Исследование вихретокотеплового метода дефектоскопии электропроводящих изделий и разработка средств неразрушающего контроля их качества

Для задач неразрушающего контроля (НК) параметров металлических изделий наиболее широко применяются радиационные, тепловые, ультразвуковые, вихретоковые и магнитные методы и приборы. Однако эти методы имеют существенные ограничения особенно при дефектоскопии многослойных, тонколистовых и ферромагнитных изделий, композитных материалов, качества клеевых соединений и др.

Так, радиационные методы требуют создания биологической защиты, не выявляют расслоения, неприменимы для контроля физико-механических параметров (ФМП) — ультразвуковые методы в основномконтактные их применение затруднительно для контроля тонкостенных, корродированных, неоднородных изделий, тонких металлических покрытий, межлистовых коррозии и др. дефектов.

Магнитные методы применимы только к ферромагнитным материалам, параметры которых обладают сильной зависимостью от влияния многих факторов: химического состава, деформации, структуры, магнитной неоднородности материала и т. д.

Возможности вихретокового метода (ВТ) контроля изделий из ферромагнитных материалов также ограничены разбросом магнитных характеристик и сильным влиянием многих мешающих факторов, так, например, для тонких листов этот вид контроля не позволяет получить раздельную информацию о толщине и электрической проводимости.

Что же касается контроля ФМП материалов и изделий, то применяемые с этой целью в настоящее время физические виды РЖ, а также их совокупность далеко не всегда обеспечивают решение задач практики, поэтому выявление новых корреляционных связей, особенно на иной физической основе, представляет несомненный интерес.

Для решения задач толщинометрии и контроля ФМП весьма перспективен тепловой метод НК, который применим как к немагнитным, так и к ферромагнитным материалам.

Сравнение потенциальных возможностей основных физических методов контроля выявило многие преимущества и достоинства теплового метода НК. Информативными параметрами этого вида НК являются теплофизические свойства материала, например, теплоемкость, стабильность которых очень высока.

Кроме того, тепловой вид контроля может быть применен для решения выше указанных специфических задач НК, решение которых другими методами либо затруднено, либо принципиально невозможно.

Однако применение теплового вида НК, в основном, ограничено задачами дефектоскопии, в то время как контроль геометрических размеров и ФМП не получил распространения.

Причина этого — низкие метрологические характеристики применяемых тепловых методов и средств, обусловленные, в частности, сильным влиянием неоднородностей поверхности объектов контроля (ОК), ее геометрических размеров и формы.

Целью настоящей диссертационной работы является дальнейшее развитие и разработка нового комбинированного вихретоко-теплового (ВТТ) метода НК для решения задач дефектоскопии широкого класса металлических и композиционных метериалов и их соединений, создание портативных приборов с улучшенными метрологическими характеристиками.

При ВТТ-методе НК происходит импульсное возбуждение электромагнитным полем ВТП теплового процесса в ОК, получение теплового отклика приповерхностным тепловым преобразователем во время и после теплового воздействия, извлечение из него амплитудно-временной информации с целью решения различных задач дефектоскопии — определения коррозии, утонения, качества соединения, расслоения, ФМП изделий и др.

ВТТ-метод это комбинированный метод НК, т.к. во-первых тепловой процесс при индукционном нагреве вихревыми токами в общем случае определяется совокупностью как тепловых, так и электрофизических параметров ОК, во-вторых, ВТТ метод дает возможность получения совокупной информации, присущей как тепловому, так и ВТ методу НК, благодаря использованию двойного эффекта вихревых токов — теплового и электромагнитного.

Для достижения поставленной в данной работе цели были решены следующие основные задачи:

1. Обоснованы актуальность и определены основные направления разработки ВТТ метода и приборов НК.

2. Теоретически и экспериментально исследованы возможности использования ВТТ метода НК и возникающих процессов нестационарной теплопроводности для дефектоскопии, толщинометрии и контроля ФМП металлических и многослойных изделий.

