автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Повышение эффективности вихретоковой дефектоскопии немагнитных электропроводящих объектов путем заполнения полости дефектов магнитной жидкостью

На правах рукописи

Мостяев Игорь Вячеславович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

НЕМАГНИТНЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ ПУТЕМ ЗАПОЛНЕНИЯ ПОЛОСТИ ДЕФЕКТОВ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 СЕИ гол

Москва - 2014 г.

005552559

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ)

Научный руководитель Шкатов Петр Николаевич

доктор технических наук, профессор,

Официальные оппоненты Кузнецов Николай Сергеевич

доктор технических наук, профессор, генеральный директор ОАО «НЛП «Дельта»

Дидин Геннадий Анатольевич кандидат технических наук, директор ООО «ГлавДиагностика»

Ведущая организация: ФГУП «НИИСУ»

Защита состоится 30 сентября 2014 года в 1422 часов на заседании диссертационного совета Д212.119.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальных сайтах ВАК Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru и Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) http://www.mgupi.ru.

Автореферат разослан "27" июня 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.119.01 д.т.н., профессор

В.В.Филинов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность темы исследования

Вихретоковая дефектоскопия основана на регистрации изменения реакции вихревых токов, перераспределяемых дефектом сплошности. В ряде случаев эффект перераспределения вихревых токов проявляется достаточно слабо, например, при малой глубине дефекта или его развитии со стороны тыльной относительно сканируемой поверхности. Это препятствует надежному выявлению дефекта. Дополнительные проблемы возникают при необходимости выявления вихретоко-вым методом дефектов на сложнопрофильных поверхностях, например, в зоне выступов, канавок, отверстий и т.п. из-за возникающих при сканировании под их влиянием изменений вихретокового сигнала. В связи с этим исследования, направленные на повышение абсолютной и селективной чувствительности вихретокового контроля к дефектам сплошности путем заполнения полости дефектов магнитной жидкостью весьма актуальны.

1.2. Степень разработанности темы исследования

Вихретоковый метод неразрушающего контроля, обладая такими преимуществами как бесконтактность и возможность дефекгометрической оценки выявляемых дефектов, имеет и ряд ограничений, препятствующих его применению. К ним относятся существенное уменьшение чувствительности при уменьшении глубины поверхностного дефекта, низкая чувствительность к дефектам, развивающимся с тыльной стороны пластин, ачияние эффекта формы при дефектоскопии объектов с нерегулярной поверхностью. Для повышения чувствительности к мелким поверхностным дефектам в настоящее время идут по пути повышения частоты тока возбуждения вихретоко-вых преобразователей (ВТП) и уменьшения размеров его рабочего торца. Это приводит к существенному усложнению электронного блока, уменьшению производительности контроля и резкому увеличению влияния вариации рабочего зазора между торцом ВТП и сканируемой поверхностью. Для выявления дефектов, развивающихся с тыльной стороны поверхности объекта контроля (ОК), идут по пути увеличения размеров рабочего торца ВТП и уменьшения частоты возбуждающего тока, обеспечивая необходимую глубину проникновения вихревых токов. Это приводит к существенному уменьшению локальности контроля и затрудняет сканирование в зонах с изменяющейся кривизной поверхности. При необходимости выявления дефектов на сложнопрофильных поверхностях осуществляют координатную привязку регистрируемых сигналов с последующим выделением изменений сигналов от дефектов на фоне их изменения из-за эффекта формы. При этом требуются сложные сканирующие системы и большой объем подготовительной работы для создания соответствующих алгоритмов обработки регистрируемых сигналов. Магнитная жидкость применялась в капиллярном, ультразвуковом и магнитном методах неразрушающего контроля. В капиллярном и ультразвуковом методах использовалась возможность силового воздействия на магнитную жидкость магнитным полем. Магнитным методом измерялась пористость диэлектрических материалов, предварительно пропитанного магнитной жидкостью.

1.3. Цели и задачи

Цель данной работы - повышение эффективности вихретоковой дефектоскопии немагнитных объектов со сложной формой поверхности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать способы вихретоковой дефектоскопии с повышенной абсолютной и селективной чувствительностью с использованием магнитной жидкости для заполнения полости дефектов;

• разработать математические модели, для исследования основных закономерностей взаимодействия ВТП с дефектами сплошности, полость которых заполнена магнитной жидкостью;

• исследовать основные закономерности взаимодействия вихретоковых преобразователей с немагнитными электропроводящими объектами, содержащими дефекты сплошности с полостями, заполненными магнитной жидкостью;

• исследовать процессы, улучшающие заполнение полости дефектов магнитной жидкостью;

• определить перспективы вихретоковой дефектоскопии с применением магнитной жидкости для выявления дефектов, развивающихся со стороны внутренней полости охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей.

1.4. Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработаны способы вихретоковой дефектоскопии с использованием магнитной жидкости для заполнения полости дефектов;

• проведено компьютерное моделирование взаимодействия ВТП с дефектами при заполнении их полости магнитной жидкостью;

• исследованы основные закономерности взаимодействия вихретоковых преобразователей с немагнитными электропроводящими объектами, содержащими дефекты сплошности с полостями, заполненными магнитной жидкостью;

• исследован процесс заполнения магнитной жидкостью полости дефектов при воздействии постоянным магнитным полем.

1.5. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что:

• определена чувствительность накладных ВТП к дефектам сплошности с заполненными магнитной жидкостью полостями, показано, что за счет применения магнитной жидкости чувствительность к мелким поверхностным дефектам возрастает в 5...10 раз, а к дефектам, выходящим на тыльную относительно сканируемой поверхность - до 100 раз;

• установлены зависимости между вихретоковым сигналом накладных ВТП и параметрами дефектов сплошности, заполненных магнитной жидкостью;

• показано, что, в отличие от традиционной вихретоковой дефектоскопии, при заполнении полости дефекта магнитной жидкостью практически исключается влияние на вихретоковый сигнал вариации длины трещины, а изменение ширины трещины приводит к его пропорциональному и существенному изменению;

• количественно определено влияние на вихретоковый сигнал вариации рабочего зазора, магнитной проницаемости магнитной жидкости и других факторов, отражающихся на результатах контроля;

• установлено количественное соотношение между вихретоковыми сигналами, формируемыми под влиянием дефектов с магнитной жидкостью в их полости и сигналами, связанными с эффектом формы поверхности со стороны внутренней полости, заполненной магнитной жидкостью;

• даны рекомендации по выбору вихретокового преобразователя и частоты его возбуждающего тока для дефектоскопии немагнитных электропроводящих объектов при заполнении полости дефектов магнитной жидкостью;

1.6. Методология и методы исследования:

Методология исследования заключалась в применении компьютерного моделирования, достоверность которого оценивалась проводимыми экспериментальными исследованиями. Для компьютерного моделирования применялся метод конечных элементов, реализуемый с помощью программного пакета ANSYS. Экспериментальные исследования проводились с помощью сертифицированной компьютеризированной вихретоковой системы «КОМВИС JIM». Искусственные дефекты в образцах создавались элекгроэрозионным способом. Параметры дефектов измерялись по аттестованным методикам.

