GENERALITĂŢI

Defectoscopia reprezintă un ansamblu de procedee pentru examinarea materialelor, pieselor şi îmbinărilor, în scopul punerii în evidenţă a discontinuităţilor acestora (fisuri, găuri, etc.) prin metode nedistructive.

Metodele nedistructive folosite pentru examinarea materialelor, pieselor în general pot fi grupate în:

1. examinarea vizuală;2. examinarea cu pulberi magnetice;3. examinarea cu lichide penetrante;4. examinarea cu ultrasunete;5. examinarea cu curenţi turbionari;6. examinarea prin termografie;7. examinarea prin holografie;8. examinarea prin metoda emisiei acustice.Metodele de evidenţiere a discontinuităţilor se aplică în cercetare, în industrie, în aviaţie, în

construcţii, în medicină, în artă precum şi în multe ale domenii.Metoda de examinare cu lichide penetrante a fost folosită, în industrie, pentru a detecta

discontinuităţi în structura materialelor din 1942, când a fost introdusă o metodă de examinare cu penetranţi coloraţi (roşii).

ISTORIA INSPECŢIEI CU PENETRANŢI

1. CARBON NEGRU înainte de 19402. ULEI ŞI CRETĂ 1930 – 19403. PENETRANT ROŞU 1940 – 19604. PENETRANT FLUORESCENT după 1960

În anii ce au precedat cel de al doilea război mondial a crescut rapid folosirea materialelor cum ar fi aluminiu, magneziu, oţel inoxidabil şi alte materiale nemagnetice, în diverse ramurii ale industriei şi a crescut accelerat folosirea acestora în anii din timpul războiului. O dată cu dezvoltarea rapidă a diverselor ramuri industriale, era necesară o metodă pentru a găsi discotinuităţi în materiale şi piese, rapidă, de încredere şi relativ ieftină, iar metoda de inspecţie cu penetranţi coloraţi a satisfăcut aceste cerinţe.

Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnicii sporeşte rolul metodei de examinare cu lichide penetrante prin lărgirea continuă a sferei aplicaţiilor acesteia, fără ca principiile ei fundamentale să se schimbe.

În prezent examinarea nedistructivă cu lichide penetrante este folosită pentru testarea unor varietăţi de produse nemetalice cum sunt: suduri, piese turnate, piese forjate, materiale plastice,

ceramice, etc. Atât timp cât examinarea cu lichide penetrante este capabilă să relevee în mod economic discontinuităţile de suprafaţă în diferite materiale, este unul dintre cele mai importante instrumente în procesul de asigurare a calităţii.

Această metodă este una dintre cele mai utilizate dar este asociată cu metoda de control cu ultrasunete şi metoda de control cu radiaţii penetrante. Metodele de control cu ultrasunete şi cu radiaţii penetrante nu au sensibilitate bună pentru defectele de suprafaţă.

Controlul cu lichide penetrante se aplică cu precădere acelor materiale care nu prezintă feromagnetism, care nu pot fi controlate prin metodele magnetice.

Controlul cu lichide penetrante se asociază şi cu controlul magnetic, pentru sporirea cantităţii de informaţii referitoare la defectele de suprafaţă.

PRINCIPIUL METODEI

Principiul fizic al metodei cu lichide penetrante

Controlul defectoscopic nedistructiv cu lichide penertante se bazează pe proprietatea unor lichide de a umecta suprafeţele corpurilor solide şi de a pătrunde în cavităţile defectelor acestor suprafeţe. Întrucât pătrunderea lichidelor în interiorul defectelor are loc prin capilaritate, metodele de control cu lichide penetrante sunt cunoscute şi sub denumirea de metode capilare.

Fenomenul de capilaritate se referă la tendinţa lichidului de a pătrunde sau de a fi extras, când este expus la o deschizătură mică (fig. 1).

FIGURA 1.- Penetrant în discontinuităţi de suprafaţă

Introduceţi un tub într-un lichid şi veţi observa că lichidul intră în tub şi începe să urce (fig. 2).

FIGURA 2. – Fenomenul de capilaritate

Viteza cu care urcă şi cantitatea de lichid care urcă depinde de vâscozitatea lichidului, de capacitatea de umectare a acestuia (fig. 3) şi de tensiunile de suprafaţă (fig. 4).

