Неразрушающий контроль Пятница, 23.06.2017, 11:32
Приветствую Вас Гость | RSS
Меню сайта

Категории каталога
Акустический контроль [5]
Вихретоковый контроль [1]
Другие методы контроля [0]
Разное [6]
Разные материалы, в т.ч. добавленные посетителями сайта

Наш опрос
Оцените наш сайт
Всего ответов: 286

Главная » Статьи » Акустический контроль

Современные возможности ЭМА дефектоскопии (1 часть-Возможности ЭМА способа в неразрушающем контроле)

В настоящее время отмечается бурное развитие методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий [1-2]. Преимущественно это приборы, реализующие метод контроля с использованием контактной жидкости. В то же время были определены области [3], в которых применение контактных методов контроля недостаточно эффективно. Это контроль изделий с загрязненной поверхности без специальной зачистки, дефектоскопия горячих и холодных изделий, высокоскоростной контроль, дефектоскопия с низкими эксплуатационными затратами и т.д. Поэтому в последние годы наблюдается интенсификация исследований и разработок в направлении создания средств оценки качества изделий бесконтактными способами. Наибольшие технические успехи в отмеченном направлении достигнуты за счет применения электромагнитно - акустического (ЭМА) способа возбуждения и приема ультразвуковых колебаний [1, 3-108]. Применение ЭМА дефектоскопии оправдано и с экономической точки зрения. Судакова К.В. [109] сообщает, что внедрение сплошного автоматического ультразвукового бесконтактного контроля на ОАО «Северсталь», при средней стоимости установки 30 млн. руб. и затратах на эксплуатацию примерно 10 % в год от этой стоимости, окупается всего за 8 месяцев. Дальнейшая эксплуатация установки дает экономический эффект около 105 млн. руб. в год за счет повышения качества выпускаемой продукции, производительности контроля и исключения зачистки изделий, затраты на которую составляет около 550 руб/т. Кроме того, введение сплошного контроля приводит к резкому повышению технологической дисциплины.

Возможности ЭМА способа в неразрушающем контроле

Как и в контактной акустике, при дефектоскопии с применением ЭМА способа используют преимущественно два метода контроля - импульсный и резонансный [1, 5, 20]. Для реализации импульсного метода в основном применяют те же электронные блоки [32], что и в традиционных ультразвуковых приборах, в которых возбуждение и прием звука осуществляется с помощью пьезопреобразователей [33]. Различие заключается в том, что вместо пьезоэлемента используется катушка индуктивности и имеется устройство для возбуждения поляризующего магнитного поля. Питают ЭМА преобразователи (ЭМАП), как правило, генераторами ударного возбуждения [24-25, 34-36]. Необходимую величину индукции поляризующего магнитного поля создают различными устройствами, конструкция которых зависит от конкретной задачи [17]. Наибольшее разнообразие имеют приборы, реализующие ЭМА преобразование с помощью электродинамического механизма [17, 32]. В этом случае направление силы в поверхностном слое металла нетрудно определить, а, следовательно, можно вычислить ряд параметров возбуждаемого акустического поля [1]. Для большей эффективности ЭМА преобразования с помощью электродинамического и индуктивного механизмов, кроме увеличения амплитуды электромагнитного поля, целесообразно увеличить величину индукции поляризующего магнитного поля [32], т.к. коэффициент двойного ЭМА преобразования (режим излучение – прием) зависит от ее величины квадратично [37]. Однако минимальное магнитное поле, при котором можно наблюдать трансформацию электромагнитных волн в упругие, даже в таком металле как алюминий (эффективность преобразования обратно пропорциональна плотности металла), превышает 1,5х105 А/м. Считается, что для уверенной работы ЭМА дефектоскопа необходимы магнитные поля с напряженностью порядка 106 А/м и более. Такие напряженности создать непросто. Поэтому было предложено заменить постоянное поляризующее магнитное поле импульсным [38]. Продолжительность импульса поляризующего поля выбрана такой, чтобы было обеспечено постоянство его амплитуды на промежуток времени между посылкой зондирующего импульса и приходом сигнала, отраженного из объекта контроля (ОК).

