Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ» Я. Г. Смородинский, В. Н. Костин ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ СТРУКТУРОСКОПИИ И ДЕФЕКТОСКОПИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Физические методы и приборы контроля качества» Научный редактор: чл.-кор. проф., д-р техн. наук В. Е. Щербинин Методические указания к лабораторным работам по курсу «Электромагнитный контроль» для студентов дневной формы обучения специальностей 200102 и 200503 физико-технического факультета Методические указания содержат описания двух лабораторных работ по электромагнитным методам контроля структуры и дефектоскопии металлических изделий и краткое изложение физических основ методов контроля металлов в переменных магнитных полях. © ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2007 Екатеринбург 2007 ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 1 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 МЕТОД ВЫСШИХ ГАРМОНИК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение методики и оборудования для контроля структуры ферромагнитных изделий методом высших гармоник. 2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Изучить физические основы метода высших гармоник. 2. Изучить работу измерителя высших гармоник (ИВГ-1). 3. Практически оценить возможность использования прибора ИВГ-1 для контроля качества закалки машиношвейных игл из стали У10А. 3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Физическая сущность метода высших гармоник (МВГ) Известно, что ферромагнетики (например, железо, никель, кобальт и их сплавы) обладают магнитным гистерезисом. Явление гистерезиса заключается в том, что магнитная индукция B (или намагниченность M ) материала зависит не только от напряженности намагничивающего поля H в данный момент времени, но и от магнитной «предыстории» образца, т. е. от характера и величины ранее воздействовавших на ферромагнетик магнитных полей. Явление магнитного гистерезиса связано с существованием и изменением под действием магнитного поля доменной структуры ферромагнетиков [1, 2]. Если ферромагнитный образец, находящийся в полностью размагниченном состоянии, поместить в магнитное поле, изменяющееся от 0 ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 2 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий до некоторой величины, то магнитная индукция будет изменяться по кривой намагничивания (кривая 0-а на рис. 1). На начальном участке кривой намагничивания, соответствующем слабым магнитным полям, намагничивание образца происходит путем смещения границ между доменами. B в Bm B а Br -Hm Hс c′ с 0 H ωt Hm в′ a′ H H m sin (ϖ t ) ωt Рис. 1. Изменение магнитного состояния ферромагнитного образца при его намагничивании переменным магнитным полем При этом за счет уменьшения объема доменов, магнитные моменты которых направлены под большим углом к направлению внешнего поля H, происходит рост тех доменов, моменты которых составляют небольшой угол с направлением вектора магнитного поля H . По мере увеличения магнитного поля происходит смещение все большего числа доменных границ на все ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 3 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий большие расстояния. Смещения доменных границ становятся необратимыми (т. е. при уменьшении магнитного поля магнитная индукция не возвращается к прежним значениям). Это вызывает увеличение интенсивности намагничивания (крутой участок кривой намагничивания на рис. 1). При дальнейшем повышении напряженности магнитного поля намагничивание происходит преимущественно за счет процессов вращения, т. е. магнитные моменты всех доменов начинают поворачиваться в направлении поля. Когда эти направления совпадают, ферромагнетик достигает технического насыщения (точка а на рис. 1), т. е. намагниченность ферромагнетика намагниченностью достигает максимального насыщения MS . значения, Магнитная индукция называемого при этом принимает значение + Bm , и в соответствии с формулой B = µ 0 ( H + M ) дальнейшее возрастание индукции может происходить только за счет увеличения поля H . Поле, при котором достигается техническое насыщение, называется полем насыщения H S . Если после достижения максимальной индукции + Bm уменьшать напряженность поля H , то B будет изменяться уже не по кривой 0-а, а по новой кривой abca'. При этом тем же самым значениям H при движении в обратном направлении будут соответствовать другие значения индукции B . При H =0 у ферромагнетика сохраняется остаточная индукция Br , определяемая отрезком 0b. Чтобы вызвать дальнейшее уменьшение B , необходимо изменить направление поля H на обратное. По мере увеличения обратного поля ( − H ) индукция B уменьшается и при некотором значении обратного поля B становится равной нулю. Это поле получило название «коэрцитивная сила» и обозначается символом H c . При дальнейшем увеличении поля обратного направления появляется индукция обратного знака, которая в поле − H S достигает максимального значения, равного − Bm (точка а' на рис. 1). ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 4 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий Если после достижения отрицательного насыщения поле снова уменьшить до нуля и увеличивать его в первоначальном (намагничивающем) направлении, то зависимость магнитной индукции B от поля H отобразится кривой a'b'c'a. Кривая, описывающая зависимость B(H ) , станет замкнутой. Эта замкнутая кривая называется петлей магнитного гистерезиса. При последующих изменениях намагничивающего поля в указанных интервалах цикл снова повторится. Петля гистерезиса, которая получается при перемагничивании ферромагнетика от состояния + M S до состояния − M S и обратно, называется предельной петлей гистерезиса. При циклическом перемагничивании материала магнитным полем, максимальное значение которого Hm меньше, чем поле насыщения ( H m < H S ), магнитное состояние ферромагнетика будет меняться по симметричным петлям гистерезиса, лежащим внутри предельной петли. Если перемагничивание ферромагнетика производить переменным магнитным полем, изменяющимся по синусоидальному закону H = H m sin(ϖt ) , то, как показано на рис. 1, за счет определяемой формой петли гистерезиса нелинейной зависимости B от H магнитная индукция будет изменяться во времени по несинусоидальному закону. Это значит, что и электродвижущая сила ε , наводимая в охватывающей ферромагнетик измерительной катушке и пропорциональная скорости изменения магнитного потока Φ ( ε = − dΦ dB , где S – площадь, W – число витков катушки), = − SW dt dt также будет функцией несинусоидальной и как всякая периодическая несинусоидальная функция может быть разложена в ряд Фурье. Поэтому из общего сигнала измерительного преобразователя можно выделить высшие нечетные гармонические составляющие (3, 5, 7 и т. д.). При дополнительном подмагничивании ферромагнетика постоянным магнитным полем H 0 в ЭДС преобразователя появляются также четные гармоники (2, 4, 6 и т. д.). ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 5 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий Таким образом, высшие гармоники ЭДС непосредственно связаны с формой петли гистерезиса. В свою очередь параметры петли гистерезиса (коэрцитивная сила H c , остаточная индукция Br , максимальная индукция Bm и т. д.) чувствительны как к химическому составу и к металлографической структуре ферромагнитного материала, так и к механическим воздействиям, термической обработке и другим видам воздействия на материал [1–3]. Следовательно, посредством измерения высших гармоник ЭДС преобразователя можно решить многие задачи, в частности, по контролю качества термической обработки и механических свойств ответственных деталей и изделий без разрушения. Этот метод, использующий для неразрушающего контроля анализ амплитуд и фаз гармонических составляющих измеряемой ЭДС, получил название метода высших гармоник (МВГ). Для расчета высших гармонических составляющих ЭДС преобразователя необходимо знать аналитическую зависимость между магнитной индукцией и магнитным полем. Универсального аналитического выражения, описывающего петлю гистерезиса ферромагнетика, при современном состоянии теории не существует. При решении прикладных задач петля гистерезиса описывается с помощью подобранных аппроксимирующих формул. В аппроксимирующих выражениях петель гистерезиса используются эмпирические коэффициенты, не имеющие прямой связи с параметрами самой петли ферромагнетика, что не позволяет установить связь высших гармоник со всеми параметрами петли гистерезиса и теоретически определить оптимальные режимы контроля. Таким образом, при контроле конкретных изделий требуется экспериментально определять возможность, а также оптимальные режимы (частота и амплитуда гармонического переменного магнитного поля) и параметры (номер используемой гармоники, разность фаз между измеряемой ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 6 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий гармоникой и намагничивающим ферромагнетик переменным магнитным полем и т. д.). Небольшие изменения технологии термообработки и свойств изделия значительно изменяют параметры высших гармоник. Методы высших гармоник обладают чувствительностью высокой к информационной контролируемым параметрам, способностью и быстродействием, относительной простотой исполнения. Наибольшее преимущество метода высших гармоник состоит в том, что высшие гармоники измеряемой ЭДС более тесно связаны со структурночувствительными параметрами, нежели первая гармоника. На третью гармонику вторичной ЭДС в отличие от первой не влияет переменный магнитный поток в зазоре между изделием и измерительной обмоткой. В некоторых случаях использование высших гармоник дает возможность определения важных магнитных параметров, таких как магнитная жесткость H0 , параметры петли