Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для магнитной дефектоскопии как плоских изделий, так и изделий сложной формы (шестерни, болты, ступенчатые и коленчатые валы, галтельные переходы и др.).

Известен способ магнитной дефектоскопии, используемый для дефектоскопии рельс, уложенных в путь, и заключающийся в том, что намагничивают линейно-протяженный контролируемый объект, перемещают над его поверхностью индукционный преобразователь, регистрируют его выходное напряжение и по его изменению судят о наличии дефектов [1]. Преимущество регистрации дефектов с помощью индукционных преобразователей состоит в их лучшей селективной чувствительности к дефектам, по сравнению с феррозондами или датчиками Холла. Это связано с тем, что выходной сигнал индукционных преобразователей определяется скоростью изменения магнитного потока, сцепленного с его витками. За счет этого подавляется влияние мешающих факторов, приводящих к большим, но плавно изменяющимся магнитным полям над поверхностью контролируемого объекта.

Недостаток известного способа состоит в необходимости обеспечения для получения приемлемой абсолютной чувствительности высокой скорости перемещения. Из-за этого, в частности, невозможен контроль миниатюрных объектов, а также сложнопрофильных и труднодоступных участков. Известный способ не обладает и потенциально достижимой при использовании индукционных преобразователей селективной чувствительностью к дефектам, так как здесь в качестве информативного параметра используется амплитуда регистрируемых импульсов напряжения. Импульсы напряжения возникают как под влиянием магнитных потоков рассеяния над дефектами, так и под воздействием мешающих факторов, например магнитной неоднородности металла, вариации рабочего зазора, неровности сканируемой поверхности.

Известен способ магнитной дефектоскопии, заключающийся в том, что намагничивают линейно-протяженный контролируемый объект, перемещают над его поверхностью феррозондовый и индукционный преобразователи, измеряют скорость перемещения и в зависимости от ее величины регистрируют сигналы феррозондового или индукционного преобразователей, по которым судят о наличии и параметрам дефектов [2]. Известный способ позволяет проводить контроль при широком диапазоне изменения скорости сканирования, сочетая приемлемую чувствительность к дефектам как на низких скоростях, за счет использования феррозондового преобразователя, так и на высоких скоростях, за счет использования индукционного преобразователя.

Недостаток известного способа состоит в низкой эффективности контроля сложнопрофильных участков, так как используемый в этом случае феррозондовый преобразователь оказывается весьма чувствителен к магнитным неоднородностям металла, вариации рабочего зазора при сканировании и краевым эффектам. Известный способ не обладает и потенциально достижимой при использовании индукционных преобразователей селективной чувствительностью к дефектам, так как и здесь в качестве информативного параметра используется амплитуда регистрируемых импульсов напряжения.

Наиболее близок по технической сущности к заявляемому способу магнитного контроля принятый за прототип способ, заключающийся в том, что контролируемый участок намагничивают П-образным электромагнитом и сканируют поверхность контролируемого объекта индукционным преобразователем, установленным на размещенном в межполюсном пространстве электромагнита вращающемся диске, перемещаемом одновременно вдоль контролируемого участка. Сигналы с выхода индукционного преобразователя передают на электронный блок через индукционный токосъем, где по изменению амплитуды регистрируемых сигналов судят о наличии и параметрах дефектов [3].

Однако и данный способ не позволяет проводить контроль сложнопрофильных и труднодоступных участков, как из-за значительных габаритов сканирующей системы, так и из-за недостаточной селективной чувствительности к дефектам сплошности. Недостаточная селективная чувствительность к дефектам сплошности определяется тем, что и здесь о наличии дефекта судят по превышению амплитуды регистрируемых импульсов напряжения. Таким образом, в известном способе отсутствует информативный признак, характерный только для воздействия дефекта сплошности.

Цель изобретения - повышение селективной чувствительности к дефектам сплошности и расширение области применения.

Поставленная цель в способе магнитной дефектоскопии, заключающемся в том, что намагничивают контролируемый объект, устанавливают индукционный преобразователь над его поверхностью, ориентируя ось витков индукционного преобразователя параллельно поверхности контролируемого объекта, перемещают индукционный преобразователь относительно поверхности контролируемого объекта и по выходному напряжению индукционного преобразователя судят о наличии и параметрах дефектов сплошности, достигается благодаря тому, что в процессе сканирования создают виброперемещение индукционного преобразователя вдоль оси его витков в направлении перемещения, выделяют из выходного напряжения индукционного преобразователя гармоническую составляющую с частотой, равной удвоенной частоте виброперемещения, регистрируют ее максимальную величину и по ней судят о местоположении и параметрах дефекта.

Дополнительно, поставленная цель достигается благодаря тому, что амплитуду и частоту виброперемещений предварительно выбирают с помощью контрольных образцов с характерными дефектами сплошности из условия обеспечения максимальной селективной чувствительности.

