Учебное пособие разработано в рамках
инновационно-образовательной программы «Инновационный
научно-образовательный транспортный комплекс на Дальнем Востоке России»
Доктор технических наук,
главный научный сотрудник Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН,
заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор
А.Д. Верхотуров
Кандидат технических наук,
заместитель заведующего кафедрой «Строительные и дорожные машины»
Тихоокеанского государственного университета, доцент
А.В. Лещинский
Р 693
Романов, И.О.
Физические основы неразрушающих методов контроля : учеб. пособие / И.О. Романов, Д.В. Строителев, В.М. Макиенко. – Хабаровск :
Изд-во ДВГУПС, 2008. – 108 с.
Учебное пособие соответствует ГОС ВПО направления 190300 «Подвижной состав железных дорог», специальности 190301 «Локомотивы», 190302 «Вагоны»; направления 190200 «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы», специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», направления 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства».
Рассматриваются наиболее распространенные методы неразрушающего контроля.
Предназначено для студентов I курса дневной формы обучения и III курса заочной формы обучения, изучающих дисциплину «Технология конструкционных материалов», раздел «Неразрушающие методы контроля», может быть полезно слушателям Института дополнительного образования и инженерно-техническому персоналу железной дороги.
УДК 620.179.1 (075.8)
ББК К2-07я73
1. Физические основы магнитного
неразрушающего контроля
Магнитный вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля и объекта контроля (ОК). Он применим лишь к деталям из металлов и сплавов, способных к намагничиванию. Основные задачи магнитного неразрушающего контроля (НК): контроль сплошности – дефектоскопия, измерение размеров – толщинометрия, контроль физико-механических свойств – структуроскопия. В отличие от двух последних на железнодорожном транспорте актуальна магнитная дефектоскопия, с помощью которой выявляют поверхностные и подповерхностные дефекты на свободных или открытых для доступа частях деталей.
На железнодорожном транспорте магнитному контролю подвергают следующие объекты подвижного состава: детали ударно-тягового и тормозного оборудования, рамы тележек различных моделей в сборе и по элементам, оси колесных пар вагонов и локомотивов всех типов в сборе, ободы, гребни и спицы локомотивных колес, свободные кольца буксовых подшипников, а также внутренние кольца, напрессованные на шейки оси, венцы зубчатых колес и шестерен тягового редуктора, валы генераторов, тяговых двигателей и шестерен в сборе, упорные кольца, стопорные планки, пружины, шкворни, болты и т.д. такая широкая номенклатура контролируемых объектов предполагает достаточно большое разнообразие методов, средств и технологических приемов магнитного контроля. При этом физическая сущность магнитной дефектоскопии для всех объектов является единой.
Методической основой технологии магнитного контроля являются государственные стандарты [1–3], руководящие документы [4–7].
1.1. Магнитное поле и его характеристики
Общеизвестно, что в «пустом» пространстве существует силовое поле, если на предмет, находящийся в этом пространстве, действует сила. Например, человек постоянно испытывает действие гравитационного поля: где бы он ни находился, Земля притягивает его с силой
, (1.1)
где m – масса тела; – ускорение свободного падения (характеристика самого поля).
Для всех физических полей структура формулы для определения силы поля одинакова [8, 9]. В ней всегда фигурирует произведение одной или нескольких величин, характеризующих тело (масса, заряд, скорость и т. д.), умноженное на векторную величину, которая характеризует поле в точке его местоположения. Эта величина называется напряженностью поля. В выражении (1) ускорение свободного падения есть напряженность гравитационного поля.
Каждое силовое поле создается теми и только теми телами, на которые оно может действовать. Например, любой предмет, независимо от размера, массы, цвета и т.д., создает вокруг себя гравитационное поле, которое притягивает к себе другие предметы вдоль линии, соединяющей их центры тяжести.
Возьмем другое по физической природе поле – электростатическое (кулоновское). Оно действует только на заряженные тела с силой
, (1.2)
где q – электрический заряд тела; – напряженность электростатического поля в месте его нахождения.
Подчеркнем, что электростатическое поле более избирательно, оно создается только заряженными телами, заряды q которых могут быть и положительными, и отрицательными, тогда как масса m всегда положительна, несмотря на то, что формулы одни и те же: чтобы определить силу, надо определенную величину, относящуюся к телу, умножить на напряженность поля в этой точке.
Рассмотрим физические поля (рис. 1.1), которые представляют силовые линии. Главное свойство такой линии поля состоит в том, что в любой точке, через которую она проходит, направление вектора напряженности совпадает с направлением касательной к ней в этой же точке (рис. 1.1, а). Длины векторов, т. е. значения напряженности во всех точках силовой линии, одинаковы. Проведенная на рисунке одна силовая линия задает направление напряженности в бесконечном числе лежащих на ней точек. Если поле сильнее, то, следовательно, величина напряженности больше там, где линии будут расположены гуще, и слабее – где они разряжены (рис. 1.1, б). В то же время силовые линии не могут пересекать друг друга.
а б
Рис. 1.1. напряженность на силовой линии
и в точках магнитного поля
Таким образом, по совокупности линий можно судить не только о направлении, но и о значениях напряженности магнитного поля. Поле, напряженность которого одинакова во всех точках, называется однородным. В противном случае оно неоднородно.
Магнитное поле – это один из видов силовых полей, но в отличие от электро-статического оно еще более избирательно – действует только на движущиеся заряды. На неподвижные заряженные предметы, даже в самых сильных магнитных полях, не действует никакая сила. Становится очевидным, что «конструкция» формулы для определения силы, действующей на движущееся тело в магнитном поле, должна быть сложнее предыдущих [8, 9].
Действительно, для гравитационного поля важна лишь масса тела m, для кулоновского – величина его заряда q, а для магнитного поля важными оказываются сразу три фактора: заряд тела, численное значение скорости его движения и направление скорости. Сила, приложенная к движущемуся заряженному телу со стороны магнитного поля, называется силой Лоренца:
, (1.3)
где q – электрический заряд тела; v – скорость заряженного тела; – угол между направлениями векторов скорости и напряженности магнитного поля в точке, где находится тело; μ0 – размерный коэффициент.
Напряженность магнитного поля Н – его силовая характеристика, не зависящая от магнитных свойств среды, в которой поле существует. Она характеризует магнитное поле по величине и направлению, но учитывает только влияние на интенсивность поля проводников с токами и расположение магнитов. В системе СИ измеряется в амперах на метр – А/м или А·м-1. Для того чтобы описать вектор напряженности магнитного поля , поместим его в прямоугольную систему координат на поверхности детали, соединив начала вектора и системы координат, и найдем его составляющие (рис. 1.2) [8]. Такое представление удобно в работе, так как проще измерять не вектор в целом, а его компоненты. Особенно часто используют компоненты (векторы) – нормальная составляющая, как правило, перпендикулярная поверхности детали, и – тангенциальная составляющая с модулем , направленная параллельно поверхности.
Заменим произведение нескольких параметров, характеризующих тело в уравнении (1.1), на единственный, более сложный, чем масса или заряд, параметр, который называется магнитным моментом.
Куда направлена сила магнитного поля? В гравитационном поле сила всегда направлена в ту же сторону, что и ускорение свободного падения, так как тел с отрицательной массой не бывает. При положительном заряде в кулоновском поле сила F и напряженность Е всегда направлены вдоль прямой, соединяющей два заряда, причем в одну сторону, и в разные – при отрицательном заряде тела.
В магнитном поле сила Лоренца Fл всегда перпендикулярна и к напряженности вектора , и к скорости тела . Очевидно, что единственная прямая, перпендикулярная одновременно вектору и – есть перпендикуляр к плоскости, в которой лежат эти векторы (рис. 1.3, а) [10].
а б
Рис. 1.3. Силы Лоренца (а) и Ампера (б)
Если изменить на противоположное направление скорости или напряженности , то поменяется на противоположное и направление силы Fл. Последнее можно определять по известному правилу левой руки.
В случае, при котором носителями зарядов является движущийся в проводнике поток электронов, силы Лоренца, приложенные к каждому электрону в потоке, суммируясь, прижимают их к стенке провода, толкая его поперек движения электронов, т. е. перпендикулярно направлению электрического тока. В результате формула (1.1) преобразуется и значение силы, действующей на проводник длиной l с током I, расположенный под углом α к направлению поля Н (рис. 1.3, б), будет определяться законом Ампера:
. (1.4)
Если ток течет в контуре в виде плоской рамки в однородном поле Н, направленном параллельно сторонам АВ и СД (рис. 1.4, а), то возникают две силы Ампера, воздействующие перпендикулярно сторонам ВС и ДА
( = 90°), параллельные между собой и направленные противоположно, которые образуют на плече b/2 пару сил с моментом
, (1.5)
где – площадь рамки.
Формулу (1.5) можно представить в виде:
, (1.6)
где величину называют магнитным моментом контура. Единицей измерения является А·м2 – «амперквадратный метр».
Если рассматривать плоский контур произвольной формы с током в однородном магнитном поле, то необходимо просуммировать воздействие Н на отдельные малые элементы контура, то результат останется тем же: формула (1.6) будет справедливой. Магнитному моменту контура придают векторный характер. Условимся за направление принимать направление положительной нормали к контуру с током по правилу правозаходного винта (рис. 1.4) [10].
а б
Рис. 1.4. Магнитный момент: а – рамки с током;
б – произвольного контура с током в магнитном поле
В общем случае, когда контур с током I и однородное магнитное поле Н не лежат в одной плоскости, а находятся под углом α, который на рис. 1.4, б показан, как угол между направлением поля Н и нормали () к контуру, то магнитное поле Н можно разложить на две составляющие: и . Тогда тангенциальная составляющая () будет лежать в плоскости контура, а нормальная () – перпендикулярна ему. При этом и . Вращающий момент создает только составляющая , т. е.
(1.7)
или в векторной форме:
. (1.8)
Для более компактного по сравнению с выражением (1.8) описания силового воздействия магнитного поля введем в рассмотрение понятие магнитной индукции В, которая, как и напряженность Н, является величиной векторной и служит основной характеристикой магнитного поля. Величины В и Н связаны соотношением:
. (1.9)
Здесь размерный коэффициент μ0 в системе СИ равен 4π10-7 Гн/м. Его называют также магнитной постоянной или магнитной проницаемостью вакуума, придавая этим данному коэффициенту определенный физический смысл. Тогда с учетом уравнения (1.9) выражение (1.8) можно представить в виде векторного произведения:
, (1.10)
т. е. формула для определения силового воздействия на контур с током в магнитном поле становится такой же простой, как в гравитационном и электростатическом. Основное различие заключается в том, что для двух последних формулы (1.1) и (1.2) определяют силы, действующие на пробное тело, а формула (1.10) определяет момент сил. Под действием гравитационного и электростатического поля пробное тело движется поступательно. Контур с током под действием однородного магнитного поля испытывает поворот. Под действием неоднородного поля контур одновременно и вращается, и поступательно перемещается.
1.2. Источники магнитного поля
Любой проводник, или контур с электрическим током, так же, как и движущийся электрический заряд, создают свое собственное магнитное поле. Количественную оценку такого магнитного поля производят посредством напряженности Н (рис. 1.5, а), которая определяется законом Био-Савара-Лапласа [7]: элемент контура l, по которому течет ток силой I, создает в произвольно выбранной точке А пространства магнитное поле напряженностью
, (1.11)
где r – расстояние от элемента контура до рассматриваемой точки; α – угол между r и Δl.
Вектор напряженности магнитного поля , созданный током I, перпендикулярен плоскости, в которой лежат элемент Δl и отрезок r.
Рассмотрим частные, но важные для практики случаи.
1.2.1. Магнитное поле прямолинейного проводника с током
Суммируя все от всех , на основе уравнения (1.11) получаем:
. (1.12)
В соответствии с рис. 1.5, б имеем: и .
Тогда . Проинтегрировав, получаем:
.
Таким образом, напряженность поля Н в любой точке, расположенной на расстоянии r от оси прямолинейного проводника, определяют по формуле, А/м:
. (1.13)
Силовые линии магнитного поля – это концентрические окружности с центрами на оси проводника (рис. 1.6, а) [11]. Направление поля связано с направлением тока правилом правозаходного винта. По мере приближения к оси проводника () магнитное поле усиливается, а с удалением – падает, как показано на рис. 6, а (при сгущении или разряжении силовых линий).
Подчеркнем, что гиперболический закон (1.13) уменьшения Н верен только для точек вне проводника. Внутри проводника диаметром 2r0 поле по мере удаления от его геометрической оси линейно возрастает с увеличением r по закону:
. (1.14)
Таким образом, напряженность поля внутри проводника в пределах r < r0 (рис. 1.5, а, участок 1) линейно зависит от r, т. е. , а вне – при r > r0 (см. рис. 1.6, б, участок 2) – [11]. Напряженность в любой точке, расположенной на поверхности проводника (r = r0), достигает максимального значения:
.
Рис. 1.5. Иллюстрации к выводу закона Био-Савара-Лапласа
для элемента с током: а – в произвольном контуре;
б – в прямолинейном проводнике
Прямолинейные проводники с током в виде медных стержней или гибких кабелей различного сечения применяют для циркулярного намагничивания контролируемых деталей.
а б
Рис. 1.6. Магнитное поле прямолинейного проводника с током:
а – линии магнитного поля; б – напряженность поля внутри
и вне проводника
1.2.2. Магнитное поле кругового тока
В центре кругового тока (рис. 1.7, а), когда , и , напряженность
, т. е. . (1.15)
Рис. 1.7. Магнитное поле кругового тока: а – в центре;
б – на расстоянии d от плоскости его протекания
1.2.3. Магнитное поле на оси кругового тока
магнитное поле на оси кругового тока на расстоянии d от плоскости его протекания (рис. 1.7, б) можно рассчитать по формуле:
. (1.16)
При d = 0 формула (1.16) переходит в выражение (1.15). С увеличением d значение напряженности поля по оси уменьшается. Если имеется w проводников, уложенных в достаточно тонкую катушку (d 0), то в уравнение (1.16) вместо I подставим произведение wI. Длинная катушка называется соленоидом.
1.2.4. Магнитное поле соленоида
Исходя из обозначений, принятых на рис. 1.8 [12, 13], на основе уравнения (1.11) выражение для поля Н (оно направлено вдоль оси соленоида) запишется в виде:
. (17)
соотношение (1.17) применяется для расчета при проведении магнитной дефектоскопии, так как соленоиды широко используются для намагничивания деталей.
Часто пользуются упрощенным вариантом выражения (1.17), исходя из того, что соленоид бесконечно длиннен, т. е. принимается >> R, в результате имеем:
. (1.18)
Поле соленоида пропорционально току I и отношению числа витков к длине соленоида , которое называют постоянной соленоида.
В центре соленоида
, (1.19)
у края соленоида
. (1.20)
Если при этом l >> R, то , т. е. на краю длинного соленоида поле в два раза меньше, чем в середине. При R >> l выражение (1.17) переходит в уравнение (1.15), с соответствующим числом витков.
Как видно из рис. 1.8, поле будет однородным лишь внутри и вблизи центра соленоида. Приближаясь к его краям, силовые линии начинают расходиться, и напряженность поля падает. Снаружи, например, у правого конца, силовые линии «загибаются назад», рассеиваются и на входе слева сгущаются.
1.2.5. Магнитное поле проводника конечного сечения
В практике магнитной дефектоскопии для контроля осесимметричных деталей или деталей в форме тел вращения часто применяют циркулярное намагничивание путем пропускания тока непосредственно вдоль оси детали. При этом поле (см. рис. 1.6, б) в некоторой точке вне цилиндра, удаленной на расстояние r от центра цилиндра, рассчитывается по формуле (1.13). Так как поле внутри цилиндра создается током , где плотность тока , а , то для r << r0 поле определяется как , и оно, как и следовало ожидать, совпадает с полем, рассчитанным по формуле (1.14).
Таким образом,
(1.21)
1.2.6. Магнитное поле тока, текущего по трубе
Аналогичные рассуждения дают в данном случае следующие результаты по участкам 1–3 (рис. 1.9):
(1.22)
а б
Рис. 1.9. Поле тока, текущего по трубе
1.3. Магнетизм и намагничивание
Носители магнетизма в металле – элементарные электрические токи в атомах (гипотеза Ампера) созданы вращением электронов вокруг ядра (рис. 1.10, а), прецессионным движением (качанием) электронных орбит (рис. 1.10, б) и вращением электронов вокруг своей оси – спином электрона (рис. 10, в), который вносит наибольший вклад в образование магнитного поля в атоме [14].
Элементарные токи в каждом атоме формируют атомные магнитные моменты , которые, складываясь между собой, образуют магнитное поле атома и, в конечном счете, вещества в целом. Однако большинство веществ не проявляет магнитных свойств, так как магнитные моменты их атомов направлены произвольно и взаимно компенсируют друг друга, т. е. размагничиваются уже в небольшом своем объеме.
Рис. 1.10. Магнитные моменты в атоме, формируемые элементарными токами:
а – движением электрона вокруг ядра; б – прецессией электронной
орбиты; в – вращением электрона вокруг своей оси
Существуют материалы с высокой способностью к намагничиванию – ферромагнетики. Их в природе насчитывается немного. Главный среди них – железо. На его основе с добавками никеля, кобальта, вольфрама и алюминия созданы все ферромагнитные сплавы. У них совершенно особая структура: даже если нет внешнего магнитного поля, то моменты миллионов соседних атомов самопроизвольно выстраиваются параллельно друг другу, образуя микроскопические области, так называемые домены – идеальные магниты в миниатюре. В обычном представлении это крошечные области, но в сравнении с размерами атомов они огромные. Число атомов в них составляет около 1015, а размеры в поперечнике – около 10 мкм. Все магнитные моменты атомов внутри домена ориентированы одинаково, т. е. эта область намагничена до насыщения и представляет собой относительно сильный постоянный магнит. Она характеризуется магнитным моментом домена.
Если нет внешнего магнитного поля, то магнитные моменты доменов направлены беспорядочно и взаимно компенсируют друг друга. Поэтому ферромагнетик в обычном своем состоянии не имеет результирующего магнитного момента, т. е. его намагниченность равна нулю.
1.3.1. Магнитные величины
При наложении на ферромагнетик внешнего магнитного поля каждый домен дает слагающую магнитного момента по направлению этого поля. Моменты доменов суммируются, и ферромагнетик приобретает результирующий магнитный момент . Свойство вещества увеличивать свой магнитный момент за счет возникновения элементарных магнитных моментов под действием внешнего магнитного поля называют намагничиванием. В качестве его меры принят вектор намагниченности , количественно равный магнитному моменту некоторого объема V вещества в точке внутри него . Вектор намагниченности характеризует собственное магнитное поле вещества, возникающее изнутри от суммарного действия доменов, он в десятки и сотни раз превышает первопричину, т. е. намагничивающее поле Н. Этому способствует не только значение напряженности Н внешнего поля, но и кристаллическая структура ферромагнетика, так как в пределах кристалла моменты доменов легче выстраиваются в одном направлении. Намагниченность М, А/м, связана с напряженностью Н зависимостью:
, (1.23)
где коэффициент χ – магнитная восприимчивость вещества.
Магнитная восприимчивость χ – безразмерная величина, характеризующая способность вещества намагничиваться. Она сложным образом зависит от напряженности магнитного поля Н, температуры, давления, способа изготовления, термообработки и химического состава, а также от «магнитной предыстории» материала. В зависимости от модуля и знака восприимчивости χ все вещества условно делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики [14, 15].
Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость: χ = – (10-5 – 10-7). Это означает, что они намагничиваются во внешнем магнитном поле навстречу вектору напряженности этого поля.
Парамагнетики намагничиваются во внешнем магнитном поле по направлению вектора его напряженности, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость: χ = 10-1 – 10-5.
Ферромагнетики – это вещества, в которых при температуре меньше точки Кюри, устанавливается состояние самопроизвольной намагниченности. Характерные признаки ферромагнетиков – высокое значение магнитной восприимчивости (χ = 1 – 105) и существенная зависимость ее значения от напряженности внешнего магнитного поля.
поле М от доменов и намагничивающее поле Н складываются, образуя в веществе суммарное поле, характеризуемое магнитной индукцией В:
. (1.24)
Формула (1.24) учитывает и воздействующее поле Н, и тот вклад поля от доменов М, который привносит само вещество. Если намагничивающие поле Н характеризует магнитное поле, внешнее по отношению к ферромагнетику, то магнитная индукция В определяет значение и направление поля в нем.
Подставляя выражение (1.23) в формулу (1.24), имеем:
, т. е. . (1.25)
Здесь , Гн/м, – абсолютная магнитная проницаемость, характеризует способность вещества к намагничиванию; 0 = 410-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума. Размерности а и 0 совпадают;
– относительная магнитная проницаемость, величина безразмерная, широко употребляемая в инженерной практике, показывающая во сколько раз магнитные свойства (индукция) данного вещества лучше магнитных свойств вакуума, т. е. . Относительная магнитная проницаемость μ, так же, как и χ, зависит от Н.
У диамагнитных веществ (медь, серебро, золото, цинк и др.) значения μ на несколько десятитысячных долей меньше единицы; у парамагнитных (алюминий, хром, платина, марганец и др.) μ на несколько десятитысячных больше единицы. Ферромагнитные материалы имеют μ >> 1, исчисляемое сотнями и тысячами единиц. Однородное магнитное поле в диамагнетиках ослабляется, а в парамагнетиках усиливается. Среда с неоднородным магнитным полем диамагнитные вещества выталкивает, парамагнитные втягивает в себя.
Поскольку значения μ для диамагнитных и парамагнитных веществ почти не отличаются от единицы, а взаимодействие их с внешним полем слабое, то принимают, что магнитные свойства диамагнетиков и парамагнетиков равноценны вакууму.
В соответствии с ГОСТ 21105-87 «Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод» [3] магнитный контроль применим только для деталей из ферромагнитных материалов с μ ≥ 40.
Магнитная индукция В – основная характеристика магнитного поля в намагниченной среде, зависит она от свойств среды – μа [см. формулу (1.25)]. Величина векторная определяется по механическому действию магнитного поля на проводник длиной l с током I по закону Ампера (1.2) в следующем виде:
, т. е. .
Положив F = 1 Н, I = 1 А, l = 1 м, получим, что в системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в ньютонах, деленных на ампер-метр, или килограммах – ампер-секунда-квадрат: .
Этим тождественным единицам присвоено наименование «тесла» – Tл, при этом 1 Tл – достаточно крупная единица. При магнитном контроле используются поля 0,025–0,060 Tл или 25–60 мTл от постоянных магнитов, при намагничивании деталей в соленоидах – до 100–200 мTл, электромагнитами – до 1,0 Tл. Магнитная индукция в ферромагнетиках может достигать 2–2,5 Tл.
