Магнитные методы (МК)

Магнитные методы (МК)
Магнитный контроль (МК) основан на изменении направления магнитного потока  при прохождении через участки с пониженной магнитной проницаемостью, например дефекты в виде разрыва сплошности металла. При этом над дефектом возникают магнитные поля рассеяния – участки повышенной намагниченности. МК обеспечивает высокую чувствительность контроля и позволяет обнаруживать в ферромагнитных материалах поверхностные и подповерхностные трещины различного происхождения, волосовины с раскрытием 0,0005-0,001 мм, глубиной 0,01-0,05 мм, протяженностью 0,3-0,5 мм и более крупные [306]. По способам регистрации полей рассеяния (участков повышенной намагниченности) выделяют три метода МК: магнитопорошковый, индукционный, феррозондовый.В основу принципа действия индукционных преобразователей положен закон электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС E, наведенная в замкнутом контуре L, пропорциональна изменению во времени магнитного потока B(t) [284].

В качестве считывающего устройства применяется магнитная индукционная головка, представляющая собой кольцевой магнитопровод с зазором, на котором размещена катушка (рис. 3.)[262].

Рис. 3.. Контроль с применением магнитной индукционной головки: 1 – магнитопровод, 2- зазор, 3- катушка,4 – объект контроля, 5 – трещина

Контроль осуществляется путем перемещения магнитопровода вблизи объекта контроля, причем участок зазора соприкасается с поверхностью предварительно намагниченной детали. Магнитный поток в объекте, встречая трещину, частично огибает ее, а частично проходит по магнитопроводу. Часть этого потока проходит через сердечник и создает ЭДС в катушке, другая же часть создает поток рассеяния. Эффективность магнитной головки оценивают соотношением рабочего потока и потока рассеяния.


Выходной сигнал магнитной головки при контроле трубы в первом приближении можно выразить:

,

3.

где:

  • остаточный магнитный поток трубы;
  • скорость сканирования;
  • коэффициент шунтирования, т.е. отношение магнитного сопротивления рабочего зазора головки к сумме магнитных сопротивлений сердечника и зазора;
  • число витков обмотки;
  • немагнитный рабочий зазор;
  • длина записанных на трубе магнитных диполей в направлении поляризации;
  • круговая частота переменного магнитного поля.

Из выражения (3. ) следует, что применение магнитной головки целесообразно при постоянстве коэффициента шунтирования, числа витков обмотки и скорости сканирования, т.к. в этом случае электрические сигналы, возникающие в головке, зависят главным образом от намагниченности отпечатков полей дефектов [10].


Сигнал представляется как зависимость градиента нормальной составляющей напряженности магнитного поля вдоль оси, по которой проводится контроль. Напряженность магнитного поля фиксируется индукционными преобразователями, а расстояние - датчиком пути (одометром). Данные двух устройств позволяют получить требуемое представление градиента и сравнивать его с браковочным уровнем, полученным по контрольному дефекту (пазу). Основным преимуществом магнитоиндукционного контроля является высокая скорость контроля (к примеру, установка Rotomat по контролю труб на ПНТЗ имеет максимальную скорость контроля 2м/с).


Если же магнитная индукция постоянна (при постоянном магнитном поле), то изменить магнитный поток во времени можно, поворачивая контур вокруг оси, перпендикулярной вектору магнитной индукции, при этом возникает ЭДС движения [8]:

3.

При феррозондовом МК в качестве преобразователей магнитного поля используются активные индукционные преобразователи, в которых рабочим элементом являются ферромагнитные сердечники феррозонды [197]. Феррозонды предназначены для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов. Действие феррозондового преобразователя основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот. В простейшем варианте на ферромагнетике размещены две катушки: возбуждения (питается переменным током) и измерительная катушка (рис. 3.).

Рис. 3.. Некоторые варианты конструкции феррозондов: а - стержневые одноэлементные, б - дифференциальные с разомкнутым сердечником, в - дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником

На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц.


В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в измерительной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Н0, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется и гармонический состав ЭДС в измерительной катушке. В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания [294].


Простые феррозонды полемеры (с одним сердечником) используются на сканирующих устройствах в методе магнитной памяти металла. Феррозонд градиентометр должен иметь два сердечника с четырьмя обмотками, причем индикаторные обмотки соединены навстречу друг другу. Зная расстояние между сердечниками (база феррозонда) с помощью градиентометра можно построить распределение градиента вдоль направления контроля без использования датчика пути (такой способ используется при контроле боковых рам, автосцепок и т.д. в железнодорожном транспорте). В качестве намагничивающего поля достаточно поле, напряженностью 5А/см. Браковочным уровнем служит максимально допустимый уровень градиента, настраиваемый по контрольному образцу с искусственным дефектом. Основным преимуществом феррозонда градиентометра является простота и высокая скорость контроля на грубых поверхностях на изделиях.


В последнее время в практике дефектоскопии получил способ регистрации магнитных полей с применением GMR – датчиков (GMR - Giant MagnetoResistance гигантский магниторезистивный эффект). Этот эффект заключается в изменении сопротивления более чем на 50% в магнитном поле при низких температурах в структурах, содержащих очень тонкие слои железа и хрома. Данный метод является сверхчувствительным и характеризуется большой помехозащищенностью [338].


