Неразрушающий контроль по магнитным характеристикам

25

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Неразрушающий контроль по магнитным характеристикам

Физические основы метода неразрушающего контроля по магнитным характеристикам

Метод основан на использовании корреляции между значением измеряемой магнитной характеристики и величиной того или иного параметра, характеризующего структурно-фазовое состояние сплава.

Основными магнитными характеристиками являются:

вектор напряженности магнитного поля Я-силовая характеристика той части магнитного поля вещества, которая связана только с токами проводимости (движением свободных носителей зарядов), создающими это поле. Напряженность Н не учитывает магнитное поля от намагничивания самой среды, поэтому не зависит от магнитных свойств вещества;

вектор магнитной индукция .В-учитывает как поле, образованное токами проводимости, так и поле от намагничивания окружающей среды. Индукция В зависит от магнитных свойств вещества;

- вектор намагниченности /-результирующий магнитный момент единицы объема (или массы) вещества;

- магнитная проницаемость ц, характеризующая свойства намагничивающейся среды.

В зависимости от величины ju вещества делят на диамагнетики (jj <1), парамагнетики (ju >1) и ферромагнетики (ju »1).

В диамагнетиках магнитное поле слабее поля в вакууме (jt_eaK⁼l)-Диамагнетиками являются многие металлы (золото, серебро, медь и др.).

В парамагнетиках магнитная проницаемость чуть больше единицы, поэтому в парамагнетиках магнитное поле будет несколько усилено по сравнению с полем вакуума. Парамагнетиками являются алюминий, платина, магний и др.

В ферромагнетиках магнитная проницаемость много больше единицы и её изменение в зависимости от напряженности поля носит нелинейный характер. Намагниченность J (или индукция В) ферромагнетиков растет с увеличением напряженности поля нелинейно и в полях 1-100 Э достигает предельного значения /_шах (2}_шах)-магнитного насыщения.

Значение намагниченности (индукции) зависит также от «магнитной предыстории» образца, что приводит к магнитному гистерезису - неоднозначной зависимости В от Н(рис. 5.1).

Из общего числа известных химических элементов ферромагнетиками являются только четыре: железо, никель, кобальт и гадолиний. Однако число различных ферромагнитных материалов, представляющих сплавы различных ферромагнитных элементов, а также ферромагнитных с неферромагнитными элементами, весьма велико. Их способность к сильному намагничиванию широко используется в технике.

Магнитные характеристики связаны между собой в системе СИ следующими соотношениями:

B=_MfJoH; (5.1)

Д=м.(Н + 7), (5.2)

где Цо=4тг 10 Гн/м-магнитная постоянная системы СИ.

Для применения магнитных характеристик в неразрушаюшем контроле необходимо предварительно установить связь между измеряемым магнитным параметром и механическими свойствами контролируемого материала.

В соответствии с ГОСТом 18353 неразрушающий контроль по магнитным характеристикам классифицируют на структурный магнитный анализ и фазовый магнитный анализ.

В структурном магнитном анализе используют свойства ферромагнетиков в слабых и средних полях, а также гистерезисные свойства.

Структурно-чувствительные характеристики: коэрцитивная сила и магнитная проницаемость ферромагнитных материалов являются физическими параметрами, наиболее чувствительными к составу, механической и термической обработке.

Они зависят от величины и градиента внутренних напряжений, величины зерна, дисперсности частиц в матрице сплава, распределения дефектов в кристаллической решетке и многих других факторов.

Коэрцитивную силу используют для контроля качества термической и химико-термической обработки, а также некоторых механических свойств изделий из ферромагнитных материалов.

По её значению могут быть определены твердость, глубина цементации и закалки ТВЧ, содержание легирующих элементов. Кроме этого, с помощью соответствующих приборов коэрцитивная сила может быть измерена в функции температуры значительно проще, чем любая другая характеристика материала.

Способ магнитной проницаемости оказывается пригодным там, где коэрцитивная сила неоднозначно характеризует структуру и твердость контролируемого материала (например, в закаленных деталях из углеродистых инструментальных сталей, шарикоподшипниковых сталей и др.).

Использование временных и температурных зависимостей структурно-чувствительных характеристик позволяет описать кинетику многих процессов, в частности,кинетику рекристаллизации, кинетику выделения фаз и т. д.

В фазовом магнитном анализе используют свойства ферромагнетиков в сильных магнитных полях в состоянии технического насыщения.

Структурно-нечувствительные характеристики-индукция B_s (намагниченность I_s) насыщения и точка Кюри в-дают информацию о фазовом составе сплава, его изменениях при термических операциях и в процессе деформирования.