θ unghi de mic - capacitatea de umectare bună – PENETRANT BUN

θ unghi de mare - capacitatea de umectare slabă

FIGURA 3. – Capacitatea de umectare

θ mai mic de 90 ° θ egal cu 90 ° θ mai mare de 90 °

FIGURA 4.a – Urcarea şi coborârea lichidului în tuburile calilare depinde de unghiul de contact

a) FORŢA VERTICALĂ ÎN JOS = GREUTATEA

COLOANEI DE LICHID FD=πr 2⋅p⋅g⋅hb) FORŢA VERTICALĂ ÎN SUS = TENSIUNEA DE LA SUPRAFAŢĂ x PARAMETRII MENISCULUI FU=T⋅cosΘ⋅2 πr

FIGURA 4.b – Forţele implicate în fenomenul de capilaritate

Studiul fenomenelor care se produc la interfaţa lichid-solid şi care au ca rezultat pătrunderea lichidului în cavitatea discontinuităţii se poate simplifica reducându-l doar la sudiul fenomenelor capilare şi utilizarea câtorva relaţii principale din fizică ce caracterizează aceste fenomene.

Presiunea coloanei de lichid aflată în echilibru în cavitatea defectului se determină din relaţia:

pc=hρg (1)unde: pc – presiunea capilară,

h – înălţimea coloanei,ρ – densitatea lichidului.Înălţimea coloanei de lichid se poate determina din legea lui Jurin:

h=2σ cosθbρg (2)

unde: θ – unghiul de udare,σ – coeficientul de tensiune superficială a lichidului,b – lăţimea defectului.Din relaţiile (1) şi (2) presiunea capilară este:

h=2σ cosθb (3)

Domeniul de aplicabilitate a metodei cu lichide penetrante

Examinarea cu lichide penetrante evidenţiază discontinuităţile deschise la suprafaţă prezente în materiale neporoase. Această metodă de examinare este folosită cu succes în examinarea metalelor, cum ar fi: aluminiu, magneziu, alamă, cupru, fontă, oţel inoxidabil, titan şi a aliajelor nemetalice. Poate fi folosit de asemenea şi în examinarea altor materiale, inclusiv ceramice, materiale plastice sau sticlă.

Se pot detecta trei categorii de defecte:1. defecte ale materialelor primare obţinute prin: turnare, laminare, forjare, extrudare,

tragere, etc.,2. defecte ale pieselor rezultate în urma procesului de fabricare al acestora prin: sudare,

lipire, aşchiere, presare, tratament termic,3. defecte ale pieselor apărute în procesul de exploatare.

Clasificări

În funcţie de tipul penetrantului avem:

- metoda cu penetranţi coloraţi (frecvent roşii). La această metodă examinarea se face cu lumină albă obişnuită;

- metoda cu penetranţi fluorescenţi. La această metodă examinarea se face cu lumină ultravioletă;

- metoda cu penetranţi coloraţi şi penetranţi fluorescenţi. Din punct de vedere al eliminării excesului de penetrant avem:

- tipul A – penetranţi solubili în apă,- tipul B – penetranţi cu postemulsionare,- tipul C – penetranţi îndepărtabili cu solvent.

Etapele controlului cu lichide penetrante

Controlul cu lichide penetrante se desfăşoară după următoarele etape:1. pregătirea suprafeţei supuse controlului,2. depunerea penetrantului pe suprafaţă (penetrare),3. îndepărtarea excesului de penetrant,4. developare,5. examinare,6. curăţirea finală

FIGURA 5.- PAŞI PENTRU EXAMINAREA CU LICHIDE PENETRANTE

Operaţia de pregătire a suprafeţei are drept scop îndepărtarea murdăriei, oxizilor şi substanţelor grase de pe suprafaţă, astfel încât să se asigure accesul penetrantului la cavităţile defectelor.

Operaţia de penetrare constă în aplicarea şi menţinerea, un anumit timp pe suprafaţa controlată, a unui strat continuu de lichid cu capacitate mare de umectare (penetrare) care va pătrunde în defectele existente pe suprafaţă.

Developantul extrage penetrantul rămas în cavităţile defectelor, apărând în locurile respective indicaţiile de defect.

Avantajele şi dezavantajele metodei cu lichide penetrante

Avantajele metodei cu lichide penetrante sunt următoarele:- sensibilitate ridicată,- domeniu larg de aplicabilitate,- posibilitatea examinării pieselor cu diferite grade de complexitate (geometrie complexă),- posibilitatea examinării întregii piese sau numai a unei porţiuni,- simplitatea operaţiunilor de control,- posibilitatea mecanizării şi automatizării majorităţii operaţiilor tehnologice,- ne oferă cantitate sporită de informaţie privind forma, mărimea şi chiar natura defectului,- costul relativ scăzut al materialelor folosite.

