Прибор может быть укомплектован датчиками с диаметром проходного отверстия от 10 до 200 мм, работающими в двух диапазонах частот: один – от 2 Гц до 1 кГц, другой – от 1 до 130 кГц. Имеются также и накладные датчики. Предусмотрена возможность подключения сервисных устройств, например матричного печатающего устройства, кассетного магнитофона, как для записи результатов, так и для ввода программ калибровки и установки режимов контроля.
Основной для этого структуроскопа — проходной ВТП, возбуждаемый синусоидальным током. Если контроль проводится в слабых полях, когда нелинейность магнитных характеристик не сказывается, то это, по существу, обычный вихретоковый прибор с проходным преобразователем. Специфика магнитного контроля начинается только в сильных возбуждающих полях, когда происходит насыщение материала. Основной режим контроля структуроскопом «Magnatest S» – режим сильных полей, причем информативны искажения кривой напряжения ВТП или ее гармонические составляющие, зависящие от формы кривой гистерезисного цикла.
Более совершенны приборы, в которых используется совокупность нескольких гармоник сигнала. К ним относятся приборы типа «Magnates I» фирмы «F. Forster» (ФРГ), в которых контроль осуществляется как по основной, так и по высшим гармоникам. Приборы предназначены для НК заготовок и деталей массового производства (прутки, проволока, трубы, гайки, болты и т. д.) из ферромагнитных, неферромагнитных и аустенитных сталей. Так же как и в других приборах, возможен контроль твердости, качества термообработки, химического состава, но только при известной связи этих параметров с магнитными.
Особое место в магнитном контроле занимает метод высших гармоник постольку; поскольку сигнал здесь формируется так же, как в вихретоковом методе, а в качестве информативных используются чисто магнитные величины – параметры петли гистерезиса. Именно это и позволяет отнести этот метод к магнитным. Все приборы, работа которых основана на методе высших гармоник, относятся к структуроскопам, предназначенным для контроля качества термообработки ферромагнитных изделий.
Для контроля содержания ферритной фазы в сварных швах служит прибор МФ-10Ф. Принцип действия основан на измерении магнитной проницаемости ферромагнитного образца. Калибровка прибора производится по образцам.
Градуировочные характеристики ферритометра показаны на рис. ЗЛИ, а. Из-за трудности подготовки образцов с заданным содержанием феррита калибровку приборов перед проведением измерений осуществляют с помощью образцов из магнитомягкого материала, сверху покрытых неферромагнитными прокладками, например пластмассовыми пленками различной толщины (рис. ЗЛ14, б). Изменение толщины пленки имитирует изменение содержания ферритной фазы Fe. Достоинство такой калибровки состоит в том, что здесь учитываются изменения характеристик преобразователя, в частности износ стержневого сердечника.
Магнитное сопротивление при полосчатом образовании феррита меньше, чем при сферическом, из-за меньшего значения размагничивающего фактора. В результате выходной сигнал преобразователя зависит не только от количества ферритных включений, но и от их геометрии, поэтому рекомендуется проводить калибровку на том материале, который предполагается контролировать. Основное мешающее влияние в ферритометрии оказывают изменения зазора и геометрия поверхности (край и кривизна). Из рис. 3.112, на котором показано изменение сигнала в зависимости от зазора 5, видно, что влияние изменений зазора в случае однополюсного зонда больше, поскольку однополюсный зонд работает в открытой магнитной цепи, а двухполюсный – в замкнутой. Кроме того, на эту зависимость влияет содержание феррита. При содержании феррита 63% уменьшение сигнала с ростом зазора почти в два раза больше, чем при 26%-ном. По этой же причине в случае однополюсного зонда сильно влияние кривизны контролируемой поверхности и резко выражен краевой эффект (рис. 3.113).
Для определения содержания ферритной фазы непосредственно в готовых стальных изделиях применяются ферритометры. Этот контроль важен потому, что при слишком большом содержании ферритной фазы снижается пластичность сталей и при механических нагрузках появляются трещины.
