Введение к работе
Работа связана с решением задач повышения качества изделий из ферромагнитных металлов л сплавов, экономии металла и трудовых ресурсов в результате разработка теоретических полонений и создания методов и средств высокотемпературного ультразвукового контроля сплошности,геометрических и механических характеристик ферромагнитных металлоизделий в процессе производства.
Актуальность работа. Современное производство металлоконструкций, малин, механизмов и аппаратов, в состав которых входят изделия из ферромагнитных металлов, является сяояшм, длительным и дорогостоящим процессом. При деиствуших технологиях низкое качество изделия часто выявляется на завершающей стадии; изготовления сооружения, машины, механизма или аппарата, или в процесса их эксплуатации, что приводит к безвозвратной потере материальных и трудовых ресурсов. Указанные потери маяно предотвратить неразрушающим контролем металлоизделий на ранних стадиях (этапах) производства (в процессе непрерывного литья стальной заготовки, горячей прокатки или ковки .пильгеровання труб и т.п.), которые осуществляются при высоких / до 1200С / температурах.
В настоящее время разработаны теоретические основы и принципа проектирования бесконтактных средств ультразвукового контроля, основанных на злектронагнзтпо-акустическом (ЭШ) и лазерном оптико-акустяческогі способах генэрации и регистрации ультразвука как для немагнитных, так а для ферромагнитных і^еташюв, находящихся при всызвзнзх тєіпгаратурах.
Приоритет в изучении указанных способов применительно к создании ультразвуковых катодов контроля принадлекит российской науке п обеспечен трудакз таких ученых, как Б.Остроуизв, Л.йэлзтоаскиа, К.К.ВяЕоградрв, Г.К.Ульянов. В.П.Ггйдуков, К.Б.Вгасоз, Ю.М.Шгарлэт, Г.А.Буденков, В.А.Ксызров, А.Н.Ваепдь8в, А.В.Харитонов, В.Т.Бобров. В.Д.БучвльЕпков, СН.Шубаав, В.Г.Кулвев, И.В.Ильин, Д.М.Лйзэв, В.В.Крылов, А.Н.Бояяаренко, В.Е.Чабаяов и др.
В результате созданы и эксплуатируется в производстве аппаратура и установки для ультразвукового контроля качества
металлоконструкций, основанные ва-ЗМі преобразовании. "Быстро доводится до промышленных образцов ультразвуковая тсонтролируюдая . техника, основанная на лазерном термооптичееком преобразовании. Однако ультразвуковой контроль ферромагнитных металлов и изделий из них при высоких температурах в процесса производства отсутствовал как в пассивной, так и в активной (с обратной связью) формах.Это связано с несовершенством теоретических представлений о генерац и и акустически х полей , формиру е мых электромагвитно-акуетическими преобразователями( ЭМАП ) в ферромагнитных металлах в высокотемпературной области, содержащей магнитный фазовый переход типа "порядок-баспорядок" в точке Кюри, сложностями в экспериментальных исследованиях и производственных испытаниях, . которыми сопровождаются высокотемпературные процессы, . Таким образом, существует научная проблема создания теоретических основ и методологии высокотемпературного ультразвукового контроля, основанных на бесконтактных генерации и регистрации ультразвука в ферромагнитных - металлах и сплавах. Решение этой проблемы, заключающееся в разработке на базе соответствующих теоретических . и. экспериментальных исследований методов высокотемпературного ультразвукового контроля ферромагнитных металлов и сплавов и создании автоматизированных средств указанного контроля имеет вакное научно-техническое значение и может быть достигнуто лишь на основе комплексного подхода, включающего теоретические и экспериментальные исследования, опытно-конструкторские разработки, создание и внедрение в производство образцов новой техники.В связи с излокеншм выше тема настоящей диссертационной работы представляется'актуальной. .Развиваемое в диссертационной работе научное направление выполнялось в соответствии с координационными планами АН СССР по проблеме " Неразрушавдие физические методы контроля" на 1981-1985 годы №-1.3.9.8) и на 1986-1920 ГОДЫ (П.1.3.10.8); программой работ ГКНГ СССР на 1986-90 годы по решению проблемы: Создать и освоить в производстве комплекс приборов и средств неразрушавдего контроля качества материалов и изделий (раздел IV , с. 171); комплексной программой научно-технического прогресса стран-членов СЭВ на 1988-1990 года (п.4.3.4.3.4.1); меквузовской целевой комплексной программой " Разработка и
применение методов и средств неразрукащэго контроля качества промышленных изделий" на 1981-1985 года(пп. 1.2.13,1.2.14) и на 1986-1990 года (ш.1.1.7,1.1.8); научно-технической программой ГКНО СССР на 1989-1991 голы " Неразрушавдий контроль и диагностика" (пп.1.3.1,1.3.2).
