การทดสอบหาต าหนิบนผิวชิ้นงานeng.sut.ac.th/me/2014/document/LabManuIndAuto/Penetrant Testing.pdf · Pressure)...

1

การทดสอบหาต าหนบนผวชนงาน (Penetrant Testing)

จดประสงค 1. นกศกษาท าการทดลองแบบการแทรกซมรอยต าหนบนผวงานได 2. นกศกษาเรยนรเงอนไขของการทดสอบ 3. สามารถวเคราะหภายหลงการการทดสอบ

ทฤษฎทเกยวของ การทดสอบแบบไมท าลาย ( nondestructive-testing) หรอ NDT ทส าคญใชมากม 5

วธ 1. การตรวจสอบดวยสายตา (visual inspection) เปนวธทไมยงยาก แตผตรวจสอบตองมความรในดานทฤษฎและปฏบตเกยวกบการผลต ลกษณะทผดปกต ตางๆ 2. การตรวจสอบดวยสารแทรกซม (penetrant testing; PT) เพอหาความบกพรองในเนอวสด โดยสารแทรกซมสามารถซมเขาไปในชองวางแคบๆ ทเปนรอยราวขนาดเลกได ใชไดผลดกบชนงานทเปนโลหะ 3. การตรวจสอบโดยอนภาคแมเหลก (magnetic particle testing; MT ) ใชกบวสดเฟอรโรแมกเนตก ไดแก เหลก นกเกล และโคบอลท สงบกพรองทอยบนผววสด ผงแมเหลกจะจดเรยงตวตามรอยราว สงบกพรองอยใตผวเลกนอย ผงแมเหลกจะจดเรยงตวอยางไมเปนระเบยบ 4. การตรวจสอบวสดดวยอลตราโซนก (ultrasonic testing; UT)น าไปใชในการทดสอบเหลกโครงสรางประเภท I-Beam ขณะอยในสายการผลต รางรถไฟ ทอสงความรอน เหลกแผน 5. การตรวจสอบดวยการถายภาพรงส (radiographic testing; RT) อาศยหลกการของรงสทผานเขาไปสวสดททบแสงแลวทะลอกดานหนง ปรมาณททะลผานออกมาของรงส จะบงชใหทราบถงสงบกพรองและปรมาณของเนอวสด สาเหตเพราะรงสถกดดซมเอาไว ถาเนอวสดทมสงบกพรอง หรอปรมาณของเนอวสดนอย จะมปรมาณของรงสททะลผานออกมามากและจะไปปรากฏบนแผนฟลมในปรมาณทมาก แตในทางตรงกนขามถาไมมสงบกพรองหรอเนอวสดมากปรมาณรงสทตกระทบแผนฟลมนอยเพราะถกเนอวสดดดซบเอาไว การตรวจสอบดวยสารแทรกซม (penetrant testing; PT) การทดสอบวธน เปนการทดสอบแบบไมท าลาย โดยใชสารแทรกซมเขาไปในรอยราวชนงานทเกดจากสาเหตตางๆกน และมรปรางเรยกตางกน

2

ชนดของรอยต าหน

ความบกพรอง ( Defect )

ความบกพรองแบงไดเปน 4 แบบ คอ ความบกพรองจด ( point deflects ) ความบกพรองแบบเสน ( line defects ) ความบกพรองแบบระนาบ ( interface defects ) ความบกพรองขนาดใหญ ( bulk defects )

ความบกพรองขนาดใหญ ความบกพรองทมขนาดใหญ มขนาดประมาณ 10-3 ม. และบางครงอาจมขนาดใหญกวาน ความบกพรองขนาดใหญมความส าคญดงนคอ 1) ฟองอากาศ ( Holes ) พบบอยในโลหะ เพราะปกต จะมอากาศรวมตวอยในสภาพเปนของเหลว ระหวางการแขงตวของโลหะจะมอากาศออกมาและมฟองอากาศ อาจพบฟองอากาศในรอยเชอมเนองจากน าในธปเชอมจะท าใหเกดฟองอากาศของออกซเจนในรอยเชอม 2) อนภาคเจอปนในวสด ( Inclusion ) การแทรกตวของสารแปลกปลอมตางๆ ( สารไมพงประสงค ) ตวอยางเชน เหลกออกไซดในขณะทท าการหลอมเหลก เหลกออกไซดจะแทรกอยในเนอเหลก ในรปของอนภาคเจอปน อนภาคเจอปนจะท าใหความแขงแรงของเหลกลดลง ดงนนหากมอนภาคเจอปนมากในสวนใดสวนหนงของโลหะ จะท าใหสวนนนเปนจดออนของโลหะ

