Магнитошумовой метод неразрушающего контроля ндс

Опубликовано: 17.05.2024

Методика оценки эпюры распределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей на основе анализа амплитудных и частотных характеристик магнитошумового сигнала (скачков Баркгаузена). Выбор оптимальных режимов контроля остаточных напряжений.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	27.05.2018
Размер файла	279,5 K

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МАГНИТОШУМОВОЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛЕЙ

В.В. Плешаков, А.Н. Шурпо, Е.А. Егорушкин

Предложена методика оценки эпюры распределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей на основе анализа амплитудных и частотных характеристик магнитошумового сигнала (скачков Баркгаузена). Показана возможность выбора оптимальных режимов контроля остаточных напряжений.

Ключевые слова: магнитошумовой контроль, скачки Баркгаузена, остаточные напряжения, поверхностный слой.

При циклическом перемагничивании ферромагнетиков выходной сигнал индуктивного преобразователя представляет собой случайный нестационарный процесс в виде последовательности импульсов ЭДС - скачков Баркгаузена (СБ), числовые характеристики которого неоднородны по петле гистерезиса, зависят от режима перемагничивания и факторов, определяющих магнитную текстуру ферромагнетиков 1. Усреднение вероятных характеристик ЭДС СБ по периоду нестационарности неизбежно приводит к потере информации о динамике перестройки доменной структуры ферромагнетика, так как совершенно случайные различные процессы могут иметь одинаковые усреднённые характеристики. Поэтому использование для контроля текущих характеристик ЭДС СБ, отражающих интенсивность флуктуационных процессов перестройки доменной структуры ферромагнетиков в каждой точке петли гистерезиса, позволяет точнее определить свойства изделий.

Из текущих информативных примеров преобразователя СБ перспективным представляется использование частотных характеристик ЭДС СБ, таких как текущее число выбросов ЭДС СБ за определённый уровень селекции информационного канала [1]. Этот информативный параметр отражает не только интенсивность процесса, но и его частотные свойства.

Устройство для исследования текущего числа выбросов ЭДС СБ наряду с обычными блоками измерительного канала содержит ограничитель, порог срабатывания которого задает уровень селекции последовательности импульсов ЭДС СБ (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема устройства для исследования текущего числа выбросов ЭДС СБ

магнитошумовой контроль остаточный напряжение

СБ возбуждаются в изделии током блока перемагничивания 1, преобразуются в электрический сигнал индуктивным преобразователем 2, усиливаются усилителем 3 и поступают на ограничитель 4.

Строб-импульс блока 7, появляющийся при заданном значении поля в каждый полупериод перемагничивания , открывает ключ 5. Счетчиком 6 регулируется число выбросов ЭДС СБ за уровень ограничителя. Изменяя положение строб-импульса по петле гистерезиса, регистрируют огибающую текущей частоты выбросов ЭДС СБ. На вход ограничителя поступает центрированный случайный процесс в виде последовательности импульсов ЭДС СБ (рис. 2а).

На выходе ограничителя наблюдается последовательность прямоугольных импульсов (рис. 2б), частотные характеристики которых определяются числом положительных выбросов ЭДС СБ за уровень ограничителя С и практически не зависят от мощности процесса. Последнее позволяет при расчете числа положительных импульсов ЭДС СБ пользоваться простой моделью ЭДС СБ в виде неоднородного пуассоновского потока импульсов:

где - форма среднестатистического импульса ЭДС СБ, появляющегося в момент времени ; - число импульсов в малом промежутке .

Рис. 2. Амплитудные (а) и спектральные (б) параметры магнитошумового сигнала

Предполагается, что форма импульсов и их амплитуда постоянны, а вероятность появления К импульсов в интервале времени от до подчиняется закону Пуассона:

где - интенсивность потока импульсов, определяющая нестационарность ЭДС СБ по петле гистерезиса.

Реально предположить, что на протяжении длительности одного импульса ЭДС СБ изменение незначительно, т.е. имеет место квазистационарное изменение характеристик процесса (1). В этом случае математическое ожидание , дисперсия , корреляционная и ковариационная функции процесса определяются, согласно [2], как

Используя аппроксимацию формы среднестатистического импульса ЭДС СБ в виде суммы двух экспоненциальных функций [3]

где () являются коэффициентами аппроксимации, зависящими от свойств ферромагнетика, определим

Для вычисления текущего числа выбросов процесса за уровень селекции С воспользуемся выражением из работы [4]:

Анализ показывает, что для квазистационарного процесса [5]. Используя выражения (2-4), вычислим и , после подстановки которых в (5) запишем выражение для текущего числа выбросов ЭДС СБ в виде

Текущая частота выбросов ЭДС СБ определяется уровнем селекции С, формой импульсов ЭДС СБ и неоднородностью интенсивности потока импульсов по петле гистерезиса. С достаточной для практических исследований точностью функция может быть определена в виде

где - полное число СБ за полуцикл перемагничивания; - значение градиента поля перемагничивания; h - параметр, зависящий от магнитной текстуры ферромагнетика и определяемый экспериментально; - момент времени, соответствующий напряженности поля перемагничивания, равной и коэрцитивной силе ферромагнетика . В области интенсивность СБ максимальна, с увеличением скорости перемагничивания уменьшается и зависит от структурных свойств ферромагнетика.

По формуле (6) были проведены расчеты числа выбросов ЭДС СБ. Анализ выражения (6) показывает, что характер распределения числа выбросов ЭДС СБ по полю перемагничивания (рис. 3) определяется уровнем селекции С. Ось абсцисс проградуирована в относительных единицах . При С=2,0 В и С=1,3 В кривые имеют максимум в области , причем число выбросов ЭДС СБ для С=2,0 В значительно меньше, чем для С=1,3 В, вследствие того, что часть импульсов ЭДС СБ у основания перекрываются (тем больше, чем выше интенсивность процесса). Это приводит к снижению числа выбросов в области, близкой , а в областях, значительно отличных от , число импульсов ЭДС СБ, пересекающих уровень С, возрастает. Огибающая числа выбросов за уровень С=0 при имеет минимум. С повышением скорости перемагничивания увеличивается число выбросов ЭДС СБ, так как возникает интенсивность следования СБ и увеличивается число перекрывающихся импульсов.

Теоретические исследования сопоставлялись с экспериментальными зависимостями числа выбросов от уровня селекции на образцах из стали 30ХГСН2А размером 60х10х0,18 мм. Блок-схема экспериментальной установки изображена на рис.1. Образцы перемагничивались линейно изменяющимся током частотой 1 Гц и амплитудой 0,3 А.

На рис. 4 изображены экспериментальные кривые огибающих текущего числа выбросов ЭДС СБ за различные уровни С. Форма кривых для С=0,3 В и С=1,3 В качественно совпадает с соответствующими расчетными зависимостями (рис. 3). Более высокое положение кривой для С=0 объясняется тем, что в расчетной модели процесса (1) не учтено влияние собственных шумов измерительного канала устройства.

