Физическая сущность магнитной дефектоскопии

 

Магнитное поле рассеяния над дефектом. Возьмем бездефектный образец ферромагнетика с однородными магнитными свойствами и магнитной проницаемостью µ ₁ и поместим его в продольное равномерно распределенное магнитное поле Н ₀ (рис. 2.68).

Ферромагнетик намагнитится и в соответствии со своей кривой намагничивания приобретет магнитную индукцию В ₀, линии которой распределяются равномерно внутри образца и не выходят за его поверхность. Это объясняется тем, что внешняя среда (воздух) имеет магнитную проницаемость µ ₀, значительно меньшую магнитной проницаемости µ ₁ ферромагнетика, и, следовательно, значительно большее магнитное сопротивление R_m (рис. 2.69).

Если в такое же магнитное поле поместить такой же образец ферромагнетика, но с поверхностной трещиной (например, модели прямоугольного профиля в поперечном сечении), ориентированной перпендикулярно направлению поля В ₀, то произойдет перераспределение магнитного потока Ф как в пределах трещины, так и в окружающей ее зоне (рис. 2.70).

В части сечения образца, прерванного трещиной, из-за более высокого магнитного сопротивления в ее воздушной полости плотность линий существенно снизится. Это приведет к тому, что часть линий индукции, расположенных ниже основания трещины, уплотнится, если, конечно, образец не намагничен до насыщения и может еще «поглотить» определенное количество магнитных линий. Значительно меньшая часть линий пойдет через воздушный зазор – полость трещины. Оставшаяся часть магнитных линий неизбежно преодолеет трещину снаружи по воздуху, магнитное поле как бы «вываливается» за поверхность образца. Здесь каждый выход и вход линий поля формирует магнитные полюсы. Это соответствует представлениям магнитостатики, когда каждый конец линии магнитной индукции, где она встречает воздушную среду с проницаемостью µ ₀ << μ ₁ (рис. 2.70), можно рассматривать как положительный «магнитный заряд» (северный полюс N ), а каждое ее начало – как «отрицательный» (южный полюс S ) (рис. 2.70).

Такое явление в магнитостатике называют магнитной поляризацией стенок дефекта и в примыкающей к ним зонам поверхности образца. Каждый «положительный заряд» создает магнитное поле, направленное из него как из центра. При этом магнитные линии поля, выходя за пределы образца, снова входят в него, замыкаясь с отрицательными магнитными зарядами.

В результате над поверхностью в зоне трещины формируется суммарное поле рассеяния Н _д – «магнитных зарядов», которое направлено в сторону внешнего намагничивающего поля Н ₀, обеспечивая его местную концентрацию. Суммарное поле Н _д неоднородное, его называют магнитным полем рассяния дефекта или полем дефекта. Магнитное поле рассеяния дефекта – это локальное магнитное поле, возникающее в зоне дефекта вследствие поляризации его границ (ГОСТ 24450-80).

Формированию этого поля способствует также то, что трещины в месте выхода на поверхность часто имеют «рваные» заостренные края, расстояние между которыми может составлять десятки и сотни микрометров, которые играют роль концентраторов поля зарядов магнитной поляризации.

Случай внутреннего расположения дефекта показан на рис. 2.71. Здесь также имеет место явление магнитной поляризации стенок полости дефекта. Однако степень неоднородности магнитного поля в данном случае уменьшается за счет экранирующего эффекта приповерхностного слоя ферромагнетика над дефектом. Чем толще этот слой, тем сильнее шунтируется поле рассеяния внутреннего дефекта, тем меньшее количество магнитных линий этого поля выходит за поверхность ферромагнетика.

Возникновение поля дефекта Н _д над поверхностью намагниченной детали свидетельствует о том, что она дефектна. Остается это поле обнаружить каким-либо физическим способом, что предопределяет суть и содержание метода магнитной дефектоскопии.

Анализ неоднородности магнитного поля над дефектом. Привяжем прямоугольную систему координат к полю дефекта, направив ось z перпендикулярно поверхности ферромагнетика по центру трещины, ось х – параллельно поверхности, ось y – вдоль центрального сечения трещины (рис. 2.72). Очевидно, что составляющая Н_у поля Н _д над деталью равна нулю. Рассмотрим изменение поля по осям х и z по отдельно взятой кривой напряженности H _д в точках 1–5. Разложим вектор H _д в этих точках на составляющие вдоль линии намагничивающего поля (тангенциальная составляющая Н_t) и перпендикулярную к нему (нормальная составляющая Н_n).

