книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

лпровать термическую обработку можно только у тех деталей, у материала которых между твердостью и остаточной индук­ цией имеется однозначная зависимость. Точность измерений — 1,5% измеряемой величины. Погрешность в среднем для раз­ ных марок стали 0,5— 1,0 HRC. Габариты контролируемых де­ талей: длина до 120 мм при диаметре до 45 мм. Установка об­ ладает достаточно высокой производительностью — 2400 де­ талей в час.

2

Рис. 79. Блок-схема прибора для измерения напряженности магнитного поля:

/ — генератор; 2 — феррозондовый датчик; 3 — фильтр для второй

В качестве примера на рис. 79 приведена блок-схема прибо­ ра для измерения напряженности постоянного магнитного по­ ля. Этот прибор имеет выход для подключения самопишущих приборов.

Широкое распространение получил феррозондовый полюсоискатель ФП-1 для контроля степени размагниченности из­ делий.

Контроль с помощью феррозондов при отсутствии специаль­ ных установок можно производить в лабораторных условиях, используя для этого стандартные приборы. В качестве источ­ ника питания можно использовать звуковой генератор ЗГ-ЗЗ, в качестве фильтра второй гармоники э. д. с. — селективный вольтметр В6-2, а регулировку режима перемагничивания сер­ дечников —■ осуществлять с помощью лампового вольтметра ВЗ-2А.

§ 48. Магнитографический метод контроля

Магнитографический метод контроля предназначен для выявления мест нарушения сплошности материала в сварных швах трубопроводов, резервуаров и листовых конструкций из

ферромагнитных материалов. В качестве индикаторов магнит­ ных полей рассеяния применяется магнитная лента. В зависи­ мости от применяемого типа магнитографического дефектоско­ па можно контролировать сварные швы с толщиной сваривае­ мого материала до 12— 16 мм. С помощью этого метода хоро­ шо выявляются поверхностные трещины. Внутренние дефекты (газовые и неметаллические включения, непровары и т. п.) об­ наруживаются в том случае, если они составляют приблизи­ тельно 8— 10% толщины контролируемого шва.

Рис. 80. Намагничивание сварного шва с помощью:

а — дискового электромагнита; б — соленоида

Магнитографический контроль заключается в намагничива­ нии зоны контролируемого сварного шва с целью создания над дефектом магнитного поля рассеяния, «записи» магнитного поля дефекта на магнитную ленту и воспроизведения «записи» на ней. При воспроизведении «записанных» на ленте магнит­ ных полей определяется расположение и величина дефектов.

Намагничивание, как правило, производится с помощью постоянного тока,так как необходимо выявлять в основном

292

внутренние дефекты. Напряженность намагничивающего поля обычно выбирается экспериментально такой, чтобы четко вы­ являлись характерные дефекты минимально допустимой вели­ чины.

Намагничивание сварного шва можно осуществлять двумя способами (рис. 80): с помощью дискового электромагнита, ко­ торый перемещается вдоль шва, или с помощью соленоида, который позволяет производить намагничивание или части сварного шва или всего шва в зависимости от его длины.

При контроле магнитная лента накладывается на сварной шов стороной с магнитным слоем и прижимается к нему рези­ новым поясом. Обычно магнитная лента накладывается на сварной шов до его намагничивания. Соприкасаясь с намагни­ ченным сварным швом, магнитная лента намагничивается, при­ чем отдельные ее участки намагничиваются неодинаково. Большую остаточную намагниченность приобретут те участки ленты, которые будут находиться в более сильных полях рас­ сеяния, т. е. над дефектами большей величины. Затем произво­ дится расшифровка магнитной «записи» на ленте с помощью специального блока воспроизведения магнитографического дефектоскопа.

При движении ленты относительно магнитной головки в лентопротяжном механизме блока воспроизведения сигнал с головки, после его усиления, подается на осциллограф. О на­ личии, местоположении и характере дефекта судят по длитель­ ности, величине и форме импульсов на экране осциллографа.

Так как обычно применяется широкая магнитная лента ( —35 мм), то чтобы провести «считывание» магнитной «запи­ си» на всей ее ширине обеспечивается также поперечное дви­ жение магнитной головки.