Первопричиной индукции В является намагниченность М [см. формулы (1.23) и (1.24)], которая в десятки и сотни раз превышает напряженность Н в слабых намагничивающих полях. В сильных полях величина М становится сравнимой с Н. Последняя, являясь, в отличие от В вспомогательной магнитной величиной, не зависит от свойств среды.
Линии магнитного поля, пронизывающие деталь или вещество, называют линиями магнитной индукции. представляя собой как бы упругие нити (М. Фарадей), они, как и линии напряженности Н, нигде не пересекаются. Любая магнитная линия индукции является замкнутой на себя независимо от того, через какие среды ей приходится проходить.
Совокупность (количество) магнитных линий, проходящих сквозь рассматриваемую поверхность, называют магнитным потоком индукции Ф, который является величиной скалярной. В однородном поле
, (1.26)
где S – площадь пронизываемой плоскости, расположенной под углом α к линиям магнитной индукции В.
На основе закона электромагнитной индукции
или (1.27)
где е – наведенная ЭДС, В; t – время, c.
Положив е = 1 В, t = 1 с, получим: 1 единица магнитного потока = = 1 В1 с = 1 Вс = 1 Вб, которая в системе СИ называется «вебер» – Вб. Это очень крупная единица измерения. Это видно из соотношения между данными единицами на основе выражения (25): , т. е. Вб – поток, создаваемый однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через площадь поперечного сечения 1 м2. В практике магнитного контроля используют тысячные и миллионные доли Вб, т. е. мВб и мкВб.
Линии магнитной индукции, пересекая границы различных веществ, никогда не разрываются. Магнитный поток целиком проходит через совокупность ферромагнетиков. Такую совокупность называют магнитной цепью, которая представляет собой, например, деталь, намагничиваемую соленоидом, либо изделие, сопряженное с приставным магнитом. Здесь так же, как и для электрических цепей, используют законы Ома и Кирхгофа.
Если линии магнитной индукции замыкаются через ферромагнитный сердечник (магнитопровод), то магнитный поток в нем
, (1.28)
где F = Iw – магнитодвижущая сила (МДС), Авиток; lср – длина средней линии магнитопровода, м; S – сечение магнитопровода, м2; – магнитное сопротивление, .
Магнитный поток в магнитной цепи прямо пропорционален МДС и обратно пропорционален магнитному сопротивлению. Магнитное сопротивление Rm ферромагнетика прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и магнитной проницаемости.
Для замкнутой магнитной цепи, содержащей участки l1, l2, l3, …, МДС определяется законом полного тока:
. (1.29)
Так как H = B/μa = Ф/μaS, то
. (1.30)
Отсюда следует основной закон магнитной цепи:
. (1.31)
1.3.2. Кривая намагничивания и петля гистерезиса
кривая намагничивания и петля гистерезиса показывают процесс изменения намагниченности ферромагнетиков. Кривая намагничивания (рис. 1.11) [15] представляет собой графическое изображение зависимости (1.25)
Рис. 1.11. Кривая намагничивания и петля гистерезиса
схема снятия кривой намагничивания ферромагнитного стержня, помещенного в соленоид, по обмотке которого протекает электрический ток I, приведена на рис. 1.12, а. значение тока можно изменять реостатом R. Соленоид создает направленное по оси стержня поле в соответствии с формулой (1.15).
В начальный момент цепь тока I разомкнута, напряженность Н и намагниченность М стержня равны нулю, домены ориентированы произвольно и магнитный момент При замыкании цепи и постепенном увеличении тока от нуля растет напряженность Н. Границы между доменами перемещаются таким образом, что объем доменов с ориентацией магнитных моментов по намагничивающему полю Н растет за счет доменов других направлений. Магнитная индукция в стержне формируется как сумма намагниченности М, т. е. индукции, создаваемой доменами, и напряженности внешнего магнитного поля [см. формулу (1.24)]. зависимости: μ0Н, μ0М и В = μаН изображены на рис. 1.12, б. Кривая М(Н) показывает, что намагниченность стержня в начале быстро увеличивается, а затем ее значение снижается до μ0Мm – предельного. Составляющая μ0Н изменяется пропорционально напряженности внешнего магнитного поля Н. При сложении ординат кривых μ0Н и μ0М получаем зависимость, изображаемую кривой (см. рис. 1.12, б), называемой кривой первоначального намагничивания (КПН).
Рис. 1.12. Схема снятия кривой намагничивания и петли гистерезиса (а)
и зависимость магнитной индукции В и намагниченности М
от намагничивающего поля Н (б) [15]
Кривая B = (см. рис. 1.12, б) нелинейна и может быть условно разделена на пять участков. Участок 1 соответствует упругому смещению границ между доменами. На участке 2 (область Релея) ориентация доменов в направлении внешнего поля скачкообразно изменяется и намагниченность ферромагнетика увеличивается. Участок 3 показывает необратимые смещения границ между доменами. Здесь магнитная проницаемость достигает максимального значения μmax. В пределах участка 4 домены вырастают до максимально возможных размеров, и большинство атомных магнитных моментов во всем стержне оказывается выстроенным вдоль внешнего поля. Резервы роста внутреннего поля М за счет доменов исчерпаны, материал достигает состояния намагниченности насыщения Мs или технического насыщения, характеризуемого индукцией Вm и напряженностью Нm. Увеличение Н > Hm на участке 5 уже не приводит к увеличению внутреннего поля М, индукция В возрастает только за счет увеличения Н. Здесь КПН становится линейной:
Вследствие нелинейного характера КПН (а(Н) const) выделяют начальную и максимальную магнитную проницаемость (рис. 1.13) [15], которая определяется как тангенс углов наклона касательных к кривой намагничивания в точках Н = 0 и Н = Нm: ; .
Используют также понятие дифференциальной магнитной проницаемости (рис. 1.13):
.
Если напряженность Н уменьшать, поле В в стержне будет также уменьшаться, но не «вдоль» той кривой, по которой оно нарастало (см. рис. 1.11). Это явление называется магнитным гистерезисом (уменьшение В «запаздывает»). При Н = 0 индукция В в стержне не становится равной нулю, а принимает положительное значение Вr. Это значение индукции, которая «остается» в материале. Остаточной индукцией Вr (см. рис. 1.11) называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном до насыщения ферромагнетике после снятия намагничивающего поля. Если значение индукции велико, то материал может быть хорошим постоянным магнитом. Чтобы размагнитить стержень, т. е. уменьшить Вr до нуля, необходимо изменить знак и увеличивать внешнее поле Н в обратном направлении до значения коэрцитивной силы Нс, т. е. удерживающей намагниченность (см. рис. 1.11). Коэрцитивной силой Нс называют величину размагничивающего поля, которое должно быть приложено, чтобы установить значение индукции в ферромагнетике, равное нулю.
Когда воздействующее поле совершает полный цикл изменения (от +Нm до 0 и далее до –Нm, а затем в обратную сторону до 0 и далее до +Нm), магнитная индукция В изменяется по симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. При совершении нескольких таких циклов перемагничивания петля принимает окончательную неизменяемую форму и называется предельной. Существуют также частные петли гистерезиса, получаемые при значениях предельной напряженности поля, которые меньше Нm. При несимметричном относительно нуля изменении значений напряженности поля (обычно в небольших пределах, но с сохранением знака), формируются несимметричные частные циклы.
Если время установления напряженности поля соизмеримо с временем перемагничивания материала, то определяемые в этом режиме характеристики называют динамическими. Основным влияющим фактором при этом являются вихревые токи. Они создают магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, уменьшающему магнитную индукцию. При увеличении частоты вихревые токи возрастают и кривая намагничивания снижается. Вихревые токи вызывают тепловые потери, что приводит к расширению петли гистерезиса. В связи с этим различают статическую и динамическую петли гистерезиса. Статическую получают при очень медленном изменении Н, при котором допустимо пренебречь действием вихревых токов. при перемагничивании ферромагнетиков переменным полем Н, когда влияние вихревых токов становится значительным, получают динамическую петлю. Она может быть представлена как геометрическое место вершин частных динамических петель гистерезиса. Отношение индукции и напряженности по этой кривой называют динамической магнитной проницаемостью дин.
Значения дифференциальной магнитной проницаемости d, получаемые по восходящей и нисходящей петлям гистерезиса, отличаются друг от друга.
Необходимо подчеркнуть, что отмеченные четыре параметра – остаточная индукция Вr, коэрцитивная сила Нс, относительная магнитная проницаемость н и max – являются основными, по ним производят анализ и выбор магнитных материалов для решения различных задач, в том числе и дефектоскопических. Их значения приводятся в справочниках по магнитным материалам.
Чем выше намагниченность материала при данном значении напряженности внешнего поля, тем выше его относительная проницаемость и индукция поля внутри материала. Проницаемость нач характеризует свойства материала в слабых магнитных полях. Если материал имеет узкую петлю () и более высокие значения нач, то его относят к магнитомягким материалам (МММ) (рис. 1.14). Это незакаленные малоуглеродистые электротехнические стали и пермаллои – предельно магнитомягкие (Нс 1 А/м), преимущественно железоникелевые сплавы.
По значению Нс обычно судят о принадлежности ферромагнетиков к магнитотвердым материалам (Нс 103 А/м) (МТМ). Ширина петли магнитотвердых сталей в десятки и сотни раз превышает ширину петли гистерезиса магнитомягких. К ним относят закаленные высокоуглеродистые (инструментальные) легированные конструкционные стали, ферриты, а также сплавы для постоянных магнитов.
На подвижном составе железных дорог к магнитомягким материалам относят стали для изготовления ударно-тяговых механизмов, рам тележек, колесных пар и т.д., к магнитотвердым – стали роликов, внутренних и наружных колец буксовых подшипников, шарикоподшипниковые стали (ШХ9, ШХ15С и др.), рельсовые стали.
1.3.3. Характеристика связей магнитных
и физико-механических свойств ферромагнетиков
с физической точки зрения ферромагнетики обладают характерными механическими, магнитными и электрическими свойствами, которые описываются упругими константами, магнитной восприимчивостью, электропроводностью и могут быть измерены. С технической точки зрения интерес представляют такие параметры металлов, как твердость, пластичность, предел прочности, геометрические размеры. В магнитном контроле используются зависимости, существующие между отдельными физическими (магнитными) свойствами и техническими, например такими, которые приведены в табл. 1.1. Эти связи возникают тогда, когда одни и те же физические и химические процессы образования структуры и фазового состава ферромагнитных сталей формируют также и их магнитные свойства, или в процессе эксплуатации изделий, когда их свойства теряются. Закономерности данных связей не поддаются расчету, носят корреляционный характер и устанавливаются в основном экспериментально.
Таблица 1.1
Измеряемые физические и технические свойства ферромагнетиков
Измеряемая физическая величина
Hc, Br, Ms,
Поле
рассеяния
Петля
гистерезиса
Шумы
Баркгаузена
Контролируемые технические свойства
Твердость, предел прочности, структура
Дефекты, толщина
Твердость, предел прочности, состав сплавов
Внутренние напряжения
многочисленные исследования [7–11] указывают на следующие факторы, образующие связи магнитных и физико-механических свойств ферромагнитных материалов.
Химический состав ферромагнетиков. Сплавы ферромагнетиков друг с другом или с неферромагнитными материалами дают широкий спектр получаемых значений магнитных параметров. Например, присадки никеля до 30 % уменьшают намагниченность М, повышение его содержания от 30 % ведет к интенсивному росту М, а затем – к монотонному ее уменьшению до значения в чистом никеле. Небольшие колебания примесей углерода или легирующих элементов также приводят к резким изменениям магнитных свойств материалов. Например, при увеличении содержания углерода в стали на 15 % магнитная проницаемость max может уменьшаться, коэрцитивная сила Нс увеличиваться более чем в 10 раз, в то время как индукция насыщения Вs и остаточная Вr остаются практически неизменными. Такие изменения дают основание как можно шире подвергать магнитному контролю химический состав ферромагнитных материалов. Исследования свидетельствуют о том, что оценку значений магнитных параметров одного вида стали нельзя распространять на другие, близкие по физико-механическим свойствам стали, так как даже незначительные примеси могут сильно изменить магнитные свойства.
Механическая обработка проявляется как влияющий фактор при целенаправленной обработке или как сопутствующее явление при реализации разнообразных технологических операций. Например, наклеп, сопровождающий штамповку или токарную обработку, приводит к увеличению коэрцитивной силы Нс и уменьшению магнитной проницаемости . Аналогичный эффект имеет место на поверхностях катания колес и рельсов в процессе эксплуатации подвижного состава железных дорог.
термическая обработка. Закалка и отпуск – основные виды термической обработки – сильно изменяют структуру и магнитные свойства стали [10]. характер изменения величин Вr, max, Нс, а также твердости по Роквэллу (HRC) легированной стали ШХ15 в зависимости от температуры закалки Тзак и отпуска Тотп показаны на рис. 1.15 и 1.16.
Рис. 1.15. Зависимость магнитных
свойств стали от температуры закалки
Рис. 1.16. Зависимость магнитных свойств стали от температуры отпуска
Как видим, коэрцитивная сила Нс изменяется немонотонно с изменением Тзак, значит, изменение Нс для определения Тзак данной марки неэффективно. В то же время методы, основанные на измерении max, здесь пригодны. Монотонная зависимость тех же характеристик от Тотп позволяет применить для контроля низкотемпературного отпуска коэрцитиметрический метод.
Химико-термическая обработка. Различные ее виды, основанные на поверхностном насыщении стальных деталей углеродом (цементация), азотом (азотирование), бором (борирование) и другими элементами с целью повышения их поверхностной прочности также приводят к значительным изменениям магнитных свойств ферромагнитных материалов.
1.4. Физическая сущность магнитнойдефектоскопии
Возьмем бездефектный образец ферромагнетика с однородными магнитными свойствами и магнитной проницаемостью µ1 и поместим его в продольное равномерно распределенное магнитное поле Н0 [15] (рис. 1.17). Ферромагнетик намагнитится и в соответствии со своей кривой намагничивания приобретет магнитную индукцию В0, линии которой распределяются равномерно внутри образца и не выходят за его поверхность. Это объясняется тем, что внешняя среда (воздух) имеет магнитную проницаемость µ0, которая значительно меньше магнитной проницаемости µ1 ферромагнетика, а следовательно, и значительно больше магнитное сопротивление Rm [см. формулу (1.28)].
Рис. 1.17. Ферромагнетик в равномерном магнитном поле:
а – бездефектный образец; б – кривая намагничивания
Если в такое же магнитное поле поместить такой же образец ферромагнетика, но с поверхностной трещиной (например, прямоугольного профиля в поперечном сечении), ориентированной перпендикулярно направлению поля В0, то произойдет перераспределение магнитного потока Ф как в пределах профиля трещины, так и в окружающей ее зоне (рис. 1.18) [15].
В части сечения образца, прерванного трещиной, из-за более высокого магнитного сопротивления в ее воздушной полости плотность линий существенно снизится. Это приведет к тому, что часть линий индукции, расположенных ниже основания трещины, уплотнится, если, конечно, образец не намагничен до насыщения и может еще «поглотить» определенное количество магнитных линий. Значительно меньшая часть линий пойдет через воздушный зазор – полость трещины. Оставшаяся часть магнитных линий неизбежно преодолеет трещину снаружи по воздуху, магнитное поле как бы «вываливается» за поверхность образца. Здесь каждый выход и вход линий поля формирует магнитные полюсы. Это соответствует представлениям магнитостатики, когда каждый конец линии магнитной индукции, где она встречает воздушную среду с проницаемостью µ0 << μ1 (рис. 1.19), можно рассматривать как поло-жительный «магнитный заряд» (северный полюс N), а каждое ее начало – как «отрицательный» (южный полюс S) (рис. 1.19) [15].
Рис. 18. Топография магнитного поля вблизи дефекта
Рис. 1.19. Модель магнитного
поля рассеяния над
поверхностным дефектом
Такое явление в магнитостатике называют магнитной поляризацией стенок дефекта и в примыкающей к ним окружающей зоне его поверхности. Каждый положительный заряд создает магнитное поле, направленное из него, как из центра. При этом магнитные линии поля, выходя за пределы образца, снова входят в него, замыкаясь с отрицательными магнитными зарядами. В результате над поверхностью в зоне трещины формируется суммарное поле рассеяния Нд – магнитных зарядов, которое направлено в сторону внешнего намагничивающего поля Н0, обеспечивая его местную концентрацию. В этом случае говорят, что поле становится неоднородным. Суммарное поле Нд называют магнитным полем рассеивания дефекта или полем дефекта. Магнитное поле рассеяния дефекта – это локальное магнитное поле, возникающее в зоне дефекта вследствие поляризации его границ (ГОСТ 24450).
Формированию этого поля способствует также и то, что трещины в месте выхода на поверхность часто имеют «рваные» заостренные края, расстояние между которыми может составлять десятки и сотни микрометров, которые играют роль концентраторов поля зарядов магнитной поляризации.
Случай внутреннего расположения дефекта показан на рис. 1.20 [15]. Здесь также имеет место явление магнитной поляризации стенок полости дефекта. Однако степень неоднородности магнитного поля в данном случае уменьшается за счет экранирующего эффекта приповерхностного слоя ферромагнетика над дефектом. Чем толще этот слой, тем сильнее шунтируется поле рассеяния внутреннего дефекта, тем меньше магнитных линий этого поля выходит за поверхность ферромагнетика.
Возникновение поля дефекта Нд над поверхностью намагниченной детали свидетельствует о том, что она дефектна. Остается только это поле обнаружить каким-либо физическим способом, что предопределяет суть и содержание метода магнитной дефектоскопии.
1.5. Анализ неоднородности магнитного поля над дефектом
Соотнесем прямоугольную систему координат с полем дефекта, направив ось z перпендикулярно поверхности ферромагнетика по центру трещины, ось х – параллельно поверхности, ось y – вдоль центрального сечения трещины (рис. 1.21). Очевидно, что составляющая Ну поля Нд над деталью равна нулю. Рассмотрим изменение поля по осям х и z по отдельно взятой кривой напряженности Hд в точках 1 – 5. Разложим вектор Hд в этих точках на составляющие вдоль линии намагничивающего поля (тангенциальная составляющая Нt) и перпендикулярную к нему (нормальная составляющая Нп).
Неоднородность поля вызывает искажение поля как в тангенциальном, так и в нормальном направлениях. Действительно, в точке 1 Hx1 = 0; Hz1 = = Hд1max; в точке 2 Hz2 уменьшилась, Hx2 увеличилась; в точке 3 Hz3 = 0; Hx3 = Hд3 = +max; в точке 4 Hx4 уменьшилась, а Hz4 поменяла знак; в точке 5 Hx5 = 0; Hz = Hд5 = – max. Аналогичные операции можно выполнить по каждой кривой напряженности Hд из всей совокупности поля рассеяния над дефектом, а затем, сложив тангенциальные и нормальные составляющие в каждой из пяти рассматриваемых по координатам х точках, построить графики изменения Hx(xi) и Hz(xi). Качественный вид зависимостей Hx(x) (без постоянной составляющей) и Hz(x) показан на рис. 1.21.
Видно, что тангенциальная состав-ляющая напряженности поля Hх имеет максимум в центральном сечении дефекта, а нормальная составляющая Hz, проходя через нуль в этом сечении, имеет максимальные положительные и отрицательные значения в точках, рас-стояние между которыми несколько превышает ширину (раскрытие) трещины. Таким образом, изменения двух параметров – Нх и Нz – в пределах нескольких миллиметров (обычно 10–12 мм) в направлении намагничивания в зоне дефекта дают полную характеристику неоднородности магнитного поля дефекта.
Значения нормальной и тангенциальной составляющих соизмеримы в точках экстремумов. Сканирование деталей при поиске с регистрацией дефектов и при их обнаружении приводит к формированию импульсов, форма и длительность которых будет зависеть примерно в равной степени для Нп и Нt от конфигурации, размеров и глубины залегания трещины, а также от напряженности приложенного магнитного поля и магнитной проницаемости ОК. Несмотря на это, в практике контроля предпочитают иметь дело только с функцией Нz(х), которая за пределами дефекта «быстро» становится равной нулю. Это повышает достоверность контроля, к тому же постоянная составляющая функции Нх(х) является помехой.
Известно, что в слабых магнитных полях, когда дифференциальная проницаемость металла велика (участок крутого подъема основной кривой намагничивания), значительная часть магнитного потока проходит в слое металла под трещиной, вследствие этого уменьшается индукция В0 в зоне трещины, кроме того, само значение индукции мало. Все это приводит к незначительному уровню магнитного поля рассеяния над трещиной. В сильных магнитных полях (область насыщения, ) это приводит к ослаблению магнитной поляризации и, следовательно, к уменьшению Hд. Существуют оптимальные величины намагничивающего поля и магнитной проницаемости металла, когда магнитное поле Нд, при прочих равных условиях, становится наибольшим. Такой режим соответствует магнитной индукции в металле порядка В = 0,8–0,9 Тл.
Обратим внимание на то, что между точками х1 и х5 над дефектом, которые соответствуют экстремумам сигнала дефекта по Нz(х) (см. рис. 21), крутизна Нz(х) больше, чем в бездефектных зонах. Эта особенность может быть положена в основу метода магнитного контроля: измерять в каждой точке и сравнивать с порогом не значения функции Нz(х), а значения ее производной по координате х. Такая производная обозначается Gz(х) и называется градиентом напряженности магнитного поля.
Предположим, что при сравнении функции Нz(х) с некоторым фиксированным уровнем (порогом) можно безошибочно обнаружить дефект. в действительности же вне дефекта Нz(х) ≠ 0, а над дефектом Нz(х) значительно отличается от вида, представленного на рис. 1.22. Причинами этого можно назвать конечность размеров контролируемой детали, магнитные пятна, структурную неоднородность, резкие изменения сечения, шероховатость поверхности и др.
Реальная функция Нz(х) показана на рис. 1.22. Она представляет собой сумму Нz(х) сигнала дефекта (см. рис. 1.21) и случайной функции от названных выше причин, которую называют помехой. Помеха приводит к двум основным ошибкам дефектоскописта – пропуску (недобраковке) и ложному обнаружению дефекта (перебраковке). Очевидно, что невысокому значению отношения «сигнал/помеха» будет соответствовать наибольшее количество ошибок.
