Badania penetracyjne – czyli jak wykryć niewidoczne wady
Co może mieć wspólnego zjawisko podciągania kapilarnego z wykrywaniem wad materiałowych? Dla niewtajemniczonych powiązanie to może wydawać się wręcz niedorzeczne. W jaki więc sposób możemy mieć pewność, że wyrób, który przejdzie przez kontrolę wizualną i wymiarową w rzeczywistości spełnia założenia projektowe? Zwłaszcza jeśli mamy do czynienia z metaliczną powierzchnią części i na tyle małymi wadami, że mogą być one bardzo trudne do wychwycenia.
Co zatem zrobić, aby ryzyko to znacząco zminimalizować i zwiększyć szanse na znalezienie defektów, które mogą powodować różne skutki podczas późniejszego użytkowania wyrobu? Z pomocą przychodzi nam dziedzina znana jako badania nieniszczące. Jest to nic innego jak grupa procesów w większości zakwalifikowanych jako specjalne, które mają na celu wykrycie wad powierzchniowych, podpowierzchniowych a w przypadku niektórych technik również w całym przekroju danej części. W tym materiale skupimy się na pierwszych dwóch typach. Będą jednak pewne ograniczenia, które nie zawsze pozwolą nam na wykrycie każdego z tych defektów. Ale o tym jakie to mogą być przeszkody, powiemy sobie w dalszej części materiału. Sprawdzimy przede wszystkim czym są badania penetracyjne oraz na jakich zasadach się je wykonuje. Zweryfikujemy różne typy materiałów, które w zależności od wybranej metody mogą być nam niezbędne, aby prawidłowo skontrolować wyrób. Przejdźmy zatem do meritum. Miłej lektury!
W skrócie
Czytając ten artykuł dowiesz się:
- Co to są badania penetracyjne oraz jakie rodzaje możemy dzięki nim wykryć.
- Jakie materiały są niezbędne, aby przeprowadzić badania penetracyjne.
- Czym różnią się poszczególne metody i formuły oraz jak krok po kroku wykonać badania penetracyjne.
- Jak potwierdzić efektywność działania systemu, czyli skąd wiemy, że badania penetracyjne zawsze są zdolne do wykrywania wad.
Badania penetracyjne – zastosowanie
Jak już wspomnieliśmy badania penetracyjne zaliczane są do testów nieniszczących, czyli takich które są wykorzystywane do wykrywania defektów, ale bez wpływu na stan części w kontekście ich późniejszego użytkowania. Stąd ta nazwa. Więcej na temat samych badań nieniszczących przeczytacie w osobnym materiale na blogu. Zawiera on porównanie ośmiu najpopularniejszych technik jakie są obecnie stosowane: Badania nieniszczące – wprowadzenie do NDT
Badania penetracyjne są zaliczane do procesów specjalnych, bowiem istnieje sporo czynników, które mogą wpływać na efektywność działania całego systemu. W przypadku zwykłej kontroli wizualnej musimy pamiętać o zapewnieniu odpowiedniego oświetlenia, oraz ewentualnych pomocy w postaci lupy czy też boroskopu. Ważną kwestią jest również wzrok samego inspektora, który musi być okresowo weryfikowany. Natomiast na prawidłowy przebieg badania penetracyjnego składa się już dużo więcej elementów.
Jak sama nazwa wskazuje jednym z podstawowych materiałów, które wykorzystywane są w procesie jest penetrant. Jego rolą jest wniknięcie do danej wady oraz późniejsze wskazanie nam jej. Zatem dzięki zastosowaniu tej metody możliwe jest wykrycie wad, ale tylko takich które są otwarte do powierzchni. Przykładami takich defektów są wszelkiego rodzaju nieciągłości materiałowe jak chociażby porowatość, czy pęknięcia. Jednak musimy pamiętać, że badanie wskaże nam miejsce, gdzie dana wada występuje, ale nie pozwoli nam na określenie jej charakteru, głebokości oraz dokładnego przebiegu pod powierzchnią. Dlatego czasem dwa oddzielne wskazania występujące po przeciwległych stronach ściany przedmiotu mogą w rezultacie być jedną wadą, która przechodzi na wskroś.
