Экспериментальные исследования Динамической модели дефекта сплошности при нормальном намагничивании ферромагнитного изделия намагничивающим устройством конечных размеров

Экспериментальные исследования Динамической модели дефекта сплошности при нормальном намагничивании ферромагнитного изделия намагничивающим устройством конечных размеров

,

МНПО «СПЕКТР», г. Москва, Россия

1.  Постановка задачи эксперимента

В настоящее время достаточно подробно исследовано магнитостатическое поле поверхностного дефекта в ферромагнитном полупространстве, имеющего конечную и бесконечную протяженность при нормальном намагничивании изделия, и получены аналитические выражения для составляющих магнитного поля дефектов, расположенных под углом к поверхности изделия, а также имеющих разные формы.

В частности, в предыдущей работе по этой теме [1-2] были получены аналитические выражения, описывающие магнитостатическое поле дефекта сплошности конечной протяженности при нормальном намагничивании ферромагнитного изделия для двух случаев:

·  случая бесконечно протяженного в плоскости намагничивания, нормального к поверхности изделия магнитного поля, при котором намагниченность боковых граней h x 2L дефекта сплошности равна нулю (Рис.1).

Рис.1 Случай намагничивающей системы бесконечных размеров. Поляризация боковых граней дефекта сплошности отсутствует

·  случая магнитного поля, нормального к поверхности изделия с дефектом сплошности, индуцируемого намагничивающей системой конечных размеров, которая учитывает как геометрические параметры намагничивающей системы, так и взаимное расположение дефекта сплошности и полюса намагничивающего устройства (Рис. 2).

Рис.2 Случай намагничивающей системы конечных размеров. Поляризация боковых граней при разных положениях стержневого магнита относительно дефекта сплошности.

В то время как первый рассмотренный случай представлял интерес исключительно с теоретической точки зрения - для облегчения формализации задачи описания поля дефекта сплошности с математической точки зрения, то случай, в котором намагничивающая система имеет конечные размеры, представлял особый интерес уже и с практической точки зрения, так как данный случай характерен для реальных динамических систем контроля изделий и материалов, в которых намагничивающие системы имеют конечные размеры полюсов. И, как следствие этого, силовые линии магнитного поля таких магнитных систем будут значительно поляризовать также боковые грани дефектов сплошности (эффект растекания магнитного поля источника по граням дефекта), магнитное поле которых будет вносить определенный вклад на измеряемое магнитными преобразователями поле дефекта сплошности над поверхностью изделия. Из Рис.2 видно, что эффект поляризации граней зависит от взаимного расположения источника поля и дефекта.

Таким образом, полученную теоретическую модель дефекта, учитывающую геометрические параметры, взаимное расположение дефекта сплошности и полюсов намагничивающего устройства в процессе контроля изделия, мы и назвали динамической моделью дефекта.

Теоретический расчет динамической модели с целью упрощения был проведен с рядом допущений:

·  дефект сплошности с геометрическими размерами hx2bx2L моделируется дипольной моделью, при котором грани дефекта заменяются однородно заряженными плоскостями;

·  магнитное поле стержневого магнита с размерами 2а х 2b х с моделируется полем двух однородных разноименно заряженных плоскостей 2а х 2b, совмещенных с полюсами магнита (рис.3).

Рис.3 К расчету магнитного поля стержневого магнита.

·  не рассматривались степень влияния толщины изделия и влияние нелинейности магнитных свойств ферромагнитного материала на величину магнитного поля дефектов сплошности.

Напряженность магнитного поля дефекта сплошности при нормальном намагничивании ферромагнитного изделия магнитной системой конечных размеров, при котором на грани дефекта действует как поперечная, так и продольная составляющая намагничивающего поля, будет равна суперпозиции магнитных полей поляризованных граней дефекта:

(1)

где Нnx, Нnz - х - и z-составляющие магнитного поля нижней грани дефекта, поляризованной нормальной составляющей намагничивающего поля, Нtx, Нtz - х - и z-составляющие магнитного поля боковых граней дефекта сплошности, поляризованных тангенциальной составляющей намагничивающего поля.

В результате проведенных расчетов в работах [1-2] были получены аналитические выражения для составляющих магнитного поля дефекта сплошности при нормальном намагничивании стержневым магнитом конечных размеров, был проведен анализ их изменения в зависимости от геометрических параметров магнита, его положения и геометрии дефекта (соотношения глубины и величины раскрытия). По полученным результатам были сделаны следующие выводы:

·  Получена динамическая модель магнитного поля дефекта сплошности в ферромагнитном изделии, намагничиваемого нормальным полем стержневого магнита конечных размеров, учитывающая их относительное положение при движении намагничивающей системы вдоль поверхности изделия.

·  При нормальном намагничивании дефекта полем стержневого магнита конечных размеров, существует продольная составляющая магнитного поля, намагничивающая боковые грани дефекта сплошности.