Рис. 1.22. Реальная функция градиента Hz(x)
На практике измерять градиент в виде производной сложнее и, к тому же, необязательно. Его величину оценивают как частное от деления разности значений напряженности в двух его соседних точках (последующей и предыдущей) в направлении намагничивания детали на расстояние между этими точками. Для однородных полей значение градиента равно нулю, для неоднородных – отлично от нуля. Различают градиенты по тангенциальной и нормальной составляющим, определяемым соответственно по формулам:
;
. (1.32)
Например, по рис. 1.21 определим градиент нормальной составляющей поля дефекта в точке 2 (i = 2): Видно, что он будет отрицательным, так как , а . Следовательно, в направлении оси х нормальная составляющая поля убывает. Дифференцирование дало существенное увеличение отношения «сигнал/помеха» (рис. 1.22). В магнитной дефектоскопии используют градиент Gz(х), который более четко характеризует неоднородность магнитного поля рассеяния над дефектом.
1.6. Схема и методы магнитного неразрушающего контроля.
Классификация. Применение
Рассмотрим обобщенную схему магнитного контроля (рис. 1.23) [16], которая включает: 1 – полезадающую систему, которая, реализуя соответствующий способ намагничивания, создает ту или иную топографию магнитного поля в объекте контроля; 2 – объект контроля; 3 – сканер – устройство, обеспечивающее требуемую траекторию перемещения магнитного преобразователя (возможные направления сканирования показаны пунктирными линиями); 4 – первичный магнитный преобразователь; 5 – усилительный тракт, выполняющий усиление входных (входного) сигналов в выходные с преобразованием в вид, удобный для последующего использования или визуализации; 6 – индикатор, предназначенный для визуализации магнитных индикаций или световой и звуковой сигнализации о дефектах.
Результат взаимодействия намагничивающего поля, генерируемого полезадающей системой 1, с объектом контроля 2 воспринимается первичным магнитным преобразователем 4, затем его выходной сигнал усиливается и (или) преобразуется в блоке 5 до уровня, достаточного для принятия решения, например о наличии дефекта, и регистрируется индикатором 6. Первичный преобразователь 4, как правило, связан со сканером 3 в единый блок. Принятие решения осуществляется путем сравнения сигнала с выхода первичного преобразователя 4 с пороговым в блоке 5 (обозначен вертикальной стрелкой). Пороговый уровень сигнала может быть как фиксированным, так и следящим. Достоверность выявления и дефекта, и изменений структурного компонента или геометрического параметра в объекте зависит от выполнения всех условий правильной реализации соответствующего метода магнитного контроля.
Рис. 1.23. Обобщенная схема магнитного контроля
Метод контроля, как совокупность правил применения определенных принципов и средств в любом виде НК, различают по трем признакам классификации [1].
По характеру взаимодействия физического поля с объектом контроля. во всех случаях используют одно взаимодействие – намагничивание ОК – и измеряют (индицируют) первичные параметры магнитного происхождения.
По первичному информативному параметру, к которому относятся коэрцитивная сила Нс, намагниченность М, остаточная индукция Вr, магнитная проницаемость (начальная – нач – либо максимальная – max), эффект Баркгаузена.
По способу же получения первичной информации магнитный вид НК подразделяется на семь методов: магнитопорошковый, феррозондовый, индукционный, магнитографический, эффекта Холла, пондеромоторный и магниторезисторный. Все они основаны на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами, но различными методами, а именно: в магнитопорошковом методе в качестве индикатора используется сухой или мокрый порошок, в магнитоиндукционном – исходят из величины или фазы индуцируемой в измерительную обмотку электродвижущей силы, в феррозондовом – из измеренных напряженности или градиента магнитного поля рассеяния, в методе эффекта Холла – напряжения Холла, в магнитографическом – ферромагнитной пленки, в пондеромоторном – силы отрыва (притяжения) пробного магнита (электромагнита) от ОК и в магниторезисторном – изменения сопротивления магниторезисторов. Методы эффекта Холла и магниторезисторный объединяют в гальваномагнитные.
На железнодорожном транспорте России из названных методов для дефектоскопирования применяются: магнитопорошковый (МПК) – в вагонном и локомотивном хозяйствах, феррозондовый (ФЗК) – в вагонном и путевом, магнитоиндукционный (МИК) – только в путевом. Приведем краткую характеристику данных методов.
Магнитопорошковый контроль основан на притяжении магнитных частиц силами неоднородных магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами в намагниченной детали. Он включает в себя намагничивание ОК, нанесение на его поверхность цветных или люминесцентных магнитных индикаторов (порошков), визуальное наблюдение скопления порошка на контролируемой поверхности и обнаружение дефектов. По надежности выявления поверхностных дефектов он не имеет равных среди других методов НК: чувствительность магнитопорошкового метода настолько высока, что могут быть обнаружены трещины с шириной раскрытия, составляющей доли микрона и длиной менее миллиметра. Это справедливо для деталей любой формы, если каждый участок их поверхности можно намагнитить до необходимого уровня и осмотреть. Наиболее оптимальными для магнитопорошкового контроля являются условия, когда деталь прошла технологическую обработку и имеет светлую качественную поверхность с шероховатостью Ra не выше 10 мкм. Более подробные сведения о МПК – в работе [11].
Сопоставление МПК и обобщенной схемы магнитного контроля (см. рис. 1.23) дает следующее. В МПК чувствительный элемент – порошинка, которая непосредственно «ложится на дефект», что отвечает функции блока 3, и при наличии в районе дефекта большой концентрации магнитного порошка происходит быстрое образование индикаторного следа достаточной ширины (усиление – блок 5), который визуально регистрируется (блок 6). Видно, что магнитный порошок одновременно выполняет функции первичного магнитного преобразователя 3, усилителя 5 и индикатора 6. нанесение порошка ручным или механизированным способом и его движение к дефекту отражено блоком 4.
Однако заключение о бездефектности внутренней части детали или подповерхностного слоя должно делаться осторожно – необходимо учитывать ограниченность применения данного метода: подповерхностные дефекты выявляются на глубине, не превышающей 1–2 мм.
Простота технологии и оснастки МПК, которую часто относят к достоинству метода, кажущаяся. Все операции, а особенно наблюдение за состоянием поверхности, выполняет оператор. Действительно, дефектоскопист непрерывно в течение нескольких часов должен всматриваться в магнитные индикации. Предельная концентрация внимания, длительная нагрузка на зрение, монотонно выполняемые операции – все это увеличивает вероятность пропуска дефекта. Устранение субъективного фактора – доминирующей роли оператора – возможно при использовании компьютерных программ автоматического поиска дефектов, заключающихся в обработке изображения, основанной на вычислении градиентов контрастности видеосигнала по различным направлениям, построении топологически связанных областей поверхности и фильтрации изображения от априорно известных структурных элементов [12]. Здесь оператор не работает в рутинном утомительном режиме непрерывного контроля. Он занимается изучением только тех немногих участков контролируемой поверхности, на которую программа обратила внимание. Если она не обнаружила дефектов, то установка работает по заданной программе без участия оператора. При этом вероятность пропуска дефекта существенно снижается.
На ремонтных предприятиях подвижного состава применяются магнитопорошковые дефектоскопы на базе соленоидов типа МД-12ПШ, МД-12ПЭ, МД-13ПР, седлообразного типа МД-12ПС и установки типа УМДП-01 и МДУ-1КПВ.
Феррозондовый контроль основан на обнаружении феррозондовым преобразователем (ФЗП) магнитного поля рассеяния в намагниченной детали. Он включает в себя намагничивание ОК, сканирование его поверхности и обнаружение дефектов. Намагничивание проводят специализированными стационарными электромагнитными или приставными устройствами с постоянными магнитами. В ФЗК в связи с малыми по сравнению с МПК уровнями напряженности намагничивающих полей размагничивание деталей не производят. Зоны контроля деталей сканируют по заданным траекториям феррозондовыми преобразователями вручную или с помощью сканеров. При этом ФЗП устанавливают на поверхность ОК и плавно перемещают таким образом, чтобы его нормальная ось была перпендикулярна поверхности контроля, а продольная – была направлена вдоль линии сканирования. Перемещение ФЗП осуществляют без перекосов, наклонов и отрывов от поверхности ОК, с требуемым шагом сканирования и скоростью, например: 8 см/с.
Схема магнитного контроля, представленная на рис. 1.23, иллюстрирует схему ФЗК: блоки 3, 5 и 6 с их функциями конструктивно представлены в любом из действующих феррозондовых дефектоскопов. Сканирование ФЗП ручным или автоматизированным способом отражено блоком 4.
К достоинствам ФЗК следует отнести:
• возможность дефектоскопировать детали с большой шероховатостью поверхности, соответствующей литым необработанным деталям с Rz = 300–400 мкм, и при этом выявлять подповерхностные дефекты, например на глубине 5–6 мм для условного уровня чувствительности Д;
• дефектоскопирование детали с загрязненными (до 2 мм) поверхностями;
• реализацию автоматического контроля;
• обеспечение достаточно высокой чувствительности.
К недостаткам ФЗК относится малая помехоустойчивость: появление ложных сигналов вследствие неровностей, острых кромок и краев, структурных неоднородностей и т.д.
В настоящее время в вагонном хозяйстве применяются цифровые феррозондовые дефектоскопы Ф-201.1 и Ф-201.1М, комбинированные микропроцессорные феррозондовые приборы Ф-205.03, Ф-205.30А, Ф-205.38, которые выполняют функции не только дефектоскопирования, но и измерения напряженности и градиента напряженности как статического, так и переменного магнитного поля. В дефектоскопе Ф-201.1 реализовано сравнение измеряемого градиента статического поля с постоянным порогом. В приборах Ф-205.03 и Ф-205.30А предусмотрен также режим сравнения градиента со следящим порогом.
Магнитоиндукционный (магнитодинамический) метод (МИК) основан на законе электромагнитной индукции, когда наведенная в замкнутом контуре ЭДС пропорциональна изменению во времени сцепления этого потока с магнитным потоком. Если размеры контура постоянны и он не изменяет своего положения относительно вектора магнитной индукции , то используется так называемая трансформаторная ЭДС в случае переменных магнитных полей. Если же , то можно изменять магнитный поток во времени, посредством изменения положения контура относительно вектора , при этом возникает так называемая ЭДС движения.
В магнитоиндукционной дефектоскопии чаще используют ЭДС движения, когда объект контроля намагничивают постоянным полем, а движущийся контур выполняют в виде тонкослойной катушки. Наиболее удобными являются три типа ОК: плоские длинные с поперечными дефектами и продольным перемещением катушки, цилиндрические, когда катушка вращается по окружности, и плоские – в этом случае осуществляется вращение катушки в плоскости ОК. при этом надо учитывать две особенности в организации контроля: индукционная катушка (см. блок 3 на рис. 1.23) будет реагировать только на изменение поля, а не на его абсолютную величину; необходимо, чтобы скорость относительного перемещения катушки и ОК была постоянной, для того чтобы связь между градиентом измеряемого поля и выходным сигналом была однозначной.
Все индукционные дефектоскопы – устройства динамического контроля. Необходимость перемещения катушки делает механический блок сканирования важной частью дефектоскопа блок 4 на рис. 1.23. Все остальные функциональные блоки традиционны и отвечают схеме (см. рис. 1.23).
Наиболее удачным примером является применение МИК при контроле рельсов, уложенных в путь. В рельсах развиваются усталостные трещины, имеющие большую площадь 20–30 % поперечного сечения головки рельса и очень малые размеры в продольном его направлении. Для выявления таких дефектов рельсы намагничивают вдоль длины и считывают поля рассеяния движущейся индукционной катушкой. Для этого вагоны-дефектоскопы снабжены мощными П-образными магнитами, создающими постоянное магнитное поле, направленное вдоль рельса. Между полюсами электромагнитов располагается индукционная катушка. При движении в ней наводятся импульсные сигналы различной амплитуды, длительности и формы. После усиления эти импульсы регистрируются. Они позволяют воспроизвести форму сигналов без заметного искажения во всем диапазоне скоростей
(20–70 км/ч). На таком же принципе основаны дефектоскопы для контроля трубопроводов изнутри, уложенных под землей, на длине до 100 км.
1.7. Первичные магнитные преобразователи
в магнитной дефектоскопии
Магнитные преобразователи по первичной информации разделяют на полемерные и градиентометрические; по принципу действия – на магнитные порошки, феррозондовые, индукционные, гальваномагнитные (преобразователи Холла и магниторезисторные) [10]. Полемерные преобразователи позволяют измерять напряженность поля независимо от ориентации последнего в пространстве, градиентометрические – оценивать неоднородность магнитных полей по значению соответствующей производной. В свою очередь, полемерные преобразователи подразделяют на модульные и компонентные. Ниже рассмотрены принципы действия и особенности тех магнитных преобразователей, которые применяют в магнитной дефектоскопии при регистрации магнитных полей рассеяния от дефектов.
1.7.1. Магнитные порошки
магнитный порошок состоит из мелкоизмельченных ферромагнитных частиц, имеющих естественную окраску или прочно соединенных с цветными или люминесцентными красителями. Совмещая в себе функции первичного магнитного преобразователя и индикатора, он предопределяет технологию и эффективность МПК [11].
Магнитные порошки получают размолом оксида железа в шаровых мельницах до частиц размером 0,1–60 мкм. Форма и размеры частиц, а также их магнитные свойства влияют на размер областей скопления порошка. Для получения контрастных магнитных индикаций порошки окрашивают. Наибольшее распространение при контроле светлых деталей получили черный магнитный порошок, представляющий измельченную окись-закись железа Fe2O4, и буровато-красный -оксид железа (-Fe2O3). При контроле деталей с темной поверхностью используют светлые порошки, с добавлением алюминиевой пудры, либо люминесцентные порошки. Распространенный люминесцентный магнитный порошок содержит на 100 г -оксида железа
(-Fe2O3) 15 г люминофора светло-желтого цвета. Использование люминесцентных порошков эффективно только при ультрафиолетовом освещении.
Для облегчения работы дефектоскопистов вместо порошков часто используют суспензии, в которых порошок взвешен в жидкой среде – воде, минеральных маслах, керосине. Водная магнитная суспензия, кроме воды и порошка, содержит антикоррозионные добавки. Помимо этого, в суспензии вводят поверхностно-активные (антикоагулирующие) вещества, которые позволяют разбить крупные конгломераты (скопления частиц порошка) на более мелкие, это повышает выявляющую способность суспензии.
Для приготовления суспензий выпускают также пасты – концентраты магнитной суспензии (КМС), которые необходимо только развести в некотором количестве дисперсионной среды (в воде или масле). Достоинством пасты является то, что порошок в ней хорошо растерт, находится в связанном состоянии, поэтому работать с ней значительно гигиеничнее, чем с порошком. В состав КМС входят все необходимые добавки, поэтому процесс приготовления суспензий упрощается.
Таким образом, магнитный порошок в МПК выполняет одновременно несколько функций: первичного чувствительного преобразователя (элемент 4), усилителя – элемент 5 и индикатора – элемент 6 (см. рис. 1.23).
1.7.2. Феррозондовые преобразователи
Феррозондовые преобразователи компонентные преобразователи активного типа, предназначенные для измерения либо напряженности магнитного поля, либо ее изменения в пространстве. Действие феррозондового преобразователя (феррозонда) основано на нелинейности кривых намагничивания сердечников из магнитных материалов.
Феррозонд конструктивно состоит из двух идентичных полузондов, каждый из которых содержит цилиндрический сердечник из магнитомягкого материала с размещенными на нем двумя катушками. Одна катушка – возбуждающая – подключается к источнику переменного тока, другая – измерительная. В зависимости от способа соединения обмоток друг с другом различают феррозонды-полемеры и феррозонды-градиентометры. Первые измеряют абсолютное значение напряженности поля, вторые – приращение (градиент) напряженности поля от одной точки к другой.
Схема подключения обмоток в феррозонде-полемере показана на рис. 24. здесь обмотки возбуждения соединены встречно, измерительные – согласно. Синусоидальный ток возбуждения Iв = Imsint, вектор его напряженности параллелен оси сердечника. временные зависимости напряженности и индукции в каждом сердечнике показаны на рис. 1.25. Видно, что характер изменения индукции в каждом сердечнике одинаков и значения индукция отличаются только знаком; следовательно, выходной сигнал, равный сумме ЭДС в измерительных катушках, равен нулю.
При воздействии постоянного магнитного поля Н0 напряженность в первом сердечнике Н1(t) = Нвsint + Н0, а во втором – Н2(t) = Hвsint – Н0. В этом случае вследствие нелинейности кривой намагничивания значения индукции в стрежнях становятся различными, что видно из рис. 1.26. Там же показан и выходной сигнал несинусоидальной формы, главная особенность которого состоит в том, что его период Ти вдвое меньше периода Тв возбуждающего тока. Это означает, что постоянное внешнее подмагничивающее поле Н0 обусловливает появление второй гармоники в выходном сигнале феррозонда-полемера. Эта вторая гармоника и является информативной, по ней судят о напряженности постоянного магнитного поля.
а б
Рис. 1.25. Напряженность (а)
и магнитная индукция (б)
в стержнях феррозонда
Рис. 1.26. Выходной сигнал феррозонда
при изменении напряженности
характеристика этого преобразователя показана на рис. 1.27. При Н0 = 0 выходной сигнал феррозонда равен нулю. Рабочим является близкий линейному начальный участок, где действующее значение второй гармоники U2 пропорционально напряженности Н0. при значительном увеличении Н0 (больше Н0max) происходит насыщение материала сердечника.
При оценке неоднородности постоянного во времени магнитного поля используется феррозонд-градиентометр, который по устройству аналогичен феррозонду-полемеру и отличается от него соединением обмоток (рис. 1.28). Обмотки возбуждения соединены последовательно-согласно. Тогда при напряженность, а следовательно, и индукция в каждом сердечнике одинаковы в любой момент времени. Измерительные катушки и включены последовательно-встречно, поэтому выходное напряжение катушки этого феррозонда, равное разности ЭДС е1 и е2 в измерительных катушках, равно нулю. Если же напряженность поля изменяется в направлении, ортогональном направлению вектора Н0 (рис. 1.28), то напряженность магнитного поля не равна . Это приводит к тому, что индукция в каждом сердечнике не будет одинаковой и появится выходной сигнал
Uвых = е1(t) – е2(t) (рис. 1.29). Выходное напряжение, как и в предыдущем случае, несинусоидально, но главной его особенностью также является наличие второй гармоники. Амплитуда выходного сигнала пропорциональна степени неоднородности внешнего поля, т. е. величине .
Рис. 1.28. Схема соединения обмоток феррозонда-градиентометра
Во всех случаях применения феррозондов необходимо выделять вторую гармонику выходного сигнала, так как именно она несет информацию о напряженности измеряемого поля. При этом первая гармоника должна подавляться.
1.7.3. Индукционные преобразователи
В основу действия индукционных преобразователей положен закон электромагнитной индукции (М. Фарадей, 1831 г.), согласно которому во всяком замкнутом контуре (катушке) с числом витков w при изменении потока магнитной индукции Ф через площадь S, ограниченную этим контуром, возникает ЭДС индукции:
е = –wdФ/dt. (1.33)
Знак «–» указывает на то, что ЭДС увеличивается при уменьшении и уменьшается при возрастании Ф (закон Джоуля-Ленца). В общем случае катушка может иметь магнитный сердечник с проницаемостью т, а изменение Н может происходить под углом к нормали контура (оси х на рис. 1.30).
Тогда
Ф = 0тНScos. (1.34)
Отсюда возникает четыре возможности возникновения ЭДС в катушке:
е1 = –0тScosdH/dt; (1.35)
e2 = –0тНcosdS/dt; (1.36)
e3 = –0тНSsind/dt; (1.37)
e4 = –0SНcosdт/dt. (1.38)
во всех этих случаях катушка является преобразователем магнитного поля в электрический сигнал. При этом в трех последних случаях формулы [(1.36) – (1.38)] преобразователи активные, поскольку к катушке необходимо подводить дополнительную энергию, в первом случае [формула (1.35)] ЭДС, называемая трансформаторной, возникает за счет изменения напряженности во времени, т. е. только в переменных полях. Такой преобразователь является пассивным, так как используемая им энергия поступает от измеряемого поля. В случае, если катушка вращается в магнитном поле (1.37), преобразователь называется индуктором. согласно выражению (1.36) необходимо менять площадь катушки, по уравнению (1.38) изменяют проницаемость сердечника в катушке (феррозондовые преобразователи).
Пассивные индукционные преобразователи согласно выражению (1.35), но в виде
при (1.39)
применяют при контроле рельсов, уложенных в путь, с помощью индукционных вагонов-дефектоскопов.
1.7.4. Гальваномагнитные преобразователи
действие гальваномагнитных преобразователей основано на силовом влиянии магнитного поля на движущиеся электрические заряды. В преобразователях Холла и магниторезисторах поле действует на заряды, движущиеся в полупроводнике.
Чаще всего преобразователи Холла используют в виде плоской прямоугольной пластины из полупроводникового материала. Эффект Холла – электромагнитное явление, проявляющееся в появлении ЭДС (Е) на боковых гранях пластины при пропускании через нее тока I при помещении ее в магнитное поле индукции В (рис. 1.31) , т. е.
, (1.40)
где Rх – постоянная Холла, Омм/Тл; h – толщина пластины.
В слабых полях, где В < 0,1 Тл, эта зависимость квадратичная, при В = (0,1 – 1) Тл – линейная:
, (1.41)
где – чувствительность, которая указывается в паспорте на преобразователь.
Как правило, в процессе измерений ток I остается неизменным, и в этом случае вводят параметр магнитная чувствительность m = E/B при номинальном токе. Магнитная чувствительность и номинальный ток также приводятся в паспорте на преобразователь. Абсолютное значение магнитной чувствительности колеблется в пределах 0,06 – 0,6 В/Тл. Рациональнее пользоваться удельной чувствительностью: k = I, т. е. считать коэффициентом преобразования произведение чувствительности на ток. Это позволяет определить выходной сигнал при любых токах, а не только при номинальном.
Конструктивно преобразователи выполняют в виде пластин прямоугольной или крестообразной формы. Выпускаются кремниевые, германиевые и арсенид-галлиевые преобразователи Холла. Толщина преобразователя – около 0,2 мм, размеры активной части – от 1,8 0,6 до 6 3 мм. Габаритные размеры в слюдяных обкладках примерно вдвое больше.
Преобразователи Холла находят широкое применение при измерении слабых магнитных полей, а для измерения более сильных полей (В > 1 Тл), при которых наступает насыщение преобразователя Холла, применяют магниторезисторы. В магниторезисторах используется эффект Гаусса, который состоит в изменении электрического сопротивления полупроводника под действием магнитного поля. наиболее ярко он проявляется в магниторезисторах из антимонида индия (InSb) и арсенида индия (InAs) с параметрами, приведенными в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Характеристика магниторезисторов
Характеристика
Тип магниторезистора
InSb
InAs
Сопротивление, Ом:
при В = 0
0,5–200
0,5–200
при В = 1 Тл
50–4000
1–400
Относительное изменение сопротивления при В, Тл:
Магниторезисторы применяют в основном для измерения полей с индукцией выше 0,2 Тл, поэтому в неразрушающем контроле их не удается использовать для регистрации полей рассеяния дефектов. Они могут быть применены при измерении индукции намагничивающих полей. Схемотехническое решение – по принципу омметра, градиентометрическое.
1.8. Способы магнитного дефектоскопирования деталей
Магнитный контроль в зависимости от физико-химических свойств ОК, его формы и размеров, типа и расположения искомых дефектов, а также мощности намагничивающих устройств, с точки зрения воздействия магнитного поля на ОК, проводят способом приложенного магнитного поля (СПП) или способом остаточной намагниченности (СОН). Контроль в приложенном поле заключается в том, что деталь намагничивают и одновременно контролируют, при СОН ОК вначале намагничивают, затем устраняют намагничивающее поле и только после этого начинают контроль.
Например, при магнитопорошковом контроле технология СОН включает в себя следующие последовательные операции: подготовку детали, намагничивание, нанесение порошка (суспензии) после прекращения намагничивания, осмотр, разбраковку (расшифровку результатов), размагничивание и контроль размагниченности. При контроле СПП предусматриваются те же операции, но магнитный индикатор наносят перед намагничиванием или во время его. При этом индикаторные рисунки дефектов образуются в процессе намагничивания. Сначала прекращают нанесение индикатора на объект, за-тем – намагничивание. Осмотр контролируемой поверхности проводят при намагничивании и (или) после его прекращения.
При контроле СПП достигаются высокие значения намагниченности деталей, вплоть до насыщения, и, следовательно, тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния над дефектами. Это повышает выявляемость дефектов данным способом, но не всегда. Сильное магнитное поле, действующее на ОК, воздействует также и на первичный магнитный преобразователь, создавая мощную помеху, что затрудняет контроль. Например, при МПК на деталях, изготовленных из сталей с выраженной текстурой, с литой или грубообработанной поверхностью, порошок осаждается по волокнам металла, в местах структурной неоднородности, по следам обработки инструментами, это снижает чувствительность контроля.
В СПП контролируют объекты из материалов с малой индукцией насыщения – детали из магнитомягких, малоуглеродистых сталей, обладающих значениями Вr менее 0,6 Тл и коэрцитивной силы Нс менее 800 А/м. Например, оси колесных пар, детали автосцепки и тормозной системы и т.д. дефектоскопируют в приложенном переменном магнитном поле при продольном намагничивании магнитопорошковым методом. Явление поверхностного эффекта, проявляющееся при этом, способствует лучшему выявлению поверхностных трещин: магнитный поток концентрируется в поверхностном слое металла, увеличивая магнитное поле рассеяния над дефектом. Сложности возникают при контроле коротких деталей, например стопорных планок, гаек, клиньев, когда появляется размагничивающее поле, нарушающее параллельность магнитных линий и ухудшающее условие обнаружения дефектов.
Контроль СОН применяют для деталей из термически обработанных конструкционных сталей. Магнитные свойства этих металлов должны характеризоваться значениями: Вr > (0,6 – 0,8) Тл, Нс > (800 – 1000) А/м. Контроль СОН используется в случае обнаружения трещин в роликах и кольцах буксовых подшипников магнитопорошковым методом, в боковых рамах и надрессорных балках – феррозондовый. Вследствие малой индукции насыщения у отдельных деталей при этом способе снижается чувствительность контроля, однако здесь исключено мешающее влияние намагничивающего поля, что частично компенсирует потерю чувствительности. Контроль СОН дает следующие преимущества: возможность установки детали в любое положение для выбора лучшего освещения и удобного осмотра; нанесение суспензии как путем полива, так и окунанием в ванне с суспензией одновременно ряда деталей не только непосредственно за операцией намагничивания, но и спустя несколько часов; меньшую вероятность появления ложных отложений порошка в местах грубой обработки поверхности, наклепа, в рисках и т. д.; простоту расшифровки результатов контроля; возможность контроля в условиях, если отсутствуют источники питания электромагнитов; улучшение безопасности труда. Все это свидетельствует о более высокой технологичности СОН.
Способ контроля выбирают в зависимости от магнитных свойств материала проверяемого объекта. В этих целях выполняют следующие операции: определяют марку материала проверяемого объекта, используя техническую документацию на его изготовление; вычисляют значение коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции Вr материала объекта, используя соответствующие справочники по магнитным свойствам сталей; исходя из положения точки с координатами Нс и Вr (рис. 1.32) делают заключение о возможности применения того или иного способа контроля, руководствуясь следующим: если на графике точка (Нс, Вr) расположена выше кривой, то возможен контроль объекта как СОН, так и СПП, если точка (Нс, Вr) расположена ниже кривой, то рекомендуется только контроль СПП [16].
Рис. 1.32. График для выбора способа магнитного контроля
1.9. Намагничивание деталей
Обеспечение взаимодействия магнитного поля с объектом контроля а, следовательно, и регистрации магнитных полей рассеяния возможно при намагничивании ОК. Для того чтобы получить наибольший магнитный поток рассеяния над дефектом и, следовательно, увеличить выявляемость дефекта, необходимо намагнитить деталь так, чтобы линии магнитной индукции пересекали наибольшую площадь дефекта, т. е. направление намагничивания должно быть перпендикулярно плоскости дефекта. Дефекты выявляются значительно хуже или могут не выявляться, если магнитное поле направлено к плоскости дефекта под углом менее 30°. Если ориентация дефектов неизвестна, то детали простой формы намагничивают в двух направлениях, сложной – в нескольких.
Магнитное поле рассеяния дефекта формируется только тангенциальной составляющей Нt вектора напряженности намагничивающего поля. Выявляемость дефектов ухудшается, если нормальная составляющая Нп вектора напряженности намагничивающего поля превышает тангенциальную более чем в три раза. Для надежного выявления дефектов на контролируемой поверхности детали при намагничивании должно выполняться условие: Нп/Нt 3.
1.9.1. Виды, способы и схемы намагничивания
Используют следующие виды намагничивания: полюсный (продольный, поперечный, нормальный), циркулярный (бесполюсный), комбинированный и во вращающемся магнитном поле. Вид, способ и схему намагничивания выбирают в зависимости от геометрической формы и размеров ОК, материала и толщины немагнитного защитного (естественного) покрытия, а также от типа, местоположения и направления подлежащих выявлению дефектов.
При полюсном продольном намагничивании магнитные силовые линии направлены вдоль продольной оси или наибольшего размера детали, пересекая поверхность и образуя на ее концевых участках магнитные полюсы. Этот способ намагничивания служит для выявления дефектов, направление которых перпендикулярно линиям намагничивающего поля или составляет с ними угол не менее 30. Дефекты, ориентированные строго параллельно линиям поля, не выявляются. Как видно из рис. 1.33, полюсное намагничивание осуществляется путем размещения детали между полюсами постоянного магнита (рис. 1.33, а – г), электромагнита (рис. 1.33, д), помещения детали в соленоид (рис. 1.33, е) и обвивки детали или ее части гибким кабелем (рис. 1.33, ж, и).
Использование постоянного магнита (см. рис. 1.33, а – г) рациональнее, особенно в полевых условиях или если отсутствует специальное дополнительное оборудование магнитного контроля.
На схемах представлены: 1 – объект контроля (деталь); 2 – магнитопровод; 3 – обмотка; 4 – кабель; 5 – зона контроля; 6, 7 – перемещаемый магнит; 8 – дефект.
Несмотря на отмеченные преимущества, измененить напряженность намагничивающего поля почти невозможно. Линии поля в местах входа в деталь и выхода из нее образуют зоны магнитных полюсов S и N. Эти зоны – области с ярко выраженной неоднородностью магнитного поля – вносят неоднозначность дефектоскопирования, так как их образование не связано с дефектами. Участки между полюсами намагничиваются преимущественно равномерно.
а
б
в
г
д
е
ж
з
и
Рис. 33. Схемы реализации полюсного намагничивания: а – с помощью подковообразного постоянного магнита; б, в – приставных постоянных магнитов типа МСН-11 и МСН-11.01; г – приставного постоянного магнита с гибким магнитопроводом типа МСН-12; д – электромагнита; е – соленоида; ж – гибкого кабеля, намотанного соленоидом; з – магнитного контакта; и – обвивкойзубьев шестерни кабелем
Участок детали, в пределах которого значение тангенциальной составляющей Нt достаточно для выявления дефектов с требуемой чувствительностью, называют зоной достаточной намагниченности (ДН). Достоинством электромагнита (см. рис. 33, д) является возможность управления режимом контроля. Постоянные магниты и электромагниты применяют при контроле плоских или слабо искривленных участков поверхности детали. намагничивание электромагнитами используют преимущественно для намагничивания участков крупных деталей и всей детали, которую располагают между полюсами электромагнита как замыкающее звено магнитопровода. Примером такой схемы является намагничивание надрессорной балки и боковых рам тележек вагонов с помощью намагничивающих систем МСН-10, МСН-31 или МСН-32. Направление выявляемых дефектов – поперечное.
Продольное намагничивание соленоидом применяют в основном для осесимметричных деталей или по участкам деталей типа валов, например на участках средней и подступичных частей, а также шеек оси колесной пары. При этом сказывается влияние размагничивающего фактора, поэтому и истинная напряженность магнитного поля внутри ОК оказывается меньше расчетной. Зона ДН включает в себя зону, занятую витками соленоида с прилегающими участками по обеим сторонам (примерно по 150 мм). Длина зоны зависит от формы и размеров детали, положения соленоида относительно детали и величины зазора между корпусом соленоида и контролируемой поверхностью. Максимальная длина зоны ДН обеспечивается при зазоре между корпусом соленоида и контролируемой поверхностью h, равном 40 – 60 мм (рис. 1.34). Отношение Нп/Нt возрастает при перемещении соленоида от середины к концам детали и достигает наибольшего значения на участках, прилегающих к торцам детали (рис. 1.35). На этих же участках длина зоны ДН уменьшается из-за возрастания Нп.
Гибкий кабель для выявления поперечных дефектов наматывают (см. рис. 1.33, ж) в виде соленоида непосредственно на деталь или жесткий каркас из немагнитного материала. Между кабелем и деталью должен быть зазор от 10 до 20 мм. Интересен вариант схемы полюсного поперечного намагничивания зубьев шестерен путем пропускания импульсного тока по кабелю, проложенному в межзубных впадинах (рис. 1.33, и). В индукторах дефектоскопов типа УМДЗ, используемых в локомотивном хозяйстве при контроле венцов зубчатых колес и шестерен, данный кабель жестко закреплен в корпусе индуктора.
Рис. 1.35. Уменьшение зоны ДН
при перемещении соленоида к торцу детали
Определение тока в соленоиде осуществляется по упрощенным, в отличие от выражений (1.18) и (1.19), формулам:
;
, (1.42)
где – тангенциальная составляющая напряженности поля в ОК, А/см;
– постоянная соленоида w/l; w – число витков; l и D – длина и диаметр соленоида, см.
Намагничивание способом магнитного контакта (рис. 33, з) применяют при контроле СОН. При этом полюс постоянного магнита или электромагнита перемещают по контролируемой поверхности. Зона контроля равна ширине полюсного наконечника.
При циркулярном намагничивании магнитные силовые линии замыкаются главным образом в детали. Этот вид намагничивания осуществляется пропусканием электрического тока по детали (рис. 1.36, а) или ее части (рис. 1.36, д, е), по проводнику или кабелю, проходящему через сквозное отверстие в детали (рис. 1.36, б), тороидальной обмотке (рис. 1.36, в), путем его индуцирования в кольцевой детали (рис. 1.36, г). Наиболее эффективно циркулярное намагничивание деталей, имеющих форму тел вращения. При этом вокруг детали образуется магнитное поле, деталь намагничивается круговым потоком силовых линий, расположенных в плоскостях, перпендикулярных направлению тока. Магнитный поток из детали не выходит, он замыкается внутри детали, исключая зоны трещин.
При намагничивании с помощью тороидальной обмотки, например, свободных внутреннего или внешнего кольца буксового подшипника (см. рис. 1.36, д), магнитные линии в детали также имеют вид концентрических окружностей. Такое намагничивание применяют для выявления на торцах трещин радиальных и трещин, расположенных вдоль цилиндрической поверхности.
а
б
в
г
д
е
Рис. 1.36. Схемы реализации циркулярного намагничивания: а – пропусканием тока через деталь; б – с помощью шины с током, помещенной в отверстие детали; в – пропусканием тока по тороидальной обмотке; г – путем индуцирования тока в деталь; д – с помощью контактных головок, устанавливаемых на деталь; е – пропусканием тока по участку детали
на схеме (рис. 1.36) представлены: 1 – объект контроля (деталь); 2 – магнитопровод; 3 – обмотка; 4 – кабель; 5 – шина с током; 6, 7 – контактные головки; 8 – дефекты.
Определить намагничивающий ток по схеме (рис. 1.36), можно по формуле:
, (1.43)
где – тангенциальная составляющая напряженности поля в ОК, А/см;
l – длина средней линии тороида, см; w – число витков обмотки.
Циркулярное намагничивание по схеме (рис. 1.36, б) применяют при контроле втулок и фланцев. При этом используют неферромагнитный стержень (медную шину) или кабель. В результате выявляются продольные дефекты на внутренней и внешней поверхностях втулок (труб), а также радиальные дефекты на торцах втулок и фланцев. Радиальные дефекты удобнее выявлять вокруг отверстий.
Расчет намагничивающих токов при циркулярном намагничивании производят по формулам: – для схем «а», «б»; – для схемы «е».
здесь Ht – тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля, А/см; D – внешний диаметр объекта, см; l – длина участка, см; с – ширина участка (рекомендуемые значения: l = (7 – 25) см, с 0,6l). Расчет тока для схемы «д» производят по формуле , когда расстояние l между контактами 6 значительно больше внешнего диаметра D детали, т. е. при
l/D > 5 – 10.
В случае циркулярного намагничивания пластин расчет менее точен, но можно полагать, что при соотношении сторон сечения более 10–15 напряженность магнитного поля на поверхности пластины определяется соотношением:
, (1.44)
где b – большая сторона сечения пластины.
Для деталей более сложной формы расчет будет не точен, поэтому приходится пользоваться или очень приближенными оценками, или, в конечном счете, устанавливать режим намагничивания экспериментально на образцах с дефектами.
Комбинированное намагничивание достигается в результате одновременного продольного и циркулярного намагничивания и использования для него токов одного вида или токов разного вида с соответствующими моментами включения или с изменением их значений и направления. В этом случае возникает результирующее поле, величина которого зависит от параметров каждого из полей. Необходимо, чтобы суммарный вектор намагниченности поворачивался относительно оси детали в пределах 90°. Комбинированное намагничивание позволяет выявлять трещины, направленные под разными углами к оси контролируемой детали. Его осуществляют как пропусканием тока по детали с помощью электромагнита (рис. 1.37, а) и соленоида (рис. 1.37, б), путем индуктирования тока в детали и тока, проходящего по проводнику, который помещают в отверстие детали (рис. 1.37, в), так и пропусканием двух (или более) сдвинутых по фазе токов по детали во взаимно-перпендикулярных направлениях (рис. 1.37, г). при этом намагничивающий ток для циркулярного и полюсного намагничивания определяют по формулам (1.42), (1.43).
В депо и на вагоноремонтных заводах широко применяют комбинированное намагничивание по схеме (рис. 1.37, б) в установках МДУ1-КПВ, МДУ2-КПВ при магнитном контроле осей колесных пар с напрессованными внутренними кольцами буксовых подшипников.
Намагничивание во вращающемся магнитном поле используют при контроле СОН объектов с большим размагничивающим фактором, с неэлектропроводящими покрытиями. При одновременном наложении на ферромагнетик двух магнитных полей различной направленности в нем образуется векторное поле, величина и направление которого определяется сложением составляющих. Если одна или обе составляющие поля переменны, то результирующее векторное поле будет изменяться по углу, величине и направлению и при известном соотношении фаз, что может формировать вращающееся поле. Из-за неоднородного распределения его компонентов в различных участках детали дефекты будут выявляться неодинаково, а это снижает надежность контроля. Однако при отсутствии более надежного дефектоскопического оборудования при помощи СОН можно, например, намагнитить деталь в двух или трех взаимно-перпендикулярных направлениях.
Представленная схема (рис. 1.37) включает: 1 – объект контроля (деталь); 2 – магнитопровод; 3 – обмотку; 5 – шину с током; 6 – контактные головки.
Каждый из видов намагничивания и средств его осуществления является эффективным тогда, когда обеспечивается достаточное значение напряженности намагничивающего поля детали и создается наиболее выгодное направление линий этого поля по отношению к ориентации трещин.
а
б
в
г
Рис. 1.37. Схемы реализации комбинированного намагничивания: а – с помощью электромагнита; б – пропусканием тока по детали и с помощью соленоида; в – путем индуцирования тока в деталь и пропускания тока по проводнику, помещаемому в отверстие детали; г – пропусканием двух (или более) сдвинутых по фазе токов по детали во взаимно перпендикулярных направлениях
1.9.2. Виды намагничивающих токов
в магнитном НК намагничивание ОК осуществляют постоянным, переменным и импульсным полями. Для этих целей применяют следующие виды электрического тока: постоянный, переменный однофазный или трехфазный, выпрямленный одно- или двухполупериодный, выпрямленный трехфазный, импульсный. При этом используют: при контроле СПП – переменный, постоянный и импульсный (последовательность импульсов); при контроле СОН – импульсный (не менее трех импульсов), постоянный.
При намагничивании постоянным полем в ОК создают постоянное магнитное поле напряженностью Hmax, при котором достигается насыщение материала, если уменьшить это поле на 25 %, то это приведет к уменьшению остаточной индукции Br и коэрцитивной силы не более чем на 1 %. Достоинства намагничивания в постоянном поле – его стабильность и отсутствие вихревых токов. Однако выпрямительные устройства на большие токи сложны, поэтому данное намагничивание эффективно при контроле только малогабаритных деталей или их отдельных участков.
Намагничивание в переменных полях удобнее осуществлять трансформированием больших токов, если не считать технических трудностей при обеспечении выключения тока в моменты достижения амплитудного значения.
Импульсное намагничивание сочетает в себе достоинства намагничивания и постоянного, и переменного полей. Чаще всего импульсное намагничивание осуществляется импульсом тока в результате разряда конденсатора большой емкости. Однако вследствие влияния вихревых токов намагничивание различных слоев ОК происходит неодинаково: внутренние – недомагничены, поверхностные – намагничены до насыщения, т. е. деталь не промагничивается полностью. это позволяет эффективно уменьшать влияние размагничивающего действия концов детали, так как поверхностный слой перемагничивается импульсным полем в направлении, противоположном основному направлению намагничивания в постоянном поле. В поверхностном слое образуется как бы замкнутая магнитная цепь.
Намагничивание пульсирующим (выпрямленным) током обеспечивает намагничивание всего объема ОК постоянной составляющей тока и перемагничивание поверхностного слоя переменной составляющей. В результате оказывается возможным магнитный контроль деталей с отношением длины к диаметру, не превышающим 3–5 раз, и расширяется номенклатура объектов, контролируемых СОН [15].
1.9.3. Размагничивающий фактор при намагничивании деталей
Все изложенное выше справедливо для намагничивания бесконечных ферромагнитных сред или однородных магнитных цепей замкнутой формы. В реальных случаях объекты магнитного контроля, будучи телами конечных размеров, намагничиваются во внешнем однородном поле Н не так, как намагничивается само ферромагнитное вещество или материал: на процесс намагничивания деталей оказывает действие размагничивающий фактор. При помещении детали в магнитное поле Н на ее торцах-границах неизбежно образуются магнитные полюсы, которые вызывают появление внутри детали размагничивающего поля Нр, направленного против внешнего магнитного поля. Величина этого поля зависит от намагниченности:
, (1.45)
где N – размагничивающий фактор (коэффициент размагничивания или формы), зависящий главным образом от геометрических конструктивных параметров намагниченной детали, а не от ее истинных магнитных свойств.
Тогда результирующее поле внутри детали определяется по формуле:
. (1.46)
Из выражения (1.46) видно, что чем больше N, тем меньше напряженность поля Нi и, следовательно, индукция В в детали.
Объекты магнитной дефектоскопии представляют собой довольно короткие детали с большим диаметром. Мысленно их можно представить совокупностью большого числа параллельных стержней, которые (на рис. 1.15, а показана только одна пара стержней) размагничивают друг друга. Следовательно, чем больше диаметр или чем меньше длина детали, тем меньше значение индукции, приобретенное ею при намагничивании.
Истинное (результирующее) внутреннее поле можно определять путем смещения кривой намагничивания или петли гистерезиса материала в каждой точке с намагниченностью М влево на величину NМ (рис. 1.38, б). Если учесть, что и , то, проводя кривую сдвига ОN под углом , можно сместить точки кривой намагничивания на величину отрезков , образованных между осью ординат и линией ОN, т. е. кривая намагничивания детали Вд есть не что иное, как сдвинутая вправо кривая намагничивания ее материала Вм.
а
б
Рис. 1.38. Размагничивающий фактор: а – модель размагничивания;
б – построение кривой намагничивания результирующего поля в детали
В общем случае: 0 N 1. Для деталей, у которых поперечные и продольные размеры одинаковы, N 0,30,4, например, для шара N 0,33, для эллипсоида с соотношением осей 2 фактор N = 0,73, для целого кольца, так же, как и для бесконечно длинного магнита или соленоида, N = 0.
При полюсном намагничивании в разомкнутой цепи объектов с большим размагничивающим фактором, имеющих отношение длины к корню квадратному из площади поперечного сечения (или максимальному размеру поперечного сечения) менее 5, в целях уменьшения действия этого фактора предпринимают следующее:
1) составляют объекты контроля в цепочки, при этом фактическая площадь контакта соприкосновения торцевых поверхностей деталей должна быть не менее 30 %;
2) «удлиняют» детали специальными удлинителями из магнитомягкой стали;
3) используют переменный намагничивающий ток с частотой 50 Гц и более или импульсный ток.
