МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЕМОГО КОНТРОЛЯ (МНК)

МНК применяются только для контроля деталей и изделий, изготовленных из ферромагнитных материалов, находящихся в намагниченном состоянии. МНК основаны на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, поэтому эти методы позволяют определять только поверхностные и подповерхностные дефекты, залегающие в ферромагнетиках на глубинах, не превосходящих 15 мм.

Дефекты наиболее легко обнаруживаются, когда направление намагничивания контролируемой детали перпендикулярно направлению дефекта. Для оптимального выявления дефектов при МНК намагничивание контролируемых изделий производят в двух направлениях, а деталей сложной формы – в нескольких направлениях.

На рис.1 приведена схема образования магнитного поля над дефектом. Контролируемая деталь 1 с трещиной 2 помещена между полюсами NS постоянного магнита (электромагнита). Над трещиной возникает магнитное поле рассеяния 3, эквивалентное маленькому магниту с полюсами NS.

После намагничивания изделия осуществляется проявление дефектов, состоящее в фиксировании магнитного поля над дефектом каким-либо методом: порошковым, феррозондовым, магнитографическим и другими методами, которые будут рассмотрены в дальнейшем. При этом контроль (выявление) дефектов осуществляется двумя способами:

1. Контроль дефектов на остаточной намагниченности контролируемого изделия, пригодный только для магнитотвёрдых материалов с коэрцитивной силой НС больше 800 А/м (больше 10 Э). В этом случае проявление дефектов осуществляется после намагничивания контролируемого изделия и удаления его из намагничивающего поля.

2. Контроль дефектов в приложенном магнитном поле, применяемый для магнитомягких материалов, у которых коэрцитивная сила Hс<800 А/м (10 Э). В этом случае проявление дефектов осуществляется после намагничивания контролируемого изделия без его удаления из намагничивающего поля, т.к. без приложенного внешнего магнитного поля над дефектами образуются слабые магнитные поля рассеяния, не позволяющие выявить дефект. Этим способом контролируют детали сложной формы, а также в том случае, когда мощности источника питания недостаточно для намагничивания всей детали вследствие ее больших размеров; в приложенном магнитном поле рабочая индукция поля достигается при почти в четыре раза меньшей напряженности магнитного поля.

После МНК обязательно проводится размагничивание проконтролированного изделия.

2.1. Способы регистрации дефектов при МНК

При магнитном контроле применяются различные способы регистрации дефектов. Их выбор обусловлен следующими факторами: 1) геометрией контролируемого изделия; 2) необходимой чувствительностью контроля; 3) заданной разрешающей способностью контроля; 4) производительностью контроля.

В соответствии с указанными требованиями применяются четыре основных способа регистрации дефектов при МНК: 1) порошковый способ; 2) магнитографический способ; 3) феррозондовый способ; 4) способ преобразователей Холла и магниторезисторов.

Порошковый способ регистрации дефектов состоит в нанесении порошка ферромагнитного материала на намагниченное контролируемое изделие и в регистрации скоплений этого порошка вблизи дефектов. Над дефектом образуются локальные магнитные поля рассеяния. На попавшие в поле частицы действуют пондеромоторные силы, стремящиеся затянуть их в места наибольших концентраций магнитных силовых линий. Частицы накапливаются вблизи дефекта и одновременно намагничиваются полем рассеяния дефекта. Притягиваясь друг к другу, эти частицы образуют цепочечные структуры, ориентированные по магнитным силовым линиям поля дефекта. В результате происходит накопление частиц осевшего порошка в виде полосок (валиков, жилок, шнуров) над дефектом. Ширина полоски из осевшего порошка значительно больше ширины трещины, волосовины, поэтому магнитопорошковым способом могут быть выявлены мельчайшие трещины и другие поверхностные дефекты, невидимые при визуальном осмотре.

В качестве ферромагнитного материала наиболее часто используются черные порошки окислов магнетита Fe3O4, представляющего смесь закиси железа FeO и окиси железа Fe2O3. Несколько реже используется ферромагнитная окись железа Fe2O3. Для получения буровато-красных порошков используется красная гамма окись железа γ– Fe2O3. Для изготовления светлых порошков используются специально приготовленные смеси железного и никелевого порошков и алюминиевой пудры.