1.7. Основные положения, выносимые на защиту.

• Предварительное заполнение полости дефектов сплошности магнитной жидкостью позволяет повысить чувствительность вихретокового контроля к дефектам и отстроиться от влияния эффекта формы при дефектоскопии сложнопрофильных объектов путем соответствующего выбора частоты возбуждающего тока.

• Частота возбуждающего тока { определяется как компромисс между абсолютной чувствительностью, возрастающей с увеличением £ с одной стороны, и отношением «сигнал/помеха и относительной чувствительностью, возрастающими при уменьшении f, с другой стороны.

• При выявлении дефектов со стороны внутренней полости целесообразно заполнять внутреннюю полость магнитной жидкостью под давлением, стимулировать заполнение полости дефектов магнитной жидкостью воздействием магнитного поля и сливать магнитную жидкость перед сканированием.

1.8. Степень достоверности и апробация результатов

• Для обеспечения достоверности результатов исследований при теоретических расчетах численными методами применялись апробированные пакеты программ, решались тестовые и контрольные задачи с известным аналитическим решением. Для уменьшения погрешности измерений при экспериментальных исследованиях применялись поверенные и сертифицированные приборы. Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадение результатов численных расчетов и выполненных экспериментов.

• Основные результаты работы доложены и обсуждены на XXII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 2013 г., НТК «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально - экономических наук», г. Москва, 2013 г., XV Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г. Москва, 2013 г., XX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, г. Москва, 2014 г.

1.9. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 без соавторов, 4 в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук. Список работ приведен в автореферате.

1.10. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 157 страницах, иллюстрируется 78 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 192 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные научные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе рассмотрены современные направления повышения эффективности вих-ретоковой дефектоскопии. Как наиболее перспективные отмечены следующие направления: совершенствование ВТП на основе современных технологий, применение современных методов обработки информации, комбинирование вихретокового метода с другими методами неразру-шающего контроля. Здесь же анализируется применение магнитной жидкости (МЖ) в различных методах неразрушающего контроля, а также при решении различных задач, связанных с измерениями свойств материалов и изделий. В результате проведенного анализа делается вывод о наличии объективных предпосылок для успешного применения МЖ с целью повышения эффективности и расширения области применения вихретокового метода неразрушающего контроля.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию электромагнитного взаимодей-

5

ствия накладного ВТП с дефектами сплошности, расположенными с внешней или внутренней стороны немагнитной электропроводящей пластины при заполнении полости дефектов МЖ (рисунок 1). Наличие ферромагнитной среды в полостях дефектов позволяет существенно увеличить абсолютную чувствительность к ним ВТП. При этом степень увеличения чувствительности зависит от электромагнитных свойств этой среды. Анализ магнитных и электрических свойств МЖ показал, что они близки к оптимальным, так как удельная электрическая проводимость МЖ пренебрежимо мала, а ее относительная магнитная проницаемость ц = 5...7. Показано, что при увеличении более 7 рост абсолютной чувствительности происходит достаточно медленно и она слабо изменяется при воздействии постоянного магнитного поля (рисунок 2). Последнее важно при необходимости силового воздействия на МЖ постоянным магнитным полем.

Рисунок 1 - Схема вихретоковой дефекто- Рисунок 2 - Зависимость относительной скопии с применением магнитной жидкости магнитной проницаемости МЖ от напряженности Н постоянного магнитного поля

Исследование взаимодействия накладного ВТП с дефектами, выходящими на одну из сторон контролируемой пластины, при заполнении их полости МЖ, проводилось путем компьютерного моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ). На рисунке 2, в качестве примера, показана соответствующая расчетная область после ее дискретизации для дефекта, выходящего на тыльную сторону поверхности контролируемой пластины. Дефекты сплошности моделировались параллелепипедами с длиной С, глубиной Ь и шириной 2Ь.

При моделировании каждый раз рассчитывались вихретоковые сигналы при заполнении полости дефектов МЖ и без нее. Комплекс напряжения Цт, вносимый дефектом вычислялся как разность комплексов напряжений Е/„но и {/,нл при отсутствии и наличии дефекта, соответственно. С целью обобщения получаемых результатов выполнялась нормировка иян по действующему значению начального напряжения и0 ВТП, т.е. ¿7™*= [¡¿Л Щ Для задачи дефектоскопии полых ОК со стороны их внутренней полости дополнительно проводились расчеты при наличии МЖ как в полости дефектов, так и во всей внутренней полости.

Характер взаимодействия ВТП с содержащими МЖ дефектами, выходящими на сканируемую и тыльную поверхности, существенно различен. Это связано с тем, что при увеличении частоты £ за счет поверхностного эффекта слой металла экранирует МЖ в дефектах, выходящих на тыльную сторону пластины, чего не наблюдается для дефектов, выходящих на сканируемую поверхность.

Расчеты Цви* для дефекта на сканируемой поверхности проводились при ¡1=0,5 мм, £=3 мм, 2Ь=0,05 мм. Моделируемый ВТП имел возбуждающую и измерительную обмотки, совмещенные в общем объеме, т.е. при их бифилярной намотке В этом случае, как известно, достигается максимальная чувствительность к локальным магнитным объемам.

Пластина, используемая при компьютерном моделировании, имела толщину Т=2 мм и удельную электропроводность а =4 МСм/м. Это соответствует электропроводящим свойствам сплава ЖС-6У, применяемого в охлаждаемых лопатках газотурбинных двигателей. Толщина 2 мм характерна для рабочих участков таких лопаток. На рисунке 3 показаны зависимости {/*„„ = £/*„„ (/) при размещении ВТП над центром дефекта, когда вносимое в ВТП дефектом напряжение максимально. Одна из кривых получена при заполнении полости дефекта МЖ, другая - без заполнения.

