Mагнитопорошковая дефектоскопия

Индикатором магнитных полей рассеяния в магнитопорошковой дефектоскопии служат ферромагнитные частицы. Размер таких частиц обычно составляет 0,5 - 50 мкм (порошок). При нанесении порошка на поверхность изделия он находится во взвешенном состоянии в воздухе (сухой способ) либо в жидкости (мокрый способ). Жидкость со взвешенным в ней порошком называют суспензией.

Магнитопорошковый метод является одним из самых чувствительных методов магнитной дефектоскопии: с его помощью могут быть выявлены поверхностные дефекты глубиной от 0,01 мм и шириной от 1 мкм. Выявляемость внутренних (подповерхностных) дефектов несколько хуже: обнаружение дефектов, залегающих на глубине более 2 - 3 мм, является проблематичным. О наличии дефекта судят по оседанию порошка над дефектом (валик).

Для понимания процесса образования валика рассмотрим силы, действующие на ферромагнитные частицы вблизи дефекта.

Рис. 2.17. Пара сил, действующих Рис. 2.18. К расчёту сил в неоднородном

Ферромагнитная частица в неоднородном магнитном поле.В п. 2.2 было показано действие магнитного поля на постоянный магнит. Момент сил , действующий на цилиндрический постоянный магнит длиной в магнитном поле , направленном под некоторым углом к его оси (рис. 2.17),

. (2.63)

Считая, что фиктивные заряды расположены на торцах магнита магнитный момент по аналогии с электрическим диполем можно представить в виде:

. (2.64)

Из рис. 2.17 видно, что можно представить как момент пары сил с плечом , то есть

, (2.65)

откуда

. (2.66)

Таким образом, на фиктивный магнитный заряд в магнитном поле действует сила, пропорциональная произведению этих величин. Здесь сила измеряется в ньютонах [H], магнитный заряд - в амперметрах [A^.м], поле - в амперах на метр [А/м].

Представление в виде (2.66) позволяет определить силы, действующие на магнит в неоднородном поле. В однородном поле на магнетик действует лишь пара сил, которая стремится его повернуть осью по направлению поля. На опыте же мы наблюдаем движение магнитов в магнитном поле. Это движение возможно только в неоднородном магнитном поле. Пусть на рис. 2.18 напряжённость поля меняется в направлении . Если в точке напряжённость поля равна , то в точке

. (2.67)

Силы, действующие на магнит в точках и :

; . (2.68)

Пусть , , тогда на магнит действует пара сил с моментом , а также сила , направленная в сторону увеличения градиента (здесь - вдоль оси):

, (2.69)

где учтено, что . Эта сила и заставляет магнит двигаться. Ею объясняется и притяжение железа магнитом: железо намагничивается в поле магнита и начинает двигаться, поскольку поле магнита неоднородно.

В общем случае

(2.70)

Ненамагниченная ферромагнитная частица, внесённая в магнитное поле, поляризуется. Мерой поляризации служит намагниченность , определяемая по (1.6). Суммарный магнитный момент, как это следует из (1.6) и (1.7), можно выразить через и объём частицы :

, (2.71)

где - магнитная восприимчивость частицы (восприимчивость тела). При этом, если частица удлинённая, она под действием момента повернётся вдоль поля. Если она круглая, то поляризуется так, что заряды и будут лежать на линии вдоль поля. Из (2.70) и (2.71) имеем

. (2.72)

На рис. 2.19 показаны магнитно-силовые линии над дефектом и поляризация порошинок. Стрелочками дано направление сил, действующих на порошинки: они направлены в сторону увеличения градиента, то есть к дефекту. Это приводит к образованию над дефектом так называемого "валика", хорошо видимого, поскольку ширина валика значительно больше ширины дефекта и он по контрасту, цвету или свечению отличается от поверхности изделия.

Рис. 2.19. Порошинки в магнитном поле дефекта

(размеры порошинок - не в масштабе)

В том случае, когда суммарное поле состоит из намагничивающего поля и поля дефекта ,

, (2.73)

откуда видно, что во многих случаях может вносить достаточный вклад в величину .

Для двумерного случая, показанного на рис. 2.19, принимая можно вычислить и . Поскольку , то

,

а, следовательно, сила

. (2.74)

Аналогично можно получить

. (2.75)

Формулы (2.74) и (2.75) позволяют определить модуль и направление сил, действующих на магнитную частицу, для многих моделей дефектов.

