Вихретоковый метод неразрушающего контроля

 

Вихретоковый неразрушающий контроль основан на возбуждении в контролируемой детали вихревых токов и анализе взаимодействия внешнего возбуждающего магнитного поля с магнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем.

Особенность вихретокового контроля заключается в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта: от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Поэтому этим методом можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях движения преобразователей по детали.

Еще одна из особенностей метода состоит в том, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление, загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения и загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами.

Простота конструкции вихретокового преобразователя (ВП) – еще одно преимущество метода. В большинстве случаев катушки помещают в предохранительный корпус и заливают компаундами. Благодаря этому они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах, в широком интервале температур и давлений.

Поскольку вихретоковые методы контроля основаны на возбуждении вихревых токов, применяется он для контроля качества электропроводящих объектов: металлов, сплавов, графита, полупроводников. Ему свойственна малая глубина зоны контроля, определяемая глубиной проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду. Вихретоковые методы контроля широко применяют для дефектоскопии, определения размеров и структуроскопии материалов и изделий.

В дефектоскопии с помощью данного метода обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, деталях железнодорожных вагонов, мелких деталях и т.д. Выявляются разнообразные трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения и т.д. При благоприятных условиях и малом влиянии мешающих факторов при использовании накладного преобразователя удается выявить трещины глубиной 0,1…0,2 мм, протяженностью 1…2 мм.

Поскольку структурное состояние металлов и сплавов влияет на их электрические и магнитные характеристики, оказывается возможным контролировать не только однородность химического состава, но и структуру металлов и сплавов, а также определять механические напряжения. С другой стороны этот фактор может оказаться мешающим при обнаружении трещин и других дефектов.

Ограничение применения вихретокового метода контроля состоит в невозможности обнаружения дефектов на глубине больше глубины проникновения вихревых токов.

Вихревые токи создаются и регистрируются с помощью специальных вихретоковых преобразователей (ВП).

Вихретоковый преобразователь представляет собой катушку (несколько катушек) индуктивности, которая подключена к источнику переменного тока. Ток создает вокруг катушки переменное магнитное поле. При размещении преобразователя вблизи поверхности токопроводящей детали указанное поле возбуждает в поверхностном слое вихревые токи. Вихревые токи создают собственное поле, которое наводит в катушке дополнительную ЭДС, несущую информацию о наличии или отсутствии дефектов. При наличии трещины контур вихревых токов разрывается (рис. 1.7), меняется магнитное поле создаваемое ими и соответственно меняется амплитуда и фаза сигнала измерительной катушки преобразователя.

 

 

Рис. 1.7. Изменение контура вихревых токов при наличии трещины на поверхности детали

 

Дефекты обнаруживаются в той части детали, по которой протекают вихревые токи.

По способу извлечения информации о наличии дефектов вихретоковые преобразователи делятся на параметрические и трансформаторные.

В параметрических преобразователях, обычно содержащих одну катушку, информацию о дефектах получают по изменению характеристик (параметров) этой катушки: сопротивление, индуктивность и др.

Трансформаторные преобразователи содержат не менее двух катушек. Одна из них – возбуждающая служит для создания переменного магнитного поля и, следовательно, вихревых токов в детали. Вторая – измерительная служит для регистрации переменных магнитных полей, создаваемых вихревыми токами. Так как на дефектной и бездефектной поверхностях вихревые токи различны, измеряя амплитуду и (или) фазу результирующего напряжения на измерительной катушке, можно судить о том, есть или нет в детали дефект. Для повышения чувствительности обычно используется третья обмотка – компенсационная, которая включается встречно измерительной, рис. 1.8.

