Анализ методов неразрушающего контроля, применяемых для обнаружения подповерхностных дефектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Анализ методов неразрушающего контроля, применяемых для обнаружения подповерхностных дефектов

На железнодорожном транспорте повсеместно используются литые детали типа боковин рамы, надрессорных балок и т.д. Многие методы направлены для выявления дефектов усталостного характера, но существуют дефекты, которые образуются во время литья детали (раковины и поры).

1.1 Анализ методов контроля позволяющих обнаруживать и определять параметры подповерхностные дефекты

Литьё -- технологический процесс изготовления заготовок (реже готовых деталей), заключающийся в заполнении предварительно изготовленной литейной формы жидким материалом (металлом, сплавом, пластмассой и т.п.) с последующим его затвердеванием.

Существует разновидности литья:

-в песчаные формы (ручная или машинная формовка);

- в многократные (цементные, графитовые, асбестовые формы);

- в оболочковые формы;

- по выплавляемым моделям;

- по замораживаемым ртутным моделям;

- центробежное литье;

- в кокиль;

- литьё под давлением;

- по газифицируемым моделям;

- по выжигаемым моделям;

- вакуумное литьё;

- электрошлаковое литьё;

- литьё с утеплением.

Одним из самых распространенных дефектов литье являются раковины. Различают несколько видов раковин: газовые, шлаковые, усадочные (рыхлость и пористость) и песочные.

Газовые раковины - это пустоты (сферические, округленные) с гладкой или окисленной поверхностью, которые располагаются как снаружи, так и внутри. Причиной их образования может быть качество используемого металла, в этом случае дефекты имеют малый размер, но разбросаны по всей отливке. Также могут образовываться из-за дефектов форм и неправильной технологии заливки. Причиной появления газовых трещин может быть следующее: плохая газопроницаемость формовочной смеси; неравномерная наплавка, которая вызывает насыщение металла газом в процессе плавки; высокая скорость заливки форм; металл, если он не достаточно нагрет, может содержать пузыри, который не успевают выделиться при остывании; возможная влажность формовочной смеси в некоторых местах; отсутствие галтели.

Раковины песочные - закрытые или открытые раковины неправильной формы, которые частично или полностью заполнены формовочным материалом. Причинами образования песочных раковин могут быть: случайные разрушения некоторых частей формы, струей металла, при заполнении формы; механический мусор в готовой форме; банальное повреждение формы при извлечении модели; использование неисправных опок, которые вызывающих повреждение формы; неправильная установка стержней.

Шлаковые раковины -эти раковины имеют шероховатую поверхность и неправильную форму. Полость раковины, частично или полностью, заполнена шлаком. Размеры и количество шлаковых раковин зависит от причины их образования. И главной причиной является попадание шлака в форму вместе с металлом при заливке, которое происходит из-за: недостаточно хорошей очистке шлака; плохой текучести металла; перерыва струй металла при заливке; неправильной литейной системы.

Другие дефекты литья: трещины (сквозные или несквозные), пригар, спаи и слоистость (трещины с округлыми краями), недоливы, дефекты в размерах и очертаниях отливок.

Рисунок 1.1 Отливка «Колесо рабочее» с раковиной, имеющей блестящую поверхность

Рисунок 1.2 Фрагмент отливки «Колесо рабочее» (увеличено)



Рисунок 1.3 Отливка «Корпус вентиля» с раковиной, имеющей блестящую светлую гладкую поверхность, значительные размеры, на практике именуемую как «вскип»

Рассмотрим методы неразрушающего контроля. В зависимости от физических явлений, положенных в его основу, подразделяется на виды:

- Акустический;

- Магнитный,

- Электрический,

- Радиоволновый,

- Тепловой,

- Оптический,

- Проникающими веществами.

Ультразвуковой метод контроля основан на поиске дефектов в материале изделия ультразвуковым методом, то есть путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы, с помощью специального оборудования - ультразвукового дефектоскопа.

Акустико-эмиссионный метод контроля основан на излучении и регистрации волн напряжений при быстрой локальной перестройке структуры материала. Дефекты, которые возникают и развиваются в материале в период эксплуатации, вызывают концентрацию деформаций. Если во время нагружения локальная деформация перенапряжения, вызванная присутствием дефекта, превышает пороговый для эмиссии уровень, возникает акустическая эмиссия. Чем выше деформация, вызванная дефектом, тем выше уровень эмиссии и тем ниже уровень нагрузки, при котором она появляется. Суммарная энергия эмиссии является мерой опасности дефекта. Дефект, расположенный в более напряженном месте объекта, вызывает больший уровень концентрации напряжений и большую эмиссию, чем аналогичный дефект, находящийся в менее нагруженном участке. С точки зрения структурной целостности объекта дефект, находящийся в более нагруженном участке более опасен, чем аналогичный дефект в менее нагруженном участке. Акустико-эмиссионные испытания позволяют устанавливать это различие.