3) รอยราว ( Cracks ) เปนคณสมบตทส าคญทสด ในความบกพรองขนาดใหญ เพราะจะมผลตอคณสมบตเชงกลมาก โดยเฉพาะอยางยงวสดเปราะ ทงนเพราะรอยราว มลกษณะเปนปลายแหลมและขยายใหญขน เมอไดรบแรงเพมขนเปนผลใหวสดแตก

4) ละลายและความลกไมพอ ( Lack of fusion and penetration )

3

การละลายและความลกไมพอเกดจากการบากชนงานบรเวณทจะเชอมไมลกพอ ท าใหเกดการหลอมเหลวเฉพาะบรเวณผวหนาของชนงาน ความรอนไปไมถงบรเวณดานลางของชนงานท าใหดานลางชนงานไมหลอมเหลว ท าใหการเชอมตดไมด ความแขงแรงกจะนอยลง

ขนตอนการทดลอง 1. เลอกชนงานทจะท าการทดสอบ 2. ท าความสะอาดชนงานดวย Cleaner

3. ทงไวประมาณ 5 นาทแลวเชดออกใหหมด โดยตองเชดในทศทางเดยวตลอด เพอใหแผลชนงาน เปด 4. จากนนพนตว Penetrant เพอใหแทรกซมลงสผวชนงานทงไวประมาณ 10-15 นาทแลวท าการเชดออก โดยตองเชดในทศทางเดยวตลอด เพอใหแผลชนงานเปด

4

5. หลงจากเชดตวแทรกซมออกกพนตามดวยตว developer เพอดงตว penetrant ท าใหเหนรอยต าหนชดเจนยงขน

ผลการทดลอง ชนงานท 21

สรปผลการทดลอง

5

การทดสอบหาต าหนผวงานดวยแมเหลกไฟฟา

(Magnetic surface cracks Detection Technics) จดประสงค 1. เพอใหสามารถด าเนนการทดสอบดวยแมเหลกไฟฟาได 2. เพอใหรจกขอบขายการใชงานทดสอบ 3. เพอใหรจกเงอนไขทดสอบ 4. ทดสอบความไวของวธการ อปกรณทดสอบ เชน ชนทดสอบ อปกรณการวดความเขมสนามแมเหลก 5. การเขยนรายงานและผลการทดสอบ

ทฤษฎทเกยวของ การทดสอบวธนจะเรยกอกชอหนงวา “ การทดสอบดวยผงแมเหลก ” การเกดสนามแมเหลกไฟฟา ตามกฎของสนามแมเหลก : เมอมกระแสไฟฟาไหลผานตวน าจะท าใหเกดสนามแมเหลกขน และจะเหนยวน าชนทดสอบทเปนเหลกดวย เชนเดยวกน วธการจะแตกตางกนหลายรปแบบดงรปท

6

a) กระแสผานขดลวดเกดสนามแมเหลก b) ขดลวดแมเหลก( coil magnetic-CM ) ชนทดสอบเขาไปในขดลวดเกดเสนแรงแมเหลกตาม

แนวยาว c) แมเหลกตว U ( yoke magnetic-YM ) ชนทดสอบจะวางอยระหวางตว U (yoke) จะท าให

เกดเสนแรงแมเหลกตามแนวยาวชนทดสอบ d) กระแสไฟฟาผานตวน าเสนตรงท าใหเกดเสนแรงแมเหลกหมนรอบตวน า e) การเหนยวน ากระแสไหลวนในชนทดสอบ (SA) เปนเสนแรงแมเหลกวงกลมในชนทดสอบ

การเกดสนามแมเหลกและประเภทของการเหนยวน าในชนทดสอบดวยกระแสไฟฟาตรง การเหนยวน ากระแสไฟฟาไหลวนในชนทดสอบ (SA) จะใชทดสอบหารอยราวตามแนวยาว

และรอยราวหรอต าหนท ามมเอยงไดถง 45 องศา

a) สอดตวน าเขาในทอจะเหนยวน าชนทดสอบ ท าใหหารอยต าหนตามแนวยาวได b) สอดตวน าผานรเพอหาต าหนตามแนวรศม

การวางตวน าไฟฟา เพอเหนยวน าชนทดสอบหาต าหน

ในการท าใหรอยต าหน หรอรอยราวปรากฏใหเหนได จะใชผงเหลกด า ( Fe3O4 ) โรยบน ชนทดสอบ หรอสภาพเปยก ผสมกบน า หรอน ามนปโตรเลยม น ามน ( สภาพโคลน) ทาเคลอบเอาไว