Dezavantajele metodei cu lichide penetrante sunt următoarele:- domeniul de aplicabilitate este redus numai la defectele de suprafaţă,- volumul mare de muncă în lipsa mecanizării,- consum mare de timp (0,5h – 1,5h),- necesitatea curăţirii amănunţite a suprafeţei,- dificultatea controlului la temperaturi scăzute,- volum mare al instalaţiilor staţionare de control,- subiectivitatea controlului care depinde de calificarea operatorilor.

1.1. Tipuri de penetranţi

Diferitele tipuri de examinări cu lichide penetrante pot fi identificate după tipul de penetrant folosit. Astfel menţionăm următoarele tipuri de penetranţi:

1. Penetrant fluorescentPenetrantul fluorescent este folosit pentru procesele care necesită cea mai bună sensibilitate. Acesta conţine pigmenţi care în lumină ultravioletă devin vizibili. Culoarea acestui penetrant este de obicei verde, iar în lumină fluorescentă este galben verzui. Pentru aplicaţii speciale există şi penetranţi fluorescenţi roşii strălucitori sau albaştri.

2. Penetrant coloratAcest tip de penetrant este cel mai folosit dar este cel mai puţin sensibil. Culoarea acestuia este de obicei roşie strălucitoare dar uneori poate avea culori speciale cum ar fi albastru. În folosirea penetranţilor coloraţi limitarea de bază este aceea de a obţine destul contrast pentru a detecta deschizăturile fine.

3. Penetrant cu sensibilitate dublă

Penetrantul cu sensibilitate dublă conţine o combinaţie de substanţe vizibile (colorate) şi fluorescente. Culoarea vizibilă este în general un roşu strălucitor şi culoarea fluorescentă un galben portocaliu. Examinarea se face la lumină vizibilă şi indicaţiile neclare sunt rezolvate prin inspecţie în lumină neagră. Folosirea acestor penetranţi duce la apariţia a doi factori de care trebuie avut grijă înainte de folosirea lor:

Nu au aceeaşi sensibilitate În funcţie de defectele căutate se poate folosi fie examinarea cu penetranţi

fluorescenţi fie examinarea cu penetranţi coloraţi.

1.2. Tipuri de developanţi

Developanţii sunt folosiţi pentru a absorbi peneranut, pentru a mări indicaţiile, pentru a crea un contrast vizual mare între indicaţii şi aria din împrejurime. Developanţii se pot clasifica astfel:

1. Developant – suspensie în apă. Aceşti developanţi sunt cei mai puţini sensibili. Developantul este suspendat în apă şi trebuie să fie în continuu agitat pentru a preveni depunerea lui. Developantul este aplicat prin imersie sau prin vărsarea developantului peste piesă permiţând developantului să se usuce, rămânând un film alb ca o pudră care absoarbe penetrantul.

2. Developant – solubil în apă. Pentru acest tip de developanţi se obţine un nivel de sensibilitate mai mare. Developantul este dizolvat în apă. aplicarea acestui developant se face prin imersie, prin turnare sau prin spray-ere.

3. Developant – pudră uscată. Developanţii pudră uscată sunt consideraţi ca fiind cei mai puţin sensibili developanţi. Aplicarea acestui developant se face cu un pistol, cu o perie moale sau folosind rezervoare umplute cu pudră.

4. Developant – neapos La procesele în care se folosesc developanţi neapoşi umezi se obţine cea mai bună sensibilitate. Aceşti developanţi sunt realizaţi prin suspensie în solvent. Evaporarea solventului duce la extragerea penetrantului din discontinuităţi. Developanţii neapoşi sunt aplicaţi cu spray-uri sau cu ajutorul unui pistol.

