Неразрушающего контроля

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Освоение методики контроля, изучение вихретоковых структуроскопов.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Изучить работу вихретокового структуроскопа на лабораторном макете.

2. Провести измерения и построить годографы для двух типов датчиков – накладного и проходного для ферромагнитного и неферромагнитного образцов.

3. Провести измерения с помощью накладного преобразова­теля на ферромагнитных образцах из углеродистой стали, закаленной от различных температур. Построить графические зависимости ЭДС вихретокового преобразователя и величины фазового сдвига от коэрцитивной силы образцов.

4. Определить частоту возбуждения накладного преобразователя для получения отстройки от зазора, определить наличие и размеры дефекта сплошности (трещина) на изделии под слоем непроводящего покрытия.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Физические принципы вихретокового контроля

В настоящее время широкое распространение получили методы неразрушающего контроля качества изделий, которые за последние годы превратились в многопрофильную науку. Одним из наиболее распространенных и весьма перспективных является метод вихревых токов. К его основным достоинствам можно отнести следующие: возможность бесконтактного измерения и контроля, высокую скорость контроля, относительные простоту и доступность аппаратуры, возможность определения многих параметров контролируемого изделия. Информация о контролируемом изделии представляется в виде электрического сигнала, что позволяет легко автоматизировать процесс контроля и управления устройством разбраковки, что, в свою очередь, делает возможным использование метода в поточных линиях.

Вихретоковые преобразователи позволяют измерять электропроводность металлов и сплавов, толщину металлических и неметаллических покрытий, толщину листов, пластин и лент, радиуса труб и т. д. Часто вихретоковые преобразователя используются для обнаружения дефектов типа трещин, волосовин, раковин, для контроля структурных свойств, прочностных свойств или качества тер­мической обработки. Иногда их применяют для измерения зазоров, небольших перемещений и вибраций.

Работа вихретокового преобразователя основана на том, что при пропускании переменного тока через катушку индуктивности, расположенную вблизи проводящего изделия, в последнем наводятся вихревые токи. Протекающие в контролируемом изделии вихревые токи создают вторичное электромагнитное поле (или поле реакции), которое складывается с первичным полем катушки, т. е. приводит к изменению магнитного потока пронизывающего катушку. Дополнительные потери энергии, вызванные нагреванием контролируемого объекта возникшими в нем вихревыми токами эквивалентны увеличению активного сопротивления катушки, а изменение магнитного потока через катушку – изменению её индуктивного сопротивления. То есть изменяются параметры катушки и, как следствие, её полное сопротивление (импеданс). Очевидно, что изменение импеданса катушки будет зависеть от электропроводности и магнитных свойств изделия, а также от взаимного расположения катушки и изделия. По изменению импеданса катушки можно судить о свойствах изделия. Вихретоковые преобразователи, состоящие лишь из одной обмотки, называются параметрическими.

Вихретоковый преобразователь называется проходным, если витки его катушки охватывают контролируемое изделие. Вихретоковый преобразователь, расположенный над поверхностью контролируемого изделия, называется накладным. Чаще всего плоскость витков катушки накладного преобразователя параллельна контро­лируемой поверхности, но могут быть и другие случаи расположения витков.

Как проходные, так и накладные преобразователи могут иметь две обмотки, по одной из которых пропускают переменный ток (обмотка возбуждения), а другая – измерительная. Такие преобразователи называют трансформаторными.

Распределение вихревых токов в изделии описывается с помощью вектор-потенциала магнитного поля и зависит от частоты и удельной электрической проводимости материала.

Проводящее полупространство создает выше границы раздела сред поле реакции. Трансформаторный преобразователь, расположенный над немагнитным полупространством, в самом простом случае можно представить в виде двух витков – токового и измерительного. Измерительный виток может располагаться соосно и несоосно по отношению к токовому. При изменении соотношения радиусов витков можно найти оптимальный случай, при котором чувствительность трансформаторного вихретокового преобразователя в пять с лишним раз превосходит чув­ствительность параметрического преобразователя. Чувствитель­ность преобразователя к зазору (расстояние между преобразователем и объектом контроля) определяется как величина, про­порциональная производной ЭДС измерительной катушки по зазору. Чувствительность при измерении удельной электрической проводимости материала определяется как величина, пропорциональная производной ЭДС измерительной катушки по величине удельной электрической проводимости.

