Рис. 7.2 Конструктивные схемы нормального (а), наклонного (б) и раздельносовмещенного (в) искателей

8. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ.

8.1. Электромагнитный метод неразрушающего контроля

Электромагнитный метод неразрушающего контроля (метод вихревых токов) находит широкое применение в практике современного металлургического и машиностроительного производства. Он основан на регистрации изменения вихревых токов, наводимых в объектах контроля из электропроводных материалов катушкой возбуждения вихревого преобразователя.

Распределение вихревых токов и их интенсивность в объекте контроля зависят от многих факторов, связанных как со свойствами объекта контроля, так и с условиями контроля (характеристиками преобразователей, формой, частотой и характером напряжения питания, конструктивными особенностями преобразователей, взаимным расположением и относительной скоростью движения преобразователя и объекта контроля и т. п.). Такая многофакторная связь определяет как достоинства, так и недостатки электромагнитных методов неразрушающего контроля, так как, с одной стороны, позволяет контролировать различные геометрические, физико-механические, химические и некоторые другие характеристики электропроводных, ферромагнитных и неферромагнитных изделий, с другой же стороны, затрудняет выделение интересующей исследователя информации.

Используя метод вихревых токов, можно осуществлять контроль без непосредственного контакта преобразователя и объекта, что позволяет получать измерительную информацию при перемещении преобразователя относительно объекта.

Важной положительной стороной метода вихревых токов является то, что на измерительный сигнал практически не влияет влажность, давление и загрязненность среды, радиоактивные излучения, загрязнение поверхности объекта токонепроводящими материалами.

Метод вихревых токов широко используется для обнаружения нарушений сплошности как находящихся на небольшой глубине, так и выходящих на поверхность материала разнообразных трещин и раковин, неметаллических включений и т. п., причем возможно выявление небольших по размерам дефектов, например глубиной до 0,2 мм и протяженностью до 2 мм.

179

Метод вихревых токов позволяет:

1. Контролировать линейные размеры изделий (диаметр проволоки, прутка, трубы, толщину металлических листов, толщин стенок корпусных деталей и т. п.).

2. Измерять толщину нанесенных покрытий в диапазоне от единиц микрометров до десятков миллиметров, точность измерения при этом составляет 5— 10%.

3.Определять отклонения химического состава, а также структуру металлов и сплавов. Это связано с тем, что электрические и магнитные свойства металлов существенно зависят от химических и структурных изменений материала.

4.Определять значения механических напряжений.

8.2.Физические основы электромагнитного методаизмерений

Сущность электромагнитного метода заключается в измерении степени взаимодействия электромагнитного поля специальной катушки вихретокового преобразователя с контролируемым изделием. Контролируемый объект помещают в электромагнитное поле катушки, которая питается переменным электрическим током. В этом случае электропроводящий объект контроля можно рассматривать как короткозамкиутую катушку, в которой индуцируются токи, протекающие по замкнутым круговым линиям, — вихревые токи.

Сила вихревых токов, наведенных в изделии, зависит от силы и частоты переменного тока, питающего катушки, электропроводности, магнитной проницаемости и формы изделия, расстояния от катушки до поверхности изделия. Со своей стороны, электрические и магнитные характеристики материала контролируемого изделия зависят от термической обработки, степени деформации, химического состава. Кроме того, на значение возбужденных в изделии вихревых токов влияют изменения структуры материала и наличие в нем посторонних включений и дефектов, так как они создают дополнительное сопротивление и препятствуют протеканию вихревых токов.

Вихревые токи, наведенные в изделии, создают вторичное переменное электромагнитное поле, направление которого в соответствии с правилом Ленца противоположно возбуждающему полю. Это приводит к обратному влиянию индуцированного магнитного потока на катушку возбуждения и проявляется в форме увеличения ее полного сопротивления и, следовательно, уменьшения силы тока, протекающего по ней.

Из вышеизложенного вытекает, что полное сопротивление катушки зависит от значения и характера распределения вихревых токов в контролируемом изделии. Вихревые токи, индуцированные в изделии без дефекта (рис. 8.1, а), создают магнитный поток Ф1 который больше магнитного потока Ф2 вихревых токов в изделии с дефектом (рис. 8.1, б). Это вызвано наличием дефекта в материале, что приводит к некоторому уменьшению его электропроводности, снижению плотности вихревых токов, а следовательно, и магнитного поля, возбуждаемого ими.

Поэтому обратное влияние магнитного потока Ф1 больше, чем потока Ф2, и в катушке возбуждения протекает ток i1<i2.

180

Рис. 8.1 Вихревые токи, индуцированные в изделии.

