Магнитные методы неразрушающего контроля сварных
Соединений
Магнитопорошковый контроль (МПД)служит для выявления поверхностных и подповерхностных (залегающих на глубине до 10 мм) дефектов. Его применяют для контроля конструкций и деталей из ферромагнитных сталей обыкновенного качества, углеродистых качественных и низколегированных сталей.
При магнитопорошковом контроле выявляются трещины шириной от 1 мкм и глубиной от 0,01 мм. При контроле могут быть выявлены: волосовины, неметаллические включения, расслоения, закаты, подповерхностные флокены, поры, раковины в поковках и прокате; трещины шлифовочные, ковочные, штамповочные, надрывы, а также сварочные дефекты (трещины, непровары, шлаковые включения, поры, раковины и др.) в элементах конструкций и деталях; трещины, возникшие в элементах конструкций и деталях при эксплуатации машин.
Магнитопорошковым контролем не могут быть проконтролированы элементы конструкций и детали: из неферромагнитных сталей, на поверхности которых не обеспечена необходимая зона для намагничивания и нанесения индикаторных материалов; со структурной неоднородностью и резкими изменениями площади поперечного сечения; с несплошностями, плоскость раскрытия которых совпадает с направлением намагничивающего слоя или составляете ней угол менее 30°.
На выявляемость дефектов оказывают влияние многие факторы, связанные со свойствами объекта и принятой технологией магнитопорошкового контроля, а именно: магнитные свойства и структурные неоднородности материала, шероховатость, форма объекта контроля, его габаритные размеры, масса, наличие покрытий, их толщина и свойства, вид тока, схема намагничивания, способ контроля, а также значения таких параметров технологии контроля, как напряженность поля или сила тока. Допускается контроль по немагнитным покрытиям (хром, кадмий и др.). Наличие покрытий толщиной до~20 мкм практически не влияет на выявляемость дефектов. При толщине покрытия более 100—150 мкм могут быть выявлены только дефекты размером более 0,15 мм.
Масштабность применения магнитопорошкового метода объясняется его высокой производительностью, наглядностью результатов контроля и высокой чувствительностью. При правильной технологии контроля элементов конструкций и деталей этим методом обнаруживаются трещины в начальной стадии их появления, когда обнаружить их без специальных средств контроля трудно или невозможно.
Применение данного метода, как правило, не ограничивает плохое состояние поверхностей сварных соединений: наличие брызг и чешуйчатости; имеющиеся в сварных швах резкие переходы от наплавленного металла к основному, создающие дополнительные магнитные потоки рассеяния, а следовательно, дополнительные индикации. Метод позволяет достаточно эффективно выявлять в сварных соединениях поверхностные трещины.
Магнитные поля рассеивания над дефектами регистрируют с помощью магнитного порошка или суспензии (магнитопорошковый метод), ферромагнитной ленты (магнитографический метод), феррозондов (феррозондовый метод).
Контроль внутренней или (и) наружной поверхностей элементов сосудов методами магнитопорошковой дефектоскопии следует проводить в соответствии с действующими на данный момент нормативно-техническими документами на данный метод для выявления и определения размера ориентации поверхностных и подповерхностных трещин, расслоений и других трещиноподобных дефектов.
Контроль методами МПД проводят на контрольных участках поверхности элементов, указанных в программах диагностирования, и, кроме того, на участках поверхности, где по результатам визуального контроля или анализа эксплуатационно-технической документации подозревается наличие трещин, а также в местах выборок трещин, коррозионных язв и других дефектов, или (и) в местах ремонтных заварок.
Результаты контроля поверхности элементов сосуда методом МПД рекомендуется оформлять в виде заключений или протоколов, в которых следует приводить описание размеров, формы и месторасположения выявленных дефектов. Расположение участков контроля и выявленных дефектов следует условно изображать на прилагаемой к заключению или протоколу схеме.
Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля основан на явлении притяжении частиц магнитного порошка магнитными потоками рассеяния, возникающими над дефектами в намагниченных объектах контроля.
Магнитопорошковый метод применяют для контроля объектов из ферромагнитных материалов с магнитными свойствами, позволяющими создавать в местах нарушения сплошности магнитные поля рассеяния, достаточные для притяжения частиц магнитного порошка.
Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной проницаемостью m. В зависимости от ее значения все материалы подразделяют на три группы:
| Парамагнитные | m | Диамагнитные | m | Ферромагнитные | m |
| Воздух | 1.0000036 | Висмут | 0.999825 | Сталь | |
| Олово | 1,000001 | Графит | 0.999895 | Пермаллой | |
| Алюминий | 1,000023 | Сурьма | 0.999937 | Ст.Э1ААБ | |
| Платина | 1,000364 | Серебро | 0.999981 | Листовая электротехн. сталь | |
| Марганец | 1,0037 | Медь | 0.999991 | Никель | |
| Палладий | 1,00069 | Ртуть | 0.99975 | Кобальт | |
| Цинк | 0.999981 | Чугун |
Чувствительность магнитопорошкового метода контроля определяется магнитными характеристиками объекта контроля, его формой, размерами шероховатости поверхности, напряженностью намагничивающего поля, местоположением и ориентацией дефектов, свойствами дефектоскопического материала, способом его нанесения на объект, а также способом и условиями регистрации индикаторного рисунка выявляемых дефектов.
В зависимости от размеров выявляемых дефектов устанавливаются три условных уровня чувствительности:
| Условный уровень чувствительности | Минимальная ширина раскрытия условного дефекта, мкм | Минимальная протяженность условного дефекта, мм |
| А | 2.0 | 0.5 |
| Б | 10.0 | |
| В | 25.0 |
Магнитные частицы порошка, попадая в поле дефекта под действием электромагнитного тока, намагничиваются и в результате притягивающей силы перемещаются в зону наибольшей неоднородности магнитного поля. Порошки, притягиваясь друг к другу, выстраиваются в цепочку ориентируясь по магнитным силовым линиям поля, и накапливаясь образуют характерные рисунки в виде валиков, по которым судят о наличии дефекта.
Магнитно-порошковый метод предусматривает следующие технологические операции (ГОСТ 21105-87):
-подготовку изделия к контролю;
-намагничивание объекта контроля;
-нанесение дефектоскопического материала на объект контроля
-оценка результатов контроля
-размагничивание.
В зависимости от магнитных свойств материала, формы и размеров контролируемой детали, наличия на ней немагнитного покрытия применяют два способа контроля:
-контроль на остаточной намагниченности (СОН), применяют для контроля из магнитотвердых материалов, у которых величина коэрцитивной силы Нс>800А/м ;
-контроль в приложенном поле (СПП). Проводят в тех случаях, когда деталь выполнена из магнитомягкого материала, например из сталей (Ст3, сталь 10, сталь 20 и др.); деталь имеет сложную форму; деталь контролируют для обнаружения подповерхностных дефектов расположенных на глубине более 0.01 мм; мощность дефектоскопа не позволяет намагничивать всю деталь вследствие ее больших размеров.
Режим остаточной намагниченности - режим регистрации значений параметров магнитного поля контролируемого изделия после снятия приложенного поля. В этом случае изделие предварительно намагничиваю, а затем после удаления его из магнитного поля (или снятия намагничивающего поля) индикатором магнитного поля сканируют его поверхность.
Поверхностные дефекты при таком способе намагничивания надежно выявляются лишь для материалов с высоким значением магнитной индукции и коэрцитивной силы, а чувствительность метода определяется величиной намагниченности в самом верхнем слое изделия.
В каждом конкретном случае в зависимости от размеров и вида ожидаемых дефектов необходима для их выявления также и различная минимальная величина остаточной индукции. Однако даже при намагничивании постоянным полем остаточная индукция не всегда получается одинаковой по изделию: вихревые токи, возникающие в изделии после включения намагничивающегося тока, замедляют процесс спада намагниченности во внутренних объемах изделия в большей степени, чем в поверхностных.
Процесс наведения остаточной намагниченности переменным полем существенно отличается от аналогичного процесса при взаимодействии постоянным полем. Благодаря поверхностному эффекту вихревых токов максимальное значение индукции в поверхностном слое изделия выше, чем во внутренних объемах. Стабильность остаточной намагниченности в значительной степени зависит от конструктивных особенностей намагничивающих устройств.