ЩЩщЩШШШШ

и*. ! 1 1 дсффкг иполчям —

"- Д«**«1в« МЖ

(,гч

Рисунок 3 - Расчетная область для исследования МКЭ взаимодействия накладного ВТП, размещенного. над немагнитной пластиной с дефектом, полость которого заполнена МЖ

Рисунок 4 - Зависимость вносимого дефектом нормированного напряжения Ц*йСф от глубины к дефекта при разных вариантах применения МЖ: длина дефекта 10 мм, ширина - 0,2 мм, частота _/=1 кГц, толщина пластины - 2 мм

Из приведенных зависимостей видно, что с увеличением частоты / происходит монотонный рост и*е„ как без МЖ в полости дефекта, так и с ней. Однако для "сухого" варианта (без МЖ) при /—»0 и величина {/*„,—► 0, а наличие МЖ в полости дефекта обеспечивает не нулевой сигнал и на начальном участке зависимости {/*„„ = С/*„„ (/). При этом величина {/*„„ при наличии в полости дефекта МЖ при /—>0 в 3 раза превосходит величину и*ен для "сухого" варианта при /=100 кГц. Важно, что понижение частоты/не приводит к существенному уменьшению вносимого дефектом нормированного напряжения. Это позволяет выбирать частоту / настолько низкой, насколько это требуется для обеспечения отстройки от эффекта формы и вариации других свойств металла.

Основной практический интерес представляют закономерности электромагнитного взаимодействия ВТО с дефектами, развивающимися с тыльной относительно сканируемой стороны пластины, так как подобные дефекты плохо или совсем не выявляются традиционным вихретоковым методом. Соответствующие расчеты и*.„ проводились при вариации частоты/, глубины дефекта /г, его длины ( и ширины 2Ь, рабочего зазора 20, относительной магнитной проницаемости ц магнитной жидкости.

При расчетах анализировалось 4 варианта взаимодействия: дефектный образец заполнен МЖ; бездефектный образец заполнен МЖ; дефект заполнен МЖ; дефектный образец без МЖ. В варианте "дефектный образец заполнен МЖ" принималось, что МЖ заполняет полость дефекта и распределена слоем с толщиной Тм = 2 мм под образцом с его тыльной стороны. Влияние величины Тм на регистрируемые сигналы также исследовалось.

На рисунке 5 приведены зависимости и*.„ = !/*„„ (/) для дефекта со следующими параметрами: А=1,0 мм, ¿=10 мм, 26=0,2 мм.- Ход кривых объясняется разнонаправленным действием на измерительную обмотку ВТП двух факторов: увеличения магнитного потока за счет магнитных свойств МЖ и ослабления магнитной связи ВТП с МЖ за счет

возбуждаемых в металле вихревых токов. В результате одновременного действия обоих факторов наблюдается монотонное уменьшение вносимого напряжения для всех вариантов, кроме варианта для дефектного образца без МЖ. Здесь сначала наблюдается рост сигнала вплоть до частоты/= 15 кГц, а затем сигнал стабилизируется. При дальнейшем увеличении частоты/, начиная с 35 кГц, наблюдается монотонное уменьшение 1}*т (не показано).

Следует отметить, что при любой частоте изменения вихретокового сигнала, связанные с воздействием дефекта, существенно возрастают за счет применения МЖ. Это видно из представленных на рисунке 6 годографов Ц.*ен=и*ец(/).

5 ООО 10000 15000

1)16384 8192 •

к

М=Э2768 Л6384 1т(и*БИ)

■'О.ОС4 0Д0Б 0,006

Рисунок 5 - Зависимости £/*„, = Ы*т (/) для де- Рисунок 6 - Годографы Ц*в„ = Ц*,н (/) фекта при А=1,0 мм, €= 10 мм, 2Ь=0,2 мм при Л=1,0 мм, €=10 мм, 26=0,2 мм

Изменения фазы Ц*ен возрастают по мере увеличения частоты /. Напротив, наибольшие изменения амплитуды {/*„,< имеют место в низкочастотной области. Так, например, при частоте возбуждения /=1 кГц влияние дефектов любой глубины при наличии и отсутствии МЖ оказываются несопоставимыми. Это хорошо видно из приведенных на рисунке 7 зависимостей {/*„„ от глубины дефекта при / = 1 кГц, €=10 мм, 26=0,2 мм. Из годографов и*„, = Ц*,н (Ь), показанных на рисунке 8 следует, что фаза и*„„ с изменением глубины Л дефекта заполненного МЖ практически не изменяется.

На рисунке 9 приведены зависимости и*,н = ¡У*в„ (Ь) при вариации длины € без МЖ при /= 1 кГц, 26=0,2 мм, а на рисунке 10 - зависимости при тех же параметрах, но с МЖ в полости дефекта. Видно, что за счет МЖ влияние ■£ проявляется существенно слабее, и им можно пренебречь, если длина трещины превышает диаметр ВТП более, чем в 3 раза. Это связано с тем, что сигнал от дефекта без МЖ формируется за счет искажения контуров вихревого тока, а при наличии МЖ - за счет усиления магнитного потока магнитной жидкостью.

Рисунок 9 - Зависимости и*е„ = И*,„ (К) при ва- Рисунок 8 - Годографы Ц*,„ = Ц*т (К) при ¿=10 мм, риации {. МЖ нет, /= 1 кГц, 2Ъ=0,2 мм /= 1 кГц, 2Ь=0,2 мм

Рисунок 11- Зависимости 1]*т = V*,,, (К) при вариа-Рисунок 10 - Зависимости и*т = и*,„ (Л) при ва- ции ширины 2Ь. МЖ в дефекте,кГц, 26=0,2 мм риации {. МЖ в дефекте, /= 1 кГц, 26=0,2 мм

и*вн •1

«

\ дефактиыЙобраицмполмн жи

О.™ \ бездефектный мл лн«н жидкость»

А«фвктиый (е) «лд«ости

е.» 1 1} г

Рисунок 13 - Зависимости £/*„„ от зазора г0: /г=1,0 мм, -£=10 мм, 2Ь-0,2 мм,/= 1 кГц

и*,„

ктный о5р»«ЦЫПЗДИ«и

/ / еешмкти,

/ // дефект »пал иг* «*д«0С1=«

// —-Ц—

¿•фоггмыЛжил 1 1

Рисунок 13 - и*е„=и*ви(Ц): й=1,0 мм, ¿=10 мм, 26=0,2 мм,/=1 кГц

Рисунок 14-Годографы Ц*т-и*в11(\1): /г=1,0 мм, £=10 мм, 26=0,2 мм,/=1 кГц

Наиболее сильно влияет на потокосцепление между возбуждающей и измерительной обмотками ВТП магнитная жидкость, находящаяся непосредственно под торцом ВТП. В то же время, растекание вихревого тока, обтекающего трещину, существенно изменяется и при вариации ее длины, превышающей диаметр ВТП.

Известно, что величина вихретокового сигнала, формируемого за счет искажений контуров вихревого тока, слабо зависит от ширины трещины. Ситуация изменяется при заполнении полости дефекта МЖ, что иллюстрируется рисунком 12. Видно, что, при удвоении ширины трещины, [/*„,, возрастает примерно в 1,5 для трещин шириной до 0,4 мм.