Innym dość popularnym badaniem nieniszczącym stosowanym do ostatecznej akceptacji wyrobów jest kontrola magnetyczno-proszkowa. To ona pozwala nam na wykrywanie wad podpowierzchniowych, o których wspominaliśmy we wstępie. Ma jednak jedną wadę. Może być stosowana wyłącznie do części, które są ferromagnetykami. Dlatego przykładowo stopy aluminium nie mogą być sprawdzane przy użyciu tego badania. Z pomocą przychodzą nam właśnie badania penetracyjne, które nie mają takich ograniczeń. Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby zastosować je również do części stalowych, jednak zawsze lepiej korzystać z metod o większych możliwościach wykrywania wad.
Kolejne artykuły w każdy poniedziałek!
Polub moją stronę na Facebooku i dowiedz się o nich jako pierwszy!
Badania penetracyjne – materiały
Jak już wiemy jednym z podstawowych materiałów niezbędnych do wykonania badania jest penetrant. Sprawdźmy zatem jakie inne materiały są konieczne do przeprowadzenia kontroli. Przy czym warto pamiętać, że nie każdy z nich znajdzie zastosowanie we wszystkich metodach badania penetracyjnego.
Penetrant
Z definicji penetrant jest to ciecz, która posiada dużą zwilżalność oraz małe napięcie powierzchniowe. Dzięki czemu nie tylko z możemy go z łatwością aplikować na różne powierzchnie, ale w oparciu o zjawisko kapilarności wniknie on we wszelkiego rodzaju otwory, w tym wady. Stąd też wymóg, aby dany defekt był otwarty do powierzchni.
Wyróżnia się dwa typy penetrantów, które wykorzystywane są w przemyśle. Mogą zawierając one barwnik fluorescencyjny albo widzialny – najczęściej czerwony, ale także pomarańczowy lub fioletowy. Warto wiedzieć, że w przypadku branży lotniczej do ostatecznej akceptacji części stosować możemy wyłącznie barwnik fluorescencyjny.
Rodzaj zastosowanego penetranta decyduje również o dalszych krokach procesu. W zależności od metody wykorzystywane są penetranty, które są zmywalne za pomocą wody lub rozpuszczalnika a także takie, które wymagają dodatkowej emulgacji. W przypadku penetrantów wodnozmywalnych emulgator jest już jednym ze składników wchodzących w ich skład. Stąd też brak potrzeby stosowania dodatkowych środków.
Kolejną ważną kwestią jest czułość penetranta, która musi być dostosowana do sprawdzanego materiału. Im wyższa czułość tym więcej zobaczymy wskazań. Jednak nie wszystkie z nich finalnie okażą się wadami. Dlatego dobierając ją musimy być ostrożni. Przykładowo w większości przypadków czułość stosowana podczas badania odkuwek będzie odpowiednio większa niż w przypadku odlewów. Wynika to nie tylko ze struktury każdej z tych form materiału, ale także późniejszych wymagań stawianych przed gotowymi wyrobami.
Emulgator
Jego rolą jest ułatwienie procesu spłukiwania penetranta z powierzchni części. Jak przed chwilą wspomnieliśmy może być zarówno składnikiem penetranta jak i stosowany oddzielnie.
Wyróżnia się dwa typy emulgatorów:
– lipofilowy – jest to emulgator na bazie oleju, który w momencie kontaktu z penetrantem usuwa z powierzchni jego nadmiar a także dyfunduje z jego pozostałością dzięki czemu ułatwia jego spłukiwanie.
