книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

.делий. Этот метод появился в результате работ, направленных на изыскание простых способов обнаружения ферромагнитных включений в неферромагнитных материалах. В результате этих работ появились магниточувствительные датчики — фер­ розонды, давшие возможность измерять однородные и неодно­ родные магнитные поля.

Феррозондовый метод контроля основан на обнаружении и измерении магнитных полей, в том числе и полей рассеяния, возникающих в зоне дефектов, с помощью феррозондов — магиитодинамических магнитометров. Магнитометр — это прибор, позволяющий обнаруживать и измерять магнитные поля, а так­ же определять степень намагниченности ферромагнитного те­ ла по создаваемому им в пространстве магнитному полю.

Применяются два типа феррозондов: полемеры и градиентомеры. Первый дает возможность определять наличие и на­ пряженность магнитного поля, а второй — градиент напряжен­ ности магнитного поля в его различных точках.

Наибольшее распространение в дефектоскопии получили

.дифференциальные феррозонды с продольным возбуждением.

Достоинством этого . метода является то, что с помощью феррозондов, применяемых в дефектоскопии, можно выявлять и измерять очень слабые магнитные поля (порядка 10-2 э) небольшого объема.

С помощью феррозондов можно осуществлять следующие операции:

выявлять нарушения сплошности ферромагнитных мате­ риалов и изделий из них, причем не только поверхностных и подповерхностных, как при магнитопорошковом методе, но лежащих на глубине 10—15 мм под поверхностью изделия, что является существенным преимуществом данного метода;

контролировать и сортировать стальные детали (в том чис-

.ле и автоматически) по твердости (после термической обра­

ботки) ; контролировать толщину цементированного, азотированно­

го и поверхностно-закаленного слоев изделия; судить о степени распада твердого раствора, дисперсион­

ном твердении и т. п.; получать качественную и количественную характеристику

магнитных свойств материала изделия, по которым можно су­ шить о структуре и механических свойствах при магнитострук­ турном анализе;

измерять толщины стенок сложных отливок и листов боль­ шой площади из неферромагнитных материалов;

определять наличие магнитной фазы в немагнитных спла­ вах, ферромагнитных примесей и характер их распределения

281

в цветных сплавах или других немагнитных материалах, выяв­ лять остаточный аустенит;

определять степень размагниченности изделий, подвергае­ мых магнитному контролю или шлифованию на плоскошлифо­ вальных станках с магнитными столами.

Физические основы феррозондового метода. Феррозонд состоит из двух катушек (полузондов), каждая из которых, имеет магнитомягкий (пермаллоевый) сердечник и две обмот­ ки — первичную и вторичную. Первичная обмотка служит для возбуждения переменного магнитного поля, которое перемагничивает сердечник, а вторичная обмотка — индикаторная..

Рассмотрим сначала принцип работы феррозонда-полеме-

Рис. 72. Схема феррозонда-по- Рис. 73. Кривая намагничивания ферролемера магнитного материала без потерь на

гистерезис

ра (рис. 72). Как видно из рисунка, возбуждающие катушки соединены последовательно. Однако их переменные магнитные поля всегда имеют противоположное направление, но равную величину. Мгновенное значение напряженности этих полей обозначим Я ^ . Амплитуда переменного тока, которым пи­ таются первичные обмотки, как правило, выбирается такой,, чтобы материал сердечника доводился до магнитного насы­ щения.

Допустим, что мы имеем катушку, питаемую переменным током, с сердечником, у которого отсутствуют потери от гисте­ резиса, т. е. его магнитная индукция равна нулю в тот момент, когда напряженность Я внешнего поля равна нулю. В этом случае кривая намагничивания будет изображаться сплошной линией (рис. 73), а не петлей гистерезиса. При протекании пе­ ременного тока через обмотку катушки, напряженность ее маг­ нитного поля Я ^ будет колебаться симметрично относительно

2 8 2

оси времени (см. рис. 73). Если сердечник поместить в посто­ янное магнитное поле ( # = < # /^ ), при сохранении воздействия переменного, магнитного поля, то кривая намагничивания сме­ стится эквидистантно в горизонтальном направлении вдоль

•оси Я и займет положение, показанное пунктирной линией.

Рис. 74. Кривые намагничивания, суммарной индукции и вторичной э. д. с. феррозондаполемера

В случае действия на сердечник одновременно двух полей (Я ^ -и Я = ), когда напряженность переменного поля равна нулю, индукция В не достигает нуля, потому что на сердечник

.действует постоянное магнитное поле; а индукция будет иметь

.значение В х. Индукция равна нулю в тот момент, когда равна нулю суммарная напряженность магнитного поля, т. е. мгно­ венное значение переменного поля противоположно по направ­

чивания смещается в сторону, обратную направлению постоян­ ного магнитного поля на величину Я =.