Цель и основные задачи работы. Цель работы заключалась в создании научных основ высокотемпературного метода ультразвукового контроля ферромагнитных металлов и изделий из них, разработке принципов построения соответствующей аппаратуры и методологии высокотемпературного ультразвукового контроля в процессе производства.
Для достижения указанной целя потребовалось решить следующие задачи:
- развитие и обобщение теории высокотемпературного
электрошгнитно-акустического преобразования при магнитном
фазовом переходе ферромагнитных металлов и сплавов (770С для
железа и сплавов на его основа).
разработка теоретических положений, . описывающих генерацию импульсным лазерным излучением акустического поля в ферромагнитном металле в области термоупругого эффекта;
разработка экспериментальных методов исследования параметров высокотемпературного преобразования импульсных электромагнитного и лазерного излучений'в акустические поля, об'яснвние механизмов указанных преобразований в ферромагнитных металлах;
разработка функциональных' решений аппаратуры для высокотемпературного ультразвукового контроля качества ферромагнитных металлоизделий в процессе производства.
Методы исследования. При разработке теоретической части использовались методы динамической теории упругости и термоупругости, электродинамики и теории ферромагнетизма. Решение систем' дифференциальных уравнений осуществлялось методами функций Грина и интегральных преобразований Лапласа, Фурье и Фурье-Бесселя. Окончательные выражения для вычисления параметров акустических полей получались методами теории функций комплексного переменного, 'либо параметры определялись методами численного интегрирования. Высокотемпературные экспериментальные исследования проводились по оригинальным методикам на, специально разработанных и изготовленных
оригинальных стендах и установках, в состав которых входила современная серийно выпускаемая аппаратура, в том числе импульсные оптические квантовые генераторы, двухкоординатные самопишущие приборы и т.д.; некоторые экспериментальные исследования выполнялись непосредственно в производственных условиях. Все использованное для исследований оборудование подвергалось систематической метрологической поверке отделом штрологш Челябинского государственного технического университета.Авализ теоретических и экспериментальных результатов проводился на ЭШ серии ЕС, а так же на ПК серш IBM с использованием методов статической обработки результатов измерений для оценки погрешностей измерений.
Научная новизна работы. Определяется тем, что в ней впервые:
- * разработаны элементы теории высокотемпературной
электромагнитной гензрациии и регистрации акустических волн в
ферромагнитных металлах с учетом поверхностных сил,
дэЕствущих на границе ферромагнитной среды. Построен
дифференциальный тензор смещений Грина, с помощью которого
определялись параметры различных типов акустических волн;
разработаны теоретические основы лазерной генерации акустических импульсов в ферромагнитных металлах при высоких температурах с учетам температурной зависимости коэффициента теплового расширения. Определены общие закономерности процесса генерации звука движущимся по поверхности упругой среды лазерным лучом;
экспериментально определены параметры акустических полей, создаваемых ЭИАП и импульсными лазерами в ферромагнитных металлах при высоких температурах. Установлены особенности высокотемпературного ЭШ. преобразования в заэвтектоидных сталях. Определена температурная зависимость скорости распространения продольных и поперечных волн в ферромагнитных металлах и сплавах, отмечено влияние структурных и фазовых магнитных переходов на дифференциальную температурную зависимость скорости распространения продольного и поперечного звука ультразвуковой частоты. Установлена возмоаность высокотемпературного контроля непрерывной литой заготовки, полученной на установке непрерывной разливки стали;
созданы . автоматизированные системы для
іисокотемпературного ультразвукового контроля горячэкатаных
труб в процессе горячей прокатки. Разработаны и внедрены в
штно-промкшленную эксплуатацию ЭШШ для регистрации
[ генерации ультразвука в изделиях из ферромагнитных
іеталлов, находящихся при высоких температурах. Разработан трокополосный ЗМАП для регистрации ультразвуковых импульсов іаносекундной длительности, возбуждаемых импульсным лазером;
- разработана технология высокотемпературного ультразву-
:ового контроля толщины стенки горячих ферромагнитных
руб,выпускаемых тшггримовыми станами горячей прокатки-ковки
г трехвалковыми трубопрокатными агрегатам. Контролирующие
истемы и технология предложены в качества устройств
даптивного ультразвукового контроля горячего проката с гибкой
братной связь» для оперативкой корректировки параметров
ехнологического процесса.