Неоднородность поля вызывает искажение поля как в тангенциальном, так и в нормальном направлениях. Действительно, в точке 1 H_{x 1} = 0; H_{z 1} = H _{д1 max}; в точке 2 H_{z 2} уменьшилась, а H_{x 2} увеличилась; в точке 3 H_{z 3}= 0; H_{x 3}= H _д3max; в точке 4 H_{x 4} уменьшилась, а H_{z 4}поменяла знак; в точке 5 H_{x 5} = 0; H_z5 = H _д5max. Аналогичные операции можно выполнить по каждой кривой напряженности H _д из всей совокупности поля рассеяния над дефектом, а затем, сложив тангенциальные и нормальные составляющие в каждой из пяти рассматриваемых по координатам х точках, построить графики изменения H_x (x_i) и H_z (x_i). Качественный вид зависимостей H_x (x) (без постоянной составляющей) и H_z (x) показан на рис. 2.72.

Видно, что тангенциальная составляющая напряженности поля H_х имеет максимум в центральном сечении дефекта, а нормальная составляющая H_z, проходя через нуль в этом сечении, имеет максимальные положительные и отрицательные значения в точках, расстояние между которыми несколько превышает ширину (раскрытие) трещины. Таким образом, изменения двух параметров – Н_х и Н_z – в пределах нескольких миллиметров (обычно 10–12 мм) в направлении намагничивания в зоне дефекта дают полную характеристику неоднородности магнитного поля дефекта.

Значения нормальной и тангенциальной составляющих соизмеримы в точках экстремумов. Сканирование деталей при поиске с регистрацией дефектов при их обнаружении приводит к формированию импульсов, форма и длительность которых будет зависеть примерно в равной степени для Н_n и Н_t от конфигурации, размеров и глубины залегания трещины, а также от напряженности приложенного магнитного поля и магнитной проницаемости ОК. Тем не менее в практике контроля предпочитают иметь дело только с функцией Н_z (х), которая за пределами дефекта «быстро» становится равной нулю. Это повышает достоверность контроля, к тому же постоянная составляющая функции Н_х (х) является помехой.

Известно, что в слабых магнитных полях, когда дифференциальная проницаемость металла велика (участок крутого подъема основной кривой намагничивания), значительная часть магнитного потока проходит в слое металла под трещиной, вследствие этого уменьшается индукция В ₀ в зоне трещины, кроме того, само значение индукции мало. Все это приводит к незначительному уровню магнитного поля рассеяния над трещиной. В сильных магнитных полях (область насыщения, ) это приводит к ослаблению магнитной поляризации и, следовательно, к уменьшению H _д. Существуют оптимальные величины намагничивающего поля и магнитной проницаемости металла, когда магнитное поле Н _д при прочих равных условиях становится наибольшим. Такой режим соответствует магнитной индукции в металле порядка 0,8–0,9 Тл.

Обратим внимание на то, что между точками х ₁ и х ₅ над дефектом, которые соответствуют экстремумам сигнала дефекта по Н_z (х) (рис. 2.72), крутизна Н_z (х) больше, чем в бездефектных зонах. Эта особенность может быть положена в основу метода магнитного контроля: измерять в каждой точке и сравнивать с порогом не значения функции Н_z (х), а ее производной по координате х. Такая производная обозначается через G_z (х) и называется градиентом напряженности магнитного поля.

Представляется возможным, что, сравнивая функцию Н_z (х) с некоторым фиксированным уровнем (порогом), можно безошибочно обнаружить дефект. в действительности же вне дефекта Н_z (х) ≠ 0, а над дефектом Н_z (х) значительно отличается от вида, представленного на рис. 2.72. Причинами этого можно назвать конечность размеров контролируемой детали, магнитные пятна, структурную неоднородность, резкие изменения сечения, шероховатость поверхности и др.