เมอปลอยกระแสไฟฟาเขาไป บรเวณทเปนต าหน จะเกดการเบยงเบนของเสนแรงแมเหลก ท าใหผงแมเหลกขยบตวเปนพมผงเหลกใหเหนไดอยางชดเจน ดงรป

สนามแมเหลกเสนตรงใชทดสอบต าหนยาวแนวขวาง สนามแมเหลกวงแหวนใชทดสอบต าหนยาวตามแนวยาว

7

a) ต าหนบนผว b) ต าหนใตผวงาน การเปรยบเทยบขอด-ขอเสยของแมเหลกไฟฟาตว U ทใชทดสอบ กระแสไฟฟาทใช

ขอด ขอเสย

กระแสตรง (DC-Yoke)

• มโครงสรางทแขงแรง ใชทดสอบชนงานยาวๆได

• พมแมเหลกมกจบตวบรเวณปลายมนโคงของชนทดสอบลางอ านาจแมเหลกตกคางในชนทดสอบนาน (ท าใหสนเปลองกระแส) เกดการลดความเขมของสนามแมเหลกเมอพนทหนาตดชนทดสอบเพมมากขน

กระแสสลบ (AC-Yoke)

• เกดความเขมขนของสนามแมเหลกสม าเสมอ แมกระทงชนทดสอบทมรปรางซบซอน และถงแมจะมพนทหนาตด เพมมากขน • การลางแมเหลกกระท าไดงายและรวดเรวใชเวลาทดสอบสน

• มราคาแพง • จ ากดความยาวในการทดสอบ

ขนตอนการทดลอง 1. น าชนงานมาเชดใหสะอาดดวยสาร Cleaner 2. น าผงแมเหลกมาโรยตามผวของชนงาน 3. น าเครอง Yoke มากดทบผวชนงานแลวกดสวตซประมาณ 5 วนาท

8

เครองมอทใช

ผลการทดลอง (ดวยกระแส AC) ชนงานท 21

สรปผลการทดลอง

รอยต ำหน

9

ผลการทดลอง (ดวยกระแส DC) ชนงานท 21

สรปผลการทดลอง ชนงาน 4

สรปการทดลอง

รอยต ำหน

รอยต ำหน

10

ชนงาน Root Crack

สรปผลการทดลอง

รอยต ำหน

11

การการอยราวดวยคลนอลตราโซนก ทฤษฎ

การหารอยราวโดยคลนเสยงอลตราโซนก (Ultra Sonic) โดยทวไปคลนเสยงจะหมายถง คลนเสยงความถสงซงหมนษยไมสามารถไดยนได หรอ เสยง

ทมความถสงกวา 20,000 Hz หรอ 20 kHz คณสมบตของคลนอลตราโซนก

ความเรวของคลนเสยง ความเรวของคลนจะขนอยกบตวกลางทคลนเคลอนทผาน เชน ความเรวเสยงในอากาศจะมคา เทากบ 340 เมตรตอวนาท สวนความเรวในน า (ท 20 °C) มคา 1,500 เมตรตอวนาท เปนตน

ความยาวของคลนและความถของคลน ความยาวคลนเสยงจะถกก าหนดโดยความเรวและความถของคลนนน ซงสามารถค านวณไดจาก สมการตอไปน

λ = C/f ….(2.8-1)

โดย λ แทนความยาวคลน, C แทนความเรวของเสยง และ f แทนความถของเสยง การสะทอนของคลนเมอคลนตกกระทบในแนวตงฉาก

เมอคลนเคลอนทผานไปทกจดบกพรอง,รอยราว หรอผวดานตรงขามของวสด จะเกดการสะทอน กลบจดบกพรองหรอผวดานหลงของวสดน กลาวรวมกนคอ เนอของวสดทขาดความตอเนองหรอเปนรอยตอระหวางตวกลางทคลนเคลอนทไปกบตวกลางอน เมอคลนเคลอนทตกกระทบในแนวตงฉากกบรอยตอของตวกลางตางชนดน คลนสวนหนงจะเคลอนทผานตอไป และสวนทเหลอจะสะทอนกลบเขาไปในตวกลางเดมอก อตราสวนของคลนเสยงทสะทอนกลบและสวนทเคลอนทผานตอไปจะขนอยกบคณสมบตทางเสยงทเรยกวา อมพแดนซเสยง (Acoustic Impedance) ของตวกลางทงสองนนอมพแดนซเสยง, Z นเปนผลคณระหวางความเรวของเสยงในตวกลางนนกบคาความหนาแนนของตวกลาง, p ซงสามารถเขยนเปนสมการไดดงน

