Оценка характеристик металлических изделий вихретоковыми методами

12.01.2017

С использованием вихретоковых методов производится оценка качества широкой гаммы параметров металлических изделий. В случае несовершенства производственного цикла изготовления в изделиях могут образовываться различные виды неоднородностей структуры, которые являются местами локализации процессов разрушения. Основные дефекты,возникающие в процессе производства, это пористость, посторонние включения, поверхностные и подповерхностные трещины, отклонение состава сплава от заданного, разнотолщинность изделия или его стенки, отклонение параметров покрытия от требуемой величины и др.

В процессе эксплуатации под влиянием внешних воздействий (механических напряжений, ударных нагрузок, температуры, влаги и т. д.) в изделиях могут возникать или дальше развиваться трещины, коррозионные повреждения стенки или межслоевая коррозия (для многослойных изделий). Трудно различимые визуально поверхностные трещины могут существенно снижать предел прочности. Объемные внутренние разрушения (например, межслоевая коррозия) приводят к интегральному изменению свойств и особенно опасны.

Вихретоковые методы получили широкое распространение при производстве и эксплуатации изделий различного назначения из электропроводящих ферро- и неферромагнитных материалов в авиации, машино- и судостроении, нефтехимии, на трубопроводном транспорте и т. д. Эти методы измерения (контроля) основаны на анализе взаимодействия собственного электромагнитного поля вихретокового преобразователя (устройства, состоящего из одной или нескольких индуктивных обмоток) с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте и зависящих от степени соответствия параметров изделия заданным.

Все чаще при выполнении контроля вихретоковыми методами требуется количественная оценка контролируемых параметров для возможности оценки потенциальной опасности их отклонения от нормируемой величины.

Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты при измерении удельной электропроводности неферромагнитных электропроводящих изделий, толщинометрии стенок неферромагнитных электропроводящих изделий, толщинометрии электропроводящих ферро- и неферромагнитных покрытий металлических и неметаллических изделий, измерении глубины поверхностных дефектов (трещин) и параметров коррозии изделий и их отдельных слоев.

Для расчета параметров измерительного преобразователя удобно использовать обобщенный параметр

β = R(2πƒσμ₀)1/2,

где ƒ – частота тока возбуждения вихретокового преобразователя;
R – эквивалентный радиус обмотки возбуждения;
σ – электропроводность материала;
μ₀ – магнитная постоянная.

Вариация контролируемых параметров изделия в зоне протекания вихревых токов будет приводить к изменению условной интегральной электропроводности σ и, соответственно, β.
В общем случае глубина проникновения вихревых токов δ, определяющая параметры выявляемых дефектов или отклонения параметров изделия от заданных, равна: δ = (πƒσμ₀)–1/2.
Для обеспечения параметров контроля минимальная толщина основания (контролируемого изделия) должна быть не менее Т_о min = 2,5 δ, в этом случае изменение толщины изделия не будет влиять на показания.

Из указанных выше соотношений следует, что для измерения толщины покрытий, электропроводности и определения параметров поверхностных трещин значение частоты возбуждения преобразователя ƒопт должно быть:

ƒопт 6,25/(π μ₀σT20min)

Для обеспечения оптимального β значение эквивалентного радиуса R обмотки возбуждения для вихретокового преобразователя следует выбирать из условия:

R = β(2πƒσμ0)-1/2

Для обеспечения приемлемой чувствительности к контролируемому параметру величину β следует выбирать на уровне от 5 до 60 в зависимости от задачи контроля.

Чаще всего применяются следующие методы вихретокового контроля: амплитудный, частотный, фазовый, амплитудно-фазовый, многочастотный и импульсный с соответствующими информативными параметрами, величина которых зависит от значения контролируемого параметра и величины мешающих параметров.

В России традиционно уделяется большое внимание вопросам метрологического обеспечения измерений. На отечественном рынке представлена большая номенклатура отечественных и зарубежных вихретоковых дефектоскопов различного назначения. В руководстве по эксплуатации (РЭ) для каждого из преобразователей, входящих в состав прибора, обязательно оговариваются диапазон измерения контролируемого параметра х, параметры контролируемых изделий, параметры нормальных условий и допустимые диапазоны вариации мешающих параметров.

