Kiểm tra bằng dòng điện Eddy (dòng điện bề mặt, dòng điện xoáy) là một trong các kỹ thuật kiểm tra không hủy thể (NDT) được dùng phổ biến để kiểm tra các vật liệu dẫn điện, chẳng hạn đồng và thép. Bài viết trình bày các cơ sở của công nghệ này, gồm các cảm biến và đầu dò mới nhất.

Có thể thực hiện kiểm tra vật liệu kim loại để xác định độ bền kéo, giới hạn chảy, tính dẫn điện và sự hiện diện các khuyết tật theo hai nhóm phương pháp. Nhóm thứ nhất là kiểm tra vật liệu kim loại cho đến khi mẫu bị gãy hoặc bị phá hủy, chẳng hạn kiểm tra kéo đúng tâm. Mẫu được kẹp chặt ở hai đầu, sau đó tác dụng lực kéo cho đến khi mẫu bị gãy hoặc xảy ra biến dạng dẻo.

Nhóm phương pháp này được gọi là kiểm tra phá hủy (DT) và được ứng dụng nhiều, nhưng vẫn có các giới hạn xác định. Để khắc phục các giới hạn đó, giải pháp là nhóm phương pháp kiểm tra không hủy thể (NDT). Dựa trên các nguyên lý khoa học, có thể rút ra các kết quả chính xác, hầu như không thể đảo ngược và với chi phí thấp một cách hợp lý.

Kiểm tra bằng dòng điện Eddy (ECT) – nguyên lý và ưu điểm
Kiểm tra bằng dòng điện Eddy, viết tắt là ECT, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây, tạo ra từ trường. Khi cuộn dây được đặt gần vật liệu dẫn điện, chẳng hạn thép, đồng, sự thay đổi từ trường do chuyển động của cuộn dây sẽ cảm ứng dòng điện xoay chiều chạy trong vật liệu đó.

Dòng điện cảm ứng này được gọi là dòng điện Eddy, chuyển động theo các vòng khép kín sẽ tạo ra từ trường riêng của mình, có thể đo được một cách dễ dàng và được dùng để tìm các khuyết tật, đồng thời đặc trưng cho tính dẫn điện, tính thẩm điện và các đặc tính kích thước. Nói chung, các thay đổi dòng điện Eddy thường là do sự hiện diện của các vết nứt bên trong vật liệu được kiểm tra.

Một ưu thế lớn của ECT so với các kỹ thuật khác là khả năng kiểm tra các vật liệu chuyển động nhanh. Điều này là đặc biệt hữu ích khi được dùng để kiểm tra chất lượng các chi tiết kim loại, chẳng hạn dây, thanh, ống và các biên dạng chuyển động trên hệ thống chuyển tải, chẳng hạn trên dây chuyền sản xuất. Các kỹ thuật khác, chẳng hạn kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu đều tốn thời gian, hầu như không thể kiểm tra tất cả các chi tiết đang trong dây chuyền chế tạo.

Ưu điểm thứ hai của ECT là khả năng kiểm tra các vật liệu từ tính và không từ tính, thay vì chỉ có thể kiểm tra các vật liệu từ tính theo phương pháp sử dụng các hạt từ tính. Phương pháp này thiết lập từ trường trong vật liệu được kiểm tra, từ trường này đi ra và trở lại ở các cực từ của vật liệu đó. Các khuyết tật sẽ gây ra sự tổn thất từ thông và tổn thất này được phát hiện cho phép xác định vị trí của các khuyết tật đó.

Ưu điểm thứ ba của ECT của hệ thống này là kiểm tra không tiếp xúc. Đầu dò ECT hoàn toàn không tiếp xúc với vật liệu được kiểm tra, do đó hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt kim loại. Khi bị cạo xước, các vết lõm vi mô trên bề mặt kim loại là nơi tích tụ bụi, tạp chất và vi khuẩn, hầu như không thể thấy được bằng mắt thường. Phương pháp kiểm tra ECT là rất hữu ích cho các ngành công nghiệp yêu cầu vật liệu kim loại, sử dụng trong các phòng sạch, phải có hàm lượng bụi và tạp chất hầu như không đáng kể.

Đầu dò và cảm biến
Tuy các nguyên lý kiểm tra ECT trong nhiều năm qua hầu như không thay đổi, nhưng các công nghệ đầu do và cảm biến được dùng trong kiểm tra này đã có nhiều tiến bộ.

Một số các thay đổi này được thực hiện để cải thiện tính tin cậy của kiểm tra ECT. Ví dụ, trong chuyên ngành công nghiệp này, hầu như mọi người đều biết một trong các nhược điểm của đầu dò cuộn dây cảm ứng ECT đương thời là không có khả năng phát hiện các khuyết tật nằm song song với chiều quấn dây của cuộn dây trong đầu dò.

Điều này thường có nghĩa là các vết nứt nhỏ, bắt nguồn từ các cạnh của mẫu kiểm tra, thường rất khó phát hiện. Ví dụ, các vết nứt xuất hiện xung quanh các lỗ mối ghép hoặc tán rivê trong kết cấu nhiều lớp trên máy bay. Nói chung, tín hiệu do lỗ hoặc mối ghép tạo ra thường lấn át tín hiệu có cường độ nhỏ hơn xuất hiện từ vết nứt.

