автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Электромагнитно-акустический зеркально-теневой метод контроля качества прутков из рессорно-пружинной стали

На правах рукописи

7/

Фокеева Елизавета Николаевна

ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ЗЕРКАЛЬНО-ТЕНЕВОЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРУТКОВ ИЗ РЕССОРНО-ПРУЖИННОЙ СТАЛИ

05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Ижевск - 2013

005537097

005537097

Работа выполнена на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова» (ИжГТУ имени М.Т.Калашникова)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Муравьева Ольга Владимировна

Официальные оппоненты: Маслов Лев Николаевич

доктор технических наук, профессор профессор кафедры «Производство машин и механизмов» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова» г. Ижевск

Бархатов Владимир Альбертович

кандидат физико-математических наук директор ООО «Инженерный центр «Физприбор» г. Екатеринбург

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государствен-

ный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ)

Защита состоится 29 ноября 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при ФГБУН Институт механики Уральского отделения РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБУН Институт механики Уральского отделения РАН, с авторефератом - на сайте ЬПр:/уак.е<1.§оу.ги

Автореферат разослан «25» октября 2013 г.

Ученый секретарь ___г

диссертационного совета ' с :< Тарасов Валерий Васильевич

ДМ 004.013.02

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Повышение качества машин, включающего надежность и долговечность деталей и узлов, является одной из важнейших проблем, приобретающих особую актуальность в связи с увеличением мощности, быстроходности, с ужесточением температурно-силовых режимов эксплуатации современной техники. Работоспособность и стабильность эксплуатационных характеристик большинства машин ограничивается ресурсом работы пружин, это наиболее характерно для современных видов транспорта, объектов военной и космической техники, нефтедобывающего оборудования и электроэнергетики.

Рациональное использование неразрушающих методов контроля качества прутков из рессорно-пружинных сталей позволяет не только повысить качество и надежность выпускаемых изделий, но и несет экономические выгоды производству благодаря сбережению времени и материальных затрат, которые неизбежны при контроле разрушающими методами, а также обеспечит безаварийность работы транспортных средств и безопасность функционирования транспортной системы в целом. Одним из осложнений при организации входного контроля прутков-заготовок из рессорно-пружинных сталей, является широкая номенклатура пруткового металлопроката с различными видами отделки поверхности. Так при производстве пружин систем подрессоривания подвижного состава железнодорожных тележек вагонов и локомотивов используются прутки 32 типоразмеров по диаметру, 36 типоразмеров по длине и четырех видов отделки поверхности.

Качество прутков-заготовок регламентирует ГОСТ 14959-79 «Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали». Стандарт жестко ограничивает размеры поверхностных дефектов механического происхождения, а также предписывает не допускать дефектов проката (раскатанные пузыри и загрязнения, волосовины, прокатные плены, закаты, рябизна, закатанная окалина, трещины напряжения).

Традиционно для контроля пруткового проката используют вихретоковый, магнитный и ультразвуковой методы контроля. Достоверность и воспроизводимость ультразвукового метода существенно зависит от качества обработки поверхностей контролируемых объектов. Вихретоковые и магнитоиндукционные методы, несмотря на преимущество бесконтактной работы, выявляют лишь поверхностные и приповерхностные дефекты. При этом получаемая информация зависит от ряда факторов (зазор, магнитные и электромагнитные характеристики объекта), что приводит к проблемам при идентификации дефектов. Прогрессивным является использование волноводных акустических эхо-импульсных методов контроля протяженных объектов. Среди преимуществ волноводного метода — отсутствие необходимости сканирования, а также возможность выявления дефектов различного типа; недостатками являются требования по минимальной длине прутка и сложность контроля пруткового проката диаметрами более 30 мм.

Одним из перспективных подходов к решению перечисленных проблем дефектоскопии пруткового проката является использование электромагнитно-акустического (ЭМА) метода возбуждения и регистрации ультразвуковых импульсов. Существенные преимущества ЭМА метода - это бесконтактность, позво-

ляющая отстроиться от качества акустического контакта и возможность реализации метода многократных отражений за счет отсутствия потерь на границе преобразователь - объект контроля. Разработка новых высокоэффективных средств ЭМА метода, надежно выявляющих нарушения сплошности металла, отклонения в его химическом составе, структуре и физических характеристиках материала прутков из рессорно-пружинных сталей является актуальной научной задачей не-разрушающего контроля и повышения качества готовых изделий.

Степень проработанности

В настоящее время, силами отечественных и зарубежных ученых созданы основы физических представлений о формировании и действии наиболее существенных механизмов ЭМА преобразования в металлах с учетом различия в физических параметрах проводящих сред, уровнях магнитного поля, а также других особенностей. Среди примеров практического использования ЭМА методов наиболее успешным признан опыт компаний «Нординкрафт» (Германия, Россия) и «Ультракрафт» (г. Череповец, Россия). Коллективами этих предприятий разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию установки автоматизированного ЭМА контроля сортового и листового проката на предприятиях России, Белоруссии, Украины и Китая.

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту № 2.1.2/12069, Программы инициативных проектов фундаментальных исследований, выполняемых в Учреждении УрО РАН в 2012-2014 гг. (рег. номер: 12-У-2-1013)¡Программы стратегического развития «ИжГТУ им. М.Т.Калашникова» на 2012 - 2016 гг. гранты: ПСР/М2/Н2.5/МВВ ; ГТ-4-12 конкурс грантов им Г.А. Тихонова для аспирантов и молодых ученых.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода на многократных отражениях для структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали. Цель соответствуют следующим областям исследования по паспорту специальности 05.11.13: п.1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»; п. 2. «Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля».

В работе решались следующие задачи:

1. Разработка и оптимизация систем подмагничивания проходных ЭМА преобразователей для структуроскопии и дефектоскопии прутков.

2.Исследование влияния структурного состояния прутков из рессорно-пружинной стали на основные параметры зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях.

3.Исследование чувствительности зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях к реальным дефектам прутков из рессорно-пружинной стали.

4. Разработка и реализация методик структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали с использованием зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях.

5. Сравнительный анализ результатов производственных испытаний ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных технологий контроля прутков из рессорно-пружинной стали.

Объектом исследования является электромагнитно-акустический зеркально-теневой метод на многократных отражениях для контроля качества пруткового проката из рессорно-пружинной стали.

Предмет исследования: принципы построения систем подмагничивания проходных ЭМА преобразователей и методики зеркально-теневого электромагнитно-акустического метода на многократных отражениях для структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали.