Применяются два способа нанесения ферромагнитного порошка на контролируемое изделие.

“Сухой” способ состоит в нанесении на изделие высокодисперсного порошка с размерами частиц 0,1-10 мкм в воздушной взвеси, получаемой распылением порошка в специальных установках. Этот способ применяют для обнаружения подповерхностных дефектов, а также дефектов под слоем немагнитного покрытия толщиной до 200 мкм.

Другой способ нанесения сухого порошка на изделие применяется для грубодисперсионных порошков с размером частиц от 0,05 до 2 мм. В этом случае порошок наносится с помощью пульверизатора, резиновой груши или качающегося сита. Этот способ применяется для обнаружения относительно крупных поверхностных и подповерхностных дефектов, а также для контроля деталей с грубо обработанной поверхностью.

“Мокрый” способ нанесения магнитного порошка на поверхность намагниченного контролируемого изделия осуществляют путем полива изделия суспензией магнитного порошка или путем погружения изделия в ванну, наполненную суспензией. Магнитная суспензия должна стечь с поверхности, т.е. изделие располагают с наклоном. Возможен контроль без извлечения деталей из суспензии для осмотра. Такой способ, например, рекомендуется для обнаружения шлифовочных трещин под слоем хрома толщиной до 0,2 мм. Схема контроля представлена на рис. 2. Через деталь 2, погруженную в ванну 1 с суспензией 5, по токопроводящим шинам 6 пропускают ток I = (10…15)D, где D-диаметр детали, мм. При этом происходит осаждение порошка над дефектами.

Контролируемую деталь осматривают, не извлекая ее из ванны, применяя экран 3 с прозрачным дном 4, профилированным по форме детали. Наиболее часто применяются водные суспензии, в одном литре которых содержится черный магнитный порошок – 20 г, хромпик калиевый K2Cr2O7 – 4 г, сода кальцинированная – 10 г, эмульгатор ОП-7 или ОП-10 – 5 г.

Рис.2 Схема контроля детали с осмотром её под слоем жидкости

В этой суспензии иногда хромпик заменяется химически чистым нитритом натрия в количестве 15 г. В других составах вместо хромпика и эмульгатора применяется мыло хозяйственное в количестве всего 1 г.

Для облегчения обнаружения дефектов вместо черного магнитного порошка в указанные суспензии вводят магнитнолюминесцентный порошок в количестве 4 г. Люминофорами в порошке служат флюоресцентные смолы, растворители смол, такие как хлористый метилен, люминоген светло-желтый (15 г на 100 г магнитного порошка). При облучении ультрафиолетовым светом кварцевых ламп со светофильтрами магнитные порошки с люминофорами ярко светятся. Светофильтры применяют для исключения видимого света.

В зависимости от способа магнитного контроля – в приложенном магнитном поле или на остаточной намагниченности, от формы контролируемой поверхности, от чистоты ее обработки применяются разнообразные суспензии, жидкой фазой которых кроме воды являются керосин, масла и их смеси.

Результаты контроля оценивают по наличию на КО валика магнитного порошка, видимого глазом или через лупу с 2-4 – кратным увеличением, воспроизводимого каждый раз при повторном нанесении суспензии или порошка. Четкий, нерасплывшийся валик свидетельствует о дефекте, выходящем на поверхность, расплывшийся валик – о подповерхностном дефекте. Длина валика равна протяженности дефекта ± погрешность, равная ширине валика. Магнитопорошковый метод позволяет выявлять трещины с шириной раскрытия 0,001 мм, глубиной 0,01 мм и более.

Для определения дефектов под толстым слоем немагнитного покрытия, для контроля участков деталей с ограниченными подходами, для выявления дефектов в шаровых соединениях без разборки и дефектов на внутренних поверхностях глубоких отверстий в качестве эмульсий применяют каучуковую смесь с ферромагнитным порошком. Эту смесь наносят на контролируемое изделие путем полива, а дефекты обнаруживают по распределению магнитного порошка в отпечатке (реплике) – в затвердевшей каучуковой смеси. Каучуковая смесь фактически представляет собой дефектограмму – запись распределения дефектов. Разработано несколько способов изготовления съемных дефектограмм, которые могут подлежать архивированию.