Реальная функция Н_z (х) [52] показана на рис. 2.73. Она представляет собой сумму Н_z (х) сигнала дефекта (рис. 2.72) и случайной функции от названных выше причин, которую называют помехой. Помеха приводит к двум основным ошибкам дефектоскописта – пропуску (недобраковке) и ложному обнаружению дефекта (перебраковке). Очевидно, что невысокому значению отношения «сигнал/помеха» будет соответствовать большее количество ошибок.

На практике измерять градиент в виде производной сложнее и к тому же необязательно. Его величину оценивают как частное от деления разности значений напряженности в двух его соседних точках (последующей и предыдущей) в направлении намагничивания детали на расстояние между этими точками. Для однородных полей значение градиента равно нулю, для неоднородных – отлично от нуля. Различают градиенты по тангенциальной и нормальной составляющим, определяемым соответственно как

 

и . (2.50)

 

Например, по рис. 2.72 определим градиент нормальной составляющей поля дефекта в точке 2 (i = 2): Видно, что он будет отрицательным, так как , а . Следовательно, в направлении оси х нормальная составляющая поля убывает. Из рис. 2.73 видно, что дифференцирование дало существенное увеличение отношения «сигнал/помеха». В магнитной дефектоскопии используют градиент G_z (х), который более четко характеризует неоднородность магнитного поля рассеяния над дефектом.

Вопросы, изложенные в этом разделе, рассмотрены в [49, 50, 52].

 

2.5. Схема и методы магнитного неразрушающего

контроля. Классификация. Применение

 

Обобщенная схема магнитного контроля представлена на рис. 2.74 [50]. Она содержит: 1 – полезадающую систему, которая, реализуя соответствующий способ намагничивания, создает ту или иную топографию магнитного поля в объекте контроля; 2 – объект контроля; 3 – первичный магнитный преобразователь; 4 – сканер – устройство, обеспечивающее требуемую траекторию перемещения магнитного преобразователя (возможные направления сканирования показаны пунктирными линиями); 5 – усилительный тракт, выполняющий усиление входных (входного) сигналов в выходные с преобразованием в вид, удобный для последующего использования или визуализации; 6 – индикатор, предназначенный для визуализации магнитных индикаций или световой и звуковой сигнализации о дефектах.

Результат взаимодействия намагничивающего поля, генерируемого полезадающей системой 1, с объектом контроля 2 воспринимается первичным магнитным преобразователем 3, затем его выходной сигнал усиливается и (или) преобразуется в блоке 5 до уровня, достаточного для принятия решения, например о наличии дефекта, и регистрируется индикатором 6. Первичный преобразователь 3, как правило, связан со сканером 4 в единый блок. Принятие решения осуществляется путем сравнения сигнала с выхода первичного преобразователя 3 с пороговым в блоке 5 (обозначен вертикальной стрелкой). Пороговый уровень сигнала может быть как фиксированным, так и следящим. Достоверность выявления как дефекта, так и изменений структурного компонента или геометрического параметра в объекте зависит от выполнения всех условий правильной реализации соответствующего метода магнитного контроля.

Метод контроля, как совокупность правил применения определенных принципов и средств в любом виде НК, различают по трем признакам классификации [18].

По характеру взаимодействия физического поля с объектом контроля. во всех случаях используют одно взаимодействие – намагничивание ОК – и измеряют (индицируют) первичные параметры магнитного происхождения.

По первичному информативному параметру, к которому относятся коэрцитивная сила Н_с, намагниченность М, остаточная индукция В_r, магнитная проницаемость (начальная – m _н – либо максимальная – m_max), эффект Баркгаузена.

По способу же получения первичной информации магнитный вид НК подразделяется на семь методов: магнитопорошковый, феррозондовый, индукционный, магнитографический, эффекта Холла, пондеромоторный и магниторезисторный. Все они основаны на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами, но различными способами, а именно: в магнитопорошковом методе в качестве индикатора используется сухой или мокрый порошок, в магнитоиндукционном – величина или фаза индуцируемой в измерительную обмотку электродвижущей силы (ЭДС), в феррозондовом – измеренные напряженность или градиент магнитного поля рассеяния, в методе эффекта Холла – напряжение Холла, в магнитографическом – ферромагнитная пленка, в пондеромоторном – сила отрыва (притяжения) пробного магнита (электромагнита) от ОК и в магниторезисторном – изменение сопротивления магниторезисторов. Методы эффекта Холла и магниторезисторный объединяют в гальваномагнитные.