Анализ годографов !/*„„ позволил установить, что влияние вариации мешающих и влияющих факторов при заполнении МЖ полости дефектов приводят к изменению векторов напряжения £/*,„ в близком направлении, что не позволяет подавить их влияние с помощью фазовых и амплитудно-фазовых способов отстройки.

Достоверность расчетных результатов проверялась сравнением с результатами экспериментов. При экспериментах полости искусственных дефектов, выполненных электроэрозионным способом, заполнялись МЖ, а вихретоковый сигнал регистрировался при перемещении накладного ВТП над поверхностью образца. Использовалась магнитная жидкость МЖ-131 (ТУ 2229-001-51032852-2002), магнитная проницаемость которой определялась по известной методике путем измерения отношения индуктивностей соленоидальной катушки, намотанной на стеклянной трубке, заполняемой МЖ. Для измерения индуктивности использовался цифровой измеритель индуктивности, емкости и сопротивления М55300 с частотой тестирующего сигнала 1 кГц.

Для экспериментов из сплава ЖС-6У были изготовлены 3 образца с 3 искусственными дефектами (рисками). Риски наносились электроэрозионным способом. Каждый образец выполнен в виде пластины с размерами 100 х 80 х 2 мм. От образца к образцу различаются размеры рисок - их глубина (0,6...1,6 мм), ширина (0,1...0,4 мм) и длина (5,0...20,0 мм). На каждом из образцов изменялся только один из параметров дефекта относительно номинальных значений: /г=1,0 мм, 2Ь=0,2 мм, -¿=10 мм. Для заливки МЖ во внутреннюю полость детали со стороны дефектов по периметру соответствующего образца наклеивалась резиновая прокладка. С другой стороны на прокладку накладывалось стекло с размерами 100x80x5 мм. Пластина образца, резиновая прокладка и стекло сжимались винтовыми зажимами в 8-ми точках, равномерно распределенных по периметру, образуя сборку (рисунок 15).

чг

И ^ 1*1 1*1

Ж

100

зор

СЧ"

5

I ^ Стальная 1

\ Резиновая прокладка

1,6

1,0

ц

с<*

I

\ Стеклянная пластина

Рисунок 15-Сборка для экспериментальных исследований Рисунок 16 - Эскиз

ВТП для экспериментов

В резиновой прокладке имелось два отверстия А и Б, образованных вставленными в прокладку медицинскими иглами с внешним диаметром 1,6 мм и внутренним 1,3 мм. МЖ подавалась во внутреннюю полость сборки через иглу с помощью медицинского шприца. Второе отверстие использовалось для стравливания воздуха при заполнении полости МЖ. Для создания избыточного давления второе отверстие после заполнения полости глуши-

лось. Для измерений использовался накладной ВТП с измерительной и компенсационной обмотками, симметрично размещенными с радиальным зазором относительно возбуждающей обмотки (рисунок 16).

В качестве электронного блока использовалась сертифицированная компьютеризированная вихретоковая система «КОМВИС ЛМ».

Для параметров образцов, МЖ и ВТП, использовавшихся при эксперименте, проводились расчеты при разбиении расчетной области и других параметрах, соответствующих экспериментальным исследованиям. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превысило погрешности эксперимента.

Третья глава посвящена исследованию взаимодействия ВТП с дефектами сплошности в полых немагнитных электропроводящих объектах сложной формы при заполнении их внутренней полости МЖ. Описанные в главе 2 исследования показывают, что при наличии МЖ только в полости дефектов и соответствующем выборе частоты / достигается зависимость вихретокового сигнала только от распределения МЖ, определяемого параметрами дефектов. Вместе с тем, необходимость удаления МЖ из полости ОК с ее удержанием в полости дефектов создает определенные проблемы, например в том случае, когда дефекты представляют собой локальные утонения стенки. Выход может заключаться в первоначальном сканировании при наличии МЖ в полости ОК, а затем - в повторном сканировании при ее удалении из полости ОК. В связи с этим существует необходимость исследования зависимостей вихретокового сигнала при сканировании полых немагнитных объектов сложной структуры при наличии МЖ в их полости. В этом случае сложную форму приобретает МЖ, заполняющая полости ОК.

Наибольшую сложность представляет дефектоскопия со стороны внутренней полости ОК, имеющих внутренние перегородки или ребра, ортогональные к внешней поверхности. К подобным объектам относятся, например, охлаждаемые лопатки газотурбинных двигателей. Для таких объектов характерны трещины в углах соединения перегородок с внешней стенкой, а также локальные утонения между соседними перегородками за счет потери металла со стороны внутренней полости. В соответствии с изложенными соображениями для исследований была приняты геометрические расчетные модели, приведенные на рисунках 17-18.

Рисунок 17 - Геометрическая расчетная Рисунок 18 - Геометрическая расчетная модель ОК с трещиной модель ОК с утонением стенки

Номинальные параметры моделей, принимаемые при расчетах, приведены в таблице 1.

Расчеты проводились на частотах f = 1 кГц и 100 Гц. В первом случае вносимое в ВТП напряжение в равной степени зависит от вихревых токов в металле и воздействия МЖ, во втором - влияние вихревых токов пренебрежимо мало. Для определенности компенсация ВТП проводилась по величине {/*„„, соответствующей положению оси ВТП

12

симметрично относительно соседних перегородок. Результаты расчетов, полученные при частоте тока возбуждения / = 1кГц, приведены на рисунках 19 - 20, а при частоте/ = 100 Гц - на рисунке 21.

Таблица 1.

б мм

2 мм

Т2

2 мм

1аилица 1.

Номинальные параметры моделей, принимаемые при расчетах.

Магнитная УпКГП-НЯЯ ЧПРК-ТППППГтптГ-

4 мм

4 мм

Магнитная проницаемость МЖ ¡1=7

Удельная электропроводность металла а = 4 МСм/м

Рисунок 19 - и*ди (х); Рисунок 20 - и*„„ (*); Рисунок 21 - ¿7*„„ (*); МЖ во всей

МЖ во всей полости: МЖ только в дефекте: полости: £=5мм, /г= 1мм, 2Ь=0,2мм;

£=5мм, /г= 1мм, ¿=5мм, й= 1мм, /= ЮОГц

26=0,2мм;/= 1кГц 2Ь=0,2мм;/= 1кГц

Закон изменения амплитуды вихретокового сигнала при перемещении по координате х над объектом периодической структуры с полостями, заполненными МЖ, как следует из рисунка 19, близок к гармоническому. При этом минимумы сигнала возникают над центрами перемычек, а максимумы - над центрами окон, заполненными МЖ. При наличии дефектов сплошности, развивающихся от угла окна (в зонах с наибольшими механическими напряжениями), наблюдается отклонение формы огибающей вихретокового сигнала от гармонической. Степень асимметрии и максимальная величина приращения существенно зависят от угла а между нормалью к внешней поверхности ОК и плоскостью дефекта. Влияние дефекта с выбранными параметрами при частоте 1 кГц составляет около 10% от влияния вихревых токов в металле.

