VI. Магнитные поля рассеяния от внутренних дефектов
Для расчета магнитных полей дефектов, расположенных внутри изделия, при небольших напряженностях поля применяют метод зеркальных отображений. Практика показывает, что такие предположения допустимы при небольших полях подмагничивания.
Существует проблема индикации картины (топографии) поля рассеяния дефекта с его формой, глубиной залегания, степенью намагничивания. Применяя разные способы намагничивания, различную ориентацию приложенного поля и изучая изменение картины поля рассеяния, можно ориентировочно синтезировать образ дефекта, расположенного внутри изделия. Для того чтобы иметь такую возможность, надо проанализировать основные идеализированные ситуации и их влияние на топологию поля.
Идеализированными дефектами являются цилиндрическое отверстие, шарообразная пора, плоский дефект в виде трещины или непровара. Эти дефекты часто переходят один в другой, например, пора окружена паутиной трещин и т.п.
Максимальное поле рассеяния дефекта достигается при намагничивании нормально к наибольшей оси дефекта. Поэтому при поиске дефекта желательно изменять направление приложенного поля.
Глубина проникновения приложенного поля обратно пропорциональна частоте намагничивания и электропроводности металла. При магнитном контроле легко удается определить расположение дефекта в плане, его протяженность. При этом для округлых дефектов рельеф поля на поверхности шире и более чувствителен к исчезновению с ростом частоты намагничивания. Для проверки расчетных формул проводят моделирование полей рассеяния и усиление их за счет комбинированного намагничивания.
Магнитные методы применяют для обнаружения преимущественно поверхностных дефектов с очень малым раскрытием. Поэтому исследование магнитных полей на реальных дефектах весьма затруднительно. При использовании магнитографических лент и других детекторов магнитного поля важно уметь определить эффективность записи, эталонировать дефекты, правильно настраивать дефектоскопическую аппаратуру. На магнитографической ленте записывается преимущественно тангециальная составляющая поля дефекта из-за большого размагничивающего фактора в направлении, перпендикулярном плоскости рабочего слоя, что искажает данные о дефекте.
Эффективность индикаторов внешних магнитных полей рассеяния, например лент, магнитных линз, потокочувствительных элементов (феррозондов, датчиков Холла, магнитодиодов и т.п.), можно оценить, создавая магнитное поле с помощью электрического провода, обтекаемого постоянным током [17]. Меняя диаметр провода (1,5; 5; 10 мм) и величину тока (400.. .3000 А), можно получать различную степень локализации поля, сходного по конфигурации с молем трещин и непроваров.
Вероятность обнаружения дефектов зависит от величины магнитного поля рассеяния. При одновременном намагничивании детали переменным и небольшим постоянным магнитными полями повышается вероятность обнаружения дефектов. Если постоянное магнитное поле значительно — эффект теряется. Этому явлению дана количественная экспериментальная оценка [18]. Схема такого намагничивания представлена на рис. 70.
Рис. 70. Схема комбинированного намагничивания постоянным и переменным полями.
Датчик 2 и электромагнит переменного тока 3 располагаются с определенным зазором относительно испытываемой детали 1. Измерения производятся индукционными, холловскими или феррозондовыми датчиками. Индукционные преобразователи используются для измерения переменной составляющей поля рассеяния, а холловские и феррозондовые — как переменной, так и постоянной. Преобразователи располагаются на расстоянии 0,5 мм от поверхности детали. Электромагнит 3 с закрепленным датчиком 2 перемещается вдоль поверхности и на самопишущем вольтметре 6 регистрируется распределение тангенциальной составляющей поля. Питание электромагнита осуществляется от звукового генератора 5 через усилитель 4 на частотах 0,5...5 кГц.
Дополнительное постоянное подмагничивание (Н=15 А/см) увеличивает амплитуду переменной составляющей поля рассеяния дефекта на 15...20 %.
Если в качестве модели подповерхностного дефекта взята показанная на рис. 71 шаровая полость внутри ферромагнитного материала с магнитной проницаемостью μr, то составляющие напряженности магнитного поля в ферромагнитном материале, окружающем полость, определяются по формулам:
Недостатком этой, а также ряда других рассмотренных моделей дефекта является то, что магнитное поле рассчитывается внутри ферромагнетика, окружающего дефект. В тоже время в магнитной дефектоскопии необходимо знать топографию поля вблизи поверхности вне объекта контроля. Только некоторые модели позволяют получить ее, например, показанная на рис. 72 модель бесконечно протяженного цилиндрического дефекта в полупространстве.
Основной результат этих исследований — функции распределения тангенциальной и нормальной составляющих по поверхности в области дефекта. На рис. 73 показаны зависимости тангенциальной Нх и нормальной Нy составляющих напряженности магнитного поля от координаты х, ортогональной плоскости трещины. Тангенциальная составляющая не изменяет знака при переходе через дефект и для узких дефектов имеет один максимум, для широких — два.
Рис. 71. Модель дефекта в виде шаровой полости.
Рис. 72. Модель дефекта в виде цилиндра в полупространстве.
Рис. 73. Тангенциальная (а) и нормальная (б) составляющие напряженности поля над трещиной.
Обычно магнитный контроль используют для контроля узких дефектов, поэтому можно считать, что максимум тангенциальной составляющей всегда располагается над дефектом.
Нормальная составляющая Нy при переходе через дефект меняет знак. С изменением глубины залегания дефекта от h1 до h4 характер зависимости не изменяется, а максимальное значение Н возрастает. Таким образом, оценить глубину дефекта можно по нормальной составляющей поля.
При изменении ширины d дефекта происходит не только увеличение значения Нy, но и смещение экстремума. Следовательно, информация о ширине трещины содержится как в значении, так и в положении максимума Нy.
При перемещении первичного преобразователя в направлении, перпендикулярном направлению трещины, нормальная составляющая напряженности магнитного поля изменяет знак, проходя через нулевое значение, и имеет второй экстремум.
В точке прохождения через нуль нормальной составляющей Нy тангенциальная составляющая Нх имеет максимум, а в случае широких трещин — значение, близкое к максимальному.
Хотя указанные способы определения размеров дефектов могут быть реализованы, практически их применение сильно осложнено основным мешающим фактором — изменением магнитных характеристик от образца к образцу.
С уменьшением магнитной индукции материала уменьшается напряженность магнитного поля рассеяния дефекта, что может приводить к ошибкам при оценке параметров дефекта непосредственно по какой-либо составляющей напряженности магнитного поля. По этой причине предпочтительнее контроль по топографии магнитного поля. Однако и здесь существуют свои сложности — локальные неоднородности, отличать которые от дефектов крайне трудно. Локальные неоднородности могут появиться в результате механических ударов, термических воздействий, поднесения магнита к детали.
Например, если провести намагниченной отверткой по поверхности детали, то появится магнитный след аналогичный следу от трещины. Чтобы устранить ошибку, надо повторно намагнитить деталь и снова ее проконтролировать. Неоднородности магнитных свойств, вызванные механическими напряжениями в результате ударов, перегревов устраняются отжигом или размагничиванием.