ВИХРЕТОКОВО-МАГНИТНЫЙ СПОСОБ ДЕФЕКТОСКОПИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
EDDY CURRENT MAGNETIC METHOD OF FAILURE DETECTION OF FERROUS 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, залегающим 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.
Известен 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 увеличения размеров и числа витков катушек индуктивности вихретоковых преобразователей, что приводит к соответствующему уменьшению локальности контроля.
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow>
Наиболее близок к предложенному, принятый за прототип, вихретоково-магнитный способ выявления подповерхностных дефектов в ферромагнитных объектах, заключающийся 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, отличающийся тем, 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 [3].
Недостаток известного способа заключается в том, что он не обладает потенциально достижимой при вихретоково-магнитном способе дефектоскопии чувствительностью и информативностью.
Цель изобретения - повышение чувствительности и информативности контроля.
вн
макс
макс
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow>
Поставленная цель в заявляемом способе выявления дефектов в ферромагнитных объектах, заключающемся в том, что контролируемый объект намагничивают постоянным магнитным полем, возбуждают с помощью вихретокового преобразователя на контролируемом участке вихревые токи, регистрируют вносимое в вихретоковый преобразователь напряжение U и по нему судят о наличии дефектов, достигается благодаря тому, что плавно изменяют напряженность Н постоянного магнитного поля от минимальной величины до максимальной, изменяя регулируемый параметр контроля Р, регистрируют максимум U амплитуды вносимого в вихретоковый преобразователь напряжения
и соответствующий ему параметр контроля Р, а параметры дефекта оценивают по совокупности значений U и Р.
вн*
На фиг.1, 2 представлены схемы контроля, согласно заявляемому способу; на фиг.3 - зависимости амплитуды U от относительной глубины подповерхностного дефекта при разных значениях напряженности Н намагничивающего постоянного магнитного поля.
Заявляемый способ реализуется с помощью одной из двух схем контроля, представленных на фиг.1 и 2. Схема на фиг.1 состоит из системы 1 намагничивания, образованной П-образным магнитопроводом 2 и обмоткой 3, подключенной к регулируемому источнику 4 постоянного тока, вихретокового преобразователя 5, возбуждающая обмотка 6 которого подключена к генератору 7 гармонического напряжения, а измерительная 8 и компенсационная 9 обмотки - к электронному блоку 10 обработки и отображения информации. Изменение уровня напряженности магнитного поля в образце осуществляется путем задания выходного тока I источника 4 постоянного тока, являющегося параметром контроля Р. Зазор z между системой 1 намагничивания и контролируемым объектом 11 остается постоянным и обеспечивается опорными роликами 12, обеспечивающими также возможность сканирования. Схема на фиг.2 состоит из системы 1 намагничивания, образованного П-образным магнитопроводом 2 с постоянными магнитами 13, вихретокового преобразователя 5, возбуждающая обмотка 6 которого подключена к генератору 7 гармонического напряжения, а измерительная 8 и компенсационная 9 обмотки - к электронному блоку 10 обработки и отображения информации. Изменение уровня напряженности магнитного поля в образце осуществляется путем изменения зазора z между системой 1 намагничивания и контролируемым объектом 11, являющегося параметром контроля Р. Для изменения зазора z могут быть использованы упорные регулировочные винты 14, связанные с опорными роликами 12, обеспечивающими возможность сканирования.
Вихретоковый преобразователь 2 расположен в межполюсном пространстве системы 1 намагничивания симметрично относительно ее полюсов. Рабочий торец вихретокового преобразователя и рабочие торцы системы намагничивания лежат в параллельных плоскостях.
На фиг.1, 2 показан контролируемый объект 12 в виде ферромагнитной пластины толщиной Т с подповерхностным дефектом 15 глубиной h и силовые линии 16 индукции В намагничивающего поля.
мин
мин
макс
макс
макс
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow>
С помощью схемы на фиг.1 заявляемый способ реализуется следующим образом. Контролируемый объект 12 намагничивают постоянным магнитным полем. Для этого с помощью регулируемого источника 4 постоянного тока задают минимальный ток намагничивания I. В общем случае значение тока намагничивания I на начальном этапе может быть равно 0. Выбирают задаваемую генератором 7 гармонического напряжения частоту возбуждаемых вихревых токов из условия их проникновения в тонкий поверхностный слой контролируемого объекта 12, возбуждают с помощью вихретокового преобразователя 5 вихревые токи в контролируемом объекте. Выходное напряжение вихретокового преобразователя 5 компенсируют на бездефектном участке контролируемого объекта 11 с помощью электронного блока 10, производят сканирование контролируемого объекта системой контроля при неизменном зазоре z, обеспечиваемом опорными роликами 12, фиксируют максимум U амплитуды вносимого в вихретоковый преобразователь напряжения
и соответствующее ему значение тока намагничивания I. Затем повторяют процедуру компенсации и сканирования необходимое количество раз, увеличивая при этом ток намагничивания I на каждом этапе вплоть до достижения значения тока I и фиксируя значения U и I. Ток намагничивания I, задаваемый регулируемым источником 4 постоянного тока является параметром контроля Р для схемы на фиг.1.
