Глубина проникновения вихревых токов в металле
Обновлено: 04.07.2024
Проанализируем данное явления с точки зрения уже известных законов. И так, в проводнике возникает электрический ток, то есть упорядоченное движение зарядов (электронов). Движение зарядов возникает под действием силы, которая, вероятно, имеет электрическую природу. Мы уже знаем одну такую силу – это сила, действующая на заряд в электрическом поле (1): F = eE. Таким образом, следует, что изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению электрического поля. То есть электрические поля могут создаваться не только зарядами, но и изменяющимися магнитными полями. В этом случае силовые линии поля образуют замкнутые линии, и оно носит название вихревого. Наличие контура в этих опытах только позволяет обнаружить возникающее электрическое поле благодаря наличию свободных электронов, приходящих в движение под действием силы со стороны поля и создающих электрический ток. Само же электрическое поле существует в пространстве с изменяющимся магнитным полем независимо от наличия там второго контура. Если теперь вместо второго контура, в котором наводилась ЭДС, и возникал индукционный ток, расположить проводящий материал (объект контроля), замкнутые токи будут возникать не во втором контуре, а непосредственно в самом проводящем материале, рис. 1.5. Эти токи также носят название вихревых токов.
Характер распределения плотности вихревых токов под плоской катушкой приведен на рис. 1.6. Плотность вихревых токов максимальна на поверхности объекта в контуре, диаметр которого близок к диаметру возбуждающей обмотки и убывает до нуля на оси обмотки и при удалении от оси на бесконечность. Плотность вихревых токов убывает с глубиной по экспоненциальному закону. За глубину проникновения вихревых токов d принимают расстояние от поверхности, на котором величина тока уменьшается в е раз
(е – число, примерно равное 2,7):
где f – частота тока возбуждения, m0 – магнитная постоянная,
m – магнитная проницаемость вещества, s – проводимость,
r = 1/s – удельное сопротивление контролируемой детали.
Из уравнения (4) следует, что глубина проникновения вихревых токов уменьшается с ростом частоты и проводимости контролируемого материала и значительно меньше для ферромагнитных деталей, имеющих магнитную проницаемость m > 50. Сравнительные данные глубины проникновения вихревых токов для некоторых металлов приведены в таблице 1.1.
| Металл | Глубина проникновения (мм) при частоте | ||
| 50 Гц | 10 кГц | 1 МГц | |
| Сталь Медь Алюминий Латунь | 1,3 9,5 12,5 19,5 | 0,1 0,7 0,8 1,37 | 0,01 0,07 0,08 0,1 |
Как видно из таблицы для стальных деталей при частоте
10 кГц (рабочая частота дефектоскопов типа ВД-12) глубина проникновения вихревых токов составляет 0,1 мм и, таким образом будут выявляться практически только трещины, выходящие на поверхность детали.
Рис. 1.6. Распределение вихревых токов в детали:
а – по глубине детали, б – относительно оси катушки
Глубина проникновения вихревых токов
Глубина вихревых токов зависит от величины возбуждающего их магнитного потока, частоты возбуждения и электромагнитных свойств материала объекта. Для оценки глубины вихревых токов используют относительную величину – условную глубину проникновения вихревых токов. Условная глубина проникновения вихревых токов – это расстояние от поверхности объекта контроля (где наблюдается максимальная плотность вихревых токов) до слоя в котором плотность уменьшается в е раз (е ≈ 2,71 – основание натурального логарифма):
где f – частота тока возбуждения, – абсолютная магнитная проницаемость материала объекта, σ – удельная электрическая проводимость материала объекта.
Условная глубина не зависит от величины магнитного потока (геометрии возбуждающей катушки, наличия сердечника, зазора между катушкой и объектом и т.п.). С увеличением частоты возбуждения глубина проникновения вихревых токов уменьшается. Вихревые токи выталкиваются к поверхности объекта. Такой же эффект наблюдается при возбуждении вихревых токов в ферромагнитных материалах (конструкционных сталях), у которых влияние магнитной проницаемости на глубину проникновения во много раз больше чем влияние удельной электрической проводимости, как правило меньшей чем у меди, алюминия и сплавов на их основе.