Для магнитографического контроля получили распростра­ нение различные дефектоскопы: МГК-1, СГК-1, МД-9, МДУ-2у и др.

Магнитографический дефектоскоп МД-9 предназначен для контроля сварных 'юединений большой длины, при толщине свариваемого материала от 4 до 12 мм. Намагничивающее уст­ ройство дает возможность производить намагничивание шва в любом пространственном положении.

Магнитографический дефектоскоп СГК-1 позволяет произ­ водить контроль сварных соединений при толщине свариваемо­ го материала до 16 мм и наименьшем радиусе кривизны кон­ тролируемой поверхности 85 мм.

С помощью дефектоскопа МГК-1 производится контроль сварных соединений при толщине свариваемого материала от 1 до 16 мм. На экране двухлучевой электронной трубки одно­

293

временно возникают видимое изображение шва с дефектами и их импульсное изображение.

Г л а в а XIII

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ

§49. Область применения электромагнитного метода контроля и его характеристика

Электромагнитный метод контроля (называемый также ме­ тодом вихревых токов) применяется для контроля изделий, из­ готовленных из электропроводящих материалов. Благодаря простоте, высокой чувствительности, объективности и незна­ чительной трудоемкости контроля, данный метод получает все большее распространение в промышленности, особенно в полностью автоматизированных установках.

С помощью электромагнитного метода можно решать три основные группы задач.

Во-первых, можно выявлять отклонения от заданного хи­ мического состава, сортировать сплавы по маркам, судить о правильности режима термической и химико-термической об­ работки, о структуре металла, выявлять ее неоднородность, от­ клонения твердости, степень поверхностного обезуглерожива­ ния, определять электропроводность и т. п.

Во-вторых, определять форму и размер изделия, измерять толщины гальванических, лакокрасочных и других защитных покрытий, толщины листовых материалов и стенок труб, не­ электропроводящих пленок, толщину одного из слоев биметал­ ла (в том случае, если электропроводность или магнитная проницаемость слоев различна) и т. и.

В-третьих, можно выявлять поверхностные и подповерхно­ стные трещины, пустоты, неметаллические включения, межкристаллинную коррозию и т. п.

Лучшие результаты при электромагнитном методе полу­ чаются при контроле деталей, имеющих простую геометриче­ скую форму. Преимуществом данного метода является воз­ можность проводить контроль с большой скоростью, которая обеспечивается использованием в цепях управления электро­ ники. Например, скорость контроля труб составляет 0,75 м/с, а при благоприятных условиях может достигать 1,8 м/с. Такая

294

высокая скорость контроля возможна только при автоматиза­ ции контроля, так как при визуальном наблюдении за кон­ трольными приборами или осциллографом контроль становит­ ся неэффективным.

При скорости контроля до 1,5 м/с с помощью электромаг­ нитного метода могут выявляться незначительные трещины. При визуальном контроле потребовалось бы минимум в 10 раз больше времени, причем подповерхностные дефекты выявлены не будут.

Электромагнитный метод контроля можно использовать в поточных линиях для автоматического или полуавтоматическо­ го контроля. Во многих случаях электромагнитный метод кон­ троля позволяет заменить выборочный (часто с разрушением изделия) сплошным контролем.

Современное состояние аппаратуры обеспечивает высокую чувствительность данного метода к изменениям большинства физических свойств металла. Но это одновременно создает трудности, так как на результаты контроля оказывают влияние изменения тех параметров, которые в данном конкретном слу­ чае не контролируются. Поэтому электромагнитный метод за ­ частую не дает возможности получать количественную оценку контролируемого параметра. Для уменьшения влияния пара­ метров, не подлежащих контролю, но мешающих-получению правильной количественной оценки контролируемых парамет­ ров, проводятся систематические исследования с целырА>уовершенствования метода и контрольной аппаратурьц,-

Результаты электромагнитного метода контроля дают лишь косвенную оценку исследуемой характеристики изделия. По­ этому необходимо в каждом случае контроля знать зависи­ мость между контролируемой характеристикой и измеряемой величиной.

Сущность электромагнитного метода заключается в изме­ рении степени взаимодействия электромагнитного поля специ­ альной катушки с контролируемым изделием.