Более универсален прибор «СКИФ-100», представляющий скорее установку для исследования режимов контроля методом магнитных шумов. В приборе предусмотрена возможность изменения в широких пределах частоты и амплитуды намагничивающего тока; блок обработки информации позволяет измерять текущие характеристики сигнала и действующее значение магнитного шума в любой точке кривой намагничивания. Прибор укомплектован накладным и проходным преобразователями.
Одной из первых установок промышленного применения для неразрушающего контроля методом магнитных шумов была ИБШ-2, разработанная М. Миховски в Болгарии. Установка предназначена для контроля структуры и степени пластической деформации тонких прутков. Разбраковка ведется по уровню магнитного шума.
Выходной сигнал снимается с двух идентичных, включенных встречно измерительных катушек 3 и 4. В результате в выходном сигнале отсутствует составляющая с частотой тока возбуждения Iв, но есть случайные составляющие, представляющие магнитный шум на различных участках ОК. Эти составляющие не компенсируются, и по их интенсивности судят о механических свойства ОК. Кроме интенсивности шумов возможно также использование статических характеристик скачков, таких, как распределение скачков по амплитуде либо по длительности.
На рис. 3.106 показана структурная схема установки для определения параметров магнитных шумов. Она включает соленоид 1, подключенный к источнику 2 синусоидального тока (частотой от долей до сотен герц) через фильтр 3, предназначенный для подавления высокочастотных составляющих. Ферромагнитный объект исследования 4 помещается в соленоид. Выходной сигнал снимается с измерительной обмотки 5, охватывающей объект, и его можно непосредственно наблюдать на экране осциллографа 6. Он показывает характер изменения индукции в образце либо после фильтра нижних частот 7, подавляющего шумы, либо после фильтра верхних частот 8, подавляющего основной сигнал и оставляющего на экране только шумы. На рис. 3.107, а показан сигнал Е измерительной обмотки; на рис 3.107, б – тот же сигнал на выходе фильтра нижних частот; па рис. 3.107, в – на выходе фильтра верхних частот. При необходимости определить спектр шумов вместо фильтра нижних частот используют набор узкополосных фильтров,
Метрологическая поверка приборов импульсно-локального типа проводится без образцов, для чего используется поверочное средство – мера МГП-2 градиента магнитного поля, которая позволяет в линейном приближении воспроизводить закономерности изменения остаточного поля над поверхностью О К, т. е„ создавать регулируемый градиент магнитного поля.
Важным преимуществом импульсного преобразователя является существенно более слабая зависимость сигнала от размера зазора. При увеличении амплитуды намагничивающих импульсов значения в точках А и В резко возрастают, достигают насыщения и не зависят от изменений зазора в широких пределах. При изменении зазора от 0 до 2 мм погрешность не превышает 2% на каждые 0,1 мм
Коэрцитиметр «Koerzimat 1.095», разработанный в Институте Фёрстера (ФРГ), укомплектован соленоидом и приставным электромагнитом, имеет диапазон измерения от 0 до 100 кА/м.
Устройство коэрцитиметра, работающего по методу сдергивания, наиболее просто. Такой коэрцитиметр целесообразно использовать только как простейшее устройство для предварительной оценки коэрцитивной силы. Из рис. 3.101 видно, что если катушка 3 перемещается в отсутствие объекта контроля 1 в однородном поле, создаваемом катушкой 2, то эдс в ней не наводится и индикатор 4 дает нулевые показания. Присутствие намагниченного объекта 1 приводит к появлению эдс в катушке 3 при сдергивании последней с объекта до тех пор, пока он не будет размагничен встречным полем катушки 2. По напряженности этого поля судят о коэрцитивной силе ОК.