Практические использование вихревых токов в дефектоскопии
Основным объектом поиска при контроле деталей, находящихся в эксплуатации, является усталостная трещина, как правило, выходящая на поверхность. Геометрические параметры трещины характеризуются: длиной L – максимальный продольный размер дефекта, видимый на поверхности контроля, шириной раскрытия B – поперечный размер дефекта у его выхода на поверхность, глубиной H – размер дефекта по направлению внутрь от поверхности контроля. Так как часто дефекты бывают сложной формы, различают максимальную, минимальную, среднюю, суммарную величину этих параметров.
Для подповерхностных дефектов (например типа пора) важным параметром является не только геометрически параметры (например диаметр) но и расстояние от поверхности –Z – глубина залегания.
L – длина; B – ширина раскрытия; H – глубина; -Z – глубина залегания; d - диаметр
Рисунок 3.4 – геометрические размеры дефектов
При проведении вихретоковой дефектоскопии, для выбора оптимальных параметров контроля, важно различать направление развития дефекта. С этой точки зрения различают продольные или поперечные (относительно продольной оси объекта контроля или направления сканирования вихретоковым преобразователем) трещины.
Рисунок 3.5 – ориентация дефекта относительно продольной оси объекта контроля: поперечная трещина (а), продольная трещина (б)
Ориентация дефекта относительно положения вихретокового преобразователя иногда значительно влияет на чувствительность к тем или иным типам дефектов.
Рисунок 3.6 – ориентация дефекта относительно направления сканирования: продольная трещина (а), поперечная трещин (б)
При оформлении отчета по результатам контроля важно правильно указать не только геометрические параметры обнаруженного дефекта, но и его расположение на объекте контроля. Для этого используют привязку к одному из хорошо видимых, характерных мест объекта, таких как край детали, галтельный переход, сварной шов, клейма и т.п., от которых ведут отсчет расстояния или угла до дефекта.
Рисунок 3.7 – координаты дефекта относительно края детали (а), галтельного перехода (б), заводского клейма (в)
© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.007)
В машиностроении при изготовлении изделий всегда большое внимание уделяется их качеству, надёжности, длительному сохранению технических (паспортных) характеристик в процессе эксплуатации. Высокие требования предъявляются, в частности, к серийно изготавливаемым подшипникам. Даже при различных внешних благоприятных факторах эксплуатации деталей подшипников происходит преждевременный отказ подшипника по причине наличия скрытого дефекта в его деталях. Дефекты могут быть металлургического происхождения или как результат нарушения режимов термохимической, механической обработки деталей в производстве [1, 2].
В связи с тем, что современная технология производства изделий массового выпуска, которыми являются подшипники, требует повышения скоростей автоматического контроля и включения систем контроля непосредственно в технологическую линию, возникает задача автоматизации обнаружения и идентификации дефектов поверхностного слоя и сортировки деталей на годные и бракованные. Основное влияние на формирование поверхностного слоя деталей подшипников оказывает процесс шлифования, который осуществляется специальными режущими инструментами абразивными кругами. В зависимости от воздействия внешних условий, могут возникать структурные изменения обрабатываемого металла, что приводит к различным дефектам поверхностного рабочего слоя.
При шлифовании выделяется теплота за счет трения между кругом и деталью при высокой скорости резания. Это количество теплоты возрастает с увеличением подач и глубины резания круга. Однако круговая подача и подача на глубину неодинаково влияют на температуру шлифования. Температура шлифования зависит от времени воздействия источника теплоты на обрабатываемую поверхность: с увеличением скорости детали она сокращается, а с увеличением подачи на глубину возрастает продолжительность воздействия источника теплоты на обрабатываемую поверхность. Низкая теплопроводность шлифовального круга из обычных абразивных материалов вызывает переход большей части теплоты в деталь. Основное количество теплоты, выделяющейся при шлифовании, распределяется между деталью (77¸86 %) и кругом.).
