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]:
-
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.
-
Поперечная волна лучше отражается от плоских дефектов, заполненных газом, жидкостью или сыпучим
веществом, так как такого рода несплошности плохо передают сдвиговые напряжения.
-
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.
-
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.
-
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
|
