Токовихревой метод определения электропроводности

Токовихревой контроль основан на анализе изменения электромагнитного поля вихревых токов под действием тех или иных структурных неоднородностей. Так как вихревые токи могу возбуждаться в электропроводящих материалах, этот метод контроля может быть использован для любых металлов.

Возбудителем вихревых токов может быть поле движущегося магнита, переменное поле тока в проводе, волна радиоизлучения. Чаще всего вблизи поверхности контролируемого изделия помещается возбуждающая вихревые токи катушка индуктивности с переменным током или комбинация нескольких катушек. В свою очередь, электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них электродвижущую силу или изменяя их полное сопротивление. Сигнал может формироваться в той же обмотке, по которой идет возбуждающий ток, или же используется дополнительная катушка или катушки.

Для контроля все изделие или его часть помещают в поле датчика (рис.7.5). Вихревые токи возбуждают переменным магнитным потоком Ф0. Информацию о свойствах изделия датчик получает через магнитный поток Фв, созданный вихревыми токами с плотностью д. Векторы напряженности возбуждающего поля Н0 и поля вихревых токов Нв направлены навстречу друг другу; электродвижущая сила в обмотке датчика пропорциональна разности потоков Ф0 - Фв.

Регистрируя напряжение на катушке или ее сопротивление, можно получить сведения о контролируемом изделии. Напряжение и сопротивление катушки зависят от многих параметров, что обусловливает широкие возможности ТВК (дефектоскопия, толщинометрия, структурометрия, сортировка металла по маркам, контроль состояния поверхности и т.д.). С другой стороны, это обстоятельство затрудняет разделение информации о различных параметрах объекта и требует использования специальных способов фильтрации шумов.

Для анализа изменения электромагнитного поля обычно используют активное и индуктивное сопротивление катушки, амплитуду напряжения, сдвиг фаз измеряемого и опорного напряжений. Глубина проникновения вихревых токов зависит от частоты электромагнитных колебаний, электрических и магнитных характеристик металла, формы катушки и поверхности изделия. Обычно она колеблется от долей миллиметра до 1-3 мм.

 

Рис. 7.6. Линии напряженности магнитных полей Н₀, Нв и плотности вихревых токов д при контроле накладным (а) и проходным (б) датчиком

Чувствительность метода зависит от многих факторов; при благоприятных условиях удается выявить трещины глубиной 0,1-0,2 мм протяженностью 1-2 мм, расположенные на глубине до 1 мм.

Зазор между катушкой и металлом при ТВК может составлять от долей миллиметра до нескольких миллиметров, что позволяет свободно перемещать преобразователь, и облегчает автоматизацию процесса контроля. Выходной величиной ТВК является электрический сигнал, что позволяет автоматически регистрировать результаты контроля. Еще одно преимущество метода – возможность осуществления контроля с высокой скоростью, соизмеримой со скоростью механической обработки КО.

Вихревые токи протекают непосредственно под датчиком в небольшом объеме изделия. Их амплитуда различна в каждой точке на поверхности изделия и в глубине. Анализ пространственной картины вихревых токов необходим для понимания основ метода и его эффективного практического использования. Плоскости, в которых расположены траектории вихревых токов, перпендикулярны линиям напряженности возбуждающего поля. Возбуждаемые цилиндрическими датчиками вихревые токи протекают по окружностям, соосным с датчиком. В случае однородного изотропного материала значения плотности тока δ и их фазы φ от угловой координаты ц не зависят.

Вихревые токи сосредоточиваются в том месте изделия, в котором проникающее в него поле имеет максимальное значение.

Затухание вихревых токов по глубине происходит по закону, близкому к экспоненциальному. Плотность тока на глубине Z равна

(7.12)

где δ₀₁ - плотность тока на поверхности контролируемого изделия, когда Z =0. Для сравнения распределения вихревых токов по глубине в различных металлах на разных частотах введено понятие – условная глубина проникновения Z ₀. Это расстояние от поверхности до слоя, в котором плотность вихревых токов меньше, чем на поверхности, в e раз.

