PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA BẰNG BỘT TỪ

PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA BẰNG BỘT TỪ


Nguyên lý của phương pháp kiểm tra bột từ

•

Kiểm tra bột từ là phương pháp không phá huỷ có khả năng phát hiện và định vị các khuyết tật bề mặt và gần
bề mặt trong các vật liệu sắt từ

•

Phương pháp do W.E. Hoke (Mỹ) phát minh vào những năm 1920. Nguyên lý của phương pháp dựa trên sự
biến dạng của từ trường trong vật nhiễm từ do sự có mặt của khuyết tật.

•

Sự biến dạng này gây nên một số đường sức của từ trường thoát ra ngoài, đi trong không khí và sau đó quay về
vật. Hiện tượng này gọi là sự dò trường từ thông. Trường dò có khả năng hút các hạt sắt từ nhỏ và tạo nên các
chỉ thị hoặc hình ảnh của khuyết tật. Một trong những ứng dụng chính của phương pháp này là phát hiện các
gián đoạn càng sớm các tốt trong các công đoạn chế tạo và sử dụng, để tránh được các chi phí vào các vật liệu
và sản phẩm mà sau đó lại bị loại bỏ.


•Kiểm tra bột từ có thể phát hiện được các khuyết tật bề mặt trong các vật liệu sắt từ, kể
cả các khuyết tật rất nhỏ và hẹp mà mắt thường không thể phát hiện được. Các chỉ thị từ
được hình thành ngay trên khuyết tật và do đó cho ta biết vị trí, hình dạng và kích
thước gần đúng của khuyết tật. Kiểm tra bột từ còn có khả năng phát hiện các khuyết tật
nằm gần bề mặt của vật.
Độ nhậy đối với các khuyết tật này hạn chế và phụ thuộc vào chiều sâu, kích thước,
thể loại, hình dáng của khuyết tật và vào cường độ từ trường sử dụng .

Kiểm tra bột từ không dùng được với các vật liệu phi sắt từ, bao gồm thuỷ tinh, gốm
sứ, chất dẻo, Al, Mg, Cu ...

•
•


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

•

Cơ sở của phương pháp kiểm tra bột từ dựa trên các nguyên lý của lý thuyết điện và từ.
1.1.Nam châm Vật có khả năng hút sắt từ được gọi là nam châm. Khả năng hút hoặc đẩy của nam châm không đồng
đều mà tập chung ở các đầu của thanh, gọi là các cực.

Hình 2: Nam châm thẳng với các đường từ thông

• Nếu đặt một miếng bìa lên một thanh nam châm, rồi rắc bột sắt mịm lên tờ bìa và gõ nhẹ, các bột sắt từ sẽ sắp xếp
như hình 2.
• Các đường cong “bột sắt” này cho ta hình ảnh về các đường từ thông (đường sức) tạo nên từ trường của nam châm


Những tính chất liên quan đến đường từ thông:

+ Chúng tạo nên đường vòng tròn liên tục, không gấp khúc và luôn khép kín
+Chúng không bao giờ cắt nhau
+Chúng là đại lượng có hướng: các đường từ thông xuất phát từ cực Bắc, đi vào không khí rồi vào cực Nam và qua
cực Nam lại trở về cực Bắc.
+Mật độ của chúng giảm dần khi khoảng cách tăng.
+Chúng có khuynh hướng bị lệch và đi qua các vật liệu từ và trong quá trình đó chúng làm các vật liệu bị từ hoá (hình

3).

Hình 3: Các đường từ thông ở trong và xung quanh thanh nam
châm và bulông sắt từ.


Nguồn gốc của từ trường

• Nguồn gốc của từ trường liên quan đến sự chuyển động quay (spin) của điện tử trong nguyên tử, phân tử.
• Khi không có từ trường ngoài, các vùng từ này sắp xếp ngẫu nhiên và do đó từ trường của chúng khử lẫn nhau. Khi
đặt vật trong một từ trường ngoài, các vùng nhiễm từ sẽ kết hợp lại và sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài. Kết
quả là vật bị nhiễm từ (hình 4)

a)

b)

Hình 4: Định hướng của các vùng từ trong vật liệu vật liệu sắt từ khi không có từ trường ngoài (a) và khi có từ
trường ngoài (b)