Методика измерения коэрцитивной силы

Коэрцитивная сила-это напряженность Н_с магнитного поля, в котором ферромагнитный образец, первоначально намагниченный до насыщения, полностью размагничивается. Различают коэрцитивную силу Н_с (или jH_c) и ъН_с, когда обращается в нуль соответственно намагниченность J образца или магнитная индукция В в образце. Величина коэрцитивной силы Н_с ферромагнитных материалов меняется в широких пределах: от 10~³ до 10⁴Э (от 8-10² до 8-10³А/м). По величине Н_с ферромагнетики делят на магнитомягкие (малое значение/У 0,8-8 А/м) и магнитожесткие (большое значение Я_с>8 А/м). Значение величины Н_с определяется факторами, препятствующими перемагничиванию образца. Наличие в образцах примесей, дефектов кристаллической решетки, различного вида неоднородностей затрудняет движение границ магнитных доменов и тем самым повышает Н_с. Измерение коэрцитивной силы ферромагнетиков осуществляют с помощью коэрцитиметра. Наиболее распространены коэрцитиметры для измерения коэрцитивной силы по намагниченности jH_c (или Я_с). Это объясняется простотой методики измерений и, кроме того, для материалов с Н_с< 500 А/см значения коэрцитивной силы, определяемые по индукции и намагниченности, мало отличаются друг от друга. На рис. 5.2 показано устройство коэрцитиметра с датчиками магнитно-, го поля в виде феррозондовых преобразователей. Коэрцитиметр предназначен для применения в процессе производства деталей.

Рис. 5.2. Устройство коэрцитиметра: 1 - автотрансформатор; 2 - фильтр; 3 - переключатель направления тока; 4 - контролируемое изделий; 5 - намагничивающая катушка (амперметр в её цепи не показан); 6 - датчики магнитного поля; 7 - измерительное устройство; 8 - индикатор

Коэрцитиметр состоит из автотрансформатора 1 (рис. 5.2), выпрямителя с фильтром 2, намагничивающей катушки 5, устройства 7 для измерения напряженности магнитного поля с датчиками 6 и индикатора 8.

При измерении коэрцитивной силы ток в намагничивающей катушке сначала доводится до максимального значения, а затем уменьшается до нуля. При этом исследуемое изделие 4 намагничивается практически до насыщения. После выключения тока магнитное поле в изделии уменьшается до величины остаточной намагниченности.

После этого переключателем 3 меняют направление тока в намагничивающей катушке и увеличивают его до момента полной компенсации рассеянного поля остаточной намагниченности изделия магнитным полем тока в катушке.

По току в катушке 5, соответствующему состоянию образца с нулевой намагниченностью (J = 0), определяют напряженность размагничивающего поля, т. е. Н_с. Для этого предварительно устанавливается зависимость напряженности Я магнитного поля, создаваемого катушкой 5, от силы протекающего по её обмотке тока. Обычно амперметр в цепи намагничивающей катушки (на рис. 5.2 не показан) имеет шкалу, проградуированную непосредственно в единицах напряженности поля.

Коэрцитиметры отличаются друг от друга в основном способом определения намагниченности образца: с помощью измерительного генератора; феррозонда; датчиков Холла; с измерительной катушкой, подключенной к баллистическому гальванометру и сдергиваемой с образца при определении в нем остаточной намагниченности; вибрационные коэрцитиметры, у которых нуль-индикатором служит колеблющаяся измерительная катушка и т. д.

Феррозонды очень чувствительны, поэтому они могут быть расположены вне намагничивающей катушки, что обеспечивает меньшую зависимость показаний прибора от формы образца.

Датчики феррозонда рсполагают таким образом, чтобы магнитные линии намагничивающего поля катушки не могли оказывать на них влияние.

Для измерения коэрцитивной силы образца по индукции (j#_e) его делают частью замкнутой магнитной цепи пермеаметра, электромагнита или так называемого приставного коэрцитиметра (упрощенного пермеаметра, служащего для определения одной точки петли гистерезиса, соответствующей Ј#_c). Значение ьН_с при этом определяется напряженности размагничивающего поля, при котором индукция в образце равна нулю.

Широко распространен феррозондовый коэрцитиметр КИФМ-1 (КФ-1). Намагничивание образца в нем осуществляется приставным электромагнитом со съёмными наконечниками, соответствующими по форме контролируемому объекту. На рис. 5.3 приведена блок-схема коэрцитиметра.

На вход коэрцитиметра (силовой трансформатор 1) подается перемнный ток 220В, 50 Гц. К выходу трансформатора подключены выпрямители размагничивающего 2 и намагничивающего 3 тока, а также обмотка питания 7 феррозонда 8. Через коммутатор 5 ток намагничивания подводится к электромагниту 9.

После окончания цикла намагничивания контролируемого объекта 10 коммутатор 5 включает на электромагнит ток размагничивания. Регулируемый -ток размагничивания, регистрируемый миллиамперметром 4, увеличивают от нуля до значения, соответствующего моменту показания нуля индикатором

феррозонда 6, что соответствует размагничиванию контролируемого объекта. Феррозонд 8 питается от отдельной обмотки 7 силового трансформатора 1.

Погрешность измерения коэрцитивной силы с помощью коэрцитиметра КИФМ 1±5%.

Способ точечного полюса. Остаточное магнитное поле у деталей с большим размагничивающим фактором, например, у деталей небольшой длины, пропорционально коэрцитивной силе. Эта зависимость сохраняется и при намагничивании способом точечного полюса, который заключается в кратковременном контакте какой-либо точки полюса постоянного магнита (электромагнита) с поверхностью контролируемой детали.