Наибольшее распространение в промышленности получил магнитопорошковый контроль (МПК). В качестве индикатора в данном случае используются магнитные частицы, которые притягиваются к полям рассеяния и скапливаются, тем самым образуя индикаторные следы прямо над несплошностями (рис. 3.).

Рис. 3.. Пояснение к образованию скопления магнитного порошка над полем рассеяния

Для обеспечения требуемой выявляемости дефектов при МПК необходимо создать в зоне контроля определенную напряженность приложенного магнитного поля. Минимальное значение напряженности приложенного магнитного поля Hmin (А/см) определяется по формуле [255]:

Нmin=15+1,1НС,

3.

где НС – коэрцитивная сила контролируемого материала.


Соблюдение данного условия необходимо проверять в процессе контроля при помощи измерителя напряженности.


Чувствительность МК зависит от следующих факторов [7], [8]:

  • Ориентация дефекта: наивысшая чувствительность контроля имеет место в случае, когда направление магнитного потока в детали перпендикулярно плоскости раскрытия выявляемых дефектов. Поэтому для обнаружения дефектов произвольной ориентации применяют намагничивание в двух (или более) направлениях или комбинированное, сочетающее разные виды магнитных полей.

  • Тип дефекта: дефекты обтекаемой формы с округлыми краями выявляются хуже, чем дефекты с острыми краями. Например, волосовины выявляются значительно труднее, чем трещины.

  • Вид тока намагничивания: при намагничивании постоянным током (постоянными магнитами) магнитное поле распространяется вглубь контролируемого объекта, что обуславливает возможность выявления подповерхностных дефектов. Данная возможность, однако, ограничена при контроле объектов значительной толщины, т.к. при их намагничивании большая часть энергии магнитного поля уходит в толщу объекта, что не обеспечивает достаточного уровня напряженности магнитного поля даже для выявления поверхностных дефектов. При намагничивании переменным током из-за так называемого скин-эффекта плотность тока, а следовательно, и плотность магнитного потока будет больше у поверхности намагничиваемого изделия. По этой причине при намагничивании переменным током выявляются только поверхностные дефекты.

  • Качество поверхности, на которую наносят суспензию или порошок. Оптимальная шероховатость поверхности деталей, подвергаемых магнитопорошковому контролю, соответствует по параметру Rа = 2,5…1,25 мкм. На такой поверхности может быть получена наивысшая чувствительность. Увеличение шероховатости поверхности ведет к снижению чувствительности контроля, так как выявление тонких дефектов (с раскрытием 1 мкм) затрудняется из-за появления фона из магнитного порошка, оседающего на микрорельефе поверхности. Это приводит к необходимости уменьшения напряженности намагничивающего поля и, следовательно, к снижению чувствительности контроля. Если на поверхности контролируемого изделия имеются резкие переходы (например, усиление валика шва, чешуйчатость, подрезы) или крупные микронеровности, то магнитный порошок интенсивнее скапливается не над дефектами, а в местах переходов и углублений. Поэтому при контроле сварных швов с усилением или грубой чешуйчатостью необходимо учитывать возможность появления ложных индикаций.

Магнитопорошковый контроль основного материала, сварных соединений и наплавок, в зависимости от магнитных свойств объекта, условий и задач контроля, проводят двумя способами:

  • приложенного поля (СПП);

  • остаточной намагниченности (СОН).

При контроле способом остаточной намагниченности объект контроля предварительно намагничивают, а затем, после снятия магнитного поля, наносят магнитный индикатор (сухой порошок или суспензию). Промежуток времени между указанными операциями должен быть не более одного часа. Осмотр контролируемой поверхности с целью оценки качества проводят после стекания основной массы суспензии, когда рисунок индикаторного следа полностью сформирован. Способ остаточной намагниченности применим только для контроля изделий, изготовленных из магнитожестких материалов, для которых коэрцитивная сила Нс более 10 А/см, а остаточная индукция Br материала контролируемого изделия не менее 0,5 Тл.


При контроле СПП операции намагничивания объекта контроля и нанесения на него магнитной суспензии выполняют одновременно. При этом, в процессе испытаний намагничивание продолжают после прекращения нанесения суспензии до стекания с контролируемой поверхности ее основной массы. Осмотр контролируемой поверхности производят как в процессе, так и после прекращения намагничивания. СПП обычно применяют для контроля объектов, изготовленных из магнитомягких материалов, т.е. материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (9,5-10,0 А/см и менее). В ряде случаев СПП контролируют также детали из магнитожестких сталей, в том числе когда:

  • изделие имеет сложную форму или малое (менее 5) удлинение, т.е. малое отношение его длины к диаметру;
  • изделие крупногабаритное и контролируется по участкам;
  • необходимо обнаружить не только поверхностные, но и подповерхностные дефекты на глубине более 0,1 мм;
  • технические параметры аппаратуры не позволяют вести контроль СОН;
  • на деталях имеется неснимаемое немагнитное покрытие большой толщины (слои хрома, краски, цинка общей толщиной до 40-50 мкм и более).

Для намагничивания объекта контроля используют постоянные магниты и электромагниты различных конфигураций, устройства для циркулярного намагничивания (пропусканием электрического тока) и намагничивающие катушки (рис. 3.).

Рис. 3.. Устройства для намагничивания: а – электромагнит, б – катушкти, в – постоянный магнит, г – дефектоскоп для циркулярного намагничивания