Συσχέτιση μικροδομής και μαγνητικών ιδιοτήτων σε ηλεκτρικούς χάλυβες, συγκολλημένους με τη μέθοδο συγκόλλησης με προστατευτική ατμόσφαιρα αερίων (Tungsten Inert Gas, T.I.G.)

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσω αρχικά τη θεωρία του μαγνητισμού, πού ακριβώς οφείλεται, τι φαινόμενα λαμβάνουν χώρα κλπ, προκειμένου στη συνέχεια να αναπτύξω το φαινόμενο του θορύβου Barkhausen, καθώς κυρίως πάνω σε αυτό βασίζεται μια μαγνητική μέθοδος μη καταστροφικού ελέγχου μαγνητικών (φερρομαγνητικών) υλικών, την οποία αξιοποιώ στην παρούσα εργασία, προκειμένου να εξετάσω δοκίμια ηλεκτρικού φερριτικού χάλυβα τα οποία συγκολλήθηκαν με την μέθοδο ηλεκτρικού τόξου TIG, με απώτερο σκοπό να αποδείξω τη ύπαρξη μονοτονικής συσχέτισης μεταξύ του σήματος Barkhausen noise και των μαγνητικών ιδιοτήτων του συγκεκριμένου εξεταζόμενου υλικού αφού υπέστη συγκόλληση, με ότι αυτό συνεπάγεται , και της μικροδομής των επιμέρους ζωνών που προκύπτουν (ζώνη τήξης, θερμικά επηρεασμένη ζώνη, μέταλλο βάσης). Πιο συγκεκριμένα, εξετάσαμε 8 ελάσματα του ίδιου ελαφρά κραματωμένου ηλεκτρικού χάλυβα, τα οποία συγκολλήθηκαν μεν με τη χρήση της ίδιας μεθόδου, υπό διαφορετικές παραμέτρους δε (ένταση ρεύματος, χρήση ή μη μετάλλου προσθήκης). Ελήφθησαν μετρήσεις θορύβου Barkhausen με τη χρήση διάταξης σημειακής μέτρησης τόσο στα ελάσματα ως είχαν, αμέσως μετά το πέρας της συγκόλλησης χωρίς οποιαδήποτε άλλη κατεργασία να προηγείται, τόσο και μετά από επιφανειακό καθαρισμό και εξομάλυνση της επιφάνειας. Και στις δύο φάσεις οι μετρήσεις συσχετίστηκαν με τις θέσεις πάνω στην επιφάνεια των ελασμάτων που λήφθηκαν, ώστε στη συνέχεια να εξαχθούν συμπεράσματα και τυχόν συσχετίσεις μεταξύ των διαφοροποιήσεων του σήματος, τον αριθμό περιστροφών μαγνητικών περιοχών και της ποιοτικής ένδειξης μαγνητικής διαπερατότητας (ιδιότητες που παίζουν σημαντικό ρόλο, ειδικά στον ηλεκτρικό χάλυβα) σε σχέση με τις προκύπτουσες από τη συγκόλληση ζώνες. Σε τελική φάση, ελήφθησαν δειγματοληπτικά μερικά αντιπροσωπευτικά δοκίμια τα οποία παρατηρήθηκαν σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), όπου δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στη μικροδομή και τις διαφοροποιήσεις στο μέγεθος κόκκων κλπ των επιμέρους ζωνών. Στο πέρας των πειραματικών διεργασιών εξάχθηκαν μερικά ενδιαφέροντα συμπεράσματα, όπως ότι η συγκόλληση TIG, ειδικά σε τόσο λεπτά ελάσματα ηλεκτρικού χάλυβα, ανάλογα με την ένταση του ρεύματος που τροφοδοτείται, μπορούν να επηρεαστούν δυσμενώς, σε μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό, οι βασικές μαγνητικές ιδιότητες του ηλεκτρικού χάλυβα, καθώς και ότι υφίσταται άμεση συσχέτιση μεταξύ των αποκρίσεων στις μετρήσεις θορύβου Barkhausen με την μικροδομή της εκάστοτε ζώνης. Συνοπτικά, παρατηρήθηκε ότι σε γενικές γραμμές η συγκόλληση και η παρεχόμενη από αυτή θερμότητα δύναται να προκαλέσει μεταβολές στη μορφή της μικροδομής (μεγέθυνση των κόκκων στη θερμικά επηρεασμένη ζώνη, δημιουργία δενδριτών στη ζώνη τήξης), καθώς και μικροδιαφορισμούς σε σημεία εντός ή κοντά στα όρια των κόκκων, λόγω μεγάλων και ταχέων διακυμάνσεων της θερμοκρασίας που λαμβάνουν χώρα τόσο κατά τη συγκόλληση όσο και στην ψύξη που ακολουθεί, καθιστώντας την πλήρη διάχυση δύσκολη, ή ακόμα και ανέφικτη. Όλα τα παραπάνω ουσιαστικά επηρεάζουν τις τελικές μαγνητικές ιδιότητες του συγκολλημένου ελάσματος, ιδιότητες που χαρακτηρίζουν το συγκεκριμένο υλικό και οφείλουν να πληρούν αυστηρές προϋποθέσεις στη βιομηχανία.