Новизна разработок подтверадеяа 16-к> авторскими видетельствами на изобретения.
Практическая ценность работы. Состоит в научном обо-Н0В8НИИ процессов прямого и обратного электромапштно-акусти-еского преобразования в ферромагнитных металлах,находящихся ри температурах магнитного фазового перехода фзрромагвэ- их-парамагнетик ( в точке Кюри ), что позволило разработать етоды расчета параметров высокотемпературного ультразвукового онтроля как технологического процесса;
- в научном обосновании процесса лазерной генерации
льтразвука в ферромагнитных металлах с учетом температурной
ависимости коэффициента теплового расширения, времена
элаксации теплового потока и конечной величины скорости
аспостранения тепла, в результата которого разработаны методы
асчета параметров лазерных излучателей ультразвука;
- в создании стендов и установок для экспериментальных
сслэдований температурных зависимостей параметров
кустического поля, скоростей распространения ультразвука в
зрромагнитных металлах, а так яэ характеристик ЗМАП и
ззерных излучателей ультразвука, что дало возможность
іределить оптимальные параметра, излучателей и повысить
эчеосгь ультразвукового контроля толщины стенки
эрячекатаных труб;
- з разработке и внедрении различных конструкций ЭМАП
для високотемпературного ультразвукового контроля толщины стенки горячекатаных груб;
- в разработке и внедрении контролирующих систем и технологий контроля качества горячекатаных ферромагнитных обсадных и нефтепроводных труб, позволяющих осуществить экономию' металла за счет уменьшения расходного коэффициента металла и устранить брак по разностенности труб из шарикоподшипниковой стали.
Реализация в промышленности. Разработанные ЭМАП,системы и технологии внедрены в опытно-промышленную эксплуатация» на двух предприятиях ВПО "Союзтрубосталь" МЧМ СССР, в Институте ядерных исследований Ш УССР. Определенный планово-экономическими службами минчермета СССР и Всесоюзного научно-исследовательского трубного института ( г..Днепропетровск ) ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения контролирующей системы "Сирена" на автоматических и пилигримовых трубопрокатных агрегатах составляет в ценах 1988г. 3,8 млн. руб.
Апробация работы. Основные положения и р:зультаты работы докладывались и обсуждались: на Менотраслевоу экспертном совете по содействию внедрению научно-технических достижений при СМ СССР ( Москва, 1988 );на IX (Минск,1981); X(Львов,1984); XI (Москва,1987) и XII (Свердловск,1990) Всесоюзных конференциях по неразрушавдим физическим методам и средствам контроля; на X Всесоюзной акустической конференции ( Москва, 1983);на Всесоюзных ковфэренциях по ультразвуковой дефектоскопии металлоконструкций (Ленинград, 1986, 1988) ; на II - XIII Уральских региональных конференциях по современным методам и средствам неразрушащего контроля (Свердловск,Ижевск,Челябинск, 1981-1993) ;на Г7 Всесоюзной межвузовской конференции по методам контроля качества материалов и изделий (Омск,1983); научно-техническом семинаре Института новой металлургической технологии ЦНИЙЧермет (Москва,1982); на Координационном совете ГКНО СССР " Неразрушаодий контроль и диагностика" и заседаниях акустической комиссии (Ленинград,1983,1989;Ивано-Франковск, 1984,1990). Ультразвуковая бесконтактная система "Сирена" экспонировалась на ВДНХ- СССР (1987,бронзовая медаль); Международной выставке в Варшаве (ІШР.1988); Международной ярмарке в Брно(ЧСФР,1989). Полное содержание диссертации докладывалось и обсуздалось на заседаниях научных семинаров
Института физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург),1995 г. и Физико-технического института УрО РАН (г. Икевск), 1995 г.
Публикации. По результатам исследований и разработок выполнено 70 публикаций, в том числе 16 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и об'єм, работы. Диссертация изложена на416страницах машинописного текста и содержит введение, шесть глав, заключение, список использованных источников из 296 наименований, . пршюяениэ, 105 рисунков и фотография.