Z = C×p ….(2.8-2) ทรอยตอของตวกลางสองชนด ถาให Z1 และ Z2 เปนอมพแดนซเสยงของตวกลางท 1 และ 2 ตามล าดบ แลวสมประสทธการสะทอนกลบของความดนเสยง r (Reflection Coefficient of Sound Pressure) ซงเปนอตราสวนของความดนของเสยงสวนทสะทอนกลบ Pr ตอความดนของเสยงทงหมดทตกกระทบ P0 จะค านวณไดจากสมการตอไปน

r = Pr / Po = (Z2 – Z1) / (Z1 + Z2) ….(2.8-3) ยกตวอยางเชน ถาเราจนตนาการระนาบรอยตอในเนอโลหะเดยวกนขนมาอนหนง เมอคลนเสยง

12

ตกกระทบระนาบนจะไมมการสะทอนกลบ ทงนเนองจากทงสองขางของระนาบจนตนาการเปนเนอของตวกลางเดยวกนท าให Z1 = Z2 จากการแทนคาในสมการ (2.8-3) จะได r = 0 การค านวณนท าใหทราบวาส าหรบการเคลอนทของคลนในตวกลางชนดเดยวกนแลว คลนจะไมสะทอนกลบ แตจะเคลอนทผานไปไดทงหมดส าหรบกรณของการสะทอนของคลนทผวดานหลงของชนวสดนน ถาหากวสดนนท าดวยโลหะแลวคาอมพแดนซเสยงของอากาศจะนอยกวาคาอมพแดนซเสยงของเนอโลหะมาก (Z1 > Z2) ดงนน ตามสมการ (2.8-3) r หรออตราสวนการสะทอนทผวดานหลงนเกอบจะมคาเทากบ 1 หรออาจจะกลาวไดวาการสะทอนกลบของคลน เกอบจะมคา 100%

การสะทอนและการสงผานของคลนทตกกระทบในแนวท ามม ผวสมผสระหวางชนวสดอาจจะเปนการสมผสระหวางของเหลวและของแขง หรอของแขงกบ ของแขงกได แตวาในทนจะพจารณากรณของแขงกบของแขง (ของแขงดานหนงเปนลมสามเหลยมซงเปนโพรบแบบท ามม สวนของแขงอกดานหนงนนคอวสดทจะตรวจสอบนนเอง)

รปท 2.7 การสะทอนและการหกเหของคลนทรอยตอระหวางตวกลางทเปนของแขงกบของแขง

จากรป 2.7 คลนแนวยาวซงเคลอนทมาตามตวกลางของแขงท 1 จะตกกระทบกบแนว

ผวสมผสโดยท ามมตกกระทบ il แลวจะมคลนความยาวสวนหนงสะทอนกลบท ามม βl (ในทน il =

βl )และคลนแนวขวางอกสวนหนงสะทอนกลบดวยมม βs นอกเหนอจากนยงมคลนอกสวนหนง

13

สงผานเขาสตวกลางท 2โดยมมมหกเห (Angle of Refraction) เทากบ θS คลนทสงผานไปไดนเปนคลนแนวขวาง (ในความเปนจรงจะมคลนแนวยาวสวนหนงซงเคลอนทผานเขาไปในตวกลางท 2 โดย

ท ามมหกเห θl ดวย แตวาลกษณะลมของตวปลอยคลนไดมการออกแบบให θl นมคาเกนกวาคามม

วกฤต ซงเปนผลให θl ≥ 90° จงท าใหไมตองคดถงคลนความยาวในตวกลางท 2 นอก) ตามรปท 2.7 การแสดงมมตกกระทบและหกเหของคลนเสยงในตวกลาง แสองในลกษณะท ามม กบแนวเสนตงฉากของผวสมผสทงสน จากกฎของสเนล (Snell’s Law) อตราสวนระหวางความเรวของเสยงและคา sine ของมมนนๆ จะมคาคงท จากกฎนความสมพนธระหวางคลนแนวยาวในเนอลมของตวโพรบและคลนแนวขวางซงสงผานเขาไปในเนอวสดจะสามารถแสดงไดดวยสมการตอไปน

(C1l / sin il) = (C2S / sin θS) ….(2.8-4)

จากสมการ (2.8-4) จะเหนไดวา ถาเราตองการใหมมหกเห θS เปนคาๆ หนง จะสามารถค านวณ คาของมมตกกระทบ il ได โดยทราบคาของความเรวของคลนในตวกลางทงสอง การตรวจสอบแบบไมท าลายโดยใชคลนอลตราโซนก