Магнитный вид:

Магнитопорошковый метод контроля основан на выявлении локальных магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектом, с помощью ферромагнитных частиц, играющих роль индикатора. Магнитное поле рассеяния возникает над дефектом вследствие того, что в намагниченной детали магнитные силовые линии, встречая на своем пути дефект, огибают его как препятствие с малой магнитной проницаемостью, в результате чего магнитное поле искажается, отдельные магнитные силовые линии вытесняются дефектом на поверхность, выходят из детали и входят в нее обратно. При этом по обе стороны от трещин, то есть по краям дефекта, возникают местные магнитные полюсы N и S, создающие локальное магнитное поле рассеяния

Электрический вихретоковый.

Вихретоковый метод неразрушающего контроля - основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с вихревыми токами, наводимыми этим полем в контролируемой детали. В качестве источника электромагнитного поля чаще всего используется индуктивная катушка с синусоидальным током, называемая вихретоковым преобразователем (ВТП). В общем случае вихретоковый преобразователь - устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных катушек, предназначенных для возбуждения в контролируемой детали вихревых токов и получения сигнала с преобразователя.

В контролируемой детали с помощью вихретокового преобразователя возбуждаются вихревые токи. Распределение вихревых токов по поверхности детали и их величина в областях с дефектами и без дефектов различны, поэтому по изменению сигнала преобразователя можно судить о наличии дефекта.

Вихретоковый метод контроля применим для электропроводящих магнитных и немагнитных материалов

Рентгеновский метод.

Радиоволновый метод контроля - основан на получении и анализе дифракционной картины, возникающей в результате интерференции рентгеновских лучей, рассеянных электронами атомов облучаемого объекта. Эта картина определяется, помимо атомной и электронной структуры изучаемого объекта, еще и характеристикой рентгеновского излучения.

Рентгенодифракционный анализ позволяет исследовать поликристаллические и монокристаллические объекты как в виде объемных материалов, так и в виде тонких пленок. Для каждого из этих двух типов материалов имеется определенный набор параметров, определяемых с помощью рентгенодифракционного анализа.

Рентгеноспектральный микроанализ. Характеристическое рентгеновское излучение возбуждается в образце под воздействием электронного пучка электронов (5-50 кэВ). Определение элементного состава микрообъема проводится на основе сравнения характеристических рентгеновских линий анализируемого образца и эталона. Сканирование электронного пучка по поверхности образца дает возможность получать распределение анализируемого элемента по поверхности образца (в характеристических рентгеновских лучах).

Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей. В основе метода лежит явление дифракции рентгеновских лучей объектами размером от единиц до сотен нанометров. С помощью этого метода можно определить размеры зерен поликристаллических материалов, атомов в жидких веществах и стеклах; трехмерные размеры блоков (кластеров) в монокристаллах; тип распределения доменов в объеме монокристалла (как объемного, так и пленок-гетероструктур, в частности). Производится также количественная оценка структурного совершенства монокристаллов и количественный анализ структурного совершенства наногетероструктур.

Спектроскопия рентгеновского поглощения. В основе метода лежит явление интерференции электронной волны (генерируемой поглощением первичного фотона на возбуждаемом атоме) на окружающих атомах и квантово-механические эффекты, вызываемые интерференцией.

Метод позволяет восстанавливать трехмерное атомное строение вещества (в том числе в нанопленках и нанокластерах), определять расстояния между соседними атомами с точностью ~0,0005нм, энергетику химических связей, электронное строение вещества, локальный химический состав вещества. Метод применим для любого агрегатного состояния вещества: кристаллического, аморфного, жидкого, газообразного.

Исследуемые материалы: полупроводники, металлы, керамика, композитные материалы, минералы, углеродные материалы (в том числе наноразмерные объекты), многослойные эпитаксиальные структуры, лазерные кристаллы, сцинтиляторы, люминофоры, геологические объекты. Более подробно рассмотрим основные методы рентгеновского контроля: рентгеновскую спектроскопию и рентгеновскую дефектоскопию.

Тепловой метод.

Тепловой метод контроля в качестве пробной энергии используется тепловую энергию, распространяющуюся в объекте контроля. Температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процесса теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных дефектов. Под дефектом при этом понимается наличие скрытых раковин, полостей, трещин, непроваров, инородных включений и т.д., всевозможных отклонений физических свойств объекта от нормы, наличия мест локального перегрева( охлаждения) и т.п.

Методы неразрушающего контроля теплового вида (ГОСТ 18353 - 79) используют при исследовании тепловых процессов в изделиях. При нарушении термодинамического равновесия объекта с окружающей средой на его поверхности возникает избыточное температурное поле, характер которого позволяет получить информацию об интересующих свойствах объектов. Методы теплового контроля основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термодинамическими чувствительными элементами (термопарой, фотоприемником, жидкокристаллическим индикатором и т.д.), преобразовании параметров поля (интенсивности, температурного градиента, контраста, лучистости и др.) в электрический сигнал и передаче его на регистрирующий прибор.