– hydrofilowy – to nic innego jak środki powierzchniowo czynne i detergenty na bazie wody. W kontakcie z penetrantem emulgator hydrofilowy rozbija go na mniejsze cząstki i jednocześnie zapobiega ponownemu łączeniu, czy też przyleganiu do części. Ponieważ emulgator hydrofilowy jest dużo bardziej czuły jego pojawienie się nie jako wyparło stosowanie metody opartej na emulgatorze lipofilowym.
Woda i rozpuszczalnik
Rolą wody i rozpuszczalnika jest usunięcie penetranta z powierzchni części na etapie płukanie. Dodatkowo rozpuszczalnik stosowany jest na etapie oceny wskazań.
Wywoływacz
To nic innego jak biały proszek, którego zadaniem jest absorbcja penetranta i jego „wyciągnięcie” na powierzchnię części tak, aby wskazać nam, gdzie występuje wada materiałowa. Inną rolą wywoływacza jest zapewnienie kontrastowego tła na powierzchni części. Rozróżnia się kilka rodzajów wywoływaczy:
– suchy (formuła a)
– wodnorozpuszczalny (b)
– wodno-zawiesinowy (c)
– rozpuszczalnikowy (d – dla penetrantów fluorescencyjnych i e – dla penetrantów widzialnych)
– o specjalnych zastosowaniach
Badania penetracyjne – przebieg
Aby badania penetracyjne były skuteczne konieczne jest, aby wszystkie potencjalne wady były otwarte do powierzchni. Dlatego przeprowadza się ją po wszystkich operacjach, które mają na celu usuwanie materiału. Dodatkowo jeśli w procesie wystąpiły jakiekolwiek operacje mogące zacierać materiał to konieczne będzie usunięcie jego cienkiej warstwy za pomocą trawienia. Przykładami takich operacji są szlifowanie, polerowanie a nawet piaskowanie czy kulowanie. Kolejną ważną kwestią, która ma wpływ na skuteczność wykonywanych badań penetracyjnych jest prawidłowe odtłuszczenie części. Jakiekolwiek nieprawidłowości na tym etapie skutkować będą występowaniem przerw filmu utworzonego przez penetrant, co jest jednoznaczne z brakiem wykonania kontroli dla tych obszarów.
Nakładania penetranta
Następnym etapem jest początek badania, który rozpoczyna się od nałożenia penetrantu. Może się to odbywać za pomocą zanurzania, natryskiwania, elektrostatycznie, czy nakładania pędzlem. Ważne, aby zapewnić, że każdy sprawdzany obszar będzie dokładnie pokryty. Ważną kwestią, aby zarówno temperatura otoczenia, penetranta jak i części mieściła się w wymaganym przez daną specyfikację zakresie. Jest to o tyle ważne, że im niższa temperatura tym zwiększa się lepkość penetranta co może wpływać na utrudnione wnikanie w wady. Z drugiej strony zbyt wysoka temperatura powodować będzie jego szybsze wysychanie. Dodatkowo niska temperatura zarówno części jak i otoczenia powodować może kondensację pary wodnej na powierzchni części i wadach. Po nałożeniu penetranta części należy sprawdzić pod kątem ciągłości filmu. W przypadku barwnika widzialnego należy użyć światła białego, zaś dla penetrantów zawierających barwnik fluorescencyjny należy posłużyć się światłem ultrafioletowym.
Badania penetracyjne polegają na wykonywaniu kolejnych kroków i czekaniu. Dlatego na tym etapie powinniśmy odczekać od 5 do 60 minut tak, aby penetrant wniknął do potencjalnej wady. Dokładny czas zależy od konkretnej specyfikacji jednak zbyt krótki nie pozwoli na prawidłową penetrację, zaś za długi spowoduje wyschnięcie penetranta.
