Магнитные методы неразрушающего контроля

Магнитное поле, его характеристики

Магнитные поля, необходимые для намагничивания деталей, могут быть получены с помощью постоянных магнитов или электрических токов, пропускаемых по проводникам специальной формы. Принято считать, что у постоянного магнита есть два полюса: северный, и южный. Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Здесь важно отметить, что по отдельности магнитные полюса существовать не могут. Если мы разделим магнит, например, пополам, то у каждой половинки вновь образуется два полюса.

Магнитное поле имеет вполне определенное направление. Поскольку магнитное поле невидимо, чтобы хоть как-то наглядно представить его, договорились графически изображать его с помощью магнитных силовых линий. Магнитные силовые линии – непересекающихся линии, которым приписывается определенное направление. Условились, что магнитные силовые линии выходят из северного полюса постоянного магнита и входят в южный полюс, замыкаясь внутри магнита. Таким образом, направление силовой линии будет указывать северный полюс магнитной стрелки, помещенной в поле. Наглядную картинку силовых линий можно наблюдать, если на стержневой постоянный магнит положить лист бумаги и посыпать железный порошок.

Основная количественная характеристика магнитного поля в каждой точке называется магнитной индукцией и обозначается буквой В. По магнитным силовым линиям можно в каждой точке определить направление магнитной индукции, которое будет совпадать с направлением касательной к силовой линии, проходящей через эту точку, а величина (длина) будет тем больше, чем гуще расположены магнитные силовые линии. Вдали от полюсов силовые линии расположены реже, следовательно, поле там слабее.

Известно, что атомы любого вещества состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг этого ядра и таким образом, как бы создающих круговой электрический ток. круговой ток (виток с током) создает магнитное поле. Для большинства материалов магнитные поля, создаваемые различными электронами в атомах, имеют произвольное направление, и результирующее поле материала в целом равно нулю. Магнитная проницаемость (способность концентрировать магнитное поле) таких веществ близка к 1.

Парамагнетики – это такие материалы, для которых магнитная проницаемость незначительно больше 1. К ним относятся олово (1,000001), алюминий (1,000023), платина (1,000364), марганец (1,0037) и другие.

Диамагнетики – это такие материалы, для которых магнитная проницаемость незначительно меньше 1. К ним относятся висмут (0,999825), графит (0,999895), серебро (0,999981), медь (0,999991) и другие.

Однако для ряда материалов, которые называются ферромагнетиками, в силу некоторых обстоятельств энергетически выгодным становится такое состояние атомов, при котором магнитные поля соседних атомов направлены в одну сторону и он оказывается намагниченным.

Ферромагнитные материалы (ферромагнетики) имеют магнитную проницаемость существенно больше единицы и может достигать 10⁶. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, ряд редкоземельных элементов, например, гадолиний и их сплавы. Изделия из ферромагнетиков можно контролировать магнитными методами. Магнитный контроль согласно ГОСТу 21105-87 применим для деталей из ферромагнитных материалов, имеющих магнитную проницаемость больше 40. К таким материалам относятся среднеуглеродистые легированные стали, из которых изготавливается большинство деталей подвижного состава. Является ли изделие ферромагнитным, легко можно определить при помощи постоянного магнита.

Ферромагнитные свойства пропадают, если материал нагреть выше некоторой температуры, которая носит название температуры или точки Кюри. Для железа температура Кюри составляет 768С.

Магнитопорошковый метод контроля

Принципиальная возможность обнаружения дефектов магнитными методами связана с тем, что в области дефекта у намагниченной детали возникает ярко выраженное неоднородное магнитное поле – поле рассеяния дефекта. Далее это поле обнаруживается либо при помощи магнитного порошка или магнитной суспензии.