Для исследования влияния на число выбросов ЭДС СБ изменения свойств ферромагнетиков экспериментальные образцы подвергались поверхностному пластическому деформированию путем их упрочнения дробеструйной обработкой. Изменялись параметры режима дробеструйной обработки: Р - давление воздуха и - продолжительность упрочнения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Характер распределения числа выбросов ЭДС СБ по полю перемагничивания

Огибающие текущего числа выбросов ЭДС СБ для различных значений давления воздуха в пистолете Р (время упрочнения =1,5 мин) приведены на рис. 5.

С повышением степени пластической деформации (увеличение или Р) возрастает общее количество выбросов ЭДС СБ за уровень С=0,3 В, превышающий уровень собственных шумов измерительного канала (рис. 5б).

Это связано с изменением кристаллической структуры ферромагнетика путем измельчения и перемещения кристаллических зерен, а также с массовым развитием дислокаций. Образование локальных полей внутренних напряжений вызывает дробление исходной магнитной текстуры ферромагнетика и оказывает влияние на динамику СБ. При этом количество , интенсивность СБ повышаются, а форма импульсов ЭДС СБ изменяется.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Экспериментальные кривые огибающих текущего числа выбросов ЭДС СБ за различные уровни С

Возрастание и приводит к увеличению количества перекрывающихся импульсов и уменьшению числа выбросов ЭДС СБ за уровень С=0, не превышающий уровень собственных шумов измерительного канала (рис. 5а). Зависимости на рис. 5 могут быть использованы для контроля физико-механических свойств изделий по общепринятой методике выбора информативных параметров огибающих характеристик последовательности импульсов ЭДС СБ.

Разработан прибор, позволяющий изменять в широких пределах частоту и амплитуду тока перемагничивания, что в сочетании с регулируемым уровнем селекции магнитошумового сигнала дает новые возможности контроля параметров качества поверхностного слоя деталей. Основные технические характеристики прибора для измерения магнитошумовых параметров: максимальная амплитуда тока перемагничивания - 1 А; частота перемагничивания - 0,2 . 100 Гц; полоса пропускания усилителя на уровне 0,7. 300 кГц; коэффициент усиления - 80 qБ; приведенный к входу уровень шумов усилителя - не более 2 мкВ; приведенная относительная погрешность измерения - не более 3%; время измерения на этапе исследования - 20 с; время измерения на этапе контроля - 3 с; потребляемая мощность - не более 40 ВА.

Основными технологическими факторами процесса магнитошумового контроля являются ток перемагничивания I, А; частота тока перемагничивания f, Гц; уровень селекции С, В; положение строба полупериода перемагничивания s; коэффициент усиления сигнала Ку, дБ. Целевой функцией оптимизационной задачи выбора режимов контроля является показатель связи между параметрами распределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей и параметрами магнитного шума. Таким показателем может быть коэффициент их парной корреляции.

Основные параметры распределения остаточных напряжений первого рода в поверхностном слое после поверхностного пластического деформирования деталей: значение остаточных напряжений у поверхности детали п, Па; максимальные остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое max, Па; координата толщины поверхностного слоя на эпюре, соответствующая max, hmax, мм; толщина слоя со сжимающими остаточными напряжениями H, мм.

На основании экспериментальных данных построены зависимости коэффициентов парной корреляции параметров эпюры распределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из высокопрочной стали 30ХГСН2А с амплитудными и частотными параметрами ЭДС магнитного шума от технологических факторов контроля. На основании анализа полученных результатов выбирались режимы контроля, обеспечивающие наибольшее значение коэффициента парной корреляции и достаточно высокую точность контроля.

Разработана методика оптимизации режимов контроля остаточных напряжений в поверхностном слое после ППД. Установлено, что параметры ЭДС наиболее сильно коррелируют с поверхностными остаточными напряжениями и максимальными остаточными напряжениями. Значительно меньшая корреляция наблюдается с толщиной упрочненного слоя. В последнем случае значение коэффициента не превышает 0,3. Наибольшая корреляция обеспечивается при изменении текущих значений частотных и амплитудных параметров ЭДС магнитного шума в диапазоне s = 0,5. 0,75. Коэффициент парной корреляции в этом случае достигает значений 0,8. 0,85, что соответствует высокой их статистической связи. Указанный диапазон целесообразно использовать для изменения магнитошумовых параметров при контроле остаточных напряжений в поверхностном слое высокопрочной стали. Наиболее сильно остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое (п, max) коррелируют с частотными характеристиками магнитошумового сигнала при частоте перемагничивания 2 Гц. Установлено, что наиболее выгодным является уровень селекции С=2, при котором достигается наибольшая корреляция частотных характеристик с контролируемыми технологическими параметрами слоя. Увеличение уровня селекции при изменении частотных характеристик ЭДС приводит сначала к резкому росту коэффициента парной корреляции до 0,8, а затем к некоторому его снижению из-за уменьшения уровня сигнала.

Таким образом, оптимальными режимами контроля остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из высокопрочной стали 30ХГСН2А при измерении амплитуды магнитного шума являются сила тока перемагничивания 0,5 А, частота тока перемагничивания 0,2…0,5 Гц, положение интервала стробирования (Тi/Тп) 0,5 … 0,75. При измерении спектральных характеристик оптимальными режимами являются сила тока перемагничивания 0,5 А, частота тока перемагничивания 2, Гц, положение интервала стробирования (Тi/Тп) 0,5 … 0,75, уровень селекции 2. Коэффициент парной корреляции в этом случае достигает значений 0,85 . 0,9.

Рис. 5. Зависимость частоты МШ от давления при дробеструйной обработке

Эпюра распределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей после ППД может оцениваться на основе анализа спектральных или амплитудных параметров ЭДС магнитного шума, регистрируемых при различных режимах контроля.

При увеличении пластической деформации поверхности ЭДС магнитного шума изменяется неоднозначно. Изменением стробирования и уровня селекции может быть обеспечен различный характер зависимости параметра магнитошумового сигнала и его чувствительность к изменению свойств поверхностного слоя. Максимум ЭДС при увеличении степени деформации поверхности сначала несколько снижается, а затем смещается в область меньших значений координаты строба. Поэтому изменением стробирования и уровня селекции можно добиться как прямой, так и обратной зависимости ЭДС от степени деформации поверхности.

Для оценки эффективной глубины сканирования поверхности при перемагничивании стали разработана феноменологическая модель формирования ЭДС магнитного шума. Приращение ЭДС за счет перемагничивания слоя толщиной dh на расстоянии h от поверхности детали описывается формулой

где , , - постоянные, определяемые физико-механическими свойствами материала.

Численное интегрирование дифференциального уравнения проводилось с помощью ЭВМ. Параметры модели оценивались с учетом обеспечения максимального коэффициента парной корреляции ЭДС шума с остаточными напряжениями.

Показано, что при перемагничивании стали 30ХГСН2А с частотой 5Гц постоянная равна 25,3. Таким образом, вклад в ЭДС магнитного шума слоя, расположенного на расстоянии 0,04 мм от поверхности, составляет 35. 38 %, а слоя, расположенного на расстоянии 0,08 от поверхности, - лишь 13. 15% от общего уровня шума. Средневыпрямленная ЭДС несет основную информацию о поверхностном слое толщиной до 0,1 мм.

Изменение фильтрующих элементов позволяет регулировать полосу частот ЭДС магнитного шума в диапазоне 10. 400 кГц . При этом магнитошумовой сигнал формируется в поверхностном слое от 0,04 до 0,12 мм.