Bazując na większości stosowanych norm badania penetracyjne dzielą się na cztery metody ściśle związane z usuwaniem penetranta:
A – zmywalny wodą
B – emulgowany lipofilowo
C – zmywany rozpuszczalnikiem
D – emulgowany hydrofilowo
Metoda A – Penetrant wodnozmywalny
Kolejnym krokiem w przypadku Metody A jest zmycie penetranta rozproszonym strumieniem wody. Ważnymi kwestiami, które powinniśmy kontrolować jest temperatura oraz ciśnienie wody a także dystans pomiędzy dyszą a daną powierzchnią. Zapobiega to wypłukaniu penetranta z wad. Natomiast rolą tego kroku jest usunięcie tła w postaci barwnika widzialnego lub fluorescencyjnego, bez czego kontrola ta była by niemożliwa. Jak bowiem znaleźć przykładowo czerwone kropki jeśli cała część jest pokryta penetrantem? Zmywanie powinno odbywać się w zależności od użytego typu penetranta pod światłem białym lub UV o odpowiednim natężeniu. Pozwoli to na weryfikację skuteczności tego kroku.
Metoda B – Penetrant emulogowany lipofilowo
Metoda ta wymaga, aby przed spłukaniem dodatkowo zanurzyć daną część w emulgatorze lipofilowym. Inną opcją jest rozpylenie emulgatora. Natomiast w przeciwieństwie do aplikacji samego penetranta nie wolno nanosić emulgatora pędzlem. Jego włosie jest bowiem tak cienkie, że przypadkowo może wniknąć w wadę i usunąć z niej penetrant. Ważny jest również sam czas emulgacji, który może wynosić od kilkunastu sekund do kilku minut. Zbyt krótki sprawi, że penetrant nie do końca zostanie usunięty, natomiast zbyt długi wejdzie w reakcję z pentrantem znajdującym się w wadach w wyniku czego może zostać usunięty. Zachowanie maksymalnego czasu emulgacji może być problematyczne zwłaszcza w przypadku części o większych gabarytach. Następnym etapem jest spłukanie emulgatora wraz z penetrantem.
Metoda C – Penetrant zmywany rozpuszczalnikiem
Innym sposobem usuwania penetranta z kontrolowanej części jest zastosowanie rozpuszczalnika. W tym celu należy użyć zwilżonej nim szmatki. Przecierając daną powierzchnię należy uważać, aby nie usunąć penetranta znajdującego się w nieciągłościach materiału. Nie powinno się polewać części rozpuszczalnikiem lub niej w nim zanurzać ze względu na ryzyko wypłukania penetranta ze wskazań.
Metoda D – Penetrant emulgowany hydrofilowo
Zastosowanie emulgatora hydrofilowego poprzedzone jest wstępnym płukaniem części. Analogicznie jak w przypadku emulgatora lipofilowego może on być aplikowany natryskowo lub zanurzeniowo. Ostatnim krokiem jest spłukanie emulgatora oraz penetranta wodą.
Suszenie
W przypadku bardziej skomplikowanych części proces suszenia powinno poprzedzić usunięcie wody, która mogła zebrać się w różnego rodzaju rowkach, czy kieszeniach. Dobrą praktyką jest stosowanie w tym celu sprężonego powietrza o niskim ciśnieniu. Następnie możemy przejść do suszenia właściwego. Dość popularną metodą jest stosowanie suszarek przy czym musimy zapewnić, że spełnia ona parametry określone w specyfikacji badania, o ile takowe zostały określone. Zbyt wysoka temperatura doprowadzi do zaschnięcia penetranta znajdującego się w wadach co uniemożliwi wywołanie wskazań. W przypadku stosowania czyszczenia rozpuszczalnikiem często po prostu wystawia się daną część na działanie temperatury otoczenia aż do momentu jego odparowania.
Czynność tą możemy pominąć w przypadku stosowania wywoływacza na bazie wody. Konieczne będzie jednak wysuszenie części już po zaaplikowaniu wywoływacza.