На железнодорожном транспорте России из названных методов для дефектоскопирования применяются: магнитопорошковый (МПК) – в вагонном и локомотивном хозяйствах, феррозондовый (ФЗК) – в вагонном и путевом, магнитоиндукционный (МИК) – только в путевом. Приведем краткую характеристику данных методов.

Магнитопорошковый контроль основан на притяжении магнитных частиц силами неоднородных магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами в намагниченной детали. Он включает в себя намагничивание ОК, нанесение на его поверхность цветных или люминесцентных магнитных индикаторов (порошков), визуальное наблюдение скопления порошка на контролируемой поверхности и обнаружение дефектов. По надежности выявления поверхностных дефектов он не превзойден ни одним другим методом НК: чувствительность магнитопорошкового метода настолько высока, что могут быть обнаружены трещины с шириной раскрытия, составляющей доли микрона и длиной менее миллиметра. Это справедливо для деталей любой формы, если каждый участок их поверхности можно намагнитить до необходимого уровня и осмотреть. Наиболее оптимальными для магнитопорошкового контроля являются условия, когда деталь прошла технологическую обработку и имеет светлую качественную поверхность с шероховатостью R_a не выше 10 мкм.

Сопоставление МПК и обобщенной схемы магнитного контроля (рис. 2.74) дает следующее. В МПК чувствительный элемент – порошинка, которая непосредственно «ложится на дефект», что отвечает функции блока 4, и при наличии в районе дефекта большой концентрации магнитного порошка происходит быстрое образование индикаторного следа достаточной ширины (усиление – блок 5), который визуально регистрируется (блок 6). Видно, что магнитный порошок одновременно выполняет функции первичного магнитного преобразователя 4, усилителя 5 и индикатора 6. нанесение порошка ручным или механизированным способом и его движение к дефекту отражено блоком 3.

Однако заключение о бездефектности внутренней части детали или подповерхностного слоя должно делаться осторожно – необходимо учитывать ограниченность применения данного метода: подповерхностные дефекты выявляются на глубине, не превышающей 1−2 мм.

Простота технологии и оснастки МПК, которую часто относят к достоинству метода, кажущаяся. Все операции, и особенно наблюдение за состоянием поверхности, выполняет оператор. Действительно, дефектоскопист непрерывно в течение нескольких часов должен всматриваться в магнитные индикации. Предельная концентрация внимания, длительная нагрузка на зрение, монотонно выполняемые операции – все это увеличивает вероятность пропуска дефекта. Устранение субъективного фактора – доминирующей роли оператора – возможно при использовании компьютерных программ автоматического поиска дефектов, заключающихся в обработке изображения, основанной на вычислении градиентов контрастности видеосигнала по различным направлениям, построении топологически связанных областей поверхности и фильтрации изображения от априорно известных структурных элементов. Здесь оператор не работает в рутинном утомительном режиме непрерывного контроля. Он занимается изучением только тех немногих участков контролируемой поверхности, на которую программа обратила внимание. Если она не обнаружила дефектов, то установка работает по заданной программе без участия оператора. При этом вероятность пропуска дефекта существенно снижается.

На ремонтных предприятиях подвижного состава применяются магнитопорошковые дефектоскопы на базе соленоидов типа МД-12ПШ, МД-12ПЭ, МД-13ПР, седлообразного типа МД-12ПС и установки типа УМДП-01 и РУ8617.

Феррозондовый контроль основан на обнаружении феррозондовым преобразователем (ФЗП) магнитного поля рассеяния в намагниченной детали. ФЗК включает в себя намагничивание ОК, сканирование его поверхности и обнаружение дефектов. Намагничивание проводят специализированными стационарными электромагнитными или приставными устройствами с постоянными магнитами. В связи с малыми в ФЗК по сравнению с МПК уровнями напряженности намагничивающих полей размагничивание деталей не производят. Зоны контроля деталей сканируют по заданным траекториям феррозондовыми преобразователями вручную или с помощью сканеров. При этом ФЗП устанавливают на поверхность ОК и плавно перемещают так, чтобы его нормальная ось была перпендикулярна поверхности контроля, а продольная была направлена вдоль линии сканирования. Перемещение ФЗП осуществляют без перекосов, наклонов и отрывов от поверхности ОК с требуемым шагом сканирования и скоростью, например, 8 см/с.