Главным различием РЭ отечественных и импортных приборов является структура указываемой погрешности измерения. Так российские производители в описании типа и в РЭ используют термин «предел допускаемой основной абсолютной погрешности измерений Δ(х)» (вновь вводимый термин «неопределенность измерений» практически не используется из-за отсутствия вразумительного толкования). В паспортах западноевропейских и американских производителей используется понятие «accuracy», переводимое в русскоязычных вариантах

РЭ как точность, вносящее дополнительную неоднозначность, т. к. форма записи соответствует зависимости Δ(х). Кроме того, для отечественных приборов оговариваются пределы дополнительных абсолютных погрешностей при изменении мешающих параметров в заданных пределах (например, температуры воздуха t, что актуально для России, шероховатости поверхности Rz и др.). Для большинства импортных приборов они не оговариваются в предположении, что их влияние можно устранить калибровкой.

В общем случае используются два варианта задания

Δ(х): а) Δ(х) ± (aх + b),

где a – мультипликативный коэффициент,
b – случайная составляющая погрешности, обусловленная характеристиками преобразователя и микроконтроллера;
б) Δ(х) ± aх или Δ(х) ± b в зависимости от того, что больше.

Следует учитывать, что приводимые зависимости Δ(х) подразумевают проведение испытаний приборов на эталонах контролируемых параметров, на которых производилась процедура снятия градуировочной характеристики (функциональной зависимости между измеряемой величиной х и выходным кодом N(х) измерительного преобразователя). Они должны производиться в нормальных условиях, что может вводить пользователей в заблуждение относительно достоверности результатов измерения в производственных условиях.

Метрологические характеристики вихретоковых приборов определяются методом контроля, конструкцией измерительных преобразователей, применяемыми алгоритмами преобразования и вычисления контролируемого параметра по градуировочной характеристике. Существенное влияние оказывает комплекс мешающих параметров, действующих на измерительные преобразователи в процессе градуировки, калибровки и измерений.

Их можно разделить на геометрические и физические. Геометрические параметры: толщина изделия Т, диаметр зоны измерения D, радиус кривизны поверхности r и шероховатость R_z, расстояние от края (краевой эффект). Физические параметры: электропроводность σ, магнитная проницаемость μ, коэрцитивная сила, температура t, внешние электромагнитные поля, вибрации.

Градуировочная характеристика преобразователей представляется в виде функции, автоматически рассчитываемой по снимаемым на эталонах контролируемого параметра кодам N(х).

Градуировка и поверка преобразователей и приборов чаще всего производится на эталонах контролируемого параметра (средствах измерений, предназначенных для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений), на рабочих эталонах первого или второго разрядов, а также на стандартных образцах (СО) в нормальных условиях.

В зависимости от контролируемого параметра это могут быть меры толщины покрытий из металлических материалов, представляющие собой физические тела (например, диски с плоскопараллельными сторонами), состоящие из покрытия и основания.
В качестве рабочих эталонов 2-го разряда применяют меры толщины покрытий в диапазоне от 2 до 1000 мкм.
Пределы допускаемых абсолютных погрешностей изготовления и аттестации рабочих эталонов Δрэ(h) ± [(0,1 0,3) +0,025h] мкм, где h – толщина покрытия.
Основание меры должно иметь толщину, значительно большую, чем Т_о min.
В настоящее время для аттестации (калибровки) ступенчатых мер толщины покрытий чаще всего используется профилографический метод, обеспечивающий погрешность измерения на уровне
± 0,1 0,2 мкм в области малых толщин.


Разработаны следующие комплекты мер толщины покрытий:

•  хром/сталь20 (номер в Госреестре 8543-81) – 9 мер в диапазоне от 4 до 1000 мкм;
•  хром/Л-63 (номер в Госреестре 8544-81) – 9 мер в диапазоне от 2 до 500 мкм;
•  никель/Л-63 (номер в Госреестре 8545-81) – 7 мер в диапазоне от 1,6 до 100 мкм;
•  никель/сталь20 (номер в Госреестре 10140-85) – 9 мер в диапазоне от 6 до 100 мкм.
  