Các loại từ trường
Từ trường vòng:
- Hình 5a: Loại nam châm hình móng ngựa. Nó có một cực Bắc, đi vào không khí và trở vào cực Nam. Các vật liệu sắt từ chỉ bị hút và giữ ở các đầu hoặc giữa các
cực của nam châm.
- Hình5b, các cực của nam châm vẫn còn, các đường từ thông vẫn rời và trở lại các cực như trước. Các đường từ thông lúc này gần nhau và dầy đặc hơn. Vùng mà ở
đó các đường từ thông rời khỏi một cực, đi vào không khí và sau đó trở lại cực kia của nam châm được gọi là trường rò hay trường từ thông rò
- Hình 5c , nam châm không còn hút các chất sắt từ nữa (không có các cực và các trường rò). Các đường từ thông vẫn tồn tại, nhưng chúng bị ngăn lại hoàn toàn
bên trong nam châm. Trong trạng thái như vậy, nam châm được gọi là nam châm vòng hay bị từ hoá vòng.
- Hình 5d: Nếu có một vết nứt cắt ngang các đường từ thông trong một vật bị từ hoá vòng, cực Bắc và cực Nam xuất hiện ngay lập tức ở mỗi đầu của gián đoạn này.

Nam châm sẽ đẩy một phần của từ thông vào vùng không khí xung quanh tạo nên trường rò và sẽ hút các hạt từ tạo nên các chỉ thị từ.

a)

Hạt từ

b)

Hạt từ

Hình 5: Từ trường trong các dạng:
a) nam châm móng ngựa
b) nam châm vòng với khoảng không
c) nam châm vòng khép kín
d) bột từ bị dính vào vết nứt trong vật nhiễm từ vòng


Từ trường dọc

a)

Hình 6: Từ trường dọc
a) Nam châm thẳng với các cực bắc và nam
b) Nam châm thẳng có khe hở và trường dò
b)

tương ứng
c) Vết nứt trong vật từ hoá thẳng tạo nên các
cực hút và giữ bột từ

c)


Nam châm điện: Xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua xuất hiện một từ trường. Nếu vật sắt từ đặt trong từ
trường này, vật sẽ bị nhiễm từ. Sự từ hoá được thực hiện bởi sự cảm ứng từ. Hiệu ứng của từ trường xung quanh dây
dẫn có dòng điện chạy qua này có thể tăng đáng kể nếu đoạn dây được cuộn thành vòng tròn. Từ trường trong mỗi
vòng sẽ cộng lại biến cuộn dây thành một nam châm có các cực ở mỗi đầu, giống như một nam châm thẳng.

Nếu một thanh sắt non được đưa vào trong lòng cuộn cảm và cho dòng điện chạy qua cuộn dây, thanh sắt sẽ bị nhiễm
từ mạnh


Tính chất của các vật liệu từ. Vòng từ trễ : Mỗi vật liệu từ có vòng từ trễ nhất định đặc trưng cho vật liệu đó. Các số liệu cho vòng từ trễ có
thể thu nhận được bằng cách đặt một thanh từ trong cuộn cảm có dòng xoay chiều đi qua. Đo sự phụ thuộc của B vào H, ta sẽ thu được đường
cong từ trễ

• Vòng từ trễ của vật liệu sắt từ: vòng OA (ngắt quãng) ứng với vật liệu từ nguyên thuỷ (chưa
bị từ hoá )
• Ta thấy quan hệ của B và H là không tuyến tính. Bắt đầu từ điểm O (H=0, B=0) và tăng dần

H với một lượng nhỏ, B lúc đầu tăng rất nhanh, sau đó chậm dần đến điểm A. ở đây vật trở
thành bão hoà từ.

Bắt đầu từ điểm O ta tăng dần H, B lúc đầu tăng rất nhanh, sau đó chậm dần đến điểm A. ở đây vật trở thành bão hoà từ. Qua điểm
bão hoà, tăng cường độ từ trường không làm tăng mật độ từ thông bên trong vật liệu. Giảm dần H về 0 ta thu được đường AB. Ta
thấy khi H=0 (I=0), thì B≠0. OB được gọi là từ dư của vật liệu. Đổi chiều dòng điện và tiếp tục tăng dòng ta thu được đoạn BC. OC
đặc trưng cho sức kháng từ của vật liệu và được gọi là độ kháng từ. Tiếp tục tăng H ta thu được DC. Tại D mật độ từ thông lại bão
hoà. Tiếp tục giảm H, ta thu được đoạn DE, sau đó đổi chiều dòng điện và tăng dần, ta thu được đoạn EF và FA. Từ thẩm là một
trong các tính chất quan trọng nhất của vật liệu từ và được ký hiệu là µ.

c)

Từ dư
Từ dư

b)
a)

Lực kháng từ

Lực kháng từ

a) Thép cứng có µ lớn, từ dư nhỏ, hệ số kháng từ thấp và do đó đường cong từ trễ hẹp.
b) Các vật liệu sắt non có từ thẩm nhỏ, hệ số kháng từ cao, đường cong từ trễ rộng.
c) Sự phụ thuộc của B vào H và hệ số từ thẩm cực đại µ của vật liệu. Khi nói từ thẩm của một
vật liệu nào đó ta ám chỉ giá trị cực đại µ của vật liệu đó.