При уменьшении частоты до 100 Гц влияние металла уменьшается почти на порядок, но одновременно уменьшается и абсолютная чувствительность ВТП из-за того, что наводимое в индуктивной катушке напряжение пропорционально частоте. Таким образом, выбор рабочей частоты определяется как компромисс между абсолютной чувствительностью и необходимой степенью подавления влияния металла.

Исследуемый способ контроля может эффективно применяться не только для выявления дефектов сплошности типа трещин, но для определения остаточной толщины металла. Подобные дефекты возникают в полых объектах за счет эрозионного износа ме-

талла, его прогара и других воздействий.

При решении данной задачи в расчетах был выбран ВТП с эквивалентным диаметром 3 мм и совмещенными возбуждающей и измерительной обмотками. На рисунках 22 - 23 показано изменение Ц*т (х) при утонении стенки на 50% в одном окне для двух вариантов компенсации: только начального напряжения и0 и напряжения, вносимого на бездефектном участке. Здесь1кГц, а компенсация проводится над бездефектным ОК.

-15 -Ю_-5__0__5_10_15

Рисунок 22 - и*т (х) при утонении стенки на 50% в одном окне. ^=1кГц, компенсация над бездефектным ОК.

Рисунок 23 - и*еи (х) при утонении стенки на 50% в одном окне, /=1кГц, компенсация без взаимодействия с ОК.

Результаты расчетов приведены на рисунках 22 - 23. На рисунке 22 видно, что при отсутствии МЖ подобный дефект выявить очень сложно, так как соответствующий вихретоковый сигнал невелик и составляет не более 10% от вносимого металлом напряжения, а его изменения происходят достаточно плавно. При наличии МЖ данный дефект изменяет вихретоковый сигнал почти в 6 раз и четко регистрируется.

На рисунке 23 те же самые графики приведены при компенсации ВТП на бездефектном участке металла. Здесь четко видно, что при отсутствии МЖ вихретоковый сигнал от данного дефекта находится на уровне помех, создаваемых перемычками. С увеличением остаточной толщины, т.е. для меньших дефектов, ситуация будет усугубляться, что делает задачу выявления локальных утонений вихретоковым методом без применения МЖ трудно разрешимой.

Четвертая глава посвящена анализу перспектив применения вихретоковой дефектоскопии с испольлзованием МЖ для оценки технического состояния охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей (ГТД). Лопатки авиационных ГТД - полые, имеют небольшой объем внутренней полости с входным и выходным отверстием. Они имеют сложную форму поверхности и внутренней структуры. Лопатки ГТД из жаропрочных никелевых сплавов эксплуатируются при высоких механических напряжениях и температурах. Это приводит к появлению со стороны внутренней полости лопаток клиновидных трещин, развивающихся под воздействием деформации ползучести.

В настоящее время лопатки ГТД на стадии производства и эксплуатации контролируются рентгеновским, теплотелевизионным и вихретоковым методами, которые не обеспечивают в полной мере получение необходимой информации о техническом состоянии лопаток.

Практическая реализация исследуемого комбинированного метода для оценки технического состояния лопаток ГТД связана с рядом сложностей. К ним относятся обеспечение надежного заполнения полости дефектов магнитной жидкостью, слив МЖ из полости лопатки

при ее сохранении в полостях дефектов и получение приемлемой абсолютной чувствительности.

Особенность исследуемого метода состоит в необходимости очистки поверхности внутренних каналов лопатки для доступа в полости дефектов МЖ. Очистка внутренней поверхности лопаток ГТД необходима и для эффективной работы системы охлаждения. Этот вопрос достаточно хорошо проработан и решается путем применения высокоэффективных методов направленной ультразвуковой очистки. Соответствующие средства очистки успешно применяются на отечественных предприятиях.

Для практической реализации вихретоковой дефектоскопии с применением МЖ важен вопрос дополнения капиллярного эффекта, используемого для заполнения полостей дефектов МЖ, магнитным полем. Магнитное поле может быть использовано и для удаления МЖ из полости ОК, а также для удержания МЖ в полости дефектов при ее сливе. Задача расчета магнитных сил, действующих на МЖ в полости бездефектной и дефектной лопатки, решалась МКЭ. На рисунке 24 приведены результаты одного из вариантов расчета в виде векторов силы в трехмерном пространстве. В дальнейшем, для наглядности, анализ проводился для поперечного сечения, проходящего через центр симметрии дефекта. Распределение магнитных сил на поверхности раздела МЖ - поверхность лопатки при наличии дефекта показано на рисунке 25. Максимальное действие магнитной силы проявляется в ближайшей к источнику магнитного поля точке, т.е. на дне дефекта, способствуя затеканию МЖ. Расчет показывает, что действие магнитной силы возрастает по мере заполнения полости дефекта МЖ. При этом большая магнитная сила соответствует большей глубине дефекта.

магнитная жидкость

......^тавФшш"""

Рисунок 24 - Результаты расчетов в виде векторов силы

Рисунок 25 - Распределение магнитных сил для дефектной лопатки с МЖ во внутренней полости

Смещение источника постоянного магнитного поля относительно дефекта не приводит к появлению сил, стремящихся удалить жидкость из полости дефекта (рисунок 26). Таким образом, последовательное воздействие на заполненный жидкостью образец перемещающимся источником магнитного поля должно способствовать проникновению МЖ в полости дефектов. В соответствии с рекомендациями, сформулированными в главе 3, для лучшего подавления эффекта формы МЖ из каналов желательно удалить, сохранив ее в полости дефектов.

Казалось бы, для удержания МЖ также следует воспользоваться магнитным полем, направленным по нормали к поверхности лопатки, т.е. вдоль дефекта. Однако проведен-

ный расчет и анализ полученных результатов показывает, что это не так. МЖ, заполнившая полость дефекта, имеет форму с существенным размагничивающим фактором. Это приводит к возникновению в зоне выхода дефекта в канал силы, выталкивающей магнитную жидкость из дефекта (рисунок 27).

магнитная жидкость

¿У

N

Б

Рисунок 26 - Распределение магнитных Рисунок 27 - Распределение магнитных сил сил для дефектной лопатки с МЖ во внут- для дефектной лопатки с МЖ только в поло-

ренней полости при смещении магнита сти дефекта при смещении магнита относи-относительно дефекта тельно дефекта

Таким образом, после удаления МЖ из каналов лопатки магнитное поле будет способствовать удалению МЖ из хвостовой части дефекта. Для предотвращения этого эффекта целесообразно использовать силу тяжести, размещая лопатку контролируемой стороной вниз. В тоже время данный эффект может быть использован для окончательного удаления МЖ после проведения контроля.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные итоги работы можно сформулировать следующим образом.