Режим приложенного поля - режим регистрации значения параметра магнитного поля контролируемого изделия одновременно с его намагничиванием приложенным полем. Как правило, дефектоскопии приложенном магнитном поле подвергают магнитно-мягкие материалы с малыми значениями магнитной индукции и коэрцитивной силы, а также изделия сложной формы. При контроле массивных изделий намагничивают лишь отдельные их участки.
Режим приложенного поля позволяет стабилизировать чувствительность обнаружения дефектов на изделиях из различных марок стали, так как их кривые намагничивания в области высоких полей практически близки друг к другу. Кроме того, при таких значениях намагничивающих полей существенно снижается интенсивность магнитных неоднородностей.
Для надежного обнаружения дефекта направление намагничивающего поля должно быть выбрано перпендикулярно плоскости дефекта. Магнитное поле дефекта (поле рассеяния) возникает за счет "магнитных зарядов" образующихся на его стенках и прилегающих к нему поверхностях изделия. Однако на поверхности контролируемого изделия наряду с действительными дефектами часто встречаются ложные в виде структурных и иных неоднородностей, вызываемых механическим наклепом и другими механическими воздействиями. Эти ложные дефекты остаточно намагниченного изделия, так же как действительные, создают вокруг себя возмущающие поля. Их топография незначительно отличается от топографии полей действительного дефекта. Поэтому датчик магнитного поля реагирует не только на возмущающие поле реального дефекта, но так же и неоднородное поле ложного дефекта. При этом выходной сигнал датчика бывает зачастую больше или сравним с полезным сигналом от источника дефекта.
Подготовка к контролю должна включать:
-Подготовка объекта к операциям контроля
-Проверку работоспособности дефектоскопов
-Проверку качества дефектоскопических материалов
Поверхность изделий, сварных соединений и околошовных зон основного металла шириной, равной ширине шва, но не менее 20 мм с обеих сторон очищают от продуктов коррозии, остатков окалины, масляных загрязнения, а при необходимости следы лакокрасочных покрытий.
Проверку работоспособности дефектоскопов и качества дефектоскопических материалов осуществляют при помощи стандартных образцов предприятий, специально изготовленных с дефектами, размеры которых соответствуют принятому уровню чувствительности.
Намагничивание объекта контроля:
При магнитопорошковом контроле применяют три способа намагничивания изделий согласно ГОСТ 21105-87: циркулярное, продольное (полюсное) и комбинированное, используя при этом постоянный, переменный, однополупериодный, выпрямленный и импульсный токи.
Вид и способ намагничивания выбирают в зависимости от размеров и формы объекта, материала и толщины покрытия, а также от характера и ориентации дефектов, подлежащих выявлению. При этом наилучшие условия выявления дефектов - перпендикулярное направление намагничивающего поля по отношению к направлению ожидаемых дефектов.
При необходимости выявления дефектов различной ориентации применяют намагничивание в двух или трех взаимно перпендикулярных направлениях, комбинированное намагничивание, а также намагничивание во вращающемся поле.
Нанесение дефектоскопических материалов на объект контроля:
Магнитные порошки наносят на поверхность контролируемого проката сухим (путем распыления) или мокрым методом с помощью суспензии, представляющей взвесь ферромагнитных частиц в воде, керосине или масле.
Сухой способ нанесения магнитного порошка обычно применяют тогда, когда имеется необходимость обнаруживать, кроме поверхностных, и под поверхностные дефекты. Сухой магнитный порошок наносят на контролируемую поверхность при помощи различных распылителей.
Контроль дефектов с использованием суспензий отличается более высокой чувствительностью. На чувствительность метода при контроле проката влияет положение контролируемой поверхности. Если она расположена горизонтально, то сила тяжести благоприятствует перемещению частиц к месту дефекта. В "потолочном" положении поверхности частицы порошка под действием силы тяжести отрываются от периферийных зон дефекта и, тем самым, уменьшается высота валика порошка. При вертикальном положении поверхности под влиянием силы тяжести частицы порошка также будут скатываться вниз. Выявляемость дефектов во многом определяется свойствами магнитного порошка.