Do đó, thay vì sử dụng đầu dò với kiểu cuộn cảm ứng này, hiện nay đang chuyển dần sang các cảm biến từ tính bán dẫn dựa trên nguyên lý từ trở khổng lồ (GMR) và nguyên lý đường hầm phụ thuộc vào spin (SDT). Các cảm biến từ tính bán dẫn này, khác với đầu dò với cuộn cảm ứng được định hướng sao cho có thể cắt qua tín hiệu bất kỳ đến từ cạnh biên, cho phép phát hiện các khuyết tật một cách hợp lý.

Tuy nhiên, các đầu do với cuộn cảm ứng vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực này, do có giá thành thấp và tương đối dễ sử dụng. Hiện tại một số đầu dò với cuộn cảm ứng vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực này, do có giá thành thấp và tương đối dễ sử dụng. Hiện tại một số kiểu đầu dò với cuộn cảm ứng vẫn còn thông dụng, bao gồm đầu dò với cuộn dây bao tròn, cuộn dây xếp lớp, cuộn dây xoắn, cuộn dây hình móng ngựa,… tùy theo các ứng dụng cụ thể.

Chế độ tuyệt đối và chế độ vi sai
Các đầu dò trong kiểm tra ECT còn được phân chia thành hai nhóm tùy theo cách thức sử dụng, thứ nhất là đo tín hiệu điện áp tuyệt đối và thứ hai là so sánh các phần khác nhau trong vật liệu được kiểm tra. Đầu dò, được dùng để đo điện áp tuyệt đối được gọi là đầu dò chế độ tuyệt đối. Loại này có một cuộn dây tạo ra dòng điện Eddy và cảm biến các thay đổi trong trường dòng điện Eddy.

Loại đầu dò tuyệt đối có thể phát hiện các vết nứt hoặc khuyết tật dài hoặc các biến thiên kích thước nhỏ của thanh hoặc ống. Bên cạnh khả năng phát hiện các vết nứt, thay đổi tuyệt đối về tổng thể của đầu dò cuộn dây có thể cung cấp nhiều thông tin về kích thước hạt tinh thể, đo đạc độ cứng và ứng suất. Tuy nhiên, các đầu dò này thường bị tác động do các biến thiên nhiệt độ và chúng có thể bị giảm độ nhạy.

Các đầu dò so sánh hai đầu khác nhau của vật liệu được gọi là đầu dò chế độ vi sai, có các cuộn dây dò tìm được quấn theo hai chiều ngược nhau để tạo ra sự cân bằng giữa hai điện áp cảm ứng phát sinh từ một từ trường sơ cấp.

Ưu điểm chính của đầu dò chế độ vi sai là khả năng phát hiện các khuyết tật rất nhỏ. Tuy nhiên, các cuộn vi sai không phát hiện được các biến thiên thành phần hoặc biến thiên kích thước chủ yếu do các cuộn dây quá gần nhau. Điều này chỉ có thể được thực hiện với đầu dò chế độ tuyệt đối.

SQUID – Linh kiện giao thoa lượng tử siêu dẫn
Lượng cảm biến thứ hai được sử dụng trong ETC từ thập niên 1980 là linh kiện giao thoa lượng tử siêu dẫn, viết tắt là SQUID, về bản chất đây là từ kế rất nhạy được thiết kế để đo các từ trường rất yếu.

Tuy loại cảm biến này thường được coi là đắt tiền, chưa nói đến loại này rất cồng cềnh do phải làm lạnh sâu để giảm các mức nhiễu, nhưng sử dụng SQUID rất hiệu quả do có độ nhạy cao, kể cả trong môi trường không được bảo vệ.

SQUID được dùng để kiểm tra ứng suất cơ học, vết nứt và ăn mòn trên thân máy bay. Như đã đề cập ở phần trên, loại khuyết tật này thường được phát hiện trong các lớp ẩn gần các đinh tán rivê. Với SQUID, tín hiệu từ vết nứt có tính đặc thù và tách biệt với các tín hiệu bên dưới phát sinh do các lỗ đinh tán rivê hoặc mối ghép trong thân máy bay. Các cảm biến có độ nhạy thấp hơn không thể phát hiện được loại khuyết tật này.

Công nghệ về cảm biến và đầu dò trong ETC liên tục phát triển, do nhu cầu đo đạc và phát hiện các khuyết tật trong khoảng thời gian tương đối ngắn, bảo đảm độ tin cậy và độ chính xác khi đo ở các cạnh biên, hoặc gần các lỗ đinh tán rivê và mối ghép.

Tuy công nghệ ETC đang thay đổi, nhưng tính hữu dụng của phương pháp này, có thể nói là không thay đổi và những người lựa chọn sử dụng công nghệ này trong tương lai sẽ tiếp tục được hưởng lợi từ kỹ thuật kiểm tra không hủy thể (NDT) này.

(Nguồn: Cẩm nang Gia công Kim loại)