Файл: Неразрушающего контроля.pdf

Рисунок 24 – Поля рассеяния над дефектами различной ориентации относительно силовых линий магнитного поля
Во первых: так как разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные – отталкиваются, в однородном магнитном поле на оба полюса частицы порошка (как элементарного магнита) действуют силы F
1
и F
2
, равные по величине, но противоположные по направлению. Они создают вращающий момент, поворачивающий магнит вдоль силовых линий – частицы, попадающие на поверхность намагниченного ферромагнетика, на котором нет дефектов, попадают именно в такое поле и разворачиваются по направлению поля (рисунок 25).
Рисунок 25 – Силы, действующие на частицу магнитного порошка в поле намагниченного бездефектного ферромагнетика
Во вторых:в неоднородном поле сила притяжения F
1 больше силы F
2
, поэтому кроме вращающего момента на элементарный магнит действует сила,
S
N
N
S
Д
Т
1
α
Т
2
Т
3
Силовые линии магнитного поля
N S
47

заставляющая перемещаться (рисунок 26).
Рисунок 26 – Силы, действующие на частицу в неоднородном магнитном поле
Если силы притяжения к полюсу достаточны, чтобы преодолеть силу трения это приводит к перемещению ферромагнитных частиц к полюсам магнита в область наибольшей плотности силовых линий, выходящих из объекта. А такими участками являются:
− края дефекта,
− на торцы детали, откуда выходят силовые линии поля;
− галтельные переходы, где часть силовых линий так же выходит в воздух;
− у полюсов постоянных магнитов или электромагнитов, установленных на поверхности детали.
Величина сил притяжения к дефекту зависит от размеров дефекта
(протяженности, ширины раскрытия, глубины), формы дефекта и глубины его залегания.
Чем больше размеры дефекта, в том числе каждого по отдельности, тем большим магнитом будет являться дефект, и значит большее число магнитных частиц он притянет. Чем глубже дефект находится под поверхностью, тем слабее он как магнит, притягивающий частицы магнитного порошка на поверхности. Чем больше размер подповерхностного дефекта, тем более расплывчатым будет пятно магнитного порошка, собираемого над ним.
48

Частицы магнитного порошка разворачиваются по направлению силовых линий магнитного поля и движутся вдоль них к полюсам, то есть деталь должна быть намагничена так, чтобы максимальное количество силовых линий было направлено вдоль контролируемой поверхности. Силовые линии напряженности магнитного поля в каждой точке на поверхности объекта могут рассматриваться как линии, которые можно разбить на две составляющие: нормальную – Н
n
, направленную перпендикулярно поверхности детали и тангенциальную – Н
t
, направленную вдоль поверхности детали (рисунок 27). Для магнитопорошкового контроля важное значение имеет тангенциальная составляющая, которая и формирует силу притяжения к дефекту вдоль поверхности. А нормальная составляющая наоборот, является вредной, так как частицы направляясь по ней будут разворачиваться и торчком стоять на детали, при этом никуда не перемещаясь. Поэтому важное значение в магнитопорошковом контроле имеет правильное обеспечение нужного направления поля, так чтобы вдоль контролируемой поверхности оно было достаточно большим для притягивания частиц порошка к дефектам, а перпендикулярно поверхности – достаточно малым и не препятствовало проведению контроля.
Рисунок 27 – Разложение напряженности магнитного поля на тангенциальную и нормальную составляющие относительно поверхности детали
49

5.2. Осаждение магнитного порошка над дефектами
Наибольшая плотность магнитных силовых линий поля рассеяния наблюдается непосредственно над дефектом (трещиной) и уменьшается с удалением от него.
Оседание порошка над подповерхностными дефектами менее чёткое и более размытое по сравнению с поверхностными дефектами.
Скопление порошка над дефектом происходит в основном отдельными частицами и короткими цепочками.
Процесс образования цепочек из частиц магнитного порошка называют
магнитной коагуляцией.
Выявление дефектов непосредственно связано с интенсивностью магнитной коагуляции. На интенсивность магнитной коагуляции оказывают влияние следующие факторы:
− концентрация магнитного порошка;
− магнитные характеристики порошка;
− вязкость дисперсионной среды;
− напряженность намагничивающего поля;
− длительность действия намагничивающего поля.
На частицу в поле рассеяния будут действовать (рис. 28):
F
з
– затягивающая сила магнитного поля (пондеромоторная), направленная в область наибольшей плотности магнитных силовых линий, т.е. к месту расположения трещины;
F
тр
– сила трения;
F
т
– сила тяжести;
F
А
– сила выталкивающего действия жидкости (Архимедова сила);
F
э и F
м силы электростатического и магнитного взаимодействия, возникающие между частицами.
F
р
- результирующая сила, под действием которой частицы притягиваются к трещине и накапливаются над ней, образуя скопление порошка.
50

