Особенности разных способов намагничивания в постоянном, переменном и импульсном магнитных полях

При намагничивании постоянным полем в детали создают постоянное магнитное поле напряженностью Н_тах, доста­точной для насыщения материала. В поле напряженностью H_mах практически достигается насыщение. Если уменьшить напряженность поля на 25%, то это приводит к уменьше­нию остаточной индукции В_r и коэрцитивной силы Н_с не более чем на 1%. Достоинства намагничивания в постоян­ном поле — его стабильность, отсутствие влияния вихревых токов. Однако это наиболее энергоемкое намагничивание.

Например, для намагничивания до насыщения цирку­лярным способом внешней поверхности гайки М4 из стали 20 необходим ток 80 А, напряженность поля 32 А/см. По­этому в постоянном поле намагничивают только малогаба­ритные детали или отдельные участки деталей.

Намагничивание в переменных полях имеет свои проб­лемы, так как необходимо обеспечить выключение тока в момент достижения амплитудного значения, что технически не просто. При выключении же тока в произвольный мо­мент времени требуемого остаточного намагничивания де­тали получить не удается. Если выключение внешнего поля произошло вблизи насыщения, то изменение магнитного состояния происходит по предельной петле гистерезиса и достигается значение В_r (без учета влияния размагничива­ющего действия концов детали). Если же выключение про­изошло в другой точке кривой гистерезиса, то размагничивание происходит уже по частному циклу до значения В_r', меньшего В_r. Когда же выключение поля про­изойдет в нуле, материал окажется полностью размагни­ченным.

Поэтому решают эту проблему двумя путями: проводят многократное намагничивание с выключением поля в случайный момент времени и последующей оценкой степени намагниченности или применяют электронный ключ, обес­печивающий отключение в нужное мгновение.

Импульсный метод намагничивания сочетает достоин­ства намагничивания с помощью постоянного и переменного полей, хотя технически он сложен. Чаще всего импульсное намагничивание осуществляется импульсом тока в резуль­тате разряда конденсатора большой емкости. Длительность и амплитуда импульса напряженности намагничивающего поля должны быть выбраны такими, чтобы при минималь­ных энергетических затратах и высокой производительнос­ти обеспечить техническое насыщение материала. Благодаря отсутствию магнитопровода импульсные уста­новки имеют относительно небольшую массу и являются более экономичными, чем установки с продолжительным намагничиванием.

Следует иметь в виду, что вследствие влияния вихревых токов во время действия импульса, намагничивание раз­личных областей контролируемой детали происходит не одинаково. В то время, как поверхностные слои намагничиваются до насыщения, внутренние области оказываются ненамагниченными. Характер изменения магнитной индукции на различных радиусах r_* цилиндра при воздейс­твии импульсного магнитного поля различен. Таким образом, деталь не промагничивается полностью как на постоянном токе. Но именно это и позволяет очень эффективно уменьшить влияние размагничивающего действия концов детали. При этом импульсным полем перемагничивается поверхностный слой детали, в результате образуется как бы замкнутая магнитная цепь.

Комбинацией намагничивания в постоянном и импулм сном полях является намагничивание пульсирующим (выи рямленным) током, что обеспечивает намагничивание всего объема постоянной составляющей тока и перемагничивашю только поверхностного слоя переменной составляющей, При таком намагничивании оказывается возможным контроль более коротких деталей с отношением длины к диа­метру порядка 3...5.

Часто при намагничивании центральный проводник рас­полагают в центре отверстия намагничиваемой детали, что обеспечивает достаточно равномерное распределение поля и высокую надежность контроля. Если осевой стержень (про­водник с током) не точно центрирован, а смещен к одной стороне отверстия, то кроме циркулярного, возникает полюсное намагничивание. Кроме того, большое влияние имеет геометрия детали, как магнитопровода (см. выше).