Wywoływanie
Przechodzimy do przedostatniego kroku, który poprzedza ocenę części. Skoro wiemy, że nasz penetrant wniknął do potencjalnej wady to koniecznie będziemy musieli go wydobyć tak, aby dany defekt ukazał nam się w postaci kolorowego lub fluorescencyjnego wskazania. W tym celu użyjemy wywoływacza, czyli jak już wspominaliśmy – białego proszku, który posiada dużą absorbcje penetrantu. Może być on w różnej postaci, jednakże ostatecznie otrzymamy część pokrytą cieniutką warstwą wywoływacza. Aplikacja zależy od zastosowanej formuły. Sama zasada działania oparta jest o zjawisko podciągania kapilarnego.
Suchy wywoływacz może być aplikowany wyłącznie na suchą powierzchnię. Dlatego tak ważny jest etap suszenia. Zwykle nakładany jest elektrostatycznie, dzięki czemu możemy zapewnić równomierną warstwę na całej powierzchni. Co ważne suchy wywoływacz stosowany jest wyłącznie w połączeniu z penetrantem fluorescencyjnym. Należy pamiętać o odmuchaniu nadmiaru wywoływacza z powierzchni części stosując sprężone powietrze o niskim ciśnieniu.
Wywoływacze na bazie wody aplikowane są poprzez zanurzenie lub rozpylanie. Jak wspominaliśmy nie wymagają suszenia przed rozpoczęciem wywoływania, jednak konieczne będzie ono tuż po jego nałożeniu. Wywoływacze rozpuszczalnikowe aplikowane są albo elektrostatycznie albo rozpylane.
Warto również wiedzieć, że niektóre penetranty fluorescencyjne nie wymagają dodatkowego wywoływania. Jednak zależy to od rodzaju penetranta i wymagań konkretnej specyfikacji na badania penetracyjne, która szczegółowo określa warunki jakie muszą zostać spełnione.
Ocena wskazań
Wszystkie dotychczasowe czynności jeśli chodzi o badania penetracyjne traktowane są jako etap wykonywania procesu. Natomiast inspekcja, na którą składa się ocena wskazań oraz w razie potrzeby ich ponowne wywoływanie są osobną ich częścią. Jest to istotne z punktu widzenia uprawnień dla kontrolerów. W zależności od typu penetranta ocena wskazań odbywać się będzie w świetle białym lub ultrafioletowym i białym. Ważną kwestią jest, aby natężenie światła spełniało wymagania dotyczące minimalnej wartości. W przypadku wykonywania oceny w świetle UV należy pamiętać o odpowiedniej adaptacji wzroku do ciemności. Według większości specyfikacji powinna ona trwać nie mniej niż 1 minutę. Podczas oceny wskazań należy je oznaczyć a następnie przetrzeć wacikiem lub szmatką zwilżoną uprzednio w rozpuszczalniku. Następnym krokiem jest ponowne wywołanie danych obszarów części i zweryfikowanie, czy wskazanie było pozorne, czy jednak może pokazywać nam wadę. Każde takie wskazanie powinno zostać ocenione w odniesieniu do mającego zastosowanie standardu, który określa kryteria akceptacji. Ważny będzie jego kształt, charakter a także wymiary.
Części zgodne należy następnie umyć, aby przygotować je do dalszej obróbki jeśli takowa jest wykonywana. Pamiętajmy jednak, że jeśli podczas niej usuwany jest materiał to badania penetracyjne powinny zostać powtórzone. Natomiast dla części, które posiadają wskazania należy wystawić odpowiedni dokument niezgodności i odseparować je do momentu otrzymania dyspozycji.
Kontrola efektywności systemu
Badania penetracyjne traktowane są jako proces specjalny. Wiąże się to więc z koniecznością okresowej weryfikacji, aby potwierdzić że cały system jest efektywny i zdolny wykrywać wady. Niezbędne będzie zatem przeprowadzenie różnego rodzaju testów lub badań. Ich zakres oraz częstotliwość zależeć będą on wymagań danej specyfikacji. Jednakże najczęściej zaliczamy do nich między innymi weryfikację natężenia światła białego. Jeśli badania penetracyjne wykonywane są przy użyciu penetranta fluorescencyjnego to niezbędna będzie również okresowa kontrola natężenia światła ultrafioletowego oraz światła otoczenia.
