Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Создание надежных машин и механизмов в значительной степени связано с прочностными характеристиками используемых материалов. Так как среди применяемых в машиностроении материалов основную долю составляет стальной прокат, то весьма актуальной является задача создания надежных и высокопроизводительных методов и средств неразрушающего контроля его прочностных характеристик, в том числе в технологическом потоке производства.
В теории и практике неразрушающего контроля стального проката и изделий из него важное место занимают магнитные методы, в том числе импульсный магнитный метод, разработанный в Институте прикладной физики Национальной академии наук Беларуси. Контроль механических свойств стального проката этим методом нашел широкое применение на многих предприятиях Беларуси, стран СНГ и дальнего зарубежья.
Вместе с тем дальнейшее развитие импульсного магнитного метода сдерживалось отсутствием решения ряда научных проблем, связанных с изучением закономерностей локального намагничивания ферромагнитных объектов неоднородным импульсным магнитным полем и созданием методов и средств неразрушающего контроля механических свойств и структуры ферромагнитных материалов и изделий из них, учитывающих влияние мешающих факторов в процессе контроля, в том числе движущихся в технологическом потоке производства. Решение этих задач позволяет, помимо расширения сортамента контролируемой продукции, перейти от пассивного контроля к активному, то есть не только определять прочностные свойства материалов и изделий, но и поддерживать их в заданных пределах за счет регулирования технологии производства.
Связь работы с крупными программами, темами. Научные исследования по теме диссертации входили в планы пяти госбюджетных тем, выполнявшихся по заданию ГКНТ СМ СССР № 259 от 20 мая 1974 г. и по постановлениям Президиума АН БССР № 247 от 30 декабря 1976 г. , № 193 от 23 декабря 1982 г., К 139 от 24 декабря 1987 г., № 3 от 21 января 1993 г., а также в планы более двадцати хоздоговорных работ.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является установление закономерностей формирования поля остаточной намагниченности при локальном намагничивании ферромагнетиков неоднородным импульсным магнитным полем и создание на их основе методов и
средств неразрушающего контроля прочностных характеристик ферромагнитных материалов и изделий из них, в том числе движущихся в технологическом потоке производства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
-
Разработать физическую модель и установить закономерности распределения в пространстве поля остаточной намагниченности и его градиента при локальном намагничивании ферромагнетика неоднородным импульсным магнитным полем.
-
Разработать методы формирования сильных импульсных магнитных полей с заданными амплитудными и временными параметрами.
-
Провести исследования влияния мешающих факторов (смещения и поворота объекта контроля относительно намагничивающей системы относительно измерительных преобразователей, скорости его перемещения, изменения натяжения листа) на пространствеїшое распределение поля остаточной намагниченности и на формирование сигналов измерительных преобразователей.
-
Разработать методы снижения влияния мешающих факторов (смещения и поворота обьекта контроля при намагничивании и измерении, скорости перемещения, изменения натяжения листа и электромагнитных помех) на результаты намагничивания и измерения напряженности поля остаточной намагниченности или его градиента.
-
Разработать новые средства импульсного магнитного контроля ферромагнитных изделий, в том числе движущихся в технологическом потоке производства.
-
Разработать методы и средства метрологического обеспечения созданных средств контроля, провести их метрологическую аттестацию.
-
Осуществить внедрение созданных средств контроля в промышленность.