25

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

На рис. 5.4 показано устройство коэрцитиметра, реализующего принцип точечного полюса. При контакте конца постоянного магнита 5 с деталью 2 в точке 1 образуется точечный полюс (его силовые магнитные линии показаны стрелками). Магнит 5, расположенный в корпусе 3, под действием пружины 4 возвращается в исходное состояние. Тангенциальная составляющая магнитного поля точечного полюса измеряется по разности напряженностей магнитного поля в местах расположения датчиков 6.

Ряд измерений, проведенных на подтвердил положение о пропорциональности остаточного магнитного поля точечного полюса и местной коэрцитивной силы. Способ точечного полюса применим для браковки тонких листов электротехнической стали, определения внутренних напряжений в стальных конструкциях, глубины закаленного слоя, разбраковки деталей по поверхностной твердости.

Если пару датчиков вращать вокруг точечного полюса, постоянное отклонение на шкале прибора, пропорциональное коэрцитивной силе в месте точечного полюса, будет получено только в случае изотропного контролируемого материала.

Этот метод имеет особое значение в электротехнике, где применяются текстурованные стали, а также для листовых материалов, когда их слишком сильная текстура вызывает нежелательную деформацию поверхности в процессе глубокой вытяжки.

Методика измерения магнитной проницаемости

Магнитную проницаемость определяют из соотношения р. = В/Н с помощью пермеаметра - устройства для измерения параметров кривой намагничивания и петли гистерезиса ферромагнитных образцов разомкнутой формы (от англ. permeabiliti - проницаемость).

Пермеаметр состоит из рамы - «ярма», изготовленного из магнито-мягкого материала и снабженного подвижными частями или полюсными наконечниками. Ими зажимают испытуемый образец так, чтобы он совместно с ярмом образовал замкнутую магнитную цепь (в замкнутой цепи проще определять магнитные характеристики образца). На ярме имеется место для размещения намагничивающих катушек и устройств для измерения индукции и напряженности поля в образце.

Индукцию определяют с помощью измерительной обмотки, намотанной на образце. Для измерения напряженности поля используют феррозонды, датчики Холла и т. п. Иногда индукцию определяют также датчиками Холла, расположенными в торце образца.

В приборах неразрушающего контроля обычно происходит сравнение магнитной проницаемости контролируемой и эталонной деталей.

На рис. 5.5 приведена принципиальная схема дифференциального прибора типа ГГМПК-2, предназначенного для контроля структуры и твердости деталей после термической обработки по магнитной проницаемости.

Рис. 5.5. Принципиальная схема прибора для определения твердости по разности магнитных проницаемостей контролируемой и эталонной деталей: 1 - контролируемое изделие; 2 - эталонное изделие; 3 - усилитель; 4 - автомат разбраковки

Прибор дает возможность отбраковать детали по недогреву, перегреву и наличию мягких пятен. Перед проведением контроля производят градуировку прибора на эталонном образце с известными свойствами. Разность магнит* ных проницаемостей испытуемой и эталонной деталей преобразуется в электрическую величину в датчике, представляющем собой два дифференциально включенных трансформатора. Сердечниками трансформатора являются в одном - контролируемая деталь 1, а в другом - эталонная деталь 2. В зависимости от того, больше или меньше твердость испытуемой детали твердости эталона, на выходе датчика возникает эдс определенной величины и фазы. Эта эдс подается на вход усилителя 3, на выходе которого включен механизм автомата 4, сортирующий детали по твердости.

Универсальный магнитный ферритомстр МФ-10Ф

Предназначен для определения содержания ферритиой фазы (а-фазы) в сварных швах сталей аустенитного, ферритно-аусленитного классов, а также в металлургических полуфабрикатах (прутках, листах, трубах и т. п.) и при лабораторных исследованиях. В основу работы прибора положен метод относительного измерения магнитной проницаемости испытуемого материала с использованием эталонного образца. Перед началом контроля прибор градуируют по эталонным образцам из стали контролируемой марки с известным содержанием а-фазы.

Прибор обеспечивает непрерывное локальное измерение объемного содержания а-фазы в стали при сканировании поверхности контролируемого изделия датчиком. На стрелочном индикаторе указано процентное содержание а-фазы в объеме металла. Прибор снабжен световым сигнализатором превышения значения контролируемого параметра (а-фазы) с регулируемым порогом срабатывания и имеет релейный выход. Намагничивание изделия производят постоянным магнитом, а измерение магнитного поля - с помощью феррозонда-полемера. Магнитопроводы феррозонда расположены у полюса магнита так, что результирующее поле, действующее вдоль каждого магнито-провода, равно нулю до тех пор, пока магнит не взаимодействует с материалом, обладающим ферромагнитными свойствами. В результате взаимодействия с ферритной а-фазой появляется продольная составляющая поля (относительно магнитопровода) и пропорциональный ей электрический сигнал феррозонда, величина которого зависит от содержания а-фазы.