Etapele inspectiei cu lichide penetrante

2.1.1 Pregătirea suprafeţei

Cauza cea mai comună a eşecului cu lichide penetrante este pregătirea necorespunzătoare a suprafeţei. Impurităţile pot masca discontinuităţilor pot bloca penetrantul în discontinuităţi, pot cauza indicaţii nerelevante şi pot ascunde discontinuităţile adevărate. Pregătirea suprafeţei începe prin îndepărtarea materialelor străine cum ar fi vopseaua, murdăria, oxizii sau praful. Există mai multe tehnici de curăţire a suprafeţei:

a. Curăţarea mecanică cum ar fi perierea cu perii de sârmă sau sablarea trebuie să fie folosită când nici o altă metodă de curăţare nu asigură o curăţare suficientă. Folosirea acestei metode duce la murdărirea suprafeţelor de testat şi pot umple discontinuităţile.

b. Una din metodele preferate este curăţirea chimică şi îndepărtarea vopselei. Metodele de aplicare variază de la simpla periere sau ştergere până la imersia pieselor în soluţie.

c. Degresarea cu vapori este eficientă pentru îndepărtarea urmelor de ulei sau vaselină deoarece nu deteriorează specimenul de testat. Încălzirea ulterioară duce la evaporarea şi îndepărtarea umezelei din discontinuităţi.

d. Curăţirea cu detergenţi este cea mai bună metodă de pregătirea suprafeţei pentru îndepărtarea soluţiilor anorganice sau a altor impurităţi solide. Soluţiile folosite trebuie să fie necorozive astfel încât piesele să fie curăţate şi va fi urmată de o clătire amănunţită şi de uscare. Dintre metodele de uscare amintim metodele în care se foloseşte ventilatorul cu aer cald, lămpi de încălzire şi cuptoare.

e. Pe lângă aceste metode de curăţire mai amintim şi curăţirea cu ultrasunete precum şi curăţirea cu jet de abur. Curăţirea cu jet de abur este folosită, în particular, la curăţirea pieselor nesudate.

f. Când este aprobată, decaparea chimică este des folosită fiind urmată de curăţire mecanică. Aceasta este folosită pentru descoperirea discontinuităţilor închise după şlefuire. Metodele de curăţire nu trebuie să deterioreze piesele de testat şi trebuie să curăţe suprafeţele, să usuce discontinuităţile şi să elimine impurităţile.

2.1.2 Aplicarea penetrantuluiPentru metoda de aplicare a penetrantului cu aerosol, se va aplica cu grijă un strat fie cu ajutorul unei pensule sau cu ajutorul unui pistol peste o zonă cu 1 inch sau mai mult în jurul ariei de interes. Spray-rea nu este preferată datorită contaminării mari în jurul zonei de interes şi problemelor de curăţire ulterioară. Penetranţii thixotropici trebuie să fie aplicaţi cu o pensulă curată, această pensulă fiind folosită numai în acest scop, deoarece pensulele aparent curate pot conţine contaminatori ce ar putea afecta sensibilitatea acestui proces. Timpul de contact trebuie să fie în acord cu tehnica. Dacă există o tendinţă a penetrantului să se scurgă din zona de interes trebuie reaplicat la intervale regulate astfel încât penetrantul să rămână ud. Notă: Dacă penetrantul s-a uscat complet trebuie să reluăm procesul din stadiul de curăţare. Penetrantul thixotropic va rămâne eficient pentru aproximativ 60 minute.

2.1.3 Îndepărtarea excesului de penetrantÎndepărtarea excesului de penetrant. Iniţial se îndepărtează excesul de penetrant cu un material sau cu o hârtie specială după care se curăţă suprafaţa cu un material umezit cu solvent. Este interzis să se treacă în mod repetat cu cârpa folosită peste suprafaţa piesei. Când se aplică metoda de examinare cu lichide penetrante fluorescente, excesul de penetrant trebuie îndepărtat şi apoi piesa trebuie testată folosind o sursă de lumină neagră pentru a verifica fundalul (background). NU SPRAY-AŢI SOLVENTUL PE PIESĂ. ACESTA VA SCOATE PENETRANTUL AFARĂ DIN DISCONTINUITĂŢI.

2.1.4 Aplicarea developantuluiAplicarea developantului de obicei se face folosind un aerosol. Pentru această aplicare se recomandă ţinerea spray-ului la aproximativ 300 - 450 mm (12 – 18 inch) faţă de suprafaţa de testat şi să se spray-eze această suprafaţă astfel încât să se obţină un film subţire de developant. Pentru penetranţii cu contrast de culoare se va aplica developant într-un strat suficient de gros astfel încât fundalul colorat al zonei de interes va fi mascat. Aceasta se poate obţine de obicei prin una sau două spray-ri consecutive. Metoda de testare cu lichide penetrante fluorescente necesită aplicarea developantului într-un film mai subţire. Aplicarea developantului trebuie să se facă în lumină albă. Timpul de developare este în acord cu metoda folosită, astfel pentru metoda de testare cu lichide penetrante fluorescente acest timp va fi folosit pentru adaptarea ochilor operatorului la întuneric.