Научная новизна полученных результатов заключается в развитии научных основ импульсного магнитного метода неразрушающего контроля, позволивших решить крупную прикладную проблему контроля прочностных характеристик ферромагнитных изделий, в том числе движущихся в технологическом потоке производства. В этой связи: - на основе предложенной физической модели, устанавливающей распределение плотности фиктивных магнитных зарядов на поверхности плоского ферромагнетика, локально намагниченного неоднородным импульсным магнитным полем, получены зависимости, позволяющие с достаточной для практики точностью описать распределение поля над его поверхностью. Теоретически получено и экспери-
ментально подтверждено экспоненциальное уменьшение величины экстремумов нормальной и тангенциальной составляющих поля остаточной намагниченности и линейное увеличение расстояний перехода через ноль и расстояний, на которых достигаются экстремальные значения обеих составляющих, с удалением от поверхности листа независимо от режима намагничивания и свойств ферромагнетика;
дано теоретическое обоснование необходимости учета при оптимизации параметров систем импульсного намагничивания зависимости постоянной затухания RLC-цепи от размеров соленоида и требуемой длительности импульса, разработаны новые принципы формирования импульсов магнитного поля максимальной амплитуды при заданных их длительности и энергии заряда батареи накопительных конденсаторов за счет выбора оптимальных параметров соленоида, а для соленоида с выбранными параметрами - импульсов разной длительности одинаковой формы и с разной длительностью переднего и заднего фронтов;
экспериментально установлена и объяснена неоднозначная зависимость поля и градиента поля остаточной намагниченности от амплитуды намагничивающих импульсов (эффект аномального намагничивания). Впервые показано, что с уменьшением длительности намагничивающих импульсов эффект аномального намагничивания наблюдается при меньших толщинах изделий. С ростом толщины изделий и числа намагничивающих импульсов усиливается проявление краевого эффекта и эффекта аномального намагничивания;
установлено, что эффект аномального намагничивания на тонких образцах проявляется сильнее при больших для переднего и меньших для заднего длительностях фронтов импульсов, а на толстых образцах - наоборот. Для получения стабильной намагниченности изделий толщиной от 1 до 30 мм следует выбирать длительность переднего фронта импульса > 1 мс и заднего > б мс;
показано,. что погрешность измерения градиента поля локально намагниченного изделия из-за непостоянства зазора при его изменении в пределах до 5 мм практически не зависит от толщины изделий. С увеличением толщины существенное влияние на погрешность измерений оказывает изменение зазора при намагничивании. Увеличение амплитуды и числа намагничивающих импульсов усиливает это влияние. При амплитудах импульсов, превышающих 10 А/м, погрешности из-за изменений зазора при намагничивании и при измерении градиента поля остаточной намагниченности имеют противоположные знаки;
установлено, что при изменении скорости перемещения листа в
4 процессе намагничивания от 0 до 25 м/с меняются величина градиента поля остаточной намагниченности vHrn и форма намагниченного участка. С увеличением расстояния от поверхности листа, на котором измеряется распределение vHrn, влияние скорости перемещения уменьшается. Погрешность, вызванная изменением скорости перемещения листа в пределах от 0 до 5 м/с, не превышает 1,3%, от 0 до 10 М/с - 5,5%, от 0 до 25 м/с - 13,5%;
- на основе анализа распределения поля остаточной намагничен
ности ферромагнитных изделий при их локальном намагничивании им
пульсным магнитным полем и анализа влияния мешающих факторов раз
виты принципы построения средств импульсного магнитного контроля
прочностных характеристик ферромагнитных изделий с защитными не
металлическими покрытиями, позволившие автоматизировать выбор ре
жима намагничивания, снижающего до 5% погрешность из-за непосто
янства зазора при контроле в пределах 0-2 мм, реализовать конт
роль стального проката, в том числе отдельно движущихся листов,
в технологическом потоке производства, отстроиться от влияния постоянных и медленно изменяющихся внешних магнитных полей на результаты контроля;
- дано дальнейшее развитие принципов метрологического обеспе
чения средств импульсного магнитного контроля. Впервые получены
зависимости, устанавливающие требуемые соотношения между величи
ной поля и величиной градиента, создаваемых соответствующими сис
темами меры градиента магнитного поля, за счет выбора числа вит
ков катушек меры. Установлена взаимосвязь между средними радиуса
ми катушек меры, протяженностью рабочей области и зазором между
преобразователями поверяемого средства при разном числе витков
центральных и крайних катушек меры. Разработан метод моделирова
ния смещения ферромагнитного листа относительно преобразователя и
метод моделирования воздействия поля локально намагниченного уча
стка на магниточувствительные элементы поверяемого средства при
различных скоростях движения объекта контроля.
Новизна технических решений подтверждается 34 авторскими свидетельствами и 12 патентами СССР, Болгарии, Германии, Франции, Чехословакии и Японии.
Практическая значимость полученных результатов.
- созданы средства импульсного магнитного контроля механичес
ких свойств и качества термообработки низкоуглеродистых сталей
толщиной до 30 мм при непостоянстве зазора между преобразователем
и объектом контроля до 2 мм: прибори ИМА.-5, ИМА-5А и ИМА-5Б;
разработаны средства контроля механических свойств и структуры листового проката низкоуглеродистых сталей, движущегося в технологическом потоке производства со скоростью до 5 м/с: установки ИМПОК-1, ИМП0К-1А и ИМПОК-1Б и со скоростью до 25 м/с -установки ИМПОК-2 и ИМІ0К-3;
разработана методика расчета систем импульсного намагничивания, позволяющая получить импульсы магнитного поля с заданными амплитудными и временными параметрами, обеспечивающими требуемую достоверность контроля;
созданы меры градиента магнитного поля типа МГПД, аттестованные как образцовые во ВНИИМ им. Менделеева, и источник импульсов тока специальной формы (ИМИТАТОР), позволяющий совместно с мерой МГПД имитировать распределение в пространстве и времени поле локально намагниченного с двух сторон изделия;
проведены лабораторные, промышленные и государственные (прибор ИМА-5Б) испытания созданных средств контроля и средств их поверки, разработаны рекомендации по промышленному внедрению методов и средств контроля, осуществлено их внедрение в производство в Беларуси, ряде стран СНГ и дальнем зарубежье (на метод контроля с применением приборов типа ИМА-5А продана лицензия в Болгарию, установка ИМПОК-1Б продана по контракту в Германию), разработанные методы и средства контроля отмечены двумя серебряными и тремя бронзовыми медалями ВДНХ СССР, а работа по контролю механических свойств листового проката сталей в потоке производства удостоена премии Совета Министров СССР в 1991 г.
