VI. Магнитные поля рассеяния от внутренних дефектов

Для расчета магнитных полей дефектов, расположенных внутри изделия, при небольших напряженностях поля при­меняют метод зеркальных отображений. Практика показы­вает, что такие предположения допустимы при небольших полях подмагничивания.

Существует проблема индикации картины (топог­рафии) поля рассеяния дефекта с его формой, глубиной залегания, степенью намагничивания. Применяя разные способы намагничивания, различную ориентацию приложенного поля и изучая изменение картины поля рассеяния, можно ориентировочно синтезировать образ дефекта, рас­положенного внутри изделия. Для того чтобы иметь такую возможность, надо проанализировать основные идеализи­рованные ситуации и их влияние на топологию поля.

Идеализированными дефектами являются цилиндри­ческое отверстие, шарообразная пора, плоский дефект в виде трещины или непровара. Эти дефекты часто переходят один в другой, например, пора окружена паутиной трещин и т.п.

Максимальное поле рассеяния дефекта достигается при намагничивании нормально к наибольшей оси дефекта. По­этому при поиске дефекта желательно изменять направле­ние приложенного поля.

Глубина проникновения приложенного поля обратно пропорциональна частоте намагничивания и электропро­водности металла. При магнитном контроле легко удается определить расположение дефекта в плане, его протяжен­ность. При этом для округлых дефектов рельеф поля на поверхности шире и более чувствителен к исчезновению с ростом частоты намагничивания. Для проверки расчетных формул проводят моделирование полей рассеяния и усиле­ние их за счет комбинированного намагничивания.

Магнитные методы применяют для обнаружения преи­мущественно поверхностных дефектов с очень малым рас­крытием. Поэтому исследование магнитных полей на реальных дефектах весьма затруднительно. При использовании магнитографических лент и других детекторов маг­нитного поля важно уметь определить эффективность записи, эталонировать дефекты, правильно настраивать де­фектоскопическую аппаратуру. На магнитографической ленте записывается преимущественно тангециальная составляющая поля дефекта из-за большого размагничивающе­го фактора в направлении, перпендикулярном плоскости рабочего слоя, что искажает данные о дефекте.

Эффективность индикаторов внешних магнитных по­лей рассеяния, например лент, магнитных линз, потокочувствительных элементов (феррозондов, датчиков Холла, магнитодиодов и т.п.), можно оценить, создавая магнитное поле с помощью электрического провода, обтекаемого пос­тоянным током [17]. Меняя диаметр провода (1,5; 5; 10 мм) и величину тока (400.. .3000 А), можно получать различную степень локализации поля, сходного по конфигурации с молем трещин и непроваров.

Вероятность обнаружения дефектов зависит от величины магнитного поля рассеяния. При одновременном намагничи­вании детали переменным и небольшим постоянным маг­нитными полями повышается вероятность обнаружения дефектов. Если постоянное магнитное поле значительно — эффект теряется. Этому явлению дана количественная экспериментальная оценка [18]. Схема такого намагничивания представлена на рис. 70.

Рис. 70. Схема комбинированного намагничивания постоянным и пе­ременным полями.

Датчик 2 и электромагнит переменного тока 3 распола­гаются с определенным зазо­ром относительно испытыва­емой детали 1. Измерения производятся индукционными, холловскими или феррозондовыми датчиками. Индукционные преобразователи исполь­зуются для измерения переменной составляющей поля рассеяния, а холловские и феррозондовые — как переменной, так и постоянной. Преобразователи располагаются на рассто­янии 0,5 мм от поверхности детали. Электромагнит 3 с зак­репленным датчиком 2 перемещается вдоль поверхности и на самопишущем вольтметре 6 регистрируется распределение тангенциальной составляющей поля. Питание электромагнита осуществляется от звукового генератора 5 через усилитель 4 на частотах 0,5...5 кГц.

Дополнительное постоянное подмагничивание (Н=15 А/см) увеличивает амплитуду переменной составляю­щей поля рассеяния дефекта на 15...20 %.

Если в качестве модели подповерхностного дефекта взята показанная на рис. 71 шаровая полость внутри ферромагнит­ного материала с магнитной проницаемостью μ_r, то составля­ющие напряженности магнитного поля в ферромагнитном материале, окружающем полость, определяются по формулам:

Недостатком этой, а также ряда других рассмотренных моделей дефекта является то, что магнитное поле рассчи­тывается внутри ферромагнетика, окружающего дефект. В тоже время в магнитной дефектоскопии необходимо знать топографию поля вблизи поверхности вне объекта контро­ля. Только некоторые модели позволяют получить ее, нап­ример, показанная на рис. 72 модель бесконечно протяженного цилиндрического дефекта в полупространс­тве.

Основной результат этих исследований — функции распределения тангенциальной и нормальной составляю­щих по поверхности в области дефекта. На рис. 73 показаны зависимости тангенциальной Н_х и нормальной Н_y состав­ляющих напряженности магнитного поля от координаты х, ортогональной плоскости трещины. Тангенциальная составляющая не изменяет знака при переходе через дефект и для узких дефектов имеет один максимум, для широких — два.

Рис. 71. Модель дефекта в виде шаровой полости.

Рис. 72. Модель дефекта в виде цилиндра в полупространстве.

Рис. 73. Тангенциальная (а) и нормальная (б) составляющие напряженности поля над трещиной.

Обычно магнитный контроль используют для контроля узких дефектов, поэтому можно считать, что максимум тан­генциальной составляющей всегда располагается над де­фектом.

Нормальная составляющая Н_y при переходе через де­фект меняет знак. С изменением глубины залегания дефек­та от h₁ до h₄ характер зависимости не изменяется, а максимальное значение Н возрастает. Таким образом, оценить глубину дефекта можно по нормальной составля­ющей поля.

При изменении ширины d дефекта происходит не толь­ко увеличение значения Н_y, но и смещение экстремума. Следовательно, информация о ширине трещины содержит­ся как в значении, так и в положении максимума Н_y.

При перемещении первичного преобразователя в нап­равлении, перпендикулярном направлению трещины, нор­мальная составляющая напряженности магнитного поля изменяет знак, проходя через нулевое значение, и имеет второй экстремум.

В точке прохождения через нуль нормальной составля­ющей Н_y тангенциальная составляющая Н_х имеет макси­мум, а в случае широких трещин — значение, близкое к максимальному.

Хотя указанные способы определения размеров дефек­тов могут быть реализованы, практически их применение сильно осложнено основным мешающим фактором — из­менением магнитных характеристик от образца к образцу.

С уменьшением магнитной индукции материала умень­шается напряженность магнитного поля рассеяния дефекта, что может приводить к ошибкам при оценке параметров дефекта непосредственно по какой-либо составляющей нап­ряженности магнитного поля. По этой причине предпочтительнее контроль по топографии магнитного поля. Однако и здесь существуют свои сложности — локальные неоднородности, отличать которые от дефектов крайне трудно. Локальные неоднородности могут появиться в результате механических ударов, термических воздействий, поднесе­ния магнита к детали.

Например, если провести намагниченной отверткой по поверхности детали, то появится магнитный след аналогичный следу от трещины. Чтобы устранить ошибку, надо повторно намагнитить деталь и снова ее проконтролировать. Неоднородности магнитных свойств, вызванные механическими напряжениями в результате ударов, перегревов устраняются отжигом или размагничиванием.