·  Продольная составляющая намагничивающего поля стержневого магнита создает дополнительное магнитное поле дефекта сплошности, искажающего распределение магнитного поля дефекта, создаваемого лишь за счет нормального намагничивающего поля, при этом амплитуда магнитного поля дефекта уменьшается, то есть выявляемость дефекта ухудшается.

·  Наиболее существенное искажение распределения магнитного поля дефекта наблюдается для дефектов с малыми раскрытиями. С увеличением раскрытия дефекта сплошности искажение распределения магнитного поля дефекта уменьшается и приближается к распределению магнитного поля лишь при нормальном намагничивании дефекта.

Целью данной статьи является экспериментальное подтверждение полученных ранее в работах [1-2] результатов и подтверждение сделанных выводов.

2.  Проведение эксперимента и анализ полученных данных

Для подтверждения полученных ранее данных о влияния продольной составляющей магнитного поля дефекта, появляющейся в результате поляризации его боковых граней, на суммарную величину искажения магнитного поля дефектом сплошности, используем в качестве образцов дефектов несколько стандартных образцов пластин из стали 45 с искусственно изготовленными трещинами с фиксированной глубиной в 3 мм. и вариациями величины раскрытия.

Для подтверждения влияния размеров намагничивающей системы на величину искажения магнитного поля дефектом сплошности и, как следствие, на степень его выявляемости, воспользуемся несколькими стержневыми магнитами с различными размерами полюсов, и отдельно взятым стандартным образцом.

В качестве регистрирующего устройства используем магнитометр, разработанный ЗАО “НИИИН МНПО “Спектр”, МФ23-ИМ с комплектом стандартных преобразователей для измерения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля.

Схема проведения эксперимента представлена на Рис. 4.

Рис. 4 К эксперименту по исследованию искажения магнитного поля дефектом сплошности в зависимости от величины его раскрытия, величины намагничивающей системы и их взаимного расположения

Эксперимент проводился при фиксированном зазоре в 3 мм. между поверхностью стержневого магнита и стандартным образцом, магнит расположен симметрично относительно дефекта. Преобразователь магнитометра МФ23-ИМ движется поступательно вдоль поверхности стандартного образца. Во время его движения фиксируются величины составляющих магнитного поля с привязкой к координатам, в качестве нулевой точки отсчета которых выбран дефект сплошности

По полученным в ходе эксперимента данным строим соответствующие зависимости. На Рис.5 и Рис.6 показано распределение тангенциальной и нормальной составляющей результирующего магнитного поля поверхностного дефекта при нормальном намагничивании ферромагнетика полюсом стержневого магнита конечных размеров высота магнита С=100мм, ширина 2b=10мм, длинна 2a=40мм. Видно, что распределение тангенциальной и нормальной составляющей магнитного поля дефекта отличается, качественно и количественно, от соответствующего распределения, полученного аналитически в работе [1] без учета продольной составляющей внешнего намагничивающего поля стержневого магнита.

Рис. 5 Распределение тангенциальной (а) и нормальной составляющей (б) магнитного поля поверхностного дефекта

Поверхностный дефект имеет размеры h = 3 мм, 2b = 1 мм, 2L = 80 мм, z = 3 мм,

Где h – глубина дефекта, 2b – его ширина, 2L – его протяженность, z – зазор между магнитом и поверхностью стандартного образца

При проведении эксперимента глубина дефекта оставалась неизменной, варьировалось лишь его раскрытие (2b/h), чтобы оценить влияние поляризации боковых граней на искажения, вносимые дефектом в картину магнитного поля. Ориентация и параметры магнита также оставались неизменными.

На Рис. 5 кривая 1 соответствует магнитному полю дефекта без учета поля его боковых граней, и рассчитана теоретически на основании формул, представленных в статье [1], кривая 2 соответствует составляющим магнитного поля с учетом поля боковых граней дефекта и получена экспериментально.

Рис. 6 Распределение тангенциальной (а) и нормальной составляющей (б) магнитного поля

Поверхностный дефект имеет размеры h=3 мм, 2b = 5 мм, 2L = 80 мм, z = 3 мм.

Где h – глубина дефекта, 2b – его ширина, 2L – его протяженность, z – зазор между магнитом и поверхностью стандартного образца

Полученные экспериментально зависимости позволяют подтвердить ряд полученных аналитически заключений. Значительные искажения распределения магнитного поля дефекта наблюдается для дефектов с малыми раскрытиями (2b/h < 0.1), когда велико взаимовлияние боковых граней дефекта. Наиболее существенно искажается распределение х – составляющей магнитного поля дефекта, топография z – составляющей магнитного поля дефекта искажается сравнительно меньше. С увеличением раскрытия дефекта взаимовлияние боковых граней уменьшается, и искажение распределения магнитного поля дефекта становится существенно меньше. Распределение составляющих магнитного поля для дефекта сплошности с раскрытием 2b/h = 0.3, приведенного на Рис. 5, подтверждает это.

