Содержание к диссертации
Введение
1. Развитие и современное состояние теории и технических средств бесконтактного возбуждения и регистрации упругих волн в ультразвуковой дефектоскопии 15
1.1. Краткий анализ эволюции физических представлений о закономерностях электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования в металлах 15
1.2. Физические основы и сопоставление действия различных механизмов ЭМА - преобразования 17
1.3. Особенности полевых характеристик электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП) 25
1.4. Аппаратные средства бесконтактного ультразвукового контроля 28
1.5. Анализ результатов и постановка задач исследования 30
Выводы по 1-му разделу 33
2. Основные направления повышения эффективности электромагнитно-акустического преобразования для целей ультразвуковой дефектоскопии металлоизделий 35
2.1. Режим возбуждения 35
2.1.1. Формирование вихревого тока в рабочей зоне ЭМАП 35
2.1.2. Подключение ИК ЭМАП в схеме ключевого генератора 44
2.1.3. Включение ЭМАП с помощью системы связанных контуров 52
2Л .4. Автотрансформаторное включение датчика ЭМАП 56
2.2. Распространение упругих волн при бесконтактном возбуждении 61
2.3. Режим приема 79
Выводы по 2-му разделу 84
3. Физические предпосылки повышения информативности ультразвуковой дефектоскопии при использовании объемных упругих волн 86
3.1. Модели иеоднородностей естественного происхождения в металлах 86
3.2. Взаимодействие упругих воли с плоскостными неоднородностями слоистого строения 92
3.3. Оценки выявляющей способности упругих волн разных типов 101
Выводы по 3-му разделу 107
4. Методы оценки параметров обнаружения плоскостных протяженных неоднородностей 109
4.1. Моделирование электроакустического тракта теневого метода ультразвукового контроля 109
4.2. Практические способы коррекции параметров ультразвукового контроля изделий с повышенной температурой поверхности 115
Выводы по 4-му разделу 121
5. Функциональные и аппаратные решения средств высокоинформативного, бесконтактного автоматизированного ультразвукового контроля проката 122
5.1. Варианты конструктивного исполнения ЭМАП многоканальных дефектоскопических систем 122
5.2. Схемотехнические решения приемопередающих трактов 124
5.3. Основные, перспективные приемы повышения чувствительности и помехозащищенности контроля 127
5.3.1. Когерентное накопление полезного сигнала 127
5.3.2. Метод вариации. Сочетания когерентного накопления и метода вариации 129
5.3.3. Способы подавления импульсной помехи. Системы динамического контроля временных интервалов 131
5.4. Примеры организации и построения многоканальных, дефектоскопических систем 134
5.4.1. Установка типа «Север-1» 134
5.4.2. Установка типа «Север-2» 138
5.5. Повышение информативности измерений прочностных характеристик металла проката акустическими методами 148
5.6. Способ реализации автоматизированного ультразвукового контроля однородности механических свойств листового проката 156
Выводы по 5-му разделу...: 161
6. Заключение 162
7. Литература
- Физические основы и сопоставление действия различных механизмов ЭМА - преобразования
- Подключение ИК ЭМАП в схеме ключевого генератора
- Взаимодействие упругих воли с плоскостными неоднородностями слоистого строения
- Практические способы коррекции параметров ультразвукового контроля изделий с повышенной температурой поверхности
Введение к работе
Практически неограниченное проникновение достижений научно-технического прогресса в разнообразные сферы человеческой деятельности и его возрастающие темпы требуют непрерывного совершенствования средств, методов и научных достижений, обеспечивающих количественный и, особенно, качественный рост материального производства, реализуемого на базисе универсальных информационных технологий. Причем это совершенствование происходит под воздействием процессов, базирующихся как на фундаментальных, так и на прикладных исследованиях в различных областях знаний.
Одной из важнейших составных частей прикладной акустики являются акустические методы неразрушающего контроля, как одного из наиболее авторитетных современных способов повышения качества выпускаемых изделий и обеспечения безопасности жизнедеятельности человека. Как показала практика проектирования, внедрения, и эксплуатации средств ультразвуковой дефектоскопии одним из основополагающих моментов их эффективного применения является создание и поддержание в условиях вариативности производственных задач надежного акустического контакта между ультразвуковым датчиком и контролируемым изделием. Традиционные способы, применяемые для этих целей, хорошо известны: непосредственный контакт, иммерсионный, струйный, «щелевой», «локальная ванна». Имея свои достоинства и недостатки, каждый из них не является универсальным. Однако для достижения необходимого уровня качества мало осуществить даже 100% контроль уже готовой продукции. Дефектоскопическая система, благодаря оперативности, производительности и информативности должна способствовать организации корректирующей обратной связи, воздействующей на весь цикл технологических процессов или в реальном масштабе времени или в режимах максимально приближенных к нему.