В таблице 1 приводятся факторы, влияющие на качество обработки деталей подшипников при шлифовании.
Таблица 1. Факторы, влияющие на качество обработки подшипников
Предпочтительным методом контроля качества, надежности и основных рабочих свойств и параметров деталей подшипников в условиях массового производства является неразрушающий контроль (НК). Повышение качества прецизионных изделий может быть достигнуто при разработке и внедрении на промышленных предприятиях автоматизированных систем мониторинга качества их изготовления, а также эффективных систем управления технологическими процессами. Эти системы позволяют вывести процесс производства продукции предприятия на более высокий уровень, существенно снизить или практически исключить брак, обеспечить конкурентное преимущество в борьбе за потребителя[1, 2, 3].
Одним из методов неразрушающего контроля является метод вихретокового контроля.
Индукционные (вихревые) токи
Поле, создаваемое индукционным током. В любом замкнутом токопроводящем контуре (короткозамкнутый виток, объем токопроводящего материала, катушка с подключенным к ее зажимам сопротивлением нагрузки и т.п.), согласно закона электромагнитной индукции, возникает индукционный (наведенный) ток. Индукционные токи в массивных объемах токопроводящих материалов (например в магнитопроводах электротехнических устройств), замкнутые по кольцевым траекториям, лежащим в плоскости перпендикулярной направлению магнитного потока, получили название вихревые токи или токи Фуко.
Индукционные токи создают создают собственное магнитное поле. Магнитный поток индукционных токов (токов Фуко), согласно правилу Ленца, всегда направлен встречно (находится в противофазе) основному магнитному потоку.
Распределение вихревого тока. Вихревые токи (токи Фуко) - это замкнутые электрические токи, возникающие в объеме токопроводящего материала под воздействием переменного магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами и в отличие от токов, протекающих в проводах (обмотках, токоведущих жилах и пр.) по строго определенным направлениям, замыкаются в объеме токопроводящей среды, как правило, по кольцевым (вихревым) траекториям. Основным параметром вихревых токов является их плотность. Плоскость вихревых токов всегда перпендикулярна направлению возбуждающего их магнитного потока. Если магнитный поток пронизывает плоский проводник нормально его плоскости, как показано на рисунке 3. 1 а, то в проводнике возникают вихревые токи. В случае если магнитный поток пронизывает проводник вдоль его плоскости, как показано на рисунке 3. 1 б вихревые токи не возникают.
Рис. 1 Возбуждение вихревых токов в плоском проводнике: магнитны й поток направлен нормально плоскости проводника и вызывает возникновение вихревых токов (а), магнитный поток направлен вдоль плоскости проводника, вихревые токи не возникают (б).
Этот же эффект дроблеия вихревых токов положен в основу вихретоковой дефектоскопии, когда дефект (трещина) выступает в роли изолирующего слоя и дробит вихревые токи (рис. 2). Исходя из этого, для уменьшения влияния вихревых токов на работу электрических машин (например, трансформатора) их сердечники выполняют из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоями лака.
Рис. 2 дробление вихревых токов: принудительное в сердечнике трансформатора (а); дефектом при вихретоковой дефектоскопии (б).
Изменение амплитуды и фазы тока. Плотность вихревых токов в массиве токопроводящего материала не равномерна (рис. 3). Распределение вихревых токов по объему токопроводящей среды сопровождается изменением амплитуды и фазы. Так при возбуждении вихревых токов в листе металла катушкой с протекающим по ее виткам током максимальная плотность вихревых токов будет наблюдаться в поверхностном слое объекта непосредственно под витками катушки. При удалении вдоль поверхности от витков катушки плотность вихревых токов будет уменьшаться по закону близкому к экспоненциальному. Также с увеличением глубины вихревые токи больше отстают по фазе от поверхностных.