На основе проведенных экспериментальных исследований получена следующая зависимость распределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из высокопрочной стали 30ХГСН2А от частотных параметров магнитошумового сигнала:

+0,12F0,45F0,85+ 0,0295F0,852-0,0616F0,45 ГПа, (7)

где F0,45 и F0,85 - частоты магнитошумового сигнала при стробировании при Тi/Тп, равном 0,45 и 0,85 соответственно.

Модель обладает достаточно высокой информативной способностью и адекватна экспериментальным данным при 95%-м уровне доверительной вероятности. Таким образом, для оценки эпюры распределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей достаточно измерить две частотные характеристики магнитошумового сигнала. Подставив эти значения в уравнение (7), можно получить аналитическое описание эпюры остаточных напряжений.

1. Плешаков, В.В. Магнитошумовой контроль технологических напряжений/ В.В. Плешаков, В.Е. Шатерников, В.В. Филинов. - М.: ИНТС, 2003. -155с.

2. Плешаков, В.В. Неразрушающий контроль технологических напряжений/ В.В. Плешаков, А.Г. Схиртладзе, Т.В. Никифорова. - М.: МГТУ «Станкин», 2002. -130с.

3. Соколик, А.А. Частотные характеристики выходных сигналов преобразователей при контроле магнитных изделий методом шумов Баркгаузена/ А.А. Соколик, В.В. Плешаков, В.В. Филинов // Физические методы и приборы контроля качества материалов и изделий: межвуз. темат. сб. - М.: МЭИ,1984. - №38. - С. 112-119.

4. Способ измерения остаточных напряжений в ферромагнитных объектах: а.с. 1114938 СССР: 01№27/83/ В.Е. Шатерников, В.В. Плешаков, А.А. Штин, А.И. Соколик. - М.: Госкомитет СССР по делам изобрет. и открытий, 1984. - 4 с.

5. Устройство для контроля изделий методом эффекта Баркгаузена: а.с. 1179204 СССР: G01N27/83 / В.Е. Шатерников, В.В. Плешаков, А.А. Соколик. - М.: Госкомитет СССР по делам изобрет. и открытий, 1985. -3 с.

6. Способ контроля степени упрочнения: а.с. 1182380 СССР G01N27/83, G01RЗЗ/12 / В.В. Плешаков, А.А. Штин, А.И. Соколик. - М.: Госкомитет СССР по делам изобрет. и открытий, 1985. - 4с.

7. Плешаков, В.В. Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием/ В.В. Плешаков [и др.]; под общ. ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2006. - Т. 1. - 480 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Описание разработанной конструкции, определение распределения усилия между рабочими и опорными валками, изгибающих моментов и нормальных напряжений, запасов прочности. Контактное напряжение и деформация в поверхностном слое, расчет подшипников в опорах.

курсовая работа [662,2 K], добавлен 04.05.2010

Основные особенности обработки деталей плоским шлифованием торцом круга на токарно-винторезном станке 1К62. Анализ интенсивности и глубины распространения наклепа, величины и характера остаточных напряжений. Частота вращения шлифовального круга.

доклад [36,0 K], добавлен 06.02.2012

Физические основы и технологические возможности процессов дробеупрочнения деталей машин. Устройство и работа дробемётных установок. Остаточное напряжение на упрочненной поверхности образца. Проверка правильности определения остаточных напряжений.

лабораторная работа [340,2 K], добавлен 27.12.2016

Разработка способа обработки для нанесения микрорельефа на сальниковые шейки деталей ВАЗ. Факторы, обеспечивающие возникновение остаточных напряжений сжатия и повышение микротвердости поверхности. Описание основных вредных производственных факторов.

дипломная работа [3,2 M], добавлен 29.09.2010

Технологический процесс изготовления лопатки. Глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов. Изготовление алмазных роликов. Процесс гидродробеструйного упрочнения. Определение остаточных напряжений. Оборудование для усталостных испытаний лопаток.

дипломная работа [2,1 M], добавлен 12.04.2014

Владельцы патента RU 2553715:

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магнитошумовой способ контроля состояния прочности силовых конструкций из ферромагнитных материалов и может найти применение при проведении технического освидетельствования силовых (несущих) конструкций. При реализации способа на диагностируемую конструкцию воздействуют переменным электромагнитным полем, в результате чего в измерительной катушке, находящейся на поверхности диагностируемой конструкции, индуцируется электродвижущая сила, суммарный отклик которой, называемый магнитным шумом, регистрируется измерительной аппаратурой. Полученный сигнал преобразуется к численному значению и сравнивается с базовыми сигналами. Базовые значения сигналов, определяемые на аналогичных образцах конструкций при воздействии всех возможных видов нагрузок до разрушения, формируют базу данных, в которой каждому значению на основе экспериментально установленной взаимосвязи «состояние прочности - значение сигнала» присваивается состояние прочности, которое может быть количественно выражено в требуемых для диагностируемой конструкции показателях. Техническим результатом является оценка текущего состояния прочности силовых конструкций из ферромагнитных материалов. 2 ил.

Изобретение относится к области диагностики состояния прочности силовых конструкций из ферромагнитных материалов и может найти применение при проведении технического освидетельствования силовых (несущих) конструкций.

Известно, что прочность конструкций обеспечивает требуемый уровень механических свойств материала, которые зависят от структуры и текстуры материала, количества и вида дефектов кристаллического строения, что формируется при различных технологических процессах изготовления конструкций и изделий [Б.Н. Арзамасов и др. Материаловедение: - М: МГТУ им. Баумана, 2004. - 646 с.]. При работе на конструкции воздействуют эксплуатационные нагрузки, приводящие как к износу, при действии сил трения, усталостному разрушению, вследствие циклического нагружения, так и изменению структуры и (или) текстуры материала, вследствие температурного воздействия или иных факторов. Кроме эксплуатационных нагрузок конструкции могут подвергаться нагрузкам, превышающим допустимые (при нарушениях правил эксплуатации), или, при аварийных ситуациях, воздействиям, не учитываемым при прочностном расчете (например, ударные воздействия, приводящие к образованию концентраторов напряжений, температурные воздействия при пожаре или локальном воздействии пламени, приводящие к текстурным и (или) структурным изменениям материала конструкций). Все изменения, происходящие в материале конструкций, влияют на механические свойства материала и тем самым на прочность конструкций.

Известны способы определения дефектов конструкций, в основе которых лежит фиксация аномалий магнитного поля при внешнем намагничивании [Измерение, контроль, качество. Неразрушающий контроль: Справочник. - М.: ИПК. Издательство стандартов, 2002. - 708. с]. Известны способы обнаружения механических повреждений конструкций на основе эффекта Холла [Коллакот Р. Диагностика повреждений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 512 с.].

Данные способы позволяют обнаружить дефекты и механические повреждения конструкций, но не пригодны для контроля состояния прочности при изменениях структуры и текстуры материала.

Известен способ диагностики элементов конструкции гребного винта [Патент на изобретение РФ №2032591, МПК6 В63Н 1/02, 1995 г.], позволяющий диагностировать процессы износа и усталости. Данный способ заключается в создании в контролируемых элементах конструкции вихревых токов, измерении сигналов ЭДС индукции вторичного переменного магнитного поля, сравнении формы и амплитуды сигналов с сигналами, соответствующими исправному состоянию конструкции.