В ряде случаев применяют люминесцентные магнитные порошки и суспензии для обеспечения высокой контрастности изображения дефектов при контроле проката. Обнаружение дефектов в этом случае производится в затемненном помещении в свете ультрафиолетовых ламп.
Результаты контроля оценивают по наличию на контролируемой поверхности валика магнитного порошка, видимого невооруженным глазом или с помощью оптических средств, например лупы. Четкий не расплывшийся валик свидетельствует о дефекте, выходящем на поверхность, расплывшийся валик - о наличии под поверхностных дефектов. Осаждение магнитного порошка не всегда указывает на наличие дефекта. Иногда магнитный порошок скапливается над магнитно-неоднородными местами изделия с местным наклепом, структурной неоднородностью и резким изменением площади поперечного сечения. Это явление относится к ложным дефектам.
Размагничивание
Изделия, прошедшие магнитный контроль и признанные годными, должны быть размагничены. Применяют два основных способа размагничивания. Наиболее эффективный из них - нагрев изделия до температуры точки Кюри, при которой магнитные свойства материала исчезают. Этот метод применяют в металлургии при контроле заготовок с последующей прокаткой.
Другой способ заключается в размагничивании изделия переменным магнитным полем с амплитудой, равномерно уменьшающейся от некоторого максимального значения до нуля. В зависимости от материала изделия, его размеров и формы применяют переменные магнитные поля различных частот: от долей герц до 50 Гц. Чем больше магнитная проницаемость материала и толщина изделия, тем ниже должна быть частота размагничивающегося переменного магнитного поля.
Для размагничивания применяют также специальные источники тока, представляющие собой колебательный контур, работающий в режиме затухания колебаний.
Магнитографический метод
Другой разновидностью магнитного метода контроля является магнитографический, заключающийся в намагничивании контролируемого изделия и записи магнитных полей рассеяния на магнитный носитель.
В настоящее время в дефектоскопии используются два типа магнитоносителей: магнитные ленты и монолитные магнитные носители. Магнитная лента состоит из немагнитной эластичной основы, на которую нанесен магнитный слой (25 - 40 мкм) магнитного порошка с закрепителем. Монолитный магнитоноситель состоит из монолитной немагнитной основы (различные типы резин, полиамидные смолы и т.п. ), в которые магнитный порошок введен как наполнитель.
Магнитные ленты характеризуются неподвижностью закрепленного порошка, поэтому эффект взаимодействия индикатора с магнитным полем заключается в локальном намагничивании участков ленты, находящихся в поле рассеяния. Регистрация этих полей на ленту и дало название методу - магнитофония.
Чувствительность магнитофонического метода определяется магнитными характеристиками лент, контрастностью записи и чувствительностью вторичной считывающей (воспроизводящей) аппаратуры. В ряде случаев последняя имеет решающее значение.
Магнитографический контроль по виду контакта магнитной ленты с изделием подразделяют на метод магнитного отпечатка накладывают или перекатывают по поверхности изделия и метод записи на скользящий носитель при котором лента скользит поперек изделия, соприкасаясь лишь с частью его. В соответствии с этим применяют циркулярное намагничивание всего изделия путем пропускания постоянного тока через него либо локальное намагничивание переменным током с помощью накладных электромагнитов.
Эксплуатация установок магнитографического контроля проката показывает, что окалина снижает чувствительность на 25 - 30 %.
Для надежного определения дефектов глубиной 0,3 мм высота неровностей на поверхности заготовки не должна превышать 0,1 - 0,15 мм.
Феррозондовый метод заключается в намагничивании изделия и фиксации намагниченных полей рассеяния с помощью феррозонда - магнитно-чувствительного преобразователя напряженности магнитного поля в электрический сигнал, используя нелинейную зависимость намагничивания сердечников из магнитных материалов.
В магнитно-чувствительном преобразователе реализуется процесс взаимодействия двух полей: внешнего измеряемого и собственного поля возбуждения. Простейший ферроэлемент состоит из сердечника, выполненного из магнитно-мягкого материала, на котором размещены две обмотки: возбуждения и измерительная. Обмотка возбуждения питается переменным током такой амплитуды, чтобы доводить сердечник до состояния, близкого к насыщению. Используя два ферроэлемента, можно скомпенсировать первую и все нечетные гармоники и выделить вторую гармонику для измерения напряженности поля или разности полей в двух точках пространства. В соответствии с этим феррозонды называют еще и градиентомерами.