Неразрушающий контроль по параметрам эффекта Баркгаузена

Физические основы метода

Реальная кристаллическая и фазовая структура ферромагнитного материала определяет его доменную структуру. От вида доменной структуры зависят все явления, происходящие в ферромагнетике при воздействии на него внешнего магнитного поля, поэтому любое структурное изменение влияет на магнитные свойства ферромагнетиков через его доменную структуру.

Наблюдая доменную структуру, можно судить о состоянии образцов. Однако в реальных ферромагнетиках при одних и тех же внешних условиях могут наблюдаться различные доменные структуры, соответствующие разным локальным минимумам полной энергии, являющейся функцией многих переменных. Это затрудняет использование параметров статического состояния доменной структуры для анализа структурно-фазового состояния поликристаллических ферромагнитных материалов.

Значительно большей повторяемостью и воспроизводимостью обладают динамические параметры доменной структуры, связанные с процессом ее перестройки под влиянием внешних воздействий.

Эффект скачкообразного перемещения доменных границ в процессе намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков был открыт в 1919 г. Баркга-узеном и носит его имя. В реальных ферромагнетиках, вследствие дефектов и несовершенств кристаллической структуры, зависимость энергии Е доменной границы от её положения носит флуктуирующий характер.

В отсутствии внешнего поля граница занимает какое-либо стабильное положение, определяемое локальным минимумом на кривой Е = Е (х). Если теперь увеличивать напряженность поля от нулевого значения, то граница сначала будет двигаться обратимо. При дальнейшем увеличении поля оно достигнет некоторого определенного критического значения, при котором давление, оказываемое магнитным полем на границу, будет равно высоте первого максимума X! на кривой dE/dx, рис. 6.1,6. При этом граница освобождается из потенциальной ямы в окрестности точки Хо и необратимо перемещается в точку х = х₂. Происходит скачок Баркгаузена.

Исследуя параметры эдс Баркгаузена, индуцированной в измерительной катушке скачкообразными изменениями намагниченности, можно следить за тонкими изменениями доменной структуры под влиянием различных факторов. Связь эффекта Баркгаузена с доменной структурой и основными элементами петли гистерезиса, высокая чувствительность его к различным факторам, позволяют использовать его в качестве одного из методов исследования ферромагнетиков.

В отличие от большинства других методов изучения динамики доменной структуры, эффект Баркгаузена дает сведения о процессах, происходящих не только на поверхности образца, но и в некотором приповерхностном объеме, причем изменения доменной структуры с помощью скачков Баркгаузена замечаются раньше, чем, например, с помощью метода порошковых фигур.

Флуктуации параметров потока скачков Баркгаузена по амплитуде, длительности, величине магнитных моментов, по полям старта, финиша, по различным участкам петли гистерезиса и др. приводят к появлению сплошной компоненты в спектре измеряемого сигнала, называемой магнитными шумами. Спектральные характеристики магнитных шумов также успешно применяется для исследования и контроля ферромагнетиков.

Необходимо также отметить, что гипотеза о существовании линейной зависимости параметров петли гистерезиса и эффекта Баркгаузена, высказанная в работе, ставила под сомнение целесообразность развития методов неразрушающих испытаний, основанных на этом эффекте.

Однако в работе убедительно показано, что параметры петли гистерезиса и потока скачков Баркгаузена с различных сторон характеризуют динамику перестройки доменной структуры.

В настоящее время разработан ряд способов и устройств измерения различных параметров эффекта Баркгаузена. Для их успешного применения в неразрушающем контроле необходимо предварительно установить связь между измеряемыми и контролируемыми характеристиками. При этом необходимо определить оптимальные параметры и режимы измерений, обеспечивающие требуемые информативность, надежность, достоверность и точность контроля.



25

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Методы контроля по спектральным характеристикам

Параметры спектра g(<a) магнитных шумов успешно применяются для исследования и контроля структурно-фазового состояния и механических свойств ферромагнитиков.

В простейших случаях, например при разбраковке сталей по маркам, применяют устройства, измеряющие интенсивность магнитных шумов на определенной частоте анализа <в при постоянном значении перемагничивающего тока.

Очевидно, что максимум функции g(e>) = f(H) достигается при такой напряженности перемагничивающего поля Н^ когда в данном образце протекают в основном все скачки намагниченности.

Несмотря на то, что для разных контролируемых объектов значения Н₀ оказываются различными, такой критерий обеспечивает одинаковые условия формирования потока скачков намагниченности в каждом конкретном контролируемом изделии.

Это позволяет сравнивать результаты контроля, полученные на совершенно различных установках, независимо от конструкции перемагничивающих систем.

В тех случаях, когда наилучшая корреляция параметров магнитных шумов с контролируемыми характеристиками наблюдается в полях, напряженность которых значительно меньше величины Hq, для идентификации режимов измерения целесообразно находить для каждого образца значение Н₀, а контроль проводить в полях, составляющих определенную часть полученного значения Н₀.

Экстремальный характер функции g(co) = f(H) позволяет, кроме идентификации режимов контроля, повысить также его информативность. Это достигается за счет возможности формирования и измерения дополнительных контролирующих параметров: интервала значений напряженности перемагничивающего поля, соответствующих началу возникновения эдс Баркгаузена и экстремуму функции g(a>) = f(H) [25], а также величины производной dHo /df [26], где f - частота анализа, определяющая чувствительность dHo/df к структуре контролируемого материала.