К числу недостатков данного способа можно отнести следующее: данный способ позволяет обнаружить дефекты, связанные с износом и явления усталостного разрушения, т.е., как и способы, приведенные выше, не пригоден для контроля состояния прочности при изменениях структуры и (или) текстуры материала. Отклонение измеренных сигналов от сигналов, соответствующих исправному состоянию конструкции, позволяет установить факт ненахождения конструкции в исходном, т.е. полностью исправном состоянии, и не позволяет провести оценку текущего состояния прочности для установления возможности дальнейшей эксплуатации конструкции и (или) определения остаточного ресурса работы конструкции.

Известен магнитошумовой метод неразрушающего контроля, физическая сущность которого заключается в перемагничивании материала переменным магнитным полем, в результате которого в его поверхностном слое возбуждаются импульсные стохастические электромагнитные волны, обусловленные скачкообразным последовательным смещением стенок магнитных доменов. В измерительной катушке индуцируется электродвижущая сила, электромагнитные характеристики которой зависят от геометрических и электрофизических параметров материала. Суммарный отклик электродвижущей силы, регистрируемый измерительной аппаратурой, - это магнитный шум, параметры которого являются информативными [Венгринович В.Д., Бусько В.Н. Магнитошумовой метод контроля химического состава ферромагнитных сплавов. «Дефектоскопия». 1982 г., №2].

Наиболее близким - по совокупности признаков - аналогом является способ магнитошумовой диагностики элементов кузова автомобилей, позволяющий оценивать техническое состояние элементов кузова автомобилей, выполненных из ферромагнетиков, при сравнении уровня магнитного шума диагностируемого элемента с эталонным сигналом, определяемым как среднее значение измеренного уровня магнитного шума бездефектных элементов кузовов автомобилей, или при сравнение с базой данных, содержащей информацию об уровне магнитного шума при наличии различных дефектов элементов кузова автомобиля [Решенкин А.С., Тихомиров А.Г. Устройство для магнитошумовой диагностики элементов кузова автомобилей. Свидетельство на полезную модель №38946, МПК7 G01N 27/72, 2004 г.].

К его недостатку можно отнести следующее: данный способ, позволяя обнаружить наличие различных скрытых лакокрасочным покрытием дефектов, не позволяет диагностировать состояние прочности конструкции.

Задача, на решение которой направлен предлагаемый способ, заключается в оценке текущего состояния прочности силовых конструкций из ферромагнитных материалов по результатам диагностики микроструктуры материала на основе применения магнитошумового метода неразрушающего контроля, позволяющей установление возможности дальнейшей эксплуатации, определение остаточного ресурса работы конструкций или показателей, характеризующих состояние прочности.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является оценка текущего состояния прочности силовых конструкций из ферромагнитных материалов на основе применения магнитошумового метода неразрушающего контроля.

Технический результат достигается тем, что на диагностируемую конструкцию воздействуют переменным электромагнитным полем, в результате которого в поверхностном слое материала возбуждаются импульсные стохастические электромагнитные волны, обусловленные скачкообразным последовательным смещением стенок магнитных доменов. В измерительной катушке, находящейся на поверхности диагностируемой конструкции, индуцируется электродвижущая сила, суммарный отклик которой, называемый магнитным шумом, регистрируется измерительной аппаратурой. Полученный сигнал, характеризующийся временными и частотными характеристиками, по одному или нескольким параметрам (амплитуда, длительность, фаза, частота, спектральная плотность и др.) преобразуется к численному значению и сравнивается с базовыми сигналами. Базовые значения сигналов определяются экспериментально при точном соответствии режима воздействия переменного электромагнитного поля на аналогичных образцах конструкций при воздействии всех возможных видов нагрузок до разрушения. Полученные базовые значения сигналов формируют базу данных, в которой каждому значению, на основе экспериментально установленной взаимосвязи в виде функциональных зависимостей «состояние прочности - значение сигнала», присваивается состояние прочности, которое при этом может быть количественно выражено в требуемых для диагностируемой конструкции показателях (механическое свойство, наработка, максимально допустимая грузоподъемность, остаточный ресурс работы и др.).

Магнитошумовой способ контроля состояния прочности силовых конструкций из ферромагнитных материалов включает в себя следующую последовательность действий.

1. Силовые конструкции (изделия) подвергаются анализу с целью определения эксплуатационных нагрузок и возможных нагрузок при аварийных ситуациях.

2. Образцы различных частей силовых конструкций подвергаются экспериментальным исследованиям, в ходе которых на них воздействуют определенными в пункте 1 нагрузками, с одновременной магнитошумовой диагностикой и регистрацией сигнала магнитного шума, преобразованного к численному значению по одному или нескольким параметрам (амплитуда, длительность, фаза, частота, спектральная плотность и др.).

3. На основе экспериментов для всех видов нагрузок устанавливается взаимосвязь в виде «состояние прочности - значение сигнала», что и формирует базу данных. Состояние прочности может быть количественно выражено в требуемых для диагностируемой конструкции показателях (механическое свойство, наработка, максимально допустимая грузоподъемность, остаточный ресурс работы и др.). Для удобства пользования взаимосвязь «состояние прочности - значение сигнала» может быть отражена графически.

4. При проведении технического освидетельствования с целью определения текущего состояния прочности силовые конструкции подвергаются магнитошумовой диагностике, при этом должны быть соблюдены режимные параметры магнитошумовой диагностики пункта 2.

5. Полученные сигналы сравниваются с сигналами базы данных и на основании этого устанавливается текущее состояние прочности силовой конструкции.

Возможность технической реализации данного способа доказана авторами при проведении экспериментальных исследований образцов из различных ферромагнитных сталей без термообработки и после различных видов термообработки при многоцикловом и малоцикловом нагружении до разрушения, температурных воздействиях с последующим испытанием на разрывной машине. Ниже приведены результаты исследований циклической долговечности образцов из стали 40Х прокат, свидетельствующие о технической реализуемости предлагаемого способа.

Образцы подвергались циклическому нагружению с периодическим осмотром и определением сигнала магнитного шума, в качестве которого в данном эксперименте была выбрана спектральная плотность, приведенная к условным единицам. На фиг. 1 графически представлена зависимость приращения сигнала магнитного шума от количества циклов нагружения с амплитудой деформации, обеспечивающей нагрузку, составляющую 80% от предела текучести, построенная в полулогарифмических координатах. За ноль принят исходный сигнал магнитного шума образцов до испытаний, который был постоянный по всей длине образцов, что обусловлено одинаковой структурой и текстурой материала, а также одинаковым количеством дефектов кристаллической структуры.

На полученной экспериментальной зависимости можно выделить три характерных участка. Первый участок характеризуется резким увеличением значений сигнала на первых 100 циклах, что по аналогии можно назвать приработкой, т.е. возникает некоторая поврежденность материала образца, незначительно влияющая на прочность. Второй участок характеризуется постепенным ростом сигнала, что свидетельствует о постепенном росте поврежденности материала. Третий участок характеризуется резким ростом сигнала. На третьем участке интенсивность накопления повреждений возрастает, достигая в конце критической величины, а механизм поврежденности переходит с микро- на макроуровень, который заканчивается образованием трещин на поверхности и разрушением при 82000 циклах нагружения.