Методология и методы исследования. При экспериментальных исследованиях использован ЭМА метод многократных отражений. Подтверждение обнаруженных дефектов и изменений в структуре металла проводилось с помощью металлографических исследований. Численное моделирование магнитных полей ЭМА преобразователей реализовано методом конечных элементов. Оценка достоверности результатов контроля выполнена с применением методов теории вероятности и статистического анализа.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории магнитостатики, акустики твердого тела, метода конечных элементов; методов статистической обработки; использованием при экспериментальных исследованиях поверенных средств измерений, оценками погрешностей исследований, подтверждения результатов дефектоскопии и структуроскопии металлографическим анализом.

Научная новизна

1. Разработаны и оптимизированы параметры систем подмагничивания проходных ЭМА преобразователей продольных и поперечных волн с радиальной и осевой поляризацией для реализации зеркально-теневого метода контроля пруткового проката на многократных отражениях, позволяющие достичь максимальных коэффициентов ЭМА преобразования, минимизации массогабаритных размеров, требуемой акустической помехозащищенности.

2. Впервые исследовано влияние неравновесности структурного состояния прутков из рессорно-пружинной стали и его неравномерности по длине и сечению на основные параметры продольных и поперечных волн, заключающееся в уменьшении скорости, росте затухания, возможности взаимной трансформации волн для прутков со структурой, характеризующейся наличием продуктов немартен-ситного распада и обезуглероженного слоя с крупнозернистым ферритом в мар-тенситной структуре основного сечения.

3. Впервые исследована чувствительность к дефектам прутков из рессорно-пружинной стали электромагнитно-акустическим зеркально-теневым методом на многократных отражениях, показавшая возможность выявления и надежной локализации внутренних и поверхностных дефектов размерами от 0,1 мм.

4. Разработаны методики структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали с использованием зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях, основанные на анализе скоростей и угловых индикатрис объемных волн, ослабления серии многократных отражений и эффективности ЭМА преобразования, обеспечивающие погрешность измерений не более 0,1%.

5. Впервые проведены сравнительные испытания электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных - вол-новодного акустического и вихретокового методов - при контроле прутков из рес-сорно-пружинных сталей и рассчитана сравнительная достоверность каждого из методов, составляющая для разработанного метода 0,98 против 0,86 для волно-водного акустического контроля и 0,79 для вихретокового контроля.

Теоретическая и практическая значимость

Теоретической значимостью обладают результаты моделирования полей подмагничивания, основанные на расчете распределения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля, исходя из требований максимальной составляющей полезной компоненты в условиях равномерности распределения по апертуре преобразователя при минимальной составляющей мешающей компоненты, для проходных ЭМА преобразователей продольной и поперечной волн с радиальной и осевой поляризацией в цилиндрических объектах.

Результаты исследований влияния структурных изменений в пружинно-рессорной стали на измеряемые характеристики акустических волн показали возможность использования ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях при исследованиях структурных состояний термоупрочняемых сталей, а также при выборе технологий и режимов термической обработки.

Практическая значимость: результаты испытаний ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях на ООО «НПЦ «Пружина» для контроля прутков-заготовок из рессорно-пружинной стали показали возможность выявления недопустимых по ГОСТ 14959-79 при производстве пружин дефектов прутков-заготовок в широком диапазоне диаметров и длин при различном качестве обработки поверхности, из различных марок сталей с надежной локализацией внутренних и поверхностных дефектов размерами от 0,1 мм. Указанный метод был апробирован на ООО «НПЦ «Пружина» как самостоятельный, так и дополнительно к волноводному акустическому методу для повышения достоверности наличия дефектов, находящихся в мертвой зоне и имеющих место на всей длине прутка. Результаты испытаний позволили установить типы и размеры выявляемых дефектов, выработать практические рекомендации по дефектоскопии проката в зависимости от качества обработки и геометрических размеров прутка (акт об испытаниях ООО «НПЦ «Пружина»)

Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров и магистров по направлению 200100 «Приборостроение» (акт о внедрении ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»),

Положения, выносимые на защиту 1. Разработанные модели систем подмагничивания проходных электромагнитно-акустических преобразователей объемных волн с радиальной и осевой поляриза-

цией в цилиндрических объектах и результаты их оптимизации с позиций достижения максимальных коэффициентов ЭМА преобразования, минимизации массо-габаритных размеров, требуемой апертуры и акустической помехозащищенности.

2. Закономерности изменения основных параметров продольных и поперечных волн с радиальной и осевой поляризацией в прутках из рессорно-пружинной стали от их структурного состояния.

3. Результаты исследования чувствительности к реальным дефектам прутков из рессорно-пружинной стали ЭМА зеркально-теневым методом на многократных отражениях, показавшие возможность выявления и надежной локализации внутренних и поверхностных дефектов размерами от 0,1 мм.

4. Методики определения основных информативных параметров при структуро-скопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали с использованием зеркально-теневого ЭМА метода.

5. Результаты сравнительных испытаний и оценка достоверности ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных - волноводного акустического и вихретокового методов при контроле прутков в производственных условиях.

Личный вклад автора

Результаты численных и экспериментальных исследований, модели, и методики, представленные в диссертации, получены автором лично. Экспериментальная установка, используемая при исследованиях, разработана коллективом кафедры «Приборы и методы контроля качества». Выбор приоритетов, направлений и методов исследования и форм представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений выполнено при активном участии научного руководителя.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 4 статьи в рецензируемых изданиях, из них 3 -в рекомендуемых ВАК РФ, 10 публикаций в сборниках трудов конференций, 2 итоговых отчета по НИР.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 15-18 марта 2011 г.); VII, VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2011 г., 2012 г.); II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика - 2012», посвященной 60-летию ИжГТУ имени М.Т. Калашникова (Ижевск 4-16 мая 2012 г.); XXI Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций» (г. Санкт-Петербург 28-31 мая 2013 г.)

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 148 наименований, 3 приложения. Основная часть диссертации изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор по областям применения пружин, и типам дефектов, возникающих при производстве и в процессе эксплуатации; проанализированы свойства и особенности состава рессорно-пружинных сталей и характерные дефекты пруткового проката; выполнена оценка существующих методов и средств неразрушающего контроля прутков (магнитный, вихретоковый, ультразвуковой, волноводный акустический, бесконтактный ЭМА-метод).