Как было указано выше, на силу вихревых токов оказывают влияние различные факторы, связанные со свойствами изделия. Поэтому при определении качества изделия по всему комплексу этих факторов проблемы определения годности не возникает. Однако в большинстве практических случаев требуется определять величину или характер измерения одного из влияющих параметров при неопределенном значении остальных, и это ставит задачу — выделить информацию о состоянии параметра, интересующего исследователя.

Чтобы получить возможность разделять измерительную информацию, применяют различные методы: измеряют фазу сигнала, выбирают и изменяют частоту возбуждающего тока. Можно использовать разную форму сигнала напряжения, разные значения возбуждающего тока и форму возбуждающего электромагнитного поля (путем различного конструктивного выполнения катушки). Таким образом, удается находить зависимость контролируемых параметров изделия от перечисленных факторов. В процессе измерения можно использовать преобразователи как с одной обмоткой (параметрические), так и с двумя или более обмотками (трансформаторные). У параметрических преобразователей контролируемые параметры преобразуются в полное (комплексное) сопротивление, а у трансформаторных, состоящих из обмотки возбуждения и измерительных обмоток, — в напряжение, индуцированное в измерительных обмотках.

Сила вихревых токов изменяется в зависимости от расстояния до контролируемой поверхности и по глубине изделия.

Условной глубиной проникновения вихревых токов в однородном поле для плоской поверхности считается глубина, на которой ток равен 1/е = 0,36788 силы тока на поверхности. Глубина проникновения электромагнитных полей (и возбужденных вихревых токов) зависит также от частоты тока в катушке возбуждения — так называемый поверхностный эффект. Вихревые токи при малых частотах проникают на значительную глубину, в то время как при больших частотах электромагнитные поля и вихревые токи распределяются в поверхностных слоях изделия. Поверхностный эффект связан с тем, что возбужденные внешним полем вихревые токи создают электромагнитное поле, направленное навстречу возбуждающему полю и ослабляющее его.

Токи, наводимые в поверхностных слоях, оказывают экранирующее действие и

181

уменьшают возможность наведения вихревых токов в более глубоких слоях. Протекающие в глубинных слоях вихревые токи ослабляет и частота возбуждающего поля, с увеличением которой увеличиваются вихревые токи, лежащие ближе к поверхности, и возрастает напряженность возбуждаемого ими электромагнитного поля. Это усиливает экранирующее действие для токов, лежащих дальше от поверхности изделия.

К факторам, оказывающим наиболее существенное влияние на глубину проникновения тока, следует отнести: частоту возбуждающего тока f, электрическую проводимость G и магнитную проницаемость , материала контролируемого изделия. При контроле изделий глубину проникновения вихревых токов можно получить подбором частоты тока возбуждения. Помимо' того, следует учитывать, что вихревые токи, расположенные глубже, отстают по фазе от токов, лежащих ближе к поверхности, в то же время уменьшаясь по амплитуде.

Фазовый угол между токами на глубине d в плоском Проводнике по сравнению с токами на поверхности составляет d/ рад, где — условная глубина проникновения вихревых токов. Время отставания токов на глубине

В проводниках скорость распространения электромагнитных колебаний меньше, чем в вакууме, и зависит также от частоты переменного тока. При относительно небольших скоростях распространения электромагнитных колебаний в проводниках можно измерить сдвиг фазы, который зависит от времени прохождения волн на глубину d и обратно.

Возможности метода вихревых токов расширяются при использовании для анализа сигнала измерений сдвига фазы между напряжением и током.

При изменении магнитной проницаемости материала сдвиг по фазе имеет характер, отличный от сдвига при появлении дефекта. Это происходит вследствие того, что магнитная проницаемость влияет на магнитную индукцию В сильнее, чем на силу тока I, векторы которых сдвинуты по фазе друг относительно друга. Такой же эффект имеет место при колебаниях размеров изделий или изменении относительного положения испытательной катушки и контролируемого изделия. Таким образом, изменение фазы может характеризовать размеры изделия, глубину залегания дефекта, электропроводность и магнитную проницаемость материала изделия.

Фазочувствительные методы обладают большими возможностями при определении различных параметров исследуемых изделий, но требуют детального изучения характера зависимости фазы от интересующего исследователя параметра.

При практическом использовании фазочувствительных методов удобнее заменить измерение фазового угла между током и напряжением измерением полного сопротивления катушки преобразователя, так как между этими двумя характеристиками существует вполне определенная устойчивая зависимость. В большинстве приборов для этой цели применяется фазочувствительная мостовая схема, в плечи которой включают два преобразователя. Один из преобразователей взаимодействует с образцовой деталью, а второй — с исследуемой. Характер изменения полного сопротивления катушек обоих преобразователей и рассогласование этих сопротивлений регистрируются чаще всего на экране электронно-лучевой трубки.

182