Возникновение магнитного поля рассеяния дефекта можно объяснить, если представить контролируемый объект в виде ферромагнитного стержня, помещенного в однородное внешнее магнитное поле напряженностью Н_вн, совпадающее по направлению с осью стержня. В этом случае стержень равномерно намагнитится, и магнитная индукция в нем по направлению будет совпадать с приложенным внешним магнитным полем, на концах его образуются магнитные полюса, как это показано на рисунке, а. Картина изменится, если на стержне будет находиться поверхностная трещина направленная перпендикулярно магнитному полю. В самом начале мы отмечали, что если магнит разделить пополам, то у каждой половинки снова возникают полюса. Аналогично в случае наличия в образце (магните) трещины, ее границы будут поляризоваться, то есть ее стенки станут полюсами магнитов рис., б. Это приведет к возникновению локального магнитного поля – поля рассеяния дефекта дополнительного к внешнему магнитному полю. Таким образом, можно сказать, что магнитное поле рассеяния дефекта – это локальное магнитное поле, возникающее на поверхности детали в зоне дефекта вследствие магнитной поляризации его границ. Силовые линии этого поля будут начинаться на одной границе трещины (северном полюсе), выходить на поверхность и через воздух замыкаться на другой границе трещины (южном полюсе). Это поле будет сильно неоднородным, а наибольшего значения будет достигать у границ трещины.

Схема возникновения магнитного поля рассеяния дефекта, и силы, действующие на частицы магнитного порошка

Таким образом, для возникновения поля рассеяния дефекта и его последующего обнаружения изделие из ферромагнитного материала должно быть соответствующим образом намагничено.

Результирующая сила F_Р, действующая на частицу магнитного порошка в области трещины складывается из: F_М – силы со стороны магнитного поля (внешнее поле плюс поле рассеяния дефекта), которая направлена в область наибольшего изменения магнитного поля, т.е. к месту расположения трещины; F_Т – силы тяжести (со стороны Земли), направленной вниз; F_А – выталкивающей силы со стороны жидкости (для суспензий), направленной вверх; F_ТР – силы трения, препятствующей движению частицы, и направленной в сторону противоположную направлению движения частицы.

Вихретоковый метод неразрушающего контроля

Вихретоковый неразрушающий контроль основан на возбуждении в контролируемой детали вихревых токов и анализе взаимодействия внешнего возбуждающего магнитного поля с магнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля возбуждающей катушкой.

Особенность вихретокового контроля заключается в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта: от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Поэтому этим методом можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях движения (например, 50 м/с) преобразователей по детали.

Еще одна из особенностей метода состоит в том, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление, загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения и загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами.

Простота конструкции вихретокового преобразователя (ВП) – еще одно преимущество метода. В большинстве случаев катушки помещают в предохранительный корпус и заливают компаундами. Благодаря этому они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах, в широком интервале температур и давлений.

Поскольку вихретоковый метод контроля основан на возбуждении вихревых токов, применяется он для контроля качества электропроводящих объектов: металлов, сплавов, графита, полупроводников. Ему свойственна малая глубина зоны контроля, определяемая глубиной проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду. Вихретоковые методы контроля широко применяют для дефектоскопии, определения толщины покрытий (непроводящих на проводящих материалах или наоборот), размеров и структуроскопии материалов и изделий.

В дефектоскопии с помощью данного метода обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, деталях железнодорожных вагонов, мелких деталях и т.д. Выявляются разнообразные трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения и т.д. При благоприятных условиях и малом влиянии мешающих факторов при использовании накладного преобразователя удается выявить трещины глубиной 0,1…0,2 мм, протяженностью 1…2 мм.

Ограничение применения вихретокового метода контроля состоит в невозможности контроля непроводящих материалов (диэлектриков) и невозможности обнаружения дефектов на глубине больше глубины проникновения вихревых токов.

Вихревые токи создаются и регистрируются с помощью специальных вихретоковых преобразователей (ВП), на которые подаются переменные синусоидальные или импульсные токи.

Вихретоковый преобразователь представляет собой катушку (несколько катушек), которая подключена к источнику переменного, в большинстве случаев синусоидального тока. Ток создает вокруг катушки переменное магнитное поле. При размещении преобразователя вблизи поверхности токопроводящей детали указанное поле возбуждает в поверхностном слое вихревые токи. Вихревые токи создают собственное поле, которое наводит в катушке дополнительную ЭДС, несущую информацию о наличии или отсутствии дефектов. При наличии трещины контур вихревых токов разрывается, меняется магнитное поле, создаваемое ими и соответственно меняется амплитуда и фаза сигнала измерительной катушки преобразователя.

Дефекты обнаруживаются в той части детали, по которой протекают вихревые токи.