Достоинства теплового контроля: дистанционность, высокая скорость обработки информации, высокая производительность испытаний, высокое линейное разрешение, возможность контроля при одно- и двустороннем подходе к изделию, теоретическая возможность контроля любых материалов, многопараметрический характер испытаний, возможность взаимодополняющего сочетания ТНК с другими видами неразрушающего контроля; сочетаемость со стандартными системами обработки информации; возможность поточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами.

Пассивный ТНК и Активный ТНК.

Оптический вид НК.

Визуально-оптический метод контроля основан на использование глаз человека в качестве контролирующего прибора в дефектоскопии. Глазом контролируют исходные материалы, полуфабрикаты, готовую продукцию, обнаруживают отклонения формы и размеров, изъяны поверхности и другие дефекты в процессе производства и эксплуатации: остаточную деформацию, пористость поверхности, крупные трещины, подрезы, риски, надиры, следы наклёпа, раковины и т.д. Однако возможности глаза ограничены, например, при осмотре быстро перемещающихся объектов или удалённых объектов, находящихся в условиях малой освещённости. Даже при осмотре предметов, находящихся в покое на расстоянии наилучшего зрения в условиях нормальной освещённости, человек может испытывать трудности из-за ограниченной разрешающей способности и контрастной чувствительности глаза. Для расширения возможностей глаза используют оптические приборы. Они увеличивают угловой размер объекта, при этом острота зрения и разрешающая способность глаза увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько увеличивает оптический прибор. Это позволяет увидеть мелкие дефекты, невидимые невооружённым взглядом, или их детали. Однако при этом существенно сокращается поле зрения и глубина резкости, поэтому обычно используются оптические приборы с увеличением не более 20-30. Оптические приборы эндоскопы позволяют осматривать детали и поверхности элементов конструкции, скрытые близлежащими деталями и недоступные прямому наблюдению. Визуальный контроль с использованием оптических приборов называют визуально-оптическим. Визуально-оптический контроль и визуальный осмотр - наиболее доступный и простой метод обнаружения поверхностных дефектов деталей. Основные преимущества этого метода - простота контроля, несложное оборудование, сравнительно малая трудоёмкость. Современные методы оптического контроля основаны на взаимодействии светового излучения с поверхностью контролируемого объекта. При этом рассматриваются такие спектральные характеристики, как коэффициент спектрального излучения и поглощения, спектральный коэффициент пропускания, отражения и показатель преломления. Спектральный коэффициент поглощения определяеться отношением потока излучения, поглощенного внутри оптически прозрачной среды, к падающему потоку излучения. Спектральный коэффициент пропускания представляет собой отношение потока излучения, прошедшего через среду, к потоку энергии, упавшему на ее поверхность. Спектральный коэффициент отражения определяют для составляющих светового потока с параллельными и перпендикулярными колебаниями по отношению к плоскости падения.

Метод НК Проникающими веществами.

Метод НК проникающими веществами основан на капиллярном проникновении жидкостей (пенетрантов) в дефекты и контрастном изображении дефекта. Этот метод применяется для выявления поверхностных дефектов в основном в изделиях из неметаллов и сплавов, для которых невозможно использовать магнитные методы контроля. Капиллярный контроль осуществляют следующим образом. После подготовки (очистки, обезжиривания) поверхности контролируемой детали на нее наносят индикаторную жидкость, например смесь керосина со скипидаром с добавкой красителя. Жидкость проникает внутрь дефектов. Чтобы дефекты лучше и быстрее заполнялись, при нанесении жидкости повышают или понижают давление, воздействуют на деталь звуковыми или ультразвуковыми колебаниями или статической нагрузкой, подогревают жидкость, напыляют ее в виде аэрозоля. После нанесения жидкость с поверхности убирают (вытирают или сдувают), но в дефектах она остается. Далее струей газа, кистью или щеткой припудриванием наносят на поверхность проявитель. Это может быть, например, раствор каолина (белой глины) в этиловом спирте. Проявитель высыхает, в него всасывается из дефектов индикаторная жидкость, окрашивая места дефектов. Проявитель может быть в виде порошка (сухой способ). Можно наносить в качестве проявителя растворы люминофоров (в летучем растворителе), тогда дефект будет светиться в ультрафиолетовых лучах (беспорошковый способ). Если добавить в индикаторную жидкость краситель и после очистки поверхности нагреть деталь, то жидкость выступит на кромки дефекта, испарится, а затвердевший краситель покажет расположение дефекта. Дефекты выявляют внешним осмотром с помощью лупы, если применялись люминофоры, можно использовать фотодатчики. Капиллярным контролем выявляют дефекты шириной от 1 мкм, глубиной от 10 мкм и длиной от 0,1 мм.

Методы каждого вида неразрушающего контроля классифицируются по следующим признакам:

а) характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом;

б) первичным информативным параметрам;

в) способам получения первичной информации.

В названии метода должны присутствовать классификационные признаки, изложенные выше, свойственные данному методу неразрушающего контроля.

1.2 Анализ существующих методов контроля и выбор методов, позволяющих обнаружить подповерхностных дефекты

Из выше перечисленных методов контроля, не все могут выявлять подповерхностные дефекты, рассмотрим более подробно методы контроля которые могут выявлять подповерхностные дефекты.

