6. Вихретоковый контроль
6.1. Взаимодействие металла с электромагнитным полем .
При воздействии на металлы внешнего электромагнитного поля в них возникают вихревые токи (токи Фуко), как показано на рис 6.1 . Эти токи, в свою очередь создают собственное поле, направленное навстречу внешнему В результате взаимодействия поля вихревых токов Нв с полем источника электромагнитного излучения Ни появляется возможность получить полезную информацию о состоянии контролируемого металла .
Рис 6.1 Взаимодействие катушки с током и металлической пластины
Результирующее поле и , соответственно , полезный сигнал, снимаемый с катушки, зависит от наличия и положения несплошностей в металле, увеличивающих траекторию вихревых токов , от удельной электрической проводимости (электропроводности) , магнитных характеристик металла , а так же - от частоты питающего катушку тока .
Источниками и преобразователями электромагнитного поля являются катушки индуктивности - индукторы , поэтому этот метод часто называют индукционным . Катушки - приемники и преобразователи электромагнитного поля -являются важнейшими конструктивными элементами токовихревой аппаратуры По конструкции датчики подразделяются на накладные (рис. 6.2 а,б) и проходные (рис. 6.2 в,г) .
Рис 6.2 Схематическое изображение катушек – преобразователей:
а,б - накладные ( 1 –ферритовый стержень, 2 –обмотка, 3- контролируемая поверхность)
в,г – проходные (1 –объект контроля,2- возбуждающая катушка, 3- измерительная катушка)
Накладные представляют из себя катушки прямоугольного сечения , намотанные на сердечник из феррита . Применяют их для ручного контроля плоских поверхностей . Проходные датчики с короткими измерительными катушками , расположенными посередине возбуждающей катушки , применяют для выявления трещин в телах цилиндрической формы : проволоке , прутках , трубах .
Металл детали , вносимой в поле возбуждающей катушки, можно представить как вторичную катушку трансформатора , нагруженного на некоторое сопротивление (активное и индуктивное). Вихревые токи текут в поверхностных слоях этого металла , создавая магнитное поле , направленное навстречу полю возбуждения (Нв на рис 6.1) . Глубина проникновения вихревых токов в металл зависит , в основном , от частоты тока и электропроводности металла (немагнитного) . Низкочастотные вихревые токи проникают в металл более глубоко , высокочастотные ограничиваются тонким поверхностным слоем металла . При увеличении электропроводности металлов глубина проникновения электромагнитного поля в них уменьшается (в сверхпроводники поле вообще не проникает) и , соответственно увеличивается отражение . Таким образом , с увеличением электропроводности металла возрастает интенсивность взаимодействия его с полем возбуждающей катушки (индуктора) , что дает возможность бесконтактно измерять электропроводность металла , а через электропроводность получать важные сведения о структуре металла . При наличии трещин и других несплошностей вихревые токи их огибают , в результате изменяется симметрия , амплитуда и фаза вторичного электромагнитного поля , что дает возможность получать информацию о характере дефекта .
Интенсивность взаимодействия индуктора и объекта контроля зависит так же от расстояния между ними. Это дает возможность в ряде случаев измерять размеры объектов контроля, чаще всего толщину
В соответствии с изложенным , можно выделить три основные области применения индукционных методов при контроле металлов:
-дефектоскопия – выявление дефектов, прежде всего, трещин
-структуроскопия - определение структурных особенностей металлов и превращений при термической обработке
- толщинометрия – определение толщин покрытий металлов на диэлектриках или наоборот, диэлектриков на металлах
6.2 Факторы, влияющие на взаимодействие катушки с объектом контроля
Катушка , по которой проходит переменный ток с частотой обладает комплексным сопротивлением :
,
где Ro - активное сопротивление катушки ,
Lo - индуктивное .сопротивление катушки
Если вблизи катушки с током поместить металл (немагнитный) , то будут наблюдаться два явления : часть энергии как бы 'отсасывается' металлом и превращается в тепло ; другая часть отражается от поверхности металла уменьшая индуктивность катушки . Суммарное действие этих двух факторов приводит к возрастанию активных потерь в цепи питающего катушку тока и некоторому изменению индуктивности катушки . Эти изменения характеризуются величиной вносимых сопротивлений - активного Rвн и индуктивного Lвн. При вихретоковом контроле важен характер изменения вносимых сопротивлений под действием таких факторов , как изменение электропроводности контролируемого металла и частоты питающего тока . На рис.6.3 показано, как влияет изменение проводимости объекта контроля на величину относительных вносимых сопротивлений катушки определенного размера при испытаниях накладным датчиком плоской поверхности (кривая 1), боковой поверхности цилиндра (кривая 2) и проходным датчиком – цилиндра (кривая 3). На этом рисунке по вертикальной оси отложено относительное изменение индуктивности катушки, а по горизонтальной оси изменение активного (омического ) сопротивления катушки. Кривые 1 – 3 называются годографами. Каждая из них является геометрическим местом концов векторов, представляющих собой комплексное сопротивление катушки
Рис 6.3 Изменение активных и индуктивных составляющих вносимого сопротивления для катушки с внешним диаметром 18,5 мм при изменении электропроводности образца с плоской поверхностью (1), цилиндрической поверхностью (2) и цилиндра (3) – проходной вариант
. Для ферромагнитных материалов эти зависимости носят более сложный характер . Важным понятием является глубина проникновения вихревых токов в металл . Под этим понимают такое расстояние от поверхности контролируемого металла , на котором амплитуда вихревых токов уменьшается в e раз. Величина может быть определена из формулы :
,
где - частота тока
- электропроводность металла
o - магнитная проницаемость металла
Если электропроводность выразить в м/ом·ммІ , то выражение для преобразуется к виду :
Значение глубины проникновения для 3 – х частот питающего тока ряда металлов приведены в таблице 1 .
Таблица 1