На рис. 3.99 показано устройство коэрцитиметра с активным индукционным преобразователем, иногда называемым измерительным генератором. Объект контроля 1 намагничивают с помощью катушки 2 (или помещают в катушку уже намагниченным.) Катушка активного индукционного преобразователя 3 приводится во вращение двигателем 4, и возникающая в ней эдс измеряется индикатором 5. Оси катушки 2 и 3 взаимно перпендикулярны, поэтому магнитное поле, создаваемое катушкой I, не приводит к возникновению в катушке 3 эдс, которая определяется только полем, создаваемым объектом контроля. Для измерения коэрцитивной силы ОК. по катушке I пропускают ток, создающий размагничивающее поле для ОК. При напряженности этого поля, достигающей значения Hс, ОК полностью размагничивается. В результате магнитный поток, ортогональный оси катушки 7, исчезает и эдс в катушке становится равной нулю. По силе тока в катушке 1 судят о коэрцитивной силе ОК. Такой коэрцитиметр имеет высокую чувствительность и используется при отработке режимов контроля.
В коэрцитиметрических установках с измерительным генератором, а также в феррозондовых, вибрационных и работающих по методу одергивания коэрцитиметрах размагничивающее поле создается с помощью катушки, внутри которой помещен ОК. Эти установки могут быть использованы при лабораторных испытаниях.
Рассмотренный процесс контроля реализован в коэрцитиметре типа КИФМ-1. Этот прибор в течение ряда лет выпускался серийно и нашел широкое распространение в промышленности.
Широкое распространение в настоящее время получили коэрцитиметры с приставным электромагнитом, наиболее удобные для применения в производственных условиях. Схема преобразователя такого коэрцитиметра показана на рис. 3.98. П – образный электромагнит, на боковых стержнях которого размещена возбуждающая обмотка, предназначен для создания намагничивающего и размагничивающего полей. Феррозонд, включенный по схеме полемера, является перемычкой этого электромагнита. При пропускании постоянного тока по обмотке возбуждения намагничивается участок ОК. После выключения тока в обмотке в магнитной цепи электромагнита существует остаточный магнитный поток, создающий сигнал на выходе феррозонда. При пропускании по обмотке возбуждения тока противоположного направления начинается процесс размагничивания. Размагничивающий ток увеличивают до тех пор, пока магнитный поток в цепи не станет равным нулю, чему соответствует отсутствие выходного сигнала феррозонда. Чем больше значение Нс материала, тем большим должен быть размагничивающий ток. Таким образом, действие коэрцитиметра"основано на использовании корреляции между размагничивающим током, пропорциональным коэрцитивной силе, и определенными механическими свойствами ОК.
Последний метод настолько близко соприкасается с вихретоковым, что представляется затруднительным отнести его к одному из этих двух видов ПК. Мы относим его к магнитному контролю, поскольку он основан на. использовании нелинейности кривой намагничивания, и именно степень нелинейности определяет его информативность.
При магнитном контроле физико-механических свойств объектов используется связь между физико-механическими и магнитными параметрами. Эта связь, часто не только неоднозначная, но и нестабильная, носит корреляционный характер и возникает тогда, когда одни и те же физические и химические процессы образования структуры и фазового состава ферромагнитных сталей формируют также и их магнитные свойства. Сложный характер одновременного влияния различных факторов на магнитные и физико-механические свойства ферромагнитных материалов часто не позволяет определить влияние каждого фактора в отдельности. Поэтому в магнитной структуроскопии оценивают изменение магнитных параметров и по ним определяют соответствующие этим изменениям различные физико-химические или физико-механические свойства ОК. При магнитном контроле механических характеристик и структуры ферромагнитных материалов используют относительные измерения, т. е. не измеряют какой-либо магнитный или механический параметр, а только фиксируют, соответствуют ли параметры ОК заданным или отклоняются от них. Чтобы оценить, насколько при этом механические параметры детали отличаются от номинальных, нужны дополнительные сопоставления с параметрами специально подобранных образцов.
Результаты измерений обрабатываются статистически: определяются среднее значение, минимальное и максимальное значения, среднее квадратическое отклонение, гистограмма и коэффициент вариации серии из 999 измерений. Отпечатанный протокол измерений содержит данные о калибровке, количестве измерений, результатах систематической обработки, включающих графическую часть (гистограмму, график кумулятивной функции).