Для обнаружения подповерхностных дефектов используются методы: ультразвуковой, рентгеновский, вихретоковый и акустика-эмиссионный. Но у каждого метода существуют свои недостатки и достоинства, которые определяют выбор метода. Рассмотри методы подробнее.

при ультразвуковом методе звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале. Отражение акустических волн происходит от раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. Чем больше различаются акустические сопротивления, тем большая часть звуковых волн отражается от границы раздела сред. Так как включения в металле часто содержат воздух, имеющий на несколько порядков меньшее удельное акустическое сопротивление, чем сам металл, то отражение будет практически полное.

Разрешающая способность акустического методы определяется длиной используемой звуковой волны. Это ограничение накладывается тем фактом, что при размере препятствия меньше четверти длины волны волна от него практически не отражается. Это определяет использование высокочастотных колебаний -- ультразвука. С другой стороны, при повышении частоты колебаний быстро растет их затухание, что ограничивает доступную глубину контроля. Для контроля металла наиболее часто используются частоты от 0.5 до 10 МГц.

Существует несколько методов возбуждения ультразвуковых волн в исследуемом объекте. Наиболее распространенным явялется использование пьезоэлектрического эффекта. В этом случае излучение ультразвука производится с помощью преобразователя, который преобразует электрические колебания в акустические с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Отраженные сигналы, попавшие на пьезопластину из-за прямого пьезоэлектрического эффекта, преобразуются в электрические, которые и регистрируются измерительными цепями.

Также используется электромагнитно-акустический (ЭМА) метод, основанный на приложении сильных переменных магнитных полей к металлу. КПД системы НК методом ЭМА гораздо ниже, чем у пьезоэлектрической системы, но зато она может работать через воздушный зазор и не предъявляет особых требований к качеству поверхности.

Классификация методов исследования, существующие акустические методы ультразвуковых исследований подразделяют на две большие группы - активные и пассивные.

Активные методы контроля подразумевают под собой излучение и приём ультразвуковых волн. Виды активных методов:

1) эхо-импульсный;

2) эхо-метод или эхо-импульсный метод ;

3) зеркальный или эхо-зеркальный (только совместно с другими методами);

4) дифракционно-временной метод;

5) дельта-метод;

6) ревербационный метод;

7) когерентный метод;

8) теневой метод;

9) зеркально-теневой.

Пассивные методы контроля заключаются в приёме волн, источником которых является сам объект контроля. Виды пассивных элементов:

1) акустико-эмиссионный;

2) вибрационно-диагностический;

3) шумодиагностический.

Современные дефектоскопы точно замеряют время, прошедшее от момента излучения до приёма эхо-сигнала, тем самым измеряя расстояние до отражателя. Это позволяет добиться высокого лучевого разрешения исследования. Компьютеризированные системы позволяют провести анализ большого числа импульсов и получить трёхмерную визуализацию отражателей в металле.

К преимуществам ультразвуковой методы можно отнести:

возможность проводить контроль изделий из разнообразных материалов, как металлов, так и неметаллов. Кроме того, можно выделить высокую скорость исследования при низкой стоимости и опасности для человека (по сравнению с рентгеновской дефектоскопией), а также высокую мобильность ультразвукового дефектоскопа.

К недостаткам УЗ метода можно отнести:

тщательную подготовки поверхности для ввода ультразвука в металл приспользовании пъезоэлектрических преобразователей, в частности создание шероховатости поверхности не ниже класса 5, а в случае со сварными соединениям и ещё и создания направления шероховатости (перпендикулярно шву). Воздушный зазор может привезти к потере акустического контакта, приходиться пользоваться контактными жидкостями. При контроле вертикальных или сильно наклоненных поверхностей необходимо применять густые контактные жидкости с целью предотвращения их быстрого стекания.

Для контроля изделий с внешним диаметром менее 200мм необходимо использовать преобразователи с радиусом кривизны подошвы R, равным 0,9-1,1R радиуса контролируемого объекта, так называемые притертые преобразователи, которые в таком виде непригодны для контроля изделий с плоскими поверхностями. Например, для контроля цилиндрической поковки необходимо производить перемещение преобразователя в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что подразумевает под собой использование двух притёртых преобразователей: по одному для каждого из направлений.

Как правило, ультразвуковая дефектоскопия не может дать ответ на вопрос о реальных размерах дефекта, информация затем лишь о его отражательной способности в направлении приемника. Эти величины коррелируют, но не для всех типов дефектов. Кроме того, некоторые дефекты практически невозможно выявить ультразвуковым методом в силу их характера, формы или расположения в объекте контроля.

Практически невозможно производить достоверный ультразвуковой контроль металлов с крупнозернистой структурой, таких, как чугун или аустенитный сварной шов (толщиной свыше 60 мм из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука). Кроме того, затруднителен контроль малых деталей или деталей со сложной формой.