В отличие от импульсного, резонансный метод аппаратно реализуется проще [32, 39]. Но он применим для очень ограниченного числа изделий [39]. Его показания зависят от влияния окружающей среды и условий проведения измерений [1, 39]. Часто показания измерительной аппаратуры неоднозначны и требуются многократные измерения [39]. Этот метод интегральный, что крайне затрудняет (или делает невозможной) локализацию внутренних неоднородностей контролируемого изделия. Поэтому преимущественное практическое применение находит импульсный метод контроля.

К недостаткам импульсного метода следует отнести [1, 32]: относительную сложность оборудования, применение мощного специального генератора импульсов тока, работу с высоким напряжением, необходимость большого усиления высокочастотного сигнала (коэффициент усиления более 106), в ряде случаев требуется импульсное поляризующее поле. Однако, в последнее время, именно этот метод наиболее широко применяется авторами в работах, посвященных ЭМА преобразованию [1, 4-29, 40- 41]. Он может быть ориентирован на решение задач по обнаружению нарушений сплошности [5, 13, 42], толщинометрии [18-19, 21, 43-44], измерению величины зерна в металле [1], и т. п. в частотном диапазоне f = 0,1…30 МГц. Возможно также применение ЭМА способа для частот до 100 МГц [45].

Экспериментальными и теоретическими исследованиями установлено, что ЭМА способом в металлах успешно возбуждаются и регистрируются импульсы всех известных типов упругих колебаний [1, 15 – 17, 31, 40-41]. Возбуждаются и принимаются объемные продольные [1, 6, 46] и сдвиговые колебания [1, 3-9, 17, 29, 47] нормально поверхности металла (с любой ориентацией вектора поляризации [1, 17], включая круговую [17, 48]), объемные продольные и сдвиговые колебания под любым углом к поверхности [49-50], в том числе сдвиговые с вертикальной [24] и горизонтальной [17, 31] поляризацией. Существенное преимущество для неразрушающего контроля и измерений дает ЭМА способ за счет высокоэффективного возбуждения и приема волн Рэлея [10-12, 14, 30, 51], нормальных [31, 52-53] и крутильных волн [54] с «вертикальной» и «горизонтальной» поляризацией.

ЭМА способ позволяет возбуждать и принимать отраженные от дефектов упругие импульсы в различных изделиях [9]. Так, с 1983 г ведется дефектоскопия зеркально – теневым методом всего объема производства рельсов на ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат», ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», ОАО «Мариупольский МК «Азовсталь» в сечении, ограниченном толщиной шейки [4-5, 27], сечения головки рельсов на ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат» [20, 96]. Предприняты попытки контроля ферромагнитных стержней [55], труб [12, 28, 56-57], сепараторов подшипников [25], листового проката [58], заготовок круглого сечения [26] и других изделий [1], изготовленных из стали [4, 9, 26, 28, 39, 42, 57], чугуна [9], алюминия [9, 36], сплавов на основе меди и титана [1, 9, 59], композитных материалов [60] и т.п.

Преимущество ЭМА способа проявляется при контроле материала в горячем состоянии. Принципиальная возможность бесконтактного ультразвукового контроля «горячих» (500°С и выше) ферромагнитных изделий была установлена в работе [61]. Дальнейшие исследования [46] показали, что возбуждение и регистрация продольных волн в материалах при температуре Кюри происходит за счет явлений объемной магнитострикции и магнитоупругого эффекта. Несмотря на значительное количество работ в этом направлении [6, 62-66], данных об эффективно работающих в промышленности ЭМА установок в литературе не обнаружено.

Следует отметить, что ЭМА способом реализуются все известные методы контроля – теневой [1], зеркально – теневой [5], эхо метод [8], эхо – сквозной [58], дифракционно - временной [11] и др. Наиболее сложные проблемы имеют место при использовании эхо метода контроля ЭМА способом. По данным [40] его чувствительность в 10000 раз меньше, чем контактным методом, по данным [68] – меньше на 50 дБ, а по данным [69] – на 100 дБ. По результатам исследований [70] коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую составляет 10-3. В то же время в работе [71] утверждается, что ЭМА способом обнаруживаются плоскодонные отражатели диаметром 1,3 мм, а в [8] экспериментально обнаруживали дисковые отражатели диаметром 0,9 мм на расстоянии 170 мм в стали типа У7. Это соответствует условной чувствительности пьезопреобразователей. Такие противоречивые данные диктуют необходимость дальнейших исследований в этом направлении и в первую очередь экспериментальных.