Анализ публикаций отечественных и зарубежных ученых - К.Е. Аббакумов, Б.А. Буденков, Г.А. Буденков, А.Н. Васильев, Н.П. Гайдуков, H.A. Глухов, Э.С. Горкунов, С.Ю. Гуревич, И.В. Ильин, A.B. Кириков, В.А. Комаров, A.B. Малинка, В.В. Муравьев, В. Ф. Мужицкий,О.В. Муравьева,О.В. Неволин, С.К. Паврос, В. Б Ремезов Ю.И. Сазонов, П.Ф. Шаповалов, Ю.М. Шкарлет, С.Н. Шубаев, В. Kaule, R. Dobbs, P. Larsen, J. Houck, K. Kawashima, H. Frost и др. - показал, что в последнее десятилетие развитие методов и средств ЭМА преобразования происходит применительно к практическим задачам неразрушающего контроля материалов, среди которых выделяются исследования зависимости параметров ЭМА преобразования от структуры материала, его химического состава, фазово-структурного состояния. По результатам анализа литературных источников выявлена необходимость разработки и исследования электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода с использованием многократных отражений для структуроскопии и дефектоскопии прутков-заготовок из рессорно-пружинных сталей.

На основании анализа объекта и предмета исследований сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются результаты разработки электромагнитно-акустических преобразователей объемных волн и методик зеркально-теневого ЭМА метода многократных отражений.

Известно, что эффективность ЭМА преобразования при электродинамическом эффекте взаимодействия определяется объемной плотностью пондеромо-торных сил (сила Ампера) в режиме излучения и плотностью тока j в режиме приема, а также размерами апертуры высокочастотного индуктора S. В свою очередь, величины Fq и / напрямую связаны с параметрами системы внешнего под-магничивания (индукции В0):

где Те " плотность вихревых токов В0- вектор индукции внешнего магнитного поля, у - электропроводность металла, V- скорость колебаний частиц приповерхностного слоя.

Следовательно, разработка систем подмагничивания с максимально возможным значением поля В0 при требуемых размерах апертуры преобразователя является одной из основных задач при проектировании высокоэффективных ЭМА

F0 = X Во

J=Y(.v-B0)

(1) (2)

преобразователей. Разработаны три конструкции ЭМА преобразователей проходного типа (рис. 1), содержащих соосный с прутком цилиндрический высокочастотный индуктор с током £, и источник поля подмагничивания с индукцией В0. Преимущественное излучение продольной I или поперечной I волны обеспечивается за счет ориентации поля подмагничивания В0 по отношению к направлению вихревых токов 1Й за счет электродинамического механизма:

Рисунок 1 Принцип действия проходных ЭМА преобразователей поперечных Ь —волн (а) и продольных I —волн (б) радиальных направлений по сечению; поперечной Ь —волны диаметрального направления (в)

- ориентация поля подмагничивания в радиальных направлениях в приповерхностной области прутка (зоне формирования вихревых токов) обеспечивает распространение поперечных волн с осевой поляризацией во всех радиальных направлениях (перпендикулярно оси прутка) по сечению прутка (рис. 1 ,а);

- ориентация поля подмагничивания в осевом направлении приповерхностной области прутка обеспечивает распространение продольных волн во всех радиальных направлениях по сечению прутка (рис. 1,6);

- локализация поля подмагничивания в одном из радиальных направлений обеспечивает излучение-прием поперечной волны с осевой поляризацией по диамет-

ру, что позволяет исследовать закономерности распространения поперечной волны в разных зонах сечения прутка (рис.1,в).

В зависимости от назначения ЭМА преобразователя, типа и поляризации возбуждаемых волн и необходимости локальности измерений, системы подмаг-ничивания должны удовлетворять определенным требованиям. Так проходные ЭМА преобразователи продольных I и поперечных t волн, предназначенные для дефектоскопии пруткового проката, должны удовлетворять условию максимального значения тангенциальной В7 (для I - волн) и нормальной Вп (для С - волн) составляющих магнитной индукции и их равномерности по образующей объекта контроля. Основной задачей при проектировании проходного ЭМА преобразователя поперечных волн, используемого для измерений в локальной области, является оптимальное соотношение между максимальным значением нормальной составляющей магнитной индукции Вп и ее локализацией в малой области по образующей прутка. Одним из эффективных и современных методом разработки магнитных систем, является численное моделирование систем внешнего подмагни-чивания методом конечных элементов. На рис.2 представлены результаты моделирования двух магнитных систем, обеспечивающих преимущественное направление магнитного поля в радиальных направлениях для реализации ЭМА преобразователей поперечных волн (а), в осевом направлении для реализации ЭМА преобразователей продольных волн (б).

ЭМА преобразователей поперечных волн (а) и продольных волн (б) радиальных направлений по сечению: 1 - магнить;, 2 - объект контроля, 3 - концентраторы; п -толщина магнитопровода, т - суммарная толщина магнитов Как следует из результатов моделирования, при реализации реальных систем подмагничивания невозможно обеспечить магнитное поле только в требуемом направлении. Наличие двух компонент магнитного поля приводит к возможности возникновения наряду с полезными мешающих типов волн. Поэтому соотношение полезной (В2 - для I волны и Вп - для С волны) и мешающей (Вп - для I волны и В7 - для £ волны) компонент магнитного поля определяет акустическую помехозащищенность преобразователя, которая может меняться в зависимости от размера и положения высокочастотного индуктора вдоль образующей прутка.

На рис. 3 представлены графики распределения вдоль оси т. радиальной Вп и осевой б2 компонент вектора магнитного поля В0 для исследуемых вариантов систем подмагничивания. Видно, что увеличение толщины магнитопровода п (для -волны) несколько увеличивает максимальное значение магнитного поля, при этом обеспечивая лучшую равномерность поля вдоль образующей прутка, тем самым давая возможность увеличения апертуры преобразователя. Указанные закономерности справедливы и для I - волны при увеличении суммарной толщины

МаГНИТОВ 771.

В, Тл

Вп при п = 8 мм

Вг при т = 15 мм

а б Рисунок 3 Распределение Вп и В7 составляющих магнитной индукции поля по образующей прутка в направлении оси 2 для проходных ЭМА преобразователей поперечных волн (а); для проходных ЭМА преобразователей продольных волн; п -толщина магнитопровода, тп - суммарная толщина магнитов Результаты моделирования систем подмагничивания, локализующих магнитное поле в одном из радиальных направлений, для излучение-приема поперечной волны с осевой поляризацией по диаметру (рис.1,в), представлены на рис.4,а в виде системы, содержащей два однонаправленных магнита с замыканием магнитных полей через магнитопровод. Видно, что в плоскости сечения прутка за выбранный тип волны отвечает радиальная компонента магнитного поля Вп (рис.1, в), кривая распределения которой по огибающей прутка I приведена на рис.4,б.