УЗ контроль применяется для поиска дефектов материала (поры, волосовины, различные включения, неоднородная структура и пр.) и контроля качества проведения работ ( сварка, пайка, склейка и пр). Ультразвуковой контроль является обязательной процедурой при изготовлении и эксплуатации многих ответственных изделий, таких, как части авиационных двигателей, трубопроводы атомных реакторов или железнодрожные рельсы.

Рентгеновский метод применяют на нефтя- газа- проводах для контроля сварки и поферхности.

Метод очень хорошо выявляет большинство дефектов.

Недостатки рентгеновского метода:

большая установка;

опасность для здоровья человека;

не используется в депо.

Акустико-Эмиссионный метод применяется на железной дороге, позволяет выявлять только развивающиеся дефекты.

Недостаток акустико-эмиссионного метода - не может однозначно определить существование поры, раковины.

Вихретоковый метод простой, не требует лишних затрат на подготовку детали к контролю, вихретоковые дефектоскопы есть в каждом депо.

Недостаток вихретокового метода - не большая глубина сканирования.

Из всех выше представленных методов контроля был выбран вихретоковый метод контроля потому, что он реализует возможность сканирования литых объектов.

1.3 Физические основы вихретокового метода контроля

1.3.1 Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущая сила. Если контур замкнут, то в нем возникает электрический ток, называемый индукционным током.

1.3.2 Закон электромагнитной индукции

Проводящий контур, помещенный в однородное постоянное магнитное поле с напряженностью H, пронизывается магнитным потоком Ф (рисунок 1.4), значение которого определяется по формуле:

Ф = В?S?cosб,

где Ф - магнитный поток,

B = µ0µH

магнитная индукция,

Гн/м

- магнитная постоянная; µ - относительная магнитная проницаемость; S - площадь проводящего контура, ; б - угол между нормалью n к плоскости проводящего контура и вектором напряженности магнитного поля Н, град.

Рисунок 1.4- Проводящий контур

При вращении контура в однородном постоянном магнитном поле изменяется угол б, следовательно, и магнитный поток, пронизывающий этот контур. Закон электромагнитной индукции заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока Ф в контуре индуцируется э.д.с.

Знак «минус» в этой формуле является выражением правила Ленца: индукционный ток в замкнутом контуре всегда имеет такое направление, что создаваемый им магнитный поток уменьшает те изменения магнитного потока, которые вызвали появление индукционного тока.

В катушке с числом витков n, помещенной в переменное магнитное поле, индуцируется э.д.с.

где величина

ш=n?Ф

называется потокосцеплением катушки.

Самоиндукция и взаимоиндукция

При пропускании по катушке переменного электрического тока i в ней создается магнитное поле и через витки катушки проходит некоторый переменный магнитный поток. Потокосцепление этого потока с витками катушки представляется в виде:

где L - индуктивность катушки; i - электрический ток.

Индуктивность

L=ш/I

характеризует способность катушки возбуждать э.д.с. самоиндукции.

Индуктивность зависит от числа витков, геометрической формы и размеров катушки, а также магнитных свойств среды внутри катушки. В случае достаточно длинной катушки (т.е. длина катушки значительно больше ее диаметра) ее индуктивность выражается формулой:

где n - число витков катушки; S - площадь сечения витков катушки, ; l - длина катушки, м; µ - относительная магнитная проницаемость среды внутри катушки.

При наличии сердечника из ферромагнитного материала магнитный поток внутри катушки и ее индуктивность увеличиваются.

В соответствии с законом электромагнитной индукции в этой же катушке наводится э.д.с. самоиндукции:

Э.д.с. самоиндукции направлена так, что она противодействует изменению электрического тока, вызвавшего ее возникновение. Поэтому индуктивность является мерой его инерции по отношению к изменению тока.

Рассмотрим систему из двух катушек 1 и 2 (рисунок 1.5). Переменный электрический ток в первой катушке создает магнитное поле, которое пронизывает и вторую катушку. В результате в первой катушке создается магнитный поток , а во второй - . Величина потокосцепления , создаваемого потоком , определяется по формуле:

,

где - коэффициент взаимоиндукии.

Рисунок 1.5 - Система из двух катушек

По закону электромагнитной индукции ток возбуждает во второй катушке э.д.с. взаимоиндукции:

1.3.3 Колебательный контур

Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из соединенных последовательно или параллельно конденсатора емкостью C и катушки с индуктивностью L и электрическим сопротивлением R (рисунок 1.6).



Рисунок 1.6 - Последовательный (а) и параллельный (б) колебательные контуры

Резонансной характеристикой колебательного контура называется зависимость электрического тока I в контуре от его частоты щ:

где

- круговая частота, f - линейная частота переменного синусоидального тока, U - приложенное к контуру напряжение.

Ток в колебательном контуре достигает максимального значения при резонансной частоте:



Фазовой характеристикой колебательного контура называется зависимость сдвига фазы ц между приложенным к контуру напряжением U и током в контуре I от частоты:

На резонансную и фазовую характеристики сильное влияние оказывает добротность контура. Добротностью контура называется величина:

,

характеризующая степень затухания колебаний в контуре. Чем добротность выше, тем сильнее имеют вид зависимости тока и фазы от частоты.