1.10. Размагничивание деталей
Намагниченные детали после осмотра и разбраковки должны быть размагничены, так как остаточная намагниченность может вызвать нежелательные последствия. Например, поверхности плохо размагниченных роликов и колец подшипников притягивают ферромагнитные продукты износа, это вызывает ускоренный износ подшипников и последующие осложнения в эксплуатации вагонов. Во избежание этого контролируемые детали тщательно размагничивают и проверяют степень размагниченности. Размагничивание как этап контроля часто присутствует в магнитном контроле, но не влияет на его достоверность, т. е. это, скорее, не контроль, а приведение детали в состояние, пригодное для дальнейшего использования.
Существуют следующие способы размагничивания:
1) нагревание объекта до точки Кюри (для ферромагнетиков она лежит в большом диапазоне, у железа – 768 С);
2) однократное приложение встречного поля «большой силы»;
3) воздействие знакопеременным полем с уменьшением его амплитуды во времени.
Первые два способа, в отличие от третьего, в практике магнитного НК не применяются в силу ряда технологических и технических ограничений.
Сущность третьего способа размагничивания состоит в следующем. Деталь подвергают циклическому перемагничиванию переменным полем, напряженность которого по амплитуде с каждым полупериодом уменьшается до нуля (рис. 1.39, а), т. е. . К моменту, при котором индукция достигнет почти нулевого значения, остаточная индукция также будет близка к нулю (рис. 1.39, б).
Имеют место две процедуры исполнения данного способа размагничивания: 1) величину размагничивающего поля уменьшают или удаляют соленоид от ОК, 2) снижают ток в его обмотке. Некоторые дефектоскопы имеют режимы автоматического снижения тока в намагничивающих устройствах, но в большинстве случаев детали помещают в соленоид, включают его и плавно, в течение 5 с, не менее, осуществляют их относительное удаление на расстояние не менее 0, 5 м, после чего соленоид выключают. Независимо от путей исполнения данного способа процесс размагничивания идет по частным петлям гистерезиса. На рис. 39, б остаточная индукция уменьшается от цикла к циклу. Число периодов размагничивания обычно не менее 40–50, т. е. уменьшение амплитуды напряженности должно быть достаточно плавным. Полного размагничивания достичь, разумеется, не удается, поскольку все детали находятся в магнитном поле Земли. детали необходимо размагничивать до уровня, при котором остаточная намагниченность не нарушает нормальной работы машин и механизмов.
а
б
Рис. 1.39. Иллюстрация сущности размагничивания: а – изменение
напряженности магнитного поля; б – частные петли гистерезиса
Для размагничивания используют демагнитизаторы – соленоиды, питаемые переменным током различной частоты. Однако можно применять те же устройства, что и для намагничивания. Размагничивание объектов подвижного состава железнодорожного транспорта производится дефектоскопами МД-12ПШ, МД-12ПЭ, МД-12ПС и МД-12ПР. размагничивание в них осуществляется удалением детали или дефектоскопа на расстояние, где напряженность поля можно считать, равной нулю. Удаление производится в течение (20 5) с на расстояние более 0,5 м. Контроль размагниченности осуществляют миллитесламетром ТП2-2У или измерителями напряженности
МФ-107А и МФ-109.
На подвижном составе железнодорожного транспорта установлены предельные уровни остаточного поля: для колец буксовых подшипников –
не более 3 А/см; для всех остальных деталей – не более 5 А/см.
При размагничивании больших партий деталей качество размагничивания определяют следующим образом. Одну из деталей нагревают до точки Кюри и охлаждают в отсутствие внешних магнитных полей (кроме магнитного поля Земли). Затем чувствительным измерителем магнитной индукции оценивают максимальную намагниченность, хотя бы в относительных единицах. Если показания при этом – некоторое число , то считают детали достаточно размагниченными при 3. Обычно в качестве индикатора применяют МФ-23, МФ-23И и МФ-23М. Оценка осуществляется по модулю и знаку разности значений остаточной магнитной индукции в зоне контроля и на базовом расстоянии 20 мм. Диапазон измерения разностей значений магнитной индукции составляет 2мТл [15].
Контрольные вопросы
1. Что называется напряженностью магнитного поля?
2. Какое направление имеет сила магнитного поля?
3. Что представляют собой силовые линии магнитного поля?
4. Чем характеризуется область домена?
5. Перечислите и охарактеризуйте магнитные величины.
6. Что показывает неоднородность магнитного поля?
7. Что лежит в основе магнитопорошкового контроля?
8. Каковы принципы контроля феррозондом?
9. Каким образом производят размагничивание деталей?
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ
Акустические методы контроля занимают одно из центральных мест среди методов неразрушающего контроля. Их отличает высокая чувствительность, способность к выявлению дефектов различных размеров и формы. С помощью акустических методов проводят контроль самых разнообразных материалов и изделий. Выгодной отличительной особенностью акустических методов является возможность обнаружения дефектов, расположенных внутри изделия, на значительной глубине. Используя акустические методы, можно не только обнаружить дефект, но и определить его местоположение в изделии, указать, хотя бы приближенно, его размеры, сделать заключение о форме дефекта.
К настоящему времени разработана целая группа методов акустического контроля, использующих самые различные физические принципы и явления. Для правильного использования методов необходимо иметь представление и о физических закономерностях, лежащих в их основе. Основу этого раздела составляют материалы, опубликованные ранее [14–20]. Помимо этого, учтены требования ГОСТ по ультразвуковому контролю и нормативной технической документации. Для тех, кто заинтересуется вопросами не нашедшими здесь освещения в силу ограниченных рамок объема, рекомендуем дополнительно обращаться к списку литературы, представленному в конце пособия.
Этот раздел подготовлен с целью показать связь теоретических представлений акустики и практических методов контроля.
2.1. Колебания и волны
Колебания – это такие процессы, при которых состояние системы воспроизводится через определенные промежутки времени. Колебания бывают различной физической природы: механические (например, колебания маятника), электромагнитные (например, напряжение сети переменного тока), световые, акустические. Акустические колебания – это механические колебания частиц упругой среды. Сила упругости возвращает частицы к положению равновесия. Инерция вызывает продолжение колебания после прохождения положения равновесия.
Все колебания делятся на два класса: свободные и вынужденные. Свободные колебания совершает система, выведенная из положения равновесия и предоставленная самой себе. Свойства свободных колебаний определяются свойствами самой колеблющейся системы. Часто свободные колебания возбуждаются кратковременным воздействием, ударом. Вынужденные колебания совершаются под действием периодической силы, выводящей систему из положения равновесия. Свойства вынужденных колебаний определяются как свойствами системы, так и вынуждающей силой
Колебания, возникнув в какой-то точке, распространяются в среде. Волна – это распространение колебаний в среде. Акустическая волна – это распространение механического возмущения.
По времени протекания процесса колебания и волны разделяются на непрерывные и импульсные. Непрерывные колебания возникли бесконечно давно, продолжаются сейчас и будут продолжаться бесконечно долго. Как правило, за непрерывные колебания принимают колебания, продолжающиеся много периодов. Импульсные колебания имеют конечную продолжительность. Непрерывные колебания графически изображены на рис. 2.1. По оси абсцисс откладывают время, по оси ординат – ту величину, которая совершает колебания. В акустике – это давление р или упругое смещение и.
Периодом называют время полного колебания. Период обозначают буквой Т, он измеряется в секундах, а также в микросекундах: 1 мкс = 10-6с. Максимальное отклонение от положения равновесия – это амплитуда колебания. Амплитуду обозначают буквой А или индексом «о» у колеблющейся величины, например, ро.
Величина, обратная периоду, называется частотой f.
f = 1/Т . (2.1)
Импульсные колебания бывают двух видов: видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоимпульсы характеризуют амплитудой А, периодом повторения Тn и длительностью . Длительности импульса измеряют на уровне половины амплитуды или по уровню 6 дБ от максимума, если по оси ординат отложена величина, измеренная в децибелах. По ГОСТ 14782-86 «Соединения сварные. Методы ультразвуковые» длительность зондирующего импульса измеряется на уровне 0,1 А. Частоту высокочастотного заполнения называют несущей частотой радиоимпульса fo. Остальные параметры радиоимпульсов такие же, как и видеоимпульсов: амплитуда А, период повторения Тn и частота следования F, длительность импульса длительность фронта фр и среза ср.
Волны, как и колебания, могут быть непрерывными и импульсными. Частицы среды в каждой точке совершают колебания. Поэтому все параметры колебаний относятся и к волнам. В дополнение к ним вводится еще понятие длины волны, которое выражает пространственную периодичность волнового движения. Распределение упругих смещений частиц в волне показано на рис. 2.2, волна распространяется вдоль оси х.
Рис. 2.2. Распределение упругих смещений в волне
Длина волны – это расстояние между точками, колеблющимися в одной фазе, или это расстояние, проходимое волной за время, равное периоду:
, (2.2)
где с – скорость распространения упругих волн.
В зависимости от частоты волны разделяют на инфразвук (частоты ниже 16 Гц), слышимый звук (частоты от 16 Гц до 20 кГц), ультразвук (частоты от 20 кГц до 300 МГц), гиперзвук (частоты свыше 300МГц). Границы между этими диапазонами в значительной степени условны. В акустическом контроле в настоящее время используются частоты от 50 Гц до 50 МГц.
2.1.1. Гармонические колебания
Одним из наиболее простых и часто встречающихся в природе и технике видов колебательного движения являются гармонические колебания. Колебания, совершающиеся по закону синуса или косинуса, называют гармоническими. Гармоническое колебание показано на рис. 2.2. Общий вид гармонического колебания выражается формулой:
, (2.3)
где u – текущее значение колеблющейся величины, например, упругого смещения, в произвольный момент времени t, u0 – амплитуда колебания. Круговая или циклическая частота выражается через частоту f или период Т:
. (2.4)
В формуле (2.3) – это начальная фаза колебаний, а аргумент функции синус – это фаза :
. (2.5)
Фаза зависит от времени, а начальная фаза показывает положение, от которого начался отсчет времени. Начальная фаза – это выраженная в градусах или радианах доля периода, прошедшая с начала колебания до начала отсчета. Фаза и начальная фаза измеряются в градусах или радианах, причем 1 рад = 57,3 градуса.
Гармонические колебания, распространяясь в среде, создают гармоническую упругую волну. Совокупность точек, колеблющихся в одинаковой фазе, образуют волновой фронт. Существуют три основных вида волнового фронта: плоский, цилиндрический и сферический. Соответственно и волны называются плоскими, цилиндрическими и сферическими по форме волнового фронта.
2.1.2. Колебательная скорость
Колебательное движение частиц происходит со скоростью v:
(2.6)
Величина Z= называется характеристическим акустическим импедансом. Здесь – плотность вещества. Давление в упругой волне прямо пропорционально импедансу и колебательной скорости частиц.
. (2.7)
Волна, распространяясь в пространстве, переносит упругую энергию.
2.1.3. Интенсивность
Интенсивность I – это плотность потока (т.е. количество энергии через единицу площади), переносимая волной за период колебаний:
. (2.8)
Интенсивности I=1Вт/см2 соответствует амплитуда и0 5, что для частот в единицы мегагерц составляет миллионные доли миллиметра.
Различие между двумя уровнями интенсивности I1, и I2 оценивают в децибелах (дБ)
L=10 lg (I1/I2). (2.9)
Если рассматривается отношение давлений P1 и P2 или амплитуд упругих смещений, то применимо следующее соотношение:
, (2.10)
откуда L=20lg(P1/P2) (дБ). (2.11)
Отношение давлений или интенсивностей можно выразить в неперах (Нп), если взять натуральный логарифм:
L1=ln(P1/P2)=(1/2)ln(I1/I2). (2.12)
Между непером и децибелом есть соотношение:
1Нп = 8,68дБ; 1дБ=0,115Нп.
Соответствие некоторых значений шкалы децибел отношениям амплитуд и интенсивностей представлено в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Соответствие шкалы децибел отношениям амплитуд
Децибелы
Отношение амплитуд
Отношение мощностей
Децибелы
Отношение амплитуд
Отношение мощностей
-20
0,1
0,01
3
1,414
2
-10
0,316
0,1
6
2
4
-6
0,5
0,25
10
3,16
10
-3
0,707
0,5
20
10
100
0
1
1
30
31,6
1000
2.1.4. Спектральный состав акустических импульсов
Колебания сложной формы можно выразить в виде суммы нескольких гармонических составляющих. Процесс нахождения гармонических составляющих сложного колебания называется гармоническим анализом. Эту процедуру выполняют приборы – анализаторы спектра. Она также может быть выполнена путем вычислений на ЭВМ. Результат гармонического анализа называют спектром. Он показывает, какие частоты и с какими амплитудами входят в состав данного колебания. Спектры шумовых процессов и одиночных импульсов сплошные, в них присутствуют все частоты из некоторого интервала. Спектры периодических процессов состоят из линий. Простейший спектр, состоящий из одной линии, имеет гармоническое колебание. Такие колебания и их спектры называют монохроматическими.
2.1.5. Типы и поляризация упругих волн
Все упругие волны подразделяются на объемные, т.е. распространяющиеся в объеме тела, поверхностные, бегущие вдоль поверхности раздела двух сред, и волны в ограниченных телах. Поляризацией волны называется траектория и направление движения частиц упругой среды по отношению к направлению распространения. В общем случае монохроматическая волна имеет эллиптическую поляризацию (рис. 2.3). Это означает, что частицы совершают движение по эллипсу. В частном случае эллипс вырождается в линию (рис. 2.3) [17].
Говорят, что такие волны имеют линейную поляризацию, они относятся к объемным волнам. Среди объемных различают продольные и поперечные волны. Продольной называется такая волна, у которой направление колебания происходит в том же направлении, в котором распространяется волна. Продольные волны могут распространяться как в твердых телах, так и в жидкостях и газах. Скорость продольной волны можно рассчитать, если известны плотность материала , модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона . Модуль Юнга Е – это отношение плотности силы к вызываемой этой силой деформации. Коэффициент Пуассона – это отношение изменения ширины стержня к изменению его. Для металлов 0,3. Скорость распространения продольной волны (для металлов) Сl определяется выражением
Сl= 1,16 . (2.13)
Рис. 2.3. Эллиптическая и линейная поляризация
Поперечной называют такую волну, направление колебания частиц в которой перпендикулярно направлению распространения (рис. 2.4, б)
а б
Рис. 2.4. Продольные (а) и поперечные волны (б)
Поперечные волны могут распространяться в твердых телах, а в жидкостях и газах они очень быстро затухают. Скорость поперечной волны для металлов определяется по формуле
Ct 0,55 Сl (2.14)
Значения скоростей продольных и поперечных волн приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Значения продольной и поперечной скорости в различных средах
2.1.6. Поверхностные и подповерхностные волны
Поверхностными волнами (волны Рэлея) называют упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной границы твердого тела и быстро затухающие с глубиной. Распространение волны Рэлея показано на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Поверхностная волна Рэлея
Частицы в волне колеблются по эллиптической траектории. Большая ось эллипса перпендикулярна границе. Амплитуда волны быстро уменьшается с глубиной – координатой х на рис.2.5.
Волна Рэлея сосредоточена в пределах слоя толщиной ~ у поверхности. Скорость волны Рэлея СR для металлов определяется соотношением:
СR= 0,93 Ct . (2.15)
Волна Рэлея способна огибать небольшие препятствия и распространяться не только по плоским, но и выпуклым и вогнутым поверхностям. На выпуклой поверхности скорость волны несколько увеличивается, на вогнутой – уменьшается. Поверхностные волны имеют малое затухание. На вогнутых поверхностях возникает дополнительное затухание волны из-за излучения объемных волн вглубь среды.
Головная (подповерхностная) волна распространяется вблизи поверхности твердого тела. Ее скорость близка к скорости продольных волн. Головная волна быстро затухает, поскольку она порождает боковые вытекающие волны (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Головная волна
Боковые волны под углом arccosCt/Cl распространяются в глубь среды. Максимум амплитуды головной волны приходится на некоторую глубину под поверхностью. Головная волна медленно затухает в глубине среды. Головная волна не чувствительна к выявлению выступов на поверхности и мелких поверхностных дефектов. Однако с ее помощью можно обнаруживать подповерхностные дефекты. Углубления в поверхности глубже
1–2 длин волн вызывают отражение головных волн и излучение их энергии в виде объемных волн.
2.1.7. Волны Лэмба
Волнами в пластинах (нормальными волнами) называют упругие волны, распространяющиеся в твердой пластине (слое) со свободными или слабонагруженными гранями. Нормальные волны бывают с двумя типами поляризации: горизонтальной, параллельной плоскости пластин (это поперечные нормальные волны) и с вертикальной, перпендикулярной плоскости пластин (это волны Лэмба). В практике ультразвуковой дефектоскопии волны Лэмба получили наибольшее распространение.
2.1.8. Причины ослабления волн при распространении
Амплитуда и интенсивность упругих волн уменьшается по мере их распространения. Существуют следующие основные причины ослабления волн: расхождение лучей и затухание. Ослабление из-за расхождения лучей происходит потому, что часть лучей пучка не достигает приемника. Ослабление из-за расхождения лучей увеличивается с пройденным волной расстоянием. Уменьшение амплитуды сферических волн пропорционально 1/ Z, где Z – пройденное расстояние; цилиндрических – . В плоских волнах расхождения лучей нет. Ослабление амплитуды волн из-за затухания пропорционально е-, где число е = 2,73, – коэффициент затухания. Коэффициент затухания складывается из коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния.
Поглощение – это преобразование энергии упругих волн в другие виды энергии, в первую очередь в тепло. Рассеяние связано процессами преломления, отражения волн на границах кристаллов, зерен или включений в неоднородных материалов, а также огибанием волнами этих внутренних неоднородностей. В табл. 2.3 представлены формулы для расчета амплитуды А(z) и мощности P(z) волны, прошедшей расстояние z. А0 и Р0 – начальные амплитуда и мощность.
Таблица 2.3
Формулы для расчета амплитуды и мощности волны
Тип волны
Плоская
Цилиндрическая
Сферическая
Aмплитуда
А(z)=A0e-Z
А(z)=
А(z)=
Мощность
P(z)=P0e-2Z
P(z)=
P(z)=
2.2. Акустические свойства сред
Рассмотрим основные причины затухания упругих волн. Как было сказано в предыдущем разделе, коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния. В однородных жидкостях и газах рассеяние отсутствует, а коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В аморфных твердых телах (например, стекле) и монокристаллах рассеяние тоже отсутствует. В поликристаллических телах присутствует как поглощение, так и рассеяние.
Существует несколько причин поглощения упругих волн в твердых телах. Поглощение обусловлено теплопроводностью среды и внутренним трением. В большинстве поликристаллических твердых тел основную роль в затухании играет рассеяние. Среда содержит зерна или включения, плотность и акустический импеданс которых отличается от окружения. Так, в чугунах содержатся включения графита. В стали зерна сохраняют кристаллическое строение. Скорость УЗВ зависит от направления падающей волны по отношению к осям кристалла. Чем сильнее эта зависимость, то есть упругая анизотропия, тем сильнее влияние рассеяния. Так, анизотропия (и рассеяние) велика́ в медных сплавах (латуни), но она значительно меньше в алюминиевых. В сталях рассеяние сильно сказывается на распространении волн в нержавеющей аустенитной стали, в аустенитных сварных швах. При переходе луча из одного зерна в другое возникают отражение, преломление и трансформация волн (рис. 2.7).
Коэффициент затухания, вызванный рассеянием, зависит от соотношения между длиной волны и средним размером зерна D. Обычно выполняется условие >> D. Рассеяние в этой области называется рэлеевским. Зависимость коэффициента от частоты f и от среднего размера зерна D показаны на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Зависимость коэффициента р
от частоты волны и среднего размера зерна
При этом в области рэлеевского рассеяния оно происходит на частицах, которые меньше длины волны. При << D влияние рассеяния возрастает с ростом частоты. В табл. 2.4 представлены основные акустические свойства сред.
Таблица 2.4
Основные акустические свойства сред
Материал
Плотность , г /см3
Скорость упругих волн с, м/с
Характеристический импеданс, 106 г/смс
Длина волны при f = 2,5 МГц, мм
2.3. Отражение и прохождение волн на границах сред
Если упругая волна падает на границу раздела двух сред, то могут происходить несколько явлений: отражение, преломление и трансформация волн.
Отражением называется изменение направления распространения волны на границе раздела, при котором волна не переходит в другую среду. Преломлением называется изменение направления и (или) скорости волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду. Трансформацией называют преобразование типа или поляризации волн, происходящее на границе раздела двух сред. Например, падающая объемная волна может преобразоваться в поверхностную волну Рэлея (преобразование типа волны), либо продольная волна может преобразоваться в поперечную (преобразование поляризации).
Сначала рассмотрим падение плоской объемной волны на плоскую гладкую границу двух сред, рис.2.9. Пусть, для определенности, падающая из среды 1 волна имеет продольную поляризацию. В общем случае от границы раздела отражаются две волны: продольная и поперечная, преломляются и проходят в среду 2 тоже две волны – одна продольная, другая поперечная. Введем углы падения , отражения и преломления . Каждый из этих углов измеряется между направлением распространения соответствующей волны и перпендикуляром, восстановленным в точке падения. Так, угол падения на рис. 2.9 – это , углы отражения , и углы преломления и .
Первый индекс означает тип или поляризацию волны, второй – номер среды. Скорости, с которыми распространяются волны, указаны на рис. 2.9 у падающего, отраженных и преломленных лучей. Задача, которую нам предстоит решить, заключается в следующем. Допустим, нам известны угол падения и амплитуда Аи падающей волны. Требуется определить углы, под которыми распространяются отраженные и преломленные волны и их амплитуды.
Для падающей, отраженных и преломленных волн отношение синуса угла (между направлением распространения и нормалью к поверхности раздела) к скорости волны есть величина постоянная. Это закон отражения и преломления или закон Снеллиуса. Его математическое выражение
. (2.16)
Поскольку скорости продольных падающей и отраженной волн в первой среде равны, то из (2.16) равны и углы падения и отражения:=. Отношение скоростей преломленной спр. и падающей спад. волн – это коэффициент преломления п:
n= спр/спад. (2.17)
Чем больше скорость прошедшей (преломленной) волны, тем больше угол преломления. Поэтому преломленная продольная волна отклонена от нормали больше, чем поперечная. Для того чтобы знать, каким образом реализуется явление преломления, очень важно соотношение между скоростями волн в первой и второй средах. Выберем для рассмотрения какую-либо одну из преломленных волн.
Возможны три случая: спр > спад.; спр<спад и спр=спад. В последнем случае преломления луча на границе раздела не происходит. Первый и второй случаи иллюстрирует рис. 2.10.