С целью оптимизации проведено сравнение трех систем подмагничивания, что показало возможность существенного увеличения радиальной компоненты магнитного поля Вп с 0,8 Тл для системы без магнитопровода до 1,3 Тл для системы с магнитопроводом, до 1,8 Тл (рис. 4 а) для системы с магнитопроводом и концентраторами. При этом улучшается локальность поля - с 16 мм для системы с магнитопроводом до 8 мм для системы с магнитопроводом и концентраторами (по уровню 6 дБ), что с одной стороны, позволяет локализовать зону контроля, а с другой стороны ведет к ослаблению сигнала ЭМА преобразователя, вызванного уменьшением его апертуры. Поэтому в общем случае эффективность ЭМА преобразователя в данной конструкции определяется площадью под кривой распределения магнитной индукции по огибающей прутка I и является максимальной для системы с магнитопроводом (рис. 4а).

и

вп, Тл

2 1,6 1,2 0,8 0,4 О

/ N

/ -Г \

/ / \ \ \

/ / / / \ \ \ \

/7 / •- 4 \

-20

-10

10

I, мм

2 магнита 2 магнита с

2 магнита с

магнитопроводам магнитопроводам и концентратором

Рисунок 4 Результаты моделирования системы подмагничивания (а) и распределение Вп по огибающей прутка I (б) для магнитопроводов проходного ЭМА преобразователя поперечной волны диаметрального направления: 1- магниты, 2- объект контроля, 3 - магнитопровод Разработанные и оптимизированные системы подмагничивания были спроектированы, изготовлены и испытаны с использованием экспериментальной установки, блок-схема которой представлена на рис.5.

Рисунок 5 Функциональная схема установки: 1 - генератор зондирующих импульсов, 2 - проходной ЭМА преобразователь, 3 - образец прутка, 4 - полосовой фильтр, 5 - высокочастотный усилитель, 6 - аналого-цифровой преобразователь, 7 - персональный компьютер со специализированным программным обеспечением

Зарегистрированные серии импульсов многократных отражений представлены на рис.6. Осциллограмма иллюстрирует возможность получения серии многократных отражений по диаметру прутка поперечной волны радиальных направлений по сечению. Анализ формы импульсов в осциллограмме (рис. 6) показывает периодичность, кратную четырем, обусловленную фазовым сдвигом на ср = п/4 при каждом отражении по диаметру.

Информативными параметрами при исследованиях выступали скорости и затухание продольных и поперечных волн. Скорость С,^объемных волн вычисля-

лась по формуле:

IX

с1 ■ т М

(3)

где с1 - диаметр прутка, Д£ = 1к+т — Ск - время между к +тит импульсами, т -кратно 4.

Ослабление импульса с расстоянием сигнала определяется по формуле:

Д= ^ (4)

и к+т

где А - ослабление сигнала, ик - амплитуда к отражения, Ик+т - амплитуда (к + т) отражения.

I "

У

ф=0

(р=л/2

(Р=7Г

Рисунок 6 Зарегистрированная осциллограмма многократных отражений п диаметру прутка и осциллограммы к(а), к + 1 (б), к + 2 (в), к + 3 (г) импульсов

В общем случае возможность реализации ЭМА метода контроля на многократных отражениях позволяет существенно повысить чувствительности к дефектам при анализе сигнала на дальних отражениях и обеспечить высокую точность определения скорости и затухания волн.

Систематическая погрешность определения скорости при неисключенных систематических погрешностях измеряемых параметров ДС=1 не, Ас/ =50 мкм составляет ДС=0,8 м/с=0,05%. Систематическая погрешность определения амплитуды сигнала определяется разрядностью АЦП (28), что приводит к систематической погрешности измерения амплитуды Дд=0,4%. Предложенные методики обработки позволяют минимизировать погрешности измерения скорости и ослабления объемных волн и могут эффективно использоваться для структуроскопии пруткового проката.

В третьей главе представлены результаты исследования закономерностей изменения основных параметров продольных и поперечных волн с радиальной и осевой поляризацией в прутках из рессорно-пружинной стали после различных

режимов термической обработки. С помощью лабораторного оборудования изготовлены образцы прутков из стали марки 60С2А, 0 24 мм с различными видами

Образец№7 Образец№8 Образец№8

Мартенсит, сорбит, феррит, Троостомартеисит отпуска Обезуглерожеиный слой глубиной 0,2 мм

Рисунок 7 Структура исследуемых образцов (увеличение в 200 раз)

Знание скоростей объемных волн при известной плотности р позволяет определить упругие модули среды.

2_4С2 /С2

модуль Юнга Е = рС}-(6)

модуль сдвига й = р ■ С? V)

СГ-2С

коэффициент Пуассона V = ———— (8)

2(с1 )

В таблице и на гистограмме (рис. 8) представлены результаты измерения скоростей объемных волн радиальных направлений по сечению и рассчитанные значения модулей упругости.

Образец№ 1

Образец№2

Образец№4

Образец№5

Образец№6 Мартенсит, сорбит, феррит

Таблица Результаты измерения скоростей объемных волн и расчета упругих

свойств исследуемых образцов

№ обр. Скорость продольной ВОЛНЫ С1 , м/с Скорость поперечной волны С,, м/с а ГПа Е, ГПа V

1 5919 3246 82,2 211,2 0,285

2 5917 3238 81,8 210,4 0,286

3 5900 3215 80,6 207,9 0,289

4 5861 3170 78,4 202,8 0,293

5 5786 3139 76,9 198,5 0,291

6 5874 3206 80,2 206,5 0,288

7 5902 3215 ' 80,6 207,9 0,289

8 - 3219 80,8 - -

Наиболее высокие скорости объемных волн, модули Юнга и сдвига и минимальный коэффициент Пуассона наблюдаются в обр. К» 1. Для обр. № 2 скорости объемных волн, модули Юнга и сдвига несколько ниже, коэффициент Пуассона растет относительно образца №1. В обр. № 3-4 скорости волн, модули Юнга и сдвига существенно меньше, чем в обр. №1. Скорости волн, модули Юнга и сдвига в обр. № 5 имеют минимальные значения из всех исследованных образцов. Коэффициент Пуассона близок к максимальному. Следует отметить, что к изменениям структуры металла наиболее чувствительным из рассмотренных параметров является скорость поперечной волны (максимальные изменения по скорости -АС( = 3,3%, = 2,3%), при этом изменение модулей упругости составляет АС=АЕ=6%.

С „м/с 3240

3220

3200

3180

Образец№6 Образец№7 Образец№8 13 сечение I я сечение 2 ° сечение 3

Рисунок 8 Гистограммы распределения скоростей поперечных волн радиальных направлений по сечению и по номеру образца В образцах №№ 6-8 реализованы неравновесные структуры, созданные при отработке режимов с недогревом под закалку и уменьшением скорости охлаждения при закалке ниже критической. Структуры неоднородны как по сечению и длине образца, так и по элементам структурных состояний. Скорости упругих волн, модули Юнга и сдвига для образцов №№ 6 - 8 находятся в пределах значений между образцами №3 и №4. Следует отметить, что в образце №8 из-за недостаточной чувствительности продольная волна не зарегистрирована.