Полученная зависимость является базовой для элементов конструкций, имеющих одинаковое с экспериментальными образцами сечение, выполненных из стали 40Х прокат и подверженных циклическим нагрузкам, соответствующим экспериментальным. Для установления состояния прочности диагностируемой конструкции необходимо, при соблюдении режимных параметров магнитошумовой диагностики эксперимента, определить приращение сигнала магнитного шума, отложить на графике базовых сигналов и оценить текущее состояние прочности, определив (в данном случае) наработку и остаточный ресурс работы, выраженные в циклах нагружения. Например, при приращении сигнала магнитного шума 3,7 условных единицы (см. фиг. 2) наработка составляет около 40000 циклов, остаточный ресурс работы, определяемый как разница между количеством циклов до разрушения и наработкой, равен 52000 циклов.

Аналогичные испытания сварных швов, а также проведенные на разрывных машинах малоцикловые нагружения образцов и образцов после температурных воздействий (температурные воздействия приводили к текстурным и структурным изменениям материала образцов, что устанавливалось микроанализом) также доказали техническую реализуемость предлагаемого способа.

Предлагаемый способ позволяет провести оценку состояния прочности силовых конструкций из ферромагнитных материалов, на всех этапах жизненного цикла конструкций, и позволяет диагностировать снижение прочности конструкций, обусловленное наличием микротрещин, микроструктурными или текстурными изменениями материала до появления дефектов, наличие которых является причиной разрушения силовых конструкций.

Магнитошумовой способ контроля состояния прочности силовых конструкций из ферромагнитных материалов, основанный на использовании магнитошумового метода неразрушающего контроля, заключающийся в воздействии на диагностируемую конструкцию переменного электромагнитного поля, в результате которого в поверхностном слое материала возбуждаются импульсные стохастические электромагнитные волны, обусловленные скачкообразным последовательным смещением стенок магнитных доменов, а в измерительной катушке, находящейся на поверхности диагностируемой конструкции, индуцируется электродвижущая сила, суммарный отклик которой, называемый магнитным шумом, регистрируется измерительной аппаратурой, отличающийся тем, что полученный сигнал, характеризующийся временными и частотными характеристиками, по одному или нескольким параметрам (амплитуда, длительность, фаза, частота, спектральная плотность или другие параметры, полученные в результате обработки временных и частотных характеристик сигнала) преобразуется к численному значению и сравнивается с базовыми сигналами, которые определены экспериментально в том же порядке на аналогичных образцах конструкций при воздействии всех возможных видов нагрузок до разрушения и формируют базу данных, в которой каждому значению сигнала, на основе экспериментально установленной взаимосвязи в виде функциональных зависимостей «состояние прочности - значение сигнала», присваивается состояние прочности, которое при этом может быть количественно выражено в требуемых для диагностируемой конструкции показателях.

Библиографическая ссылка на статью:
Дроздов В.С. Магнитные методы неразрушающего контроля и дефектоскопии // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 8. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/08/57254 (дата обращения: 24.04.2021).

Магнитные методы используются для обнаружения внутренних дефектов в ферромагнитных изделиях, находящихся в намагниченном состоянии, а также для отбраковки изделий с аномальными магнитными характеристиками. Обнаруживаются дефекты типа раковин, трещин, непровары сварных швов, инородные включения. При этом контролю подвергаются различные конструкционные узлы РЭА: арматура блоков, антенно-фидерные устройства и т.д.

Часто магнитные методы используются для контроля качества различных ферромагнитных изделий радиоэлектроники (ферритовые кольца, стержни, магнитопроводы, магнитные плёнки, экраны и т.д.); для измерения характеристик магнитных материалов (основная кривая намагничивания, петля гистерезиса, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила, магнитная проницаемость) и для измерения толщины ферромагнитной плёнки на немагнитном основании или немагнитных покрытий на ферромагнитных основаниях.

Классификацию устройств магнитного контроля можно осуществить по их назначению, а также по типу используемых измерительных преобразователей.

1. Магнитные дефектоскопы – приборы, предназначенные для обнаружения скрытых дефектов в ферромагнитных изделиях. К ним относятся:

-индукционные дефектоскопы, использующие пассивные магнитоэлектрические преобразователи;

-феррозондовые дефектоскопы, использующие активные магнитоэлектрические преобразователи;

-магнитопорошковые дефектоскопы, использующие для визуализации дефектов порошки из магнитных материалов;

-магнитографические дефектоскопы, работающие по принципу видеомагнитофонов с записью распределения дефектов на магнитную ленту.

2. Магнитные толщиномеры – приборы для контроля толщины ферромагнитных покрытий, использующие в качестве магнитоэлектрических преобразователей датчики Холла, магниторезисторы и тонкие катушки поля.

3. Приборы для исследования и контроля магнитных свойств и характеристик ферромагнитных материалов и изделий. Здесь магнитоэлектрическим преобразователем служит само изделие, подвергаемое контролю.

Сущность методов магнитной дефектоскопии заключается в том, что дефект в ферромагнитном материале представляет собой высокое магнитное сопротивление, которое большая часть магнитных линий стремится обойти (рис.1). Это приводит к их концентрации на краях дефектов и к созданию разности магнитных потенциалов на этих краях.

Одной из центральных задач магнитной дефектоскопии является определение зависимости магнитных полей дефектов (их формы и напряжённости) от геометрических размеров и расположения дефектов. Это необходимо для быстрого обнаружения дефектов и их распознавания. Анализ напряжённости магнитного поля внутри трещины и рассеянного поля вне её указывает на то, что по этому рассеиваемому полю можно не только обнаружить дефект на поверхности и залегаемый на некоторой глубине от неё, но и в некоторых случаях оценить его размеры.

Рис.1. Влияние дефектов на распределение магнитного поля в образце и вне его

В зависимости от направления намагничивания детали по отношению к расположенному в ней дефекту (трещине) форма рассеянного дефектом поля различна. Так, например, при намагничивании детали в направлении, параллельном поверхности, кривые изменения напряжённости магнитного поля описываются выражением

(1)

и имеют форму, представленную на рис.2.,б. При намагничивании детали в направлении, перпендикулярном поверхности (рис.3), напряжённость внешнего рассеянного поля трещины описывается выражением

(2)

где σ O – плотность магнитных зарядов; uO – магнитная проницаемость и имеет форму, показанную на рис.2, в.

Рис. 2. Форма магнитного поля, рассеянного дефектом типа «прямоугольная трещина»

Все методы магнитной дефектоскопии включают в себя три основных этапа: намагничивание детали, обнаружение дефекта и размагничивание детали.

Рис. 3. Внешнее поле образца с дефектом, намагниченного в направлении, перпендикулярном поверхности

Дефекты оптимально обнаруживаются в случае, когда направление намагничивания контролируемой детали перпендикулярно направлению дефекта (трещины). Поэтому важно для обнаружения дефекта деталь намагнитить в различных направлениях.

Обычно применяют три способа намагничивания: циркулярное, продольное (полюсное), комбинированное. Последний способ показан на рис.4.