1. На основе проведенного анализа путей повышения эффективности вихретоковой дефектоскопии установлена перспективность разработки комбинированного метода вихретоковой дефектоскопии с применением магнитной жидкости.

2. На основе компьютерного моделирования взаимодействия ВТП с дефектами при заполнении их полости магнитной жидкостью исследованы основные закономерности взаимодействия вихретоковых преобразователей с немагнитными электропроводящими объектами, содержащими дефекты сплошности с полостями, заполненными магнитной жидкостью

3. Установлено, что чувствительность накладных ВТП достаточна для надежной регистрации магнитной жидкости в объемах, сопоставимых с размерами внутренней полости дефектов сплошности, а относительная чувствительность накладных ВТП к поверхностным дефектам при заполнении их полости магнитной жидкостью в области низких частот превышает максимально достижимую чувствительность ВТП на оптимальной частоте, но без использования магнитной жидкости.

4. Установлено, что с увеличением частоты относительная чувствительность накладных ВТП к поверхностным дефектам при заполнении их полости магнитной жидкостью

возрастает, при этом крутизна частотных характеристик чувствительности к дефекту при наличии и при отсутствии магнитной жидкости в полости дефекта сопоставимы.

5. Установлено, что угол наклона поверхностного дефекта типа трещины при одинаковой глубине пораженного слоя металла слабо влияет на вихретоковый сигнал ВТП при заполнении полости дефекта магнитной жидкостью.

6. Показано, что относительная чувствительность накладных ВТП к развивающимся с тыльной относительно сканируемой стороны дефектам при заполнении их полости МЖ максимальна в области нижних частот и незначительно снижается по мере увеличения частоты. При этом большая за счет применения МЖ чувствительность к дефектам обеспечивается при любой частоте

7. Установлено, что влияние длины трещины на выходной сигнал накладных ВТП при заполнении полости дефекта магнитной жидкостью существенно уменьшается, а ширины трещины значительно возрастает, а влияние вариации рабочего зазора на вихретоковый сигнал накладного ВТП при заполнении полости дефекта магнитной жидкостью возрастает и сопоставимо с соответствующим ростом чувствительности к параметрам дефекта.

8. Установлено, что влияние возбуждаемых в контролируемом объекте вихревых токов на вихретоковый сигнал при сканировании со стороны внешней поверхности может быть устранено путем уменьшения частоты тока возбуждения. Например, при дефектоскопии объекта из жаропрочного сплава ЖС -6У полная отстройка от влияния вихревых токов достигается при частоте возбуждающего тока/= 100 Гц.

9. Установлено, что при дефектоскопии полых объектов со сложной структурой за счет повторения МЖ, заполняющая полость, формы поверхности, происходит соответствующее изменениям вихретокового сигнала при сканировании, несмотря на пренебрежимо малое влияние вихревых токов, возбуждаемых при выборе соответствующей частоты в металле контролируемого объекта.

10. МЖ, заполняющая полости дефектов, развивающиеся со стороны внутренней полости, располагается ближе к внешней сканируемой поверхности, что обеспечивает достаточное изменение вихретокового сигнала на фоне его изменения под влиянием эффекта формы для дефектов глубиной й > 0,5Т при а<45°, где Т - толщина металла над "окном", а - угол между плоскостью дефекта и нормалью к поверхности контролируемого объекта, а полная отстройка от влияния эффекта формы со стороны внутренней поверхности достигается при заполнении МЖ только полости дефектов..

11.Установлено, что за счет заполнения внутренней полости контролируемого объекта со сложной формой внутренней поверхности удается существенно (более, чем 10 раз) повысить чувствительность к локальным утонениям металла, при этом достигается существенное превышение полезного сигнала на шумовой составляющей, связанной с влиянием эффекта формы.

12. Показано, что для повышения эффективности процесса заполнения магнитной жидкостью полостей дефектов целесообразно использовать постоянное магнитное поле, направленное по нормали к поверхности контролируемой лопатки.

Перспективы выполненного исследования состоят в применении полученных результатов для более эффективной оценки технического состояния полых электропроводящих сложнопрофильных объектов ответственного назначения из немагнитного металла. К таким объектам относятся, например, охлаждаемые со стороны внутренней полости лопатки газотурбинных двигателей.

4. СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук:

1. Шкатов П.Н., Мостяев И.В. Исследование новых возможностей вихретоковой дефектоскопии при использовании магнитной жидкости// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.-№ 6,2013.- С. 100-105

2. Шкатов П.Н., Мостяев И.В. Вихретоковая дефектоскопия немагнитных электропроводящих объектов сложной формы с применением магнитной жидкости// Приборы-№2,- 2014,- С. 1-6.

3. Мостяев И.В. Контроль качества охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей в процессе эксплуатации вихретоковым методом с применением магнитной жидкости //Научно-технический вестник Поволжья.-№1.-2014- С. 126-129.

4. Шкатов П.Н., Мостяев И.В. Выявление дефектов, развивающихся со стороны внутренней полости в немагнитных электропроводящих объектах, вихретоковым методом с применением магнитной жидкости//Контроль. Диагностика.- №5.-2014.- С. 29-34.

Публикации в других научных журналах и изданиях

5. Мостяев И.В. Расширение функциональных возможностей и области применения вих-ретокового контроля путем использования магнитной жидкости // Труды XXI Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»,- Алушта.-2012 г.- С. 160.

6. Шкатов П.Н., Мостяев И.В. Вихретоковый контроль с применением магнитной жидкости //Труды XVI Межд. конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики»: труды - М.: МГУПИ, 2013 [CD],

7. Мостяев И.В. Расширение функциональных возможностей и области применения вих-ретокового контроля путем использования магнитной жидкости // Труды НТК «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально - экономических наук».-МГУПИ.-2013 - С. 112-116.

8. Шкатов П.Н., Мостяев И.В. Вихретоковый контроль немагнитных объектов с применением магнитной жидкости// XX Всероссийская конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике: доклады конференции. Москва, 3-6 марта 2014 г. - М.: Издательский дом «Спектр», 2014 [CD],

9. Шкатов П.Н., Мостяев И.В. Вихретоковый контроль немагнитных объектов с применением магнитной жидкости// XX Всероссийская конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике: тезисы докладов. Москва, 3-6 марта 2014 г. -М.: Издательский дом «Спектр»,- С. 83-84.

Отпечатано в ООО «Издательство Спутник+» ПД № 1-00007 от 26.09.2000 г. Подписано в печать 20.08.2014 г. Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,0 Печать авторефератов (495)730-47-74,778-45-60

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

04201460821 Нагаашх рукописи

Мостяев Игорь Вячеславович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ НЕМАГНИТНЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ ПУТЕМ ЗАПОЛНЕНИЯ ПОЛОСТИ ДЕФЕКТОВ МАГНИТНОЙ

ЖИДКОСТЬЮ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Шкатов П.Н.