Рисунок 28 – Схема сил, действующих на частицу в поле рассеяния трещины
Картину из осевшего порошка называют индикаторным рисунком или индикацией.
5.3
Феррозондовая дефектоскопия
Все другие методы магнитной дефектоскопии (феррозондовый, магнитнографический, индукционный) используют принцип регистрации изменений нормальной или тангенциальной составляющей магнитного поля при перемещении преобразователя над дефектом в намагниченной детали. Методы отличаются только тем, что используются разные преобразователи: в феррозондовом и индукционном контроле: катушки, работающие по принципу электромагнитной индукции; в магнитнографическом методе: магнитная пленка, намагниченность которой рядом с дефектом изменяется. Наиболее распространенным методом контроля деталей подвижного состава является феррозондовый, поэтому рассмотрим принцип его работы и регистрации дефектов.
Физическая сущность магнитного феррозондового контроля состоит в намагничивании изделий из ферромагнитных материалов и сканировании контролируемых поверхностей с помощью специальных преобразователей –
51

феррозондов, которые фиксируют отклонения магнитных полей над локальными участками с дефектами.
При наличии дефекта силовые линии магнитного поля ведут себя над ним так, как указано на рисунке 29.
Рисунок 29 – Силовые линии над дефектом в намагниченном объекте
Как видно из рисунка 29 силовые линии поля, проходящие в окрестностях дефекта искривляются и изменяется их плотность как в пространстве дефекта, так и над ним. Так как феррозондовый датчик представляет собой катушку, которую можно ориентировать нормально или вдоль поверхности контролируемого объекта, силовые линии магнитного поля целесообразно представить в виде двух составляющих: нормальной составляющей – перпендикулярной поверхности и тангенциальной составляющей, параллельной поверхности. Следует отметить – если дефект подповерхностный, то искажение силовых линий над ним тоже будет, но гораздо слабее.
Разложение магнитного поля над дефектом в каждой точке силовой линии приводит к возможности проанализировать изменения и нормальной и тангенциальной составляющих поля (рисунок 30). Как видно из рисунка тангенциальная составляющая имеет максимальное значение непосредственно над серединой дефекта. Кроме того, в силу того что преобразователь находится на одном расстоянии от объекта и усилении плотности силовых линий при
N
N
S
S
B
52

приближении к ферромагнетику – то это значение больше тех значений, которые регистрируются над бездефектными участками. Нормальная же составляющая меняется значительно сильнее, более того разница между значениями в точке 1 и в точке 5 максимальна. Именно поэтому предпочтительно использовать измерение нормальной составляющей как разницу между этими значениями. При вычитании этих значений результат сложится, так как одно из них отрицательное.
Рисунок 30 – Изменение составляющих магнитного поля при намагничивании в зоне локального дефекта в идеально бесконечном объекте где H
д
– векторы напряженности магнитного поля в различных точках над дефектом; H
x
– векторы тангенциальной составляющей магнитного поля над дефектом;H
z
– векторы и значения нормальной составляющей магнитного поля вдоль объекта контроля
X
X
X
5
X
1 0
0
H
Z
H
X
H
д
H
д1
H
Z2
H
X2
H
X4
H
д5
H
д4
H
д3
H
д2
H
Z4 1
2 3
4 5
+ -
53

