СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТАХ
METHOD FOR SUBSURFACE FLAW DETECTION IN FERROMAGNETIC OBJECTS

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для дефектоскопии объектов из ферромагнитных металлов.
Известен способ выявления подповерхностных дефектов в ферромагнитных объектах, заключающийся в том, что намагничивают контролируемый объект с помощью системы намагничивания, сканируют поверхность контролируемого объекта, регистрируют магниточувствительными элементами, по меньшей мере, одну составляющую индукции магнитных потоков рассеяния над контролируемым участком и по ее изменению судят о наличии подповерхностных дефектов [1].
Недостаток известного способа заключается в невозможности выявления дефектов, залегающих на глубине более 15 мм. Это связано с тем, что изменения магнитных потоков рассеяния, созданные такими дефектами, сопоставимы с изменениями шумовой составляющей, обусловленными вариацией влияющих факторов.
Наиболее близок к предложенному принятый за прототип способ выявления подповерхностных дефектов в ферромагнитных объектах, заключающийся в том, что контролируемый объект намагничивают системой намагничивания, возбуждают с помощью вихретокового преобразователя вихревые токи, проникающие на толщину контролируемого участка, сканируют поверхность контролируемого объекта, регистрируют в процессе сканирования изменение вносимых в вихретоковый преобразователь параметров и по величине этих изменений судят о наличии и параметрах подповерхностных дефектов [2].
Недостаток известного способа заключается в необходимости использования низких частот возбуждаемых вихревых токов, для обеспечения их проникновения на толщину контролируемого объекта. При этом снижается пропорциональная рабочей частоте абсолютная чувствительность к дефектам. Для обеспечения требуемой абсолютной чувствительности необходимо существенное увеличение размеров и числа витков катушек индуктивности вихретоковых преобразователей, что приводит к соответствующему уменьшению локальности контроля.
Цель изобретения - повышение достоверности контроля, путем повышения локальности пятна контроля.
Поставленная цель в заявляемом способе выявления подповерхностных дефектов в ферромагнитных объектах, заключающемся в том, что контролируемый объект намагничивают системой намагничивания, возбуждают с помощью вихретокового преобразователя вихревые токи, сканируют поверхность контролируемого объекта, регистрируют в процессе сканирования изменения  вносимых в вихретоковый преобразователь параметров, достигается благодаря тому, что частоту возбуждаемых вихревых токов выбирают из условия их проникновения в тонкий поверхностный слой контролируемого объекта, проводят измерение, по меньшей мере, одной из составляющей ΔВ индукции магнитных потоков рассеяния, а о наличии подповерхностных дефектов судят по совокупности полученных изменений  и ΔВ.
Проведенные заявителем патентно-литературные исследования не выявили технических решений с существенными признаками, идентичными или эквивалентными отличительным признакам заявляемого объекта. Таким образом, по мнению заявителя, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".
вн
т
На фиг.1 представлена схема контроля согласно заявляемому способу; на фиг.2 - зависимость амплитуды ΔU от глубины подповерхностного дефекта при намагничивании контролируемого объекта, на фиг.3 - изменение дифференциальной магнитной проницаемости металла от глубины дефекта при намагничивании контролируемого объекта; на фиг.4 - изменение дифференциальной магнитной проницаемости металла при изменении напряженности Н намагничивающего поля; на фиг.5 - изменение напряженности ΔВ тангенциальной составляющей индукции магнитных потоков рассеяния при изменении глубины дефекта.