111|1_И—, I-

Гистограммы рис.8 иллюстрируют существенное различие скоростей поперечных волн в разных сечениях по длине образца (ACt = 0,7%, - для образца №6, ЛCt = 0,15%, для образца № 7, ACt = 0,35%, для образца №8), что является признаком различия структурных состояний по длине образца вследствие неодновременности охлаждения при вертикальном погружении прутка в закалочную среду.

Результаты измерения скорости поперечной волны в зависимости от направления распространения по диаметру в различных сечениях прутка представлены в виде угловых индикатрис на рис. 9. Отмечено, что по разным направлениям в сечении прутка скорости волн могут существенно отличаться. Отличия могут быть обусловлены отклонением прутка по диаметру AD, обусловленному технологией прокатки, о чем свидетельствует одинаковый характер распределения скорости волн по углу по всем сечениям (образец №1). Изменения по скорости также I могут свидетельствовать о структурной анизотропии вследствие неравномерности охлаждения при погружении в закалочную среду, что характерно для неодновременной закалки по длине прутка (образец №6).

Таким образом, предложенная методика определения скоростей объемных продольных и поперечных волн и полученные результаты показывают принципиальную возможность комплексной оценки отклонений структуры и упругих свойств пруткового проката.

В четвертой главе рассмотрено исследование чувствительности зеркально-теневого электромагнитно-акустического метода на многократных отражениях к дефектам прутков-заготовок из рессорно-пружинных сталей.

С целью оценки разработанного метода для дефектоскопии пруткового проката, оценки его чувствительности к дефектам были проведены производственные испытания на ООО «НПЦ «Пружина». Испытания проведены для выборки прутков из сталей марок 60С2А и 60С2ХФА диаметрами от 10 до 30 мм с различными типами дефектов, как поверхностными, так и внутренними.

Технология зеркально-теневого метода на многократных отражениях реализована с помощью ЭМА преобразователя проходного типа, обеспечивающего излучение (прием) поперечных волн с осевой поляризацией во всех радиальных направлениях в поперечном сечении прутка. Операция дефектоскопии пруткового проката осуществляется при поступательном движении прутка относительно проходного ЭМА преобразователя. Погрешность в локализации дефектов по длине прутка не превышает ±1 мм.

180»

Образец № 1 ДD =50 мкм

Рисунок 9 Индикатрисы скорости поперечной волны диаметрального направления

Образец №6 ДD =12 мкм

Результатом измерений являются осциллограммы серии многократных отражений поперечной волны по диаметру прутка. Браковочным критерием является ослабление сигналов многократных отражений с расстоянием.

Результаты производственных испытаний зеркально-теневого ЭМА метода подтвердили наличие дефектов на всех исследуемых прутках из выборки, при этом количество дефектов и их местоположение было уточнено для проведения металлографических исследований выявленных дефектных участков.

Участки прутков, забракованные ЭМА зеркально-теневым методом многократных отражений, были промаркированы, и подвергнуты металлографическому анализу. Обнаруженные дефекты классифицировались в соответствии с ГОСТ 1778-70 и ГОСТ 21014-88. Результаты заключения и фото микрошлифов для некоторых типов обнаруженных дефектов представлены на рис.10.

Х100

Ш- V - -

ЧИв г

Рисунок 10 Дефекты, обнаруженные в продольных и поперечных микрошлифах: неметаллическое включение округлой формы 0,15x0,15 мм - СН ряда 4а (021 мм, Ы1-60С2ХФА) (а); дефект поверхности глубиной 0,07 мм - «слиточная плена» (030 мм, Ы2-60С2ХФА) (б); мелкие неметаллические включения, расположенные в виде строчек - ОС ряда 2а (024 мм, Ы1-60С2А) (в); «раскатанное загрязнение» (012 мм, Ы1-60С2А) (г).

Исследована чувствительность к дефектам прутков заготовок из рессорно-пружинной стали ЭМА зеркально-теневым методом на многократных отражениях, показавшая возможность выявления и надежной локализации внутренних и поверхностных дефектов размерами более 0,1 мм.

Производственные испытания продемонстрировали высокую эффективность ЭМА зеркально-теневого метода дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали с использованием многократных отражений. Полученные выводы металлографических исследований, подтвердили результативность разработанного метода для решения задач дефектоскопии и точной локализации места дефекта, что является критичным показателем при металлографических исследованиях.

Проведены сравнительные испытания электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных - волно-водного акустического и вихретокового методов - при контроле прутков-заготовок для производства пружин и рассчитана сравнительная достоверность каждого из методов, составляющая для разработанного метода 0,98 против 0,86 для волноводного акустического контроля и 0,79 для вихретокового контроля.

В приложение вынесены таблицы с результатами расчетов, заключения лаборатории термообработки и испытаний, акт о внедрении результатов исследований в учебный процесс, акт об производственных испытаниях метода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа литературных источников и выполненных теоретических и экспериментальных исследований была решена актуальная научно-практическая задача - разработка и исследование ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях для дефектоскопии и структуроскопии прутков из рессорно-пружинной стали. На основании проведенных исследований получены следующие научные результаты:

1.Для реализации ЭМА зеркально-теневого на многократных отражениях метода контроля качества пруткового проката из рессорно-пружинных сталей разработаны и оптимизированы системы подмагничивания проходных ЭМА преобразователей продольных и поперечных волн с позиций достижения максимальных коэффициентов ЭМА преобразования, минимизации массогабаритных размеров и требуемой апертуры.

2. Установлены закономерности влияния неравновесности структурного состояния прутков из рессорно-пружинной стали и его неравномерности по длине и сечению после различных режимов термической обработки на основные параметры продольных и поперечных волн, заключающееся в уменьшении скорости, росте затухания, возможности взаимной трансформации волн для образцов с неравновесной структурой, характеризующейся наряду с мартенситом, наличием продуктов немартенситного распада и обезуглероженного слоя с крупнозернистым ферритом.

3. Разработанные методики структуроскопии обеспечивают высокую точность определения основных информативных параметров - скорости и ослабления волн, эффективности ЭМА преобразования, использование которых позволяет оценивать упругие свойства, качество термической обработки и структурного состояния в материале прутка при реализации электромагнитно-акустического метода многократных отражений.