Экономическая значимость полученных результатов. Изложенные в диссертации методы, технические решения и методики по обеспечению качества отдельных ферромагнитных изделий и по поддержанию стабильности технологических процессов производства стального проката, позволяющие предотвращать брак на ранней стадии производства, использовались и могут быть использованы в дальнейшем в качестве коммерческого продукта.
Общий экономический эффект от внедрения и продажи разработанных методов и средств контроля превышает 1 млн. рублей в год, 97 тысяч инвалютных рублей (в ценах до 1991 г.) и 100 тысяч марок ФРГ (1996-1997 г.г.).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований распределения поля остаточной намагниченности и его градиента над поверхностью ферромагнитного листа, намагниченного
локально импульсным магнитным полем, на основе которых удалось более чем на порядок снизить влияние непостоянства зазора между преобразователем и контролируемым изделием как при одностороннем, так и при двухстороннем доступе к объекту контроля.
-
Новый принцип расчета систем импульсного намагничивания, основанный на учете зависимости постоянной затухания RLC-цепи от геометрии намагничивающего соленоида и длительности формируемого импульса, позволяющий сформировать импульсы магнитного поля максимально достижимой амплитуды при заданных длительности импульсов и энергии заряда батареи накопительных конденсаторов за счет выбора оптимальных размеров соленоида, а для соленоида с выбранными параметрами - импульсы заданной формы при разной их длительности и импульсы с разной длительностью переднего и заднего фронтов.
-
Новые закономерности, устанавливающие разный характер влияния переднего и заднего фронтов намагничивающих импульсов на распределение поля остаточной намагниченности, зависимость этого влияния от их амплитуды и толщины контролируемого изделия, зависимость проявления эффекта аномального намагничивания от длительности импульса и толщины контролируемого изделия.
-
Анализ влияния изменения зазора при намагничивании и при измерении, показавший независимость погрешности из-за непостоянства зазора в пределах 0-5 мм при измерении градиента поля остаточной намагниченности от толщины изделий, увеличение погрешности из-за непостоянства зазора при намагничивании с ростом толщины, усиление этого эффекта с увеличением амплитуды и числа намагничивающих импульсов, и противоположность знаков погрешностей из-за изменений зазора при намагничивании и при измерении градиента поля остаточной намагниченности при амплитудах, превышающих
106 А/м.
-
Результаты исследований влияния скорости перемещения листа в процессе намагничивания в пределах от 0 до 25 м/с на распределение градиента поля остаточной намагниченности vHrn, показавшие, что с ростом скорости перемещения изменяется величина остаточной намагниченности и форма намагниченного участка, при этом погрешность из-за изменения скорости в пределах от 0 до 5 м/с, не превышает 1,3%, от 0 до 10 м/с - 5,5%, от 0 до 25 м/с - 13,5%. С увеличением расстояния от поверхности листа, на котором измеряется vHrn,влияние скорости перемещения на распределение vHrn уменьшается.
-
Разработанные методы контроля:
метод автоматического выбора оптимальной амплитуды намагничивающих импульсов, основанный на имитации реального влияния зазора путем последовательного изменения режима намагничивания и режима измерения;
метод контроля механических свойств листового проката, движущегося в технологическом потоке производства, в том числе отдельно движущихся листов;
метод контроля механических свойств прутков и труб, движущихся в технологическом потоке производства;
метод отстройки от влияния на результаты контроля постоянных и медленно изменяющихся внешних магнитных полей;
метод отстройки от влияния изменений натяжения листа.
-
Средства магнитного контроля механических свойств и качества термообработки низкоуглеродистых сталей толщиной до 30 мм при непостоянстве зазора между преобразователем и объектом контроля до 2 мм: приборы ИМА-5, ИМА-5А и ИМА-5Б.
-
Средства контроля механических свойств и структуры листового проката низкоуглеродистых сталей, движущихся в технологическом потоке производства со скоростью до 5 м/с-, установки ИМПОК-1, ИМП0К-1А и ИМП0К-1Б и до 25 м/с: установки ИМІ0К-2 и ИМПОК-3.