Заявляемый способ реализуется с помощью схемы контроля, представленной на фиг.1. Она состоит из намагничивающей системы 1, вихретокового преобразователя 2, генератора 3 гармонического напряжения, последовательно соединенных компенсатора 4, усилителя 5, амплитудного детектора 6, блока 7 обработки и отображения информации, датчика 8 Холла, подключенного токовым входом к источнику 9, последовательно соединенных второго компенсатора 10, второго усилителя 11, подключенного своим выходом ко второму входу блока 7. Выход датчика 8 Холла подключен к входу компенсатора 10. Вихретоковый преобразователь 2 состоит из возбуждающей катушки 12, подключенной к выходу генератора 3, а также дифференциально включенных измерительной катушки 13 и компенсационной катушки 14, подключенных внешними выводами ко входу компенсатора 4. Все катушки вихретокового преобразователя соосны, возбуждающая катушка 12 находится между идентичными измерительной катушкой 13 и компенсационной катушкой 14, установленными с одинаковым осевым зазором относительно возбуждающей катушки 12. Намагничивающая система 1 выполнена П-образной и состоит из стержневых постоянных магнитов 15 и 16, соединенных магнитопроводом 17. Для обеспечения возможности сканирования с заданным зазором намагничивающая система 1 снабжена колесными опорами 18 и 19. Вихретоковый преобразователь 2 и датчик 8 Холла расположены в межполюсном пространстве намагничивающей системы и симметрично относительно ее стержней. Рабочий торец вихретокового преобразователя 2 и рабочие торцы намагничивающей системы 1 лежат в параллельных плоскостях. Рабочая поверхность датчика 8 Холла перпендикулярна рабочему торцу вихретокового преобразователя и плоскости, проходящей через оси симметрии боковых стержней П-образной намагничивающей системы 1.
На фиг.1 также показан контролируемый объект 20 в виде ферромагнитной пластины толщиной Т с подповерхностным дефектом 21 глубиной h, a также силовые линии 22 индукции В намагничивающего поля.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
м
ст
Контролируемый объект намагничивают системой намагничивания 1. Величину напряженности Н намагничивающего поля рекомендуется выбирать не менее величины Н, обеспечивающей максимальную статическую магнитную проницаемость µ=В/Н, где В - магнитная индукция, Н - напряженность магнитного поля в металле. Выбирают задаваемую генератором 3 частоту возбуждаемых вихревых токов из условия их проникновения в тонкий поверхностный слой контролируемого объекта, возбуждают с помощью вихретокового преобразователя 2 вихревые токи в контролируемом объекте 20. Затем компенсируют выходное напряжение вихретокового преобразователя 2 и выходное напряжение датчика 8 Холла на бездефектном участке контролируемого объекта 20 с помощью компенсаторов 4 и 10 соответственно и сканируют поверхность контролируемого объекта 20.
d
d
вн
d
При наличии подповерхностного дефекта магнитный поток, создаваемый намагничивающей системой 1, перераспределяется, частично выходит за пределы металла, образуя магнитные потоки рассеяния, и концентрируется над дефектом. По этой причине дифференциальная магнитная проницаемость µ=dB/dH металла над дефектом 21, в том числе и на поверхности контролируемого объекта 20, изменяется. При изменении µ, связанном с воздействием подповерхностного дефекта, происходит изменение электромагнитного взаимодействия вихретокового преобразователя 2 с металлом. В результате изменяется величина вносимого в вихретоковый преобразователь 2 напряжения и происходит регистрация сигнала, обусловленного влиянием подповерхностного дефекта. Соответствующее изменение ΔU с выхода компенсатора 4 через усилитель 5 поступает на вход амплитудного детектора 6, а затем на первый вход блока 7 обработки и отображения информации. За счет того, что формируемое подповерхностным дефектом изменение µ считывается вихретоковым преобразователем 2 непосредственно с поверхности контролируемого объекта 20, нет необходимости в применении низкочастотных вихревых токов, проникающих вглубь металла. За счет этого размеры рабочего торца вихретокового преобразователя при реализации данного способа соответствуют стандартным размерам высокочастотных вихретоковых преобразователей и могут составлять величину порядка 1…5 мм, в зависимости от особенностей решаемой задачи.