Особенно эффективно использование ЭМА способа при применении волн Рэлея и нормальных волн. Так в работах [10-12, 28, 30-31, 72] такими волнами исследована выявляемость дефектов в виде рисок на поверхности труб. Авторы утверждают, что удается обнаруживать модели дефектов глубиной 10% или даже 5% от толщины стенки труб. Однако данных по исследованию заданного диапазона глубин дефектов не приводится. В работе [73] приведены сведения об обнаружении волнами Лэмба моделей дефектов в виде сквозных отверстий в листах диаметром 8 мм. Эти данные подтверждают низкую чувствительность ЭМА способа. Но, с другой стороны, в работе [74] утверждается, что при ширине сменных решеток ЭМАП равной 30 мм уверенно выявлялись дефекты типа сквозного сверления диаметром 1 мм в листе толщиной 1 - 2 мм на расстоянии до 250 мм. Кроме этого, зависимость амплитуды эхо сигнала от глубины риски в интервале 0,1—0,6 мм - линейная, что выгодно отличает ее от аналогичных зависимостей, для контактных искателей.

Сходным проблемам посвящена работа [35]. Показано, что ширина l токонесущего проводника решетки должна выбираться из условия l << λ/6, а его высота не должна превышать 2 мм. При исследовании зависимости амплитуды эхо-сигнала от величины поля подмагничивания обнаружен линейный рост оптимальной индукции поля с толщиной листа. Рассматриваемые ЭМАП, при эхо методе контроля, выявляли дефекты в виде сквозного сверления диаметром 1 мм на расстоянии 300 мм, или в виде риски глубиной свыше 10% от толщины листа на расстоянии до 200 мм. Установлена линейная зависимость амплитуды эхо сигнала от амплитудного значения тока генератора (0—7 А), что свидетельствует о постоянстве коэффициентов ЭМА преобразования. В работах [10-12] экспериментально установлена возможность обнаружения трещин на поверхности труб и рельсов глубиной более 0,2 мм. При исследованиях зачистку катаной поверхности не производили.

Авторы работы [75] ЭМАП принимали поверхностные волны, возбуждаемые обычным пьезоэлектрическим наклонным излучателем, в сплаве Д16 и стали. Отмечено, что прием этих волн в двух точках образца исключает влияние условий ввода и переходной среды на результаты измерений и дает возможность контролировать валы, лопатки турбин, детали самолетов и т. д. Это подтверждает высокие эксплуатационные характеристики ЭМА преобразователей.

В работе [76] исследовались параметры ЭМА дефектоскопа для контроля нормальными волнами ферромагнитных листов и труб. Обнаружено, что при любой ориентации магнитного поля не происходит дополнительного затухания ультразвука, обусловленного наличием магнитного поля. Противоречат этому выводу результаты работы [77], где отмечается, что характер и величина затухания ультразвука в ферромагнетиках в присутствии постоянного магнитного поля существенно зависят от размеров зерна ферромагнитных материалов.

Температурная зависимость амплитуды поверхностной волны, возбуждаемой в образце из низкоуглеродистой стали, изучена в работе [78]. Стенд для проведения испытаний содержал водоохлаждаемые электромагнит и медный экран, в котором размещались приемная и передающая решетки из платиновой проволоки диаметром 0,5 мм, помещенные в керамическую форму. Индукция поляризующего магнитного поля составляла 0,3 Тл. Ток в решетке возбуждающего преобразователя на частоте 250 кГц достигал 600 А. Установлено, что, как и в случае с объемными продольными волнами, амплитуда сигнала резко возрастает в точке Кюри исследуемого материала. Автор связывает это с сосредоточением магнитного поля в поверхностном слое образца, охлаждаемого до температуры Кюри.