Пунктирной линией показано мысленное продолжение падающего луча во вторую среду. Случай «а» соответствует падению волны из среды с большей скоростью в среду с меньшей скоростью (например, из стали в оргстекло). Луч преломленной волны всегда находится между пунктирной линией и нормалью к границе раздела. При увеличении угла падения от нуля до 90° преломленная волна существует всегда. Иное положение в случае «б», когда волна падает из среды с меньшей скоростью в среду с большей, например из оргстекла в сталь. В этом случае угол преломления больше угла падения . При увеличении обязательно настанет момент, когда преломленная волна пойдет параллельно поверхности. Говорят, что в этом случае волна падает под критическим углом. В контроле УЗ вводятся три критических угла. Рассмотрим их более подробно.
а б
Рис. 2.10. Ход лучей при падении: а – с1> с2; б –с1< с2
Угол падения, при котором преломленная продольная волна выходит на поверхность раздела сред, называется первым критическим углом, . Преломленная волна при этом превращается в головную. При значениях угла падения, превышающих , во второй среде продольная волна отсутствует.
Угол падения, при котором преломленная поперечная волна выходит на поверхность раздела сред, называется вторым критическим углом, . Преломленная поперечная волна при этом превращается в поверхностную волну Рэлея. При значениях угла падения, превышающих ,объемные однородные волны во второй среде отсутствуют.
Значения критических углов для границы оргстекло-сталь таковы: =27,5° , = 56° – 57°.
Угол падения поперечной волны, при котором отраженная продольная волна выходит на поверхность, называется третьим критическим углом . Для стали этот угол равен 33°.
На рис. 2.11 схематично показано, какие волнывозникают во второй среде при падении продольной волны при спад<спр. Случай нормального падения =0 показан на рис. 2.11, а. В этом случае видимого преломления лучей нет; падающая, отраженная и преломленная волны направлены по нормали к поверхности раздела. Трансформации волн тоже нет. При значении угла падения, которое меньше первого критического, во второй среде есть две преломленные волны – продольная и поперечная (рис. 2.11, б). Случай падения под первым критическим углом показан на рис. 2.11, в. Вместо вышедшей на поверхность продольной преломленной волны образуется головная. Если <<, то во второй среде есть только поперечная волна (рис. 2.11, г). Наконец, при > (рис. 2.11, д) объемных волн во второй среде нет, а вдоль границы раздела бежит поверхностная волна.
Рис. 2.11. Отражение,
преломление и трансформация волн
при разных углах падения
2.3.1. Коэффициенты отражения и прозрачности
Падение волны на границу раздела называется нормальным, если угол падения равен нулю. В этом случае не происходит видимого преломления луча. Все три волны – падающая, отраженная и преломленная – направлены вдоль прямой, перпендикулярной поверхности. Углы преломления и отражения равны нулю. Трансформации волн при нормальном падении не происходит. Для количественной характеристики амплитуд и интенсивностей отраженных и преломленных волн вводят коэффициенты отражения и прохождения. Коэффициентом отражения R называют отношение амплитуды отраженной волны Аотр к амплитуде падающей Апад [20]:
R = Аотр./ Апад. (2.18)
Коэффициентом прохождения (или прозрачности) D называют отношение амплитуды прошедшей волны Апр к амплитуде падающей:
D = Апр./ Апад . (2.19)
Коэффициентом отражения по интенсивности Ř называют отношение интенсивностей отраженной и падающей волн:
Ř = Iотр./ Iпад . (2.20)
Коэффициент прохождения (прозрачности) по интенсивности Ď это отношение интенсивностей прошедшей и падающей волн:
Ď= Iпр./ Iпад . (2.21)
2.3.2. Зависимость коэффициентов отражения
и прохождения от угла падения
Эту зависимость рассмотрим на примере границы оргстекло/сталь. Коэффициенты прохождения продольных Di и поперечных Dt волн зависят от угла падения продольной волны. При нормальном падении и при малых <10° коэффициент прохождения поперечных волн равен или близок к нулю. Поэтому преобразователи упругих волн, работающие при нулевых (это прямые преобразователи) и малых (раздельно-совмещенные) углах падения используют продольные волны. При значении угла падения, равном первому критическому углу , коэффициенты Di и Dt близки к нулю. Значительная часть энергии излучения переносится головной волной. Падение волны под первым критическим используют для возбуждения головных волн. При углах падения, которые больше первого критического, продольной преломленной волны нет. В интервале углов < < во второй среде (стали) распространяется только поперечная волна. Этот интервал углов падения, приблизительно от 30° до 55°, используется в преобразователях поперечных волн. Пластина преобразователя возбуждает в призме наклонного преобразователя продольную волну. После преломления и трансформации в объекте контроля распространятся поперечная волна. Поперечная волна исчезает при величине угла падения >. Если угол падения равен или немного превышает второй критический, то возбуждается и распространяется вдоль поверхности поверхностная волна. Углы падения =60°–65° используют для возбуждения поверхностной волны Рэлея.
Рассмотрим теперь падение поперечной волны на границу сталь/воздух. Прошедшими волнами будем пренебрегать вследствие их малой амплитуды в силу сильного различия импедансов стали и воздуха. При значениях угла от >25° коэффициент отражения продольной волны значительно превосходит коэффициент отражения поперечной. Основная часть энергии поперечных волн в этих условиях трансформируется в продольную. Третий критический угол для стали: =33°. При углах падения >отраженная продольная волна пропадает.
Если угол падения поперечной волны превышает третий критический, то наблюдается явление незеркального отражения. Энергия волны переносится на некоторое расстояние s головной волной. Смещение s зависит от угла падения . Это явление выражено тем сильнее, чем ниже частота волны и чем ближе угол падения к третьему критическому. Явление незеркального отражения возникает из-за отклонения свойств упругих волн от законов геометрического отражения.
2.3.3. Зеркальное и диффузное отражение.
Индикатриса рассеяния
Отражение упругих волн следует закону Снеллиуса при условии, что на границу раздела падает плоская волна и шероховатость на границе отсутствует. В таком случае наблюдается зеркальное отражение: параллельный пучок лучей после отражения остается параллельным, и угол падения равен углу отражения, если не происходит трансформации волн (рис. 2.12, а). Если шероховатость поверхности велика и высота неровностей h больше длины волны , то волна отражается диффузно (рис. 2.12, б).
При диффузном отражении интенсивность отраженных волн одинакова по всем направлениям. Направленность излучения от какого-нибудь отражателя характеризуют угловой диаграммой, называемой индикатрисой рассеяния (рис. 2.12, в). Индикатрису рассеяния определяют, измеряя амплитуду поля, рассеянного обратно в направлении излучателя при перемещении последнего по заданной траектории, например поверхности ОК. Точечные отражатели имеют ненаправленную индикатрису рассеяния, а плоскостные – направленную.
Рис. 2.12. Зеркальное,
диффузионное рассеяние
и индикатриса рассеяния
в
2.4. Дифракция на препятствии и рефракция
При использовании методов НК, основанных на ультразвуковых волнах, исходят из представления геометрической акустики о распространении волн. В этом приближении считают, что лучи распространяются в среде по прямым линиям, а на границах раздела сред происходят явления отражения и преломления, происходящие по закону Снеллиуса. Если упругая волна на своем пути встречает звуконепроницаемое препятствие, то, по законам геометрической акустики, за препятствием должна возникнуть область звуковой тени. Приближенно геометрическая акустика находит применение во многих средах широкой области частот и углов падения. Однако, если размеры препятствия или отражателя сравнимы или меньше длины волны, то в области геометрической тени есть волны, которые как бы огибают препятствия.
Дифракция – это явление частичного огибания волной препятствия, находящегося на пути ее распространения.
Если волна встречает звуконепроницаемую преграду с точечным отверстием, то по другую сторону от преграды волна распространяется как от точечного источника (рис. 2.13, а). Явление частичного огибания препятствия волной иллюстрирует рис. 2.13, б. Дифракция проявляется тем сильнее, чем меньше размеры препятствий, например, отражателей. Если размеры отражателя существенно меньше длины волны, то волна огибает отражатель и сколько-нибудь существенного отражения не возникает.
Рис. 2.13. Дифракция волн: а – сферическая волна от точечного источника;
б – огибание пучком препятствия
Принято разделять четыре типа дифракции в зависимости от типов зон, в которых законы геометрической акустики не применимы.
Дифракция 1-го типа. Возникает при взаимодействии волны с острыми краями несплопшостей, в частности, с краями трещин (рис. 2.14, а). Помимо зеркального отражения от плоскостного дефекта, края трещин становятся вторичными излучателями и возбуждают сферические волны. Этот тип дифракции используется для определения высоты трещин по разности времен прихода дифрагированных волн, рис.53б. Разность времен прихода импульсов в положениях преобразователей (1-1') и (2 -2') пропорциональна высоте трещины.
Рис. 2.14. Дифракция 1-го типа: а – возникновение краевых волн от плоскостного
отражателя; б – схема дифракционно-временного метода
Дифракция 2-го типа. Возникает при касании лучами поверхностей гладких тел, например объемного дефекта (рис. 2.14, а). За счет дифракции волна частично огибает дефект, формируя так называемую огибающую волну. Огибающая волна порождает волны соскальзывания. Осциллограмма изображения на экране дефектоскопа для поперечной волны, излученной наклонным преобразователем и падающей на дефект округлой формы, показана на рис. 2.14, б. Серия импульсов за первым (зеркальным) отражением от объемного дефекта образована волнами соскальзывания, возникшими после обхода огибающей волной поверхности дефекта один и более раз.
Рис. 2.14. Дифракция 2-го типа: а – волны обегания и соскальзывания;
б – осциллограмма на экране дефектоскопа
Дифракция 3-го типа. Образуется при падении волн на границу раздела двух сред под первым, вторым или третьим критическими углами. При этом образуются головные волны, которые порождают дифракционные боковые волны (рис. 2.15). Боковые волны отходят от границы раздела под критическими углами.
Рис. 2.15. Дифракция 3-го типа
Дифракция 4-го типа или рефракция. Образуется в слоисто-неоднородных средах и проявляется в непрямолинейном распространении лучей (рис. 2.16). За счет явления рефракции могут возникать каустики, то есть малые области, в которых собирается семейство нескольких лучей. Рефракция проявляется тем сильнее, чем более резко изменяется скорость волны с глубиной и чем больше угол падения на неоднородную среду. Волны в неоднородной среде могут выйти на ту же поверхность, с которой производится ввод (рис. 2.16). Рефракция упругих волн наблюдается в слоистых пластиках, в поверхностно-закаленных стальных изделиях, в зоне термического влияния сварных швов.
2.5. Возбуждение и прием упругих волн
электроакустическими преобразователями
Излучение и прием упругих волн осуществляют с помощью электроакустический преобразователей. Электроакустические преобразователи трансформируют электрическую энергию в механические колебания и обратно. Преобразователи классифицируют по нескольким признакам.
По способу акустического контакта различают:
– контактные преобразователи, которые прижимают к поверхности ОК, предварительно смазанной контактной жидкостью. Иногда слой жидкости заменяется эластичным протектором. Толщина слоя контактной среды не превышает /2;
– иммерсионные преобразователи, между поверхностью которых и изделием находится слой контактной жидкости толщиной в несколько длин волн. Изделие целиком или частично погружается в ванну;
– контактно-иммерсионные преобразователи с локальной иммерсионной ванной;
– щелевые преобразователи, между поверхностью которых и ОК создается зазор, равный приблизительно длине волны, а контактная жидкость удерживается силами поверхностного натяжения;
– преобразователи с сухим точечным контактом. Они имеют шарообразную поверхность, соприкасающуюся с изделием;
– бесконтактные преобразователи, возбуждающие упругие волны через слой воздуха (воздушно-акустическая связь) или с помощью трансформации электрической энергии в акустическую в самом объекте контроля, при этом используются те или иные физические эффекты.
По способу соединения преобразователей с УЗ дефектоскопом различают:
– совмещенные преобразователи, которые одновременно соединяются и с генератором, и с приемником дефектоскопа. Они служат как для излучения, так и для приема ультразвука;
– раздельные преобразователи. Излучатель подсоединяют к генератору дефектоскопа, приемный преобразователь подсоединяют ко входу приемно-усилительного блока дефектоскопа;
– раздельно-совмещенные преобразователи, состоящие из излучающей и приемной частей, объединенных конструктивно между собой.
По направлению акустической оси преобразователи разделяют:
– на прямые, излучающие волны нормально к поверхности ОК;
– наклонные, в том числе с переменным углом наклона.
По форме акустического поля различают:
– обычные преобразователи с плоской пьезопластиной;
– фокусирующие преобразователи. Пучок волн, который излучают такие преобразователи, сужается в определенной (малой) области пространства;
– мозаичные преобразователи, в том числе фазированные решетки. Состоят из нескольких элементов, управляемых по отдельности.
Наибольшее применение находят пьезоэлектрические преобразователи.
Пьезоэлектрические преобразователи. В основу положен принцип прямого и обратного пьезоэффекта. Прямым пьезоэффектом называется возникновение связанных электрических зарядов на поверхности тела при его деформации (рис. 2.17, а). Если на пластинку из пьезоэлектрического материала падает упругая волна, вызывая его деформацию, то на поверхности пластинки возникают переменные электрические заряды. Это явление используется при приеме упругих волн. Обратным пьезоэффектом называется изменение размеров тела в электрическом поле (Е на рис. 2.17, б). Явление обратного пьезоэффекта применяют для возбуждения волн.
Рис. 2.17. Явления прямого (а) и обратного пьезоэффекта (б)
Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты наблюдаются в некоторых кристаллах, например в кварце. Для возбуждения нужного вида колебаний пластинку вырезают вдоль определенного кристаллографического направления. В преобразователях, предназначенных для ультразвуковой дефектоскопии, чаще всего применяют сегнетоэлектрическую пьезокерамику. Пьезокерамическому материалу придают требуемую форму, пока он находится в пластичном состоянии. Затем его спекают при высокой температуре около 1000 °С и. выше и поляризуют в сильном электрическом поле.
Обычно пьезоэлементу придают форму пластины. На обе поверхности пластины наносят тонкие металлические электроды. Резонансная частота пьезопластины зависит от ее толщины h. Условие резонанса таково: на толщине h должна укладываться половина длины волны ультразвука: h=. Отсюда резонансную частоту fo находим по формуле
fo=c/2h, (2.22)
где с – скорость ультразвука в материале пьезоэлемента. Поперечные размеры пьезопластины выбирают из условия, мм:
a fo =(12…15), (2.23)
где а – радиус пьезопластины. Эффективность возбуждения волн пьезоэлементом зависит от пьезомодуля d:
q = dP, (2.24)
где Р – давление, q – величина связанных зарядов на единицу площади.
Пьезоэлектрические свойства сохраняются до температуры, называемой точкой Кюри Tk . Выше Tk пьезосвойства материала пропадают. Для изготовления пьезопластин ультразвуковых преобразователей в настоящее время применяют кристаллический кварц, титанат бария и пьезокерамику цирконат-титанат свинца марки ЦТС-19. Их основные свойства представлены в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Основные свойства пьезопреобразователей
Материал
Плотность , г/см3
Пьезомодуль d, 10-12 Кл/Н
Температура Кюри Тk, 0С
Скорость
звука с, км/с
Кварц
2,65
2,3
573
5,74
Титанат бария
5,3
190
105
4,7
ЦТС-19
7,0
200
290
3,3
Благодаря хорошим пьезоэлектрическим свойствам, достаточно высокой температуре Кюри преобразователи с пластинами из ЦТС-19 нашли наиболее широкое применение. К недостаткам пластин из титаната бария относят низкую температуру Кюри и временное старение. Пьезопреобразователи из кварца имеют низкую чувствительность, но зато очень хорошую временную стабильность и высокую Tk. При точно выдержанной кристаллографической ориентации пластины они способны излучать и принимать чистые моды (продольные или поперечные).
2.5.1. Основные параметры пьезопреобразователей
Технические параметры преобразователей регламентируются ГОСТ 14782-86 «Соединения сварные, методы ультразвуковые» и ГОСТ 26266-90 «Преобразователь ультразвуковые. Общие технические требования». К основным параметрам относятся следующие:
Коэффициент преобразования.
Вводят коэффициент преобразования при излучении
Ки=Рак/Uu,
где Р – излученная акустическая мощность; Uu – напряжение на излучателе, коэффициент преобразования при приеме
Кп= Un /Рак ,
где Un – напряжение принятого сигнала. Работу преобразователя в совмещенном режиме характеризует коэффициент двойного преобразования:
Кuu= KuKn . (2.25)
Зависимость коэффициента преобразования от частоты называют
амплитудно-частотной характеристикой, ее типичный вид показан на рис. 2.18. Частота fo очень близка к частоте, рассчитанной по формуле (2.1). При малой связи с нагрузкой амплитуда эхо-импульса от отражателя достигает максимального значения на рабочей частоте fo. В России принят ряд стандартных рабочих частот. Наиболее употребительные рабочие частоты: 1,25, 1,8 (дополнительная), 2,5, 5, 10 МГц. Частоты преобразователей зарубежного производства могут не совпадать с этим рядом. В таком случае используется зарубежный преобразователь с ближайшей более высокой частотой, чем указано в документации на УЗК. Допуски на соответствие частот составляют ±10 %, выше 1,25 МГц и ±20 % – до 1,25 МГц.
Полоса преобразования (рис. 2.18) – это разность частот: f2 –f1=,
где f1 и f2 – частоты, на которых амплитуда эхо-импульса (или коэффициента преобразования) уменьшается в 2 раза (на 6 дБ, если Кии измеряется в децибелах). Обычно ширина полосы составляет около 30 % от рабочей частоты.
Для наклонных преобразователей вводят понятия «точка выхода», «стрела преобразователя» и «угол ввода». Точка выхода – это точка пересечения оси излучения в призме и поверхности выхода. Стрела преобразователя – это расстояние от точки выхода до передней грани преобразователя. Стрела преобразователя – важный параметр, определяющий возможность контроля данным преобразователем сварных швов. Слишком большая стрела не позволяет проконтролировать всю нижнюю половину сечения шва прямым лучом. Положение точки выхода маркируется риской на боковой поверхности преобразователя. Допуск на положение точки выхода ±1 мм.
Угол ввода луча – это угол между нормалью к поверхности в точке выхода и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода, в положении преобразователя, когда амплитуда эхо-сигнала наибольшая. В силу эффекта зависимости коэффициента прохождения от угла падения и эффекта квазиискривления акустической оси угол ввода может отличаться от угла преломления, рассчитанного по закону Снеллиуса. Наилучшее совпадение этих углов получается в интервале углов падения от 30° до 50°. Причиной квазиискривления акустической оси является затухание в материале. С увеличением глубины расположения отражателя угол ввода луча уменьшается. При малом затухании ультразвука этот эффект можно не учитывать.
Угол ввода луча может изменяться в процессе эксплуатации преобразователя:
– за счет истирания и изменения угла призмы;
– изменения скорости распространения УЗ колебаний в призме вследствие старения или изменения температуры. Угол ввода изменяется на
0,5°–0,7° на каждые 10 °С изменения температуры.
Для отклонения угла ввода от номинального значения установлены допуски:
– для преобразователей с углом ввода до 60° – ±1,5°;
– преобразователей с углом ввода 60° и больше – ±2°.
Важным параметром является время задержки волны в призме наклонного преобразователя или в акустической задержке. Время задержки измеряется в микросекундах и определяется как отношение длины акустической оси излучения в призме или акустической задержки к скорости ультразвука.
Направленность поля ПЭП измеряют при изменении угла ввода по уровню -6 дБ от максимального значения амплитуды эхо-сигнала и оценивают шириной раскрытия диаграммы направленности. Типичные значения составляют
4–10°, причем ширина раскрытия уменьшается с ростом произведения afo. Чем выше направленность, тем больше амплитуда эхо-сигнала от отражателя при прочих равных условиях.
Мертвая зона – участки вблизи поверхности ввода и донной поверхности, дефекты в которых не могут быть выявлены эхо-импульсным методом при данных параметрах контроля. Понятие мертвой зоны иллюстрирует рис. 2.19.
Эхо-импульс от отражателя, расположенного в мертвой зоне вблизи поверхности ввода, попадает в область зондирующего сигнала и последующих шумовых и реверберационных сигналов. Размер мертвой зоны зависит от длительности зондирующего импульса и длительности переходных процессов , происходящих вследствие недостаточного демпфирования и отражений в призме. Размер мертвой зоны оценивается по следующим формулам:
– прямой преобразователь; (2.26)
– наклонный преобразователь. (2.27)
Часть мертвой зоны наклонного ПЭП приходится на призму. С увеличением угла призмы наклонного ПЭП мертвая зона уменьшается. Для уменьшения мертвой зоны нужно повышать частоту УЗВ, это дает возможность сократить длительность зондирующего импульса при том же числе периодов колебаний в импульсе.
Мертвая зона вблизи донной поверхности образуется в связи с тем, что сильный донный сигнал мешает выявлению относительно слабого отражения от дефекта. Размер мертвой зоны вблизи донной поверхности прямого преобразователя меньше, чем Нм в формуле (2.26). Для наклонного преобразователя мертвая зона вблизи донной поверхности, как правило, не возникает.
Лучевая разрешающая способность ПЭП (разрешающая способность по глубине или дальности) – это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми компактными отражателями, расположенными по оси излучения. Отражатели считаются выявленными раздельно, если глубина минимума между двумя максимумами (импульсами) составляет не менее 6 дБ (рис. 2.20).
Рис. 2.20. Лучевая разрешающая способность ПЭП
Лучевая разрешающая способность улучшается с уменьшением длительности зондирующего импульса .
Фронтальная разрешающая способность – это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми точечными отражателями, расположенными перпендикулярно акустической оси (для прямого преобразователя – лежащими на одной глубине). Фронтальная разрешающая способность зависит от глубины залегания отражателя h, длины волны и диаметра излучателя D:
. (2.28)
Для уменьшения нужно улучшать направленность преобразователя, которая определяется отношением /D.
Область рабочих температур – это интервал температур поверхности ОК, при которых ПЭП может эксплуатироваться без ущерба.
Стандартные ПЭП имеют условные обозначения следующей структуры (табл. 2.6).
Таблица 2.6
Обозначение преобразователей
Номер в обозначении
п/п
1
2
(3)
4
5
6
(7)
8
Варианты обозначения
1– контактный;
2 – иммерсионный;
3- контактно-иммерсионный;
4 – бесконтактный
1– прямой;
2 – наклонный;
3 – комбинированный
1– совмещенный,
2– раздельно-совмещенный, 3 – раздельный
Н – неплоский,
Ф -фокусирующий
Рабочая частота, МГц
Угол ввода, град
Дополнительные характеристики
Порядковый номер
Примечание: элементы обозначения, помещенные в скобках, не являются обязательными и могут отсутствовать.