Поле распределится крайне неравномерно, особенно на внутренней поверхности детали. При этом возникают маг­нитные полюса и возрастает значение нормальной состав­ляющей напряженности Н_н, что снижает эффективность магнитного контроля. Поэтому осуществляется центриро­вание проводника с помощью втулок из токонепроводящего материала различной конструкции. Втулки в виде конуса используют для намагничивания деталей с различными ди­аметрами центральных отверстий. Для намагничивания локальных участков деталей с од­носторонним подходом, крупногабаритных объектов ис­пользуют схему циркулярного намагничивания пропуска­нием тока с помощью специальных зажимов или электроконтактов. Магнитные ли­нии в этом случае представ­ляют собой концентричес­кие окружности. Ширина и длина контролируемого участка связана с расстоя­нием между электроконтактами, силой тока между ними и параметрами мате­риала детали.

При этом выявляются дефекты, направленные по линии, соединяющей точки установки электроконтактов.

Рис. 92. Картина поля на поверх­ности детали 1 при намагничивании пропусканием по ней тока с приме­нением электроконтактов: 2,3 — наконечники электроконтактов; 4 — магнитные линии на поверхности де­тали; 5 — выявляемые дефекты.

Индукционное намагничивание заключается в возбуж­дении в проверяемой детали тока, полем которого намагни­чивается проверяемая деталь. Одна из схем индукционного намагничивания показана на рис. 93. Проверяемую деталь 1 одевают на съемную часть магнитопровода 2. В детали 1 воз­буждается индукционный ток как в короткозамкнутом витке и магнитное поле возникает внутри и вокруг детали 1.

Индукционное намагничивание применяют для выяв­ления кольцевых дефектов, расположенных на торцевых, внутренней и внешней поверхностях детали. Полюсное намагничивание — это такое намагничивание, в результате которого магнитный поток одну часть пути про­ходит в детали, другую — по воздуху. На детали образу­ются магнитные полюсы (рис. 94). Из рисунка видно, что линии магнитной индукции — линии замкнутые, часть пути проходят внутри болта, а другую часть пути — вне его. Полюсное намагничивание бывает: продольным, если намагничивающее поле Н направле­но вдоль продольной оси де­тали (рис. 95, а);

поперечным, если намаг­ничивающее поле Н направ­лено перпендикулярно про­дольной оси проверяемой де­тали (рис. 95, б);

нормальным, если намаг­ничивающее поле Н направ­лено перпендикулярно плос­кости детали (рис. 95, в).

Полюсное намагничива­ние (см. табл. 4) проводят и с помощью дросселя:

с использованием гибко­го кабеля;

с применением катушки;

с помощью переносного магнита;

в стационарных электро­магнитах;

дефектоскопами на пос­тоянных магнитах;

способом «магнитного контакта».

Рис. 93. Схема индукционного на­магничивания: 1 — деталь; 2 — съемная часть магнитопровода; 3 — электрический ток в контроли­руемой детали 1.

Рис. 94. Полюсно намагничен­ный болт.

Самым распространенным является продольное намагни­чивание в соленоидах и электромагнитах, которые исполь­зуют для обнаружения трещин и других дефектов, направ­ленных перпендикулярно продольной оси детали.

На рис. 96 показан соленоид 1, образованный витками кабеля, в который помещена контролируемая деталь 2. Учи­тывая направление тока, по правилу штопора, определяется направление полей вокруг витков кабеля, которые сумми­руются и образуют результирующее поле соленоида. Нап­равление результирующего поля также можно определить по правилу штопора. Вращая ручку штопора по часовой стрелке (по направлению тока), определим направление поля, совпадающего с поступательным движением штопо­ра. Поле в соленоиде направлено вдоль его продольной оси. На проверяемой детали 2 выявляются трещины, рас­положенные перпендикулярно ее продольной оси.

Рис. 95. Виды полюсного намагничивания: а — продольное; б — поперечное; в — нормальное; 1 — деталь; 2 — трещина.

Рис. 96. Соленоид, образованный витками кабеля. Магнитный поток Ф внутри соленоида направлен вдоль его оси.

Если длина детали намного превышает длину солено­ида, то предварительно ее размечают на участки. При вы­боре длины контролируемого участка учитывают:

параметры соленоида и силу тока в нем;

магнитные свойства материала детали.

Контроль проводят последовательно по участкам. Пе­реносные магниты используют для контроля отдельных участков крупногабаритных деталей.