-
Методика построения мер градиента магнитного поля для метрологической аттестации разработанных средств контроля, меры типа МГІГД и ИМИТАТОР (источник импульсов специальной формы), позволяющий совместно с мерой МГПД имитировать в пространстве и времени поле локально намагниченного с двух сторон изделия.
Личный вклад соискателя. Опубликованные по теме диссертации работы выполнены автором лично (без соавторов опубликовано 14 научных работ) или в соавторстве.
Основными соавторами по опубликованным работам являются Мель-гуй М. А., Пиунов В. Д., Цукерман В. Л., Шидловская Э. А. и Стрелю-хин А. В.
В соавторстве с Мельгуем М. А. выполнена часть работ по применению эффекта аномального намагничивания для снижения влияния зазора на результаты контроля, разработке метода контроля в технологическом потоке производства, разработке принципов построения средств контроля и их внедрению в производство. Автор данной диссертации являлся непосредственным исполнителем этих работ. Его личный вклад состоит в проведении экспериментов, формулировке выводов и обобщении результатов. Автором установлен эффект аномального намагничивания, условия, при которых он наблюдается, предло-
8 жено использовать аномальную зависимость градиента поля остаточной намагниченности от амплитуды намагничивающих импульсов для снижения влияния зазора на результаты контроля, предложено имити ровать влияние зазора изменением амплитуды намагничивающих импульсов и коэффициента усиления измерительного тракта, проведены исследования влияния смещения листа между преобразователями при одностороннем и двухстороннем намагничивании, установлена необхо димость намагничивания листа для снижения влияния зазора встречи направленными полями соленоидов, показано расширение области отстройки от влияния зазора при использовании среднего геометричес кого измеряемых градиентов, влияния поворота и натяжения листа. Кроме того, автором лично разработаны структурные и принципиальные схемы приборов ИМА-5, ИМА-5А и установки ИМПОК-1, методики их метрологической аттестации и поверки.
В работах, опубликованных совместно со Стрелюхиным А.В., аь тор осуществлял постановку задачи, предлагал направления решения участвовал в теоретических и экспериментальных исследованиях, фс мулировке выводов.
В соавторстве с Пиуновым В. Д. выполнена часть работ по разработке метрологического обеспечения средств импульсного магнитного контроля. Автором предложены принципы построения мер градиента магнитного поля разных модификаций и методики их применение
В соавторстве с Осиповым А.А. выполнена часть работ по разработке установки типа ИМП0К-1Б. Автором предложен принцип построения установки для контроля отдельно движущихся листов, разработана структурная и часть принципиальной схем, проведены испыте ния установки.
В соавторстве с Цукерманом В.Л. выполнен ряд работ по разрг ботке приборов ИМА-5Б, установки ИМП0К-1А, ИМПОК-2, ИМШЖ-3 и ИМИТАТОРА для их метрологической аттестации. Автор непосредствеї но участвовал в создании технических решений, лежащих в основе построения этих средств контроля, проведении их испытаний, разр; ботал методики контроля.
В соавторстве с Шидловской Э.А. выполнен ряд работ по исел< дованию особенностей импульсного магнитного контроля труб и по промышленным испытаниям разработанных средств контроля. Автором разработаны методики контроля, проведены исследования возможное контроля с помощью разработанных средств, дан анализ полученных корреляционных зависимостей и рекомендации по применению созданных приборов.
Апробация результатов диссертации. Основные положения работы доложены и обсуждены на X (Москва, 1982), XII (Амстердам, 1989), 14-й (Нью-Дели, 1996) Международных конференциях по неразрушаще-му контролю, 2-й Международной конференции "Контроль качества трубопроводов" (Москва, 1991), научно-технической конференции с международным участием "Стандартизация и управление качеством в металлургии и минеральном сырье" (Албена-Варна, 1989), национальной конференции "Дефектоскопия-89" (Пловдив, 1989), Международном симпозиуме "Неразружающий контроль в гражданском строительстве" (Берлин, 1995), Международной конференции "Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике" (Минск, 1995), 2-й Международной конференции по проблемам физической метрологии (Санкт-Петербург, 1996), III (Куйбышев,1978), IX (Минск, 1981) и XII (Свердловск, 1990) Всесоюзных научно-технических конференциях по неразрушаодему контролю и других конференциях и семинарах.
Опубликованность результатов. Основное содержание работы опубликовано в 124 научных работах, в том числе 50 статьях в журналах и сборниках, 28 тезисах докладов, 34 авторских свидетельствах и 12 патентах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 8 глав, выводов, списка использованных источников и приложения.