1.3.4 Вихревые токи

Вихревые токи - это индукционные токи, возникающие в массивных электропроводящих материалах при воздействии на них изменяющегося магнитного поля. Плотность вихревых токов j зависит от электрической проводимости и магнитной проницаемости материала. В проводниках плотность электрического тока j связана с напряженностью электрического поля E законом Ома:

Где у - удельная электрическая проводимость.

Величина, обратная удельной электрической проводимости,

,

называется удельным электрическим сопротивлением. Для большинства металлов и сплавов у, а следовательно, и с - постоянные величины, поэтому для них зависимость плотности тока от напряженности электрического поля линейная.

1.3.5 Поверхностный эффект

Вихревые токи создают вторичное электрическое поле, которое в соответствии с правилом Ленца направлено против электрического поля возбуждения. Поэтому по мере углубления в электропроводящий материал амплитуда результирующего электрического поля уменьшается. Глубина проникновения вихревых токов зависит от частоты возбуждающего электрического тока и электромагнитных свойств металла. Условной глубиной проникновения вихревых токов д называют расстояние от поверхности детали, на котором плотность вихревых токов уменьшается в 2,71 раз. Значение д определяется по формуле:

Где f - частота тока, у - удельная электрическая проводимость, ; µ - относительная магнитная проницаемость материала.

Из этой формулы следует, что с увеличением частоты возбуждающего тока глубина проникновения вихревых токов уменьшается. При f = 100 кГц вихревые токи проникают в ферромагнитные материалы на глубину от 2 до 10 мм, при f = 1 МГц - от 0,5 до 5 мм.

Значения условной глубины проникновения вихревых токов при частоте возбуждающего тока 50, и Гц для различных металлов приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 -Условная глубина проникновения вихревых токов

Металл	Глубина проникновения вихревых токов, мм, при частоте
	50 Гц	Гц	Гц
Металл Алюминий Латунь Стали конструкционные	9,4 12,4 19,5 1,3	0,66 0,84 1,37 0,09	0,066 0,084 0,137 0,009

1.3.5 Распределение вихревых токов в контролируемых деталях

Распределение плотности вихревого тока j в поверхностном слое детали зависит от конструкции преобразователя, частоты f возбуждающего электрического тока; уменьшение глубины проникновения вихревых токово приводит к увеличению плотности вихревых токов в поверхностном слое детали (рисунок 1.7).

Кривая 1 соответствует частоте , кривая 2 - частоте .

Рисунок 1.7 - Распределение плотности вихревых токов по глубине Z детали в зависимости от частоты возбуждающего тока

При вихретоковом контроле частоту возбуждающего тока выбирают в зависимости от параметра шероховатости поверхности детали. При контроле деталей с обработанной поверхностью применяют возбуждающий ток с более высокой частотой , чем при контроле деталей с необработанной поверхностью (рисунок 1.8), что позволяет выявлять мелкие поверхностные дефекты.

Рисунок 1.8 - распределение вихревых токов в деталях с обработанной (а) и необработанной (б) поверхностями при различных частотах и возбуждающего тока: Д - деталь, Т - трещина, d - условная глубина проникновения вихревых токов, - вихревые токи, - магнитный поток вихревых токов, и - частоты возбуждающего тока; .

При контроле деталей с грубой необработанной поверхностью применяют возбуждающий ток с частотой , что обеспечивает выявление более глубоких дефектов.

1.3.6 Взаимодействие катушки с контролируемой деталью

Основным элементом любого вихретокового дефектоскопа является катушка индуктивности. Если пренебречь межвитковой емкостью, полное сопротивление катушки будет определяться активным и индуктивным сопротивлением.

Реакция катушки на контрлируемую деталь зависит от свойств материала детали. Если деталь изготовлена из немагнитного материала, помещение на нее катушки приведет к дополнительным потерям в виде нагрева и к уменьшению индуктивности. Индуктивность уменьшается из-за того, что магнитный поток вихревых токов направлен против магнитного потока катушки. Если деталь выполнена из ферромагнитного материала, то появляются потери на перемагничивание и имеет место некоторое увеличение индуктивности за счет достаточно большой магнитной проницаемости детали.

Если при перемещении катушки по поверхности детали под катушкой появится трещина, то из-за изменений вихревых токов и магнитной проницаемости в области трещины потери в катушке и ее индуктивность резко изменятся. Анализируя эти изменения, можно установить наличие дефекта.

В случае малых трещин изменения основных параметров катушки будут небольшими и невозможно будет достичь необходимой чувствительности преобразователя на основе одной катушки. Для повышения чувствительности катушку включают в резонансный контур или в различные дифференциальные схемы. Кроме того, чувствительность катушки повышается, если в нее вставить ферромагнитный сердечник (обычно ферритовый). Связано это с тем, что с увеличением индуктивности увеличивается добротность контура и, как следствие этого, увеличивается крутизна резонансной и фазовой характеристик контура.

