Циркулярное намагничивание при магнитопорошковой дефектоскопии

Циркулярное намагничивание — один из базовых методов МПД для выявления продольных дефектов на ферромагнитных деталях. Метод реализуется пропусканием тока по объекту, по его части или по центральному проводнику, проходящему через отверстие детали. 

Что такое циркулярное намагничивание

Циркулярное намагничивание — это вид намагничивания, при котором магнитное поле образует замкнутые окружные линии вокруг направления тока. В формулировке ГОСТ Р 56512-2015 магнитный поток при этом проходит по всему пути внутри материала объекта контроля. Такой режим создают пропусканием тока через весь объект, через его часть или через центральный проводник, размещенный внутри отверстия детали.

Способ циркулярного намагничивания деталей выбирают, когда требуется создать окружное поле и выявить преимущественно продольно ориентированные дефекты.

Если нужно создать магнитное поле вокруг оси детали или вокруг направления тока, обычно используется именно циркулярное намагничивание. Поэтому метод особенно удобен для полых валов, втулок, колец и других деталей вращения, а также для объектов со сквозным отверстием.

Какие дефекты лучше всего выявляет циркулярное намагничивание

При циркулярном намагничивании преимущественно обнаруживаются дефекты продольной ориентации (ГОСТ Р 56512-2015), то есть направленные вдоль тока, а также радиально направленные дефекты на торцевых поверхностях. Поперечные дефекты при такой схеме могут выявляться хуже или не выявляться вовсе, поэтому для полного контроля одной детали нередко требуется второй цикл намагничивания в другом направлении.

Типовые обнаруживаемые дефекты (ГОСТ Р ИСО 9934-1-2011): трещины, волосовины, флокены, закаты, надрывы и другие несплошности. Метод ориентирован прежде всего на поверхностные дефекты и часть дефектов, расположенных в непосредственной близости к поверхности. При этом чувствительность к дефектам быстро снижается с увеличением глубины их залегания.

Почему направление поля так важно

Ключевой принцип МПД состоит в том, что дефект лучше всего выявляется, когда магнитное поле пересекает его примерно под прямым углом. ISO 9934-1 указывает, что при необходимости поверхность намагничивают в двух направлениях, ориентированных примерно под 90°, чтобы закрыть разные ориентации дефектов.

Для циркулярного намагничивания это особенно важно: если ожидаемая трещина идет вдоль оси цилиндрической детали, метод обычно работает хорошо. Если же дефект ориентирован поперек оси, циркулярная схема уже не является оптимальной, и нужен второй метод — чаще всего продольное или полюсное намагничивание.

Где применяется циркулярное намагничивание

Циркулярное намагничивание применяют в производстве, ремонте и эксплуатации для контроля объектов из ферромагнитных материалов. ГОСТ Р 56512-2015 распространяется на полуфабрикаты, детали, узлы и элементы конструкций из материалов с относительной магнитной проницаемостью не менее 40. На практике циркулярная схема особенно полезна для валов, осей, шпилек, втулок, колец, полых деталей, шлицевых и кольцевых элементов, а также для ряда обработанных деталей с продольными зонами риска.

Для деталей со сквозным отверстием стандарт прямо допускает циркулярное намагничивание с использованием центрального проводника. При такой схеме проводник должен располагаться по оси отверстия, что особенно важно для воспроизводимости поля при контроле полых втулок, колец и аналогичных деталей. 

Какое оборудование используют для циркулярного намагничивания

Генераторы тока

Базой циркулярного намагничивания обычно является генератор тока для подключения и питания электроконтактов, центрального проводника и катушки. ГОСТ Р 53700-2009 устанавливает следующие требования к таким источникам: поставщик должен указывать напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, номинальный ток, рабочий цикл и форму кривой тока. Номинальный ток определяется как максимальный ток при длительности подачи 5 секунд, если иное не установлено документацией. 

Электроконтакты и токоподвод

Если ток пропускают через весь объект или через его часть, применяют электроконтакты и соответствующую оснастку. ГОСТ Р 53700-2009 нормирует и этот класс оборудования: поставщик должен указывать материал наконечников, тип кабелей, допустимый ток и другие параметры. Для электроконтактов стандарт задает, в частности, максимальную температуру поверхности рукояток не более 40 °С при нормируемом режиме работы.

Центральный проводник

Для полых деталей, втулок, колец и объектов со сквозным отверстием одним из самых рациональных решений является центральный проводник. ГОСТ Р 56512-2015 прямо предусматривает эту схему при циркулярном намагничивании и рекомендует размещать проводник по оси отверстия. В ISO 9934-1 такая схема также описывается как типовой способ получения окружного поля без прямого тока через сам материал в контролируемой зоне.

Для реализации этого способа может применяться оборудование для циркулярного намагничивания.