Схема магнитного контроля, представленная на рис. 2.74, иллюстрирует схему ФЗК: блоки 4, 5 и 6 с их функциями конструктивно представлены в любом из действующих феррозондовых дефектоскопов. Сканирование ФЗП ручным или автоматизированным способом отражено блоком 3.

Преимуществами ФЗК являются:

− возможность дефектоскопировать детали с большой шероховатостью поверхности, соответствующей литым необработанным деталям с R_z = 300–400 мкм, и при этом выявлять подповерхностные дефекты, например, на глубине 5–6 мм для условного уровня чувствительности Д;

− дефектоскопировать детали с загрязненными (до 2 мм) поверхностями;

− реализовывать автоматический контроль;

− обеспечивать достаточно высокую чувствительность.

К недостаткам ФЗК можно отнести малую помехоустойчивость: появление ложных сигналов из-за неровностей, острых кромок и краев, структурных неоднородностей и пр.

В настоящее время в вагонном хозяйстве применяются цифровой феррозондовый дефектоскоп ДФ-201.1А и комбинированные микропроцессорные феррозондовые приборы Ф-205.03, Ф-205.30А, Ф-205.38. Последние выполняют функции не только дефектоскопирования, но и измерения напряженности и градиента напряженности как статического, так и переменного магнитного поля. В дефектоскопе ДФ-201.1А реализовано сравнение измеряемого градиента статического поля с постоянным порогом. В приборах Ф-205.03 и Ф-205.30А предусмотрен также режим сравнения градиента со следящим порогом. Кроме этого, в эксплуатации находится феррозондовый измеритель-дефектоскоп Ф-215.1, который совмещает в себе функции порогового дефектоскопа и измерителя напряженности и градиента напряженности постоянного магнитного поля на поверхностях деталей, в частности сварных конструкций, и в свободном пространстве.

Данный прибор позволяет оценить амплитуду и период переменного магнитного поля и способен графически отображать на экране процесс дефектоскопирования в режиме с фиксированным и следящим порогами, что дает существенное увеличение достоверности контроля, а также создавать при агрегатировании с компьютером объемные цветные картины распределения поля или градиента по поверхности объекта контроля.

Для технологического обеспечения магнитных методов неразрушающего контроля в распоряжении многих вагонных депо имеются измерители-полемеры напряженности постоянного и переменного магнитных полей аналогового типа МФ-107А и МФ-117.1, снабженные преобразователями нормальной и тангенциальной составляющих. Измерители аппаратно-программного типа МФ-207, МФ-207.1 и МФ-207А в совокупности отличаются значительно более широким диапазоном измерения (±0,01…500000) А/м, расширенными функциональными возможностями (измерение частоты и амплитуды знакопеременного магнитного поля, визуализация распределения полей) при тех же самых массогабаритных показателях.

Магнитоиндукционный (магнитодинамический) (МИК) метод основан на законе электромагнитной индукции, когда наведенная в замкнутом контуре э. д. с. пропорциональна изменению во времени сцепления этого потока с магнитным потоком магнита. Если размеры контура постоянны и он не изменяет своего положения относительно вектора магнитной индукции , то используется так называемая трансформаторная э. д. с. в случае переменных магнитных полей. Если же , то можно изменять магнитный поток во времени, изменяя положение контура относительно вектора , при этом возникает так называемая э. д. с. движения.

В магнитоиндукционной дефектоскопии чаще используют э. д. с. движения, когда объект контроля намагничивают постоянным полем, а движущийся контур выполняют в виде тонкослойной катушки. Наиболее удобными являются три типа ОК: плоские длинные с поперечными дефектами с продольным перемещением катушки, цилиндрические, когда катушка вращается по окружности, и плоские – в этом случае осуществляется вращение катушки в плоскости ОК.

