Лекция №10. Магнитная и вихретоковая дефектоскопия. Схемы контроля. Технология контроля
10.1. Обнаружение дефектов при магнитных методах.
Магнитные методы контроля ферромагнитных металлов основаны на обнаружении локальных возмущений поля, создаваемых дефектами в намагниченном изделии. Магнитный поток, распространяясь по изделию и встречая на своем пути поверхностный дефект, огибает его вследствие того, что магнитная проницаемость дефекта значительно ниже (в 1000 раз) магнитной проницаемости основного металла. Это можно пояснить следующим образом (рис. 10.1, а, б). Часть магнитосиловых линий обрывается на одной грани дефекта и снова начинается на другой. Конец каждой линии можно рассматривать как некоторый положительный магнитный заряд, а на другой отрицательные магнитные заряды. Каждый магнитный заряд создает магнитное поле, направленное из него как из центра. Суммарное поле магнитных зарядов Нd называют полем дефекта. Поле Нd имеет сосредоточенный характер, поэтому результирующее поле, которое складывается из внешнего намагничивающего поля Но и поля дефекта Нd, становится неоднородным и имеет сложную картину.
Амплитудные значения составляющих Нtd и Нnd поля дефектов зависят от их размеров и ориентации по отношению к внешнему полю, от соотношения проницаемостей среды и дефекта, а также от расстояния до точки наблюдения. Чем больше размеры дефекта и ближе к нему точка наблюдения и чем больше различие проницаемостей, тем больше амплитудные значения составляющих полей дефектов. Вектор намагничивающего поля должен быть направлен перпендикулярно плоскости дефекта, тогда поле дефекта по направлению совпадает с внешним полем и будет иметь максимальное значение. В противном случае поле Нd ориентируется в направлении нормали к стенкам трещины, а интенсивность его быстро убывает с увеличением угла между нормалью и направлением намагничивания. Следует подчеркнуть, что магнитное поле рассеяния возникает не только над дефектами, но и над любыми локальными изменениями однородности магнитных свойств. Интенсивность поля рассеяния в этом случае зависит от соотношения проницаемостей.
Для регистрации полей рассеяния или возмущения создаваемых дефектами в намагниченном изделии наибольшее распространение получили индукционные, феррозондовые, холловские и магниторезисторные преобразователи.
Рис. 10.1. Распределение намагниченности Ми в ферромагнитном изделии и поля рассеяния Hd над поверхностным дефектом (а), а также топография (б) тангенциальной Htd и нормальной Hnd составляющих напряженности поля поверхностного дефекта.
Магнитная индукционная головка представляет собой катушку (рис.10.2) на концах которой в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится мгновенная электродвижущая сила (ЭДС). Локальный магнитный поток Фг носителя 1 через головку разветвляется на поток Фr проходящий через кольцевой сердечник 2 и взаимодействующий с обмоткой 3, и поток Фs минующий сердечник.
Рис. 10.2. Разветвление локального магнитного потока Фr.
Феррозондовые преобразователи представляют собой два пермоллоевых сердечника с первичными обмотками возбуждения и вторичными измерительными обмотками на каждом. Они предназначены для измерения напряженности магнитного поля, действие которых основано на нелинейности кривых намагничивания сердечников из магнитных материалов. При создании в первичной обмотке поля возбуждения Н(t) в сердечнике возникает индукция В(t), которая индуцирует ЭДС.
Преобразователи Холла работают по принципу возникновения ЭДС в результате искривления пути носителей тока в металлах и полупроводниках, находящихся в магнитном поле под действием сил Лоренца. Промышленностью выпускаются кремниевые, германиевые и арсенидгалиевые преобразователи.
Магнитные порошки служат для визуального определения магнитных полей рассеяния над дефектами в магнитопорошковой дефектоскопии. Следует иметь в виду, что во внешнем (намагничивающем) поле частицы обычно не существуют изолированно, а вследствие магнитной коагуляции образуют цепочки, длина которых определяется многими причинами, в том числе длительностью воздействия поля, вязкостью среды, в которую помещен порошок и т.д.