Практическое применение накладных преобразователей требует умения снимать влияние мешающего параметра при измерениях какого-либо интересующего параметра. При измерении удельной электрической проводимости требуется отстраиваться от влияния изменения зазора. Наоборот, при измерении величины зазора или толщины непроводящего покрытия требуется отстраиваться от изменений величины удельной электрической проводимости материала изделия. Широко применяются способы двухпараметровых отстроек. Изменения зазора или удельной электрической проводимости при­водят к изменению сигнала вихретокового преобразователя не только по амплитуде, но также и по фазе. Иногда это обстоятельство может быть выгодно использовано с целью отстройки от изменений зазора. Вихретоковые преобразователи могут иметь сложную конструкцию в тех случаях, когда требуется реализовать какое-либо конкретное их свойство. Например, измерительная катушка может быть повернута так, что ее плоскость становится перпендикулярной границе раздела сред. В этом случае мы говорим, что преобразователь работает на тангенциальной составляющей поля реакции.

Электрические параметры катушки (параметрический преобразователь) или сигнал в измерительной обмотке (трансформаторный преобразователь) остаются практически неизменными, если массивный однородный кусок испытываемого металла заменить на большое число плотно прижатых изолированных листов из одного и того же материала. Это означает, что вихревые токи текут лишь по траекториям, параллельным поверхности раздела. Для накладных цилиндрических катушек контуры вихревых токов представляют собой кон­центрические окружности. Максимальная плотность вихревых токов достигается в контуре примерно равном контуру обмотки возбуждения. Если для создания электромагнитного поля использовать пе­ременный синусоидальный ток и считать, что поле однородно, то уравнения Максвелла в этой случае для пластины или полупрост­ранства можно свести к дифференциальному уравнению:

, (1)

где – расстояние от поверхности до слоя в объекте контроля, в котором рассчитывается поле ;

– мнимая единица;

– круговая частота тока возбуждения;

и – удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость материала объекта контроля соответственно.

Общее решение для напряженности магнитного поля можно представить следующим образом:

, (2)

где – постоянная вихревых токов (вихретоковый параметр). Напряженность поля представляется в виде двух волн: падающей и отраженной от нижней поверхности пластины.

В проводящем полупространстве поле затухает по закону:

. (3)

Таким образом, в этом случае мы имеем дело с плоской попереч­ной волной. Она характеризуется тем, что в любой плоскости, перпендикулярной распространению волны, ее фаза и амплитуда постоянны. Важнейшей вытекающей отсюда характеристикой является глубина проникновения , т. е. такое расстояние от поверхности полупространства, на котором амплитуда падающей волны частотой уменьшается в е раз:

. (4)

При фаза волны изменится на 180°С. Это расстояние называется длиной волны в металле.

Если волна падает на металл под некоторый углом, то величину составляющих волн будет характеризовать коэффициент преломления . В диапазоне частот, используемых в индукционной структуроскопии, значение коэффициента преломления весьма велико. Это означает, что плоская электромагнитная волна, падая на границу раздела воздуха и металла даже под малый углом, будет входить в металл по нормали к его поверхности. Это условие сохраняется и для криволинейной поверхности, если радиус кривизны поверхности контролируемого объекта на порядок больше глубины проникновения вихревых токов (т. е. расстояния от поверхности до слоя, в котором плотность вихревых токов уменьшается в раз).

Вихревые токи в металле создает составляющая магнитного поля, направленная перпендикулярно поверхности. Эта составляющая затухает за счет возникающих вихревых токов, а также за счет уменьшения амплитуды поля по мере увеличения расстоянии до катушки. Поэтому реальная глубина проник­новения вихревых токов в плоском металлическом теле всегда меньше теоретической. При контроле цилиндрических и сферических поверхностей в металле возникают цилиндрические и шаровые (поперечные) электромагнитные волны. В этом случае глубина проникновения вихревых токов будет несколько больше, чем в случае плоской волны.

Вихревые токи протекают непосредственно под датчиком, в небольшом объеме изделия. Их амплитуда и фаза различны в каж­дой точке на поверхности изделия и в глубине.

Анализ пространственной картины вихревых токов необходим для понимания основ метода и его эффективного практического использования. Так, например, трещина лучше всего выявляется в том слу­чае, когда ее стенки перпендикулярны к вектору плотности вих­ревых токов (ВТ). При этом происходит рассеяние носителей зарядов и увеличение длины контура вихревых токов (обтекание трещины), что для параметрического преобразователя эквивалентно увеличению активного сопротивления и изменению индуктивного. При контроле свойств металлов или толщины изделий знание пространственной картины токов позволяет также более точно судить о контролируемом объеме материала, так как контролирующий прибор (структуроскоп) усредняет проверяемые параметры.

Обобщенная переменная, учитывающая свойства материала изделия (, ), условия контроля (частоту тока возбуждения ) и зависящий от размеров обмотки возбуждения и величины зазора радиус контура вихревых токов в объекте контроля (), называется обобщенным параметром:

, (5)

где Гн/м – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума).