Każde urządzenie, które stosowane jest do potwierdzenia parametrów procesu powinno być okresowo kalibrowane. Zaliczyć do nich możemy termometry, manometry, czy też stopery. Powinniśmy również sprawdzać jednorodność temperaturową oraz dokładność systemu pomiarowego suszarki. Czym one są przeczytać możecie w osobnym wpisie dotyczącym obróbki cieplnej i pirometrii:
Obróbka cieplna (1/2) – Jak poprawić właściwości stali
Zakupiony penetrant, wywoływacz, emulgator czy też rozpuszczalnik musi spełniać okresowe wymagania, które powinny zostać potwierdzone certyfikatem zgodności. Jeśli nie są one jednorazowego użytku to powinniśmy dodatkowo je sprawdzać pod kątem na przykład zanieczyszczeń. Suchy wywoływacz nie powinien być zbrylony ani zanieczyszczony penetrantem. Powszechną praktyką jest również okresowe wykonywanie sprawdzenie efektywności systemu przy użyciu dedykowanych paneli testowych, które poddawane są analogicznemu procesowi jak części.
Certyfikacja personelu
Ostatnią kwestią jeśli chodzi o badania penetracyjne jest certyfikacja personelu. Obejmuje ona osoby wykonujące proces, dokonujące oceny wskazań, nadzorujące i będące odpowiedzialne za cały proces, czy też auditujące. Najczęściej różne rodzaje uprawnień oznaczane są poziomami – od pierwszego, traktowanego jako najniższy do trzeciego. Aby uzyskać odpowiednie uprawnienia niezbędne jest odbycie szkolenia teoretycznego i praktycznego, które często trwa kilkaset godzin. Całość kończy się egzaminem zarówno z wiedzy teoretycznej jak i praktycznego wykonywania procesu, o ile ma to zastosowanie. Ważnym tematem jest jeszcze badanie wzroku wliczając w to rozróżnianie kolorów. Cały proces nie jest jednak jednorazowy. Okresowo należy sprawdzać efektywność przeprowadzanej kontroli oraz poddawać kontrolerów ponownym egzaminom sprawdzającym ich poziom wiedzy. Nie inaczej wygląda sytuacja z badaniem wzroku, które również wykonywane jest w pewnych odstępach czasu.
Bądź na bieżąco i obserwuj Jakościowca na Instagramie!
Podsumowanie
Badania penetracyjne są procesem specjalnym zaliczanym do technik badań nieniszczących. Pozwalają na wykrywanie różnego rodzaju nieciągłości materiałowych. Ze względu na wykorzystywanie zjawiska kapilarnego wady muszą być otwarte do powierzchni. Dlatego tak duży nacisk kładzie się na planowanie procesu produkcyjnego i zapewnienie, że badania penetracyjne wykonywane są po zakończeniu ściągania ostatnich warstw materiału. Najczęściej badaniu poddaje się części, które nie są ferromagnetyczne. W przeciwnym wypadku korzysta się z kontroli magnetyczno-proszkowej, która jest tańsza w wykonaniu a dzięki zdolności do wykrywania wad podpowierzchniowych również bardziej efektywna. Jednak badania penetracyjne to nie tylko kontrola części, ale również okresowe sprawdzanie efektywności działania całego systemu. Częstotliwość przeprowadzanych testów może być różna i zależeć od konkretnej weryfikacji. Niektóre z nich przeprowadza się codziennie, inne zaś raz na miesiąc lub kwartał. Wszystko zależy od specyfikacji według, której wykonywany jest proces. A jakie są Wasze doświadczenie jeśli chodzi o badania penetracyjne. Czy kontrola ta jest wykonywana w firmie, w której pracujecie. A może macie do czynienia z dostawcami tego procesu? Podzielcie się swoimi opiniami w sekcji komentarzy poniżej. Do zobaczenia w następny poniedziałek.
