Результат интеллектуальной деятельности: Способ обнаружения усталостных поверхностных трещин в электропроводящем изделии

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использовано для обнаружения и регистрации в электропроводящих изделиях усталостных поверхностных трещин с использованием метода акустической эмиссии (АЭ).

При осуществлении неразрушающего контроля электропроводящих объектов чрезвычайно важным является обнаружение движение дефекта, а не статических неоднородностей, связанных с наличием дефектов, поскольку именно развивающиеся дефекты, в частности трещины, представляют наибольшую опасность.

Известен способ обнаружения усталостных трещин образца материала, заключающийся в том, что к образцу материала прикладывают циклическую нагрузку и регистрируют сигналы акустической эмиссии, при этом определяют интервал изменения сигналов акустической эмиссии, характеризующих рост усталостной трещины, и диапазон нагрузок, в котором указанный интервал изменяется во всех циклах по одинаковому закону, а о наличии трещины судят по сигналам акустической эмиссии в указанном диапазоне (SU №1741012, МПК G01N 3/32,1992 г.).

Недостатками известного способа является то, что циклические нагрузки прикладываются через механические зажимы, а датчики акустической эмиссии располагаются достаточно далеко от предполагаемого места появления трещин. Первое приводит к местным напряжениям и появлению паразитных шумов акустической эмиссии, снижая достоверность. Второе снижает чувствительность к сигналам акустической эмиссии вследствие затухания волн напряжений при распространении в образце. Помимо этого существует необходимость использования нескольких датчиков акустической эмиссии и дополнительной обработки данных.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ контроля дефектов сляба для производства горячекатаной полосы, включающий инициирование акустической эмиссии в контролируемом слябе, регистрацию и обработку ее сигналов, в котором на поверхности сляба стационарно устанавливают датчики акустической эмиссии в порядке, обеспечивающем контроль всего материала сляба и определение координат источников сигнала акустической эмиссии, после чего сляб механически нагружают, используя собственный вес сляба, до напряжений от 20 до 80 процентов предела текучести материала сляба, выдерживают под нагрузкой не менее 1 минуты, полученные сигналы акустической эмиссии обрабатывают с помощью компьютера, по полученным данным судят о наличии зон повышенной активности изменения структуры материала и возможности дальнейшего развития дефекта в этой зоне при производстве горячекатаной полосы (Патент RU №2404872, МПК В21В 38/00, G01N 29/14, 2010)(прототип).

Недостатком этого способа является то, что испытуемое изделие подвергается значительным статичным нагрузкам конструкции в целом, что приводит к возможности одновременного появления сигналов акустической эмиссии в нескольких местах, снижая достоверность контроля. Кроме того, недостатками являются:

- появление паразитных шумов акустической эмиссии в местах крепления сляба к крановому оборудованию;

- необходимость использования нескольких датчиков акустической эмиссии и аппаратуры для обработки данных;

- снижение чувствительности к сигналам акустической эмиссии вследствие затухания волн напряжений при распространении в образце.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ обнаружения усталостных поверхностных трещин в электропроводящем изделии, позволяющий с высокой достоверностью контролировать появление развивающихся трещин за счет повышения чувствительности способа обнаружения.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе обнаружения усталостных поверхностных трещин в электропроводящем изделии, включающем инициирование акустической эмиссии в контролируемом изделии путем его нагружения, регистрацию и обработку сигналов акустической эмиссии, в котором осуществляют сканирование изделия линейным индуктором, через который пропускают импульсный электрический ток плотностью, обеспечивающей отсутствие нагревания индуктора и достаточной для инициирования сигнала акустической эмиссии, при этом линейный индуктор жестко связан с пьезопреобразователем датчика акустической эмиссии на расстоянии не более диаметра пьезопреобразователя.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ обнаружения усталостных поверхностных трещин в электропроводящем изделии путем сканирования изделия линейным индуктором, через который пропускают импульсный электрический ток, при этом линейный индуктор жестко связан с пьезопреобразователем датчика акустической эмиссии на расстоянии не более диаметра пьезопреобразователя.