Рис. 3. распределение плотности вихревых токов в токопроводящей среде: в поверхностном слое (а); по глубине объекта (в).
При анализе распределения вихревых токов по глубине объекта можно наблюдать уменьшение амплитуды с ростом глубины, подчиняющееся экспоненциальному закону
ј = ј0·е -mz , ………………………(1) где ј0– плотность вихревых токов на поверхности объекта, m – коэффициент затухания, зависящий от электромагнитных свойств объекта и частоты тока катушки. Также наблюдается изменение фазы вихревых токов. С увеличением глубины фаза тока в более глубоких слоях все больше отстает от тока в поверхностном слое.
Глубина проникновения вихревых токов
Пример распределения вихревых токов в цилиндрических стрежнях
Для контроля протяженных цилиндрических объектов кругового сечения применяют наружные проходные преобразователи, обмотка возбуждения которых формирует в зоне контроля однородное переменное электромагнитное поле. Если катушка возбуждения будет иметь отношение длины к двум радиусам равное или большее четырех, то в ее центре будет создаваться магнитное поле по конфигурации силовых линий максимально приближенное к однородному.
Рисунок 3.8 – контроль цилиндрического стержня наружным проходным ВТП: 1 – объект контроля, 2 – обмотка возбуждения, 3 – измерительная обмотка, l – длина, r – радиус обмотки возбуждения
С помощью проходных преобразователей можно контролировать геометрические размеры и электромагнитные или связанные с ними структурные параметры (твердость, механические напряжения, степень усталостных повреждений и т.п.) стержней, в том числе и из ферромагнитных материалов. При этом частота тока возбуждения является важным параметром, выбор которого определяется необходимой глубиной проникновения вихривых токов (в зависимости от решаемой в процессе контроля задачи). С одной стороны глубина проникновения вихревых токов в цилиндрическом объекте несколько больше, чем в полупространстве с плоской поверхностью, с другой стороны плотность вихревых токов на оси цилиндра равна нулю независимо от значения обобщенного параметра вихретокового контроля.
Для анализа результатов контроля, как правило, используют годографы относительного напряжения измерительной обмотки по изменению амплитуды, фазы, а в некоторых случаях и высших гармоник которого судят о степени влияния контролируемого или мешающих параметров.
Пример распределения вихревых токов в трубах
Для контроля полых цилиндрических объектов кругового сечения (трубы, баллоны, детали с цилиндрическими отверстиями) применяют внутренние проходные преобразователи, обмотка возбуждения которых формирует в зоне контроля однородное переменное электромагнитное поле.
Частоту тока возбуждения выбирают исходя из условия равенства глубины проникновения вихревых токов и толщины стенки трубы. Для разделения контролируемого и мешающего параметров используют годографы вихретоковых преобразователей, анализируя амплитуду и фазу относительного напряжения измерительной обмотки. Справедливости ради следует заметить, что раздельный контроль например толщины стенки и удельной электропроводности материала трубы при контроле тонкостенных труб практически невозможен.
Еще одним важнейшим параметром для проходных преобразователей является коэффициент заполнения, определяющийся для внутренних ВТП, как отношение диаметра преобразователя к внутреннему диаметру объекта контроля. Этот коэффициент может находиться в пределах от нуля до единицы, и с одной стороны должен быть как можно больше (измерительная обмотка должна быть расположена как можно ближе к объекту контроля), с другой стороны, малейший перекос преобразователя при больших значениях коэффициента заполнения, может привести к его «застреванию» внутри объекта контроля, доступ куда невозможен или ограничен.
Для контроля труб малого диаметра часто используют экранные проходные преобразователи, у которых габаритная обмотка возбуждения располагается снаружи, а имеющая незначительные размеры измерительная обмотка, внутри объекта контроля. При этом важно обеспечить соосное перемещение обеих обмоток при проведении контроля.