Теперь рассмотрим схему, изображенную на рис. 74. На­

283

пряженности переменных полей Н ^ полузондов равны по ве­ личине, но имеют противоположное направление. При допуще­ нии, что сердечники К\ и Д'2 не обладают гистерезисом, кри­ вые их намагничивания будут изображаться сплошными ли­ ниями (I, II). В этом случае суммарная индукция обоих сер­ дечников (В] + 5 2) все время равна нулю, так как кривые на­ магничивания I и II полностью симметричны. При этом э. д. с. во вторичной (индикаторной) обмотке не возникает, так как

dt

Теперь предположим, что оба полузонда помещены в посто­

сердечников сдвинутся параллельно самим себе в противопо­ ложном направлении на отрезки Оа и 06, равные по абсолют­ ной величине Я = (пунктирные кривые на рис. 74, а). Суммар­ ная индукция (Т ^+Бг), в каждой точке равная сумме ординат

равной нулю). На участке 3—4 производная продолжает уменьшаться, но становится уже отрицательной, следователь­ но, э. д. с. уменьшается от нуля до некоторой величины. На участке 4-5 производная опять начинает расти (от отрицатель­ ного значения до нуля), следовательно, и э.д. с. возрастает и в точке 5 становится равной нулю. Как видно из рис. 74, г, часто­ та э. д. с. вторичной обмотки вдвое больше частоты э. д. с. пер­ вичной обмотки (т. е. частоты переменного магнитного поля).

Изменение вторичного напряжения во времени (рис. 74, г) может быть разложено в ряд Фурье. Из-за сложности разло­ жения приводим окончательный результат:

е2 = В sin 2 лЯ=

где В — постоянный коэффициент, который определяется кон­ струкцией и характеристикой катушки и магнитными свойствами сердечника;

284

Я ~ — максимальная амплитуда напряженности перемен­ ного магнитного поля;

Я = — напряженность измеряемого постоянного магнитногополя.

Если Н„ ^>Я =, то

ния Я у обеих катушек одинако­ вое, а вторичные обмотки соединены встречно.

Когда в месте расположения двух испытательных катушек равномерное постоянное поле будет наложено на переменные поля и параллельно им, то обе кривые намагничивания пере­ местятся эквидистантно вдоль оси Я в одном и том же направ­ лении и на одно и то же расстояние —Я = (пунктирные кривые на рис. 76). При встречном включении вторичных обмоток (см. рис. 75) возникающая в них э. д. с. будет определяться уже разностью магнитных индукций (5i—В2). Так как разность индукций равна нулю, то и на выходе вторичных обмоток э. д. с. равна нулю.

Но если катушки помещены в месте с различной напряжен­ ностью постоянных магнитных полей, то кривые намагничива­ ния сместятся на различную величину (см. рис. 76), т. е. под. действием неравномерного постоянного магнитного поля сер­ дечники намагничиваются по-разному и разность индукций (В[—В2) уже не будет равна нулю. Поэтому на вторичной об­

285-

мотке появляется напряжение, которое имеет удвоенную часто­ ту по отношению к частоте намагничивающего тока.

Максимальная амплитуда напряжения во вторичной обмот­ ке в этом случае будет равна

И ^

+В

Рис. 76. Кривые намагничивания, суммарной индукции и вторичной э. д. с. феррозондаградиентомера

где В' — постоянный коэффициент, зависящий с-т конструкции и характеристик катушки и магнитных свойств сер­ дечника;

— максимальная амплитуда напряженности перемен­ ного магнитного поля;

HD— разность напряженностей постоянного поля в местах расположения катушек;

2 8 6

# = — напряженность постоянного магнитного поля, в кото­ ром производится измерение.

Если напряженность переменного магнитного поля значи­ тельно больше, чем напряженность постоянного, то напряже­ ние на вторичной обмотке практически не зависит от абсолют­ ной величины напряженности постоянного тока. Действитель­ но, тогда

напряженностей постоянного магнитного поля существует почти линейная зависимость е2~ А ' -Нп.

Коэффициенты А и А1в формулах для в\ и е2 определяют­ ся путем градуировки феррозонда в постоянных магнитных. полях.

Контроль изделий. Контроль изделий при помощи феррозондового метода включает следующие основные этапы: под­ готовка изделия к контролю, намагничивание, собственно кон­ троль и размагничивание.

залегания), расстояние от феррозонда до контролируемой по­ верхности и его ориентация относительно дефекта.

Взаимное расположение полузондов и их положение отно­ сительно поверхности контролируемого изделия зависят от це­ лей контроля. На рис. 77 приведены схемы феррозондов и их

28 Т

положение относительно изделия при различных случаях контроля.