Как известно, акустическая эмиссия представляет собой явление генерация волн напряжений, вызванных внезапной перестройкой в структуре материала. Источником акустической эмиссии является процесс деформирования, связанный с ростом дефектов, например трещины или зоны пластической деформации, поэтому акустико-эмиссионный контроль проводят путем нагружения контролируемого изделия. Наиболее распространенным способом нагружения является механическое нагружение изделия, которое и инициирует сигналы акустической эмиссии. Исследования, проведенные авторами, позволили разработать способ обнаружения усталостных поверхностных трещин в электропроводящем изделии, в котором нагружения осуществляют путем пропускания импульсного электрического тока через линейный индуктор, локально расположенный на поверхности изделия. При расположении индуктора над трещиной к берегам усталостной трещины прикладывается механическое нагружение за счет пондеромоторных сил, приводящее к появлению акустической эмиссии в период раскрытия трещины. Возникновение пондеромоторных сил обусловлено взаимодействием поверхностных токов на краях трещины, наводимых изменением циркулярного магнитного поля линейного индуктора, при пропускании через него импульсов тока Как показали исследования, величина пондеромоторных сил, которая зависит от плотности тока, пропускаемого через изделие, должна составлять не менее 100 МПа для получения сигнала акустической эмиссии, достаточного для регистрации и последующей обработки. Таким образом, экспериментально установлено, что плотность импульсного тока, пропускаемого через изделие, должна быть не менее 10⁸ А/м², с одной стороны, обеспечивая отсутствие нагрева индуктора, а, с другой стороны, обеспечивая возникновение пондеромоторных сил. При этом локальность воздействия обусловлена быстрым уменьшением величины циркулярного магнитного поля в связи с удалением от трещины.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На контролируемое электропроводящее изделие устанавливают датчик акустической эмиссии, пьзопреобразователь которого жестко связан посредством кронштейна с линейным индуктором диаметром не менее 0,5 мм, что обусловлено технологической целесообразностью с одной стороны, и обеспечением максимально возможной локализации индуктора на поверхности контролируемого изделия. Линейный индуктор и пьезопрербразователь датчика акустической эмиссии находятся на расстоянии не более диаметра пьезопреобразователя. Затем сканируют всю поверхность изделия этим тандемом при пропускании импульсного электрического тока плотностью, обеспечивающей отсутствие нагревания индуктора и достаточной для инициирования сигнала акустической эмиссии. В момент прохождения над развивающейся усталостной поверхностной трещиной возникает сигнал акустической эмиссии в пьезопреобразователе датчика акустической эмиссии, который регистрируется, обрабатывается и поступает на выход датчика в виде показаний регистрирующего прибора, например, в виде показаний амперметра. В качестве датчика акустической эмиссии может быть использован стандартный датчик ВС 601. В качестве линейного индуктора может быть использован стандартный индуктор(линейны й проводник) в комплекте с источником импульсного тока.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующим примером конкретного исполнения.

Пример. На контролируемое изделие из стали марки Ст3 размером 100×100×10 мм устанавливают датчик акустической эмиссии с линейным индуктором диаметром 0,5 мм, который жестко связан с пьезопреобразователем датчика акустической эмиссии посредством кронштейна. Затем сканируют всю поверхность изделия при пропускании импульсного электрического тока плотностью 10⁸ А/м² с длительностью импульса 0,01 мс при скважности 100. В ходе проведения контроля были выявлены два источника акустических сигналов, которые были идентифицированы как развивающиеся трещины и наличие которых было подтверждено проведением капиллярного контроля.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать достоверные данные по обнаружению развивающихся усталостных трещин в случае незначительного увеличения их размеров под нагрузкой за счет высокой чувствительности, обусловленной проведением контроля с использованием сканирования линейным индуктором путем пропускания импульсного электрического тока с расположением датчика акустической эмиссии на минимальном расстоянии между зоной возбуждения и зоной приема сигнала акустической эмиссии. Другим достоинством способа является простота регистрирующей аппаратуры, достаточность одного датчика акустической эмиссии и минимальная обработка данных. Способ может служить индикатором опасности дефектов.