2.1.5 Examinarea şi înregistrarea indicaţiilorSe vor vizualiza şi se vor interpreta indicaţiile ca în capitolul 4. După interpretarea indicaţiilor acestea se vor înregistra şi se va întocmi documentaţia aferentă. Dintre metodele de înregistrare a defectelor amintim: schiţe, fotografierea, marcarea zonei în care se află defecte. Trebuie avut grijă ca indiferent de metoda de testare folosită timpul dintre interpretare şi înregistrare să fie cât mai mic deoarece odată cu trecerea timpului indicaţiile vor deveni neclare şi distorsionate neilustrând discontinuităţile reale.

2.1.6 Curăţirea şi protecţia suprafeţeiSe va şterge developantul de pe suprafaţa piesei testate cu o cârpă curată după care se va spray-a această suprafaţă cu solvent pentru curăţirea finala. Se va restaura suprafaţa sau se va aplica o protecţie temporară dacă este cazul.

2.2 Condiţii

Pentru ca după testarea cu lichide penetrante să obţinem rezultate bune este esenţial să se asigure anumite condiţii de aplicare, controlate îndeaproape. Dintre aceste condiţii amintim următoarele: asigurarea unei iluminări corespunzătoare, efectuarea examinărilor de personal autorizat şi efectul temperaturii asupra examinărilor, care sunt descrise mai jos.

2.2.1 IluminareCând folosim penetrant cu contrast de culoare (colorat) aria de examinare trebuie să fie iluminată uniform, eliminând umbrele cu cel puţin 500 lux, lumină naturală sau artificială. 500 lux pot fi obţinuţi cu un tub fluorescent de 80 W la 1 m sau cu o lampă cu filtru de tungsten de 100W la 0,2 m. Examinarea indicaţiilor rezultate în urmă testării cu lichide fluorescente trebuie să fie executate la un nivel de lumină albă care să nu depăşească v 20 lux (2 footcandel), folosind o sursă de lumină neagră care ne dă cel puţin 800 W/cm2 valoare măsurată cu un aparat capabil să măsoare intensitatea lumini negre la o distanţă de 38 cm (15 inch). Trebuie să se evite reflectarea luminii negre de suprafaţă deoarece imaginea poate deveni în acest caz neclară. Înainte de examinare este necesară o perioadă de acomodare a ochilor la întuneric de minim 5 minute (sau în funcţie de cerinţele beneficiarului). Nu trebuie să se poarte ochelari cu lentile fotocromatice deoarece lumina neagră le va întuneca. Purtătorii de lentile de contact sunt de asemenea influenţaţi de reflexia luminii negre fapt care diminuiază eficienţa operatorului.

2.2.2 Personal

Personalul. Doar personal şcolarizat şi calificat va efectua examinări cu lichide penetrante.

2.2.3 Efectul temperaturiiPiesele care vor fi examinate trebuie să aibă o temperatură cuprinsă în intervalul 10 C - 40C. Temperatura tipică a componentelor trebuie să fie în jur 21 C (70F). În afara acestui interval metodele de aplicare a penetrantului vor necesita să se facă cu mare grijă astfel:

a. La metalele cu temperaturi joase se creează un strat de umezeală care va contamina penetrantul şi este posibil să împiedice intrarea penetrantului în discontinuităţi. Deci se cere ca prespălarea şi uscarea pieselor să se facă cu mare grijă.

b. Creşterea vâscozităţii la temperatură joasă poate necesita mărirea timpului de contact.

c. Temperatura joasă va întârzia viteza de evaporare a developantului pe bază de solvent, solventul diluând penetrantul şi rezultând indicaţii neclare.

d. La temperaturi înalte proprietăţile fluorescente a penetranţilor fluorescenţi se vor deteriora.

e. Temperatura penetrantului este de asemenea importantă, astfel cu creşterea temperaturii riscăm să pierdem volatilitatea componentelor. Temperatura tipică maximă este de 40 C dar o regulă de bază este de a menţine temperatura penetrantului cu 6 grade sub punctul de aprindere

Îndepărtare cu solvenţi (vapori)