Упомянутые металлические эталонные и рабочие металлические меры толщины используются, в основном, для градуировки и поверки толщиномеров покрытий и, в ряде случаев, для настройки их чувствительности.

Меры удельной электропроводности из металлических неферромагнитных сплавов, представляющие собой физические тела (например, диски с плоскопараллельными сторонами), изготовленные из соответствующего сплава требуемой электропроводности.
Для градуировки, поверки и настройки чувствительности в соответствии с необходимо применять государственные стандартные образцы (ГСО) удельной электрической проводимости в диапазоне от 0,53 до 58,8 МСм/м):
– ГСО №№ 3447 3458-89П (сплавы на основе титана) – 12 мер в диапазоне от 0,53 до 2,11 МСм/м;
– ГСО №№ 3435 3446-86 (сплавы на основе меди) – 12 мер в диапазоне от 3,02 до 14,20 МСм/м;
– ГСО №№ 1395 1412-90П (сплавы на основе алюминия) – 18 мер в диапазоне от 14,4 до 37,20 МСм/м;
– ГСО №№ 4529 4536-89 (сплавы на основе меди) – 8 мер в диапазоне от 38,7 до 58,8 МСм/м.
Образцы должны иметь толщину, значительно большую, чем Т_о min.

В этом случае в качестве стандартных образцов могут применяться меры толщины в диапазоне толщин Т от 0,2 до 15 мм:
– из комплекта КУСОТ 180 (КМТ-176М1), изготовленные из стали 40X13, алюминиевого сплава Д16 или латуни Л63;
– ступенчатые образцы ОС-1 (диапазон толщин Т от 0,4 до 7 мм) и ОС-2 (диапазон толщин 1 – 15 мм) с геометрическими размерами ступеньки, соответствующими диаметру зоны контроля преобразователя, изготавливаемые из стали СТ20, алюминиевых и медных сплавов по требованию заказчика.

Пределы допускаемых абсолютных погрешностей изготовления и аттестации рабочих эталонов:


где Т – толщина меры.

В настоящее время для аттестации (калибровки) ступенчатых мер толщины чаще всего используется профилографический метод. Стандартные образцы используются в основном для градуировки и поверки вихретоковых толщиномеров, а также для настройки их чувствительности.

Меры глубины искусственных дефектов типа прорези (пропила), имитирующих поверхностную трещину аналогичной глубины, представляющие собой стандартные образцы в виде прямоугольных пластин с пазами шириной от 0,1 до 0,3 мм, глубиной от 0,1 до 10 мм, выполненными методом электроэррозии или фрезерованием на рабочей поверхности. Стандартные образцы изготавливаются из алюминиевых или иных сплавов и сталей по требованию заказчика.


Нормативная документация не регламентирует структуру сопроводительных документов, в связи с чем встречаются различия в их названиях, основных характеристиках и назначении. Для градуировки, поверки и настройки чувствительности вихретоковых дефектоскопов могут применяться следующие комплекты стандартных образцов:
– комплекты эталонных мер КСО-ВК (номер в Госреестре 33680-07);
– образцы искусственных дефектов для вихретокового контроля ОИД ВТ-1 РУ1Ш (номер в Госреестре 33618-07);
– комплекты образцов КСОП-70 (номер в Госреестре 29703-06);
– комплект мер моделей дефектов КММД-21.


В комплект стандартных образцов могут входить образцы толщины неэлектропроводящего покрытия (зазора).

В комплект КСОП-70 входят образцы из стали 45, сплавов Д16, АК9, Л63, МА12, стали 12Х18, титанового сплава ВТ1, стали 20 и др.; в комплект КММД-21 входят образцы из стали 20, 45, 20Х13, 12Х18Н10Т, сплавов Д16, АК6, ЛМц58-2, БрАМц9-2, ВТ1-0, ОТ4-1, ВТ9 и др.
В настоящее время выпускается широкая гамма приборов для измерения указанных выше характеристик изделий.
В зависимости от типа подключенного преобразователя можно измерять толщину ферро- и неферромагнитных покрытий на ферро- и неферромагнитных основаниях, электропроводности и остаточной толщины стенки изделий из неферромагнитных металлов и сплавов.