При данном методе контроля изделие помещают в электро­ магнитное поле катушки или ряда катушек, которые питаются переменным электрическим током. Изделие в этом случае можно рассматривать как короткозамкнутую катушку и в ней будет индуцироваться ток, протекающий по замкнутым круго­ вым линиям, который поэтому и называется вихревым

(рис. 81).

Вихревые токи, как всякий ток, являются потоком свобод­ ных электронов и испытывают торможение, величина которого зависит от физических свойств металла. Электросопротивление металла зависит от величины торможения, а оно, в свою оче­ редь, зависит от атомной структуры. Например, наличие в кри­

2 9 5

сталлической решетке атомов внедрения или дислокаций, как правило, изменяет электропроводность сплава. Следовательно, величина вихревых токов будет зависеть от силы и частоты пе­ ременного тока, питающего катушку, электропроводности, маг­ нитной проницаемости и формы изделия, взаимного располо­ жения катушки и изделия, расстояния от катушки до поверхно­ сти изделия.

Но электропроводность материала контролируемого изде­ лия в свою очередь зависит от химического состава, термиче­ ской и химико-термической обработки, степени деформации и т. II.

Помимо этого на величину возбужденных в изделии вихре­ вых токов будут оказывать влияние нарушения сплошности материала и наличие в нем включений, так как, создавая до­ полнительное сопротивление, они препятствуют протеканию вихревых токов.

Наведенные в изделии вихревые токи в свою очередь со­ здают вторичное переменное электромагнитное поле, направ­ ление которого по закону Ленца противоположно возбуждаю­ щему полю (рис. 82).

296

Фактически мы измеряем напряжение (или величину, свя­ занную с ним), возникающее в испытательной катушке при из­ менении магнитного потока вихревых токов, наведенных в де­ тали. Это единственный показатель, характеризующий испы­ туемую деталь, который мы измеряем.

Но измеряемое напряжение зависит не только от иссле­ дуемого параметра контролируемого изделия, но и ог других его параметров, например, химического состава, режимов тер­ мической обработки (размер зерна, фазовое состояние), нару­ шения сплошности материала изделия, геометрических разме­ ров, расстояния между изделием и катушкой и т. д.

Очевидно, что для получения возможности раздельного из­ мерения этих параметров, необходимо иметь более обширную информацию. Для этого приходится измерять фазу сигнала, а также подбирать частоту возбуждающего тока. Иногда для увеличения объема информации используют разную форму напряжения, разную величину возбуждающего тока, а иногда и разную форму возбуждающего электромагнитного поля (пу­ тем различного конструктивного выполнения катушки). Та­ ким путем удается находить зависимость различных парамет­ ров контролируемого изделия от величины амплитуды, харак­ тера ее изменения и формы сигнала.

Разработанные методики контроля позволяют не только ограничиваться измерением амплитуды напряжения на катуш­ ке, но и проводить достаточно полный анализ выходных сиг­ налов, что позволило расширить возможности электромагнит­ ного метода.

Необходимо учитывать, что возбуждающее электромагнит­ ное поле не только индуцирует в материале контролируемого изделия вихревые токи, но также изменяет и его магнитную доменную структуру. В неферромагнитных сплавах возбуж­ даются только вихревые токи, а в ферромагнитных кроме это­ го происходит изменение доменной структуры. Обычно на результаты измерения большое влияние оказывает изменение доменной структуры. Поэтому имеется различие в методике контроля изделий из ферромагнитных и неферромагнитных сплавов.

Если среднее значение тока в возбуждающей катушке бу­ дет поддерживаться постоянным, то влияние внесения изделия в поле можно исследовать, например, с помощью вторичной (искательной) катушки, помещенной внутри или рядом с воз­ буждающей катушкой и соединенной с измерительным прибо­ ром. Если в электромагнитном поле этих двух катушек нет ме­ таллического тела, то какое-то количество энергии передается из возбуждающей во вторичную катушку. Но если в поле этих катушек будет помещено металлическое изделие, то произой­

2 9 8

дет ослабление электромагнитного поля возбуждающей ка­ тушки полем вихревых токов, что приведет к уменьшению ко­ личества энергии, передаваемой во вторичную катушку, а это будет зафиксировано измерительным прибором в цепи вто­ ричной катушки.