Для размагничивания деталей применяют два основных способа:

- нагрев детали до температуры Кюри, при которой ферромагнитные свойства пропадают;

- размагничивание детали переменным магнитным полем с равномерно уменьшающейся до нуля амплитудой.

Рис. 4. Комбинированное намагничивание

Первый способ применяют редко, т.к. при нагреве могут изменяться механические свойства материала детали. Второй способ применяют чаще. При этом используют переменные магнитные поля с частотой от долей герца до 50…100 Гц.

Чем больше магнитная проницаемость материала и толщина детали (стенки детали), тем ниже должна быть частота размагничивающего переменного магнитного поля.

Для размагничивания детали применяют различные демагнитизаторы. Они представляют собой соленоиды переменного тока различной частоты. Размагничивание в них производится или уменьшением тока в соленоидах, или удалением деталей из центральной части соленоидов на расстояние, на котором напряжённость поля демагнитизатора можно принять равной нулю.

Индукционные дефектоскопы (рис.5). Выходной сигнал индукционного преобразователя (катушки провода с сердечником или без него) зависит от скорости изменения напряжённости измеряемого магнитного поля.

Рис. 5. Схема работы магнитоиндукционного дефектоскопа

Так как пассивный индукционный датчик регистрирует лишь изменение магнитного потока, пронизывающего его витки, то для обнаружения дефектов с помощью индукционного дефектоскопа необходимо обеспечить взаимное перемещение преобразователя и контролируемого объекта либо с помощью специального сканирующего устройства, либо путём протягивания изделия (транспортировка на конвейере) относительно преобразователя.

Феррозондовые дефектоскопы отличаются от индукционных типом датчика и аппаратурой. Они содержат совмещённые системы намагничивания объекта и сканирования феррозондовым преобразователем. Они более чувствительны к выявляемым дефектам, обладают большей точностью определения местоположения дефекта и имеют большую помехоустойчивость к фоновым шумам.

Феррозондовый преобразователь является магнитоэлектрическим преобразователем активного типа. Происходящие в нём процессы всегда связаны с взаимодействием двух полей – внешнего измеряемого поля, рассеянного дефектом, и дополнительного поля возбуждения, образуемого за счёт тока, протекающего в одной из обмоток. Взаимодействие этих полей в объёме пермаллоевых сердечников приводит к появлению в другой обмотке ЭДС, по значению которой судят о наличии дефекта и его параметрах (размерах, глубине залегания).

Принцип действия феррозондового дефектоскопа показан на рис.6. Конструктивно феррозондовый датчик представляет собой два пермаллоевых сердечника с первичными обмотками возбуждения и вторичными измерительными обмотками на каждом сердечнике. Первичные обмотки соединены последовательно, а вторичные – встречно.

Рис. 6. Схема включения обмоток датчика в феррозондовом дефектоскопе и замыкания поля дефекта

При отсутствии дефектов в контролируемом изделии внешнее магнитное поле, намагничивающее образец, и магнитное поле, рассеянное образцом, не оказывают влияния на характеристику перемагничивания пермаллоевых сердечников феррозондов и во вторичных обмотках происходит симметричная компенсация индуцированных токов i1 и i2 , возбуждаемых токами первичных обмоток.

При наличии дефекта в контролируемом изделии вблизи от него появится рассеянное им магнитное поле, силовые линии которого будут замыкаться через пермаллоевые сердечники феррозондов. При этом цикл их перемагничивания станет несимметричным и более широким в той части, в которой совпадают направления внутреннего (возбуждаемого первичной обмоткой) и внешнего (рассеянного дефектом) полей. Это приведёт к тому, что в индикаторной цепи феррозонда появится сигнал (i1+i2) с удвоенной по отношению к возбуждаемому току частотой. Присутствие этого сигнала в индикаторной цепи и его значение указывают на наличие дефекта в образце и его размеры.

При магнитопорошковом методе контроля дефекты обнаруживаются по месту локализации магнитного порошка на поверхности детали. То есть осуществляется своеобразная визуализация подповерхностных дефектов и невидимых для невооружённого глаза поверхностных нарушений сплошности.

При магнитографическом методе выявление дефектов осуществляется с помощью магнитной ленты, на которую они записываются во время её протяжки по контролируемому образцу. Отображение этих дефектов осуществляется с помощью электронной системы, подобной видеомагнитофону, на экране ЭЛТ в процессе считывания сигнала с магнитной ленты. Синхронно со считыванием дефекта с ленты специальное устройство-отметчик фиксирует обнаруженные дефекты на объекте.