Свойства непрерывно развивающегося, начиная с 70-х годов двадцатого столетия, бесконтактного, электромагнитно-акустического (ЭМА) способа возбуждения и приема ультразвука, представляются перспективными в этом плане. Ввиду того, что способ непосредственного преобразования электромагнитных колебаний в механические на границе электропроводящих сред не требует никакой переходной среды (в частности жидкости), в литературе по неразрушающему контролю метод принято называть бесконтактным; а построенные на этом принципе преобразователи электрического сигнала в акустический, - бесконтактными преобразователями или бесконтактными датчиками. Методы неразрушающего контроля, основанные иа использовании указанного способа возбуждения и приема ультразвука, по аналогии принято называть методами бесконтактного ультразвукового контроля.
За указанный период, как теоретико-экспериментальные представления о свойствах и закономерностях работы ЭМАП, так и практический опыт их применения испытали весьма значительную эволюцию. Ыа сегодняшний день, благодаря работам многочисленной группы отечественных и зарубежных ученых, как, например: Б.А.Буденков, Г.А.Буденков, А.Н.Васильев, Н.П.Гайдуков, Н.А.Глухов, С.Ю.Гуревич, И.В.Ильин, В.А.Комаров, А. В. Малинка, О.В.Неволин, Ю.В. Петров, Ю. И. Сазонов, А.В.Харитонов, П.Ф. Шаповалов, Ю.М.Шкарлет, С.Н.Шубаев, Kaule В., Dobbs R., Lar-sen P., Houck .Т., Kawashima К., Frost H., Thompson R., Meredith D., Maxfield В. и др. созданы основы физических представлений о формировании и действии наиболее существенных механизмов электромагнитно-акустического преобразования в металлах с учетом различия в физических параметрах проводящих сред, уровнях магнитного поля и температурных диапазонах, а также других особенностей. Разработан математический аппарат, и эффективные методики для описания количественных представлений о структуре формируемых ЭМАП полей упругих волн, и предложены многочисленные варианты конструкций, обладающих достаточно высокой эксплуатационной эффективностью и имеющих широкую сферу практических приложений. В области аппаратных средств неразрушающего контроля разработана и внедрена обширно развитая номенклатура устройств и методического обеспечения, обладающих высокой эффективностью и обеспечивающих заметное возрастание экономических показателей производства. Методы бесконтактного ультразвукового контроля открыли принципиальную возможность, частично уже реализованную в действующих устройствах, решения задач контроля изделий с повышенной температурой, с загрязненной поверхностью и во время технологических операций, не допускающих применения веществ с повышенной агрессивностью по отношению к материалам контролируемых изделий. Однако уровень сложности и многообразие решаемых при изучении и создании ЭМАП задач оказался столь высоким, а открывающиеся при этом перспективы столь значительными, что результаты, достигнутые в данной технической области, не могут оставаться исчерпывающими. По этой причине количество публикаций по указанным вопросам продолжает оставаться заметно высоким. Появляются и новые разработки технических устройств. Однако и сегодня можно утверждать о далеко не полном использовании их потенциальных возможностей. Настоящая работа является продолжением изучения средств неразрушающего контроля с использованием ЭМАП и их технических характеристик, учитывающих преимущества полевых закономерностей и новые способы обработки информационных сигналов, характерных для функционирования автоматизированных дефектоскопических систем с повышенной информативностью.
Целью настоящей диссертационной работы является создание физико-технических предпосылок повышения эффективности бесконтактного (ЭМА) способа возбуждения и приема упругих волн с последующим обоснованием на их основе возможности и реализации повышения информативности ультразвукового контроля изделий листопрокатного производства с помощью многоканальных систем в промышленных условиях.
Работа содержит введение, пять основных разделов, заключение, список использованной литературы и приложения.
Во введении сформулированы актуальность, цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту, а токе определена структура диссертации, и ее основные характеристики.
В первом разделе представлены результат критического анализа итогов развития и современного состояния теории и технических средств бесконтактного (электромагнитно-акустического) возбуждения и регистрации упругих волн применительно к задачам ультразвуковой дефектоскопии металлоизделий, преимущественно плоскостной формы. Раздельно рассмотрены достижения в области физических основ, результаты решения волновых задач для оценки полевых характеристик, а также свойства и предельные возможности широко распространенных и оригинальных аппаратных средств ультразвукового контроля. Результаты критического анализа трансформированы в комплекс сформулированных научно-технических задач, решенных в ходе выполнения диссертационной работы.
Во втором разделе изложены теоретические основы повышения эффективности электромагнитно-акустического преобразования для целей ультразвуковой дефектоскопии изделий плоскостной формы. Раздельно для режимов: излучения, распространения упругих волн и приема разработаны математические модели образования информационных сигналов, закономерности которых положены в основу рекомендаций проектирования и построения многоканальных дефектоскопических систем.
В третьем разделе рассмотрены физические модели взаимодействия упругих волн с нсоднородиостями, относящимися к наиболее встречаемым в листовом прокате типам дефектов. Разработанные модели позволяют обосновать различия выявляющей способности объемных продольной и поперечной волн, а также прогнозировать их информативные возможности.
В четвертом разделе изложены элементы методик получения количественных оценок значений параметров ультразвукового контроля при реализации способов получения и регистрации информационных сигналов для разпоракурспого прозвучива-ния изделий плоскостной формы при реализации традиционного и модифицированного эхо-методов.