На фиг. 1 показана схема установки и направление виброперемещения индукционного преобразователя, выполненного в виде индуктивной катушки 1, механически связанной с приводом 2 виброперемещения посредством рычага 3 относительно сканируемой поверхности контролируемого объекта 4, намагниченной постоянным магнитным полем В. Контролируемый объект 4 содержит дефект 5, выходящий на сканируемую поверхность, и дефект 6, выходящий на тыльную поверхность. Привод 2 и рычаг 3 рекомендуется выполнять из немагнитного материала для исключения искажений намагничивающего магнитного поля. В качестве исполнительного элемента привода 2 рекомендуется выбирать биморфный пьезоэлемент. Области магнитных потоков рассеяния, созданных дефектами, показаны жирными линиями. Штриховыми линиями показаны фоновые поля рассеяния намагничивающего поля.

На фиг. 2 показан график 7 производной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля дефекта dH(x)/dx вдоль направления сканирования по координате х.

На фиг. 3 показан временной график 8x(t)=asinω₀t виброперемещения катушки с частотой ω₀ и амплитудным значением a, соизмеримым с расстоянием между нулевыми точками графика dH(x)/dx (x₁, 0; 0, x₂), а также график 9 изменения наводимой в катушке ЭДС e(t) при расположении плоскости ее центрального сечения по центру поля рассеяния дефекта x=0.

На фиг. 4 показан вид экспериментально полученного графика 10 ЭДС e(t) на выходе катушки индукционного преобразователя 1 при ее смещении на расстояние l=±10 мкм относительно центра поверхностного дефекта глубиной 1 мм и шириной 5 мкм при рабочем зазоре 1 мм.

На фиг. 5 показан график 11 изменения фонового сигнала при перемещении катушки над бездефектным участком поверхности.

На фиг. 6 показан вид сверху траектории сканирования контролируемой поверхности объекта 4 в режиме виброперемещения катушки при определении расположения дефектов 5 и 6 относительно линий магнитной индукции В. Траектория сканирования показана пунктирной линией, а направления виброперемещения - сплошной линией.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Намагничивают с помощью системы намагничивания (не показана) контролируемый объект 4, устанавливают индукционный преобразователь 1 над его поверхностью, ориентируя ось витков индукционного преобразователя 1 параллельно поверхности контролируемого объекта 4. Перемещают индукционный преобразователь 1 относительно поверхности контролируемого объекта 4 и в процессе сканирования создают с помощью привода 2 виброперемещение индукционного преобразователя 1 по гармоническому закону вдоль оси витков индукционного преобразователя 1. Выделяют из выходного напряжения индукционного преобразователя 1 гармоническую составляющую с частотой, равной удвоенной частоте виброперемещения, регистрируют ее максимальную величину и по ней судят о местоположении и параметрах дефекта.

Амплитуду и частоту виброперемещений целесообразно предварительно выбирать с помощью контрольных образцов с характерными дефектами сплошности при соблюдении рабочего зазора. Характерный диапазон изменения амплитуды а виброперемещения составляет 0,1…0,4 мм и определяется протяженностью зоны над дефектом в которой dH(x)/dx изменяет знак. Эта зона расширяется при увеличении рабочего зазора между поверхностью контролируемого объекта 4 и витками индукционного преобразователя 1. При рабочем зазоре до 0,5 мм для поверхностных дефектов рекомендуется устанавливать а не более 0,1…0,2 мм, а для выявления подповерхностных дефектов и дефектов, выходящих на тыльную относительно сканируемой сторону - 0,3…0,4 мм. Величину а рекомендуется увеличивать и при возрастании рабочего зазора, но не более, чем до 0,5 мм.

Частота виброперемещений f=ω/2π выбирается из обеспечения необходимой абсолютной чувствительности и зависит, в том числе, и от размеров и числа витков катушки индукционного преобразователя. Рекомендуемый диапазон изменения f составляет 0,5…10 КГц.

Обоснование предлагаемого способа можно провести путем анализа выражения для ЭДС индуктивной катушки 1, возникающей при ее перемещении в постоянном магнитном поле вдоль координаты x:

где A - коэффициент, зависящий от магнитной проницаемости среды, числа витков и площади сечения катушки.

В случае виброперемещения катушки по гармоническому закону с амплитудой а и круговой частотой ω₀, расположенной на расстоянии l от центра дефекта, выражение для ЭДС принимает вид

Из приведенного выражения следует, что с учетом показанной на фиг. 1 схемы установки индуктивной катушки 1 и заданных значений параметров виброперемещения эффективное значение индуцированной ЭДС будет зависеть от скорости возрастания или убывания тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в пределах области, ограниченной размерами катушки и диапазоном ее виброперемещения. В частности, если в данной области поле однородно, ЭДС в катушке не наводится.