ВТП: 1 – объект контроля, 2 – обмотка возбуждения, 3 – измерительная обмотка
Рисунок 3.9 – контроль трубы внутренним проходным (а) и экранным проходным (б)
Методическая разработка лекции "Физические основы вихретокового контроля"
Основу безопасности движения поездов составляет плано – предупредительная система ремонта. Одним из параметров при выполнении ремонтов локомотивов является неразрушающий контроль узлов и элементов локомотивов
В настоящее время в локомотивных депо используется несколько видов неразрушающего контроля:
1. Магнито – порошковый,
В локомотивных депо используются разные типы вихретоковых дефектоскопов, такие как ВД – 12НФМ, ВД – 13, ВД – 14, ВД – 15НФМ, ВД – 19, ВД – 20. Этот вид дефектоскопии нашел широкое распространение на предприятиях железнодорожного транспорта при контроле труднодоступных деталей и узлов.
Данный метод незаменим при производстве неразрушающего контроля сварных швов рам тележек и кузовов.
Целью методической разработки является изучение физических основ вихретокового контроля.
1. Физические основы вихретоковой дефектоскопии.
Вихретоковый метод неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнит ного поля с вихревыми токами, наводимыми этим полем в контролируемой детали. В качестве источника электро магнитного поля чаще всего используется индуктивная катушка с синусоидальным током, называемая вихрето ковым преобразователем (ВТП).
В общем случае вихре токовый преобразователь – устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных катушек, предназначен ных для возбуждения в контролируемой детали вихревых токов и получения сигнала с преобразователя. В контро лируемой детали с помощью вихретокового преобразова теля возбуждаются вихревые токи. Распределение вихре вых токов по поверхности детали и их величина в областях с дефектами и без дефектов различны, поэтому по изменению сигнала преобразователя можно судить о нали чии дефекта.
Вихретоковый метод контроля применим для электро проводящих магнитных и немагнитных материалов.
При ВТК используются законы электротехники:
- закон электромагнитной индукции,
- закон самоиндукции и взаимоиндукции,
- законы работы колебательного контура (конденсатор – катушка).
1. Вихревые токи
Вихревые токи – это индукционные токи, возникающие в массивных электропроводящих материалах при воздействии на них изменяющегося магнитного поля. Плотность вихревых токов j зависит от электрической проводимости и магнитной проницаемости материала. В проводниках плотность электрического тока j связана с напряженностью электрического поля Е законом Ома:
где σ – удельная электрическая проводимость.
Величина, обратная удельной электрической проводимости, ρ =1/σ, называется удельным электрическим сопротивлением. Для большинства металлов и сплавов σ, а следовательно, и ρ – постоянные величины, поэтому для них зависимость плотности тока от напряженности электрического поля линейная.
2.Поверхностный эффект
Вихревые токи создают вторичное электрическое поле, которое в соответствии с правилом Ленца направлено против электрического поля возбуждения. Поэтому по мере углубления в электропроводящий материал амплитуда результирующего электрического поля уменьшается. Глубина проникновения вихревых токов зависит от частоты возбуждающего электрического тока и электромагнитных свойств металла. Условной глубиной проникновения вихревых токов δ называют расстояние от поверхности детали, на котором плотность вихревых токов уменьшается в 2,71 раз. Значение δ определяется по формуле :
где: f – частота тока, Герц (Гц) ;
σ – удельная электрическая проводимость, Ом -1 *м -1 ;
μ – относительная магнитная проницаемость металла.
Из этой формулы следует, что с увеличением частоты возбуждающего тока глубина проникновения вихревых токов уменьшается. При f = 100 кГц вихревые токи проникают в ферромагнитные материалы на глубину от 2 до 10 мм, при f = 1 МГц – от 0,5 до 5 мм.
Значения условной глубины проникновения вихревых токов при частоте возбуждающего тока 50, 104 и 106 Гц для различных металлов приведены в таблице 1.