Например, для дефекта, аппроксимируемого двумя дипольными нитями (формулы (2.44) и (2.45)), эти вычисления являются достаточно простыми. Распределение сил, действующих на порошинки на уровне (т.е. на высоте, равной 1/4 ширины дефекта) и , показано на рис. 2.20. Из этого рисунка видно, что:

1) основную роль играет составляющая ;

2) вблизи дефекта сила максимальна у края дефекта;

Рис. 2.20. Распределение сил, действующих на порошинку

на высоте и

3) сила резко (для дефекта в виде дипольной нити как ) спадает с увеличением зазора (расстояния от поверхности).

Порошинки в поле дефекта. Коагуляция.Ранее было показано, что восприимчивость тела

, (2.76)

где - восприимчивость вещества (материала), а размагничивающий коэффициент для шара (будем считать, что частица порошка имеет форму шара) = 1/3, поэтому

. (2.77)

Это означает, что за счёт большого увеличения нельзя добиться большого увеличения силы , так как проницаемость шаровидной порошинки из (2.77) не может быть больше 3: при = 10 восприимчивость шара = 2,3, а при = 20 следует = 2,6. Впрочем, эти рассуждения справедливы только для отдельно взятой порошинки.

Рассмотрим несколько порошинок в однородном магнитном поле (рис. 2.21). Они поляризуются так, что полюсы расположены вдоль . В отдельности взятая порошинка в однородном поле не движется, но поскольку

у порошинок близко расположенными оказываются полюса противоположных знаков, то они будут притягиваться друг к другу с силой, которая может

Рис. 2.21. Порошинки в магнитном поле

быть описана по закону Кулона: , где и - величины магнитных зарядов на полюсах. В идеальном случае нет никаких препятствий к тому, чтобы образовалась одна цепочка или, если речь идёт о некотором объёме, ряд параллельных друг другу цепочек. Однако, если порошинки находятся в воздухе, то на них действует ещё сила тяжести ; если на какой-либо поверхности, то и сила трения ; а если в жидкости, то , (зависящая от вязкости жидкости) и сила Архимеда . К этому надо добавить и такие факторы, как количество порошинок в единице объёма (концентрация), величина порошинок, величина поля , время действия поля .

На графике рис. 2.22 показана зависимость длины цепочек из частиц магнетита, образующихся в керосиновой суспензии (концентрация 10 г/л), от длительности действия магнитного поля. Видно, что при включении поля цепочки удлиняются, а затем средняя их длина уменьшается. Последнее объясняется тем, что длинные цепочки выпадают в осадок, следовательно, уменьшается концентрация суспензии, и во взвешенном состоянии остаются

Рис. 2.22. Зависимость длины цепочек от времени воздействия поля:

1 - 900; 2 - 1900; 3 - 2900; 4 - 4000; 5 - 8000 А/м.

более короткие цепочки. Очень длинные цепочки ухудшают чувствительность к локализованным полям дефектов, поэтому часто магнитный порошок смешивают с поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые образуют электростатические поля на поверхности порошинок. Эти поля, в противоположность магнитным, способствуют отталкиванию частиц друг от друга и предотвращают (в определённой степени) слипание частиц. При этом время оседания частиц в суспензии может быть уменьшено в 20 - 100 раз.

Магнитные порошки и суспензии.Чёрный магнитный порошок представляет собой сухую измельчённую смесь окись-закиси железа FeO^.Fe2O3.Размер частиц порошка 10 30 мкм. Буровато-красный магнитный порошок состоит из гамма-окиси железа (g-Fe2O3). Светлый магнитный порошок (для контроля деталей с тёмной поверхностью) состоит из измельчённого никеля либо измельчённого железа с добавкой алюминиевой пудры.

Применяются также магнитно-люминесцентные порошки, которые дают свечение при облучении ультрафиолетом. Они состоят из того же g-Fe2O3 , в который добавляют 10-15% люминофора и тщательно смешивают, например, в ацетоне, который в дальнейшем испаряется.