при этом надо учитывать две особенности в организации контроля: индукционная катушка (блок 3 на рис. 2.74) будет реагировать только на изменение поля, а не на его абсолютную величину; необходимо, чтобы скорость относительного перемещения катушки и ОК была постоянной, для того чтобы связь между градиентом измеряемого поля и выходным сигналом была однозначной.

Все индукционные дефектоскопы – устройства динамического контроля. Необходимость перемещения катушки делает блок 4 (см. рис. 2.74) – механический блок сканирования – важной частью дефектоскопа. Все остальные функциональные блоки традиционны и отвечают схеме, приведенной на рис. 2.74.

Наиболее удачным примером является применение МИКа к контролю рельсов, уложенных в путь. В последних развиваются усталостные трещины, имеющие большую площадь – (20–30) % поперечного сечения головки рельса и очень малые размеры в продольном его направлении.

Для выявления таких дефектов рельсы намагничивают вдоль длины и считывают поля рассеяния движущейся индукционной катушкой. Для этого вагоны-дефектоскопы снабжены мощными П-образными магнитами, создающими постоянное магнитное поле, направленное вдоль рельса. Между полюсами электромагнитов располагается индукционная катушка.

При движении в ней наводятся импульсные сигналы различной амплитуды, длительности и формы. После усиления эти импульсы регистрируются. Они позволяют воспроизвести форму сигналов без заметного искажения во всем диапазоне скоростей (20–70 км/ч). Такая же идея лежит в основе дефектоскопов для контроля трубопроводов изнутри, уложенных под землей, на длине до 100 км.

Вопросы, изложенные в этом разделе, рассмотрены в [50, 52].

В магнитной дефектоскопии для выявления дефектов используют магнитные преобразователи – порошки, суспензии, феррозондовые преобразователи, датчики Холла, магниторезисторы, описанные в подразделе 1.10.

 

2.6. технология магнитного неразрушающего

контроля

 

2.6.1. Способы магнитного дефектоскопирования деталей

 

Магнитный контроль в зависимости от физико-химических свойств ОК, его формы и размеров, типа и расположения искомых дефектов, а также мощности намагничивающих устройств с точки зрения воздействия магнитного поля на ОК проводят способом приложенного магнитного поля (СПП) или способом остаточной намагниченности (СОН) [18]. Контроль в приложенном поле заключается в том, что деталь намагничивают и одновременно контролируют, при СОН ОК вначале намагничивают, затем устраняют намагничивающее поле и только после этого начинают контроль.

Например, при магнитопорошковом контроле технология СОН включает в себя следующие последовательные операции: подготовку детали, намагничивание, нанесение порошка (суспензии) после прекращения намагничивания, осмотр, разбраковку (расшифровку результатов), размагничивание и контроль размагниченности. При контроле СПП предусматриваются те же операции, но магнитный индикатор наносят перед намагничиванием или во время его. При этом индикаторные рисунки дефектов образуются в процессе намагничивания. Сначала прекращают нанесение индикатора на объект, затем – намагничивание. Осмотр контролируемой поверхности проводят при намагничивании и (или) после его прекращения.

При контроле СПП достигаются высокие значения намагниченности деталей, вплоть до насыщения, и, следовательно, тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния над дефектами. Это повышает выявляемость дефектов данным способом, но не всегда. Сильное магнитное поле, действующее на ОК, воздействует также и на первичный магнитный преобразователь, создавая мощную помеху, что затрудняет контроль. Например, при МПК на деталях, изготовленных из сталей с выраженной текстурой, с литой или грубообработанной поверхностью, порошок осаждается по волокнам металла, в местах структурной неоднородности, по следам обработки инструментами, что снижает чувствительность контроля.

В СПП контролируют объекты из материалов с малой индукцией насыщения – детали из магнитомягких, малоуглеродистых сталей, обладающих значениями В_r менее 0,6 Тл и коэрцитивной силы Н_с менее 800 А/м. Например, оси колесных пар, детали автосцепки и тормозной системы и др. дефектоскопируют в приложенном переменном магнитном поле при продольном намагничивании магнитопорошковым методом. Явление поверхностного эффекта, проявляющееся при этом, способствует лучшему выявлению поверхностных трещин: магнитный поток концентрируется в поверхностном слое металла, увеличивая магнитное поле рассеяния над дефектом. Сложности возникают при контроле коротких деталей, например стопорных планок, гаек, клиньев, когда появляется размагничивающее поле, нарушающее параллельность магнитных линий и ухудшающее условие обнаружения дефектов.