Датчик, показанный на рис. 77, а, может использоваться при контроле степени размагниченности кораблей. Аналогич­ ные датчики меньших размеров используются для контроля статического экранирования. Изображенный на рис. 77, б дат­ чик используется для определения градиента поля. Он может использоваться для выявления ферромагнитных примесей, оп­

риала, определения толщины стенок изделий из ферромагнит­ ных материалов. Для определения степени намагничивания из­ делия используется датчик, приведенный на рис. 77, д. Щелевой

поля и разности напряженности в различных точках поля вдоль продольной оси катушки, т. е. нормальная (#„) или тангенци­ альная {И- ) составляющие магнитного поля.

Применяемые при феррозондовом методе контроля ферро­ зонды имеют малые размеры (длина сердечника от 2 мм). Ка­ тушки с сердечниками могут быть смонтированы как в двух отдельных датчиках, так и в корпусе одного датчика.

В Научно-исследовательском институте интроскопии для производственных целей разработано три типа феррозондовых датчиков: феррозонд-полемер (ФП), феррозонд-градиен- томер (ФГ) и феррозонд с регулируемой ориентировкой полузондов относительно поверхности контролируемого изделия (ФГК). Эти феррозонды рассчитаны на рабочую частоту 100±0,5 кГц, имеют сердечник диаметром 0,1 мм, длиной 2 мм и диаметр рабочей части 5 мм. Эти феррозонды выпускается промышленностью.

На рис. 78 в качестве примера приведена схема измерения толщины стенок изделий из немагнитных материалов. Ферро-

только расстояния между датчиком и магнитом. Шкала ннди-

288

каторного прибора неизменна для всех немагнитных матери­ алов: цветных сплавов, стекла, пластмасс и др.

В случае необходимости расширения диапазона измерений поле главного постоянного магнита можно компенсировать небольшим постоянным магнитом, помещенным в датчике.

Феррозондовые толщиномеры нашли применение в литей­ ной промышленности.

Рис. 78. Схема измерения толщины стенок изделии из неферромагнитных материалов:

/ — постоянный магнит; 2 — контролируемое изделие; 3 — ферро- зонд-граднентомер: ■/ — компенсирующий магнит; 5 — индикатор

Оборудование для феррозондового контроля. При контроле феррозондовым методом на величину и характер э. д. с. помимо контролируемых параметров изделия оказывают влияние так называемые мешающие факторы, т. е. те параметры изделия, которые в данном конкретном случае не контролируются (это внутренние напряжения, наклеп, структурная неоднородность, колебания расстояния между феррозондом и изделием и т. п.). В этом случае необходима отстройка от мешающих факторов,, т. е. выделение сигналов, однозначно зависящих от контроли­ руемых параметров изделий. Методы отстройки подразделяют­ ся на три группы.

П е р в а я г р у п п а включает методы отстройки с по­ мощью специальных элементов, вводимых в схему прибора,—

аппаратурные методы. В этом случае сигналы анализируются по пх амплитуде, продолжительности, спектру частот.

значительно ограничивается скорость контроля изделий, но они дают возмолшость судить о протяженности дефекта, а иногда и о его характере.

Выбор метода отстройки от мешающих факторов зависит от назначения контрольной аппаратуры. Применение этих ме­ тодов в комплексе обеспечивает высокую эффективность конт­ роля.

Вприменяющейся аппаратуре сигналы, получаемые с фер­ розонда, измеряют с помощью трех основных методов: пря­ мого измерения, мостовым и методом «выпрямленного моста».

Магнитные поля с помощью феррозондов измеряют двумя основными методами: компенсационным и амплитудно-модули- рованным.

Вкачестве примера приведем несколько установок, исполь­ зуемых при феррозондовом методе контроля.

Для контроля головок рельсов разработан дефектоскоп МРД-62. С его помощью можно выявлять поперечные трещи­ ны усталости, залегающие на глубине до 6—7 мм и имеющие протяженность свыше 17% поперечного сечения головки рель­ са. В этом дефектоскопе используется метод считывания с по­ мощью феррозондов тангенциальной составляющей магнитно­ го поля рассеяния дефекта.

Для контроля труб перлитного класса с целью выявления поверхностных и внутренних нарушений сплошности материала разработаны установки ФДУ-1 и УФК.Т-1. В них используется метод считывания нормальной составляющей магнитного поля рассеяния. В установке УФКТ-1 применены феррозонды-гради- ентомеры. Максимальная скорость перемещения труб при кон­ троле составляет 3 м/с. С помощью установки выявляются де­ фекты, расположенные по всей толщине трубы, типа трещин, волосовин, раковин и т. п. Установка предназначена для кон­ троля в поточных линиях горячекатаных труб диаметром

30— 102 мм.

Установка УФСТ-61 позволяет производить автоматический контроль стальных деталей по твердости и их сортировку. Ра­ бота установки основана на измерении в предварительно на­ магниченных деталях остаточной индукции. Поэтому контро-

2 9 0