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ.....................................................9

1.1 совершенствование вихретоковых преобразователей на основе современных технологий...............................................................................9

1.2 применение современных методов обработки информации..................14

1.3 комбинирование вихретокового метода с другими методами неразрушающего контроля..........................................................................22

1.4 возможность применения магнитной жидкости.......................................28

1.5 Выводы..........................................................................................................31

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИХРЕТОКОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ДЕФЕКТАМИ СПЛОШНОСТИ В НЕМАГНИТНЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТАХ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ПОЛОСТИ ДЕФЕКТОВ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ.................................................................................................33

2.1 Обоснование комбинированного способа вихретокового контроля с применением магнитной жидкости...........................................................33

2.2 выбор метода исследований и расчетных моделей..................................41

2.3 расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей при взаимодействиии с дефектами, развивающимися со стороны сканируемой поверхности, при заполнении их полости магнитной жидкостью..........46

2.4 расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей при взаимодействиии с дефектами, развивающимися с тыльной стороны пластины.......................................................................................................52

2.5 экспериментальные исследования выходных сигналов вихретоковых преобразователей при взаимодействиии с дефектами при заполнении их полости магнитной жидкостью...................................................................76

2.6 Выводы..........................................................................................................88

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИХРЕТОКОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ДЕФЕКТАМИ СПЛОШНОСТИ В ПОЛЫХ НЕМАГНИТНЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТАХ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ИХ ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ....................................................................90

3.1 Выбор расчетных моделей..........................................................................90

3.2 Расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей для полых объектов с дефектами типа трещин................................................97

3.3 Расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей для полых объектов с дефектами типа локального утонения стенки..........105

3.4 Выводы........................................................................................................109

4. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВИХРЕТОКОВОЙ

ДЕФЕКТОСКОПИИ С ИСПОЛЬЛЗОВАНИЕМ МАГНИТНОЙ

ЖИДКОСТИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ110

4.1 современные методы и средства оценки технического состояния охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей.................................110

4.2 вопросы практического применения исследуемого комбинированного метода для оценки технического состояния охлаждаемых лопаток авиационных газотурбинных двигателей................................................121

4.2.1 Очистка поверхности внутренней полости лопаток ГТД.................121

4.2.2 Воздействие постоянным магнитным полем на МЖ в полости лопатки .................................................................................................................125

4.2.3 Обеспечение необходимой абсолютной чувствительности..............132

4.3 Выводы........................................................................................................132

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................134

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований

Вихретоковая дефектоскопия основана на регистрации изменения реакции вихревых токов, перераспределяемых дефектом сплошности. В ряде случаев эффект перераспределения вихревых токов проявляется достаточно слабо, например, при малой глубине дефекта или его развитии со стороны тыльной, относительно сканируемой поверхности, что препятствует надежному выявлению дефекта. Дополнительные проблемы возникают при необходимости выявления вихретоковым методом дефектов на сложнопрофильных поверхностях, например, в зоне выступов, канавок, отверстий и т.п. из-за возникающих при сканировании изменений вихрето-кового сигнала. В связи с этим исследования, направленные на повышение абсолютной и селективной чувствительности вихретокового контроля к дефектам сплошности путем заполнения полости дефектов магнитной жидкостью весьма актуальны.

Степень разработанности темы исследований

Вихретоковый метод неразрушающего контроля, обладая такими преимуществами как бесконтактность и возможность дефектометрической оценки выявляемых дефектов, имеет и ряд ограничений, препятствующих его применению. К ним относятся существенное уменьшение чувствительности при уменьшении глубины поверхностного дефекта, низкая чувствительность к дефектам, развивающимся с тыльной стороны пластин, влияние эффекта формы при дефектоскопии объектов с нерегулярной поверхностью. Для повышения чувствительности к мелким поверхностным дефектам в настоящее время идут по пути повышения частоты тока возбуждения вихретоковых преобразователей (ВТП) и уменьшения размеров его рабочего торца. Это приводит к существенному усложнению электронного блока, уменьшению производительности контроля и резкому увеличению влияния вариации рабочего зазора между торцом ВТП и сканируемой поверхностью. Для выявле-

ния дефектов, развивающихся с тыльной стороны поверхности объекта контроля, идут по пути увеличения размеров рабочего торца ВТП и уменьшения частоты возбуждающего тока, обеспечивая необходимую глубину проникновения вихревых токов. Это приводит к существенному уменьшению локальности контроля и затрудняет сканирование в зонах с изменяющейся кривизной поверхности. При необходимости выявления дефектов на сложнопрофильных поверхностях осуществляют координатную привязку регистрируемых сигналов с последующим выделением изменений сигналов от дефектов на фоне их изменения из-за эффекта формы. При этом требуются сложные сканирующие системы и большой объем подготовительной работы для создания соответствующих алгоритмов обработки регистрируемых сигналов.

Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы - повышение эффективности вихретоковой дефектоскопии немагнитных объектов со сложной формой поверхности.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

разработать способы вихретоковой дефектоскопии с повышенной абсолютной и селективной чувствительностью с использованием магнитной жидкости для заполнения полости дефектов;

разработать математические модели, для исследования основных закономерностей взаимодействия ВТП с дефектами сплошности, полость которых заполнена магнитной жидкостью;

исследовать основные закономерности взаимодействия вихретоковых преобразователей различной конструкции с немагнитными электропроводящими объектами, содержащими дефекты сплошности с полостями, заполненными магнитной жидкостью;

исследовать способы, улучшающие заполнения полости дефектов магнитной жидкостью;

показать преимущества вихретоковой дефектоскопии с применением магнитной жидкости на примере задачи выявления дефектов, развивающихся со стороны внутренней полости охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей.

Методы исследования:

Для теоретических исследований применялось математическое моделирование на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с помощью компьютеризированной вихретоковой системы «КОМВИС ЛМ».

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработаны способы вихретоковой дефектоскопии с использованием магнитной жидкости для заполнения полости дефектов;

• проведено компьютерное моделирование взаимодействия ВТП с дефектами при заполнении их полости магнитной жидкостью;

• исследованы основные закономерности взаимодействия вихретоковых преобразователей с немагнитными электропроводящими объектами, содержащими дефекты сплошности с полостями, заполненными магнитной жидкостью;

• исследован процесс заполнения магнитной жидкостью полости дефектов при воздействии постоянным магнитным полем.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

Даны рекомендации по выбору вихретокового преобразователя и частоты его возбуждающего тока для дефектоскопии немагнитных электропроводящих объектов при заполнении полости дефектов магнитной жидкостью;

показана возможность и целесообразность вихретоковой дефектоскопии с применением магнитной жидкости охлаждаемых лопаток авиационных газотурбинных двигателей.