вн*
вн*
вн*
вн
0
0
вн*
вн*
вн*
d
d
d
d
d
d
d
г
вн*
d
г
г
d
г
г
г
2
Однако получение информации о наличии и параметрах подповерхностного дефекта путем считывания только сигнала, регистрируемого вихретоковым преобразователем 2, не обеспечивает надежного выявления подповерхностных дефектов. Это происходит из-за неоднозначности зависимости ΔU=ΔU(h), приведенной на фиг.2. Данная зависимость приведена для пластины толщиной Т=12 мм из стали марки Ст 45 при намагничивании магнитным полем с напряженностью Н=6000 А/м. По оси ординат здесь отложена величина относительного приращения амплитуды ΔU=ΔU/U, где U - напряжение, наводимое на измерительную обмотку 13 в режиме "холостого хода", т.е. при отсутствии взаимодействия вихретокового преобразователя 2 с металлом. Из приведенной зависимости видно, что начиная с некоторого значения глубины h дефекта 21 наблюдается стабилизация ΔU, а затем и его уменьшение. Это может привести к пропуску наиболее опасного предсквозного дефекта. Данный характер зависимости ΔU=ΔU(h) сохраняется при изменении напряженности Н и изменении толщины Т. Это объясняется особенностями формирования µ на поверхности контролируемого объекта при увеличении глубины дефекта 21. Соответствующие зависимости изменения µ над подповерхностным дефектом типа трещины показаны на фиг.3. Здесь по оси абсцисс отложена координата Х от центра трещины в перпендикулярном к ее плоскости направлении. На фиг.3 дано семейство зависимостей µ=µ(X) для различных значений глубины h дефекта 21. Из приведенных зависимостей видно, что µ при изменении координаты X имеет один или три экстремума. При этом количество экстремумов, соотношение между их величинами и расстояние по оси X зависят от h. С увеличением h, кроме минимума µ, наблюдаемого над трещиной, формируются два максимума, симметрично смещенных относительно центра трещины. Соотношение изменений µ в точках максимума и минимумов с ростом h монотонно падает. Одновременно происходит пространственное сближение минимумов. Это и приводит к тому, что с ростом h при превышении некого граничного значения h=h наблюдается уменьшение ΔU за счет компенсации электромагнитного воздействия участков металла с увеличенной и уменьшенной величинами µ. Проведенные исследования показали, что h уменьшается с ростом Н и при величине H, соответствующей техническому насыщению, h приближается к Т/2 при равномерном намагничивании по толщине контролируемого участка. Таким образом, при считывании информации о подповерхностном дефекте по изменению µ на поверхности металла удается получить однозначную информацию о глубине подповерхностных дефектов, расположенных глубже, чем половина толщины контролируемого объекта. Именно выявление подобных дефектов магнитным методом составляет проблему из-за низкой к ним чувствительности. Вместе с тем, выявление дефектов, развивающихся с тыльной стороны ферромагнитного объекта и превышающих по глубине половину его толщины, может быть легко осуществлено магнитным методом, путем регистрации созданных дефектом магнитных потоков рассеяния. Для этого одновременно с регистрацией изменений  осуществляется регистрация ΔВ с помощью датчика 8 Холла. Возможна регистрация изменений магнитных потоков рассеяния и другими магниточувствительными элементами, например феррозондами. Датчик Холла 8 для обеспечения требуемой чувствительности должен иметь площадь активной зоны порядка 1…2 мм, что не ухудшает локальности контроля. Сигнал с его выхода после компенсации компенсатором 10 через усилитель 11 поступает на второй вход блока 7. В блоке 7 задается условие, что о параметрах выявленного дефекта судят по величине , если не превышается величина ΔВ, соответствующая значению h. Зависимость ΔВ=ΔВ(h) зависит от h монотонно (фиг.5), что позволяет надежно выявлять дефекты и однозначно оценивать их параметры и при h>h.
г
г
Заявляемый способ по сравнению с известным обеспечивает выявление подповерхностных дефектов в ферромагнитных материалах при более высокой локальности контроля, за счет считывания информации о поверхностных дефектах глубиной менее h по изменению дифференциальной магнитной проницаемости на поверхности контролируемого объекта и о дефектах с глубиной h≥h по изменению магнитных потоков рассеяния над контролируемым участком.
Источники информации
1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В.Клюева. Т6: В 3 кн. Кн.1. Магнитные методы контроля / В.В.Клюев, В.Ф.Мужицкий, Э.С.Горкунов, В.Е.Щербинин. - М.: Машиностроение, 2004. - С.96-98.
2. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В.Клюева. Т6: В 3 кн. Кн.1. Магнитные методы контроля / В.В. Клюев, В.Ф.Мужицкий, Э.С.Горкунов, В.Е.Щербинин. - М.: Машиностроение, 2004. - С.96-98 (прототип).