В случае резонансного контура наличие трещины влияет на все основные его свойства - резонансную частоту, добротность и фазовую характеристику.

1.3.7 Вихретоковые преобразователи

В настоящее время разработано большое число типов и разновидностей вихретоковых преобразователей (ВТП). Для более правильного использования целесообразно их классифицировать. Существует несколько различных классификационных признаков. По способу формирования выходного сигнала ВПТ подразделяются на параметрические и трансформаторные.

Параметрический ВТП представляет собой катушку индуктивности. В отверстие катушки для усиления магнитного поля может быть вставлен ферритовый сердечник (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 - Конструкция параметрического ВТП без сердечника (а) и с сердечником (б)

Переменный электрический ток I в катушке создает магнитный поток преобразователя (рисунок №1.10), который при отсутствии контролируемой детали зависит от частоты электрического тока, геометрических размеров и формы катушки, а также относительной магнитной проницаемости µ среды внутри катушки. В катушке без сердечника (в воздухе) µ=1. Внутри катушки с сердечником µ>>1 и магнитный поток больше, чем без сердечника.



Рисунок 1.10 - Параметрический ВТП: - магнитный поток ВТП; I - ток в катушке возбуждения

При установке параметрического ВТП на деталь под катушкой в металле возбуждаются вихревые токи (рисунок 1.11), которые создают собственный магнитный поток , взаимодействующий с магнитным потоком катушки преобразователя .

Рисунок 1.11 - Взаимодействие параметрического ВТП с деталью при отсутствии трещины: Д - деталь; - магнитный поток ВТП; - магнитный поток вихревых токов; - вихревой ток.

Полное электрическое сопротивление катушки:

где R - активное и



- индуктивное сопротивления катушки (зависят от электромагнитных свойств металла контролируемой детали: удельной электрической проводимости у и магнитной проницаемости µ).

При наличии в металле дефекта в виде трещины изменяются траектории и значения вихревых токов (рисунок 1.12) и, соответственно, магнитный поток .

Рисунок 1.12- Взаимодействие параметрического ВТП с деталью при наличии трещины: Д - деталь; - магнитный поток ВТП; - магнитный поток вихревых токов; - вихревой ток; Т - трещина

Результирующий магнитный поток и полное электрическое сопротивление Z катушки зависят от формы и размеров дефекта и электромагнитных свойств металла контролируемой детали. Анализ изменения полного электрического сопротивления катушки позволяет выявить наличие дефекта.

Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток - в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

Трансформаторный ВТП имеет не менее двух катушек, одна из которых (возбуждающая) служит для создания электромагнитного поля и вихревых токов в детали, а другая (измерительная) - для измерения э.д.с., наводимой в ней результирующим магнитным потоком (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 - Конструкция трансформаторных ВТП с двумя измерительными катушками с сердечниками (а) и с одной измерительной катушкой без сердечника (б)

На обмотку возбуждающей катушки подается переменный ток I, создающий переменный магнитный поток, в результате чего в обмотках измерительных катушек индуцируется э.д.с. и . Обмотки измерительных катушек включены последовательно встречно, при этом сигнал разбаланса

.

При положении преобразователя в воздухе вдали от металла детали (рисунок 1.14) сигнал разбаланса

(преобразователь сбалансирован).



Рисунок 1.14- Трансформаторный ВТП без контролируемой детали (а) и временные диаграммы напряжения на обмотке возбуждения и сигнала разбаланса (б): С - сердечник; ОВ - обмотка возбуждения; и - измерительные обмотки; I - ток в обмотке возбуждения; и - э.д.с. верхней и нижней обмоток; - сигнал разбаланса; - напряжение на обмотке возбуждения.

При расположении преобразователя над бездефектным участком детали (рисунок №) в поверхностном слое металла возбуждаются вихревые токи, которые создают собственное магнитное поле, воздействующее на нижнюю измерительную обмотку. При этом на выходе преобразователя возникает сигнал разбаланса

,

амплитуда и сдвиг фазы которого относительно напряжения возбуждения зависят от электромагнитных свойств металла.



Рисунок 1.15- Взаимодействие трансформаторного ВТП с деталью без дефекта (а) и временные диаграммы напряжения на обмотке возбуждения и сигнала разбаланса (б): Д - деталь; I - ток в обмотке возбуждения; - вихревой ток; - магнитный поток ВТП; - магнитный поток вихревых токов; и - э.д.с. верхней и нижней обмоток; - сигнал разбаланса; - напряжение на обмотке возбуждения; - сдвиг фазы

Рисунок 1.5 - Взаимодействие трансформаторного ВТП с деталью при наличии трещины (а) и временные диаграммы напряжения на обмотке возбуждения и сигнала разбаланса (б): Д - деталь; I - ток в обмотке возбуждения; - вихревой ток; - магнитный поток ВТП; - магнитный поток вихревых токов; и - э.д.с. верхней и нижней обмоток; - сигнал разбаланса; - напряжение на обмотке возбуждения; - сдвиг фазы; Т - трещина

При расположении преобразователя над трещиной в металле детали (рисунок 1.16) изменяется амплитуда и сдвиг фазы сигнала разбаланса относительно напряжения возбуждения . Изменение электромагнитных свойств металла также влияет на амплитуду и фазу сигнала разбаланса. При этом возможны ложные срабатывания индикаторов дефектоскопа, для исключения которых обычно предусматривается автоматическая настройке.