Библиографический список

А также даются рекомендации по выбору дефектоскопов, магнитных индикаторов, вспомогательных приборов для проверки режима намагничивания деталей и выявляющей способности магнитных индикаторов, стандартных образцов для проверки средств контроля.
Магнитопорошковый метод является одним из наиболее распространенных в системе НК деталей и узлов локомотивов и моторвагонного подвижного состава (МВПС). Объясняется это тем, что большинство деталей изготовлено из конструкционных сталей и легко намагничивается. Кроме того, он гарантирует надежное выявление поверхностных усталостных трещин, возникающих в процессе эксплуатации. При этом обеспечивается высокая чувствительность, выявление мельчайших дефектов.
В последние годы метод нашел широкое применение в самых различных отраслях отечественной промышленности и за рубежом. Не остались в стороне и предприятия железнодорожного транспорта, где асе большее применение находят новые современные методы НК (феррозондовый, вихретоковый, акустико-эмиссионный), позволяющие автоматизировать технологические операции контроля.
Однако и сегодня магнитопорошковый метод остается одним из основных. С его помощью обеспечивается контроль важнейших деталей подвижного состава: осей колесных пар и колец подшипников, зубчатых колес и шестерен. Этим же методом контролируют 150 деталей локомотивов и электропоездов.
В последние годы совершенствуются технология и средства магнитопорошкового контроля. Специалистами Департамента локомотивного хозяйства (ЦТ) МПС и учеными отрасли разработана и направлена на железные дороги Инструкция по неразрушающему контролю деталей локомотивов и моторвагонного подвижного состава № ЦТт/18/1, 1999 г. "Магнитопорошковый метод".
Что же требуется для проведения магнитопорошкового контроля? Прежде всего, для каждого предприятия необходимо разработать технологические карты, в которых указываются все операции контроля и последовательность их выполнения, а также критерии браковки деталей. Требования к форме и содержанию технологических карт приведены в инструкции.
Магнитопорошковый контроль деталей подвижного состава проводится двумя способами: по остаточной намагниченности (СОН) или по приложенному полю (СПП). В первом варианте контролируются детали из магнитотвердых материалов: кольца роликовых подшипников. зубчатые колеса и шестерни, закаленные шейки валов. Все другие детали контролируются СПП.
При всех способах используются магнитопорошковые дефектоскопы, которые состоят из блока питания (или управления) и намагничивающих устройств: соленоидов, стационарных или ручных электромагнитов, постоянных магнитов, различных индукторов с силовыми кабелями для намагничивания деталей сложной формы.
Сегодня ремонтные предприятия активно оснащаются современными средствами магнитопорошкового контроля. Назову некоторые из них, которые уже нашли самое широкое применение в депо и на заводах отрасли. Это устройство УМДЗ для контроля прямозубых и косозубых шестерен и ведомых зубчатых колес тяговых редукторов, установка ТПС-9706, с помощью которой проверяют свободные кольца диаметром от 100 до 400 мм подшипников качения буксовых узлов, стенд СМК-12 для мелких деталей. Хорошо зарекомендовали себя малогабаритные электромагниты МЭД 40/120 при контроле деталей сложной формы.
Однако обновление технических средств НК на ремонтных предприятиях идет медленно. Проведенный анализ показал, что более 40 % дефектоскопов, применяемых в локомотивном хозяйстве, не отвечают современным требованиям. Например, используют магнитопорошковые дефектоскопы ДКМ-1Б, ДГС, ДГЭ, ДГЗ всех модификаций, которые выработали свой ресурс, сняты с производства и подлежат замене на дефектоскопы МД-12ПШ, МД-12ПЭ, МД-12ПС. УМДЗ с улучшенными характеристиками. Применяются всевозможные самодельные намагничивающие устройства с ненормированными техническими характеристиками.
Дефектоскопы часто используются не по назначению. Например, МД-12ПС с седлообразным намагничивающим устройством применяют для контроля шейки оси колесной пары или зубчатого колеса (шестерни), что совершенно не соответствует требованиям действующих нормативных документов. В некоторых депо слабо организована проверка режима намагничивания деталей и выявляющей способности магнитных индикаторов, так как не удосужились приобрести необходимые для этого приборы.
При контроле большой номенклатуры деталей используются дефектоскопы, требующие больших физических усилий и, естественно, затрат времени. Отсутствуют механизированные установки для контроля колесных пар локомотивов, свободной оси колесной пары, деталей автосцепного устройства, электрических машин. Низкий уровень механизации снижает производительность труда и достоверность результатов.
Поэтому при создании новых средств магнитопорошкового контроля больше внимания следует уделять механизации и автоматизации операций контроля. Существенно повысить эффективность магнитопорошкового метода можно при создании механизированных стендов, состоящих из следующих унифицированных блоков (модулей): механической части (стола, опор и приспособлений для размещения и перемещения контролируемых деталей, кронштейнов и кареток для закрепления и перемещения намагничивающих устройств):
- блока питания (или управления);
- намагничивающих устройств;
- устройств нанесения магнитных индикаторов (порошков или суспензий);
- измерителей намагничивающих токов;
- измерителей напряженности магнитного поля;
- сервисных приспособлений.
Блок питания предназначен для формирования переменного и импульсного намагничивающего тока в различных намагничивающих устройствах. Он обеспечивает включение, выключение, плавное или ступенчатое регулирование и индикацию намагничивающего тока, автоматическое размагничивание контролируемых деталей. Вид намагничивающего тока выбирается в зависимости от применяемого способа контроля с учетом магнитных свойств материала детали. Диапазон регулирования намагничивающего тока - в зависимости от применяемого способа намагничивания с учетом формы и размеров детали. Для комплектации стендов, обеспечивающих магнитопорошковый контроль всей номенклатуры деталей, достаточно создать типовой ряд из 4 - 5 блоков питания разной мощности и видов тока с различными выходными напряжениями для подключения универсальных намагничивающих устройств.
На наш взгляд, целесообразно применять такие универсальные намагничивающие устройства, как двухсекционные разъемные и неразъемные соленоиды с диаметрами рабочего отверстия 220 и 280 мм, электромагниты, седлообразное устройство, индукторы для намагничивания зубчатых колес и шестерен и др.
При создании методик магнитопорошкового контроля большое внимание уделяется методологическому обеспечению. На предприятия отправлена методика калибровки наиболее распространенных магнитопорошковых дефектоскопов МД-12ПШ, МД-12ПЭ и МД-12ПС, заканчивается разработка методики калибровки других дефектоскопов. Имеются стандартные образцы предприятий (СОП) с искусственными дефектами для проверки выявляющей способности магнитных индикаторов и работоспособности средств контроля и методики их аттестации.
СОП с искусственными дефектами представляют собой пластину, прямоугольный или цилиндрический брусок с отношением длины к максимальной ширине поперечного сечения (или диаметру) не менее 5:1.
Для проверки работоспособности средств контроля используют детали или их части (фрагменты). СОП имеют вставки из материала контролируемой детали с поверхностными искусственными дефектами. Проверка работоспособности средств контроля допускается только с применением СОП с естественными дефектами (трещинами) при наличии специализированных приборов, которые выявляют способности магнитных индикаторов и режима намагничивания деталей. СОП с естественными дефектами представляют собой детали или их фрагменты с невидимыми при осмотре (без применения луп) дефектами. Их отбирают из числа забракованных деталей.
В настоящее время депо оснащаются основными типами СОП с искусственными дефектами, приведенными в таблице,
При контроле разных деталей одним дефектоскопом работоспособность средств контроля допускается проверять только с помощью СОП одного типа, изготовленного или отобранного из любой контролируемой детали или ее части.
Для проверки дефектоскопов и режима намагничивания деталей следует применять портативные измерители магнитной индукции - миллитесламетры ТП2-2У или ИМП-2.
Эффективность магнитопорошкового контроля в значительной степени зависит от качества применяемых магнитных индикаторов. В последние годы хорошо зарекомендовали себя магнитные индикаторы типа "Диагма", обладающие высокой чувствительностью. Они выпускаются в виде магнитных порошков для сухого способа нанесения или концентратов магнитных суспензий (КМС) - черных, цветных и люминесцентных.
КМС содержат мелкие магнитные частицы, поэтому магнитные суспензии на их основе обладают высокой чувствительностью и экономичны. Кроме магнитных частиц. КМС имеют кондиционирующие добавки, обеспечивающие смачивающие, антикоэгулирующие и антикоррозийные свойства.
При контроле деталей, которые подвергаются машинной мойке, рекомендуется применять водные магнитные суспензии на основе КМС. Они легко наносятся на детали с помощью бытовых распылителей, что невозможно при использовании масляных суспензий на основе магнитных порошков с крупными частицами. При контроле деталей с масляными загрязнениями, которые плохо поддаются очистке, следует использовать суспензии на основе смеси трансформаторного масла с дизельным топливом или керосином.
Сухие магнитные порошки целесообразно использовать при проверке деталей с грубой необработанной поверхностью, когда магнитопорошковым методом выявляются более крупные дефекты. Магнитные индикаторы должны обеспечивать необходимый контраст с контролируемой поверхностью, поэтому при проверке деталей с обработанной светлой поверхностью рекомендуется применять черные магнитные индикаторы, при контроле деталей с темной необработанной поверхностью - цветные или люминесцентные.
Специалисты и ученые отрасли рекомендуют также зарубежные магнитные индикаторы. Нами испытаны магнитные индикаторы фирмы "Circle Sistems Company, inc." (США), которые можно использовать на предприятиях железнодорожного транспорта. Эти индикаторы образуют окрашенный валик магнитного порошка как на обработанной, так и на необработанной поверхностях деталей при сравнительно невысокой концентрации магнитных частиц.
Достоверность результатов НК зависит не только, от технических средств, но в значительной степени и от уровня квалификации дефектоскоп истов. Именно они принимают решение о пригодности деталей, поэтому этим специалистам, их профессиональной подготовке необходимо уделять больше внимания. Дефектоскопист должен иметь возможность проверить эффективность всей магнитопорошковой системы: дефектоскопа, магнитного индикатора, технологии контроля, в том числе и самого себя. Для этого на рабочих местах НК должны быть все стандартные образцы предприятия.
Как уже говорилось выше, магнитопорошковый метод является одним из наиболее распространенных методов НК. Поэтому нужно как можно больше внимания следует уделять разработке и внедрению новых средств и методик магнитопо-рошкового контроля.
К наиболее перспективным направлениям его развития относятся:
- создание механизированных стендов, состоящих из унифицированных модулей (блоков питания, намагничивающих устройств, устройств нанесения суспензий и т.п.);
- применение современных черных, цветных и люминесцентных магнитных индикаторов, обеспечивающих высокую чувствительность контроля и экологически безопасных;
- разработка и аттестация стандартных образцов предприятия для проверки выявляющей способности магнитных индикаторов и работоспособности средств магнитопорошкового контроля;
- повышение уровня профессиональной подготовки и квалификации дефектоскопистов; разработка учебных и наглядных пособий по магнитопорошковому контролю.