Расшифровка показаний измерительного прибора ослож­ няется тем обстоятельством, что при нахождении металличе­ ского изделия в поле катушек изменяются не только амплиту­ ды тока и напряжения, но и их фазы. Это объясняется тем, что вихревые токи, расположенные глубже, будут отставать по фазе от токов, лежащих ближе к поверхности, в то же время уменьшаясь по амплитуде.

Глубина проникновения вихревых токов. При электромаг­ нитном методе контроля используется поверхностный эффект. Он заключается в том, что глубина проникновения электромаг­ нитных полей и возбужденных вихревых токов, помимо осталь­ ных факторов, зависит от частоты тока в возбуждающей ка­ тушке. При относительно малой частоте электромагнитные по­ ля и вихревые токи проникают глубже, чем при больших ча­ стотах, когда они распределяются вблизи от поверхности изде­ лия, в его поверхностных слоях.

Поверхностный эффект, наряду с другими факторами, опре­ деляет чувствительность при контроле различных слоев изделия.

Наведенные вихревые токи концентрируются у поверхности изделия, расположенной ближе к источнику возбуждения этих токов (такой поверхностью может быть и внутренняя поверх­ ность изделия). Явление поверхностного эффекта можно объ­ яснить следующим образом. Вихревые токи, возбужденные внешним полем, создают электромагнитное поле, направленное навстречу возбуждающему и ослабляющее его. Чем глубже расположены вихревые токи, тем большее экранирующее дей­ ствие оказывают токи, лежащие ближе к поверхности; т. е. с увеличением глубины напряженность внешнего возбуждаю­ щего поля уменьшается.

Ослабление вихревых токов, протекающих в глубинных слоях, увеличивается с увеличением частоты, так как сила тока, возбужденного переменным магнитным полем, зависит как от напряженности поля, так и от его частоты. Поэтому с увеличением частоты увеличиваются вихревые токи, лежащие ближе к поверхности, и увеличивается напряженность возбуж­ даемого ими электромагнитного поля, что вызывает увеличение экранирующего действия для токов, лежащих дальше от по­ верхности изделия.

В контролируемом изделии вихревые токи возникают во всех его слоях, но в глубинных слоях токи очень малы.

299

Для изделий с плоской поверхностью изменение величины вихревых токов в зависимости от расстояния от поверхности носит экспоненциальный характер. Если V] — амплитуда вих­ ревых токов у поверхности образца и Е г— амплитуда вихре­

вых токов на глубине d, то ослабление выражается иатураль-

у

ным логарифмом In -ф.

^= е _1 (е = 2,71828 ...).

V'i v ’

За условную глубину проникновения вихревых токов для плоской поверхности в однородном поле принимается глубина.

на которой величина тока равна— =0,36788 («3 7 % ) велпчн-

е

ны тока на поверхности. Тогда е~къ —е-1, откуда можно опре­ делить условную глубину проникновения вихревых токов:

На глубину проникновения влияют: частота возбуждающе­ го тока /, магнитная проницаемость ц и электрическая прово­ димость о материала изделия.

Например, при /= 1 0 4 Гц глубина проникновения для меди будет 0,66 мм, для стали — 0,093 мм, а при f = 50 Гц для ме­ ди — 9,4 мм, для стали ■— 1,3 мм.

Для изделий с неплоской поверхностью и для неоднородных полей формулой (180) пользоваться нельзя.

Уменьшение величины вихревых токов с увеличением глу­ бины проникновения зависит от геометрии катушки возбужде­ ния, поэтому приведенное уравнение служит только для при­ близительной оценки, а глубину, как правило, определяют эк­ спериментально.

Из уравнения (180) следует, что глубина проникновения вихревых токов тем меньше, чем больше частота тока воз­ буждения, электропроводность и магнитная проницаемость ма­ териала изделия.

При контроле изделий из немагнитных материалов необхо­ димую глубину проникновения вихревых токов можно полу­ чить подбором частоты тока возбуждения (у таких материалов р « 1 ) .

При контроле изделий из ферромагнитных материалов да­ же при низких частотах глубина проникновения вихревых то­

3 0 0