На Рис. 7 приведены результаты сравнения амплитуд тангенциальной и нормальной составляющей магнитного поля поверхностного дефекта при нормальном намагничивании полюсом стержневого магнита конечных размеров с учетом и без учета намагничивания боковых граней дефекта в продольном магнитном поле стержневого магнита.

Параметр К определяет отношение амплитуды х – и z - составляющей магнитного поля дефекта и вычисляется следующим образом:

.

Из Рис. 7 видно, что за счет искажения распределения магнитного поля дефекта, возникающего из-за наличия продольного намагничивающего поля стержневого магнита, амплитуда магнитного поля дефекта уменьшается, при этом наиболее сильное уменьшение наблюдается для z – составляющей магнитного поля дефекта.

Рис. 7 Сравнение амплитуды тангенциальной и нормальной составляющей магнитного поля поверхностного дефекта при нормальном намагничивании полюсом стержневого магнита конечных размеров.

а) – 2а/h = 4, б) – 2а/h = 10, z = 3 мм.

При уменьшении размеров полюса стержневого магнита, уменьшается глубина проникновения намагничивающего поля внутрь ферромагнетика, что приводит к соответствующему уменьшению намагниченности нижней грани дефекта сплошности.

В следствие этого явления, при определенной глубине дефекта величина напряженности магнитного поля боковых граней дефекта будет соизмерима или превышать величину напряженности магнитного поля от нижней грани дефекта сплошности, что приведет к изменению полярности х – и z - составляющих магнитного поля дефекта (Рис.8).

Рис. 8 Изменение полярности х – и z - составляющих магнитного поля дефекта

На Рис.9 показана зависимость величины искажения (уменьшения) амплитуды z – составляющей магнитного поля поверхностного дефекта от относительного размера полюса магнита 2a/h. Раскрытие поверхностного дефекта 2b/h менялось от 0.2 до 2, высота измерения магнитного поля z = 3 мм. Аналогичная зависимость для амплитуды х – составляющей магнитного поля поверхностного дефекта незначительно отличается от значений, приведенных на Рис.9 и не превышает их.

Рис. 9 Зависимость величины искажения (уменьшения) амплитуды z – составляющей магнитного поля поверхностного дефекта от относительного размера полюса магнита 2a/h.

Из Рис. 9 можно сделать вывод, что если относительный размер полюса стержневого магнита удовлетворяет условию 2a/h ≥ 15, то уменьшение амплитуды напряженности магнитного поля дефекта сплошности не превышает 10 %.

Таким образом, на основе рассмотренной динамической модели дефекта сплошности и приведенной на Рис.9 зависимости, зная максимально возможную глубину дефекта в контролируемом изделии, можно выбрать размеры полюса намагничивающей системы, обеспечивающей наибольшую выявляемость дефектов при нормальном намагничивании изделия.

Полученные выше экспериментальные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. При нормальном намагничивании дефекта полем стержневого магнита конечных размеров, существует продольная составляющая магнитного поля, намагничивающая боковые грани дефекта, и создающее дополнительное магнитное поле, искажающее распределение магнитного поля дефекта, создаваемого лишь за счет нормального намагничивающего поля, при этом амплитуда магнитного поля дефекта уменьшается, то есть выявляемость дефекта ухудшается.

2. Наиболее существенное искажение распределения магнитного поля дефекта наблюдается для дефектов с малыми раскрытиями. С увеличением раскрытия дефекта сплошности искажение распределения магнитного поля дефекта уменьшается и приближается к распределению магнитного поля лишь при нормальном намагничивании дефекта.

3. На основе динамической модели дефекта сплошности, зная максимально возможную глубину дефекта в контролируемом изделии, можно выбрать параметры намагничивающей системы, обеспечивающей наибольшую выявляемость дефектов сплошности при нормальном намагничивании изделия.

Литература

1.  , , Исаев модель дефекта сплошности при нормальном намагничивании ферромагнитного изделия. Часть 1. Магнитостатическое поле дефекта сплошности конечной протяженности. - Дефектоскопия, 2006, №10, с.67-76.

2.  , , Исаев модель дефекта сплошности при нормальном намагничивании ферромагнитного изделия. Часть 2. Магнитное поле дефекта сплошности при намагничивании изделия намагничивающим устройством конечных размеров. - Дефектоскопия, 2006, №11, с.63-73.

3.  , Кудрявцев вопросы определения оптимальных размеров намагничивающих систем на постоянных магнитах. - Дефектоскопия, 2004, №2, с.67-76.

4.  Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / , , и др. – М.: Машиностроение, 1995. – 488 с.

5.  Мужицкий теории и создание электромагнитных средств дефектоскопии изделий сложной формы. – Диссертация доктора технических наук. - Москва, 198с.

6.  Загидулин дефектов сплошности в ферромагнитных изделиях. – Диссертация доктора технических наук. - Уфа, 200с.