гистерезиса в области приближения к насыщению и т. д. Причем обычно амплитуды и фазы высших гармоник определяются не каким-либо одним из указанных параметров, а их комбинациями. Наиболее широкое применение МВГ лежит в области контроля структуры (величина зерна, внутренние напряжения и т. д.), прочностных (например, твердость, предел прочности) и пластических (относительные значения удлинения, сужения) характеристик ферромагнитных материалов, а также контроля качества влияющих на структуру и фазовый состав материалов технологических обработок (закалка, отпуск, деформация и т. д.). В используемом в настоящей работе приборе МВГ-1 контроль осуществляется по средневыпрямленному значению ЭДС 3-й гармоники и величине ее фазового сдвига по отношению к току возбуждения. Средневыпрямленное значение ЭДС 3-й гармоники регистрируется с помощью электронного блока, снабженного стрелочным прибором, а ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 7 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий величина фазового сдвига – измерителем разности фаз. Более подробно устройство, принцип действия и методика работы с измерителем высших гармоник ИВГ-1 рассмотрены в инструкции пользователя. 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ 1. Изучить данное руководство, составить план по выполнению лабораторной работы и описать технику проведения измерений. 2. Изучить работу прибора ИВГ-1, предназначенного для контроля качества термообработки машиношвейных игл из стали У10А. 3. Показать эскизно первичный преобразователь. 4. По описанию составить структурную схему ИВГ-1. 5. СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ НА ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ 1. Измеритель высших гармоник ИВГ-1. 2. Набор контрольных образцов. 3. Набор изделий, закаленных от различных температур и прошедших нормальный технологический отпуск. 4. Описание прибора ИВГ-1 и методики его использования. 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. Физические основы метода высших гармоник (кратко). 2. 3. Приборы и устройства, используемые в работе (краткая техническая характеристика): 9 структурная схема измерителя высших гармоник (ИВГ-1), выполненная в соответствии с ГОСТ 2.702-75; ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 8 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 9 эскиз первичного преобразователя; 9 методика проведения измерений. 2. 4. Экспериментальные исследования: 9 таблицы экспериментальных результатов (ГОСТ 2.105-85); 9 экспериментально определенные зависимости показаний прибора от температуры закалки контролируемых изделий (ГОСТ 2.319-81); 9 анализ результатов измерений (расчет коэффициентов уравнения регрессии и коэффициента корреляции). 2. 5. 3аключение. 2. 6. Библиографический список. 7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Структурная схема и назначение функциональных узлов и элементов ИВГ-1. 2. Методика контроля качества термообработки ферромагнитных изделий с помощью измерителя высших гармоник ИВГ-1. 3. Основные положения технического применения контроля изделий методом высших гармоник. ПРИЛОЖЕНИЕ: техническое описание измерителя высших гармоник ИВГ-1. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИ СПИСОК 1. Вонсовский С. В., Шур Я. С. Ферромагнетизм. – М. – Л.: ОГИЗ – Гостехиздат, 1948. – 816 с. 2. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. Пер. с японского под ред. Р. В. Писарева. – М.: Мир, 1987. – 420 с. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 9 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 3. Щербинин В. Е., Горкунов Э. С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1996. – 266 с. 4. Зацепин Н. Н. Метод высших гармоник в неразрушающем контроле. Минск: Наука и техника, 1980. 5. Ершов Р. Е. Метод высших гармоник в неразрушающем контроле. Новосибирск: Наука, 1979. 6. Покровский А. Д., Хвалебнов Ю. П. Метод высших гармоник в электромагнитной дефектоскопии. М.: Машиностроение, I980. 7. Дорофеев А. А., Ершов Р. Е. Физические основы электромагнитной структуроскопии. Новосибирск: Наука, 1985. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 10 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ПРИБОРАХ 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 ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 11 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. превратились в Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 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 ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 12 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 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 преобразователь, контролируемое расположенный над изделие. поверхностью Вихретоковый 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 представить полупространством, в виде двух в витков самом – простом токового и случае можно 