Магнитное поле, обусловленное наличием дефекта типа трещины неоднородно, причем производная тангенциальной составляющей напряженности вдоль оси x, как известно [2, с. 43], является знакопеременной функцией с участками возрастания и убывания (фиг. 2). Если плоскость центрального сечения катушки 1 располагается по центру дефекта (х=0), то за один период колебаний катушки 1 с амплитудой, превышающей координаты точек экстремумов функции dH(x)/dx (график 7), возникает двухполярный симметричный индуцированный сигнал e(t) (фиг. 3, график 9) удвоенной частоты по отношению к частоте виброперемещения (фиг. 3, график 8). При этом в спектре индуцированного сигнала e(t) составляющая с частотой ω₀ отсутствует; доминирующей по амплитуде является гармоника с частотой 2ω₀.

При незначительном смещении катушки относительно центра поля рассеяния дефекта на расстояние l симметрия индуцированного сигнала с частотой 2ω₀ нарушается (фиг. 4, график 10). В спектре индуцированного сигнала появляется составляющая с частотой ω₀, а составляющая с частотой 2ω₀ уменьшается по амплитуде. При дальнейшем смещении катушки амплитуда гармоники с частотой ω₀ возрастает, а амплитуда гармоники с частотой 2ω₀ исчезающе убывает.

При расположении катушки вблизи бездефектных участков контролируемой поверхности фоновый сигнал будет минимальным в связи с квазиоднородностью напряженности магнитного поля в ограниченной области виброперемещения катушки. В этом случае доминирующая гармоника фонового сигнала имеет частоту ω₀ (фиг. 5, график 11).

Таким образом, по предлагаемому способу информативным параметром электрического сигнала катушки является амплитуда гармоники частотой 2ω₀, которая выделяется избирательным фильтром при обработке сигнала. Важно отметить, что гармоники частотой 2ω₀ принципиально возникают при искажениях магнитного поля, характерных для дефектов.

Технология контроля по предложенному способу сводится к следующему.

После намагничивания контролируемого объекта постоянным магнитным полем (рекомендации по точкам приложения полюсных магнитов или электромагнитов применительно к деталям сложной формы приведены в [3]) перпендикулярно предполагаемому направлению расположения дефекта производят сканирование по поверхности вдоль линий намагничивающего поля вибрирующей катушкой 1 (фиг. 6), причем плоскость катушки ориентируют перпендикулярно магнитным линиям намагничивающего поля. При появлении информативного сигнала с частотой 2ω₀ рекомендуется выполнить возвратно-поступательно перемещение катушки, добиваясь максимального значения амплитуды второй гармоники. Затем смещают катушку в перпендикулярном направлении по отношению к линиям намагничивающего поля и производят возвратно-поступательное сканирование, добиваясь максимального значения амплитуды сигнала с частотой 2ω₀. Процедуру повторяют в двух противоположных направлениях, определяя линию центров и границы дефекта по его длине. Фиксируя среднее смещение линии центров по всей длине дефекта, определяют угол α между вектором магнитной индукции и направлением дефекта, используя данные измеренных смещений m и n (фиг. 6). Для оценки глубины дефекта используют результаты предварительной калибровки преобразователя, полученные с помощью контрольных образцов с искусственными дефектами.

По экспериментальным данным описанная технология контроля применима для значений угла α в пределах до 60° в связи с высокой чувствительностью к полям рассеяния дефекта и низким уровнем шума.

В случае произвольной ориентации дефектов намагничивание и вибросканирование следует производить в ортогональных направлениях.

Техническими преимуществами предлагаемого способа магнитного контроля являются:

1. Высокая достоверность выявления дефектов с малой глубиной и шириной раскрытия. По экспериментальным данным при вибросканировании дефекта шириной раскрытия 3,5 мкм и глубиной 0,2 мм с частотой 500 Гц и амплитудой ±0,2 мм амплитуда выходного сигнала не менее 35 мВ удвоенной частоты при шумовом уровне фона 5 мВ основной частоты ω₀, который отсекается при фильтрации.

2. Высокая локальность определения местоположения дефекта. Погрешность определения центрального сечения поля рассеяния дефекта типа трещины не превышает ±0,01 мм.

3. Исключение необходимости применения компенсационных магниточувствительных элементов.

4. Возможность выявления поверхностных дефектов в труднодоступных местах на расстоянии до 5 мм от контролируемой поверхности.

5. Надежное выявление подповерхностных дефектов, расположенных на глубине до 5 мм.

Приведенные экспериментальные данные получены с помощью контрольных образцов дефектов на экспериментальной установке, обеспечивающей относительное перемещение контрольного образца и индукционного преобразователя по трем координатам с разрешающей способностью 5 мкм, а также относительное изменение угловых положений преобразователя и контролируемого образца.

Источники информации

1. Сборник статей «Состояние и направления развития средств дефектоскопии рельсов в условиях реформирования путевого хозяйства» МПС РФ. - Санкт-Петербург, 2002, С. 54.

2. Патент РФ №2310836, G01N 27/83, 2007 г.

3. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 6: В 3 кн. Кн. 1: Магнитные методы контроля. / В.В. Клюев, В.Ф. Мужицкий, Э.С. Горкунов, В.Е. Щербинин - М.: Машиностроение, 2004. - С. 93-95 (прототип).