Авторы работ [17, 73] исследовали влияние формы поверхности изделия на направленность акустического поля, формируемого ПЭП и ЭМАП. Качественный анализ формы акустических полей в лучевом приближении позволил им сделать следующие выводы. Выпуклая поверхность является дефокусирующим фактором для ПЭП и фокусирующим фактором для ЭМАП. Направленные свойства ЭМАП в случае контроля изделий с выпуклой криволинейной поверхностью лучше, чем у несфокусированных ПЭП такого же волнового размера. Это определяет повышенную чувствительность ЭМАП к дефектам в центральной зоне объекта контроля.

Влияние отклонения оси симметрии преобразователя от нормали к поверхности ОК исследовано в работах [4, 73, 79]. Для ПЭП центральный луч в изделии отклонится от нормали на некий угол. Это приведет к отклонению всех остальных лучей ультразвукового пучка в металле от их номинального положения. Легко определить, что для случая вода-сталь отклонение центрального луча в воде всего на 5° от нормали приведет не только к его преломлению в металле на угол почти 20°, но и к появлению трансформированной поперечной волны. При этом периферийные лучи ультразвукового пучка могут возбуждать и поверхностную волну. Эти явления могут стать причиной возникновения помех в виде паразитных отражений, не связанных с наличием несплошностей в материале. Поскольку ЭМАП порождает ультразвуковую волну частью самой поверхности ОК, то отклонение его оси симметрии от нормали практически не сказывается на форме создаваемого им ультразвукового пучка. Из изложенного следуют следующие выводы: сдвиги и наклоны рабочей плоскости ЭМАП не влияют на направление прозвучивания [17, 26], т.е. максимум диаграммы направленности всегда проходит через осевую зону прутка или заготовки круглого сечения.

Анализ сравнительных возможностей прямых ЭМАП продольных и поперечных волн с различной поляризацией проведен авторами работ [4-5, 7, 80-81]. При точной ориентации и фокусировке ПЭП, а также при применении ЭМАП оба устройства осуществляют ввод и прием ультразвука в направлении, преимущественно перпендикулярном к поверхности. Однако ЭМАП и в этом случае могут иметь определенные преимущества, обусловленные следующим. ПЭП позволяет возбуждать и принимать по нормали к поверхности металла только продольные колебания, а ЭМАП (в зависимости от конструкции) - как продольные, так и поперечные. В последнем случае возбуждение и прием поперечных волн, распространяющихся по нормали к поверхности, особенно эффективно может быть осуществлено при контроле ферромагнитных материалов. Установлены следующие преимущества, обусловленные применением поперечных волн, возбуждаемых нормально поверхности изделия [1, 4-9, 11-13, 14, 17, 20, 29, 40, 59, 67, 82-83]:

  1. Увеличивается чувствительность контроля, уменьшается величина «мертвой» зоны и разрешающая способность, повышается точность измерения координат дефектов и толщины изделия. Это обусловлено тем, что скорость распространения поперечных волн в материалах почти в 2 раза меньше скорости продольных волн.
  2. Поперечная волна лучше отражается от плоских дефектов, заполненных газом, жидкостью или сыпучим веществом, так как такого рода несплошности плохо передают сдвиговые напряжения.
  3. Поперечная волна при правильном выборе направления поляризации не испытывает существенной трансформаций при отражениях от дефекта и поверхности ОК. Это дает возможность уменьшить влияние на результаты контроля когерентных акустических помех.
  4. Амплитуда импульсов сдвиговых колебаний, возбуждаемых прямым ЭМАП, ослабляется в изделии с плоскими трещинами, ориентированными перпендикулярно поверхности ОК, в большей степени, чем амплитуда продольных колебаний, возбуждаемых прямым ПЭП. Это создает предпосылки для успешного обнаружения неблагоприятно ориентированных плоскостных дефектов.
  5. В сравнении с продольной поперечная волна испытывает меньшее затухание в материале.

Для каждого из рассматриваемых типов преобразователей (ПЭП или ЭМАП) характерны специфические помехи [83]. Как было показано ранее [3], для ПЭП большая часть такого рода помех связана с состоянием акустического контакта и качеством поверхности ОК. Эти помехи не характерны для устройств, содержащих ЭМАП. Для них не подходит и термин «акустический контакт». Более того, в акустическом контакте нет никакой необходимости, поскольку ультразвук возбуждается в тонком поверхностном слое ОК. Однако совершенно необходимо наличие электромагнитного контакта с поверхностью контролируемого изделия. Поэтому даже тонкий электропроводный материал, внесенный в зазор между ЭМАП и ОК, является электромагнитным экраном и способен частично или полностью исключить возбуждение ультразвука в ОК. Этим явлением объясняется высокая чувствительность ЭМАП к различным дефектам поверхности: пленам, закатам, трещинам и т. д. В то же время в работе [4] показано, что медная фольга толщиной 0,1 мм ослабляет амплитуду полезного сигнала всего в 2…3 раза. Автор использовал пластины медной фольги для создания имитаторов дефектов при зеркально – теневом методе контроля.