In this essay for the master degree of my studies I unfold the basics considering magnetism, the mechanisms behind it, its properties, the phenomena that occur during the magnetization of a magnetic material, so I may specifically unfold the phenomenon of the Barkhausen noise, which is the basic parameter in which a significant magnetic non-destructive testing (NDT) is based on. I refer to this, as it is the method I made use of, in order to examine specimens of a certain metallic material (electrical steel), that where subdued to the welding method TIG . My goal is to prove the existence of a relation between the Barkhausen noise we receive, when we magnetize the specimens by applying a magnetic field with monitored parameters, and the magnetic properties of the material in all the zones that were created after the welding took place (fusion zone, heat affected zone and base metal), the micro-structure, the average grain size in every zone and the differentiates that occur near the grain boundaries and the inner of the grains, because of the fast and extreme fluctuations of the temperature, during the welding and during the cooling after it. More specifically, we examined 8 speciments of the same material / alloy, each one was welded under different circumstances (different amperage), plus in some of them filler metal was added and in some others not. Then we measured the signal of the Barkhausen noise using a certain layout on particular points on the surface of the plates and depicted the measurements on graphs, with the position of the points the measurements were taken from on the xx’ axis and the other Barkhausen noise’s parameters on the yy’ axis, so the direct relation between them becomes clear. This procedure took place right after the end of the welding procedure, and a second time, in order to confirm the first measurements, after cleaning the surface of the welded lamina with grinding e.t.c. We depicted all the measurements, before the and after the grinding, in relation with the point of measuring, in order to find correlations between each zone (fusion, heat affected zone or base metal) and the signal it gives out (movement of magnetic domains, magnetic permeability). In the end, I observed the micro-structure of the welded thin metallic plates with the use of SEM, so I could have a clearer picture of the changes that might have occurred inside of the specimens, like the changes of average grain size in each zone, the differentiates of the composition inside the grains and near the boundaries of them. After the completion of the above experimental procedures, these conclusions were extracted: that indeed there is a correlation between the range of the amperage, thus the amount of heat applied on the specimen that is welded, and the changes of the grain sizes in each zone, causing in the end changes in the magnetic properties, that are so significant for this specific kind of alloy. The changes are not confined in terms of grain size only. The whole structure changes, like in the fusion zone, were the ferrite turns into dendrites, affecting in their turn the magnetic properties in that certain important zone, and thus influencing the output of the Barkhausen signal on a great scale. Also the composition seems to show some fluctuations, when we compare the composition (% atomic weight) near the boundaries and near the inner centre of the grains, because of the dramatic changes of the temperature during welding and cooling afterwards, not allowing the atoms of the components (silica, to be more precise) to fully re-position themselves evenly in the structure grid. All the above phenomena cause the so significant properties of the welded electrical steel to change and in this essay we expose the correlation between the structural changes of each zone and the changes in the Barkhausen noise output.