Контроль СОН применяют для деталей из термически обработанных конструкционных сталей. Магнитные свойства этих металлов должны характеризоваться значениями: В_r > (0,6–0,8) Тл, Н_с > (800–1000) А/м. СОН используется для обнаружения трещин в роликах и кольцах буксовых подшипников магнитопорошковым методом, в боковых рамах и надрессорных балках – феррозондовым. Из-за меньших значений индукции чувствительность этого способа меньше, но здесь исключено мешающее влияние намагничивающего поля, что частично компенсирует потерю чувствительности. Контроль СОН дает следующие преимущества: возможность установки детали в любое положение для выбора лучшего освещения и удобного осмотра; нанесение суспензии как путем полива, так и окунанием в ванне с суспензией одновременно ряда деталей не только непосредственно за операцией намагничивания, но и спустя несколько часов; меньшую вероятность появления ложных отложений порошка в местах грубой обработки поверхности, наклепа, по рискам и т. п.; простоту расшифровки результатов контроля; возможность контроля в условиях, когда отсутствуют источники питания электромагнитов; улучшение безопасности труда. Все это свидетельствует о более высокой технологичности СОН.

Способ контроля выбирают в зависимости от магнитных свойств материала проверяемого объекта. Для этого выполняют следующие операции: определяют марку материала проверяемого объекта, используя техническую документацию на его изготовление; вычисляют значение коэрцитивной силы Н_с и остаточной индукции В_r материала объекта, используя соответствующие справочники по магнитным свойствам сталей; исходя из положения точки с координатами Н_с и В_r (рис. 2.75) делают заключение о возможности применения того или иного способа контроля, руководствуясь следующим: если на графике точка (Н_с, В_r) расположена выше кривой, то возможен контроль объекта как СОН, так и СПП, если точка (Н_с, В_r) расположена ниже кривой, то рекомендуется контроль СПП.

2.6.2. Намагничивание деталей

 

Обеспечение взаимодействия магнитного поля с объектом контроля и, следовательно, регистрации магнитных полей рассеяния возможно при намагничивании ОК. Для того чтобы получить наибольший магнитный поток рассеяния над дефектом и, следовательно, увеличить выявляемость дефекта, необходимо намагнитить деталь так, чтобы линии магнитной индукции пересекали наибольшую площадь дефекта, т. е. направление намагничивания должно быть перпендикулярно плоскости дефекта. Дефекты выявляются значительно хуже или могут не выявляться, если магнитное поле направлено к плоскости дефекта под углом менее 30°. Если ориентация дефектов неизвестна, то детали простой формы намагничивают в двух направлениях, сложной – в нескольких.

Магнитное поле рассеяния дефекта формируется только тангенциальной составляющей Н_t вектора напряженности намагничивающего поля. Выявляемость дефектов ухудшается, если нормальная составляющая Н_n вектора напряженности намагничивающего поля превышает тангенциальную более чем в три раза. Для надежного выявления дефектов на контролируемой поверхности детали при намагничивании должно выполняться условие: Н_n / Н_t £ 3.

Виды, способы и схемы намагничивания. Используют следующие виды намагничивания: полюсный (продольный, поперечный, нормальный), циркулярный (бесполюсный), комбинированный и во вращающемся магнитном поле. Вид, способ и схему намагничивания выбирают в зависимости от геометрической формы и размеров ОК, материала и толщины немагнитного защитного (естественного) покрытия, а также от типа, местоположения и направления подлежащих выявлению дефектов.

При полюсном продольном намагничивании магнитные силовые линии направлены вдоль продольной оси или наибольшего размера детали, пересекая поверхность и образуя на ее концевых участках магнитные полюсы. Этот способ намагничивания служит для выявления дефектов, направление которых перпендикулярно линиям намагничивающего поля или составляет с ними угол не менее 30°. Дефекты, ориентированные строго параллельно линиям поля, не выявляются. Как видно из рис. 2.76, полюсное намагничивание осуществляется путем размещения детали между полюсами постоянного магнита (рис. 2.76, а–г), электромагнита (рис. 2.76, д), помещения детали в соленоид (рис. 2.76, е) и обвивки детали или ее части гибким кабелем (рис. 2.76, ж, и).