4. Исследования чувствительности ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях прутков из рессорно-пружинных сталей показали возможность выявления недопустимых при производстве пружин дефектов прутков в широком диапазоне диаметров и длин, при различном качестве обработки поверхности, из различных марок сталей с надежной локализацией внутренних и поверхностных дефектов размерами от 0,1 мм.

5. Проведены сравнительные испытания ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных - волноводного акустического и вихретокового методов - при контроле прутков в производственных условиях и рассчитана сравнительная достоверность каждого из методов, составляющая для разработанного метода 0,98 против 0,86 для волноводного акустического контроля и 0,79 для вихретокового контроля.

В перспективе ЭМА зеркально-теневой метод на многократных отражениях в качестве экспертного может эффективно использоваться на металлургических предприятиях - производителях пруткового проката из рессорно-пружинной стали, для входного контроля на заводах-производителях пружин.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Муравьев, В.В. Контроль качества термической обработки прутков из стали 60С2А электромагнитно-акустическим методом / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, E.H. Кокорина (E.H. Фокеева) И Дефектоскопия, 2013 г. - №1. - С. 20-32.

2. Муравьева, О.В. Оптимизация систем подмагничивания проходных электромагнитно-акустических преобразователей объемных волн для неразрушающе-го контроля пруткового проката / О.В.Муравьева, В.В. Муравьев, E.H. Кокорина (E.H. Фокеева), В.Д. Стерхов, Д.В. Малютин // Датчики и системы -2013 г.-№ 2.-С. 2-9.

3. Муравьев, В.В. Акустическая структуроскопия и дефектоскопия прутков из стали 60С2А при производстве пружин с наноразмерной структурой / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, E.H. Кокорина (E.H. Фокеева) // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия - 2013 г. -№ 4. - С. 66-70.

В других изданиях

4. Муравьева, О.В.Реальная чувствительность входного акустического контроля прутков-заготовок при производстве пружин / О.В. Муравьева, В.В. Муравьев,

B.А. Стрижак, E.H. Кокорина (E.H. Фокеева), М.А.Лойферман // В мире не-разрушающего контроля - 2013 г. - №1. С. 62-70.

5. Кокорина, E.H. (Фокеева E.H.) Результаты статистического анализа результатов акустической дефектоскопии насосно-компрессорных труб / Е.Н.Кокорина // Измерение, контроль и диагностика: Труды I Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, посвященной 25 -летию кафедры «Приборы и методы контроля качества» — Ижевск, Изд-во ИжГТУ, 2010,- С. 24-29.

6. Кокорина, E.H. (Фокеева E.H.) Влияние стадии производства пружины на скорости ультразвуковых стержневых и объемных волн/ E.H. Кокорина (E.H. Фокеева), В.Д.Стерхов, Д.В. Малютин // Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке: сб. тр. науч.-техн. конф. аспирантов, магистрантов и молодых ученых В 3 т.Т.1. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011.—

C. 21-26

7. Муравьева, О.В. Моделирование систем подмагничивания электромагнитно-акустических преобразователей объемных волн для контроля пруткового проката / О.В. Муравьева, E.H. Кокорина (E.H. Фокеева), В.Д.Стерхов, Д.В.Малютин И Приборостроение в XXI веке - 2011. Интеграция науки, образования и производства: Сб. материалов VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием . - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. - С. 198-202.

8. Муравьев, В.В. Электромагнитно-акустический способ оценки механических свойств материалов после воздействия ВТМО / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, E.H. Кокорина (E.H. Фокеева) // Серия «Фундаментальные проблемы современного материаловедения». Влияние внешних энергетических воздействий на структуру, фазовый состав и свойства материалов. Под ред. Громова В.Е. - Новокузнецк: Изд-во «СибГИУ», 2012. - стр. 167-173.

9. Кокорина, E.H. (Фокеева E.H.) Влияние структуры термически обработанных образцов пруткового проката из рессорно-пружинной стали на скорости объемных волн / E.H. Кокорина (E.H. Фокеева) // Измерения, контроль и ди агностика - 2012: сб. материалов II Всероссийской науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. - С. 84-89.

10. Кокорина, E.H. (Фокеева E.H.) Погрешности определения скорости и затухания объемных волн с использованием проходных электромагнитно-акустических преобразователей / E.H. Кокорина (E.H. Фокеева), М.А. Габба-сова // Измерения, контроль и диагностика - 2012: сб. материалов II Всероссийской науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова - Ижевск: Изд-во ИжГТУ 2012 - С. 89-94.

11. Кокорина, E.H. (Фокеева E.H.) Влияние термообработки прутков из стали 60С2А на скорости рэлеевских волн / E.H. Кокорина (E.H. Фокеева), В.А.Зорин // - Измерения, контроль и диагностика - 2012: сб. материалов II Всероссийской науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием, посвященной 60-летию ИжГТУ имени М.Т. Калашникова - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. - С. 94-99.

12. Муравьева О.В. Результаты производственных испытаний инновационного бесконтактного электромагнитно-акустического метода контроля пруткового проката при производстве пружин / О.В. Муравьева, E.H. Кокорина (E.H. Фокеева)// - Приборостроение в XXI веке - 2012. Интеграция науки, образования и производства: материалы VIII Всерос. науч.-техн. конф. с междунар участием, посвященной 60-летию ИжГТУ имени М.Т. Калашникова - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. - С. 94-98.

13. Фокеева, E.H. Контроль пруткового проката электромагнитно-акустическим методом с использованием рэлеевских волн / E.H. Фокеева, В.А.Зорин, О.В. Муравьева // Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке: сб. тр.Н Всерос. науч.- техн. конф. аспирантов, магистрантов и молодых ученых с междунар. участием. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ 2013. - С 246-249.

14. Муравьева, О.В. Входной акустический контроль прутков-заготовок при производстве пружин / О.В. Муравьева, В.В. Муравьев, E.H. Фокеева И УЗДМ-2013 «От теории к практике и повышению эффективности ультразвукового контроля»: сб.тезисов XXI Петербургской конференции «УЗДМ-2013». -Санкт-Петербург, 2013. - С. 48-49.