Для измерений составляющих магнитного поля используются катушки, в которых индуцируется электродвижущая сила в соответствии с законом электромагнитной индукции.
Если в качестве измерителя поместить катушку вертикально относительно поверхности контроля (фиксирующая нормальную составляющую магнитного поля), то внутри катушки наводится магнитное поле, формирующее электродвижущую силу (ЭДС), которую и фиксирует измерительный прибор. Для повышения чувствительности преобразователя к магнитному потоку измерительную катушку наматывают на сердечник из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью.
ЭДС в катушке в общем случае определяется как:
dt
dФ
n
е −
=
, (11) где n – количество витков катушки, а
dt
dФ
– скорость изменения магнитного потока, пронизывающего катушку. То есть важно, чтобы магнитный поток изменялся, что и происходит при перемещении измерительной катушки феррозонда над дефектом. Как видно из формулы (11) ЭДС в преобразователе возникает только в случае изменения магнитного потока сердечника во времени, поэтому для обеспечения высокой чувствительности такого преобразователя следует использовать переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле дополнительно создается катушкой возбуждения, находящейся на том же сердечнике.
Теперь рассмотрим как работает преобразователь-градиентомер (который так называется потому, что измеряет разность значений индукции магнитного поля в двух параллельно расположенных рядом катушках) при обнаружении дефектов.
Катушка по которой протекает ток I создаёт вокруг себя магнитное поле.
Если катушку надеть на ферромагнитный стержень, то магнитные силовые линии будут замыкаться в стержне (рисунок 31, а).
54

а) б)
Рисунок 31 – Феррозондовый преобразователь
Если стержень взять достаточно длинным, то на нём рядом можно поместить вторую катушку, в которой в силу законов электромагнитной индукции так же возникнет электродвижущая сила, которую можно измерить с помощью вольтметра.
Когда такое устройство помещаем в поле дефекта над объектом контроля
(Рисунок 31, б), то нормальная составляющая поля добавится к полю создаваемому первой катушкой и во второй катушке будет индуцироваться ЭДС общего суммарного поля, то есть изменится по сравнению с ЭДС в бездефектной области, потому что в бездефектной области нормальная составляющая поля почти равна 0.
А если ещё рядом с другой стороны дефекта в его поле поместить точно такой же второй полузонд, то он будет фиксировать тоже изменения поля, но с другой стороны от дефекта, тогда при пересечении дефекта такой конструкции её чувствительность к этому дефекту будет в два раза выше чем у одного полузонда.
Вычитая ЭДС в соседних катушках, расположенных на обоих полузондах получаем значения градиента магнитного поля в области дефекта.
N
S
N
S
B
Возбуждающая катушка
Измерительная катушка
55

В процессе сканирования на бездефектном участке вклад нормальной составляющей детали минимален и измерительные катушки фиксируют только разницу между полями в сердечниках формируемыми противоположно намагничивающими катушками возбуждения, поэтому на выходе соединенных последовательно катушек формируется близкое к 0 значение ЭДС.
Если же преобразователь находится над дефектом, то нормальные составляющие поля дефекта по обе стороны от него велики по сравнению с возбуждающим полем, и разница между магнитными потоками в обеих измерительных катушках будет большая. Тогда вычитание формируемыми этими потоками ЭДС приведет к значительному повышению сигнала на выходе преобразователя, что и говорит о наличии дефекта.

6
ТЕХНОЛОГИЯ МАГНИТОПОРОШКОВОГО КОНТРОЛЯ
6.1
Этапы и способы магнитопорошкового контроля
При проведении магнитного контроля требуется выполнить следующие операции:
− подготовка детали к контролю;
− подготовка средств контроля;
− намагничивание детали или деталей;
− нанесение магнитного индикатора на контролируемую поверхность;
− осмотр контролируемой поверхности и расшифровка магнитной индикации с последующим измерением размеров дефекта;
− при необходимости уточнения результатов контроля выполнение дополнительны операций по идентификации дефекта;
− размагничивание деталей (если требуется);
− оформление результатов контроля в журналы или в виде протоколов.
В зависимости от последовательности этих операций магнитопорошковый контроль разделяется на два способа контроля:
− способ приложенного поля (СПП);
− способ остаточной намагниченности (СОН).
Сущность способа приложенного поля (СПП) заключается в том, что операции намагничивания, нанесения магнитного порошка и основную часть осмотра выполняют одновременно, т. е. в приложенном поле.
Способ остаточной намагниченности (СОН) описывает способ намагничивания детали с последующим нанесением магнитных частиц после снятия намагничивающего поля. В этом случае для образования индикаций на поверхности изделия используется только остаточное магнитное поле намагниченной детали.
Способ СОН имеет следующие преимущества перед способом СПП:
− возможность установки детали в любое положение для выбора лучшего освещения и удобного осмотра, так как деталь не надо удерживать в поле
57