Для накладного преобразователя при нулевом зазоре (датчик на поверхности контролируемого изделия) величина практически равна радиусу обмотки возбуждения вихретокового преобразователя. Поскольку для накладного датчика значение зависит от расстояния эквивалентного витка обмотки возбуждения датчика до изделия, его вычисляют приближенно по формуле:

, (6)

где – средний радиус накладного параметрического датчика или обмотки возбуждения накладного трансформаторного датчика. Для проходного преобразователя, охватывающего цилиндрический объект контроля (проволока, труба и т. д.), равен внешнему радиусу контролируемого объекта. При расчетах на практике можно принимать , что не вносит значительных погрешностей, так как всегда стремятся выполнить накладной датчик таким образом, чтобы отношение высоты его обмоток к среднему диаметру было минимальным, а в процессе контроля датчик на изделии размещают с минимальным зазором.

Влияние каждого переменного на сигнал изображается графиком на комплексной плоскости (, ) или (, ). Значения одного из влияющих параметров ( или , выраженные через значения обобщенного

Рис. 2. Изменение нормированных вносимых активного и индуктивного сопротивлений витка с переменным током на проводящем полупространстве

параметра, зазор, сплошность и т. д.) указывают непосредственно на линии графика, которую называют годографом. Для примера на рис. 2 приведен годограф, в относительных величинах описывающий изменение импеданса витка с переменным током, расположенного на поверхности немагнитного проводящего полупространства, при изменении обобщенного параметра . Причем годограф будет одним и тем же, чем бы ни было вызвано увеличение – увеличением частоты, электропроводности или радиуса эквивалентного контура вихревых токов . Анализируя годографы, выбирают оптимальную рабочую частоту, конструкцию датчика, измерительную схему и приемы контроля, обеспечивающие достаточную чувствительность прибора к проверяемому параметру, а также полную или частичную отстройку от влияния неконтролируемых параметров.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

1. Изучить данное руководство, составить план экспериментов по выполнению лабораторной работы и описать технику их выполнения

2. Изучить работу лабораторного макета вихретокового структуроскопа.

3. Изучить работу макета для двух типов датчиков: накладного и проходного.

4. Отснять годографы для каждого датчика на ферромагнитном и немагнитном образцах.

5. Выбрать наиболее оптимальные по чувствительности режимы и провести измерения с применением накладного датчика на ферромагнитных образцах из углеродистых сталей, закаленных от различных температур. Построить графики в координатах амплитуды ЭДС датчика – коэрцитивная сила и фаза ЭДС датчика – коэрцитивная сила.

4.6. Определить частоту возбуждения накладного датчика для получения отстройки от зазора. Провести измерения на ферромагнитном образце, варьируя зазор от 0 до 2 мм. Рассчитать максимальную погрешность.

5. СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ НА ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ

1. Накладной и проходной вихретоковые датчики.

2. Генератор сигналов низкой частоты для питания обмотки возбуждения.

3. Цифровой вольтметр, используемый для измерения тока возбуждения и выходного сигнала датчика.

4. Осциллограф.

5. Измеритель разности фаз.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Отчет по работе оформляется в соответствии с требованиями стандарта предприятия СТП УПИ 1-85.

2. Структура отчета.

2. 1. Название и цель работы

2. 2. Описание лабораторного макета вихретоковой установки для неразрушающего контроля.

2. 3. Приборы и устройства, используемые в работе (краткая техническая характеристика).

2. 4. Структурная схема лабораторного макета вихретоковой установки для неразрушающего контроля.

3. Экспериментальные исследования.

3. 1. Методика проведения измерений.

3. 2. Таблицы экспериментально определенных зависимостей сигналов вихретоковых преобразователей от свойств магнитных и немагнитных материалов (ГОСТ 2.I05-8I) и их графические представления (ГОСТ 2.319-81).

4. Анализ результатов измерений.

5. Заключение.

6. Библиографический список.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Причины появления вихревых токов в электропроводящих объектах.

2. Типы вихретоковых преобразователей.

3. Схема формирования сигналов параметрического и вихретокового преобразователей.

4. Глубина проникновения поля вихретокового преобразователя.

5. Основные характеристики, определяющие значения обобщенного вихретокового параметра.

6. Основные узлы и блоки вихретоковых структуроскопов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. Под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 2003. – 656 с.

2. Дякин В. В., Сандовский В. А. Теория и расчет накладных вихретоковых преобразователей. М.: Наука, 1981.

3. Неразрушающий контроль металлов и изделий: Справочник / под ред. Р. С. Самойловича. М.: Энергия, 1969.

4. Дорофеев А. Л. Индукционная структуроскопия. М.: Энергия, 1973.

5. Дорофеев А. Л., Ершов Р.Е. Физические основы электромагнитной структуроскопии. Новосибирск. Наука, 1985.