Подписано в печать 23.10.2013 г. Печать офсетная усл. печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Напечатано в ИМ УрО РАН 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34

ФГБОУ ВПО «ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.Т. КАЛАШНИКОВА»

На правах рукописи

ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ЗЕРКАЛЬНО-ТЕНЕВОЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРУТКОВ ИЗ РЕССОРНО-ПРУЖИННОЙ СТАЛИ

05.11.13 —Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

042014 5 С

Фокеева Елизавета Николаевна

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. О.В. Муравьева

Ижевск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ПРУТКОВЫЙ ПРОКАТ ИЗ РЕССОРНО-ПРУЖИННОЙ СТАЛИ. МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ...................................................12

1.1 Области применения рессорно-пружинной стали.........................................12

1.2 Условия эксплуатации изделий из рессорно-пружинной стали..................18

1.2.1 Долговечность, повреждаемость и надежность изделий из рессорно-пружинной стали в эксплуатации..........................................................................20

1.3 Методы и средства неразрушающего контроля пруткового проката..........22

1.3.1 Магнитный вид неразрушающего контроля............................................25

1.3.2 Вихретоковый вид неразрушающего контроля.......................................28

1.3.3 Ультразвуковой метод неразрушающего контроля................................31

1.3.4 Волноводный акустический метод контроля...........................................34

1.3.5 Электромагнитно-акустический метод....................................................37

1.4 Формулировка цели и задач исследования....................................................44

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И МЕТОДИК ЗЕРКАЛЬНО-ТЕНЕВОГО МЕТОДА НА МНОГОКРАТНЫХ ОТРАЖЕНИЯХ...............................................................46

2.1 Моделирование систем подмагничивания электромагнитно - акустических преобразователей объемных волн для контроля пруткового проката.....................46

2.1.1 Проходные ЭМА преобразователи поперечных волн радиальных направлений по сечению........................................................................................50

2.1.2 Проходные ЭМА преобразователи продольных волн................................57

2.1.3 Проходные ЭМА преобразователи поперечных волн диаметрального направления..............................................................................................................66

2.1.4 Оптимизация систем подмагничивания ЭМА преобразователя...............70

2.2 Установка для реализации ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях.....................................................................................................................77

2.2.1. Методика определения скорости и ослабления объемных и рэлеевских волн с использованием проходных ЭМА преобразователей..............................80

Выводы к главе 2...........................................................................................................87

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ

ПРУТКОВ ИЗ РЕССОРНО-ПРУЖИННОЙ СТАЛИ НА ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЗЕРКАЛЬНО-ТЕНЕВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА.................................................................................89

3.1 Контроль качества термической обработки прутков из стали 60С2А электромагнитно-акустическим зеркально-теневым методом многократных отражений.......................................................................................................................89

3.1.1 Описание объекта исследований..................................................................90

3.1.2 Методика проведения исследований............................................................94

3.1.3 Результаты расчета скоростей объемных волн радиальных направлений по сечению, упругих модулей в образцах.............................................................96

3.1.4 Структурная анизотропия............................................................................101

3.1.5 Эффективность ЭМА преобразования.......................................................103

3.2 Влияние режима термической обработки и структуры прутков из стали 60С2А на скорость рэлеевских волн......................................................................................103

Выводы по главе 3.......................................................................................................105

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛЬНО-ТЕНЕВОГО МЕТОДА НА МНОГОКРАТНЫХ ОТРАЖЕНИЯХ..........................................106

4.1 Отбор партии для контроля..................................................................................107

4.2 Результаты сравнительных испытаний акустического волноводного и вихретокового метода контроля прутков из рессорно-пружинной стали.............108

4.3 Результаты производственных испытаний ЭМА зеркально-теневого метода контроля прутков из рессорно-пружинной стали....................................................114

4.4 Организация и результаты металлографических исследований......................118

4.5 Сопоставление результатов контроля и металлографических исследований. 120

4.6 Сравнительный анализ достоверности методов неразрушающего контроля .121

Выводы к главе 4.........................................................................................................127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................129

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ А......................................................................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ Б......................................................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ В......................................................................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Повышение качества машин, включающего надежность и долговечность деталей и узлов, является одной из важнейших проблем, приобретающих особую актуальность в связи с увеличением мощности, быстроходности, с ужесточением температурно-силовых режимов эксплуатации современной техники. Работоспособность и стабильность эксплуатационных характеристик большинства машин ограничивается ресурсом работы пружин, это наиболее характерно для современных видов транспорта, объектов военной и космической техники, нефтедобывающего оборудования и электроэнергетики.

Рациональное использование неразрушающих методов контроля качества прутков из рессорно-пружинных сталей позволяет не только повысить качество и надежность выпускаемых изделий, но и несет экономические выгоды производству благодаря сбережению времени и материальных затрат, которые неизбежны при контроле разрушающими методами, а также обеспечит безаварийность работы транспортных средств и безопасность функционирования транспортной системы в целом. Одним из осложнений при организации входного контроля прутков-заготовок из рессорно-пружинных сталей, является широкая номенклатура пруткового металлопроката с различными видами отделки поверхности. Так при производстве пружин систем подрессоривания подвижного состава железнодорожных тележек вагонов и локомотивов используются прутки 32 типоразмеров по диаметру, 36 типоразмеров по длине и четырех видов отделки поверхности.

Качество прутков-заготовок регламентирует ГОСТ 14959-79 «Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали». Стандарт жестко ограничивает размеры поверхностных дефектов механического происхождения, а также предписывает не допускать дефектов проката (раскатанные пузыри и загрязнения, волосовины, прокатные плены, закаты, рябизна, закатанная окалина, трещины напряжения).

Традиционно для контроля пруткового проката используют вихретоковый, магнитный и ультразвуковой методы контроля. Достоверность и воспроизводимость ультразвукового метода существенно зависит от качества обработки поверхностей контролируемых объектов. Вихретоковые и магнитоиндукционные методы, несмотря на преимущество бесконтактной работы, выявляют лишь поверхностные и приповерхностные дефекты. При этом получаемая информация зависит от ряда факторов (зазор, магнитные и электромагнитные характеристики объекта), что приводит к проблемам при идентификации дефектов. Прогрессивным является использование волноводных акустических эхо-импульсных методов контроля протяженных объектов. Среди преимуществ волноводного метода — отсутствие необходимости сканирования, а также возможность выявления дефектов различного типа; недостатками являются требования по минимальной длине прутка и сложность контроля пруткового проката диаметрами более 30 мм.

Одним из перспективных подходов к решению перечисленных проблем дефектоскопии пруткового проката является использование электромагнитно-акустического (ЭМА) метода возбуждения и регистрации ультразвуковых импульсов. Существенные преимущества ЭМА метода - это бесконтактность, позволяющая отстроиться от качества акустического контакта и возможность реализации метода многократных отражений за счет отсутствия потерь на границе преобразователь - объект контроля. Реализация ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях позволит существенно повысить чувствительность к дефектам (внутренним и поверхностным), а также использовать в качестве дополнительных информативных параметров скорость и затухание акустических волн.

Степень проработанности.