При измерении степени пластической деформации ферромагнитных металлов хорошие результаты дает метод, основанный на измерении параметров нормированного спектра магнитных шумов [27].

Спектральная интенсивность магнитных шумов различных материалов изменяется в очень широких пределах. Для измерения слабых магнитных шумов производят их выделение на фоне аппаратурных и тепловых шумов за счет формирования текущего спектра g(to, t) в виде огибающей продетектированной эдс Баркгаузена и её синхронного детектирования с прямоугольным вектором коммутации удвоенной частоты перемагничивания.

Токовихревые методы контроля

Физическая сущность методов вихревых токов

При внесении проводящего изделия в электромагнитное поле в нем индуцируются вихревые токи. Замкнутость линий вихревых токов внутри проводника не позволяет использовать непосредственно их для оценки состояния контролируемого объекта. Однако, возникшие в изделии переменные вихревые токи в свою очередь образуют вторичное электромагнитное поле, направленное согласно правилу Ленца, навстречу первичному.

Методы контроля, основанные на регистрации изменений электромагнитного поля вихревых токов, согласно ГОСТу 24289-80, называют методами вихревых токов (МВТ).

МВТ применяют для дефектоскопии, структуроскопии, определения толщины покрытий, размеров, химического состава, качества термической обработки электропроводящий изделий.

МВТ достаточно просты в реализации, объективны, обладают высокими производительностью контроля и чувствительностью к изменению контролируемых параметров и поэтому занимают одно из ведущих мест в неразрушаю-щем контроле качества промышленных изделий.

Применение МВТ ограничено небольшой глубиной контроля (2-Змм). Это связано с тем, что переменное электромагнитное поле, возбуждающее вихревые токи, даже при небольшой частоте, проникает только в поверхностный слой детали.

Вихревые токи возбуждают синусоидальным, импульсным, вращающимся или бегущим полем, полем переменной частоты. Самым распространенным в МВТ датчиком является катушка индуктивности с переменным током или комбинация нескольких катушек.

Для контроля все изделие или его часть помещают в магнитное поле с напряженностью Но катушки, питаемой переменным током. Это поле индуцирует в образце вихревые токи, интенсивность и распределение которых зависят от свойств объекта.

Информацию о свойствах изделия датчик получает через магнитное поле вихревых токов Н_в, направленное навстречу полю Но.

Важнейшими свойствами контролируемого объекта являются его электропроводность а, магнитная проницаемость р, наличие трещин и других не-сплошностей. Все это влияет на симметрию, амплитуду и фазу поля Н_в вихревых токов. Это поле противодействует возбуждающему полю Ц, Образуется результирующее поле, которое несёт в себе информацию о характере дефекта, электромагнитных характеристиках материала, расстоянии d от датчика до объекта контроля и ряде других факторов.

Такая избыточная информативность определяет и преимущества МВТ и трудности их реализации. С одной стороны, МВТ позволяют осуществить контроль многих параметров объекта; с другой стороны, требуются специальные методы разделения информации об отдельных параметрах.

Н₀

Рис. 7.1. Взаимное расположение накладного датчика и контролируемого объекта: Но, Н_в - напряженность возбуждающего поля и поля вихревых токов соответственно

Непосредственно результирующее поле вихретоко-выми приборами не измеряется. О качестве деталей судят по изменению амплитуды, фазы, частоты, спектрального состава контролирующего сигнала, по составляющим комплексного сопротивления преобразователя и т. д.

Чувствительность метода

На чувствительность МВТ значительно влияет зазор между датчиком и поверхностью контролируемого изделия, а также их взаимное расположение, форма и размеры. С увеличением зазора чувствительность резко падает. Допускаемый максимальный зазор 2 мм. Структурная неоднородность также существенно снижает чувствительность МВТ к обнаружению дефектов.

Этими методами удается выявить поверхностные и подповерхностные трещины глубиной 0,1-0,2 мм и протяженностью более 1 мм, расположенные на глубине до 1 мм.

Перечисленные геометрические факторы обусловили ряд новых возможностей МВТ: измерение толщины слоя гальванических, лакокрасочных, теплоизоляционных покрытий и пленок, определение толщины стенки труб, пустотелых деталей и других тонколистовых изделий при одностороннем доступе к ним, измерение диаметра прутков и проволоки.

Однако в ряде случаев геометрические факторы существенно затрудняют практическое применение МВТ. Это объясняется тем, что при контроле деталей, например, по свойствам их материала, связанным с электропроводностью, отклонения в размерах деталей (даже в пределах допусков) могут оказывать более сильное влияние на контролирующие параметры, чем исследуемые свойства материала деталей.

Чувствительность МВТ также зависит от частоты возбуждающего поля, оптимальной в каждых конкретных условиях контроля.

Вихретоковые преобразователи

В зависимости от способа получения информации вихретоковые преобразователи (ВТП) подразделяют на параметрические и трансформаторные (ГОСТ 23048-83).