Từ hoá bằng dòng điện:

• Dùng dòng điện tạo nên các từ trường xung quanh và trong các vật liệu dẫn điện. Ta có thể thay đổi các
hướng của từ trường cảm ứng bằng cách điều khiển hướng của dòng điện từ hoá.

• Ta chọn hướng và cường độ của dòng điện sao cho các đường từ thông có hướng và mật độ thích hợp trên
các vùng cần khảo sát. Vì độ nhậy của phép kiểm tra là cao nhất khi từ trường vuông góc với trục chính của
khuyết tật. Cần kiểm tra các khuyết tật có hướng khác nhau.

Từ trường

Dòng điện từ hoá

Từ trường

Vật kiểm tra

Dòng điện từ hoá

Vật kiểm tra


Từ hoá trực tiếp và từ hóa gián tiếp : Khi dòng điện dùng để từ hoá chạy trực tiếp qua vật kiểm tra như hình, ta gọi đó là từ hoá trực tiếp. Từ hoá
vòng các vật dẫn đặc thường áp dụng phương pháp này. Việc xác định độ lớn của dòng thích hợp cho phép kiểm tra là cần thiết vì:

• Dòng cao quá có thể làm nóng chảy vật kiểm tra hoặc làm cho bột từ tích tụ quá dày đặc tạo
nên nền phông quá cao.
• Dòng yếu quá có thể sẽ không tạo nên được từ trường dò đủ mạnh để có thể hút các sắt từ.
Từ trường
Dòng điện

• Với đối tượng là đường ống hoặc vật rỗng, mặt trong của vật cũng có vai trò quan trọng như mặt ngoài.
Từ trường

Nếu từ hóa trực tiếp, ta sẽ không phát hiện ra các khuyết tật nằm phía mặt trong của đối tượng do hiệu ứng
Dòng điện

vỏ của dòng điện.
Vết nứt
Vết nứt

• Ta có thể từ hoá vật rỗng bằng cách luồn một thanh dẫn điện vào trong đường ống và cho dòng điện
chạy qua thanh Phương pháp này gọi là từ hoá gián tiếp.

Dòng điện

Từ trường

• Nếu không có thanh dẫn, ta có thể dùng chính dây dẫn luồn qua vật. Chú ý với đường ống dài, các thanh dẫn không bọc không được phép dùng
vì nguy cơ đánh lửa


Từ hoá dùng thanh ấn (Prod): Thông thường ta rất khó có thể từ hoá toàn bộ vật kiểm tra. Đối với các vật lớn, ta thường từ hoá từng
vùng của vật bằng cách cho dòng điện chạy qua các vùng và tiết diện nhờ 1 công cụ gọi là Prod

• Bằng cách này ta tạo được từ trường vòng ở vùng nằm giữa các

Dòng điện
Dòng điện

điểm tiếp xúc. Các que ấn thường được làm bằng đồng được ấn chặt
trên bề mặt vật cần kiểm tra, giữ chặt trong quá trình cho dòng điện
chạy qua. Các đầu Prod và vùng tiếp xúc cần phải giữ đủ sạch đảm
bảo cho dòng lớn chạy qua mà không gây đánh lửa hay nóng chảy.
Bề mặt
kiểm tra

Từ trường

• Khi kiểm tra, thường mỗi vùng được từ hoá 2 lần vuông góc nhau.
• Để tránh đánh lửa, đòi hỏi máy phải có cơ cấu tắt và bật dòng điện thuận tiện trong khi Prod tiếp xúc với vật kiểm tra.

• Đối với vật có chiều dày < 75mm, dòng từ hoá vào cỡ 90-110A cho mỗi khoảng cách 250mm giữa hai cực.
• Đối với vật có chiều dày >= 75mm, giá trị tương ứng là 100-125A cho mỗi khoảng cách 250mm giữa hai cực.
• Không nên đặt khoảng cách giữa 2 prod < 50mm, vì khi đó các bột từ sẽ có khuynh hướng bám vào hai cực của Prod,
khiến quá trình kiểm tra khó khăn.