В настоящее время, силами отечественных и зарубежных ученых, как, например: К.Е. Аббакумов, Б.А. Буденков, Г.А. Буденков, А.Н. Васильев, Н.П. Гайдуков, H.A. Глухов, С.Ю. Гуревич, И.В. Ильин, A.B. Кириков, В.А. Комаров, A.B. Малинка, О.В. Неволин, С.К. Паврос, Ю.И. Сазонов, П.Ф. Шаповалов, Ю.М.

Шкарлет, С.Н. Шубаев, В. Kaule, R. Dobbs, P. Larsen, J. Houck, K. Kawashima, H. Frost и др. созданы основы физических представлений о формировании и действии наиболее существенных механизмов ЭМА преобразования в металлах с учетом различия в физических параметрах проводящих сред, уровнях магнитного поля, а также других особенностей. Среди примеров практического использования ЭМА методов наиболее успешным признан опыт компаний «Нординкрафт» (Германия, Россия) и «Ультракрафт» (г. Череповец, Россия). Коллективами этих предприятий разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию установки автоматизированного ЭМА контроля сортового и листового проката на металлургических предприятиях России, Белоруссии, Украины и Китая.

Разработка новых высокоэффективных средств ЭМА метода, надежно выявляющих нарушения сплошности металла, отклонения в его химическом составе, структуре и физических характеристиках материала прутков из рессорно-пружинных сталей является актуальной научной задачей неразрушающего контроля и повышения качества готовых изделий.

В научной школе ФГБОУ ВПО ИжГТУ имени М.Т. Калашникова развивается несколько направлений исследований в области использования ЭМА преобразования для контроля: ЭМА методы оценки напряженно-деформированного состояния и натяга цельнокатаных колес и бандажей локомотивных колес, с использованием плоско поляризованных объемных волн и накладных ЭМА преобразователей (JI.B. Волкова, E.H. Балобанов, научный руководитель В.В. Муравьев); технология волноводного акустического контроля протяженных объектов (прутков, труб, насосных штанг и т. п.) с использованием стержневых и крутильных волн (С.А. Мурашов, Д.В. Злобин, руководитель О.В. Муравьева); технология ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях, с использование радиально поляризованных объемных волн и проходных ЭМА преобразователей (E.H. Фокеева, руководитель О.В. Муравьева).

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации

«Развитие научного потенциала высшей школы (2009—2011 годы)» по проекту N2 2.1.2/12069 «Исследование информативных параметров электромагнито-акустического преобразования при неразрушающем контроле протяженных и массивных объектов металлоконструкций», Программы инициативных проектов фундаментальных исследований, выполняемых в Учреждении УрО РАН в 20122014 гг. (рег. номер: 12-У-2-1013);в рамках программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ им. М.Т.Калашникова» на 2012 - 2014 гг конкурса грантов им Г.А. Тихонова для аспирантов и молодых ученых «ИжГТУ им. М. Т. Калашникова» ГТ-4-12.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода на многократных отражениях для структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали. Цель соответствуют следующим областям исследования по паспорту специальности 05.11.13: п.1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»; п. 2. «Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля».

В работе решались следующие задачи:

1. Разработка и оптимизация систем подмагничивания проходных ЭМА преобразователей для структуроскопии и дефектоскопии прутков.

2.Исследование влияния структурного состояния прутков из рессорно-пружинной стали на основные параметры зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях.

3.Исследование чувствительности зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях к реальным дефектам прутков из рессорно-пружинной стали.

4. Разработка и реализация методик структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали с использованием зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях.

5. Сравнительный анализ результатов производственных испытаний ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных технологий контроля прутков из рессорно-пружинной стали.

Научная новизна

1. Разработаны и оптимизированы параметры систем подмагничивания проходных ЭМА преобразователей продольных и поперечных волн с радиальной и осевой поляризацией для реализации зеркально-теневого метода контроля пруткового проката на многократных отражениях, позволяющие достичь максимальных коэффициентов ЭМА преобразования, минимизации массогабаритных размеров, требуемой акустической помехозащищенности.

2. Впервые исследовано влияние неравновесности структурного состояния прутков из рессорно-пружинной стали и его неравномерности по длине и сечению на основные параметры продольных и поперечных волн, заключающееся в уменьшении скорости, росте затухания, возможности взаимной трансформации волн для прутков со структурой, характеризующейся наличием продуктов немартенситного распада и обезуглероженного слоя с крупнозернистым ферритом в мартенситной структуре основного сечения.

3. Впервые исследована чувствительность к дефектам прутков из рессорно-пружинной стали электромагнитно-акустическим зеркально-теневым методом на многократных отражениях, показавшая возможность выявления и надежной локализации внутренних и поверхностных дефектов размерами от 0,1 мм.

4. Разработаны методики структуроскопии и дефектоскопии прутков из рессорно-пружинной стали с использованием зеркально-теневого ЭМА метода на многократных отражениях, основанные на анализе скоростей и угловых индикатрис объемных волн, ослабления серии многократных отражений и эффективности ЭМА преобразования, обеспечивающие погрешность измерений не более 0,1%.

5. Впервые проведены сравнительные испытания электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода на многократных отражениях и альтернативных - волноводного акустического и вихретокового методов - при контроле прутков из рессорно-пружинных сталей и рассчитана сравнительная достоверность каждого из методов, составляющая для разработанного метода 0,98 против 0,86 для волноводного акустического контроля и 0,79 для вихретокового контроля.

Теоретическая и практическая значимость

Теоретической значимостью обладают результаты моделирования формирования полей подмагничивания, основанные на расчете распределения нормальной и тангенциальной составляющих магнитного поля, исходя из требований максимальной составляющей полезной компоненты в условиях равномерности распределения по апертуре преобразователя при минимальной составляющей мешающей компоненты, для проходных ЭМА преобразователей продольной и поперечной волн с радиальной и осевой поляризацией в цилиндрических объектах.

Результаты исследований влияния структурных изменений в пружинно-рессорной стали на измеряемые характеристики акустических волн показали возможность использования ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях при исследованиях структурных состояний термоупрочняемых сталей, а также при выборе технологий и режимов термической обработки.

Практическая значимость: результаты испытаний ЭМА зеркально-теневого метода на многократных отражениях на ООО «НПЦ «Пружина» для контроля прутков-заготовок из рессорно-пружинной стали показали возможность выявления недопустимых по ГОСТ 14959-79 при производстве пружин дефектов прутков-заготовок в широком диапазоне диаметров и длин при различном качестве обработки поверхности, из различных марок сталей с надежной локализацией внутренних и поверхностных дефектов размерами от 0,1 мм. Указанный метод был апробирован на ООО «НПЦ «Пружина», как самостоятельный в ручном варианте, т