В зависимости от расположения ВТП по отношению к детали их делят на накладные и проходные.

Накладные ВТП располагают вблизи поверхности детали, они имеют одну или несколько измерительных обмоток (рисунок 1.17). Накладными ВТП контролируют в основном объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы. Они применяются также в тех случаях, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля.

Рисунок 1.17- Накладные трансформаторные (а, б, в, г) и параметрический (д) ВТП: 1 - деталь; 2 - обмотка возбуждения; 3 - измерительная обмотка

Оси накладных ВТП располагают перпендикулярно к поверхности детали, то есть их прикладывают торцом к детали. Однако возможно продольное расположение накладного ВТП, когда оси измерительных катушек направлены вдоль поверхности детали - продольные накладные ВТП. Продольные накладные ВТП (рисунок 1.17, в) обычно применяют для контроля расслоений детали с покрытиями или других многослойных изделий.

Накладные ВТП могут быть экранными (рисунок 1.17, г), когда возбуждающие и измерительные катушки располагаются по разные стороны детали. Экранные накладные ВТП применяют при контроле листов, пластин, лент, и других объектов, к которым возможен двухсторонний доступ.

Катушки накладных ВТП могут быть круглыми коаксиальными, прямоугольными, прямоугольными крестообразными, с взаимно перпендикулярными осями и др. Накладные ВТП выполняются с ферромагнитными сердечниками и без них. Благодаря ферромагнитному сердечнику (обычно ферритовому) повышается чувствительность к изменению контролируемых параметров и формируется электромагнитное поле заданной топологии. Очень часто сердечники используют для локализации магнитного поля с целью уменьшения зоны контроля.

1.3.8 Дефекты, выявляемые вихретоковым методом

Выбор метода контроля, возможности того или иного метода зависят от места расположения дефектов, их протяженности, глубины залегания и их происхождения.

Имеется несколько признаков классификации дефектов. По расположению различают поверхностные, подповерхностные и внутренние дефекты. При определении метода выявления поверхностных дефектов весьма важно наличие или отсутствие защитного покрытия.

Несплошности в металлических материалах возникают в процессе плавки и литья (окисные плены, шлаковые включения, горячие трещины, усадочные раковины, рыхлоты, поры и др.); в процессе пластической деформации (трещины, расслоения, рванины, закаты, утяжины, флокены, волосовины); в процессе термической и химикотермической обработки (закалочные трещины, пузыри, пережоги), в процессе плавки и монтажа (рихтовочные трещины, надрезы, риски); в процессе сварки (сварочные трещины, поры, шлаковые включения) и, наконец, дефекты и трещины, возникающие в процессе производства и эксплуатации (усталостные трещины, местный наклеп, местная, общая и межкристаллитная коррозия).

Вихретоковый метод используют для выявления несплошностей в поверхностных слоях металлов, измерения их электрической проводимости и контроля тех свойств, которые связаны с этими характеристиками. Этот метод также применяют для определения физических и механических свойств деталей из магнитных материалов, для измерения диаметра прутков и проволоки, толщины стенок труб и листов, толщины неэлектропроводящих лакокрасочных и гальванических покрытий и химико-термических слоев.

Дефектоскопы, которые реализуют данный метод контроля, есть в каждом депо: ВД - 12 НФ, ВД - 12 НФП, ВД-12НФМ, ВД-15НФМ, ВД-113.5, ВД-13НФ, и другие.

1.4 Устройство дефектоскопа ВД-12НФП

неразрушающий контроль подповерхностный дефект дефектоскоп

В основе работа дефектоскопа реализован принцип измерения фазы выходного ВТП. Для этого используется накладной трансформаторный дифференциальный преобразователь с тремя соосными катушками. Одна из катушек ВТП (средняя) предназначена для возбуждения вихревых токов в контролируемой зоне детали и называется катушкой возбуждения. Две другие измерительные катушки ВТП включены последовательно - встречно и расположены симметрично по обе стороны от катушки возбуждения. ВТП сбалансирован так, что в свободном пространстве его выходной сигнал имеет минимальное значение.

Дефектоскоп позволяет проводить сканирование деталей в динамическом или в статическом режимах работы.

Сканирование в динамическом режиме работы применяют при контроле деталей с плоской и криволинейной поверхностью с радиусом кривизны более 20 мм при этом световой и звуковой индикаторы дают световой и звуковой сигнал при пересечении трещины дефектоскопом.

Сканирование в статическом режиме работы применяют для уточнения положения трещины, обнаруженной при сканировании в динамическом режиме, а также для выявления трещин, направленных вдоль границ сварных швов, и в угловых зонах деталей. При этом световой и звуковой индикатор срабатывают при нахождении ВТП над трещиной.

Размещено на Allbest.ru