Использование постоянного магнита (рис. 2.76, а–г) удобно, особенно в полевых условиях или когда отсутствует специальное дополнительное оборудование магнитного контроля.

на рис. 2.76 обозначено: 1 – объект контроля (деталь); 2 – магнитопровод; 3 – обмотка; 4 – кабель; 5 – зона контроля; 6, 7 – перемещаемый магнит; 8 – дефект.

В то же время изменение напряженности намагничивающего поля почти невозможно. Линии поля в местах входа в деталь и выхода из нее образуют зоны магнитных полюсов S и N. Эти зоны – области с ярко выраженной неоднородностью магнитного поля – вносят неоднозначность дефектоскопирования, так как их образование не связано с дефектами. Участки между полюсами намагничиваются преимущественно равномерно.

Участок детали, в пределах которого значение тангенциальной составляющей Н_t достаточно для выявления дефектов с требуемой чувствительностью, называют зоной достаточной намагниченности (ДН). Достоинством электромагнита (рис. 2.76, д) является возможность управления режимом контроля. Постоянные магниты и электромагниты применяют при контроле плоских или слабо искривленных участков поверхности детали.

намагничивание электромагнитами используют преимущественно для намагничивания участков крупных деталей и всей детали, которую располагают между полюсами электромагнита как замыкающее звено магнитопровода. Примером такой схемы является намагничивание надрессорной балки и боковых рам тележек вагонов с помощью намагничивающих систем МСН-10, МСН-31 (МСН-33) или МСН-32 (МСН-34). Направление выявляемых дефектов – поперечное.

Продольное намагничивание соленоидом применяют в основном для осесимметричных деталей или по участкам деталей типа валов, например, на участках средней и подступичных частей, а также шеек оси колесной пары. При этом сказывается влияние размагничивающего фактора, поэтому и истинная напряженность магнитного поля внутри ОК оказывается меньше расчетной. Зона ДН включает в себя зону, занятую витками соленоида с прилегающими участками по обеим сторонам (примерно по 150 мм). Длина зоны зависит от формы и размеров детали, положения соленоида относительно детали и величины зазора между корпусом соленоида и контролируемой поверхностью. Максимальная длина зоны ДН обеспечивается при зазоре между корпусом соленоида и контролируемой поверхностью h,равном 40–60 мм (рис. 2.77). Отношение Н_n / Н_t возрастает при перемещении соленоида от середины к концам детали и достигает наибольшего значения на участках, прилегающих к торцам детали (рис. 2.78). На этих же участках длина зоны ДН (L₁, L₂) уменьшается из-за возрастания Н_n.

Гибкий кабель для выявления поперечных дефектов наматывают (рис. 2.76, ж) в виде соленоида непосредственно на деталь или жесткий каркас из немагнитного материала.

Между кабелем и деталью должен быть зазор от 10 до 20 мм. Интересен вариант схемы полюсного поперечного (рис. 2.76, и) намагничивания зубьев шестерен путем пропускания импульсного тока по кабелю, проложенному в межзубных впадинах. В индукторах дефектоскопов типа УМДЗ, используемых в локомотивном хозяйстве для контроля венцов зубчатых колес и шестерен, данный кабель жестко закреплен в корпусе индуктора.

Определение тока в соленоиде осуществляется по упрощенным в сравнении с выражениями (2.36) и (2.37) формулам:

 

и , (2.51)

 

где – тангенциальная составляющая напряженности поля в ОК, А/см;

– постоянная соленоида w/ l;

w – число витков;

l и D – длина и диаметр соленоида, см.

Намагничивание способом магнитного контакта (рис. 2.76, з) применяют при контроле СОН. При этом полюс постоянного магнита или электромагнита перемещают по контролируемой поверхности. Зона контроля равна ширине полюсного наконечника.

При циркулярном намагничивании магнитные силовые линии замыкаются преимущественно в детали. Э