การประยกตใชคลนอลตราโซนกในการตรวจสอบวสดแบบไมท าลายมหลายวธ เชนการตรวจสอบจดบกพรอง หรอความไมตอเนองในเนอวสด การวดความหนาของวตถ การตรวจสอบคณสมบตของวสดเปนตน ซงการตรวจสอบจดบกพรองในวสด เปนการตรวจหารอยราวฟองอากาศหรอสงแปลกปลอมทอยภายในเนอวสด ตวอยางการใชงานประเภทนคองานการตรวจสอบชนสวนเครองยนตเครองบนไอพน การตรวจสอบใบพดของเครองยนตกงหนแกส หรอเครองยนตกงหนไอน า การวดความหนาของวตถสวนมากใชในการตรวจสอบการสกหรอของวสดทมลกษณะเปนผนงแผนเรยบ เชนการตรวจสอบความหนาของทอสงน า ผนงของเรอและถงน ามน เปนตน สวนการตรวจสอบคณสมบตของวสดนน จะเปนการประยกตใชงานคลนอลตราโซนกอกแบบหนงเพอประเมนคณสมบตตางๆของวสด เชน ความแขง เกรน (grain) และสวนประกอบของวสดซงอยนอกเหนอขอบเขตของโครงการนวธการตรวจสอบความหนาหรอการตรวจสอบจดบกพรองในวตถมอยดวยกน 3 วธ คอ วธทใชการสะทอนกลบของคลน วธทใชการสงผานของคลน และวธเรโซแนนท ใน 3 วธการน วธทใชการสะทอนกลบของสญญาณพลส (pulse-echo) เปนวธการทนยมใชมากทสด รปท 2.3 แสดงระบบตรวจสอบความหนาของวตถ โดยใชหลกการของการสะทอนกลบของสญญาณพลส

สญญาณทปอนใหหวสงคลนอลตราโซนกม 2 ลกษณะ คอ แบบ impulseและแบบ tone burst เมอหวสงคลนอลตราโซนกไดรบสญญาณไฟฟา จะท าใหเกดการสนสะเทอนและเกด เครองก าเนดสญญาณพลสเครองรบสญญาณเครองประมวลผลและแสดงภาพโพรบเนอวสดทดสอบ จดบกพรองผวดานหลงเปนคลนอลตราโซนกขนมา และเมอคลนอลตราโซนกเดนทางเขาไปในเนอวสดทดสอบจะเกดการสะทอนกลบเมอคลนเดนทางไปกระทบกบผวดานหลงสดของวตถหรอจดบกพรองในวสด คลนทสะทอนกลบมานจะถกแปลงเปนสญญาณไฟฟาทหวรบสญญาณคลนอลตรา

14

โซนก หวรบและหวสงคลนอลตราโซนกอาจจะเปนตวเดยวกนหรอแยกกนกไดทงนขนอยกบการออกแบบระบบ สญญาณทรบไดจะถกขยายและน าไปประมวลผลเพค านวณหาต าแหนงของจดบกพรองหรอความหนาของวตถอกท

หวรบสงคลนอลตราโซนก โพรบหรอหวรบสงสญญาณคลนอลตราโซนกสวนใหญท าจากเซรามกชนดหนงเรยกวาผลก piezoelectric ซงเปนผลกทเมอถกกระตนดวยกระแสไฟฟาจนเกดขวทางไฟฟา (polarization) จะเกดการยดและหดตวของผลกจนท าใหเกดคลนเสยงความถสงสงออกไป ในทางกลบกนเมอมคลนเสยงความถสงมากระทบผลกกจะท าใหเกดกระแสไฟฟา โพรบส าหรบใชกบคลนตามยาวและคลนตามขวางจะมลกษณะแตกตางกน โพรบทใชกบคลนตามยาวจะเปนโพรบแบบตงฉาก สวนโพรบทใชกบคลนเฉอนจะเปนโพรบแบบท ามมกบพนผว โพรบแบบตงฉากจะใชในวธการปลอยคลนแบบตงฉาก (normal beam testing) ซงเปนการปลอยคลนในแนวตงฉากกบผวทดสอบ วธการนสามารถใชวดต าแหนงความลกของจดบกพรองหรอความหนาของวสดในแนวตงฉากได ส าหรบหวรบสงสญญาณคลนอลตราโซนกทเลอกใชในโครงการนเปนหวรบสงสญญาณคลนอลตราโซนกแบบตงฉากทหวรบและหวสงสญญาณแยกกนคนละสวน เพอใหสญญาณคลนอลตราโซนกทสงออกไปและสญญาณทสะทอนกลบมาไมรบกวนกน ในโครงการนไดเลอกใชความถ 5 MHz ซงเหมาะจะใชในการตรวจสอบโลหะและเซรามก สรปผลการทดลอง