Параметрический преобразователь преобразует контролируемый параметр в активное, реактивное или комплексное сопротивление. Он имеет одну обмотку, которая одновременно является и возбуждающей, и измерительной. Основные параметры этого преобразователя в отсутствие контролируемого объекта: активное сопротивление R„ и индуктивное сопротивление Х₀ = юЬ (межвитковой ёмкостью можно пренебречь).

Первичное поле, возбуждаемое этим преобразователем, зависит от числа витков, размеров катушки и значения переменного тока, протекающего в ней. Если контролируемый объект поместить в электромагнитное поле этой катушки, то оно изменится под действием поля вихревых токов. Это изменение поля вызывает такой же эффект, какой получился бы при изменении параметров самой катушки. Таким образом, влияние контролируемого объекта может быть описано через изменение параметров катушки.

Трансформаторный преобразователь содержит не менее двух индуктивно связанных обмоток, причем одна из них является возбуждающей, а другая -измерительной.

Возбуждающая обмотка предназначена для наведения вихревых токов в объекте контроля и питается переменным током от задающего генератора. В измерительной обмотке наводится эдс результирующего поля.

Обмотки ВТП часто размещают на ферритовых (магнитодиэлектричес-ких) сердечниках (магнитопроводах). Благодаря своей высокой магнитной проницаемости, ферритовый сердечник обеспечивает более эффективное взаимодействие катушки преобразователя с металлом. С их помощью добиваются значительного уменьшения влияния края детали на результат контроля, а также концентрируют магнитное поле в локальной зоне.

ВТП, в зависимости от их положения в рабочем состоянии относительно объекта контроля, делят на накладные, проходные, экранные и комбинированные.

25

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Накладной ВТП располагают вблизи контролируемой поверхности. Этими преобразователями (рис. 7.2) обычно обнаруживают расположенные в поверхностном слое дефекты произвольной ориентации. Торец ферритового стержня в накладной катушке может быть выполнен по форме контролируемого участка детали. Для установки и перемещения таких датчиков используют различные сердечники и оправки.

В некоторых случаях применяют щелевые накладные датчики, у которых магнитопровод имеет прорезь-щель (рис. 7.2, г). Разработаны и находят применение широкозахватные (многоточечные) накладные датчики, смонтированные на гибкой резиновой или другой основе. Такие датчики обеспечивают возможность прохода за один раз контролируемой зоны в 5-6 см. Накладные ВТП также используют в вихретоковых толщиномерах.

Накладные ВТП также используют в вихретоковых толщиномерах

Проходные ВТП располагают либо вне, либо внутри объекта контроля. В первом случае преобразователь называют внешним (наружным) проходным (рис.7.3 а, б), а во втором - внутренним проходным (рис. 7.3, в).

Рис.7.3. Проходные трансформаторные вихретоковые преобразователи: 1 - измерительная обмотка; 2 - обмотка возбуждения; 3 - контролируемое изделие

Проходные ВТП часто используют для выявления протяженных продольных дефектов в проволоках, прутках, трубах и т. п., в автоматических и автоматизированных установках.

Весьма часто у проходных датчиков катушку возбуждения выполняют из двух последовательно соединенных секций, а измерительную катушку помещают между ними. Известно, что наибольшая однородность магнитного поля получается посредине между половинами возбуждающей катушки, когда расстояние между ними равно радиусу. Построенные по этому принципу датчики позволяют значительно уменьшить влияние вибрации и перемещения контролируемого объекта относительно горизонтальной оси.

Измерительную катушку стараются выполнить как можно уже. При этом протяженность выявляемых трещин будет меньше. Для снижения влияния краевого эффекта из-за близости края проверяемого прутка или трубы на торцах возбуждающих катушек устанавливают массивные медные диски.

Профиль сечения проходных катушек может отличаться от круглой формы. Например, для контроля качества внутренней и наружной поверхностей лонжерона лопасти винта вертолета используют катушки, выполненные по форме лонжерона.

На рис.7.4 приведена схема экранного преобразователя. Он имеет две обмотки -возбуждающую и измерительную, разделенные объектом контроля. Экранные ВТП могут быть как накладными, так и проходными. ВТП, содержащие обмотки как проходного, так и накладного типа, называют комбинированными.

В зависимости от метода определения контролируемых параметров ВТП могут быть абсолютными и дифференциальными.

Рис. 7.4. Схема экранного ВТП: 1 - объект контроля; 2 - обмотка возбуждения; 3 - измерительная обмотка

Преобразователь, сигнал которого определяется абсолютным значением параметра объекта контроля, называют абсолютным.

Кроме этого, вихретоковые преобразователи могут различаться по режиму работы (статическому и динамическому), по используемому для возбуждения электромагнитному полю (одночастотные, многочастотные, импульсные), по наличию или отсутствию ферритового сердечника.

В динамическом режиме работы преобразователь сканирует контролируемую поверхность. При этом наблюдается так называемый скоростной эффект -влияние скорости перемещения на параметры ВТП. Реально это проявляется при скоростях, превышающих 6 м/сек.

