Возбуждение и распределение вихревых токов в проверяемой детали

Рассмотрим, как возбуждаются ВТ в немагнитном материале накладным цилиндрическим датчиком без сердечника (рис. 5.2).

Проходящий по обмотке датчика переменный ток / образует в пространстве вокруг него переменное магнитное поле, значение потока которого равно Ф0. Для краткости поле у датчика будем изображать одной стрелкой (рис. 5.2,б, в). Если в это поле по­местить металлическое кольцо (рис. 5.2, а), в нем в соответствии с законом электромагнитной индукции будет наведена ЭДС и пой­дет переменный ток гк. То же наблюдается, если поместить в поле датчика часть металлической детали: непосредственно под ним внутри детали во множестве замкнутых контуров, соосных с дат­чиком, возбудятся ЭДС и пойдут токи гв (рис. 5.2,6). Токи, воз-

буждаемые в металлических телах переменным во времени маг­нитным полем, называют вихревым и. Траектории ВТ, наве­денных полем цилиндрического датчика, если в этом месте детали нет несплошностей, представляют собой замкнутые окружности. Если же в детали под датчиком окажется трещина, то ВТ будут обтекать ее с обеих сторон. Траектории ВТ и в этом случае остаются замкнутыми, Большая трещина разделит контуры ВТ на две части (рис. 5,2, е).

При смещении датчика на другой участок детали ВТ на преж­нем месте исчезают, появляясь под датчиком на новом месте. Ме­тод ВТ является методом локального контроля, поэтому датчик необходимо помещать в каждую точку проверяемой зоны детали.

Вихревые токи возбуждаются независимо от того, прижат ли датчик к поверхности детали или между ними есть воздушный за­зор, смазка, слой защитного покрытия.

Распределение ВТ в детали неравномерное как по поверхно­сти, так и по глубине. Картина распределения ВТ показана на рис. 5.3, а, где точками изображены следы траекторий ВТ на се­кущей плоскости, проходящей через ось датчика.

Зависимость относительной плотности ВТ ЫЬот от относитель­ного расстояния до оси датчика 2rjDc приведена на рис. 5.3, б, где oom — максимальная плотность ВТ, А/м2; /’ — координата точки на­блюдения, м; Dc — средний диаметр датчика, м.

Контур, в котором протекают ВТ максимальной плотности, на­зывают эквивалентным контуром ВТ. Диаметр этого контура равен приблизительно среднему диаметру плоского дат­чика, прижатого к детали. Значение максимума S0m тем больше, чем выше удельная электропроводность детали или частота воз­буждения. При отводе датчика от детали значение плотности В в каждой точке уменьшается, а диаметр эквивалентного контура ВТ растет. Плотность ВТ равна нулю при 2/*/Z)c = 0, а также на неко­тором удалении от датчика. Если дефект расположен за кругом, в пределах которого существуют ВТ, он не будет обнаружен.

Особенностью протекания ВТ, влияющей на области их при­менения в дефектоскопии, является поверхностный эффект, кото­рый заключается в стремлении ВТ концентрироваться в поверх­ностных слоях детали, расположенных ближе всего к датчику. ВТ (и возбуждающее их поле) по мере углубления в деталь ослабе­вают приблизительно по закону

где и S0 — значення плотности ВТ соответственно на глубине у и на поверхности, А/м2;

__ У — глубина, м;

#=]/ тс/Ьр — коэффициент ослабления, 1/м;

е — основание натуральных логарифмов;

/ — частота, 1/с;

а —удельная электропроводность проверяемого мате­риала, См/м;

р—магнитная проницаемость проверяемого материала, Гн/м; в случае контроля немагнитного материала Іі=р0=1,26*10-6 Гн/м.

Поверхностный эффект проявляется тем сильнее, чем выше частота f, больше электропроводность а и магнитная проницае­мость р материала детали.

На рис. 5.3, в приведены графики, характеризующие ослабле­ние ВТ: І ~— в жаропрочном материале (а = 0,65*10а См/м), 2 —в магниевом сплаве (а = 9,8-106 См/м), 5 —в алюминиевом сплаве (а = 25-106 См/м) при частоте 1,5 МГц, на которой работает де­фектоскоп ВДЦ-1М.

Для количественной оценки ослабления ВТ в различных ме­таллах и при различной частоте введено понятие условная глубина проникновения ВТ, обозначенная у0. Это — рас­стояние от поверхности, на котором плотность ВТ в е раз меньше, чем на поверхности, что соответствует уменьшению ее до 0,37 So. Глубина проникновения есть величина, обратная коэф­фициенту ослабления к:

На частоте 1,5 МГц глубина проникновения ВТ в немагнит­ный материал равна: при ai = 0,65-108 См/м — 0,53 мм; при 02 = = 9,8-10° См/м—0,14 мм; при а3 = 25-106 См/м — 0,08 мм. Значе-

ни я у0 при контроле различных немагнитных материалов на часто­тах от 10 Гц до 100 МГц можно определить по графику на рис. 5.4.

Из формулы для коэффициента к видно, что множество соче­таний переменных о, /, р. могут привести к одному и тому же ос­лаблению ВТ, т. е. в различных физических условиях можно на­блюдать одинаковое распределение ВТ. Так, например, график 1 на рис. 5.3, в показывает, к§к распределены ВТ при /=1,5 МГц и oi = 0,65- 10б См/м. Однако в соответствии с этим же графиком ВТ

будут распределены так же н при /=100 кГц и 02 = 9,8-Ю6 См/м, и при /=40 кГц и ст;* = 25* 106 См/м и др.

Если глубина поверхностной и подповерхностной несплошно — сти близка к глубине проникновения у0 млн больше нее, то такая несплошность (рис. 5.5, а) надежно обнаруживается методом ВТ. Если глубина несплошности значительно меньше у0 (рис. 5.5,6), то она может быть не выявлена. Несплошность, расположенная глубже слоя, в котором протекают ВТ (рис. 5.5, в), не выяв­ляется.