Từ hoá bằng nam châm chữ U (Yoke):
Cuộn dây
Vết nứt

a)

b)

nằm ngang

Từ thông

Vùng tạo từ

• Dòng điện dùng tạo từ trường có thể là dòng xoay chiều hoặc 1 chiều.
• Các nam châm chữ U thường gồm các khớp nối có thể điều chỉnh độ mở phù hợp với các yêu cầu kiểm tra các đối tượng

có hình dạng khác nhau. Ưu điểm của ph/pháp này so với dùng dòng điện trực tiếp hoặc prod là:
+ Không bị đánh lửa
+ Thiết bị nhẹ
+ Dễ sử dụng và rất linh hoạt
Để có thể kiểm tra các đối tượng có hình dạng phức tạp hoặc tăng khả năng tiếp xúc giữa các đầu Yoke và các vật kiểm tra,
ta có thể dùng thêm các khối sắt từ phụ trợ.

•


Phân bố của từ trường trong các vật dẫn

• Từ trường bên trong và xung quanh vật dẫn biến đổi theo loại vật liệu và
kích thước cũng như hình dạng của vật dẫn.
• Để có thể lựa chọn phương pháp từ hoá thích hợp, điều quan trọng là

phải biết phân bố và độ lớn của từ trường trong vật kiểm tra và xung quanh
vật dẫn, đặc biệt là trong các phép kiểm tra đối với đường ống, mép bích
hay các vành khung.v.v.


a) Phân bố của từ trường trong và xung quanh dây dẫn phi
sắt từ đặc khi có dòng điện một chiều chạy qua

b) Phân bố của từ trường trong và xung quanh dây dẫn

c) Phân bố của từ trường trong và xung quanh dây dẫn sắt từ đặc

d) Phân bố của từ trường trong và xung quanh dây dẫn sắt từ

phi sắt từ rỗng khi có dòng điện một chiều chạy qua

khi có dòng điện một chiều chạy qua

rỗng khi có dòng điện một chiều chạy qua

e) Phân bố của từ trường trong và xung quanh ống sắt từ đặc khi

f) Phân bố của từ trường trong và xung quanh ống phi sắt từ đặc

g) Phân bố của từ trường trong vầ xung quanh ống sắt từ khi dòng điện xoay chiều chạy qua

có dòng điện một chiều chạy qua thanh dẫn luồn trong ống

khi có dòng điện một chiều chạy qua thanh dẫn luồn trong ống

thanh dẫn luồn trong ống


Các thông số cần quan tâm khi lựa chọn phương pháp từ hoá:

• Loại hợp kim, hình dạng và trạng thái của đối
• Loại dòng điện kiểm tra
• Hướng của từ trường
• Các bước thực hiện
• Trị số của từ thông
• Công suất làm việc
• Loại khuyết tật cần phát hiện.

tượng kiểm tra


ảnh hưởng của tính chất vật liệu

• Thành phần hợp kim, quá trình xử lý nhiệt và các điều kiện xử lý khác quyết định độ từ thẩm của
vật. Cần phải quan tâm đến các đặc trưng này khi chọn các bước kiểm tra, độ lớn của mật độ từ thông
hay cường độ từ trường. Các thông số này quyết định đến phương pháp từ hoá.

• Kích thước và hình dáng của vật quyết định phương pháp từ hoá với các thiết bị sẵn có.
• Điều kiện bề mặt của đối tượng ảnh hưởng đến sự lựa chọn loại bột từ và phương pháp từ hoá. Các
lớp phủ bề mặt như lớp sơn, vecni là các chất dẫn nhiệt kém và ảnh hưởng đến phép kiểm tra, vì hầu
như rất khó cho dòng điện chạy qua các lớp đó. Chiều dày của lớp phủ, lớp mạ cũng là mối quan tâm
khi tiến hành kiểm tra.


ảnh hưởng của loại dòng điện dùng để từ hoá

• Nhiều loại dòng điện có thể dùng để từ hoá như dòng điện xoay chiều, dòng điện một chiều,
dòng điện chỉnh lưu một nửa, dòng điện chỉnh lưu toàn phần , dòng điện 3 pha.