Аппаратурная реализация МВТ

Основными контролирующими величинами при реализации методов вихревых токов являются приращения составляющих комплексного (полного) сопротивления обмотки параметрического ВТП, а также амплитуда напряжения (тока) и фаза между измеряемым и опорным (вырабатываемым задающим генератором) напряжениями.

Эти величины изменяются при взаимодействии ВТП с контролируемым объектом, поэтому введены понятия начальных и вносимых параметров ВТП (ГОСТ 24289-80).

Начальная эдс - это эдс на выводах разомкнутой измерительной обмотки трансформаторного ВТП при отсутствии объекта контроля. Приращение эдс на выводах разомкнутой измерительной обмотки при внесении в поле ВТП объекта контроля называется вносимой эдс, а приращение напряжения на выводах этой обмотки, подключенной к измерительной схеме,- вносимым напряжением.

Вносимое сопротивление - это приращение сопротивления (активного, реактивного или комплексного) обмотки параметрического ВТП, обусловленное внесением в его электромагнитное поле объекта контроля. Значение активного сопротивления и индуктивности обмотки ВТП, а также допустимые отклонения от их номинальных значений указываются в техническом описании прибора. Так как от этих характеристик в значительной степени зависят чувствительность и достоверность контроля, их определяют при поверке прибора.

Вихретоковые дефектоскопы (ВТД) реализуют в основном амплитудный, частотный и фазовый методы вихретокового контроля. В зависимости от применяемого метода ВТД могут быть амплитудными, частотными и фазовыми. В амплитудном ВТД изменение контролирующего параметра связано с изменением напряжения на контуре автогенератора или в усилительных каскадах прибора.

Частотный метод вихревых токов реализуют с помощью колебательного контура автогенератора, частота которого определяется практически полностью индуктивностью ВТП.

Принцип работы фазового ВТД основан на измерении фазы между двумя напряжениями одинаковой амплитуды с помощью фазового детектора.

Дефектоскоп работает следующим образом.

Генератор с помощью преобразователя возбуждает в контролируемом изделии вихревые токи. Выходной сигнал преобразователя, величина и фаза которого определяются действующим вторичным полем, усиливается усилителем и поступает на измерительный вход фазового детектора. Амплитуда этого сигнала поддерживается постоянной за счёт введения автоматической регулировки усиления (АРУ) в цепи обратной связи усилителя.

На опорный вход детектора подают напряжение также постоянной амплитуды с выхода фазовращателя, подключенного к генератору. К выходу фазового детектора подключают индикатор.

В фазовых дефектоскопах обычно используется трансформаторный дифференциальный ВТП с тремя соосными обмотками, намотанными на ферритовый сердечник. Средняя обмотка предназначена для возбуждения вихревых токов в контролируемой зоне объекта. Выходные обмотки включаются последовательно навстречу друг другу и расположены симметрично по обе стороны от первичной обмотки.

Преобразователь балансируют таким образом, чтобы в свободном пространстве (когда ВТП не установлен на контролируемую поверхность) выходной сигнал преобразователя был равен нулю, что соответствует отсутствию первой гармоники.

Постоянное напряжение U₀ на выходе фазового детектора равно:

С/₀=С'1/_оп;С/_щм^,со8ф,

где С - постоянный коэффициент, определяемый параметрами фазового детектора; С/од - амплитуда опорного напряжения; Um. - амплитуда измеряемого напряжения; р - фазовый сдвиг между опорным и измеряемым напряжениями.

После установки преобразователя на контролируемую поверхность фазовращателем опорного напряжения устанавливается нуль на индикаторе, что соответствует сдвигу фаз ф = 0 между опорным напряжением и сигналом. При наличии дефекта в зоне контроля фаза сигнала по отношению к опорному напряжению изменяется и на выходе фазового детектора формируется сигнал U₀ в соответствии с формулой, регистрируемый индикатором.

Одновременное использование амплитудных, частотных и фазовых МВТ позволяет создать амплитудно-частотные и амплитудно-фазовые схемы ВТД.

Таким образом, амплитудно-частотная схема реагирует как на изменение индуктивности ВТП, так и на изменение его активного сопротивления. Это свойство схемы можно использовать для подавления помех после того, как количественно определено влияние различных факторов на изменение составляющих комплексного сопротивления ВТП.

Размагничивание деталей

неразрушающий контроль магнитный метод

Ферромагнитные изделия сохраняют некоторую остаточную намагниченность после завершения магнитного контроля. Величина ее зависит от магнитных свойств материала, напряженности приложенного поля, направления намагничивания (продольное или циркулярное), геометрии изделия.

Существование остаточной намагниченности особенно заметно на деталях, намагниченных в продольном направлении. Это объясняется образованием магнитных полюсов, связанных с продольным намагничиванием детали.

Остаточная продольная намагниченность легко обнаруживает себя по притяжению других деталей или частиц и часто является основным фактором, требующим размагничивания.

Циркулярная остаточная намагниченность почти не имеет внешних признаков, обнаруживающих ее присутствие. Эта намагниченность почти полностью ограничивается самой деталью, однако размагничивание при этом более затруднительно.

Размагничивание изделий обязательно, если остаточная намагниченность может оказать вредное воздействие в процессе дальнейшего изготовления изделия или его эксплуатации.