Один из них использует бумажную кальку толщиной до 30 мкм. Калька плотно накладывается на поверхность контролируемой детали, образец намагничивают, и на поверхность кальки наносят клеевую суспензию на основе легко высыхающего клея. Жидкий клей быстро высыхает, и осевший над дефектами порошок остается прочно приклеенным к подложке. Подкладка снимается с детали и может храниться длительное время. При других способах получения дефектограмм применяют целлофан и резиновый клей; закрепляющий лак, наносимый на магнитный порошок после контроля; липкую прозрачную ленту, которую наклеивают на закрепленный лаком магнитный порошок. Также дефектограммы получают фотографированием распределения магнитного порошка по поверхности контролируемой детали. Основная трудность последнего способа состоит в устранении световых бликов.

Для магнитопорошкового способа регистрации контроль на остаточной намагниченности имеет некоторые преимущества перед контролем в приложенном магнитном поле: возможность установки детали в любое требуемое положение для хорошего освещения поверхности и осмотра; возможность нанесения суспензии как путем полива, так и путем погружения в ванну с суспензией одновременно нескольких изделий; простота расшифровки результатов контроля, т.к. при контроле порошок в меньшей степени оседает по рискам, наклепу, местам грубой обработки поверхности и т.п.; меньшая возможность прижога деталей в местах их контакта с электрокарандашами, так как для остаточного намагничивания ток пропускают по детали кратковременно (0,01-1с). При контроле в приложенном магнитном поле сначала наносят порошок или суспензию на деталь, помещают ее, например, в соленоид и включают ток в обмотках. Медленно вытаскивая деталь из соленоида, наблюдают за распределением магнитного порошка на детали у выходного окна катушки.

Осаждение магнитного порошка не всегда указывает на наличие дефекта. Образование поля рассеяния мнимого дефекта может происходить, например, при структурной неоднородности, по границе раздела участков с резко отличающимися структурами. Осаждение порошка при этом неплотное, в виде широкой полосы с размытыми границами. При одном и том же способе намагничивания осаждение порошка происходит на всех деталях и в одних и тех же местах. Знание конструктивных особенностей деталей и технологии изготовления позволяет распознать такой мнимый дефект. Осаждение порошка в местах резкого уменьшения сечения детали можно избежать, дополнив сечение детали ферромагнитным предметом, например, вставив болт. При повторном намагничивании и нанесении суспензии осаждение порошка обычно не происходит, если в этом месте нет дефекта типа нарушения сплошности металла.

Возможно также осаждение порошка на следе соприкосновения намагниченной детали с каким-либо острым ферромагнитным предметом (рис. 3). Для расшифровки такого дефекта деталь необходимо повторно намагнитить.

После повторного намагничивания осаждения магнитного порошка в месте соприкосновения детали с ферромагнитным предметом не будет. Чтобы отличить дефекты, выходящие на поверхность, от ложных, в качестве контрольных можно применять капиллярные методы контроля.

Рис.3 Осаждение магнитного порошка в месте касания

намагниченной детали ферромагнитным предметом

Магнитопорошковую дефектоскопию проводят при температуре не ниже 100С и не выше 400С на специально оборудованном участке. Контроль осуществляют с помощью универсальных или специализированных дефектоскопов, позволяющих получать необходимые поля и создавать оптимальные условия контроля. В комплект дефектоскопа входят намагничивающие устройства, устройства для перемещения деталей на позиции контроля, приспособления для обработки деталей индикаторными составами, осветительные и измерительные устройства. Современные дефектоскопы комплектуются также устройствами для размагничивания суспензий и изделий. Размагничивание изделий контролируют с помощью приборов типа ФП-1.

При проведении контроля оператору необходимо соблюдать определенные требования безопасности, так как для намагничивания деталей, например, циркулярным способом через них пропускаются большие токи. Основные требования при этом следующие: обязательное заземление дефектоскопа, использование педальных и кнопочных переключателей, соблюдение общих правил использования электроустановок потребителями.