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 ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 13 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 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 ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 14 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 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: d 2H = jϖσµH , dz 2 (1) где z – расстояние от поверхности до слоя в объекте контроля, в котором рассчитывается поле H ; j – мнимая единица; ϖ – круговая частота тока возбуждения; σ и µ – удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость материала объекта контроля соответственно. Общее решение для напряженности магнитного поля можно представить следующим образом: H& = H 0 e − kz + H m e − kz , (2) где k = − jϖσµ – постоянная вихревых токов (вихретоковый параметр). Напряженность поля H представляется в виде двух волн: падающей и отраженной от нижней поверхности пластины. В проводящем полупространстве поле затухает по закону: H& = H 0 e − kz . (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 δ , т. е. такое расстояние от поверхности полупространства, на котором амплитуда падающей волны частотой f = ϖ / 2π уменьшается в е раз: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 15 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий δ = 503 1 σµf . (4) При z = λ1 = 2πδ 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 P = λ / λ1 . 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 e 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. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 16 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 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 ( σ , µ ), условия контроля (частоту тока возбуждения ω ) и зависящий от размеров обмотки возбуждения и величины зазора радиус контура вихревых токов в объекте контроля ( Rэ ), называется обобщенным параметром: β = Rэ ϖσµµ 0 , (5) где µ 0 = 4π ⋅10 −7 Гн/м – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума). Для накладного преобразователя при нулевом зазоре (датчик на поверхности контролируемого изделия) величина Rэ практически равна радиусу обмотки возбуждения вихретокового преобразователя. Поскольку для накладного датчика значение Rэ зависит от расстояния h эквивалентного витка обмотки возбуждения датчика до изделия, его вычисляют приближенно по формуле: Rэ = Rд + 0,75h , (6) где Rд – средний радиус накладного параметрического датчика или обмотки возбуждения накладного трансформаторного датчика. Для проходного преобразователя, охватывающего цилиндрический объект контроля (проволока, труба и т. д.), Rэ равен внешнему радиусу контролируемого объекта. При расчетах на практике можно принимать Rэ = Rд , что не вносит ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 17 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 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 ( Rвн , jϖLвн ) или ( U а вн , jU р вн ). Значения одного из влияющих параметров ( σ или µ , выраженные через значения обобщенного 0 Rвн.н. 1 0,2 2 3 0,4 4 -0,2 5 6 -0,4 β0 8 -0,6 10 15 20 -0,8 50 Lвн.н. Рис. 2. Изменение нормированных вносимых активного и индуктивного сопротивлений витка с переменным током на проводящем полупространстве ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 18 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 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 β 0 . Причем годограф будет одним и тем же, чем бы ни было вызвано увеличение β 0 – увеличением частоты, электропроводности или радиуса эквивалентного контура вихревых токов Rэ . 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. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 19 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 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 2.31981). 4. Анализ результатов измерений. 5. Заключение. 6. Библиографический список. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 20 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий 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. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 21 из 22 Смородинский Я. Г., Костин В. Н. Электромагнитные методы структуроскопии и дефектоскопии ферромагнитных изделий Учебное электронное текстовое издание Яков Гаврилович Смородинский Владимир Николаевич Костин ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ СТРУКТУРОСКОПИИ И ДЕФЕКТОСКОПИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ Редактор Компьютерная верстка К.Б. Позднякова Рекомендовано РИС ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Разрешен к публикации 10. 06. 05. Электронный формат – PDF Формат 60х90 1/8 Издательство ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: sh@uchdep.ustu.ru Информационный портал ГОУ ВПО УГТУ-УПИ http://www.ustu.ru ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2007 стр. 22 из 22