2.5.2. Элементы конструкции ПЭП
Прямые ПЭП. Схема прямого преобразователя из комплекта «Приз-4» приведена на рис. 2.21. Пьезопластина 1 предназначена для излучения и приема упругих волн. Толщина ее соответствует нужной рабочей частоте. Изготовлена пластина из пьезоэлектрического материала, например, керамики ЦТС-19. Диаметр и рабочая частота связаны соотношением = (12…15) мм-МГц. Протектор 2 служит для защиты пьезоэлемента от истирания и механических воздействий. Через протектор упругие волны передаются от пьезопластины к объекту контроля.
Демпфер 3 служит для гашения части акустического излучения, направленной вверх. Это достигается или подбором формы демпфера, таким образом, чтобы отраженные от верхней и боковых стенок лучи не попадали на нижнюю стенку по нормали, или подбором материала, сильно поглощающего УЗВ. Прижимая пластину, демпфер резко сокращает время релаксации свободных колебаний пьезопластины и тем самым уменьшает мертвую зону. За счет поджатия демпфером, полоса пропускания несколько увеличивается, но коэффициент преобразования уменьшается. Иногда через демпфер передается электрический сигнал, тогда демпфер должен быть проводящим. Заливочная масса 4 служит для защиты элементов конструкции от влаги и увеличения механической прочности и стабильности. В конструкциях, где отсутствует демпфер, заливочная масса выполняет его функции. Корпус 5 служит для объединения всех элементов ПЭП в одну конструкцию. Электрический соединитель 6 (разъем) служит для подключения ПЭП к дефектоскопу через коаксиальный кабель. Электрические провода 7 соединяют разъем с электродами пьезопластины.
Наклонные ПЭП. Схема конструкции серийных наклонных преобразователей из комплекта «Приз-6» показана на рис. 2.22. Элементы уже встречавшиеся в конструкции прямого ПЭП, рассмотренного выше, повторно перечисляться не будут. Среди новых элементов наиболее важными являются следующие. Призма 8 служит для передачи упругих волн от пьезопластины к объекту контроля. Призма формирует угол ввода. Изготавливается обычно из оргстекла. Материал призмы должен обладать малым или умеренным затуханием, и стабильностью акустических свойств. Оргстекло не полностью удовлетворяет этим требованиям по причине изменения скорости УЗВ при изменения температуры и старения. Поэтому преобразователи с призмой из оргстекла нуждаются в регулярной тщательной поверке. Призмы для прецизионных наклонных преобразователей изготавливают из плавленого кварца.
Пьезопластина возбуждает в призме продольные волны, и время задержки рассчитывается с учетом их скорости. Продольная волна трансформируется в поперечную в объекте контроля. Угол призмы (равный углу падения) выбирают, как правило, больше первого критического: =27° и меньше второго критического: =56°. В таком случае в ОК распространяется только одна поперечная волна с вертикальной поляризацией. Призму с углом 27° используют для возбуждения головной волны. Для возбуждения поверхностной рэлеевской волны применяют призмы с углом = 60°…65°, то есть несколько больше второго критического.
Звукопоглотитель 9 поглощает или рассеивает акустическое излучение, попавшее на боковые грани преобразователя. В некоторых конструкциях призма выполняет роль корпуса. Тогда переднюю и верхнюю грани призмы выполняют ребристыми, рассеивая, таким образом паразитную часть излучения и уменьшая шумы в призме.
Раздельно-совмещенные (Р-С) ПЭП. Они состоят из двух идентичных или почти идентичных частей. Р-С ПЭП состоит из конструктивно объединенных излучающей и приемной частей. Помимо упоминавшихся выше элементов, в конструкции Р-С ПЭП есть еще экран, обеспечивающий экранировку излучающей и приемной частей ПЭП по электрическим наводкам и акустическим шумовым сигналам. Экран изготовляют, например, из медной фольги, помещенной между пластинами из пенополистирола. Призмы 8 изготовлены с наклонной верхней поверхностью, так что пучок акустического излучения, пройдя призму излучателя, объект контроля, призму приемной части попадает на приемную пьезопластину. Угол между верхними плоскостями бывает обычно от 6° до 12°.
Благодаря наличию призм, создающих акустическую задержку, Р-С ПЭП имеют малую мертвую зону. Их основное назначение – ультразвуковая толщинометрия и контроль подповерхностных дефектов. С помощью Р-С ПЭП, применяемых в толщиномерах, удается уменьшить минимально измеряемую толщину от 3…4 (для прямых ПЭП без акустической задержки) до
0,3…0,5 мм.
2.6. Акустическое поле преобразователя
Акустическое поле – это зависимость упругих смещений, давления или интенсивности от положения исследуемой точки в пространстве. Различают поля излучения, приема и излучения-приема [19].
Поле излучения, созданное преобразователем-излучателем, – это совокупность значений принятого пробным точечным приемным преобразователем сигнала, в каждой точке поля. Поле приема преобразователя – это совокупность значений принятого сигнала, при помещении точечного излучателя в каждую точку поля. Величина сигнала, отраженного от дефекта и воспринятого преобразователем, определяется полем излучения-приема. Поле излучения-приема находится как произведение нормированных значений поля излучения и поля приема в каждой точке. Поля излучения и приема одного и того же пьезоэлектрического преобразователя обычно идентичны.
Акустическое поле преобразователя имеет сложную структуру. Сначала рассмотрим поле прямого преобразователя. Пусть преобразователь дисковой формы радиусом а возбуждает акустическое поле. Схематично акустическое поле представляется пучком (рис. 2.22). Линию, проходящую по центру пучка, называют акустической осью излучения. Структура поля пучка совершенно различна в двух областях, называемых ближней и дальней зонами излучения.
Рис. 2.22. Поле дискового излучателя
В ближней зоне, называемой еще зоной Френеля, пучок в поперечном сечении повторяет сечение пьезопластины. Волновой фронт в пределах пучка приближенно можно считать плоским. В ближней зоне интенсивность изменяется с сильными осцилляциями. Причина осцилляции – интерференция сигналов, приходящих в данную точку среды от разных участков преобразователя. Пути, проходимые от разных участков, различны, поэтому колебания от них приходят с разными фазами. В некоторых точках колебания ослабляют друг друга и интенсивность близка к нулю, в других точках они складываются, образуя максимумы.
Размер ближней зоны, т.е. расстояние от излучателя до последнего максимума интенсивности, вычисляется по формуле:
, (2.29)
где Sизл – площадь излучателя.
Для пьезопластины в форме диска Sизл= а2 и
. (2.30)
Для излучателя в форме квадрата со стороной а размер ближней зоны определяется аналогично:
. (2.31)
Если поле создается прямоугольным преобразователем со сторонами а1 и а2, где а1 – большая сторона, то при a1/a2>2 можно пользоваться формулой (2.27), где вместо а нужно подставить а1. Если a1/a2<2, то
. (2.32)
Максимумы и минимумы в ближнем поле прямоугольного преобразователя сглажены по сравнению с круглым.
Дальняя зона излучения еще называется зоной Фраунгофера. В ней пучок
становится расходящимся, его сечение увеличивается. Осцилляции интенсивности
отсутствуют. Для любой точки в дальней зоне колебания от разных участков излучателя приходят с малым сдвигом фазы и не ослабляют друг друга. Между ближней и дальней зонами находится переходный участок, в котором сечение пучка несколько уменьшается. В дальней зоне акустическое поле имеет вид лучей, исходящих из центра. Угол расхождения пучка определяется по формуле:
. (2.33)
Коэффициент N имеет значение 0,61 для дискового излучателя и N = 0,5 – для прямоугольного. Произведение (– резонансная частота) определяет угол расхождения пучка.
Акустическое поле в дальней зоне характеризуют диаграммой направленности. Диаграмма направленности – это графическое изображение зависимости интенсивности излучения от угла между осью излучения и данным направлением при постоянном расстоянии от излучателя. Вид диаграммы направленности представлен на рис. 2.23 в полярных координатах. Центральную часть диаграммы, в пределах которой интенсивность изменяется от 1 до нуля, называют основным лепестком. В его пределах заключено 80…85 % энергии излучения. Кроме основного, присутствуют еще боковые лепестки диаграммы направленности.
Угол раскрытия диаграммы направленности можно определить несколькими способами. В практике УЗ контроля угол раскрытия часто измеряют по уровню 0,5 от максимума (или -6 дБ). Для измерения ширины раскрытия диаграммы направленности преобразователя можно использовать стандартный образец СО-2.
2.6.1. Поле наклонного преобразователя
В наклонном преобразователе упругие волны сначала распространяются в материале призмы, затем преломляются на границе «призма–изделие», трансформируются в поперечные и попадают в объект контроля.
Проанализируем поле наклонного преобразователя в объекте контроля в дальней зоне. Это поле создается лучами, возникшими в призме и преломленными на границе. Акустической осью преобразователя в изделии ON назовем преломленную ось АО излучения в призме (рис. 2.24). Точка О – это точка ввода. Акустическая ось ON не совпадает с центральным лучом преломленного пучка, который начинается в точке О и соответствует максимуму диаграммы направленности. Угол преломления центрального луча называют углом ввода. Существуют две основные причины отличия угла ввода от угла преломления (или отличия центрального луча от акустической оси). Первая доминирует в ОК небольшой толщины и вызвана зависимостью коэффициента прозрачности D от угла падения. Эта зависимость – уменьшение D с ростом угла – почти во всем интервале: << приводит к смещению центрального луча в сторону меньших углов от преломленной акустической оси. В ОК значительной толщины к этому эффекту добавляется еще эффект квазиискривления акустической оси: лучи пучка, преломленные под меньшими углами, проходят и меньший путь в изделии. Следовательно, они меньше затухают; результатом будет дополнительное уменьшение угла ввода по сравнению с углом преломления.
Рис. 2.24. Схема расчета поля наклонного ПЭП
Угол преломления возрастает тем быстрее, чем больше угол падения. Поэтому диаграмма направленности наклонного ПЭП в плоскости падения становится несимметричной. Ширина основного лепестка диаграммы направленности в этой плоскости увеличена по сравнению с прямым ПЭП. Это явление выражено тем сильнее, чем больше угол призмы. Ширина раскрытия поля наклонного ПЭП в плоскости падения определяется по формуле:
. (2.34)
В плоскости, перпендикулярной плоскости падения, ширина раскрытия диаграммы направленности не зависит от угла призмы, и практически совпадает с шириной раскрытия у прямого ПЭП.
Для расчета поля наклонного ПЭП вводят понятие «мнимая пьезопластина». Точка O1 (рис. 2.24) – это точка, где сходятся продолжающая лучи пучка. Поле представляется как поле мнимого источника, помещенного в точку О1 и имеющего эллиптическую форму с полуосями 2acos/cos в плоскости падения и 2а – в перпендикулярной плоскости. Размер ближней зоны хб может быть вычислен по формуле:
. (2.35)
2.7. Акустический тракт
Акустическим трактом называют путь ультразвукового сигнала от излучателя до отражателя и далее до приемника ультразвука. Расчет акустического тракта – это определение амплитуды сигнала от отражателя в зависимости от формы и размеров отражателя и ПЭП и расстояния между ними, акустических свойств материала ОК, частоты ультразвуковой волны. Обычно акустический тракт рассчитывается для модельных отражателей, имеющих простую форму. С ростом размера дефекта амплитуда эхо-сигнала возрастает, но до определенного предела. Как правило, амплитуда сигнала от дефекта убывает с увеличением глубины его залегания. Эта зависимость вызвана двумя обстоятельствами: расхождением пучка в дальней зоне и затуханием ультразвука. По этим же причинам происходит ослабление донного сигнала, только он ослабляется медленнее, чем сигналы от большинства отражателей. Столь же медленно уменьшается амплитуда сквозного сигнала при контроле теневым методом. Чем больше размер затеняющего дефекта, тем сильнее ослабляется амплитуда.
Рассмотрим влияние формы, ориентации и заполнения отражателей на амплитуду отраженного сигнала. При равных глубине залегания и площади отражателя наибольший отраженный сигнал получается от дискового отражателя, ориентированного по нормали к оси пучка (рис. 2.25, а). Такой отражатель можно приготовить, например, выполнив плоскодонное сверление нужного диаметра на заданную глубину. От отражателя округлой формы, сферического или цилиндрического (рис. 2.25, б) амплитуда отражения меньше.
Рис. 2.25. Отражение плоскостного (а)
и округлого отражателей (б)
Амплитуда сигнала, отраженного от плоскостного отражателя, существенно зависит от ориентации пучка и плоскости отражателя. Сигнал наибольшей амплитуды получается при перпендикулярном расположении плоскости отражателя и оси пучка. Если отражатель сильно наклонен, то зеркально отраженные лучи не попадают на приемник. Отраженный сигнал создается более слабыми отражениями от кромок отражателя и полем дифракции. Указанная зависимость амплитуды сигнала от ориентации плоскостного отражателя ярко выражена для отражателей больших размеров. Если размер отражателя меньше половины длины волны, то волна огибает дефект за счет дифракции и отраженный сигнал резко уменьшается.
Коэффициент отражения ультразвука на границе дефекта, заполненного газом или воздухом, по модулю близок к единице. Для дефекта, заполненного шлаком, этот коэффициент существенно меньше. По этой причине амплитуда сигнала, отраженного от газовой поры больше, чем от шлакового включения. Слабый отраженный сигнал дают тонкие окисные плены. Вблизи границы металла с раковиной иногда располагается большое количество пор, которые рассеивают ультразвук. По этой причине может получиться слабый отраженный сигнал, даже от крупной раковины. Слабый отраженный сигнал дают и плоскостные дефекты (трещины, расслоения) с очень малым, в единицы и десятки микрон, раскрытием.
Теперь рассмотрим более подробно влияние размера отражателей и глубины их залегания. Приведем формулы для расчета акустического тракта для нескольких модельных отражателей.
В ближней зоне амплитуда отраженного сигнала сильно зависит от формы и длительности зондирующего импульса. Приближенно отношение амплитуд А/А0 для плоского диска можно оценить по формуле:
А/А0=(1–4) , (2.36)
где S – площадь отражателя, Sn – площадь НЭП, а – коэффициент затухания, r – расстояние между ПЭП и отражателем. Множитель 2 в показателе экспоненты появился в связи с тем, что волна проходит путь – 2r до дефекта и обратно. Из-за наличия множителя (1–4) амплитуду отражения в ближней зоне можно оценить лишь очень приближенно.
Для модельных отражателей, расположенных в дальней зоне, выведены формулы для отношения амплитуд. В табл. 2.7 приведены расчетные формулы для некоторых часто встречающихся модельных отражателей в акустическом тракте прямого и наклонного преобразователя.
В табл. 2.7 S – площадь дискового или сегментного отражателя, D – коэффициент прозрачности, – углы ввода и призмы, – коэффициенты затухания в изделии и призме, r – расстояние в изделии от точки ввода до отражателя, – приведенное расстояние в призме, r1 – длина акустической оси в призме.
Таблица 2.7
Расчетные формулы для различных отражателей
Модельный
отражатель
Формула акустического тракта
Прямой
преобразователь
Наклонный преобразователь
Дисковый
Цилиндрический
Плоская донная
поверхность
Цилиндрическая вогнутая
поверхность
2.7.1. АРД-диаграмма
Для сопоставления размеров несплошностей, выявленных УЗ дефектоскопией, их необходимо сравнить с каким-либо модельным отражателем. Для прямых преобразователей чаще всего в качестве отражателя принимают плоский диск, ориентированный перпендикулярно оси УЗ пучка. Эквивалентным диаметром (площадью) дефекта называют диаметр (площадь) круглого плоскодонного отражателя, расположенного перпендикулярно акустической оси на том же расстоянии, что и дефект в материале с одинаковыми акустическими свойствами, дающий эхо-импульс такой же амплитуды.
АРД-диаграмму применяют для расчета амплитуды эхо-сигнала в зависимости от расстояния до отражателя и его размеров. Она устанавливает зависимость между амплитудой А эхо-сигнала от дискового отражателя, ориентированного перпендикулярно акустической оси ПЭП и отражающего на 100 % падающую УЗ энергию, и расстоянием r от излучателя до отражателя и диаметром D (или площадью) отражателя.
АРД-диаграммы бывают двух типов: обобщенные и рабочие. На обобщенных диаграммах (рис. 2.26) по оси абсцисс отложено расстояние между ПЭП и отражателем, нормированное на размер ближней зоны излучателя хб. По оси ординат отложено ослабление в отрицательных децибелах. На поле АРД-диаграммы нанесена серия кривых, каждая из них соответствует своему диаметру (или площади) эквивалентного отражателя, отнесенного к диаметру (площади) пьезоэлемента. Область r/хб<1 соответствует ближней зоне ПЭП. При r/хб>1 в дальней зоне амплитуда с ростом r убывает. Самая верхняя кривая соответствует донному сигналу.
Рис. 2.26. Обобщенная АРД-диаграмма
Рабочие АРД-диаграммы строят для конкретного вида ПЭП с учетом его размеров, частоты и угла ввода. Для построения рабочих АРД-диаграмм используют несколько способов: на основе обобщенных АРД-диаграмм, определенных расчетным путем, с использованием формул акустического тракта, и экспериментальным путем. На оси абсцисс рабочих АРД-диаграмм откладывают расстояние от ПЭП до отражателя в миллиметрах. Для наклонных ПЭП иногда по оси абсцисс указывается расстояние по горизонтальной (х) или вертикальной (у) координате.
В отечественных нормативных документах АРД-диаграммы часто приводятся в виде таблиц с поправками, а в комплект УЗ дефектоскопов иногда входят АРД-шкалы – прозрачные накладные шкалы, которые устанавливаются на экран дефектоскопа. На шкалах нанесены кривые изменения амплитуд в зависимости от размеров отражателя и расстояния до него.
Определение эквивалентного размера отражателя производится следующим образом. С помощью УЗ дефектоскопа измеряется расстояние r до отражателя и разность , дБ, между амплитудами сигналов от отражателя и донного сигнала, измеренного в изделии толщиной r0. Донный сигнал используется как опорный. По оси абсцисс откладывают расстояние r0 и восстанавливают перпендикуляр к оси до пересечения с АРД-кривой донного сигнала (рис. 2.27).
Из точки пересечения проводят горизонтальную линию, и значение по оси ординат принимают за точку отсчета, от которой вниз откладывают разность . Из получившейся точки на оси ординат проводят горизонтальную линию. По оси абсцисс откладывают расстояние г и восстанавливают перпендикуляр. Точка пересечения горизонтальной линии и этого перпендикуляра попадает на АРД-кривую эквивалентного отражателя площадью SЭ. Если точка пересечения оказалась между двумя линиями, то выбирается ближайшая кривая или производится интерполирование.
2.8. Шумы и помехи при контроле
методами отражения ипрохождения
Помехами называют сигналы, не вызванные отражениями ультразвука от несплошностей и не меняющие своего положения во времени при неизменных условиях контроля. Шумы – это беспорядочные непериодические по времени прихода сигналы, а также сигналы, имеющие случайные значения параметров.
Внешние шумы. Они имеют электрическую или акустическую природу и проявляются в виде импульсов на экране дефектоскопа. Электрические шумы возникают при включении и выключении мощных электрических аппаратов, при работе сварочной аппаратуры. Акустические шумы вызываются ударами по объекту контроля.
Влияние электрических шумов ослабляется экранированием корпуса дефектоскопа, кабелей и преобразователей, заземлением. Экранирование импульсов помех, поступающих по сети питания, осуществляется фильтром верхних частот, вводимым в схему блока питания.
Электрические внешние импульсные шумы поступают в случайные моменты времени. Они представляют опасность для автоматизированных систем контроля, вызывая ложное срабатывание сигнализатора дефектов. Существует метод борьбы с ложными срабатываниями, основанный на регистрации только повторяющихся несколько раз импульсов. Этот способ повышает помехоустойчивость, но снижает производительность контроля.
Электрические флуктуации. В элементах электронной схемы приемника дефектоскопа возникают электрические шумы, ограничивающие минимальную амплитуду принимаемого сигнала. При увеличении коэффициента усиления электрические флуктуации проявляются в увеличении ширины и размытии линии развертки на экране дефектоскопа. Эти флуктуации могут быть существенны в эхо-методе и в методе акустической эмиссии. В теневом методе усиление не очень велико и внутренние электрические флуктуации существенного значения не имеют. Для повышения помехоустойчивости проще всего увеличить амплитуду зондирующего импульса. Кроме того, иногда уменьшают ширину полосы пропускания приемника или применяют зондирующие импульсы специальной (колокольной формы).
Помехи преобразователя – это сигналы, вызванные распространением и отражением ультразвуковых волн в призме, демпфере, протекторе и других элементах ПЭП. Их называют реверберационными помехами. При контроле по совмещенной схеме после зондирующего импульса видны сигналы, уменьшающиеся по мере удаления от зондирующего импульса. Уменьшение этих помех достигается выбором рациональной конструкции ПЭП. При контроле по раздельной схеме эти помехи или отсутствуют совсем, или значительно ослаблены.
Наклонные преобразователи с большими углами ввода, кроме объемных, могут возбуждать поверхностные волны. Эти волны, отражаясь от границ ОК, от рисок и канавок на поверхности, создают импульсы помех. Обнаружить их довольно легко: нажатие пальцем, смоченным маслом, на точку, в которой отражается волна изделия на пути поверхностной волны, уменьшающей амплитуду импульса.
Ложные сигналы. К ложным сигналам относят сигналы в зоне контроля, обусловленные отражениями ультразвука от элементов конструкции изделия и не связанные с дефектами типа несплошности. Ложный сигнал может быть принят за отражение от дефекта, он может наложиться на сигнал от дефекта и исказить его характеристики. Для исключения влияния ложных сигналов применяют тщательный выбор участка стробирования развертки, а также амплитудную дискриминацию, то есть отсечку сигналов ниже определенного уровня. Ложные сигналы разделяют на несколько групп.
1. Сигналы от мест изменения сечения ОК, от выступов и выемок возникают при контроле наклонными преобразователями (рис. 2.28). Сильный сигнал от двугранного угла возникает в преобразователе в положении I. Более слабый отраженный сигнал от галтели виден в положении II. В положении III тоже возникает весьма слабый сигнал от дифракционного рассеяния на ребре двугранного угла. Кроме того, возникает поверхностная волна, которая сначала бежит вдоль АВ, затем, отражаясь, бежит обратно и порождает дополнительный ложный сигнал.