Картина магнитного поля между полюсами электромаг­нита показана на рис. 97, а расположение контролируемого участка и выявляемых дефектов — на рис. 98. Дефекты выявляются только на участке АБВГ, обведенном штриховой линией. Принимают, что ширина контролируемого участка АБ=ВГ равна диаметру Д (или ширине) полюсного наконечника, а его длина АГ=БВ зависит от расстояния L между полюсами электромагнита или магнита.

На участках шириной А = 10...20 мм, прилегающих к полюсам, трещины не обнаруживаются из-за значительного отношения нормальной к тангенциальной составляющей напряженности поля Н_н/Н_т. На контролируемом участке АБВГ выявляются трещи­ны, ориентированные перпендикулярно линии, соединяющей полюсные на­конечники.

Рис. 97. Схема мапштопорошкового контроля участка АБВГ плоской де­тали.

Контроль ведут после­довательно по размеченным участкам (рис. 98, 99), ус­танавливая полюсные нако­нечники электромагнита так, чтобы контролируемые участки a₁, a₂...a_n соприка­сались или перекрывали друг друга на 0,5...1 см.

Недостатком этой схемы контроля является понижен­ная чувствительность к продольным и поперечным дефек­там сварного шва, которые с направлением намагничивания составляют 45° (рис. 99).

Рис. 98. Схема расположения контролируемых участков a₁, a₂...a_n для выявления дефектов, расположенных поперек и вдоль сварного соединения.

Контроль в электромагнитах, питаемых переменным то­ком, эффективен в приложенном поле. Контроль способом остаточной намагниченности с применением электромагни­тов постоянного тока часто не обеспечивает высокой чувс­твительности, поэтому такой контроль деталей ответст­венного назначения нецелесообразен.

На постоянных магнитах контроль ведут способом при­ложенного поля. В зонах, прилегающих к полюсам магнита дефекты не выявляются. Ширина этих зон (0,25... 0,35) L с каждой стороны. Следовательно, длина контролируемого участка составит (0,3... 0,5) L; L — расстояние между по­люсами.

Способ магнитного контакта состоит в том, что один полюс магнита устанавливают на деталь и перемещают его, обеспечивая хороший магнитный контакт с проверяемой поверхностью детали. Второй полюсный наконечник элек­тромагнита должен быть отведен от намагничиваемой по­верхности на возможно большее расстояние.

В местах контакта полюса магнита с деталью происхо­дит локальное намагничивание ее поверхностного слоя. При этом ширина эффективно намагниченной зоны оказы­вается практически равной ширине зоны контакта детали с полюсным наконечником или несколько больше ее, а дли­на равна расстоянию между начальным и конечным поло­жениями полюсного наконечника магнита.

Рис. 99. Схема расположения осей контролируемых участков под углом 45°.

Выявляются трещины, ориентированные перпендику­лярно направлению перемещения полюсного наконечника. Ранее наведенная намагниченность в поверхностном слое детали практически не оказывает влияния на выявляемость дефектов при его намагничивании в другом направлении. Поэтому при контроле деталей по участкам или при после­довательном намагничивании детали в двух или более нап­равлениях промежуточное размагничивание не проводят.

При выявлении трещин на плоских поверхностях дета­лей полюсный наконечник устанавливают на расстоянии 2...3 см от контролируемого участка, затем передвигают его по поверхности и заканчивают перемещение на уда­лении 2...3 см от этого участка. После этого снимают магнит и наносят магнитную суспензию. При контроле удобно при­менять подковообразные, стержневые магниты или пере­носные электромагниты постоянного тока, к которым изготавливают полюсные наконечники, повторяющие кри­визну исследуемой поверхности.

