BNA

Szumy Barkhausena (BN) zapewniają informacje o powierzchni oraz obszarze najbliższym powierzchni. Sygnał szumów Barkhausena ma szeroki zakres mocy zaczynając od dostosowanej częstotliwości magnetyzacji a kończąc powyżej 2 MHz w większości materiałów ferromagnetycznych. Faktyczna głębokość penetracji sygnału to pomiędzy 0.01 mm oraz 1 mm. Sygnał jest wytłumiany przez efekt tzw. „skóry” spowodowany przez przeciwstawne prądy wirowe wzbudzane przez zmieniające się pole magnetyczne.  Oszacowanie głębokości penetracji sygnału BN może zostać wykonane przy użyciu następującego wzoru:

gdzie δ oznacza głębokość penetracji, μ reprezentuje magnetyczną przepuszczalność, σ oznacza elektryczną przewodność a ƒ symbolizuje częstotliwość zmiennego pola magnetycznego.

Dwie ważne charakterystyki materiału mają wpływ na sygnał szumów Barkhausena.

Jedną jest obecność i rozchodzenie się naprężeń elastycznych które mają wpływ na to jak ustawiają się domeny magnetyczne. To zjawisko właściwości elastycznych wchodzących w interakcję z strukturą domen i właściwościami magnetycznymi materiału zwane jest „interakcją magnetoelastyczną”. Rezultatem tej interakcji jest wpływ naprężeń ściskających na zmniejszenie się natężenia szumów Barkhausena podczas gdy naprężenia rozciągające zwiększają je w materiałach z dodatnią anizotropią magnetyczną (żelazo, większość stali i kobalt). Fakt ten może być wykorzystany przy pomiarze natężenia BN do określenia naprężeń szczątkowych. Pomiar określa również kierunek głównych naprężeń.

Inną ważną charakterystyką materiału która ma wpływ na szumy Barkhausena jest mikrostruktura badanej części. Efekt ten można ogólnie opisać w kategorii twardości: natężenie szumów stale ulega zmniejszeniu w mikrostrukturach charakteryzujących się rosnącą twardością.. W ten sposób, pomiary BN zapewniają informacje o stanie mikrostruktury materiału. Mikrostruktura badanej części bezpośrednio wpływa również na kształt sygnału wyjściowego. Na przykład, twarde materiały magnetyczne mają szersze sygnały BN niż materiały miękkie. Charakterystycznymi wartościami sygnału BN na które mają wpływ mikrostruktura częsci i pole magnetyczne są amplituda, wartości szczytowe oraz kształty szerokości.

Pomiar szumów Barkhausena wymaga

• Głównego analizatora (Rollscan), model zależny od głównego zastosowania
• Czujnika szumów Barkhausena zaprojektowanego do typu części jaka ma być badana
• Opcjonalnego stanowiska do obsługi części
• Oprogramowania do akwizycji danych (ViewScan) oraz do analizy (MicroScan).

Podczas pomiaru, czujnik dokonuje magnetyzacji i demagnetyzacji próbki w cyklach i zbiera wzbudzony sygnał BN przekazując go do głównego analizatora. Rollscan jest źródłem zasilania procesorem sygnału cyfrowego. Oprogramowania ViewScan oraz MicroScan służą do akwizycji danych i raportowania. Stanowiska są budowane pod obsługę konkretnych typów części.

Wiele procesów takich jak obróbka mechaniczna (obracanie, frezowanie, wiercenie, ścieranie), obróbka na zimno (śrutowanie, śrutowanie laserowe, autowzmocnienie), oraz wszelkie formy hartowania powierzchniowego dotyczą jakiejś modyfikacji zarówno naprężeń jak i mikrostruktury i tym samym mogą być od ręki analizowane poprzez szumy Barkhausena. Różne procesy dynamiczne również zawierają zmiany w naprężeniach oraz mikrostrukturze a tym samym również mogą być monitorowane za pomocą metody BNA.

Praktyczne zastosowania metody BNA można ogólnie podzielić na trzy główne kategorie:

• Ocena naprężeń szczątkowych
• Ocena poziomu twardości
• Wykrywanie i badanie wad powierzchniowych

Szumy Barkhausena odnoszą się do poziomu naprężeń badanej częsci. Szumy Barkhausena mogą służyć do oceny stanu naprężeń materiałów. Naprężenia rozciągające zwiększają amplitudę sygnału BN podczas gdy naprężenia ściskające zmniejszają tą amplitudę.

Procesy obróbki na zimno stosowane do stworzenia złożonych rozkładów ściskających naprężeń szczątkowych na warstwie powierzchni mogą zostać scharakteryzowane przez szumy Barkhausena. Na przykład, BN może zostać użyte do scharakteryzowania i oceny efektywności procesu śrutowania i usprawnienia procesu kontroli jakości śrutowania. Dzięki szumom Barkhausena istnieje możliwość zbadania pokrycia i jednorodności śrutowania.

Pomiar naprężeń szczątkowych za pomocą metody BNA to nie bezpośrednie zastosowanie ponieważ szumy Barkhausena bezpośrednio nie dostarczają rezultatów w postaci wartości MPa służącej do określenia stanu naprężeń. Jednakże, wraz z procesem kalibracji, można tego dokonać, i to w sposób nieniszczący. Ocena naprężeń przy spawaniu to kolejne praktyczne zastosowanie szumów Barkhausena.

Szumy Barkhausena może zostać zastosowane do oceny stanu twardości materiałów. Miękkie materiały zwiększają amplitudę sygnału szumów Barkhausena podczas gdy materiały twarde obniżają tą amplitudę.

Metoda BNA pozwala na odróżnianie części twardych i miękkich od siebie na linii produkcyjnej. Taka ocena bez problemu nadąża z prędkością badania do prędkości produkcji większości linii umożliwiając tym samym na kontrolę twardości w czasie rzeczywistym.

Wykrywanie nadpaleń ściernych i kontrola procesu ścierania

Nadpalenie ścierne to powszechna nazwa na uszkodzenia termiczne powstałe na powierzchni podczas procesów ściernych. Nadpalenia ścierne powodują lokalne przebarwienie na powierzchni i mogą wpłynąć na twardość warstw powierzchniowych.

Gdy temperatura przekracza przekracza standardowy poziom hartowania ale jest niższa od temperatury austenityzacji (Ac3), następuje powolne ostudzanie w celu uformowania miękkiego materiału zwanego nadhartowanym martenzytem (OTM). Tworzenie OTM znane jest jako nadpalenie ponownego hartowania, przy tym procesie powstaje stan naprężeń rozciągających obniżając tym samym twardość powierzchni.

Gdy temperatura jest powyżej poziomu austenityzacji (Ac3), stosowane jest szybkie studzenie w celu wytworzenia nie hartowanego martenzytu (UTM) na warstwie powierzchniowej obrabianego obiektu. Warstwa UTM jest twardsza, ale podatna na korozję i mikropęknięcia oraz jest bardziej krucha niż rdzeń badanego obiektu, zmienia również integralność powierzchni oraz stan naprężeń powierzchniowych na rozciągające. Wytworzenie twardej warstwy martenzytu (UTM) nazywane jest nadpaleniem ponownego utwardzania które stanowi inną formę nadpalenia ściernego.

Ze względu na taki sam typ wyników metody szumów Barkhausena zarówno dla twardości oraz zmian naprężeń, możliwe jest  wiarygodne wykrywanie różnych form nadpaleń ściernych.

Procesy ścierne mogą być kontrolowane przez monitorowanie stanu części poddawanych procesowi obróbki. Wykrywanie 100 % uszkodzeń ściernych wynikających z zużycia kół, niewłaściwego tempa podawania następnych części, prędkości kół oraz innych parametrów może zostać wiarygodnie wykonywane dzięki analizie szumów Barkhausena.

Wykrywanie 100% nadpaleń ściernych jest najbardziej powszechnym zastosowaniem metody analizy szumów Barkhausena, rozpoznawaną przez wiele organizacji takich jak Departamenty lotnictwa i marynarki Stanów Zjednoczonych i wiele innych.

Wykrywanie wad powierzchniowych poprzez powłokę Cr

Wykrywanie uszkodzeń termicznych związanych z normalnym użytkowaniem, poprzez chromowaną powłokę jest prostą i wiarygodną aplikacją dla metody szumów Barkhausena. Głównym obiektem wykrywania wad powierzchniowych przez chromowaną powłokę są podwozia samolotów. Podczas remontów i renowacji samolotów, zastosowanie metody analizy szumów Barkahusena do wykrywania wad powierzchniowych przez powłoki chromowane pozwala zaoszczędzić przynajmniej tydzień pracy na pojedynczą część dzięki zapobiegnięciu niepotrzebnego usuwania powłoki chromowej na częściach takich jak osie, cylindry i przewody.