В пятом разделе рассмотрены примеры функциональных и аппаратных решений при построении нового поколения промышленных многоканальных дефектоскопических систем, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками, и реализующих новые подходы конструктивного исполнения, выбора схемотехнических решений и принципов обработки информационных сигналов при бесконтактном возбуждении и приеме упругих волн.
В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.
В списке литературы содержатся наименования источников, используемых при цитировании.
В приложении приведены сводки необходимых для изложения основных разделов вспомогательных аналитических и фактических материалов, а также копии документов об использовании результатов работы.
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
1. При анализе режима бесконтактного возбуждения упругих воли сформулирована и решена задача определения величины тока, питающего излучающую катушку (ИК) ЭМАП, с учетом многообразия схемотехнических решений и действующих основных параметров датчиков и электронных устройств. Доказана эквивалентность (с точки зрения максимизации значения указанного тока) прямого, трансформаторного и автотрансформаторного способов подключения ИК ЭМАП к генератору зондирующих импульсов.
2. Установлены связанные с изменением полевых характеристик ЭМАП закономерности, возникающие при варьировании величины рабочего зазора. Теоретически исследовано влияние конструктивных элементов ЭМАП на амплитуду и направленные свойства основных и дополнительных типов излучаемых волн. Сформулированы рекомендации по выбору конструктивных параметров ЭМАП, обеспечивающих стабильность измерительного тракта и минимизацию уровня помех, обусловленных наличием «паразитных» волн.
3. При анализе режима бесконтактного приема сформулирована и решена задача выбора характеристик ПК ЭМАП при регистрации информационного импульсного сигнала с учетом влияния согласующих цепей.
4. Физически обоснованы, с учетом граничных условий в приближении «линейного скольжения», применительно к задаче о взаимодействии упругих волн с плоскостными, протяженными неоднородностями, причины преобладания выявляющей способности упругих поперечных волн по сравнению с продольными. Обоснована целесообразность применения «многоракурсного» прозвучивания» изделий плоской формы.
5. Осуществлен анализ уравнения акустического тракта дефектоскопа с ЭМАП, имеющих рабочую зону прямоугольной формы, возбуждающих и принимающих, преимущественно, линейно поляризованные поперечные волны, применительно к традиционным методам ультразвукового контроля и их модификациям. Установлены закономерности, возникающие при изменении параметров взаимного расположения излучающего и приемного ЭМАП при конфигурации, соответствующей теневому методу ультразвукового контроля.
6. Разработаны алгоритмы компенсации изменений обусловленных влиянием температуры объекта контроля в параметрах принимаемых сигналов при осуществлении ультразвукового контроля листового проката.
7. Разработаны структурные и функциональные схемы многоканальных промышленных дефектоскопов с ЭМАП, а также алгоритмы вспомогательной обработки информационных сигналов для осуществления ультразвукового контроля с повышенной информативностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками.
8. Предложен и методически разработан информативный признак ультразвуковых измерений на основе связи механических характеристик металла с отношением скоростей распространения поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката листового материала.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в применении полученных результатов для:
- научно-технического обоснования инженерной методики проектирования многоканальной аппаратуры бесконтактного ультразвукового контроля с учетом физических особенностей возбуждаемых и принимаемых ЭМАП упругих волы, а так же спецификой несплошностей в листовом прокате;
- создания и промышленной эксплуатации нового поколения высокоинформативных средств ультразвукового бесконтактного контроля листового проката.
На основании закономерностей, изученных в диссертационной работе, созданы, сертифицированы Госстандартом РФ и внедрены в промышленную эксплуатацию более тридцати единиц оборудования для автоматизированного бесконтактного ультразвукового контроля: листового, сортового проката и труб.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Основными факторами, влияющими на величину тока, питающего датчики электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП) в режиме излучения, следует считать набор и физические параметры элементов, определяющих эффективность подключения ЭМАП к генераторному устройству. В частности, соотношение параметров накопительного и вспомогательных элементов обеспечивает оптимизацию длительности импульса возбуждающего тока. При этом, прямой, трансформаторный и автотрансформаторный способы подключения ЭМАП к генератору следует считать равнозначными.
2. С целью ослабления зависимости направленных свойств излучающих катушек (ИК) ЭМАП прямоугольной формы от неравномерности распределения вихревого тока в активной зоне необходимо увеличивать размер намотки в направлении, ортогональном протеканию тока, ограничивая при этом рабочий воздушный зазор и площадь ИК ЭМАП.
3. Для обеспечения наибольшего коэффициента передачи приемных катушек ЭМАП, при условии обеспечения минимальных искажений формы импульса, целесообразно использование согласующие цепи с резонансными свойствами. При этом «оптимальное» число витков ПК, равноразмерной ИК, можно выбирать значительно (во многих случаях на порядок) превышающим число витков ИК.
4. При разработке конструкции измерительного модуля и выборе схемы взаимодействия упругих волн с неоднородностью следует отдавать предпочтение более информативному «многоракурсному» прозвучиванию» при согласованной ориентации смещений упругих волн (поляризации) относительно направлений прокатки листовых изделий.
5. При выборе структурных вариантов и схемотехнических решений дефектоскопической аппаратуры следует сочетать комплексное применение элементов согласования ИК и ПК ЭМАП с методами накопления, активного подавления импульсной помехи и динамического контроля временных интервалов. Это создает предпосылки для повышения чувствительности бесконтактного ультразвукового контроля металлических листов и плит до уровня, обеспечивающего его промышленную эффективность.
6. При определении степени равномерности механических свойств листового металла в качестве измеряемого информативного параметра целесообразно использовать отношение скоростей поперечных волн при их поляризации в параллельном и перпендикулярном направлениях относительно направления прокатки.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной выставке-семинаре «Современные проблемы и средства неразру-шающего контроля и технической диагностики», Ялта. 6-8 октября 1998 г; Международной научно-технической конференции «Инфотех-99», Череповец: ЧГУ, 1999; XIII межвузовской военно-научной конференции, -Череповец: ЧВИИР, 1999; 15lh Wordl Conference of Non-Destractive Testing, Rome, Italy, Octoberl5-21, 2000; Ежегодной научно-практической конференции «Инновационные процессы в производстве труб для нефтяной и газовой промышленности на примере Трубной металлургической компании, г.Волжский, 10-11 ноября, 2001 г.; XI международной конференции «Диагностика линейной части магистральных газопроводов «Диагностика -2001», Тунис, апрель 2001,; 8 European Conference of Non-Destractive Testing, Barcelona, Espany, Jyne 17-21. 2002.; 3-й Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, март 2004.: 16th Wordl Conference of Non-Destractive Testing.- Montreal, Canada, August 30- September 3, 2004.; XVII Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика», г. Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 и др.
По теме диссертационной работы опубликовано 50 печатных работ, из них - 21 авторское свидетельство и патент, 12 статей и 17 работ в трудах научно-технических конференций.
Диссертационная работа состоит из списка условных обозначений, введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, включающего 255 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста. Работа содержит 67 рисунков и 6 таблиц.
Физические основы и сопоставление действия различных механизмов ЭМА - преобразования
В научных исследованиях и технических приложениях важную роль играют методы и технологии получения информации о процессах, свойственных материальным объектам и системам, включая сведения об имеющихся неоднородностях их строения и поведения макро- и микроскопических характеристик. В зависимости от реальных условий и формулируемых задач это могут быть как контактные, например ультразвуковые, так и бесконтактные, например магнитные и электромагнитные методы измерений и неразрушающих испытаний или другие известные на сегодняшний день.
Возникший на стыке упомянутых физических методов как новое научное направление электромагнитно-акустический (ЭМА) метод основан на взаимной трансформации упругих и электромагнитных волновых процессов. Совокупность явлений, определяющих сущность ЭМА-метода, позволяет бесконтактно возбуждать упругие волны в средах и объектах, имеющих значительную электрическую проводимость, а также и ферромагнитные свойства, и принимать сигналы этих волн.
ЭМА-преобразование зародилось на стыке нескольких научных направлений, имеющих разную физическую природу, и описываемых в рамках подходов электроди 13 намики, теории упругости, ферромагнетизма, а его применение распространяется на области магнитных, электромагнитных, акустических измерений, неразрушающих испытаний, металловедения и др.. Такой полидисциплинарный характер явлений определяет основнвіе причины трудностей при их описании, изучении и применении из-за расхождений, как в терминологической базе, так и в методологии [1-21, 32- 45, 47-54, 56, 70, 79, 84, 85, 92, 96, 101, 105, 107, 115, 133,137, 142-146, 148 -168]. Поэтому із различных источниках встречаются разные подходы к изложению принципиально сходных явлений, требующих внимателвпого согласования исходных позиций.
Под электромагнитно-акустическим преобразованием [70,75] принято понимать множественные явления взаимной трансформации упругих и электромагнитных волн. В общем случае оно может осуществляться в твердых средах и жидкостях, обладающих заметной электрической проводимостью, а также ферромагнитными свойствами.
В значительной мере традиционным стало определение превращения электромагнитных волн в упругие, как прямое, а упругих волн в электромагнитные волны, как обратное ЭМА-преобразования; преобразование «электромагнитное поле упругие колебания - электромагнитное поле» - двойное ЭМА-преобразование. Обычно применяемая терминология не зависит от того, какой механизм преобразования используется. Однако само появление упругих колебаний в твердой среде непосредственно будет считаться связанным только с упругими отклонениями от положения равновесия его отдельных элементарных объемов, линейные размеры которых не менее постоянных кристаллической решетки, что соответствует «линейному» приближению теории упругости. Согласно положениям последней, такие отклонения могут быть вызваны только появлением сторонних (поверхностных или объемных) сил, действующих на твердое тело. Таким образом, действие различных механизмов возбуждения ультразвука в твердом теле может быть сведено к появлению таких сил. Как известно [75], они могут быть вызваны: прямым механическим воздействием на тело; импульсом теплового излучения, обусловленного, например, лазерным лучом; потоком заряженных частиц больших энергий; диффузным отражением электронов от поверхности металла; электродинамическим воздействием; магнитострикциоиным и другими причинами, которых в принципе достаточно много. Учитывая обсуждаемую тему диссертационной работы, наибольшее внимание будет уделено аспектам преимущественно электромагнитного преобразования ультразвука, что не исключает принципиальной возможности распространения отдельных положений обнаруженных закономерностей и на другие явления.
Известных эффектов, обеспечивающих достаточно эффективную взаимную трансформацию упругих и электромагнитных волн, меньше. Не все эффекты (практически) обратимы. Применительно к задачам диссертационной работы преимущественное внимание будет уделено только обратимым эффектам.
В общем случае создать электромагнитное поле можно несколькими типами излучателей, но в диапазоне частот, характерном для ультразвуковой дефектоскопии, целесообразно использовать индуктивные преобразователи, изготавливаемые по различным технологиям. Очевидно, что независимо от технологии катушки индуктивности по своей конфигурации могут быть различными. Одно из неоспоримых преимуществ ЭМА метода заключается в том, что излучающие катушки (ИК) ЭМАП, в отличие, например, от пьезоэлектрических, могут легко трансформироваться по размерам и конфигурации с целью придания формы, наиболее предпочтительной для решения конкретной задачи. То же самое можно сказать и о системах приема (ПК). В указанном диапазоне они также могут быть выполнены в виде катушек индуктивности. В литературе ИК и ПК обычно называются преобразователями или датчиками. Как справедливо замечено в [75], физически это неточное название, поскольку как прямое, так и обратное ЭМА-преобразования, осуществляются в среде объекта контроля, а не в катушках. Роль последних заключается в значительной степени в преобразовании геометрии полевых характеристик.
При практическом использовании ЭМА-преобразоваиия для повышения эффективности необходимо использование вспомогательного (внешнего) магнитного поля. Последнее, в принципе, может быть постоянным и переменным. Наиболее часто применяется постоянное или сравнительно низкочастотное поле, получаемое с помощью твердотельных систем или электромагнитов. Однако, в ряде случаев, связанных, например, с необходимостью достижения больших уровней или снижения усилий при перемещении датчиков относительно поверхности объекта, применяются импульсные поля. В литературе такое вспомогательное магнитное поле принято называть поляри-зующим [30, 40, 45-54, 70, 71, 114,119,121,122,131,141].
Подключение ИК ЭМАП в схеме ключевого генератора
Как следует из формул (2.1.21), плотность вихревого тока под витками плоской катушки является постоянной величиной только при /г — 0. При других значениях h плотность вихревого тока становится неравномерной, что эквивалентно возникновению амплитудного распределения на излучающей поверхности, и в общем случае может оказывать влияние на формирование направленных свойств излучающих систем ЭМАП. Количественно величина отклонения от равномерного распределения может быть проиллюстрирована с помощью графиков [204]. Во всех случаях для повышения степени равномерности необходимо г, - 0.
Подстановка (2.1.22) в (2.1.17) позволяет оценивать величину и распределение упругих смещений, возбуждаемых с помощью ЭМАП. Однако па практике удобнее использовать связь параметров упругих волн с величиной электрического напряжения, действующего на зажимах катушки. При этом, переход от тока в катушке к напряжению по закону Ома должен осуществляться с учетом сопротивления, вносимого в катушку электропроводящим полупространством. При малых зазорах между катушкой и поверхностью объекта контроля можно считать, что вносимое сопротивление создается единичным витком, образованным объемом контролируемого металла, имеющим размеры высокочастотной катушки и высоту, равную глубине проникновения тока на данной частоте. Полное сопротивление катушки индуктивности ЭМАП при данном подходе может быть определено, например, по методике [27]: где ії,- активное сопротивление ИК ЭМАП; R2- активное сопротивление витка, обтекаемого вихревым током; Ц - индуктивность высокочастотной ИК ЭМАП; L2 -индуктивность витка, обтекаемого вихревым током; М - коэффициент взаимной индуктивности высокочастотной катушки и эффективного витка.
Численные оценки показывают, что даже для металлов с проводимостью ниже проводимости углеродистой стали в мегагерцовом диапазоне частот индуктивное сопротивление витка, обтекаемого вихревым током, оказывается на порядок выше его активного сопротивления, то есть оказывается справедливым соотношение
Из выражения (2.1.29) следует, что значения упругих смещений в акустической волне пропорциональны приложенному к датчику электрическому напряжению и величине магнитной индукции в среде. Последний, дробный сомножитель в (2.29) выражает изменение фазы и амплитуды в зависимости от волновых чисел упругой и электромагнитной воли в исследуемой среде. Для большинства металлов, исследуемых при неразрушающих испытаниях, мнимой частью знаменателя последнего сомножителя можно пренебрегать, и считать амплитуду смещений пропорциональной квадрату частоты. Примеры подобных численных оценок представлены, в частности, в [204].
Анализируя (2.1.29) видно, что эффективность прямого электромагнитно -акустического преобразования, в основном, определяется величиной магнитной индукции в рабочем зазоре преобразователя, величиной тока, питающего датчик, а также другими характеристиками, связанными с геометрической формой и размерами излучающих катушек (ИК) ЭМАП [204].
Выбор рациональной схемы построения магнитной системы, определяющей основные массо-габаритные и технико-экономические показатели дефектоскопической аппаратуры, представляет предмет для отдельного рассмотрения, так же как и вопрос выбора геометрических размеров ИК и ПК, тесно связанных с назначением ЭМАП. По этим причинам в настоящем разделе представлен материал о способах рационального выбора тока, питающего ЭМАП, и по этой причине связанного с вопросами согласования ИК с генераторами импульсов тока.
Выражение (2.1.29), полученное с учетом сделанных допущений, хотя и содержит зависимости от наиболее важных величин, определяющих эффективность прямого бесконтактного преобразования, однако для целей практического конструирования и проектирования ЭМАП ие всегда удобно. В частности, в знаменателе (2.1.29) стоит величина числа витков п, свидетельствующая о пропорциональности ей величины сигнала. Одновременно в знаменателе (2.29) находится величина I,, значение которой, как известно в случае плоских катушек, оказывается пропорциональным квадрату числа витков «г[204, 205]. Одновременно, из теории генераторных устройств по теореме об эквивалентном генераторе следует, что наиболее эффективная работа генератора возможна в случае, когда его внутреннее сопротивление оказывается равным сопротивлению нагрузки. Такое сочетание учитываемых параметров наводит на мысль о возможности образования некоторого, оптимального значения параметра числа витков п для ИК ЭМАП. Очевидно, что определение возможной области этих значений целесообразно проводить, опираясь на конкретную схему генераторного устройства.
Среди существующего многообразия схемотехнических решений, применявшихся разными авторами для указанных целей, значительное место занимают генераторные устройства, построенные на основе разряда емкостного накопителя. Одними из типичных представителей этой группы являются ключевые генераторы с контуром ударного возбуждения [204]. Несмотря на широкое распространение и достигнутый технический уровень, некоторые особенности колебательных процессов, происходящих в ключевых генераторах, и на сегодняшний день продолжают оставаться изученными недостаточно полно. Поскольку возможности математического аппарата, привлекаемого для этих целей, весьма велики, а результаты физического анализа полученных результатов имеют общий характер, то они могут быть распространены на сходные по схемотехническому построению генераторы и других типов. Таким образом, представляет интерес дополнительное изучение именно этих устройств.
Рассмотрим сначала работу простейшей разновидности ключевых генераторов, построенных по схеме, представленной на рис, 2,4, На схеме Lp- разрядная индуктивность, включаемая последовательно с электронным ключом К? для облечения условий его работы [204]; ли RK- индуктивность и активное сопротивление колебательного контура соответственно. При работе генератора емкость Сн, заряжаемая от источника питания Еп в паузе между импульсами V2т через сопротивление Ra, разряжается через электронный ключ, выполненный, например, на основе тиристора. Протекающий через ключ ударный импульс тока, ограниченный по амплитуде индуктивностью L , возбуждает в контуре затухающие колебания. Эквивалентная схема для этого момента представлена на рис. 2.5. После окончания импульса тока чрез ключ, последний «запирается» и затухающие колебания продолжаются в контуре, эквивалентная схема которого представлена на рис. 2.6.
Взаимодействие упругих воли с плоскостными неоднородностями слоистого строения
Поверхности внутренних несплошностей материалов и изделий при распространенных технологиях изготовления, как показывают многочисленные экспериментальные данные, практически никогда не бывают идеально ровными[\84, 185]. Причем, в отличие от внешних поверхностей, образующих номинальный профиль изделия, состояние поверхностей внутренних несплошностей практически не поддается корректировке за счет дополнительных методов обработки. Имеющиеся отклонения в зависимости от причин образования неоднородности и размеров изделий могут быть макро- и микроскопическими.
Макроотклонения- нерегулярные отклонения поверхности внутренней несплошности от простейших геометрических форм, как правило, согласованы с протяженностью и формой основных технологических поверхностей изделий. К ним относят: вогнутость, бочкобразностъ, конусность и неплоскостиость.
Микроотклонения подразделяются на волнистость, шероховатость и субмикро-шероховатость. Волнистость - периодические отклонения профиля поверхности несплошности, представляющие собой примерно равные по размерам возвышенности и впадины. Волны на поверхности обычно имеют неправильную геометрическую форму, в отдельных случаях удовлетворительно описываемую гармоническими функциями.
Под шероховатостью принято понимать нерегулярные отклонения от геометрического профиля волнистой поверхности неоднородности.
Субмикрошероховатость - более мелкие имеющиеся на поверхностях микронеровностей отклонения профиля. Как правило, этот вид неровностей, уступающий шероховатости по величине на два и более порядка, существенного влияния на особенности контакта поверхностей не оказывает.
Применительно к неоднородностям металлургического происхождения следует упомянуть, что приграничные к включениям области являются зонами, в которые, пре имущественно, осуществляется повышенная диффузия примесей из окружающего металла. Это создает дополнительные предпосылки для возникновения нарушений адгезионной связи и изотропности строения.
Из-за волнистости и шероховатости поверхностей естественных неоднородности контактирование будет осуществляться в отдельных зонах, и области контакта будут не сплошными по всей поверхности, а дискретными.
Наиболее существенный вывод из предыдущего анализа заключается в том, что независимо от характера деформаций, сопровождающих соприкосновение микровыступов, можно построить выражения, зависящие от отношения фактической площади касания к контурной, которые во всех случаях будут количественно определять степень связи контактирующих поверхностей. Поскольку свойства поверхностей трещиноподобных неод-нородностей в физическом смысле сопоставимы со свойствами поверхностей взаимодействующих упругих тел, то по отношению к ним остаются справедливыми многие из известных закономерностей [184, 185]. Поэтому, применительно к целям данной работы, задача заключается в использовании таких моделей передачи волновых процессов на границе упругих сред, которые учитывали бы влияние относительной площади фактического касания и связываемых с ней величин.
Один из возможных подходов к решению данной проблемы изложен в [182], где показано, что формальный учет нарушения адгезионной связи соприкасающихся поверхностей можно осуществить в приближении «линейного скольжения» путем задания соответствующих граничных условий. Основное отличие граничных условий в приближении «линейного скольжения» от классических заключается в том, что упругие напряжения считаются непрерывными. А упругие смещения испытывают «разрыв», величина которого считается пропорциональной действующему упругому напряжению и обратно пропорциональной контактной жесткости соединения. В общем случае контактная жесткость для анизотропных сред является тензорной величиной, содержащей девять независимых компонент. В частных случаях задач «плоской» или аксиальной симметрии для изотропных сред можно ограничиться заданием всего двух компонент тензора контактной жесткости: KGN - «нормальной», ответственной за передачу нормальных компонент упругих смещений, и KGT - «тангенциальной», ответственной за передачу касательных компонент упругих смещений. Соответствующие формулы и численные результаты представлены в [190]. Показано, в частности, что для большинства металлов изменение KGN, KGT в пределах 10 - 10 Н/м охватывает практически весь диапазон перехода от «сварного» контакта до «свободной» границы. Поскольку ЭМАП позволяют эффективно возбуждать упругие волны разных типов, то использование модели «линейного скольжения», применительно к целям данной работы, позволяет подойти к рассмотрению проблемы оценки различия выявляющей способности продольных и поперечных волн. Такое рассмотрение целесообразно осуществить, используя подходящую модель плоскостной, протяженной неоднородности, замещающей реальную структуру по совокупности акустических свойств. Изложению этих вопросов и посвящен следующий раздел.
Объектом исследования в данном разделе являются металлоизделия плоскостной формы, в которых могут образовываться неоднородности, преимущественно, плоскостной формы. Поскольку заранее, то есть до проведения операций контроля, характер возникающей неоднородности неизвестен, то в общем случае целесообразно сформулировать подходы к решению задачи о взаимодействии упругих волн с многослойной неоднородностью, представляющей собой систему связанных между собой твердых слоев с плоскопараллельными гранями. Распространение упругих волн в многослойной среде представляет собой процесс крайне сложной структуры [186-188]. Для его описания используется система дифференциальных уравнений в каждом слое с определенными условиями для сопряжения решений на границах слоев и граничных условий. Если оставить в стороне детальное исследование ультразвукового поля внутри слоев системы и сосредоточить внимание только на характеристиках внешнего поля такой системы, а именно, определить только коэффициенты отражения и прохождения ультразвука для многослойной структуры, то можно применить «матричный» алгоритм решения такой задачи [189, 257].
Рассмотрим слоистую среду, состоящую из плоских однородных параллельных слоев различных толщины и физических свойств. Будем считать, что на каждой границе выполняются граничные условия вида:
Практические способы коррекции параметров ультразвукового контроля изделий с повышенной температурой поверхности
В цехе ЛПЦ-3 ОАО «Северсталь», г. Колпино с 2004 года находится в опытно-промышленной эксплуатации установка «Север-6-08-5000» для ультразвукового контроля горячекатаного листового проката с температурой поверхности до 650С, разработанная фирмой «Нординкрафт» [235]. В этой установке используется две электронно-акустические системы - одна для контроля продольных кромок листа, другая для основной части металла. Прозвучивание осуществляется поперечными волнами, вводимыми по нормали к поверхности листа, с помощью электромагнитно-акустических преобразователей. В установке реализованы основные методы акустического контроля: эхо-метод (Э), зеркально-теневой (ЗТ) и многократный зеркально-теневой (МЗТ), а также эхо-сквозной (ЭС), теневой (Т) и многократно-теневой (МТ).
Для определения возможностей УЗК листов при высокой температуре, разработки методики УЗК при температуре поверхности до 650С и ее использования для сдаточного контроля проката проводился анализ результатов совместного контроля более 3000 листов (толщиной от 8 до 40 мм) в горячем виде и при низкой температуре установкой «Север-10-5000», внедренной ранее в этом же цехе [235].
При совместном контроле тонких листов в обеих установках использовался эхо-метод с регистрацией сигналов во втором временном интервале, с целью сокращения неконтролируемой «мертвой зоны» [235] и зеркально-теневой. Форма А-скана показана на рис.4.4.
При настройке по эталонному образцу (COEE-NK-2) оператор устанавливает положение стробирующих импульсов. Строб опорного сигнала А1 (зеленый) устанавливается на первый донный импульс симметрично относительно его вершины, а его протяженность должна превосходить длительность импульса у основания в 1,5-=-2 раза. Строб А2 (желтый) устанавливается аналогично на второй донный импульс. Строб ожидания дефектов AD (красный) устанавливается между первым и вторым донными импульсами таким образом, чтобы его границы не перекрывались стробами донных
При настройке по эталонному образцу (СОП-МС-2) оператор устанавливает положение стробирующих импульсов. Строб опорного сигнала А1 (зеленый) устанавливается на первый донный импульс симметрично относительно его вершины, а его протяженность должна превосходить длительность импульса у основания в 1,5+2 раза. Строб А2 (желтый) устанавливается аналогично на второй донный импульс. Строб ожидания дефектов AD (красный) устанавливается между первым и вторым донными импульсами таким образом, чтобы его границы не перекрывались стробами донных импульсов. Строб шумов AN (фиолетовый) является аппаратным, устанавливается до начала посылки и оператором не регулируется. При контроле толстых листов использовалась регистрация эхо-сигналов в первом временном интервале (между зондирующим и первым донным импульсом). Строб ожидания дефектов AD (синий) в этом интервале устанавливается с задержкой от зондирующего импульса до прихода первого донного. После первичной настройки по эталону, дальнейшая калибровка установки осуществляется автоматически в соответствии с подаваемым на контроль сортаментом проката с автопозиционированием указанных стробов.
Распределение проконтролированных листов по маркам стали составило: 10Г2ФБЮ (45%), СтЗСп (16%), 09Г2С (15%), остальное 17Г1СУ, РСД36СВ, 20К, 22К, Х65 и другие. По температуре поверхности: до 200С (7%); 200 00С (12%); 400-600С (52%); 600С (29%).
Статистика контроля выглядит следующим образом: по результатам горячего контроля забраковано 103 листа (5,2%), холодного контроля 11 листов (0,55%). При этом при повторном контроле листов в холодном виде 94 (4,75%о) оказались годными; 9 листов (0,45%) забракованы обеими установками и 2 листа годных по результатам контроля в горячем виде в последующем установкой «Север-10» были забракованы.
Выполненные исследования показали, что результаты контроля листов при температуре поверхности от 100 до 300С практически не отличаются от результатов, полученных при контроле листов в холодном виде. В то же время при прозвучивании листов с температурой от 300СС до 650С отмечается более высокий уровень перебраковки. Анализ этой ситуации показал, что существует, по крайней мере, три причины увеличения перебраковки: - изменение времени прихода стробируемых сигналов из-за уменьшения скорости распространения поперечных волн с увеличением температуры; - возникновением дополнительных помех, связанных с расщеплением донных импульсов из-за анизотропии проката; - изменением чувствительности контроля с повышением температуры.
Наибольшее влияние на результаты УЗК горячего проката оказывает изменение физических условий образования и распространения поперечных волн в металле. В частности, с увеличением температуры металла от 25С до 650С на 16% падает скорость распространения поперечных воли и на 50% увеличивается коэффициент затухания поперечных волн (на частоте 5 МГц от 7,2 дБ/м до 10,9 дБ/м).
Уменьшение скорости распространения поперечных воли с ростом температуры влияет в первую очередь иа положение стробируемых временных интервалов и может привести к ложной регистрации дефектов в результате попадания донного сигнала в зону стробирования дефекта. Изменение временного положения донных сигналов учитывается в установке «Север 6-08-5000» в системе автопозиционирования стробов. Реализованная программа размещает стробы А1 и А2 таким образом, чтобы их центры совпадали с вершинами первого и второго донных импульсов, а «красный» строб дефекта автоматически уменьшается относительно вершин первого и второго донных импульсов на временные задержки -q (отступ в начале) и Т2 (отступ в конце).
Для учета увеличения коэффициента затухания поперечных волн с повышением температуры на результаты контроля в установке предусмотрено увеличение крутизны кривой временной регулировки чувствительности относительно первоначальной настройки системы ВРЧ на холодном металле. Форму кривой ВРЧ можно увидеть в окнах просмотра осциллограмм.
Особенностью металлопроката как объекта контроля является анизотропия его физических свойств. Известно [236], что скорость поперечных волн зависит от их поляризации относительно направления прокатки листа. На исследованных марках стали максимальное различие скоростей распространения поперечных волн с поляризацией вдоль и поперек прокатки отличается на 10% [237]. При расположении плоскости поляризации ЭМАП под углом 45 к направлению прокатки излучаемый сигнал расщепляется на две компоненты, которые распространяются с разными скоростями и при отражении от дна изделия принимаются в виде двух близких по амплитуде и разделенных во времени эхо-сигналов. Это явление предложено использовать в [238] для анализа анизотропии скоростей (и коррелированных с ними других физических свойств) проката.
В установке «Север-6-08-5000» плоскость поляризации ЭМАП для контроля основного металла СКОМ установлена вдоль прокатки, а в системе СКК - поперек. Поскольку ЭМАП не являются строго поляризованными устройствами, то при проведении контроля возникают сателлиты донных импульсов относительно малой амплитуды, которые при большой толщине проката могут попадать в строб дефекта и вызывать ложное срабатывание.
Похожие диссертации на Физико-технические основы совершенствования средств автоматизированного, бесконтактного ультразвукового контроля листового проката
