaya devam edilirse artık akı yoğunluğu azalır ve f noktasında 0 olur. F noktasından magnetik alan arttırılmaya devam edilirse başlangıç doyma noktasına (a) ulaşılır. Şekil 5. Histeresiz eğrisi Histeresiz eğrisinin daralması malzemenin kolay mıknatıslanabileceğini ve düşük artık mıknatısa sahip olacağını, genişlemesi ise malzemenin zor mıknatıslanabileceği ve daha kuvvetli bir artık mıknatıslığa sahip olacağını gösterir. Demagnetizasyon Kalıcı mıknatıslık talaşlı imalat esnasında takım ömrünü azaltması, elektronik ekipmanlara zarar vermesi, kaynaklı birleştirmeler sırasında ark üflemesi oluşturması ve malzeme üzerine toplanan metal parçacıkların aşınmayı arttırması gibi pek çok sebepten dolayı istenilmeyen bir oluşumdur. Demagnetizasyon işleminin zorluğu veya kolaylığı pek çok faktöre bağlıdır ve gerekli giderme kuvveti; parçanın şekli, malzeme türü, uygulanan akımın türü ve yöntemi ile değişir. Yumuşak çelik parçalarda kalıcı mıknatıslık kolayca azaldığında demagnetizasyona ihtiyaç duyulmayabilir. Kalıcı Hakan Günay 7

8 magnetik alanın ürün performansını etkilemeyeceği yapısal parçaların da demagnetizasyonu gerekmez. Isıl işlem görecek malzemeler için, özellikle ~700 C Curie sıcaklığı üzerinde, demagnetizasyona ihtiyaç duyulmaz. Magnetik domainlerin rastgele dizilişlerine döndürülebilmesi için pek çok yöntem kullanılabilir. En kolayı malzemenin Curie sıcaklığının üzerine ısıtılmasıdır. Curie sıcaklığı düşük karbonlu bir çelik için yaklaşık 770 C dir. Çelik bu sıcaklığın üzerine ısıtıldığında östenitik yapıya geçer ve magnetiklik özelliğini kaybeder. Soğutulduğunda ise üzerinde kalıcı magnetiklik bulunmaz. Malzemelerin, yerin magnetik alanının etkisinden kurtulması için doğu-batı doğrultusunda bekletilmesi de demagnetizasyon için önemli bir husustur. Domainlerin rastgele dizilmelerinin sağlanması malzemenin bir alternatif akım bobininden geçirilmesi ile de sağlanabilir. Elektromıknatısların kullanıldığı durumlarda da alternatif akımın yavaşça azaltılması yolu ile de malzemeler demagnetize edilebilir. Bütün demagnetizasyon işlemlerinde esas prensip parçanın, yönü sürekli değişen ve şiddeti giderek azalan bir magnetik alan tesiri altında bırakılmasıdır (Şekil 6). Şekil 6. Demagnetizasyon eğrileri Alan yönünün sürekli değiştirilmesi, ya parçanın magnetik alan içinde ters çevrilmesi ya da akım yönünün sürekli değiştirilmesi ile sağlanır. Alan şiddetinin değiştirilmesi ise, ya akımın azaltılması, ya da parçanın veya bobinin birbirinden uzaklaştırılması ile sağlanabilir. Hakan Günay 8

9 Alternatif akım ( AC ) ile demagnetizasyon TMM Yüzey ve yüzeyin hemen altındaki küçük ve ince hataların hassas tespit edilmesi için alternatif akımla magnetizasyon kullanılır. Oluşan kalıcı magnetikliği gidermek için de yine alternatif akımla beslenen bobinlerden faydalanılır. Bobin veya parça birbirinden uzaklaşırken magnetik alanın yönü ve şiddeti sürekli değiştiğinden demagnetizasyon kolaylıkla yapılabilmektedir. Demagnetizasyon bobinlerinde parçanın bobinin etkin alanının dışarısına çıkartılması gerekir. Bu yapılmazsa parçada ilave kalıcı mıknatıslık oluşturulması da söz konusu olabilir. Alternatif akım demagnetizasyonu, PLC ve kontrol kartları ile kumanda edilen tristör devreleri ile kolaylıkla yapılabilmektedir. Doğru akım ( DC ) ile demagnetizasyon Boyutları ve kütlesi büyük parçalarda yüzey altındaki hataların (boşluk v.s) tespiti için doğru akım tercih edilmektedir. Deri etkisinin ortadan kalkmasıyla, akımın şiddetine bağlı olarak magnetik alan daha derinlere nüfuz edebilmektedir. Kalıcı mıknatıslığın giderilmesi için böyle bir durumda doğru akım kullanılması gereklidir. Doğru akım kullanılması durumunda ise akımın şiddetinin ve yönünün değiştirilebilmesi şarttır. Akımın yön değiştirme sıklığı yaklaşık 1Hz civarında tutulmalıdır. Doğru akım demagnetizasyonu oldukça zor ve uzun zaman alan bir işlemdir. Bu amaçla özel cihaz ve düzeneklere ihtiyaç duyulmaktadır. Şekil 7. DC demagnetizasyon eğrisi Hakan Günay 9

10 Firmamızın yapmış olduğu yarı dalga ve tam dalga doğru akım uygulamalarında magnetizasyon akım değeri bir önceki değerin %3 ila %5 arasında azaltılarak yönü değiştirilir. Demagnetizasyon eğrileri logaritmik fonksiyonlar şeklinde oluşturulmaktadır. DC Demagnetizasyon uygulaması demagnetizasyon eğrisi Şekil 7 de görüldüğü gibidir. Enine ve boyuna magnetize devrelerinde demagnetizasyon birbirinden farklı yöntemlerle yapılabilmektedir. Özellikle boyuna magnetizasyon devrelerinde yüksek akım ihtiyacını karşılamak üzere (örneğin 6000amper) büyük güçlü transformatörler ve yine büyük güçlü redresör grupları kullanılmaktadır. Boyuna AC/DC Magnetik Partikül testlerinin akış şeması ve gerçek uygulaması aşağıda görüldüğü gibi özetlenebilmektedir. (Şekil 8., Resim 3.) Resim 3.Boyuna magnetizasyon devresinin 6000amper redresör grubu. DC demagnetizasyon PLC kumandalı motorize demagnetizasyon şalteri ile Hakan Günay 10

11 Göreceli düşük akım değerlerinde DC demagnetizasyonda (Enine Demagnetizasyonda) bu azalma ve yön değiştirmelerin gerçekleştirilebilmesi amacıyla tristör devreleri (Resim 4) kullanılmaktadır. Enine AC/DC Magnetik Partikül testlerinin akış şeması da aşağıdaki gibi özetlenebilmektedir. Resim 4. Enine magnetizasyon devresinin tristör grubu. DC demagnetizasyon, PLC kumandalı sürücü kartları ile gerçekleştirilir. Hakan Günay 11

12 Yukarıda belirttiğimiz temel magnetizasyon yöntemlerinin tamamı firmamız tarafından başarı ile uygulanmaktadır. Ferromagnetik malzemelerin yüzeysel ve yüzeyin hemen altındaki çatlakların tespitinde imal ettiği sayısız uygulama ülkemiz sanayi ve sanayicisine hizmet vermektedir. Aşağıdaki resimlerde firmamızın imal ettiği bazı Magnetik Partikül Çatlak Kontrol Cihazlarından örnekler verilmiştir. Hakan Günay 12

13 TMM Resim 5 8. MPI Cihaz örnekleri Resim 9. MPI TEST Hakan Günay 13