Например, в процессе последующей механической обработки детали значительное остаточное магнитное поле может притягивать к себе и удерживать опилки или частицы на поверхности детали, что снижает качество механической обработки.

При дуговой сварке наличие сильного остаточного магнитного поля может вызвать отклонение дуги.

Притягивание стружки или других частиц к вращающейся детали может нарушить их работу, особенно у подшипников или трущихся поверхностей. Так, остаточное магнитное поле большой напряженности часто является причиной чрезмерного трения между работающими деталями, например, между поршнем и стенкой цилиндра.

Если вблизи изделий с остаточной намагниченностью будут находиться электрические и электронные приборы, то в их показания могут вноситься искажения. Кроме этого, присутствие остаточной намагниченности может затруднить удаление стружки или других частиц при очистке поверхности.

Допустимая норма остаточной намагниченности устанавливается в соответствующей технической документации.

Любое размагничивание, кроме нагревания выше точки Кюри, независимо от способа его осуществления, сводится к периодическому изменению величины и направления магнитного поля, в котором находится деталь, с постепенным уменьшением этого поля до нуля. Обычно применяют следующие способы размагничивания:

1) медленное протаскивание намагниченной детали через отверстие катушки, питаемой переменным током промышленной частоты (50 Гц); при этом деталь удаляют на расстояние не менее 1 м от катушки (в этом случае переменное поле, обладая ограниченной глубиной проникновения, эффективно размагничивает только поверхностный слой детали);

пропускание переменного тока, равного намагничивающему, непосредственно через деталь с постепенным уменьшением его до нуля;

коммутацию постоянного тока в соленоиде или в обмотках электромагнита с постепенным снижением тока до нуля;

с помощью электромагнита, питаемого переменным током, который постепенно снижают до нуля.

Последний способ размагничивания можно применять при контроле деталей с помощью приставных электромагнитов.

Наилучшие результаты при размагничивании получают в том случае, когда размагничивание проводят с применением тех же средств, которыми осуществлялось намагничивание изделий.

Начальное поле размагничивания должно быть не меньше поля, действовавшего на деталь при намагничивании.

Ток не должен выключаться, когда деталь находится внутри размагничивающего устройства или в сфере влияния поля.

При размагничивании нужно стремиться к тому, чтобы направления намагничивающего и размагничивающего полей в детали совпадали, тогда для снятия остаточной намагниченности требуется меньшее магнитное поле.

Для качественного контроля размагниченности применяют различные простейшие средства, например, железные опилки. Однако результаты такого контроля в значительной мере субъективны и оценивают размагниченность только качественно.

Для количественной оценки размагниченности используются приборы тала ПКР-1, ФП-1 и МФ-20Ф.

Техника безопасности неразрушающего контроля

Дефектоскоп должен быть надежно заземлен. При этом категорически запрещается устанавливать предохранители или выключатели в цепи заземления, а также использовать провода заземления в качестве токоведущих для рабочего тока.

Штепсельное соединение должно быть выполнено с тремя контактами, из которых два соединяют с питающей сетью, а один - с заземляющим проводом.

Запрещается прикасаться к неизолированным токоведущим частям, находящимся под напряжением, независимо от его величины.

Перед зажатием детали в зажимном устройстве дефектоскопа для ее циркулярного намагничивания необходимо поверхность контакта тщательно очистить от загрязнений, масла, керосина и т. д. Необходимо следить за чистотой медных (алюминиевых) стержней.

После зажатия детали в дефектоскопе для циркулярного намагничивания перед включением тока проверить надежность контактов, не перекосилась ли деталь, стоит ли регулятор тока в положении, соответствующем его расчетному значению.

При намагничивании мелких деталей в приставных соленоидах рекомендуется сначала поместить деталь в соленоид, а затем включать намагничивающий ток во избежание выбрасывания ее из соленоида.

Массивные проверяемые детали должны быть надежно закреплены или уложены на приспособления, обеспечивающие удобство осмотра. Для их установки необходимо применять подъемные устройства (таль, кран и т. д.).

В помещении, где установлен магнитопорошковый стационарный дефектоскоп, должна быть общая вытяжная вентиляция с трехкратным обменом воздуха в 1 ч. Вблизи дефектоскопа нельзя хранить легко воспламеняющиеся вещества: бензин, ацетон, и т. д. Запрещается применять открытый огонь (зажигать спички, пользоваться керосиновыми фонарями).

Для защиты рук от вредного воздействия на них суспензии и порошка надо применять защитные перчатки. Необходимо применять защитные очки для предохранения глаз от разбрызгиваемого расплавленного свинца, применяемого в качестве рабочей прокладки в контактных головках дефектоскопа.

При каждом, даже кратковременном перерыве в работе, а также при переходе с одного рабочего места на другое дефектоскоп должен быть отключен от питающей сети.

Работа на дефектоскопе разрешается только специалистам, знающим правила работы на нем и его устройство. Они должны хорошо знать методики контроля, уметь распознавать и определять мнимые дефекты, правильно оценивать результатов контроля.

Размещено на Allbest.ru