Установлено также, что плотно прилегающая окалина не мешает проведению УЗК [21, 83]. Наоборот, будучи диэлектриком и обладая хорошими магнитными свойствами, окалина усиливает электромагнитную связь ЭМАП с поверхностью ОК. Однако кусочки свободной отслаивающейся окалины, попадающие в зазор между ЭМАП и ОК, способны создать помехи амплитудой более 60 дБ [4]. Под влиянием электромагнитного импульса и поляризующего магнитного поля они испытывают упругую деформацию. Возбуждаются механические колебания, которые могут быть приняты вместе с полезным сигналом, будучи с ним в существенной мере когерентными. На возможность контроля стальных изделий, покрытых слоем окалины, указывается также в работе [84]. Авторы утверждают, что прямое и обратное ЭМА преобразование осуществляется за счет магнитострикционных свойств магнетита Fe304, входящего в состав железной окалины. Это утверждение спорно т.к. в зависимости от толщины и других характеристик окалины в процессе ЭМА преобразования могут участвовать одновременно металл и окалина. В нормативных документах и работах [4, 73, 85 – 87] указывается на необходимость обязательного удаления отслоившейся окалины, а также учета толщины окалины при разработке средств контроля ЭМА способом. В малых поляризующих магнитных полях также обнаружено возбуждение упругой волны в железе за счет магнитострикционных свойств окалины. Оно резко прекращается при температуре 400° и выше [84].

При контроле изделий сложной формы часто бывает необходимо вводить ультразвук наклонно. Ряд работ посвящено решению вопроса о создании соответствующих ЭМА преобразователей. А.В. Малинка [88] исследовал опытные образцы ЭМА датчиков, которые подтвердили высказанную им возможность возбуждения УЗ колебаний под углом и зависимость угла ввода и приема от частоты. Изменение угла ввода от частоты наблюдалось в диапазоне 14—25° на частоте 2,5 МГц для образцов из стали марки Ст. 3 толщиной 10 – 50 мм. Дальнейшие исследования были проведены авторами работ [24, 30, 89-92] и другими. Однако до настоящего времени в литературных источниках не обнаружено сообщений об эффективном применении в промышленности дефектоскопов, использующих ЭМА преобразователи для обнаружения внутренних дефектов изделий, которые возбуждают ультразвуковые импульсы под углом к поверхности.

Возможность ЭМАП возбуждать и принимать сдвиговые колебания нормально поверхности изделия с любым направлением вектора поляризации ставит несколько разноплановых задач. Исследовать особенности выявления дефектов изделий, обусловленные заданной ориентацией вектора поляризации упругих колебаний. Узаконить в нормативно-технической документации направление вектора поляризации, как основной параметр контроля. Этот вывод вытекает из следующих результатов исследований. Авторами работ [4, 80-81] было определено экспериментально, что в некоторых случаях наблюдается повышенная выявляемость внутренних дефектов при дефектоскопии линейно - поляризованными колебаниями. В работе [7] теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что при взаимоперпендикулярной ориентации вектора поляризации относительно наибольшей оси развития дефекта амплитуда информационного эхо сигнала может изменяться на 6-8 дБ. Поэтому влияние этого параметра контроля было учтено в нормативно-технической документации на контроль [87].

2 часть-Применение ЭМА способа для дефектоскопии изделий

Категория: Акустический контроль | Добавил: Admin (03.09.2008)
Просмотров: 2812 | Рейтинг: 4.0/3 |
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа

Поиск

Полезные ссылки
Свободная энциклопедия

Электронная библиотека книг

БФ Ромашка: эти дети хотят ЖИТЬ!

Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0

Copyright Donchenko.A © 2017