Реализация и внедрение результатов работы:

Разработанные рекомендации и методические основы вихретоковой дефектоскопии с применением магнитной жидкости были использованы при разработке методики неразрушающего контроля лопаток турбин авиационных двигателей в Закрытом акционерном обществе «Научно-исследователський институт интроскопии МНПО «СПЕКТР».

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на XXII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 2013 г., НТК «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально - экономических наук», г. Москва, 2013 г., XV Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г. Москва, 2013 г., XX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, г. Москва, 2014 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 без соавторов, 4 в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук. Список работ приведен в автореферате.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 156 страницах, иллюстрируется 78 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 192 наименований.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

• Предварительное заполнение полости дефектов сплошности магнитной жидкостью позволяет повысить чувствительность вихретокового контроля к дефектам и отстроиться от влияния эффекта формы при дефектоскопии сложнопро-фильных объектов путем соответствующего выбора частоты возбуждающего тока.

• Частота возбуждающего тока Г определяется как компромисс между абсолютной чувствительностью, возрастающей с увеличением {, и отношением «сигнал/помеха», а также относительной чувствительностью, возрастающими при уменьшении £,

• При выявлении дефектов со стороны внутренней полости целесообразно заполнять внутреннюю полость магнитной жидкостью под давлением, стимулировать заполнение полости дефектов магнитной жидкостью воздействием магнитного поля и сливать магнитную жидкость перед сканированием.

Степень достоверности и апробации результатов

Для обеспечения достоверности результатов исследований при теоретических расчетах численными методами применялись апробированные пакеты программ, решались тестовые и контрольные задачи с известным аналитическим решением. Для уменьшения погрешности измерений при экспериментальных ис-

Л ТТЛ.ТТЛТ»Л***Т»Г1Г.. »лгт»хггтт л» ТТЛ« Л^» ЛТ»ТТТ ТЛ »Т ТТЛ » -г , I ^ША««/«^

ность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадение результатов численных расчетов и выполненных экспериментов.

1. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

1.1 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Вихретоковый контроль успешно применяется для оценки технического состояния металла в различных отраслях промышленности. К преимуществам ВК относятся бесконтактнось, реализация без использования расходных материалов, высокая чувствительность к поверхностным трещинам, возможность контроля сложнопрофильных участков, например, резьбы с помощью специализированных вихретоковых преобразователей (ВТП).

Вместе с тем, потенциальные возможности ВК далеко не исчерпаны и он продолжает динамично развиваться. Можно отметить следующие пути развития вихретокового контроля:

• совершенствование ВТП за счет применения современных технологий изготовления чувствительных элементов, в том числе на основе новых физических принципов;

• применение современных высокоэффективных способов обработки вихретоковых сигналов, получаемых при сканировании ОК;

• применение вихретокового метода в комбинации с другими методами контроля для расширения области применения и улучшения соответствующих метрологических характеристик.

При необходимости сканирования ОК с поверхностью больших размеров, например, магистральных трубопроводов, корпусных элементов, планера летательных аппаратов и других объектов все большее применение находят матричные ВТП. Обычно они состоят из линейки одиночных ВТП и соединяются через мультиплексор с блоком регистрации сигналов и управления. Это позволяет получить ширину полосы сканирования равную длине линейки ВТП.

На рисунке 1.1 показаны матричные ВТП для сканирования плоских и цилиндрических ОК.

Рисунок 1.1- Матричные ВТП для контроля плоских (- а) и цилиндрических (- б) объектов

Для обеспечения приемлемой разрешающей способности матричных ВТП расстояние между его чувствительными элементами должно быть сопоставимо с шагом сканирования отдельным ВТП. Для снижения трудоемкости изготовления матричных ВТП в них используются катушки индуктивности, выполненные по технологии многослойных печатных плат. На рисунке 1.2 показаны катушки матричных ВТП, изготовленные по традиционной технологии и по технологии печатных плат.

oooooi

?

a)

ИИВь.

( • if. fi , щг тщг -

ЯШШШтшшш-

- - ИИИВ—н

•

6)

Рисунок 1.2 - Катушки матричных ВТП: а - намотанные проводом; б - выполненные по технологии печатных плат

Матричные ВТП по технологии печатных плат могут быть выполнены на гибкой подложке, что позволяет контролировать OK со сложной формой поверхности. На рисунке 1.3 приведен многоэлементный матричный ВТП (Eddy Current Array Probe), предназначенный для дефектоскопии шестерней [153].

Весьма перспективно применение для регистрации полей вихревых токов магниторезисторов с гигантским магнитным сопротивлением (ГМС-сенсоров). При этом возбуждающее магнитное поле создается катушкой индуктивности, относящейся только к одному или сразу нескольким чувствительным элементам.

25 mm (1") area coverage

High spatial resolution: 1 mm (0.040'r) coil size

Low coil-to-coil variations

High sensitivity 0.25 x 0.12 mm (0.010" x 0.005") crack detection

Conformable substrate

Real-time communication

-—и

......

fttei

Рисунок 1.3 - Матричный ВТП, выполненный по технологии печатных плат на гибкой подложке для контроля сложнопрофильной поверхности

Сущность эффекта ГМС иллюстрируется на рисунке 1.4 [153]. Здесь на непроводящей подложке находится многослойная тонкопленочная структура. Она состоит из слоя А, выполненного из электропроводящего немагнитного материала, и ферромагнитных слоев В. Их толщина составляет от нескольких десятков ангстрем до нескольких микрон. При отсутствии внешнего магнитного поля слои В намагничены встречно и сопротивление электрическому току С велико. В результате приложения внешнего поля в направлении Б слои В приобретают однонаправленную намагниченность, сопротивление электрическому току С уменьшается [65].

ГМС сенсоры изготавливаются в количестве сотен штук на одной подложке за один технологический цикл, что способствует высокой повторяемости их характеристик. Еще одно достоинство ГМС сенсоров - их малые размеры. В работе

[161] описан массив ГМС сенсоров, выполненных на одном кристалле. Массив состоит из 12 элементов, ширина каждого 5 мкм. Общая длина массива 80 мкм.

а) б)

Рисунок 1.4 - Эффект гигантского магнитосопротивления: А-проводящий немагнитный слой; В - слои из ферромагнитного материала;С -направление пропускаемого электрического тока; D - приложенное внешнее магнитное поле.

В качестве примера на рисунке 1.5 показана микрофотография ГМС сенсора АА002-02 производства NVE Corporation. Его размер составляет 350x1400 мкм. Сенсор имеет 4 элемента, которые включены по мостовой сх