Физические основы вихретокового метода дефектоскопии.

Данный метод дефектоскопии устанавливает зависимость между величинами активного и реактивного сопротивлений преобразователя при изменении электропроводности, магнитной проницаемости, формы и размеров дефектов в контролируемом объекте. Источником этих изменений в вышеназванных зависимостях является процесс создания и рассеяния вихревых токов (токов Фуко), наведенных внешним переменным магнитным полем. Вихревые токи в изделии представляют собой замкнутые кольцевые токи, создающие собственное магнитное поле, противонаправленное внешнему полю, создающему их.

. Так полное сопротивление обмотки преобразователя Z (катушки) является суммой активного R и реактивного ωL сопротивлений: Z = R + i ωL, где ω – частота, L - индуктивность.

Реактивное сопротивление преобразователя изменяется с приближением его к контролируемому изделию. Если материал изделия немагнитный, то сопротивление ωL уменьшается, у ферромагнитного – увеличивается.

Рис. 36

Сопротивление преобразователя зависит от различных факторов. Поэтому для его анализа используют графики, называемые годографами, в которых по осям откладывают

значения активного (R) и индуктивного (ωL) сопротивлений, отнесенных к индуктивной ωL₀ составляющей на холостом ходу (рис. 36). При увеличении зазора между катушкой и контролируемой поверхностью, радиус дуги (от 111 до 1) уменьшается. Кривые изменения вносимого сопротивления преобразователя отражают процессы, происходящие при взаимодействии электромагнитного поля с металлом. Изменение электропроводности (σ, рис. 36) и изменение величины зазора между преобразователем и металлом оказывают различное действие на величину и направление вектора, характеризующего изменение полного сопротивления катушки.

В качестве преобразователя чаще всего используют электрические катушки разнообразных форм и размеров. Эти катушки подразделяются на возбуждающие вихревых токов в изделии и на измерительные, т.е. на катушки, которые реагируют на изменение вихревых токов в изделиях.

В практике контроля, для возбуждения вихревых токов в изделии используют три основных метода:

- помещение объекта в катушку (метод проходной катушки);

- накладывание катушки на объект (метод накладной катушки);

- помещение объекта между первичной и вторичной катушками (экранный метод).

Рассмотрим процесс формирования сигнала о дефекте в классическом вихртоковом преобразователе. Изменения в структуре электромагнитного поля, обусловленных перераспределением вихревых токов в объеме металла при наличии в нем различных дефектов, отражаются на электрических параметрах преобразователя.

Классический вариант вихретокового первичного преобразователя, использующего накладную катушку возбуждения, представлен на рисунке 37. Здесь на магнитопроводе 4, призванного увеличить плотность потока магнитного поля, расположенны соосно возбуждающая 1 и измерительные 2 и 3 катушки, Будучи установленными над электропроводящем материалом изделия 5 с дефектом типа трещины 6, преобразователь своей катушкой 1 возбуждает в изделии вихревые токи. Трещина пересекает контуры вихревых токов, поэтому в ее плоскости образуется два контура 7 и 8 протекания вихревых токов i_в.т., что существенно изменяет структуру результирующего магнитного поля.

Рис.37

При отсутствии трещины вихревые токи в объеме материала 5 протекают по круговым контурам и создают вторичное поле.

Составляющая поля трещины образуется вследствие разделения контуров вихревых токов и в основном формируется в контурах 7 и 8 элементами токов, которые протекают вдоль краев трещины 6 в противоположных направлениях и формируют поле трещины. Нормальная составляющая Н_т.п. в средней плоскости трещины создает максимум и направлена вертикально вверх, противоположно вектору Н₂ вторичного поля, уменьшая его. Касательная составляющая Н_т.т. над трещиной равна нулю и имеет разные знаки слева и справа от трещины.

В классическом вихретоковом преобразователе с помощью измерительной катушки 2 определяют нормальную составляющую поля Н_т.п. , образованного трещиной. При этом катушка 3 является компенсационной, т.е. она обеспечивает компенсацию значительной по величине составляющей первичного поля, возбужденного катушкой 1.

Из приведенной схемы работы преобразователя видно, что если дефект в изделии не пересекает контур вихревых токов, то он практически не создает сигнал на катушке 2. Это относится прежде всего к локальным дефектам типа пор и расслоений в плоскости, параллельной поверхности контролируемого изделия.

Эффективность воздействия дефекта на величину результирующего сигнала на катушке 2 преобразователя зависит от глубины самой трещины и глубины проникновения вихревых токов в материал. Под глубиной проникновения понимают такое расстояние, на котором амплитуда падающей электромагнитной волны уменьшается е раз. С увеличением частоты питающего тока катушки 2, глубина проникновения магнитного поля в материал уменьшается и эффективность контроля возрастает. Так, для примера, в листе из алюминия поверхностный дефект глубиной 0.5 мм требует оптимальную частоту f_опт. = 380 кГц, а для подповерхностного такого же дефекта на глубине 1 мм f_опт. = 60 Гц.