Для приготовления суспензий годятся все эти порошки, которые размешивают в воде, керосине или масле (или смеси двух последних) и добавляют присадки, придающие суспензии смачиваемость, антикоррозионные и другие полезные свойства. Эти присадки могут быть внесены заранее при изготовлении магнитных паст. Например, магнитная чёрная паста содержит ферромагнитный порошок (50%), бихромат калия (9%), кальцинированную соду (16%), смачиватель. Цветная магнитная паста содержит g - окись железа, а люминесцентная - магнитно-люминесцентный порошок. Указанные пасты достаточно растворить в воде, чтобы получить суспензии с хорошими дефектоскопическими свойствами.

Качество магнитной суспензии определяется её устойчивостью (продолжительностью времени выпадения порошка в осадок) и коагуляцией. Оба эти свойства можно определить только в некоторых относительных единицах. Например, устойчивость можно характеризовать временем от момента взбалтывания суспензии в пробирке высотой 100 мм до момента, когда порошок сосредоточится в нижней половине пробирки.

Обобщённая проверка качества магнитных порошков и суспензий производится при помощи контрольных образцов, которые снабжены дефектограммами, полученными в стандартных условиях. Контрольным образцом может также служить магнитная лента, на которой нанесены штрихи магнитофонной головкой, питаемой постоянным током разной величины. Другой способ проверки - создание равномерно убывающего магнитного поля вдоль протяжённого искусственного дефекта. Длина индикаторного рисунка характеризует качество порошка или суспензии.

Порядок выполнения работ при магнитопорошковом контроле:

а) подготовка детали к контролю;

б) намагничивание детали;

в) нанесение магнитного порошка или суспензии;

г) осмотр детали и разбраковка;

д) размагничивание (если оно необходимо).

а) При подготовке детали к контролю - очистке поверхности от грязи, ржавчины, смазки и т.п. - можно не убирать тонкие защитные покрытия. Однако если намагничивание предполагается путем пропускания тока по детали, то в местах подведения контактов электроизоляционное покрытие должно быть удалено. Иногда для усиления контраста деталь специально покрывают тонким слоем белой краски (нитролаком, например). Покрытия толщиной до 20 мкм не снижают существенно чувствительность метода.

б) Намагничивание детали осуществляют одним из способов, описанных в п. 4.3. При этом нанесение порошка может осуществляться в процессе намагничивания (способ приложенного поля - СПП) или после выключения намагничивающего поля (способ остаточной намагниченности - СОН). Последний применяется только к материалам с достаточно большими значениями коэрцитивной силы и остаточной магнитной индукции ( ³10 А/см, ³ 0,5 Тл).

Намагничивающее поле должно быть перпендикулярно наибольшей площади (ожидаемому направлению) дефектов. Когда ориентация дефектов неизвестна или когда известно, что дефекты могут иметь различные направления, проводят контроль после намагничивания во взаимно перпендикулярных направлениях.

в) Нанесение суспензии осуществляют путём полива или погружением детали в ванну с суспензией. Также порошок можно наносить с помощью распылителей или погружением в ёмкость с порошком. Необходимо следить за тем, чтобы при поливе напор жидкости был не сильным.

г) Осмотр и разбраковка - наиболее ответственные операции, которые должны выполняться в условиях необходимой освещенности. До настоящего времени осмотр и разбраковка часто выполняются дефектоскопистами. Однако уже имеются системы для компьютерного анализа порошковых фигур.

Разбраковка производится путём сравнения полученного индикаторного рисунка с контрольными дефектограммами, на которых показаны индикаторные рисунки наиболее характерных дефектов.

Необходимо обратить внимание на то, что порошковые фигуры могут возникать не только над реальными дефектами, но и над так называемыми "мнимыми". Например, если по намагниченному изделию провести железным предметом (отвёрткой), то образуется магнитный след (магнитная запись), который создаёт порошковую фигуру. Ложные порошковые фигуры могут образовываться в местах резкого изменения сечения детали, а также на участках с резко отличающимися магнитными свойствами (например, структурная полосчатость или наклепанные участки).

д) Полное размагничивание деталей осуществляется коммутацией (т.е. периодическим изменением полярности) постоянного поля с плавно убывающей до нуля амплитудой, а для изделий с малой толщиной - переменным магнитным полем с плавно убывающей амплитудой. Частичное размагничивание, т.е. уменьшение остаточной намагниченности детали, осуществляется специально подобранным по величине и длительности импульсом размагничивающего тока.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: