Un design sofisticato del nucleo in rame per far convergere il controllo delle correnti parassite rotanti per rilevare crepe nei materiali conduttivi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5479 (2023) Citare questo articolo

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Negli ultimi decenni il test delle correnti parassite (EC) è stato selezionato come candidato standard per il rilevamento di difetti nei materiali conduttivi. Tuttavia, inventare sonde EC in grado di rilevare difetti minori è sempre stato una sfida per i ricercatori a causa del compromesso tra le dimensioni della sonda e la forza dell’EC generata sulla superficie del pezzo da testare. Qui utilizziamo un nucleo di rame dal design sofisticato per far convergere l'EC rotante sulla punta del nucleo di rame per rilevare piccole crepe in tutte le direzioni nei materiali conduttivi. In questo metodo, possiamo ospitare arbitrariamente una bobina di eccitazione di grandi dimensioni in modo che venga generato un EC rotante uniforme più grande in una piccola area del campione. Pertanto, la sonda può rilevare crepe in tutte le direzioni nei materiali conduttivi.

Piccoli difetti nei componenti strutturali comportano potenziali rischi. Grazie ai vantaggi dell'alta velocità, sensibilità ed efficienza1,2,3,4, il test a correnti parassite (EC) è il test non distruttivo dominante applicato per rilevare difetti nei materiali conduttivi per vari settori, come l'aviazione5,6, ferroviario7, 8,9, e l'industria petrolchimica10 e il campo dell'ingegneria civile, come nel caso dei ponti in acciaio11,12. È un metodo essenziale per raccogliere informazioni sui difetti in ambito manutentivo13,14.

Hoshikawa et al.15 hanno notato che un modello EC a linea retta indotto sulla superficie del provino può aumentare il rapporto segnale-rumore (SNR). Questa tecnica è nota in Giappone come misurazione delle correnti parassite uniformi (UEC). Nel frattempo, questa tecnica è chiamata misurazione del campo di corrente alternata in America e in Europa. Inoltre, la realizzazione di caratteristiche autodifferenziali e autoannullanti per le sonde EC può ridurre l'effetto dei segnali di rumore16,17. La tipica sonda UEC è stata inventata da Hoshikawa ed è chiamata sonda Hoshi15,18,19,20,21,22,23,24,25. La struttura della sonda Hoshi è costituita fondamentalmente da una bobina di eccitazione rettangolare tangenziale e da una bobina di rilevamento circolare o rettangolare. Il principio del trasduttore UEC è che quando esiste un difetto nel materiale, si interrompe la distribuzione dell'UEC e si altera il flusso magnetico attraverso la bobina di rilevamento.

Ad oggi, molti ricercatori continuano a studiare e sviluppare nuove sonde EC per ottenere un SNR elevato per prevedere la dimensione di difetti sempre più piccoli. È stato applicato un nucleo di ferrite come materiale del nucleo della bobina di eccitazione per aumentare l'ampiezza del campo magnetico e quindi migliorare la capacità di rilevamento dei difetti grazie alla sua elevata permeabilità26,27,28,29,30,31. Fino ad oggi, le sonde UEC hanno avuto uno svantaggio nel rilevare piccoli difetti perché è necessaria una grande intensità di corrente di eccitazione e quindi una grande struttura della sonda per generare una forte EC sulla superficie del pezzo da testare per aumentare la sensibilità di rilevamento. Tuttavia, ciò influisce sulla capacità di rilevamento di piccoli difetti perché la distribuzione EC indotta è troppo grande rispetto alla dimensione dei piccoli difetti. Inoltre, al posto dei tradizionali sensori ECT, viene utilizzato anche un sensore flessibile a correnti parassite altamente sensibile per rilevare i difetti microscopici superficiali32,33,34. Grazie alla misurazione della conduttività ad alta frequenza e all'ampio amperaggio di eccitazione, il campo magnetico diverge attorno alla bobina di eccitazione e copre un'ampia area, garantendo prestazioni elevate per il rilevamento di microdifetti. Anche così, le sonde flessibili a correnti parassite hanno solitamente un piccolo numero di spire di filo di rame. Pertanto, le bobine piatte necessitano di misurazioni di conducibilità ad alte frequenze per poter ottenere buone prestazioni (solitamente tra 100 kHz e 10 MHz). In questa modalità, ci sarà ovviamente molto rumore e un effetto pelle poco profondo. Inoltre, per perseguire la risoluzione spaziale, una sonda flessibile a correnti parassite ha un'ampia risoluzione spaziale, il che sarà svantaggioso quando si esaminano campioni con un'area piccola, soprattutto perché non può rilevare crepe adiacenti. Pertanto, nel nostro studio precedente, si riteneva che una sonda di convergenza a correnti parassite (ECC) con un nucleo di rame dotato di fessure, cavità e una piastra montata sotto la bobina di eccitazione creasse un EC estremamente forte convergente sulla punta del nucleo di rame35,36 . Tuttavia, per la sonda ECC del lavoro precedente, l'ampiezza del segnale della fessura era significativamente ridotta quando le linee EC erano parallele alla lunghezza della fessura rispetto alla perpendicolare alla lunghezza della fessura, portando ad una valutazione significativamente influenzata delle caratteristiche della fessura. Un metodo per risolvere questo problema consiste nell'utilizzare una coppia di nuclei di eccitazione con la stessa frequenza e correnti con una differenza di fase di 90° per generare un EC rotante sulla superficie del campione18,19,23,37. Tuttavia, il nostro studio precedente35,36 è stato ostacolato nel creare la rotazione EC sulla superficie del provino perché questa rotazione non era generata direttamente dalle bobine di eccitazione ma dagli EC convergenti sulla punta del nucleo di rame. In altre parole, per creare un EC rotante uniforme sulla superficie del provino, è necessario controllare gli EC che convergono sulla punta del nucleo di rame capace di rotazione uniforme. Pertanto, questo studio presenta una nuova sonda di convergenza a correnti parassite rotanti uniformi (RUECC) che utilizza un design sofisticato di un nucleo di rame in grado di creare EC rotanti convergenti sulla punta del nucleo di rame, con conseguente generazione di un EC rotante estremamente forte sul testare la superficie del pezzo per rilevare piccole crepe in tutte le direzioni. Regolando la dimensione e il numero di spire della bobina di eccitazione e la struttura del nucleo di rame per produrre EC che convergono sulla punta del nucleo di rame, la sonda RUECC può superare lo svantaggio delle sonde ECC negli studi precedenti35,36. Si prevede che anche la capacità di rilevare piccoli difetti in tutte le direzioni con la sonda migliorerà in modo significativo. Inoltre, una bobina di rilevamento circolare che aderisce alle caratteristiche autoannullanti e autodifferenziali e fa sì che la sonda RUECC elimini i segnali di rumore (in particolare i segnali di rumore durante il sollevamento). L'analisi degli elementi finiti è stata effettuata per confermare la convergenza delle correnti parassite sulla punta del nucleo di rame. Questo studio ha ottenuto con successo il RUECC sulla punta del nucleo di rame producendo il nucleo di rame in base ai risultati dell'analisi degli elementi finiti. Grazie al design speciale del nucleo in rame è stata ottenuta un'eccellente capacità di rilevamento dei difetti rispetto alla letteratura esistente.