Параллельное намагничивание — одна из схем полюс­ного намагничивания. По этой схеме намагничивание про­водят с применением гибкого кабеля 1, который располагают на поверхности детали (рис. 100, а). При этом магнитный поток большую часть своего пути проходит по воздуху, а меньшую — по детали. В этом случае действует значительное размагничивающее поле. Этим объясняется невысокая эффективность такого намагничивания. Способ контроля при параллельном намагничивании оказывается достаточно эффективным, если применить дополнительные магнитопроводы-полукольца 3 (рис. 100, б), надеваемые на намагничивающий кабель 1. Полукольца 3 (рис. 100, в) закрепляют на токоведущем кабеле 1 на расстоянии 3...5 мм друг от друга. Для создания хорошего магнитного контакта с проверяемой поверхностью деталей, имеющих различную кривизну, к концам полуколец шарнирно могут быть прикреплены полюсные наконечники 2. При пропус­кании тока по кабелю создается замкнутая магнитная цепь: полукольцо 3 — полюсный наконечник 2 — участок детали 4 — второй полюсный наконечник 2. Это обеспечивает высокую намагниченность и, следовательно, высокое качество магнитного контроля на остаточной намагниченности.

Ток в кабеле определяют по приближенной формуле I ≈ 50*D, где D — внутренний диаметр кольца, мм. Тол­щина полукольца составляет 5...8 мм. Ширина полукольца — 15...40 мм.

Параллельное намагничивание с применением кабеля с полукольцами обеспечивает выявление шлифовочных трещин глубиной 0,05...0,07 мм на деталях из сталей типа 30ХГСА, скрытых под слоем хрома толщиной 50...70 мкм.

Комбинированное намагничивание заключается в од­новременном действии на проверяемую деталь двух или трех полей: продольного поля электромагнита или солено­ида и одного или двух циркулярных магнитных полей. Ком­бинированное намагничивание применяют для выявления разноориентированных дефектов за одну операцию намаг­ничивания. Контроль проводят способом приложенного по­ля.

Кроме табл. 4 некоторые схемы комбинированного на­магничивания приведены на рис. 101.

Дефектоскоп комбинированного намагничивания (схема 1) состоит из электромагнита 1, которым создается продольное поле, и устройства циркулярного намагничи­вания пропусканием тока непосредственно по проверяемой детали 2.

Рис. 100. Схема параллельного намагничивания детали с применени­ем: а — обычного кабеля; б — кабеля с полукольцами; в — переме­щение полукольца вдоль кабеля.

По обмотке электромагнита и по детали через контактные пластины 3 поочередно пропускаются разнополярные пакеты полуволн выпрямленного одно- или двухполупериодного тока.

Результирующий вектор поля, действующий на деталь 2, последовательно занимает дискретные положения по направ­лениям i_пр; i_ц; -l_пр; -l_ц, которые с продольной осью детали в течение периода составляют 0,90,180 и 360°. Это обеспечивает обнаружение разноориентированных дефектов.

Дефектоскоп, выполненный по схеме II, содержит: со­леноид 1 для создания продольного поля; устройство для пропускания тока i_ц по детали 2 через контактные пластины 3, которым создается циркулярное поле. Питание намагни­чивающего устройства осуществляется от силового транс­форматора, с которого положительные полуволны тока пропускаются по соленоиду 1, а отрицательные — по де­тали. Вектор поля занимает в течение периода два дискрет­ных положения: его направление с продольной осью детали составляет 0 или 90°. Это обеспечивает выявление как по­перечных, так и продольных трещин.

На схеме III показан принцип действия устройства для комбинированного намагничивания, в котором продольное и циркулярное поля создаются синусоидальными токами, сдвинутыми на 90°. Токи пропускаются по детали 2 и со­леноиду 1. Вектор намагничивающего поля в течение пери­ода поворачивается на угол 360°.

Переменный, выпрямленный и постоянный токи ис­пользуют для циркулярного, полюсного и комбинирован­ного намагничивания. Импульсный ток обычно применяют для циркулярного и полюсного намагничивания.

Длительность пропускания тока при намагничивании с целью контроля на остаточной намагниченности составляет от нескольких микросекунд до 0,5...1 с. При контроле спо­собом приложенного поля ток пропускают либо непрерывно в течение всего процесса намагничивания, нанесения сус­пензии и осмотра, либо по программе «Ток-пауза». При этом длительность тока составляет 0,1...3 с, а паузы — 1...5 с, т. е. ток является прерывистым.

При этом надо правильно оценить тепловую нагрузку на силовое электротехническое оборудование.

Рис. 101. Некоторые схемы комбинированного намагничивания.

На рис. 102 приведена диаграмма действующих значений электричес­ких токов. Надо определить эффективный электрический ток, от которого зависит тепловое состояние оборудования.

Все электротехнические изделия рассчитывают на оп­ределенную продолжительность включения (ПВ). Эта ве­личина измеряется в минутах или процентах от длительности цикла. На рис. 102 показана диаграмма работы электротехнического устройства с периодически пов­торяющимся циклом, содержащим пачки импульсов с разными длительностью и амплитудой. В общем случае из­делия (намагничивающие устройства, провода, системы ох­лаждения, источники питания) рассчитаны на длительную работу (ПВ=100%) или ограниченное включение (ПВ=2...25%). При этом допустимые токи пересчитываются обратно пропорционально предлагаемой продолжитель­ности включения:

I₁²/ I₂²=ПВ₂/ПВ₁

При известной токовой диаграмме, например, по рис. 102, эквивалентную силу тока можно найти по фор­муле:

Этот расчетный ток определяет тепловое состояние электротехнического оборудования и является основной ве­личиной при расчете перегрева.

Плотность тока в обмотках из медного провода стаци­онарных электромагнитов, многовитковых соленоидов сос­тавляет порядка 3...4 А/мм², что по тепловому режиму позволяет использовать их без ограничения времени вклю­ченного состояния. Если обмотка выполнена из алюмини­евого провода, то плотность тока в ней уменьшают до 1,5...2,5 А/мм².

Соленоиды, выполненные медной шиной, гибкие на­магничивающие кабели рассчитывают на повторно-крат­ковременный режим работы с повышенной плотностью тока 15...20 А/мм и более.

Остаточная намагниченность зависит не только от вида и силы тока, но и от параметров выключающих устройств, которые должны обеспечить стабильное выключение при максимальном мгновенном значении тока.

С возрастанием последней полуволны тока сначала про­исходит размагничивание детали при значении тока в не­которой точке С (рис. 103), намагниченной полем предыдущей полуволны тока, а затем вектор намагничен­ности меняет свое направление на противоположное. Вели­чина остаточной намагниченности детали зависит от амплитуды А последней полуволны тока при его выклю­чении. Следовательно, если последняя полуволны тока бу­дет меньше предыдущих амплитудой A₀, то и остаточная намагниченность детали соответственно будет меньше. Если выключение тока произойдет в фазе (точке С), соответс­твующей размагниченному состоянию детали, то намагни­ченность ее будет низкая.

В цепи с индуктивностью нельзя резко прекратить про­текание электрического тока. При правильном выключении остаточная намагниченность практически соответствует максимальной амплитуде переменного тока.

Рис. 102. Диаграмма работы электротехнического устройства в им­пульсном режиме.

Вид тока	Схемы получения тока и намагничивания деталей	Графическое изображение тока
Переменный
Выпрямленный однополупериодный
Выпрямленный двухполупериодный
Выпрямленный 3-хфазный
Постоянный
Импульсный

Рис. 103. Основные электрические схемы намагничивания и формы токов.

Для получения стабильного значения достаточной величины можно выключать по первичной цепи переменный ток в момент его перехода через нуль. Это достигается, нап­ример, применением тиристорных схем выключения тока.

Поле, создаваемое переменным током вследствие скин-эффекта, преимущественно распространяется в поверхнос­тном слое детали, поэтому его применение эффективно для выявления поверхностных дефектов. Глубину проникнове­ния переменного тока в стальную деталь ориентировочно можно определить по формуле f — частота поля. Так, глубина проникновения переменного поля часто той 50 Гц составляет 2,4 мм, а поля частотой 400 Гц — 0,8 мм.

Переменный ток более эффективен по сравнению с пос­тоянным для контроля деталей с малым удлинение (1-2) как при контроле в приложенном поле, так и способом остаточной намагниченности. Увеличение частоты поля приводит к уменьшению размагничивающего поля и улуч­шению выявляемости дефектов на деталях сложной формы.