В качестве магнитно-чувствительных преобразователей используют также датчики Холла либо магнитодиоды, обладающие высокой чувствительностью.
Эффект Холла возникает при воздействии магнитного поля на ток, протекающий по проводнику или полупроводнику под действием силы Лоренца. Использование преобразователей Холла для измерения напряженности магнитного поля имеет ряд преимуществ по сравнению с другими преобразователями: линейная зависимость выходного напряжения от управляющей величины (ток или магнитная индукция) в большом диапазоне частот; простая регулировка чувствительности за счет изменения величины управляющего тока. Основные недостатки - сложность изготовления датчиков, что приводит к большому разбросу параметров даже в пределах одной партии и усложняет взаимозаменяемость, а также зависимость параметров от температуры и напряженности магнитного поля.
В основе магнитодиодных преобразователей лежит эффект Гаусса, заключающийся в изменении электрического сопротивления проводника или полупроводника с током при перемещении его в магнитном поле. Магниторезисторы или магнитодиоды - более простые элементы по сравнению с датчиками Холла. Они являются статически направленными элементами, которых с помощью которых измеряют компоненты магнитного поля на поверхности контролируемого изделия, а также в щелях и зазорах.
Феррозондовый метод получил распространение исключительно для контроля изделий круглой формы.
Способы намагничивания изделий
Выбор режима намагничивания предусматривает создание в контролируемом изделии, магнитной индукции, достаточной для образования поля рассеяния над дефектом. Это поле определяется величиной и родом тока, способ контроля, материалом, формой и состоянием поверхности контролируемого изделия, а также направлением намагничивающего поля. Последнее всегда должно быть перпендикулярно плоскости дефекта.
В общем случае для намагничивания применяют постоянный, переменный и импульсный токи, а также их комбинацию.
Постоянный ток целесообразно применять для выявления дефектов, залегающих на глубине до 10 мм, для изделий небольших сечений. Для контроля, например, проката диаметром более 20 мм обнаружить дефекты в любом сечении чрезвычайно трудно, так как для создания необходимой индукции требуется весьма большой ток.
Переменный ток является наиболее эффективным для обнаружения поверхностных дефектов, особенно усталостных трещин.
При контроле крупногабаритных изделий для создания требуемой напряженности поля применяют импульсный ток. Глубина промагничивания зависит от амплитуды и длительности импульса. Пир импульсном намагничивании необходимо применять определенные меры для ликвидации возникновения колебательного тока в электрической цепи во избежании размагничивания изделия обратным током.
При магнитном контроле в зависимости от ориентации дефектов, подлежащих обнаружению, применяют намагничивание в одном, двух или трех перпендикулярных направлениях. В соответствии с этим используются три вида намагничивания: циркулярное, продольное (полюсное) и комбинированное. Комбинированное намагничивание может быть выполнено только способом приложенного магнитного поля.
Циркулярное намагничивание или намагничивание электрическим током осуществляют путем пропускания тока большой силы непосредственно через изделие или металлический проводник, помещенный в отверстие детали. При пропускании тока через изделие (например, штангу сортового проката) сильнее намагничивается его внешняя поверхность, а поле внутри изделия равно нулю; при намагничивании с использованием проводника с током, размещенного внутри полой заготовки, сильнее намагничивается внутренняя поверхность, а внешняя слабее. При локальном циркулярном намагничивании (с помощью электродов или путем индуцирования тока в изделии) наведенное магнитное поле имеет сложную форму.
Полюсное намагничивание характеризуется возникновением свободных магнитных полюсов на концах или отдельных участках контролируемого изделия. Магнитные силовые линии при этом замыкаются через воздух, т.е. одну часть пути они проходят по изделию, а другую по воздуху. Для намагничивания обычно применяют постоянные магниты, электромагниты, а также специальные катушки или однослойные, или многослойные соленоиды.
При комбинированном намагничивании одновременно воздействуют на контролируемое изделие двумя или несколькими изменяющимися полями при обеспечении поворота векторами суммарной намагниченности.