 

а б

 

Рис. 1.8. Преобразователь трансформаторного типа с компенсационной катушкой и сердечником (а), схема его включения (б)

 

 

 

1.9. Принцип работы ВП с фазовым детектированием

 

Когда преобразователь удален от детали (при фазовом анализе) прибор балансируется так, чтобы сигнал был минимальным, рис. 1.9, а. При установке преобразователя на деталь измеряемый сигнал рис. 1.9, б) сдвинут относительно возбуждающего сигнала с генератора (рис. 1.9, в) на некоторое значение Dj₀. При наличии дефекта этот сдвиг изменяется Dj_Д (рис. 1.9, г), что и фиксируется дефектоскопом.

В зависимости от формы детали применяют три основных типа трансформаторных преобразователей, отличающиеся расположением катушек: накладные, проходные и экранные, рис. 1.9, а, б и в соответственно, которые отличаются взаимным расположением катушек и контролируемой детали.

В накладном вихретоковом преобразователе все катушки (или одна катушка) располагаются на одной стороне детали (рис. 1.9, а). Применяются для контроля деталей сложной формы. Часто в накладных вихретоковых преобразователях применяют ферритовые сердечники, что приводит к повышению локальности и чувствительности контроля.

 

1 1   3 2

а б в

 

 

Рис. 1.9. Накладной (а), проходной (б) и экранный (в)
вихретоковые преобразователи: 1 – возбуждающая, 2 – измерительная обмотки, 3 – объект контроля

 

В проходном вихретоковом преобразователе либо катушки охватывают в целом деталь (рис. 1.9, б), либо деталь охватывает все катушки. Применяются для контроля протяженных деталей, типа прутков, проволоки, труб.

В экранном вихретоковом преобразователе катушки располагаются по разные стороны детали (рис. 1.9, в) Такие преобразователи можно использовать для контроля проката, пластин, лент и деталей подобной формы.

Катушки преобразователя по отношению друг к другу могут быть подвижными и неподвижными. Дефектоскопы с неподвижными катушками фиксируют трещины только при движении преобразователя над дефектом, такой режим называется динамическим.

Подвижные катушки вращаются внутри или вокруг неподвижных катушек. Преобразователи, у которых вращающиеся катушки находятся внутри неподвижных катушек, называются роторными. Режим работы с вращающимися катушками называется статическим. Он применяется при контроле плоских поверхностей для уточнения положения трещин, обнаруженных в динамическом режиме. Для этого преобразователь останавливается в области предполагаемой трещины и срабатывание сигнализации происходит в момент перемещения вращающейся катушки над трещиной.

Дефектоскопы с роторными ВП имеют две особенности. Первая особенность заключается в том, что сканирование (круговое) поверхности детали вращающимися катушками осуществляется даже в том случае, когда ВП по поверхности детали не перемещается. Это позволяет в процессе контроля замедлять движение или останавливать ВП для уточнения характера и положения дефекта, что повышает удобство и оперативность контроля.

Вторая особенность заключается в том, что в процессе контроля вращение катушек приводит к дополнительной модуляции сигнала преобразователя, которая различна для помех и дефектов. Это различие используется в тракте обработки сигнала так, чтобы снизить влияние помех и повысить порог чувствительности достоверность контроля.

Порог чувствительности вихретокового дефектоскопа определяется минимальной глубиной трещины, которая может выявляться с заданными вероятностями ошибок. К ошибкам относятся пропуск и ложное обнаружение дефектов. Ошибки обусловлены помехами.

К помехам относятся:

· шероховатость поверхности детали;

· локальные изменения электромагнитных свойств металла;

· изменение зазора между преобразователем и металлической поверхностью детали;

· наклон оси преобразователя;

· изменение кривизны контролируемой поверхности и т.п.

Порог чувствительности также зависит от способа обработки сигналов ВП.

В зависимости от способа соединения обмоток, различают абсолютные и дифференциальные методы. Выходной сигнал при абсолютном методе определяется абсолютным значением параметров измерительной катушки, а дифференциального – разностью значений параметров двух катушек, одна из которых находится на заведомо бездефектном участке детали, а вторая – на контролируемом. Использование дифференциального метода позволяет повысить помехоустойчивость и чувствительность контроля.