Канд. техн. наук Г.Г. Гзизова, ВНИИЖТ

звонок бесплатный для всех регионов РФ

по всему миру, оплата в соответствии с тарифами вашего оператора связи

Мы используем cookie-файлы для улучшения пользовательского опыта и сбора статистики. Для получения дополнительной информации вы можете ознакомиться с нашей Политикой использования cookie-файлов.

Идею метода магнитопорошковой дефектоскопии приписывают Вильяму Е. Хоку (W. E. Hоkе) и даже называют дату - 1922 г., когда он сделал заявку на патент. Однако до 1929 г. для развития этой идеи ничего почти не было сделано вследствие совершенства имевшейся тогда техники намагничивания и отсутствия подходящих средств испытания. В 1929 г. А. В. Де-Форест пытался применить этот метод для обнаружения продольных дефектов в бурильных трубах, намагничивая их циркулярным полем постоянного тока, но из-за несовершенства порошка (стальные опилки) ему не удалось решить эту задачу. В 1930 г. Т. Р. Уоттс (Т. R. Watts) опубликовал исследование, в котором впервые указал на возможность применения метода для испытания качества сварных швов. В том же году делается первая попытка применить метод в области авиационной промышленности. Вплоть до 1934 г. метод продолжал оставаться во всех странах лабораторной редкостью. Вполне законченные и специально сконструированные промышленные дефектоскопы начинают появляться с 1934 г.

В Советском Союзе первый прибор, работающий по методу магнитной порошковой дефектоскопии, был разработан и изготовлен академиком Н. С. Акуловым в 1934 г. в магнитной лаборатории Научно-исследовательского института физики Московского государственного университета. В 1935 г. в Военно-воздушной академии им. Жуковского автором была разработана первая дефектоскопическая установка, работающая на переменном токе. Эта установка была применена для контроля силовых шпилек мотора на заводе им. Фрунзе.

Магнитопорошковый метод контроля основан на явлении притяжения частиц магнитного порошка в местах выхода на контролируемую поверхность изделия магнитного потока, связанного с наличием нарушения сплошности материала. В намагниченных изделиях нарушения сплошности (дефекты) вызывают перераспределение магнитного потока и выход части его на поверхность (магнитный поток дефекта). На поверхности изделия создаются локальные магнитные полюсы, притягивающие частицы магнитного порошка, в результате чего образуются цепочки намагниченных частиц обозначающие дефектные участки, ориентированные по магнитным силовым линиям поля.

Магнитопорошковый метод предназначен для выявления поверхностных и под поверхностных (на глубине до 1,5 . 2 мм) дефектов типа нарушения сплошности материала изделия: трещины, волосовины, расслоения, не проварка стыковых сварных соединений, закатов и т.д.

Существуют «сухой» и «мокрый» способы нанесения индикатора на контролируемый объект. В первом случае для обнаружения дефектов используют сухой ферромагнитный порошок. При использовании "мокрого" метода контроль осуществляется с помощью магнитной суспензии, т.е. взвеси ферромагнитных частиц в жидких средах: трансформаторном масле, смеси трансформаторного масла с керосином, смеси обыкновенной воды с антикоррозионными веществами и др.

Процесс магнитопорошкового контроля состоит из 5 этапов:

1 - подготовка изделия к контролю. Изделия, подаваемые на намагничивающие устройства, должны быть очищены от покрытий, мешающих их намагничиванию или смачиванию (отслаивающаяся окалина, масла, грязь, иногда изоляционные покрытия и т. п.).

2 - намагничивание детали. Намагничивание детали является одной из основных операций контроля. От правильного выбора способа, направления и вида намагничивания, а также рода тока во многом зависит чувствительность и возможность обнаружения дефектов.

3 - нанесение на поверхность детали магнитного индикатора (порошка или суспензии). Оптимальный способ нанесения суспензии заключается в окунании детали в бак, в котором суспензия хорошо перемешана, и в медленном удалении из него. Однако этот способ не всегда технологичен. Чаще суспензию наносят с помощью шланга, душа или аэрозольного балона. Напор струи должен быть достаточно слабым, чтобы не смывался магнитный порошок с дефектных мест. При сухом методе контроля эти требования относятся к давлению воздушной струи, с помощью которой магнитный порошок наносят на деталь. Время стекания с детали дисперсной среды, имеющей большую вязкость относительно велико, поэтому производительность труда контролера уменьшается.

4 - контроль. Контроль проводится визуально после стекания с нее основной массы суспензии, когда картина отложений порошка становится неизменной. В сомнительных случаях и для расшифровки характера дефектов применяют оптические приборы, тип и увеличение которых устанавливают по нормативным документам.

5 - размагничивание. Для размагничивания на изделие воздействуют переменным магнитным полем с напряженностью, убывающей от максимального значения до нуля. Изделия, нагреваемые после магнитного контроля до 600…700°С и выше, размагничивать не следует.

Рисунок 1. Выявление трещин магнитопорошковым методом

а - открытой трещины; б - скрытой под слоем хрома толщиной 0,03 мм;

в - скрытой под слоем хрома толщиной 0,1мм

К недостаткам магнитопорошкового контроля следует отнести необходимость удаления защитных лакокрасочных покрытий толщиной свыше 0,03 мм и сложность размагничивания некоторых деталей.

Достоинствами магнитопорошкового контроля являются его относительно небольшая трудоемкость, высокая производительность и возможности обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов. При помощи этого метода выявляются не только полые несплошности, но и дефекты, заполненные инородным веществом. Магнитопорошковый метод может быть применен не только при изготовлении конструкций и деталей, но и в ходе их эксплуатации, например, для выявления усталостных трещин.

С целью повышения качества контроля сварных соединений и снижения вероятности пропуска дефектов в обследованных конструкциях в ГБУ «ЦЭИИС» с 2017 г. вводится магнитопорошковый метод неразрушающего контроля в дополнение к применяемым методам НК.

Автор статьи инженер-эксперт Митин С.В.

Список использованных источников

1. Курс лекций по магнитопорошковому методу неразрушающего контроля, А. Марцинкевич Минск 2010;

2. Неразрушающий контроль и диагностика под редакцией В.В. Клюева. Издательство «Машиностроение», Москва 2003.

Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Читайте также: