Магнитопорошковая дефектоскопия. 
Неразрушающий контроль сварных соединений в машиностроении

Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля основан на явлении притяжения частиц магнитного порошка в местах выхода на поверхность контролируемого объекта магнитного потока, вызванного наличием нарушений сплошности КО. В намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов нарушения сплошности (дефекты) вызывают перераспределение магнитного потока и выход части его на поверхность (магнитный поток рассеяния). На поверхности изделия создаются локальные магнитные полюсы, притягивающие частицы магнитного порошка, в результате чего место дефекта становится видимым.

Магнитопорошковая дефектоскопия (МПД) в системе неразрушающих методов контроля занимает одно из ведущих мест. Это связано с ее высокой чувствительностью к поверхностным и подповерхностным дефектам, простотой, универсальностью и наглядностью представления результатов контроля. МПД применяется для контроля изделий, деталей, сварных соединений из ферромагнитных материалов с р > 40. Она основана на регистрации магнитных полей рассеяния в КО, возникающих над дефектами, при намагничивании его с помощью ферромагнитных частиц (магнитного порошка), которые находятся во взвешенном состоянии в жидкости (воде, минеральном масле, керосине) или воздухе.

На магнитную частицу в неоднородном магнитном поле дефекта действует сила F, стремящаяся затянуть ее в места концентрации силовых линий и приблизить к месту дефекта:

где = 4л-10 ⁷ Гн/м; к—магнитная восприимчивость частицы; V— объем частицы, м³; АН/Ах — градиент напряженности магнитного поля, А/м.

Под действием этой силы частицы перемещаются и образуется валик над дефектом. Таким образом, эффективность выявления дефекта находится в тесной связи с интенсивностью поля рассеяния и его градиентом, а также зависит от магнитных свойств и размеров используемых частиц.

Намагничивание детали является одной из основных операций контроля. От правильного выбора способа, направления и вида намагничивания во многом зависит чувствительность и возможность обнаружения дефектов.

При МПД применяют три способа намагничивания: циркулярное, продольное (полюсное) и комбинированное.

Продольное намагничивание может быть осуществлено с помощью постоянного магнита, электромагнита и соленоида (рис. 5.4).

Намагничивание постоянным магнитом удобно в полевых условиях, а также в качестве дополнения к каким-либо другим видам, когда отсутствует специальное оборудование для магнитного контроля. В то же время изменение напряженности магнитного поля, а следовательно, магнитного состояния КО в этом случае практически невозможно.

К достоинствам этого способа относится прежде всего возможность управления режимом контроля. Постоянные магниты и электромагниты используют при контроле плоских или не сильно искривленных участков поверхности КО. Продольное намагничивание с помощью соленоида используют при МПД протяженных объектов (прутки, штанги, трубы и т. п.).

При продольном намагничивании выявляются поперечные, т. е. направленные ортогонально направлению магнитного поля дефекты. При использовании постоянных магнитов или электромагнитов контроль лучше проводить несколько раз, намагничивая контролируемый участок в нескольких направлениях.

Циркулярное намагничивание (рис. 5.5) осуществляют, пропуская ток через деталь или проводник, проходящий через отверстие в КО. Этот вид контроля применяют для выявления продольных дефектов, а также дефектов, расположенных под небольшим углом к оси детали. Протяженные детали в виде стержней, осей, у которых рабочей является боковая поверхность, намагничивают, пропуская ток через контакты на торцах КО.

Величину намагничивающего тока, необходимого для создания требуемой напряженности циркулярного поля, в ряде случаев можно рассчитать. При циркулярном намагничивании участков корпусных изделий выпрямленный ток можно рассчитать по формуле.

где / — расстояние между электродами, м; Ь — ширина контролируемого участка, м;

Н — напряженность приложенного магнитного поля, А/м.

При намагничивании участков переменным током:

При циркулярном намагничивании изделий, имеющих в сечении круг, шестигранник, квадрат:

Рис. 5.4. Продольное намагничивание:

а — постоянным магнитом; б — электромагнитом; в — соленоидом; Ф — магнитный поток; I — намагничивающий ток

Рис. 5.5. Циркулярное намагничивание:

а — пропусканием тока; б — пропусканием тока по контролируемой части изделия; в — с помощью проводника тока, помещенного внутри изделия; Ф — магнитный поток; I — намагничивающий ток

где d— диаметр или приведенный диаметр сечения,.

здесь S — площадь сечения, м². Для пластин шириной Ъ

При продольном намагничивании изделий с помощью гибкого кабеля, навитого на изделие кольцевой формы с числом витков ю, намагничивающий ток.

При циркулярном намагничивании деталей сложной формы рассчитать напряженность поля на контролируемой поверхности можно лишь приблизительно, поэтому расчет рекомендуется подтверждать измерением напряженности магнитного поля.

Комбинированное намагничивание обеспечивается одновременным намагничиванием КО обычно переменными полями в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 5.6) с целью выявления дефектов разной ориентации. Намагничивающие магнитные поля не должны быть одинаковой частоты, так как в этом случае есть просто поле одного направления, представляющее векторную сумму полей.

Комбинированное намагничивание — это два предыдущих варианта, реализованные в одном. Для полей различных частот их взаимного влияния практически нет и каждое поле намагничивает КО только в одном направлении. В результате могут быть выявлены дефекты, ориентированные в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Дефекты промежуточных направлений будут также выявлены, но с меньшей чувствительностью. Поэтому с помощью комбинированного намагничивания выявляют дефекты, ориентированные произвольно, хотя оно и более сложно в реализации.

В зависимости от магнитных свойств материала, размеров и формы КО применяют два способа контроля: способ приложенного поля (СПП) и способ остаточной намагниченности (СОН).

Контроль СПП характеризуется образованием валика порошка над дефектом во время действия на КО внешнего намагничивающего поля. При контроле СПП начало обработки КО магнитной суспензией или порошком должно совпадать (или несколько опережать) с началом намагничивания. Намагничивающий ток выключается после полного стекания суспензии с детали.

Контроль СОН заключается в предварительном намагничивании КО и последующем нанесении на него магнитной суспензии или порошка. При этом оседание порошка в зоне дефекта происходит в отсутствие внешнего намагничивающего поля. Наибольшая чувствительность СОН имеет место, когда величина остаточной индукции в изделии соответствует предельному гистерезисному циклу. При индукции, соответствующей промежуточным гистерезисным циклам, чувствительность метода будет существенно ниже.

Контроль изделий из магнитомягких материалов, коэрцитивная сила которых Н_с> 10 А/м, проводится только СПП. Для контроля изделий, коэрцитивная сила материала которых Н_с < 10 А/м и остаточная индукция В_г > 0,5 Тл, применяют оба способа (СПП и СОН).

При соблюдении оптимальных условий контроля МПД имеет высокую чувствительность к трещинам. Она позволяет выявлять поверхностные дефекты шириной 0,001 и глубиной 0,01 мм. Можно также выявлять крупные внутренние дефекты, расположенные на глубине до 6 мм.

Рис. 5.6. Комбинированное намагничивание:

а — пропусканием через КО электрического тока и магнитного потока от электромагнита; б — пропусканием по изделию двух (или более) независимых токов во взаимно перпендикулярных направлениях; в — пропусканием тока по изделию и при помощи соленоида; КО — контролируемый объект;

Ф — магнитный поток; 1 — намагничивающий ток

Контроль МПД включает следующие операции: подготовку поверхности к контролю; намагничивание; нанесение магнитной суспензии; снятие дефектограммы; разбраковку; размагничивание.

Поверхность сварного соединения на расстоянии не менее 20 мм от линии сплавления с основным металлом очищают от пыли, грязи, масла, окалины и других загрязнений, мешающих проведению контроля. Не допускаются резкие перепады поверхности КО, наплывы, натеки, незаполненные кратеры и другие макродефекты. Видимые дефекты должны быть устранены до проведения контроля. Шероховатость контролируемой поверхности (R_?) должна быть не выше 6,3 мкм. На КО с темной поверхностью и большой шероховатостью целесообразно наносить грунтующее покрытие: быстросохнущие лаки и краски, алюминиевую пудру (со связующими добавками) или растворы на основе жидкого стекла (кистью в один-два слоя или распылением). Цвет покрытия должен быть контрастен цвету порошка, тогда не будет затруднен осмотр деталей с целью определения мест скопления порошка. Толщина покрытия не должна превышать 30 мкм. Контролируемую поверхность перед контролем обезжиривают водными моющими растворами, если контроль проводят с применением водной магнитной суспензии, и просушивают, если контроль проводят сухим способом. Обычно применяют моющий раствор следующего состава: 4-—5 г поверхностно-активного вещества-эмульгатора и 95—96 г воды.

Контроль деталей и сварных соединений теплоэнергетического оборудования проводят только в приложенном поле путем намагничивания локальных участков изделий с помощью электродов (циркулярное намагничивание) и портативного электромагнита (продольное намагничивание). При контроле необходимо тщательно выдерживать оптимальные режимы намагничивания.

Наносить магнитный порошок на поверхность КО можно двумя способами: сухим и мокрым.

При сухом способе для обнаружения дефектов используют сухой магнитный порошок. Этот способ рекомендуется для контроля деталей с шероховатой поверхностью и для обнаружения подповерхностных дефектов. Высокодисперсный сухой порошок (с частицами 0,1—10 мкм) наносят на контролируемую поверхность в виде воздушной смеси, получаемой распылением порошка с помощью портативных устройств — распылителей. При этом следует создавать такие условия, при которых частицы медленно и равномерно распределяются по поверхности, не ударяясь о нее.

При мокром способе применяют магнитную суспензию (взвесь магнитного порошка в дисперсионной среде). К дисперсионной среде предъявляют следующие требования: она должна иметь хорошую смачивающую способность, не вызывать коррозии контролируемого материала и иметь кинематическую вязкость не выше ЗТО~⁷ м²/с при температуре контроля.

Магнитные порошки должны обладать определенными магнитными свойствами. Чем выше магнитная проницаемость частиц, тем легче обнаруживать небольшие дефекты. Частицы меньше некоторого определенного размера не осаждаются в применяемой дисперсионной среде. Такой размер частиц является предельным для данной среды и составляет, как правило, 0,1 мкм. Для МПД обычно используют черный магнитный порошок Fej0₄.

Чтобы можно было сопоставлять возможности контроля при различных режимах намагничивания, используют три уровня чувствительности (табл. 5.1) — три порога чувствительности, соответствующих уверенному выявлению искусственного дефекта в виде паза заданных размеров. Модель дефекта в виде такого паза удобна тем, что его параметры точно известны и он сравнительно легко выявляется на любом КО.

Таблица 5.1

Такой выбор уровней чувствительности позволяет количественно сопоставлять между собой различные уровни контроля, главным образом условия намагничивания. Уровень Б — основной уровень, а уровень, А — для особо ответственных деталей. Уровень В применяется на стадии предварительного контроля или в тех случаях, когда свойства материала КО не позволяют снизить порог чувствительности, т. е. перейти к уровням Б и А. При выбранных условиях чувствительности могуг быть также выявлены дефекты вдвое меньшей ширины, но обязательно при вдвое большей глубине.

Разработаны номограммы для выбора режимов намагничивания для разных уровней чувствительности (рис. 5.7). Напряженность магнитного поля при контроле в приложенном поле выбирают так, чтобы магнитное состояние материала соответствовало предельной петле гистерезиса. Существуют номограммы и формулы для определения необходимой напряженности Я_]р приложенного магнитного поля. По номограмме, представленной на рис. 5.8, напряженность поля определяется сразу для требуемого уровня чувствительности. Например, для уровня А, зная В_г и Н для данного материала, определяют область, где он находится, и используют соответствующую формулу для определения Н . Для уровней Б и В существуют свои номограммы и формулы для расчета требуемой величины Я_пр.

Основные средства, используемые при МПД, — намагничивающие устройства и индикаторные материалы. Контроль осуществляется с помощью универсальных или специализированных дефектоскопов, позволяющих получать необходимые магнитные поля в КО и создавать оптимальные условия контроля. В зависимости от условий контроля и характера КО используют стационарные (в цеховых или лабораторных условиях), передвижные или переносные (в полевых условиях, при контроле крупногабаритных деталей) дефектоскопы.

Рис. 5.7. Номограмма для определения чувствительности контроля по остаточной намагниченности (В_г).

Рис. 5.8. Номограмма для определения требуемой напряженности магнитного поля для уровня чувствительности А.

В комплект дефектоскопа входят устройства для позиционирования, намагничивания и обработки деталей индикаторными составами (суспензией или сухим порошком), а также осветительные устройства (видимого или ультрафиолетового света) и устройства для измерения величины намагничивающих токов или магнитных полей.

На стационарных дефектоскопах можно проводить намагничивание всеми известными способами, включая контроль в приложенном магнитном поле и способ остаточной намагниченности. Наиболее распространены стационарные дефектоскопы УМДЭ-10 000, УМДЭ-2500,.

МД-10П, МДС-5, МДС-1,5. Передвижные и переносные дефектоскопы должны обеспечивать возможность контроля изделий при намагничивании в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Чаще всего применяются передвижные дефектоскопы МД-50П, ДМП-ЗМ, ДМП-2, а также переносные дефектоскопы ПМД-70 и 77ПМД-ЗМ.