• Dòng điện một chiều nhận từ acquy đã từng được coi là nguồn điện tốt nhất cho từ hoá vì dòng
một chiều có khả năng xuyên sâu vào vật liệu hơn dòng xoay chiều. Nhưng vì sự hạn chế lớn của
acquy là dòng và thời gian sử dụng hạn chế cùng với nhiều rắc rối và tốn kém trong quá trình bảo
dưỡng, nên phương pháp dùng dòng điện một chiều ngày nay ít được dùng và chỉ được sử dụng
trong một số ứng dụng đặc biệt.


Thiết bị kiểm tra bột từ
Nói chung thiết bị dùng trong kỹ thuật kiểm tra bột từ là khá đơn giản. ảnh hưởng của thiết bị lên
kết quả kiểm tra phụ thuộc chủ yếu vào cường độ và loại dòng điện mà thiết bị tạo ra. Còn nồng độ, thể
loại, kích thước và màu sắc của bột từ quyết định phương pháp tiến hành phép kiểm tra. Do đó, để có
thể lựa chọn được các thiết bị và phương pháp kiểm tra thích hợp cho mỗi nhiệm vụ cụ thể, cần phải
nắm được các tính năng hoạt động của từng loại thiết bị, các đặc trưng và cách sử dụng các loại bột từ.
Thiết bị tạo nên từ trường có thể chia làm hai loại:
+ Thiết bị dựa trên các từ trường tạo bởi dòng điện .
+ Thiết bị sử dụng các nam châm vĩnh cửu.

Loại di động và cầm tay
Nhiều công việc đòi hỏi thiết bị phải được đưa đến tận nơi đối tượng cần kiểm tra. Các thiết bị đáp ứng được yêu cầu
này có khả năng tạo được dòng điện 1000A, loại xách tay, và 6000A, loại để trên xe di động. Các thiết bị cầm tay hay di
động hoạt động bởi nguồn điện lưới và cung cấp dùng AC và DC cho prod, cuộn cảm và thanh dẫn hay có thể dùng với
loại bột từ ướt và khô. Thiết bị còn có khả năng cung cấp dòng giảm dần và đổi cực để khử từ các vật sau khi kiểm tra


Các thiết bị cố định

• Các thiết bị này phù hợp khi ta đưa vật kiểm tra đến sẽ đem lại nhiều thuận tiện về vấn đề kinh tế và được thiết kế phù
hợp với từng công việc có công suất lớn hay nhỏ, hoặc vật kiểm tra lớn hay nhỏ. Thiết bị này thường dùng với các kỹ thuật
kiểm tra bột từ ướt huỳnh quang ở đó bột từ và chất mang có thể tái tạo và tái sử dụng.
 Thiết bị có thể cung cấp cả dòng AC hoặc DC hoặc cả hai, có thể tiến hành kiểm tra tự động hoặc bán tự động


Các thiết bị cố định

•Là thiết bị tạo trường điện từ đơn giản nhất. Cơ bản, thiết bị bao gồm một lõi sắt non hình chữ U và dây dẫn uốn quanh
phần giữa của lõi

•Vì hệ số từ thẩm của sắt non rất lớn, nên khi cho dòng điện chạy
qua cuộn dây, sẽ suất hiện một từ trường dọc rất mạnh. Số vòng của
cuộn và cường độ dòng điện quyết định cường độ từ trường tạo
thành.

•Yoke được thiết kế cho dòng điện lưới AC 110V hay 220V, một số có thể làm việc với acquy. Các Yoke hiện đại có thể
làm việc ở cả chế độ AC và DC với dòng có thể hiệu chỉnh

•Yoke có nhiều loại kích thước với khoảng cách trung bình giữa hai chân chữ U khoảng 200mm. Các model mới các chân

gồm các đoạn nối với nhau bằng các khớp có thể điều chỉnh thuận tiện cho các phép kiểm tra các vật có hình dạng thay
đổi.


Một số hạn chế:
+ Yoke có khuynh hướng bị quá nóng, nhất là khi dùng liên tục.
+ Cần phải có thêm các khối sắt chuẩn riêng để kiểm tra tính năng của thiết bị (loại 4,5kg và 18kg). Theo ASME (ASME
Boiler and Pressure Vessel Code) thì Yoke phải nâng được trọng lượng tương ứng là 4,5kg hoặc 18,5kg khi sử dụng dòng
điện AC hoặc DC.
+ Nếu các chân của Yoke có thể điều chỉnh độ mở thì sẽ chuẩn đối với các khoảng cách dùng thực tế.

Từ thông

Vếll
Vết nứt