2.2 Размагничивание изделий

После контроля изделие необходимо размагнитить, так как остаточная намагниченность может вызвать нежелательные последствия. Например, поверхности плохо размагниченных подшипников, других вращающихся и соприкасающихся при работе деталей притягивают ферромагнитные продукты износа, что вызывает ускоренный выход деталей из строя. При быстром вращении намагниченных деталей в соседних массивных деталях могут возбуждаться значительные вихревые токи. Неразмагниченные детали могут нарушить ход часов и тому подобных механизмов.

Любое размагничивание (кроме нагревания КО выше температуры Кюри) сводится к периодическому изменению величины и направления магнитного поля, в котором находится КО, с постепенным уменьшением этого поля до нуля. На рис. 4 представлен график изменения индукции в детали при размагничивании.

Рис.4 График изменения индукции в детали

при размагничивании

Когда напряженность размагничивающего поля достигнет нулевого значения, остаточная индукция в детали будет также близка к нулю.

Обычно применяют следующие способы размагничивания:

- медленное протаскивание намагниченного КО через отверстие катушки, питаемой переменным током частоты 50 Гц. Деталь удаляют на расстояние не менее 1 м от катушки. В этом случае переменное поле, обладая ограниченной глубиной проникновения, эффективно размагничивает только поверхностный слой детали;

- пропускание переменного тока, равного намагничивающему, непосредственно через деталь с постепенным уменьшением его до нуля;

- коммутацию постоянного тока в соленоиде или в обмотках электромагнита с постепенным снижением тока до нуля;

- использование электромагнита, питаемого переменным током, постепенно снижаемым до нуля.

Лучший результат достигается с использованием тех же средств, что применялись при намагничивании. Начальное поле размагничивания должно быть не меньше поля, действовавшего при намагничивании. Ток не должен выключаться, когда деталь находится в сфере влияния поля; направления намагничивающего и размагничивающего полей должны совпадать.

Для качественного контроля размагничивания можно использовать притяжение малых магнитных масс. С этой целью подводят нижний конец цепочки из 6-10 канцелярских скрепок к детали и по отклонению цепочки от вертикального положения (вследствие ее притяжения к детали) судят о размагниченности детали.

2.3 Приборы и установки для МНК

Основным прибором МНК является магнитный дефектоскоп.

Универсальный магнитный дефектоскоп У-604-68 (рис. 5). Контролируемая деталь помещается в зажимное устройство ЗУ, подсоединенное ко вторичной обмотке силового трансформатора Тр. Блок германиевых вентилей ВП обеспечивает намагничивание контролируемой детали выпрямленным однополупериодным током. Если вентили ВП шунтируются контактами К4, намагничивание осуществляется переменным током.

Первичная обмотка понижающего трансформатора Тр подключена к сети переменного тока 380/220В через магнитные усилители МУ1 и МУ2. С помощью потенциометра R изменяется ток от нуля до максимальной величины.

При размагничивании детали выключают ток управления усилителей, в результате чего возникает переходный процесс в виде затухающей синусоиды и деталь размагничивается в течение 5 -6 с.

Рис.5 Принципиальная схема дефектоскопа

У-604-68

В комплект дефектоскопа входят ванночка, соленоиды диаметром 110 и 210 мм, намагничивающий кабель сечением 70 мм2 и длиной 3 м, а также стержни для намагничивания.

Наибольший ток, потребляемый от однофазной сети с напряжением 220В, составляет 500А, наибольший выпрямленный однополупериодный ток – 10000А, переменный – 7500 А. Наименьший ток при намагничивании – 40...60А. Наибольшая напряженность поля в соленоиде диаметром 110 мм равна 64000А/м (800 Э), в соленоиде диаметром 210 мм – 48000 А/м (600 Э).

Дефектоскоп снабжен гидравлической системой с насосом для перемешивания суспензии во избежание оседания магнитного порошка на дно бачка и подачи суспензии по шлангу на проверяемые детали. Габариты универсального магнитного дефектоскопа У-604-68: длина 2800 мм, ширина 950 мм, высота с приборным щитком 1775 мм.