Глубина проникновения вихревых токов, мм, при частоте
Стали конструкцион ные
3. Распределение вихревых токов в контролиру емых деталях
Распределение плотности вихревого тока j в поверхно стном слое детали зависит от конструкции преобразова теля, частоты f возбуждающего электрического тока и за зора h между преобразователем и деталью. С увеличени ем частоты возбуждающего тока глубина проникновения вихревых токов уменьшается, что приводит к увеличению плотности вихревых токов в поверхностном слое детали (рис. 1) .
Рис. 1. Распределение плотности вихревых токов по глубине z детали в зависимости от частоты возбуждающего тока.
Кривая 1 соответствует частоте f1 , кривая 2 – частоте f2.
При вихретоковом контроле частоту возбуждающего тока выбирают в зависимости от параметра шероховатос ти поверхности детали. При контроле деталей с обрабо танной поверхностью применяют возбуждающий ток с бо лее высокой частотой f1, чем при контроле деталей с необработанной поверхностью f2 (рис. 2, а и б), что позво ляет выявлять мелкие поверхностные дефекты.
При контроле деталей с грубой необработанной пове рхностью применяют возбуждающий ток с частотой f 2 < f 1 что обеспечивает выявление более глубоких дефектов.
4. Взаимодействие катушки с контролируемой деталью
Основным элементом любого вихретокового дефектос копа является катушка индуктивности. Если пренебречь межвитковой емкостью, полное сопротивление катушки буд ет определяться активным Ro и индуктивным ωL0 со противлением.
Реакция катушки на контролируемую деталь зависит свойств материала детали. Если деталь изготовлена из немагнитного металла, помещение на нее катушки при едет к дополнительным потерям в виде нагрева и к уменьш ению индуктивности. Индуктивность уменьшается из – за того, что магнитный поток вихревых токов направлен против магнитного потока катушки. Если деталь выполне на из ферромагнитного металла, то появляются потери перемагничивание и имеет место некоторое увеличение индуктивности за счет достаточно большой магнит кой проницаемости детали.
Если при перемещении катушки по поверхности дета ли под катушкой появится трещина, то из-за изменений вихревых токов и магнитной проницаемости в области трещины потери в катушке и ее индуктивность резко из менятся. Анализируя эти изменения, можно установить наличие дефекта.
В случае малых трещин изменения основных парамет ров катушки будут небольшими и невозможно будет достичь необходимой чувствительности преобразователя на основе одной катушки. Для повышения чувствительнос ти катушку включают в резонансный контур или в раз личные дифференциальные схемы. Кроме того, чувствительность катушки повышается, если в нее вставить фер ромагнитный сердечник (обычно ферритовый). Связано это с тем, что с увеличением индуктивности увеличива ется добротность контура и, как следствие этого, увели чивается крутизна резонансной и фазовой характеристик контура.
В случае резонансного контура наличие трещины вли яет на все основные его свойства – резонансную частоту, добротность и фазовую характеристику.
5. Вихретоковые преобразователи
В настоящее время разработано большое число типов и разновидностей вихретоковых преобразователей (ВТП). Для более правильного использования целесообразно их классифицировать. Существует несколько различных классификационных признаков. По способу формирова ния выходного сигнала ВТП подразделяются на парамет рические и трансформаторные.
Параметрический ВТП представляет собой катушку индуктивности. В отверстие катушки для усиления магнитного поля может быть вставлен ферритовый сердеч ник (рис. 3).
Переменный электрический ток I в катушке создает магнитный поток преобразователя Фп (рис. 4), который при отсутствии контролируемой детали зависит от частоты электрического тока, геометрических размеров и формы катушки, а также относительной магнитной проница емости μ среды внутри катушки.
В катушке без сердечни ка (в воздухе) μ = l . Внутри катушки с сердечником μ и магнитный поток Фп больше, чем без сердечника.
При установке параметрического ВТП на деталь под катушкой в металле возбуждаются вихревые токи IВТ (рис. 5 ), которые создают собственный магнитный поток Фвт, в заимодействующий с магнитным потоком катушки прео бразователя Фп.
Читайте также: