Введение к работе
Свойство магнитных тел и пеодяородностей материалов иметь отличную от окруаащей среды намагниченность широко аспользувтся для их обнаружения по образующемуся магнитному ноли рассеяния, закономерности формирования которого составляв? теоретическую основу метода магнитной дефектоскопия. Применение магнитного метода для решения широкого круга практических задач,таким образом, основано на достн-яениях в развитии теоретической база метода, начало формирования которой относится к периоду пшрокого распространения з практике магнитных измерений магнитоиндукционных я пондеромоторных преобразователей, пригодных для регистрации магнитных полей рассеяния. Основополагающими для теории метода являются работы Р.И.Януса, Б.К.Аркадьева, Г.А.Гринберг, С.В.Вонсовского. Дальнейшее развитие теоретические основи магнитной дефектоскопии получила в работах А.Б.Сапошгакова, Н.Н.Зацепина, В.Е.Щербинина, Ф.Фер-стера и ряда других исследователей.
Теоретические и экспериментальные исследования направлены, главным образом, на установление закономерностей взаимосвязи характеристик магнвтних полей рассеяния с параметрами магнитных неоднородностей и включений, о магнитными свойствами материалов и условиями намагничивания. Основными условиями решаемых теоретических задач являются: одиночные магнитные неоднородности (дефекты или включення) в изотропной среде, намагничиваемой однородным 'магнитным полем. В процессе развития магнитного метода данная модель уточняется и детализируется. Обоснован-лость ее теоретического я прикладного использования состоит в том, что она проста и, вместе с тем, содержат необходимые условия для анализа поля рассеяния и ядеалънне
условия для обнаружения дефектов материалов.
Однако, многообразие реальных условий контроля не моает быть сведено к идеальной модели, а полученные в ее рамках закономерности не могут быть распространены на все случай. Возникающая, в связи с этим, проблема эффективности использования магнитного метода требует развития его теоретической базы для новых условий. К наиболее существенным и распространенным, не соответствующим идеальной модели, условиям относятся два: I. наличие в контролируемых объектах групповых включений и дефектов; 2. необходимость использования в практике контроля малогабаритных источников намагничивающего поля.
-
Характерными дефектами закалка деталей являются как одиночные, так И групповые трещины, дефектами литых деталей - одиночные и групповые раковины, сварных швов -непровары я шлаковые включения, трубопроводов И металлических конструкций - преимущественно групповые коррозионные поражения. Близкое друг к другу расположение включений или дефектов в феррокагнетнкв, а также - ферромагнитных тел в немагнитной среде приводит к их взвитому влиянию через вторичное поле я-к изменению услознй формирования поля рассеяния. Установление закономерностей формирования магнитного поля рассеяния групповых включений является, таким образой, Необходимым условием обеспечения эффективности метода.
-
В магнитной дефектоскопии наряду с однородным намагничиванием используется и квазиодаородяое с применением приставных электромагнитов или постоянных магнитов. Стремление сохранить условие однородности намагничивания, хотя бы в зоне измерений, увеличивает объем намагничивающих устройств и, вследствие итого, ограничивает использование метода контролен изделий достаточно крупных размеров и простой форда (трубы, прутки, рельсы, листы в т.п.). Контроль хе. наделяй малых разиеров я сложной формы, а также-участков изделий в труднодоступных местах воамоаэн с применением малогабаритных намагничивающих устройств. Однако, при сканирования контролируемой поверхности подобными уст-
-4.-
ронстваии намагниченность материала в зоне дефекта постоянно ваивняется, то есть поле раоееяшш не является статическим. Решение проблемы оптимизации процесса контроля я интерпретации результатов намерений в данных условиях может быть обеспечено на основе исследования характеристик поля рассеяния дефектов при локальной намагничивании.
Цель и задачд исадедовандй.
Целы) диссертационной работы является развитие теоретических основ магнитной дефектоскопии с учетом указанных выше проблем, разработка с использованием полученных результатов новых способов а средств контроля строительных конструкций н изделий машиностроения.
Достижение поставленной цели связано о решением следующих задач:
разработка аналитической модели в задаче о магнат-ном поле групповых (взаимодействующих) включений;
получение закономерностей распределения напряженности магнитного поля взаимодействующих включений;
анализ вносимых взаимодействием изменений в магнитное поле рассеяния;
экспериментальная оценка погрешности аналитических решений п установление границ их применимости;
получение аналитических выражений составляющих напряженности магнитного поля дефекта при локальной намагничивании;
установление зависимости распределения напряженности магнитного поля дефекта от размеров и расположения малогабаритных ввмагвачяващях систем;
определенна условия (критерия) предельной локализаций намагничиваемой зоны контролируемого объекта;
оценка реальной чувствительности магнитного метода обнаружения ферромагнитных включений в немагнитных средах;
разработка способа и аппаратура для обнаружения ферромагнитных включений в немагнитннх строительных конструкциях;
- разработка новых способов и средств дефектоскопии
изделий машиностроения из ферромагнитных материалов с ис
пользованием локального намагничивания.
Методы исследований. В работе использованы:
аналитическое решение методом последовательных приближений задачи о магнитном поле групповых включений. В качестве нулевого приближения в методе использованы функции распределения напряженности поля невзаимодействующих включений, а влияние включений друг на друга рассматривается как возмущение нулевого решения;
метод поверхностного заряда дли расчета напряженности магнитного поля дефекта при локальном намагничивании;
экспериментальное исследование распределения напряженности магнитного ноля взаимодействующих и невзаимодействующих включений и магнитного поля поверхностных дефектов при нормальном намагничивании;
феррозондовый метод измерения напряженности вторичного магнитного поля, образуемого кирпичными и бетонными строительными конструкциями.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана расчетная модель задачи о магнитном поле групповых (взаимодействующих) включений в изотропной среде, находящейся под воздействием неоднородного намагничивающего поля Н0 ;
получены аналитические выражения составляющих напряженности магнитного поля для двух и для ряда из Н взаимодействующих протяженных (цилиндрических) и локализованных (сферических) включений;
дан анализ зависимости магнитного поля взаимодействующих включений от магнитной проницаемости материала, от характеристик намагничивающего поля и от расстояния между включениями;
показано, что магнитное взаимодействие включений можно представить в виде комбинации подаагничивающего и размагничивающего; указаны условия реализации данных типов взаимодействия;
показано, что магнитное поле рассеяния системы взаимодействующих включений характеризуется признаками, соответствуицими поли эквивалентного системе тела;
разработана экспериментальная установка и метод измерения характеристик поля рассеяния, связанных со взаимодействием включений;
измерено распределение напряженности магнитного поля, двух параллельных взаимодействующих и невзаимодействующих прутков, намагничиваемых поперечным однородным полем;
предложен способ корректировки аналитического решения с помощью эмпирических коэффициентов,вводимых в параметр, характеризующий влияние одного включения на другое.
получены аналитические выражения составляющих напряженности магнитного поля поверхностного дефекта нарушения сплошности ферромагнитного материала, намагничиваемого под углом к поверхности объекта однородным полем, и при локальном намагничивании одно - и двухполюсным источником; полученные формула связывают распределение напряженности поля рассеяния с размерами и расположением намагничивающих устройств;
исследованы аналитически и экспериментально составляющие напряженности магнитного поля поверхностного дефекта пря нормальном к поверхности намагничивании;
сформулирован критерий предельной локализации намагничиваемой зоны контролируемого объекта, позволяющий
в зависимости от конкретных условий оптимизировать намагничивающие системы.
Практическая ценность ззботц соотонт в том, что:
развитие теории магнитного метода с учетом реальных условий дефектоскопии материалов и изделий повышает эффективность их контроля и является основой для разработки новых средств магнитной дефектоскопии;
дано теоретическое и экспериментальное обоснование магнитного метода обнаружения ферромагнитных включений в немагнитных и слабомагнитяых средах с учетом создаваемых
- ?~
этими средами магнитных помех;
сформулированы основные технические требования к средствам контроля строительных конструкций»
разработан способ и аппаратура для обнаружения ферромагнитных включений в немагнитных строительных конструкциях;
разработаны новые способы п дефектоскопы (ДФП-І, ДФП-ІМ и ДФП-2), в которых реализовано локальное намагничивание. Дефектоскопы внедрены в производство на предприятиях машиностроения для контроля изделий малых размеров н сложной формы, преобразователи с локальным намагничиванием-для контроля алмазных фрез я деталей шасси самолетов. Дефектоскоп ДФП-І внедрен в учебный процесс в минском радиотехническом институте;
по результатам исследований получены 7 авторских свидетельств на способы и 12 - на устройства магнитного контроля, а также два патента (США и Франции).
Апробация работа.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах: 1-ой межвузовской н.-т. конференции по электромагнитным методам контроля качества, Москва, 1972 г.; н.-т. конференция "Метрология и техника точных измерений", Минск, 1972 г.; 7-ой мевдувародной конференции по нераз-рушавщим испытаниям, Варшава, 1973 г.; 2-ой Всесоюзной н.-т. конференции "Неразруиающий контроль материалов, изделий и сварных соединений", Москва, 1974 г.; симпозиуме "Неразрушащий контроль", Братислава, 1Э76 г.; IX Всесоюзной н.-т. конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля", Минск, 1981 г.; IX региональной н.-т. конференции "Современные магнитные, электромагнитные
и акустические методы и приборы неразрушающего контроля", Свердловск, 1988 г.; Республиканской н.-т. конференции "Проблемы качества и надежности машин", Могилев, 1994 г.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения: объем - 221 страница машинописного текста (в том числе 10 таблиц) и 79 рисунков. Список литературы включает 176 наименований. Приложение содержит таблицы магнитной восприимчивости материалов строительных конструкций, сигналограммы магнитных неодно-родностей этих материалов, таблицы результатов испытаний прибора для обнаружения ферромагнитных включений в строительных конструкциях, электрические схемы дефектоскопов, акты их испытаний и внедрения.