Ложные сигналы при контроле сварных соединений возникают от усиления шва (рис. 2.29, положение I), от выпуклости в корне шва (положения II и III). Зеркальные отражения возникают при углах ввода 35°…55°. При больших углах ввода от границы основного и наплавляемого металла возникают дифракционные поля (положение IV).
Выявление ложных сигналов основано на нескольких способах. Ложные сигналы от выпуклостей в корне шва при контроле с разных сторон выявляются точным измерением координаты х. Если сигнал вызван дефектом, то l1+l2=L (L – расстояние между преобразователями). Если сигналы приходят от усиления, то l1+l2>L. Хорошо известен способ нажатия пальцем, смоченным маслом, на точку, в которой отражается волна, дающая ложный сигнал. При нажатии амплитуда ложного сигнала уменьшается. Этот способ эффективен и для выявления поверхностной волны, вызывающей ложный сигнал. Следует заметить, что этот способ не эффективен при определении ложных сигналов, созданных SH-волнами, а также SV-волнами, падающими перпендикулярно поверхности. Улучшение отношения сигнал/помеха достигают выбором угла ввода преобразователя или применением схем контроля тандем и дуэт.
Рис. 2.29. Ложные сигналы
при контроле сварных соединений
2. Помехи от многократных отражений возникают в иммерсионном
варианте зеркально-теневого или эхо-метода. Они появляются в результате многократного прохождения УЗ волной в контактной жидкости между преобразователем и изделием. Для устранения влияния ложных сигналов толщина слоя иммерсионной жидкости должна быть достаточно велика, чтобы импульс от двукратного отражения в жидкости приходил позднее донного сигнала. Время прихода ложного импульса:
,
где Нк и ск – толщина слоя жидкости и скорость звука в ней. Время прихода донного сигнала: tд=2Нк/сk+2Hu/cu, Ни и си – толщина изделия и скорость звука в нем. Условие tл>tд приводит к неравенству:
Нк > Нu , (2.37)
которому должна удовлетворять толщина слоя иммерсионной жидкости.
При контроле тонких изделий комбинированными методами важно, чтобы сигнал, прошедший один раз сквозь изделие, и сигнал, двукратно отраженный в изделии, не интерферировали. Для этого длительность импульса должна быть меньше двукратного времени пробега ультразвука в изделии:
< 2Нu/cu . (2.38)
Для исключения интерференции уменьшают длительность зондирующего импульса. Обычно это сопровождается повышением частоты УЗК.
3. Влияние свободной поверхности сказывается при распространении вдоль поверхности волны и ее интерференции, отраженной от поверхности. Если дефект расположен вблизи поверхности изделия, то при широкой диаграмме направленности боковой луч пучка выходит на свободную поверхность, отражается от нее и попадает на дефект (рис. 2.30).
Рис. 2.30. Схема возникновения ложных сигналов
Условие отсутствия интерференции на расстоянии дефекта до поверхности h определяется неравенством:
h > 0,27d/a , (2.39)
где а – радиус излучателя; d – расстояние от преобразователя до дефекта (глубина залегания).
Чтобы исключить такие ложные сигналы, выполняется контроль наклонным преобразователем с боковой поверхности или используется
ЭМА-преобразователь для нормального ввода поперечной волны.
Структурные помехи. Рассеяние ультразвука на структурных неоднородностях, зернах материала приводит к структурным помехам. Многочисленные импульсы, образовавшиеся в результате рассеяния ультразвука на неоднородностях, приходят на приемный преобразователь с различным временем задержки и с разной фазой. На экране дефектоскопа они создают серию близкорасположенных пиков («травы»), затрудняющих наблюдение полезного сигнала. Структурные помехи ограничивают чувствительность контроля в методах отражения и комбинированных методах. Иногда структурные помехи превышают уровень донного сигнала, исключая возможность применения зеркально-теневого метода.
В теневом методе структурные помехи влияют на амплитуду сквозного сигнала. Однако импульсы помех поступают уже после переднего фронта, поэтому стробированием удается улучшить отношение «сигнал/шум» В некоторых случаях возможно применение временного теневого метода на низких частотах.
Известны два метода повышения чувствительности при сильном влиянии структурных помех. Первый заключается в оптимальном выборе параметров контроля, второй – в применении методов обработки сигналов. Для надежного обнаружения амплитуда полезного сигнала должна в 3 – 5 раз превосходить средний уровень помех. Можно рекомендовать следующие меры, повышающие отношение «сигнал/шум». Применение преобразователей с узкой диаграммой направленности и фокусирующих, так как эта мера уменьшает объем материала, являющегося источником помех. Если контроль производится в дальней зоне, то направленность улучшается при увеличении диаметра пьезопластины. В некоторой степени к снижению помех приводит уменьшение длительности зондирующего импульса.
В неоднородных анизотропных материалах, таких как аустенитная сталь, важно правильно выбрать направление прозвучивания. Использование продольных волн вместо поперечных уменьшает рассеяние. В грубозернистых материалах приходится уменьшать рабочую частоту. Иногда положительный эффект дает применение Р-С преобразователей. Удобным бывает введение компенсирующей отсечки, в объектах большой толщины применяют методики послойного контроля.
При сканировании малые смещения ПЭП в пределах 1…2 мм почти не влияют на амплитуду сигнала от дефекта. В то же время детальная структура импульсов структурных помех радикально изменяется. Это дает возможность опытному оператору обнаруживать дефекты, импульсы от которых сравнимы с уровнем структурных помех.
Контрольные вопросы
1. Что называется свободным и вынужденным колебанием?
2. Что такое поляризация волн?
3. Каковы причины затухания упругих волн?
4. На чем основывается закон Снеллиуса?
5. Назовите назначение критических углов ввода.
6. Что такое индикатриса рассеяния?
7. Перечислите виды дифракции.
8. Что такое прямой и обратный пьезоэффект?
9. Перечислите элементы конструкции ПЭП и каково их назначение?
10. Что называют ближней и дальней зоной преобразователя?
11. Для чего применяют АРД-диаграмму?
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
Методы вихретокового контроля основаны на законе электромагнитной индукции. Согласно М. Фарадею, внешнее по отношению к среде переменное магнитное поле наводит электродвижущую силу, которая, если среда проводящая, создает в ней вихревые токи, регистрирующиеся измерительным преобразователем. В качестве преобразователя используются обычно индуктивные катушки (одна или несколько). Электромагнитное поле вихретоковых токов воздействует на катушку преобразователя, проводя в них эдс или изменяя их полное сопротивление [21, 22].
Рассмотрим общую функциональную схему вихретокового контроля на примере прибора с накладными измерительным преобразователем (рис. 3.1).
Измерительный преобразователь состоит из возбуждающей оболочки, подключенной к генератору переменного тока, и измерительной обмотки, подключенной к блоку измерителя.
В измерительной обмотке преобразователя наводится эдс, определяемая потокосцеплением. Эта эдс (или напряжение) служит сигналом, передающим информацию об объекте в блок измерения, причем не только об одном параметре объекта контроля. Таким образом, напряжение зависит от следующих причин (факторов): толщины листа, электрической проводимости объекта, магнитной проницаемости, состояния поверхности, наличия и размеров дефектов, зазора и ориентации оси преобразователя, химического состава и структуры, температуры и т.д.
Магнитное поле преобразователя возбуждает в плоском объекте контроля концентрические вихревые токи, плотность которых максимальна на поверхности электропроводящего объекта в контуре, диаметр которого близок к диаметру возбуждающей обмотки. Магнитное поле вихревых токов противоположно первичному магнитному полю возбуждающей обмотки, поэтому результирующее поле зависит от электромагнитных свойств контролируемого объекта и от расстояния между преобразователем и объектом (от зазора).
Рис. 3.1. Принцип действия прибора с накладным преобразователем
Высокая степень информативности вихретокового преобразователя определяет достоинства и трудности метода вихретокового контроля. С одной стороны, метод вихретокового контроля позволяет осуществлять многопараметровый контроль, а с другой – требует применения специальных приемов с целью разделения информации об отдельных параметрах объекта.
Другая не менее важная особенность вихретокового контроля – это бесконтактность, т.е. между объектом контроля и преобразователем создается небольшое (до 2 мм), но достаточное расстояние для свободного движения преобразователя. Вихретоковый метод позволяет производить контроль на больших скоростях, которые недоступны другим методам.
Получение информации в виде электрических сигналов, бесконтактность и высокое быстродействие вихретокового контроля – всё это определяет высокую производительность и возможность автоматизации контроля.
На сигналы вихретокового преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, а также загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами.
Вихретоковые преобразователи устойчивы к механическим и атмосферным взаимодействиям, могут работать в агрессивных средах, при высоких температурах и давлениях, так как в большинстве случаев катушки преобразователей помещают в предохранительный корпус и герметически закрывают.
К недостаткам вихретокового метода контроля следует отнести, во-первых, то, что можно проводить контроль только у электропроводящих объектов: металлы, сплавы, графит, полупроводники, во-вторых, малую глубину зоны контроля, которая не превышает нескольких миллиметров, так как определяется глубиной проникновения в контролируемую среду электромагнитного поля.
3.1. Вихретоковые преобразователи
Вихревый преобразователь представляет собой катушку (обмотку) индуктивности с переменным током, или комбинацию нескольких таких катушек. Преобразователи разделяются на типы по количеству катушек и по расположению преобразователя.
Однокатушечный преобразователь, по изменению параметров полного сопротивления которого формируют сигнал и судят о качестве объекта контроля, называют параметрическим. Такой тип нашел применение в дефектоскопах ВД-В2, ВД03НД-1УЕ, ППВТ [21, 22].
В двухкатушечном преобразователе одна катушка – катушка возбуждения служит для создания электромагнитного поля, следовательно, и вихревых токов, а другая – измерительная – для измерения эдс, наводимой в ней результирующим магнитным потоком, проходящим внутри этой катушки. Такой преобразователь называют трансформаторным, так как измерительная катушка в нем играет роль вторичной обмотки трансформатора. По способу соединения обмоток трансформаторные преобразователи подразделяют на абсолютные и дифференциальные (рис. 3.2). Абсолютные имеют возбуждающую 1 и измерительную 2 обмотки (рис. 3.2, а). Сигнал на выходе обмотки 2 определяется абсолютными значениями параметров объекта контроля в зоне контроля. У дифференциальных преобразователей две возбуждающие обмотки 1 соединены последовательно – согласно, а две одинаковые измерительные – последовательно-встречно (рис. 3.2, б). Дифференциальный преобразователь применяется в дефектоскопах типа: ВД-11НФ; ВД-15НФ.
В зависимости от расположения вихретокового преобразователя к объекту контроля их делят на проходные, накладные и комбинированные Проходные преобразователи подразделяют на наружные, внутренние и погруженные. Такая классификация проходных преобразователей основана на том, что они в процессе контроля проходят или снаружи объекта, охватывая его, или внутри объекта. Наружные проходные преобразователи используют при контроле линейно-протяжных объектов (проволока, прутки, трубы и т.д.), а также при массовом контроле мелких изделий. Внутренними проходными преобразователями контролируют внутренние поверхности трубы, а также стенки отверстий в различных деталях.
Рис. 3.2. Трансформаторные преобразователи:
а – абсолютный; б – дифференциальный
Погружные преобразователи погружаются в жидкий объект контроля.
Накладные преобразователи изготавливают с ферромагнитным сердечником или без него. Ферромагнитный сердечник (обычно ферритовый) повышает абсолютную чувствительность преобразователя и уменьшает зону контроля за счет локализации магнитного потока.
Накладные преобразователи применяют в основном при контроле качества объектов сложной формы, а также в тех случаях, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность. Расположенные вблизи поверхности объекта контроля они имеют одну или несколько обмоток.
Комбинированные вихретоковые преобразователи представляют собой комбинацию проходных измерительных катушек.
3.2. Вихретоковые дефектоскопы
При автоматизированном, высокоскоростном и бесконтактном контроле наиболее эффективно применять дефектоскопы с проходными преобразователями, позволяющими проверять в широком диапазоне типоразмеры протяженных объектов (трубы, прутки, проволоки с поперечными размерами
0,15–135 мм) и мелкие детали (шарики, ролики подшипников, метизы и т.д.). При этом производительность контроля может достигать 50 м/с (для проволоки). Производительность контроля труб, прутков ограничивается инерционностью устройств транспортировки и разбраковки и редко превышает 3 м/с.
Основной параметр дефектоскопа – порог чувствительности. Он определяется минимальным размером дефекта заданной формы, при котором отношение сигнал-помеха равно двум. Порог чувствительности обычно устанавливается с помощью комбинированного образца с искусственными дефектами различной формы. Порог чувствительности дефектоскопа с проходными преобразователями, как правило, определяется глубиной узкого длинного проходного дефекта, выраженной в процентах от поперечного размера (диаметра детали).
Дефектоскопы отличаются конструкцией, наличием блоков сортировки, блоков представления и регистрации информации, блоков маркировки дефектных участков, блоков подмагничивания и т.д.
На ремонтных предприятиях вагонного хозяйства применяются переносные вихретоковые дефектоскопы ВД-12НФ. Они предназначены для выявления поверхностных дефектов в деталях подвижного состава, имеющих грубую криволинейную поверхность, например в боковых рамах и надрессорных балках грузовых вагонов, в корпусах и тяговых хомутах автосцепок, спицевых центрах, дисках локомотивных и вагонных колес, бандажах, а также в остряках стрелочных переводов, в конструкциях мостов и кранов и т.д. Применяются также вихретоковые дефектоскопы типа ВД-11НФ – для механизированного контроля сепараторов – и ВД-13НФ – для автоматизированного контроля роликов вагонных буксовых подшипников качения.
Переносные вихретоковые дефектоскопы типа ВД-14НФ и ВД-15НФ предназначены для выявления и измерения глубины поверхностных дефектов в деталях подвижного состава, таких, как: буксовые узлы, оси колесных пар, валы электродвигателей, коленчатые валы, зубчатые передачи и другие металлические изделия. Дефектоскопы имеют два режима работы: обнаружение дефектов и измерение глубины дефектов. Порог чувствительности: глубина – 0,2±0,05 мм и ширина раскрытия – 0,1±0,05 мм. Индикация дефектов – световая и звуковая. Диапазон измерения глубины дефектов: 0,2…2,0 мм с индикацией по стрелочному прибору на передней панели дефектоскопа. Скорость сканирования – 0,02…0,05 м/с.
Контрольные вопросы
1. Назовите физические основы вихретокового контроля.
2. Что представляет собой вихретоковый преобразователь?
3. Где используются наружные проходные преобразователи?
4. Область применения накладных преобразователей?
5. Какие детали и узлы подвижного состава контролируют вихретоками?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Практика эксплуатации и ремонта деталей подвижного состава показала, что наилучших результатов достигают в работе те специалисты, которые освоили минимум информации, приводимой выше. Приобретенные в ходе изучения данного пособия знания позволят студентам не только качественно подготовиться к выполнению и сдаче лабораторных работ по данному разделу, но и успешно применять полученные навыки на производстве. В связи с тем, что в настоящее время много внимания уделяется развитию неразрушающих методов контроля и Россия вступила в международное экономическое пространство, от хорошего современного специалиста требуется постоянная заинтересованность научным поиском, связанным с развитием технологии, модернизацией и реновацией машиностроения.
Рекомендуемый
библиографический список
1. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. – М. : Изд-во стандартов, 1979. – 18 с.
2. ГОСТ 21104-75. Контроль неразрушающий. Феррозондовый метод.– М. : изд-во стандартов, 1975. – 12 с.
3. ГОСТ 21105-87. Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод. – М. : Изд-во стандартов, 1987. – 20 с.
4. Феррозондовый метод неразрушающего контроля деталей вагонов : руковод. документ: РД 32.149-200: утв. Департ-ом вагон. хоз-ва, Департ-ом пассажир. сообщ. – М., 2001.
5. Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля деталей вагонов : руковод. документ РД 32.159-2000: утв. Департ-ом вагон. хоз-ва, Департ-ом пассажир. сообщ. / Мин-во путей сообщения РФ; Департамент вагон. хоз-ва; Департамент пассажир. сообщ. – М., 2000.
6. Инструкция по неразрушающему контролю деталей и узлов локомотивов и моторвагонного подвижного состава : Магнитопорошковый метод : № ЦТт-18/1: утв. Департ-ом локом. хоз-ва МПС России 29 июня 1999 г.
7. Ахмеджанов, Р. А. Физические основы магнитного неразрушающего контроля: конспект лекций / Р. А. Ахмеджанов; Омский гос. ун-т путей сообщения.– Омск, 2004.–69 с.
8. Щербинин, В. Е. Магнитный контроль качества металлов / В. Е. Щербинин, Э. С. Горкунов / УрОРАН. – Екатеринбург, 1996. –263 с.
9. Шелихов, Г. С. Магнитная дефектоскопия деталей и узлов: практ. пособие / Г. С. Шелихов ; Науч.-техн. центр «Эксперт». – М., 1995. – 224 с.
10. Герасимов В. Г. Неразрушающий контроль : в 5 кн. Кн. 3: Электромагнитный контроль: практ. пособие / В. Г. Герасимов, А. Д. По-кровский, В. В. Сухоруков. М.: Высш. шк., 1992.–312 с.
11. Ахмеджанов Р. А. Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля: конспект лекций / Р. А. Ахмеджанов, С. В. Вебер, Н. В. Ма-карочкина; Омский гос. ун-т путей сообщения.– Омск, 2004. –80 с.
12. Михайлов, С.П. Физические основы магнитографической дефектоскопии / С.П. Михайлов, В.Е. Щербинин. – М. : Наука, 1992. – 240 с.
13. Ершов С. Г. Современные автоматизированные установки магнитопорошкового контроля концов и торцов труб / С. Г. Ершов // В мире неразрушающего контроля. – 2004. – № 3 (25). – С. 32–34.
15. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник / В.В. Клюев и [др.]; под ред. В.В. Клюева. – изд. 2-е, перераб. и доп. – М, 2003. – С. 123.
16. Измерение, контроль, качество. Неразрушающий контроль: справочник. – М: ИПК, Изд-во стандартов, 2002. – 708 с.
17. Надежность машин. Энциклопедия машиностроения / под ред. В.В. Клюева, А.П. Гусенкова. – М. : Машиностроение, 2001. – 592 с.
18. Щербинский, В.Г. Ультразвуковой контроль сварных соединений / В.Г. Щербинский, Н.П. Алешин. – М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2000. – 496 с.
19. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справочник / под ред. В.В. Клюева. – М. : Машиностроение, 1986. – 351 с.
20. Ермолов, И.Н. Ультразвуковой контроль: учеб. для специалистов первого и второго уровней квалификации / И.Н. Ермолов, М.И. Ермолов. – СПб., 1995. – 328 с.
21. Крауткремер, Й. Ультразвуковой контроль материалов: справочное изд. / Й. Крауткремер, Г. Крауткремер; пер. с нем. – М. : Металлургия, 1991. – 752 с.
22. Вихретоковый метод неразрушающего контроля деталей вагонов: руководящий документ РД-32.150-2000. – М., 2000. – 95 с.
23. Клиндух, В.Ф. Неразрушающие методы контроля и диагностики узлов и деталей подвижного состава: учеб. пособие / В.Ф. Клиндух, В.М. Макиенко, Е.Н. Кузьмичёв. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005. – 109 с.
Оглавление
введение 3
1. Физические основы магнитного неразрушающего контроля 4
1.1. Магнитное поле и его характеристики 4
1.2. Источники магнитного поля 9
1.2.1. Магнитное поле прямолинейного проводника с током 10
1.2.2. Магнитное поле кругового тока 12
1.2.3. Магнитное поле на оси кругового тока 12
1.2.4. Магнитное поле соленоида 12
1.2.5. Магнитное поле проводника конечного сечения 14
1.2.6. Магнитное поле тока, текущего по трубе 14
а б 14
14
1.3. Магнетизм и намагничивание 14
1.3.1. Магнитные величины 16
1.3.2. Кривая намагничивания и петля гистерезиса 19
1.3.3. Характеристика связей магнитных и физико-механических свойств ферромагнетиков 24
1.4. Физическая сущность магнитной дефектоскопии 26
1.5. Анализ неоднородности магнитного поля над дефектом 29
1.6. Схема и методы магнитного неразрушающего контроля. Классификация. Применение 32
1.7. Первичные магнитные преобразователи в магнитной дефектоскопии 37
1.7.1. Магнитные порошки 37
1.7.2. Феррозондовые преобразователи 38
1.7.3. Индукционные преобразователи 41
1.7.4. Гальваномагнитные преобразователи 42
1.8. Способы магнитного дефектоскопирования деталей 44
1.9. Намагничивание деталей 46
1.9.1. Виды, способы и схемы намагничивания 47
1.9.2. Виды намагничивающих токов 54
1.9.3. Размагничивающий фактор при намагничивании деталей 55
1.10. Размагничивание деталей 57
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ 59
2.1. Колебания и волны 60
2.1.1. Гармонические колебания 62
2.1.2. Колебательная скорость 63
2.1.3. Интенсивность 63
2.1.4. Спектральный состав акустических импульсов 64
2.1.5. Типы и поляризация упругих волн 65
2.1.6. Поверхностные и подповерхностные волны 66
2.1.7. Волны Лэмба 68
2.1.8. Причины ослабления волн при распространении 68
2.2. Акустические свойства сред 69
2.3. Отражение и прохождение волн на границах сред 71
2.3.1. Коэффициенты отражения и прозрачности 74
2.3.2. Зависимость коэффициентов отражения и прохождения от угла падения 75
2.3.3. Зеркальное и диффузное отражение. Индикатриса рассеяния 76
2.4. Дифракция на препятствии и рефракция 77
2.5. Возбуждение и прием упругих волн электроакустическими преобразователями 80
2.5.1. Основные параметры пьезопреобразователей 83
2.5.2. Элементы конструкции ПЭП 87
2.6. Акустическое поле преобразователя 89
2.6.1. Поле наклонного преобразователя 91
2.7. Акустический тракт 93
2.7.1. АРД-диаграмма 95
2.8. Шумы и помехи при контроле методами отражения и прохождения 97
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ 103
3.1. Вихретоковые преобразователи 105
3.2. Вихретоковые дефектоскопы 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
Рекомендуемый библиографический список 109
Учебное издание
Романов Игорь Олегович
Строителев Дмитрий Викторович
Макиенко Виктор Михайлович
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ
Учебное пособие
Редактор Э.Г. Долгавина
Технический редактор И.А. Нильмаер
——————————————————————————————
Подписано в печать 29.12.2008.
Формат 60х841/16. Гарнитура Times New Roman.
Усл. печ. л. 7,7. Зак. 396. Тираж 150 экз. Цена 86 р.
——————————————————————————————
Издательство ДВГУПС
680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