Стационарные установки

Если предприятие контролирует однотипные детали серийно, циркулярное намагничивание часто реализуют в составе стационарных магнитопорошковых установок. ГОСТ Р 56512-2015 в п. 6.1 прямо предусматривает применение универсальных и специализированных стационарных дефектоскопов, в том числе автоматизированных, для однотипных объектов. Это особенно актуально для полых валов, втулок, полумуфт, колец и других деталей вращения.

Как выбирать режим поля 

При магнитопорошковом контроле применяют импульсный, постоянный, переменный, выпрямленный одно-и двухполупериодный ток. При переменном и импульсном токе намагничивается в основном поверхностный слой объекта, а при постоянном и выпрямленном токе — поверхностный и подповерхностный слои, что позволяет выявлять дефекты на глубине до 2 мм, иногда до 8 мм.

Если необходимо определять поверхностные продольные трещины, часто достаточно переменного режима. Если есть риск приповерхностных дефектов, разумно рассматривать выпрямленное или постоянное поле. При этом стандарт задает расчетный диапазон напряженности приложенного поля через коэрцитивную силу материала: 

Hmin = 15 + 1,1·Hc, Hmax = 40 + 1,5·Hc, где:

• Hmin — минимальное значение намагничивающего поля;
• Hmax  — максимальное значение намагничивающего поля;
• Hc — коэрцитивная сила материала.

Выбор и расчёт тока циркулярного намагничивания

Для циркулярного намагничивания пропусканием тока по всей поверхности или по всему объему материала объекта требуется определять ток исходя из требуемой тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля на контролируемой поверхности и из формы и размеров поперечного сечения. Для контроля способом остаточной намагниченности ток рассчитывают по максимальному диаметру объекта или по максимально удаленным от оси зонам. 

Для объекта круглого сечения расчет производится по формуле (ГОСТ Р 56512-2015):

I=3хHхD, где:

I — намагничивающий ток, А;

H — заданная напряженность магнитного поля, А/см;

D — диаметр объекта, см.

В этой формуле ток зависит от двух вещей.

Первая — это диаметр детали. Если диаметр увеличился, например, в 2 раза, то требуемый ток тоже увеличивается в 2 раза. Поэтому для массивных валов, поковок ток быстро растет даже при одном и том же требуемом поле.

Вторая — это требуемая напряженность поля H:

• При контроле способом остаточной намагниченности режим намагничивания выбирают так, чтобы напряженность поля была близка к техническому магнитному насыщению материала, но в обоснованных случаях допускается меньшая напряженность. 
• При контроле способом приложенного поля нужное значение выбирают по рекомендациям приложения И  (ГОСТ Р 56512-2015) с учетом коэрцитивной силы материала и условий контроля. Если разные зоны объекта резко отличаются по сечению, стандарт требует вести контроль в несколько приемов и подбирать ток по размеру именно той зоны, которая в данный момент контролируется.

Эта формула относится именно к случаю, когда ток пропускают через весь объект круглого сечения. Если сечение в зоне контроля уже не круг, разрешается за диаметр принимать наибольший размер поперечного сечения. Для сложной формы сечения допускается использовать эквивалентный диаметр. Но для круглых деталей — валов, осей, шпилек, цилиндрических штоков — формула I=3HD применяется напрямую.

Порядок расчета тока намагничивания

На практике расчет выполняют в такой последовательности.

1. Сначала определяют зону контроля и берут диаметр именно в этой зоне. Если деталь ступенчатая, рассчитывать ток надо по тому месту, которое фактически контролируется. Для контроля способом остаточной намагниченности рекомендуется ориентироваться на максимальный диаметр или наиболее удаленные от оси зоны.
2. Дальше выбирают требуемую напряженность H. Если контроль ведут способом остаточной намагниченности, поле берут близким к техническому насыщению материала. Если контроль ведут способом приложенного поля, значение выбирают по приложению И (ГОСТ Р 56512-2015) и при необходимости уточняют применительно к конкретному объекту.
3. Считают ток по формуле I=3хHхD. Полученное значение — это требуемое амплитудное значение тока, потому что сам материал объекта намагничивается именно максимальным значением тока. Это важный момент, который в работе часто упускают.

Почему на установке может получаться другое число

Системы измерения тока в некоторых дефектоскопах могут показывать не амплитуду, а среднеквадратичное или среднее значение. Поэтому рассчитанный по формуле ток надо пересчитать под тип амперметра и под вид намагничивающего тока. 

Например, если амперметр показывает действующее значение синусоидального переменного тока, коэффициент равен 0,707; для выпрямленного однополупериодного — 0,500, для выпрямленного двухполупериодного — 0,707, для трехфазного полупериодного — 0,840. Если амперметр показывает среднее значение, коэффициенты другие: 0,318, 0,637, 0,826, 0,955 для соответствующих видов выпрямленного тока.

Примеры расчета тока при циркулярном намагничивании

Пример 1. Вал диаметром 30 мм

Есть цилиндрический вал диаметром 30 мм, то есть 3,0 см. Контроль ведут циркулярным намагничиванием пропусканием тока через весь объект. Принята требуемая напряженность поля H = 20 А/см.

Тогда: I=3×20×3=180 А

Расчетный амплитудный ток — 180 А. Если это синусоидальный ток и амперметр на установке показывает действующее значение, то на шкале должно быть:

I =0,707×180≈127 А

Такой режим подходит, если задача — выявлять прежде всего поверхностные продольные дефекты на цилиндрической детали.

Пример 2. Ось диаметром 60 мм

Ось диаметром 60 мм, или 6,0 см. Требуемая напряженность поля выбрана H = 30 А/см.

I=3×30×6=540 А

Расчетный амплитудный ток — 540 А. Если используется выпрямленный двухполупериодный ток и амперметр показывает действующее значение, то на приборе должно быть:

I =0,707×540≈382 А

Если же амперметр градуирован по среднему значению того же выпрямленного двухполупериодного тока, прибор должен показывать:

I=0,637×540≈344 А

Пример 3. Крупный шток диаметром 120 мм

Есть шток диаметром 120 мм, то есть 12 см. Требуемая напряженность поля принята H = 25 А/см.

I=3×25×12=900 А

Расчетный амплитудный ток — 900 А. Для синусоидального переменного тока при амперметре действующего значения установка должна показывать примерно:

I=0,707×900≈636 А

Если же на этой детали требуется уверенное выявление не только поверхностных, но и подповерхностных дефектов, обычно переходят на постоянный или выпрямленный ток.

Пример 4. Ступенчатый вал

Есть ступенчатая деталь с диаметрами 40 мм и 90 мм. Если контроль ведется способом остаточной намагниченности по всей детали как по одному объекту, расчет следует выполнять по максимальному диаметру, то есть по 9 см:

I=3×H×9

Например, при H = 20 А/см получится: I=3×20×9=540 А.

Но если контроль ведется способом приложенного поля и нужно отдельно проконтролировать участки, резко отличающиеся по сечению, рекомендуется делать это в два или более приемов, подбирая ток под размер каждой зоны. Тогда для участка Ø40 мм имеем: I=3×20×4=240 А

Для участка Ø90 мм: I=3×20×9=540 А

Что необходимо учитывать при расчете тока намагничивания

Допускается экспериментальная проверка выбранного тока. Это можно делать по выявлению естественных или искусственных дефектов на контрольных образцах, выполненных как реальные объекты, либо по непосредственному измерению тангенциальной составляющей магнитного поля на поверхности. При этом датчики измерителей поля должны располагаться непосредственно на поверхности объекта. Отдельно запрещается использовать сторонние пластины, стержни и диски, отличающиеся от объекта контроля, для определения режимов намагничивания.

Необходимо еще учитывать два требования:

• погрешность измерения тока или поля должна быть не более ±10%;
• в процессе контроля ток должен поддерживаться в пределах ±10% от назначенного значения.

Что важно для реального применения на участке

Перед началом контроля требуется проверять работоспособность дефектоскопа и качество магнитного индикатора с помощью контрольных образцов. Дефектоскоп и индикатор считают пригодными, если на образце выявлены дефекты и индикаторный рисунок соответствует дефектограмме. 

Если после контроля остаточная намагниченность может влиять на дальнейшие операции или работу изделия, объект должен быть размагничен. ГОСТ Р 56512-2015 устанавливает, что после размагничивания уровень остаточной намагниченности по умолчанию не должен превышать 5 А/см.

Циркулярное намагничивание целесообразно применять, если:

• нужно выявлять продольные трещины;
• деталь имеет цилиндрическую или кольцевую форму;
• объект полый и удобен для схемы с центральным проводником;
• требуется токовая схема с окружным полем;
• объект серийный и удобно контролируется на стационарной установке.

Одного циркулярного намагничивания недостаточно, если:

• ожидаемые дефекты ориентированы поперек оси детали;
• заранее неизвестно направление дефектов;
• объект имеет несколько критических зон с разной ориентацией дефектов;
• требуется надежно перекрыть и продольные, и поперечные трещины.

В этих случаях стандартная практика — дополнить циркулярную схему продольным (полюсным) намагничиванием или использовать контроль в двух направлениях.
Метод используется, в частности, для задачи контроля крепежа.

Часто задаваемые вопросы

Нужно подобрать оборудование для циркулярного намагничивания под вашу деталь?

Поможем определить, когда достаточно контактной схемы, когда нужен центральный проводник, а когда циркулярное намагничивание нужно дополнить другим методом.