макс
макс
макс
макс
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow>
С помощью схемы на фиг.2 заявляемый способ реализуется следующим образом. Контролируемый объект 11 намагничивают постоянным магнитным полем. Для этого с помощью упорных регулировочных винтов 14 устанавливают зазор z между полюсами магнитной системы и объектом контроля равный z. В общем случае z может быть равен бесконечности, т.е. система намагничивания может быть удалена. Выбирают задаваемую генератором 7 гармонического напряжения частоту возбуждаемых вихревых токов из условия их проникновения в тонкий поверхностный слой контролируемого объекта 11, возбуждают с помощью вихретокового преобразователя 5 вихревые токи в контролируемом объекте. Выходное напряжение вихретокового преобразователя 5 компенсируют на бездефектном участке контролируемого объекта 11 с помощью электронного блока 10 и производят сканирование контролируемого объекта системой контроля при неизменном зазоре z, фиксируют максимум U амплитуды вносимого в вихретоковый преобразователь напряжения
и соответствующее ему значение зазора z. Затем повторяют процедуру компенсации и сканирования необходимое количество раз, уменьшая с помощью упорных регулировочных винтов 14 зазор z на каждом этапе вплоть до достижения значения гмин и фиксируя значения U и z. Регулируемый зазор z является параметром контроля Р для схемы фиг.2.
Вихретоковый преобразователь 5 в обеих схемах может иметь произвольную конструкцию, однако рекомендуется применять преобразователь, состоящий из возбуждающей обмотки 6, измерительной обмотки 8 и компенсационной обмотки 9, изображенный на фиг.1, 2. Измерительная обмотка 8 и компенсационная обмотка 9 преобразователя включены по дифференциальной схеме.
d
d
d
При наличии подповерхностного дефекта магнитный поток, создаваемый системой 1 намагничивания, перераспределяется и концентрируется над дефектом 15. По этой причине дифференциальная магнитная проницаемость µ=dB/dH металла над дефектом 15, в том числе и на поверхности контролируемого объекта 11, изменяется. При изменении µ, связанного с воздействием подповерхностного дефекта, происходит изменение электромагнитного взаимодействия вихретокового преобразователя 5 с металлом. В результате изменяется величина вносимого в вихретоковый преобразователь напряжения и происходит регистрация сигнала, обусловленного влиянием подповерхностного дефекта с помощью электронного блока 10 обработки и отображения информации. При изменении параметра контроля Р картина перераспределения µ в контролируемом объекте 11 над дефектом 15 меняется, что приводит к изменению амплитуды сигнала преобразователя.
d
За счет того, что формируемое подповерхностным дефектом изменение µ считывается вихретоковым преобразователем 5 непосредственно с поверхности контролируемого объекта 11, 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. По той же причине, способ может быть реализован без создания в материале объекта контроля состояния магнитного насыщения, необходимого для формирования над поверхностью объекта контроля потоков рассеяния, надежно фиксируемых магниточувствительными элементами, что затруднительно для массивных объектов контроля.
вн*
вн*
вн*
вн
0
0
вн*
вн*
вн*
d
вн*
вн*
вн*
При реализации обеих схем контроля для получения информации о наличии и параметрах подповерхностного дефекта недостаточно считывания сигнала, регистрируемого вихретоковым преобразователем 5, при одном значении параметра контроля Р. Это происходит из-за неоднозначности зависимостей U=U(h*), приведенных на фиг.3. Данные зависимости приведены для листа из стали марки Ст 45 для разных значений напряженности Н поля намагничивания. По оси ординат здесь отложена величина относительного приращения амплитуды U=ΔU/U, где U - напряжение наводимое на измерительную обмотку 8 в режиме "холостого хода", т.е. при отсутствии взаимодействия вихретокового преобразователя 5 с металлом, по оси абсцисс - относительная глубина подповерхностного дефекта h*=h/T. Из приведенных зависимостей видно, что начиная с некоторого значения относительной глубины h* наблюдается стабилизация ΔU, а затем и его уменьшение. Это может привести к пропуску наиболее опасного предсквозного дефекта. Данный характер зависимости U=U(h*) сохраняется при изменении напряженности H поля намагничивания. Это объясняется особенностями формирования µ на поверхности контролируемого объекта при увеличении глубины дефекта 15 [3]. Однако из зависимостей, приведенных на фиг.3. видно, что для разных значений относительной глубины подповерхностного дефекта h* максимальное значение относительного приращения амплитуды сигнала U достигается при разных значениях напряженности Н поля намагничивания. При этом видна однозначная закономерность - чем меньше относительная глубина дефекта h*, тем при большей напряженности Н поля намагничивания наступает максимум относительного приращения амплитуды сигнала U. Таким образом, соотношение значений Н и U позволяет получить однозначную информацию о наличии и глубине подповерхностных дефектов.
вн*
Поскольку измерить значение напряженности Н поля намагничивания в объекте контроля затруднительно, а чаще всего невозможно, вводится параметр контроля Р, однозначно связанный с Н. Однако значение параметра Р не позволяет судить о численном значении Н. Поэтому перед проведением контроля необходимо установить связь между Р, U и h* в виде таблиц или зависимостей, аналогичных фиг.3, с использованием эталонных образцов из заданного материала заданной толщины с предварительно нанесенными дефектами различной глубины.
Заявляемый способ по сравнению с прототипом обладает большей чувствительностью и информативностью контроля, так как обеспечивает измерение реакции дефекта при оптимальной величине намагничивания и позволяет количественно интерпретировать регистрируемые сигналы.
Источники информации
1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т.6: 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. Т.6: 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.
3. Патент РФ №2442151 Способ выявления подповерхностных дефектов в ферромагнитных объектах G01N 27/90. Приоритет от 10.02.2010 г. (прототип).