Множество, различных сочетаний материалов основания и покрытия затрудняет возможность серийного изготовления стандартных образцов и повышает их стоимость, которая может достигать 10…20% стоимости прибора. Поэтому актуальной задачей в настоящее время можно считать создание средств измерения толщины покрытий, которыми можно пользоваться без контрольных образцов. В последние годы появились приборы, используемые для контроля объектов с более широким сочетанием материалов покрытия и основания и обладающие улучшенными потребительскими свойствами. Например, прибором «Fischerscope Magna 460» можно измерять толщину покрытий из широкого спектра материалов, таких, как хром, свинец, медь, кадмий, цинк, краска, пластмассы, эмаль, резина на железе и стали. Расширение возможности приборов достигается при комбинации магнитного и вихретокового методов измерения, как, например, в приборе «Fischercope multi 650/750».
Как уже отмечалось, действие всех рассмотренных магнитных толщиномеров основано на измерении сопротивления неоднородной магнитной цепи. Главные мешающие факторы здесь – колебания магнитных свойств ферромагнитного основания ОК, состояние и форма его поверхности. В значительной мере влияние этих факторов определяется топографией магнитного поля, а следовательно, размерами и формой магнитопровода первичного преобразователя. Калибровка толщиномеров осуществляется с помощью стандартных контрольных образцов с различными сочетаниями материалов покрытия и основания.
Как было отмечено в начале параграфа, кроме рассмотренных существуют толщиномеры для измерения толщины слоев объектов из ферромагнитных материалов. Эти толщиномеры распространены значительно меньше из-за сложности получения высокой точности, особенно при измерении больших толщин.
В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускается толщиномер МТ-41НЦ. В НПО «Спектр» разработан более совершенный портативный толщиномер МТ-50НЦ, предназначенный для измерения толщины неферромагнитных покрытий (лаков, красок, гальванических покрытий из цветных металлов и т. д.), нанесенных на основание из ферромагнитных сталей. Диапазон измеряемых толщин 5… 2000 мкм, основная погрешность 0,3… 0,5 мкм. Толщиномер имеет встроенный имитатор, позволяющий осуществлять подготовку к работе без использования мер толщины
Частота возбуждающего тока в магнитных толщиномерах обычно низкая, поэтому, хотя конструктивно магнитный преобразователь весьма похож па вихретоковый, действие его основано только на изменении сопротивления магнитной цепи. Влияние вихревых токов в приборах такого типа несущественно, и электропроводимость материала практически не влияет на показания. Поэтому для измерения пригодна одна и та же шкала для всех неферромагнитных покрытий.
При установке преобразователя на поверхность ОК нарушается симметрия магнитного поля, созданного возбуждающей катушкой. С уменьшением толщины покрытия t асимметрия магнитного поля возрастает и соответственно возрастает выходное напряжение преобразователя, несущее информацию о толщине покрытия.
При контроле деталей с криволинейной поверхностью удобнее использовать однополюсные преобразователи со стержневыми магнитами (рис. 3.93, в). Для устранения влияния наклона преобразователя контактная поверхность выполняется в виде полусферы. Для повышения чувствительности магнитостатических толщиномеров осуществляют компенсацию начального уровня сигнала, размещая магниточувствительные элементы в магнитной нейтрали либо устанавливая два дифференциально включенных преобразователя.
Рабочий магнитный поток Ф, создаваемый катушкой или постоянным; магнитом, замыкается по магнитопроводу или по воздуху (в случае в), объекту контроля с неферромагнитным покрытием, толщина которого А измеряется. По величине магнитного потока судят о толщине неферромагиитного покрытия, а магнитный поток определяют измеряя магнитную индукцию с помощью первичного преобразователя, в качестве которого используется датчик Холла, феррозонд, рамка с током и др.
Состояние поверхности (шероховатость) в значительной мере влияет на погрешность измерения толщины покрытия, поскольку постоянный магнит устанавливается на поверхность с некоторым зазором, определяемым шероховатостью. Поэтому значения приведенных в таблице погрешностей относятся к ОК с обработкой, определяемой шероховатостью поверхности не более Rz=20. В других случаях погрешности нужно пересчитывать.
По принципу действия магнитные толщиномеры можно разделить на три группы: магнитоотрывные (пондеромоторного действия), магнитостатические и индукционные»