(7.13)

В местах дефектов материала вихревые токи, подтекая под дефект, могут проникать на глубину больше чем z₀. На силу вихревых токов оказывает влияние не только наличие дефекта, но также площадь изделия, электропроводность материала ρ и его магнитная проницаемость μ. Уменьшение μ и ρ будет ослаблять вихревые токи так же, как и появление дефекта. С увеличением глубины залегания дефекта заданных размеров рабочая частота контроля существенно уменьшается.

Дефекты, лежащие в плоскости, параллельной поверхности изделия, не изменяют траектории вихревых токов, но влияют на их распространение по глубине. Это важно учитывать, применяя токовихревой метод для исследования слоистых материалов. Применительно к этому классу материалов токовихревой метод дает возможность определить влияние структурной неоднородности, возникающей при сварке взрывом, прокатке, высокотермпературной термической обработке на границе раздела основных металлов, на электрофизические свойства. Методически такие измерения целесообразно проводить на биметаллических образцах, у которых один из основных слоев будет послойно механически удаляться, что позволить последовательно вовлекать в область действия магнитного поля различные зоны слоистого композита и получать распределения электропроводности по его толщине (рис.7.6)

Рис. 7.6. Схема послойного измерения электропроводности СКМ токовихревым методом

 

Содержание работы

Необходимо исследовать электропроводность слоистого композита алюминий-медь с помощью токовихревого измерителя электропроводности Вихрь-АМ. Для этого предоставляются два образца биметалла (рис. 7.8) в состоянии после сварки взрывом и после отжига при температуре 530^оС в течение 30 часов. Их конфигурация позволяет на одном образце провести измерение с разным соотношением компонентов биметалла и диффузионной прослойки.

Рис. 7.8. Образцы для измерения электропроводности после сварки взрывом (а) и отжига (б); 1 – алюминий АД1, 2 – медь М3, 3 – диффузионная прослойка

Измерения проводятся с шагом от 5 до 1 мм, что позволяет построить распределение электропроводности по длине образца (рис. 7.9). На распределении можно выделить 5 характерных зон: I и V – слои алюминия и меди с электропроводностью 34 и 53 МСм/м, III – диффузионная прослойка с электропроводностью около 23 МСм/м, II и IV – зоны влияния диффузионной прослойки слоях алюминия и меди, соответственно.

Рис. 7.9. Распределение электропроводности в околошовной зоне биметалла алюминий-медь после отжига при 530^оС в течение 30 часов; I – алюминий, II, IV – зоны влияния диффузионной прослойки, III – диффузионная прослойка, V - медь

 

Результаты измерений на каждом образце заносятся в таблицу 7.1.

Таблица 7.1

Распределение электропроводности по длине образца

Расстояние от начала образца l, мм	Толщины слоев и прослоек, мм	Электропроводность ε, МОм/м
КМ	Cu	Al	ДП

На основании полученных экспериментальных данных о толщинах слоев композита произвести рассчет по правилу смеси теоретической электропроводности образца, с учетом того, что в расчетах необходимо использовать не электропроводность, а обратную ей величину – удельное электрическое сопротивление (ρ=1/ε):

ρ _км = l ρ_Cu + m ρ_Al + n ρ_дп, (7.14)

где: ρ _Cu – сопротивление меди, ρ _Al – сопротивление алюминия, ρ _дп – сопротивление диффузионной прослойки.

Поскольку применяемый прибор позволяет измерять сопротивление алюминия на глубину не более ~0,6 мм (рис. 7.9), имеет смысл проводить расчет на удалении от границы соединения не более 1 мм. Результаты расчета заносятся в таблицу 7.2.

Таблица 7.2

Распределение электропроводности по длине образца

Расстояние от начала образца l, мм	Доли компонентов, мм	Электросопротивление ρ, Ом/м	Электропроводность ε, МСм/м
Cu	Al	ДП
0,1
0,2
0,3
1,0

 

На основании полученных данных произвести построение распределения расчетной электропроводности в околошовной зоне, оценить сходимость расчетных и экспериментальных данных и сделать выводы.