Применяемые в дефектоскопии порошки по составу, физическим свойствам и назначению подразделяются на четыре вида:
1) железные порошки, получаемые термическим разложением пентакарбонила железа Fe(CO)5 или диспергированием железа электрической дугой в керосине;
2) порошки, получаемые в шаровых мельницах измельчением окалины, возникающей при горячей обработке стали;
3) порошки технического и синтетического магнетика;
4) порошки ферромагнитной окиси железа, получаемые окислением магнетика.
Магнитные ленты применяют в магнитографической дефектоскопии. Двухслойные ленты состоят из немагнитной основы (ацетилцеллюлозы, поливинилхлорида, лавсана) и магнито-активного слоя – порошков окиси железа, взвешенного в лаке, обеспечивающего хорошую адгезию с основой. Для изготовления рабочего слоя используют гамма-окислы железа (γ – Fe2O3), железо-кобальтовый феррит (СоFe2O3), двуокись хрома (СrО2). В однослойных лентах магнитный порошок вводится непосредственно в основу (резина, полиамидные смолы). Однослойные ленты получили меньшее распространение из-за невысоких механических свойств.
Способы намагничивания и размагничивания. Магнитный контроль можно проводить способом приложенного магнитного поля или способом остаточной намагниченности.
В практике магнитного контроля существуют следующие способы намагничивания изделий (табл.3): комбинированное, циркулярное и полюсное (продольное). Комбинированное намагничивание осуществляется только в приложенном магнитном поле. Циркулярное и полюсное намагничивание можно применять как в приложенном магнитном поле, так и на остаточной намагниченности.
Комбинированное намагничивание осуществляют при одновременном намагничивании детали двумя или несколькими магнитными полями. Примером комбинированного намагничивания может быть намагничивание трубы соленоидом и пропускание тока через –проводник, проходящий внутри трубы. В результате два поля складываются в результирующее, силовые линии которого направлены по винтовым линиям. Такое поле проходит через все части объекта под различными углами направления, что дает возможность повысить выявляемость дефектов, ориентированных различным образом.
Циркулярное намагничивание применяют для выявления продольных дефектов типа трещин, непроваров, вытянутых шлаковых включений. Его осуществляют при пропускании тока по контролируемой детали или через проводник, помещенный в отверстие детали.
Наиболее эффективно циркулярное намагничивание при контроле цилиндрических деталей. Силу тока в амперах для циркулярного намагничивания пропусканием тока по детали цилиндрической формы рассчитывают по формуле
I = HπD, (76)
где Н – напряженность поля, А/см, D – диаметр детали, см.
Ток в амперах, необходимый для циркулярного намагничивания пластин, определяют по формуле
I = 2H(b+S), (77)
где b – ширина пластины, см; S – толщины пластины, см; Н – напряженность, А/см. Если Н = 800 А/см, то I = 1600 (b+S).
Таблица 3
Наименование способа |
Средство намагничивания |
Графическая схема намагничивания |
Продольное (полюсное) |
Постоянным магнитом
Электромагнитом
Соленоидом
|
|
Циркулярное |
Пропусканием тока по детали
С помощью провода с током, помещаемого в отверстие детали
С помощью контактов, устанавливаемых на деталь
Индуцированием тока в детали
|
|
Комбинированное |
Пропусканием тока по детали и с помощью электромагнита
Пропусканием двух (или более) сдвинутых по фазе токов по детали во взаимно перпендикулярных направлениях
Индуцированием тока в детали и током, проходящим по проводнику, помещаемому в отверстие детали
|
|
Полюсное намагничивание подразделяют на продольное, поперечное и нормальное. При продольном намагничивании направление намагничивающего поля совпадает с направлением оси детали. Продольное намагничивание осуществляют с помощью электромагнитов, постоянных магнитов или соленоидов. Для продольного намагничивания изделий кольцевой формы применяют гибкий кабель, навитый на изделие с числом витков W, при этом намагничивающий ток I = 2πH/W.