3. Исследованы особенности температурных полей, возбуждаемых различными видами импульсов теплового поля, с учетом физико-механических и тепловых хакактеристик изделий, и их геометрических параметров, дефектного состояния и особенностей режимов ВТТ метода НК.

4. Разработаны новые способы ВТТ дефектоскопии, принципы построения первичных преобразователей, структурные схемы приборов и блоков для реализации ВТТ метода, созданы дефектоскопы с односторонним доступом для контроля тонких металлических изделий и для выявления коррозии, утонений, расслоений и дефектов в многослойных изделиях, контроля ФМП и толщины различных изделий с грубой поверхностью.

Методы исследования •.

При решении поставленных задач использовались методы решения нестационарных дифференциальных уравнений теплопроводности для определения температуры на поверхности изделий и внутри их с учетом влияния дефектов сплошности изделий, моделирование и расчет выполнялись с помощью программного конечноэлементного комплекса ANSYS, в процессе решения уравнений теплопроводности и электропроводности использовались функции Грина, прямое и обратное преобразование функций Бесселя и Лапласа, метод Кранка-Никольсона, обратный метод Эйлера, закон Фурье для 3-х направлений декартовой системы координат, методы оптимизации и математического моделирования.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментально, данными испытаний макетных модулей средств дефектоскопии на контрольных и эталонных образцах, а также сравнением результатов в упрощенных вариантах с данными других авторов проф. Шкарлета Ю. М., Жукова Н. П., Вавилова В. П., доц. Чернова JI.A. и Сергеевой И.В.

Научная новизна полученных в работе результатов:

• разработана математическая модель вихретокотеплового взаимодействия с дефектами сплошности в системе в матричной форме, на основании которой разработан программный комплекс ANSYS для анализа тепловых процессов и расчета термограмм при ВТТ методе дефектоскопии металоизделий;

• получен математический аппарат для расчета хронологических термограмм и выходных сигналов с учетом влияния дефектов и качества сцепления между металлической пластиной и диэлектрическим основанием, а также получены приближенные аналитические выражения для определения дефектов типа расслоения по изменению температуры на поверхности изделия;

• На основе решения задачи по расчету теплового процесса, возбуждаемого вихревыми токами в системе «электропроводящая пластина (покрытие) — диэлектрическое основание», получены интегральные выражения в пространственно-временной области для определения зависимости выходных сигналов и температуры пластины от обобщенных параметров, характерезующих геометрические величины системы, электро и теплофизические свойства материала изделия (Ьв, d*, ft2d*), при этом установлено, чо оптимальная область обобщенного зазора находятся в диапазоне: (0,1 — 0,2)<0,5- ширина контура (в) максимальной плотности вихревых токов находится в пределах Ь&bdquo- = — = (0,5 + 0,6) — максимальная температура.

RB нагрева достигается при значениях обобщенного параметра fi2d, «Зг0.

• получены аналитические выражения для расчета нормированной температуры на поверхности металлоизделия в зависимости от обобщенного параметра времени гг at о — ~г2~)> теплофизических и электрофизических свойств материала, толщины листа и частоты тока возбуждения при различных видах импульсного теплового воздействия — 8(t) — функция Дирака, h (t) -функция Хевисайда и импульса конечной длительности и установлены закономерности их изменения- • разработаны эффективные способы вихретокотепловой дефектоскопии тонколистовых металлоизделий (и покрытий) при различных видах импульсного воздействия по максимуму температуры, времени его достижения и скорости измерения температуры. При этом показано, что при значениях обобщенного параметра времени F0>0,33 возможен селективный контроль утонения (коррозии) и изменения физико-механических параметров металлоизделия.

Практическая ценность и значимость результатов:

• разработаны алгоритмы и программы для расчета выходных сигналов ВТТП, оптимизации их конструкций и режимов контроля, а также построения новых вихретокотепловых средств дефектоскопии;

• разработаны новые эффективные способы вихретокотепловой дефектоскопии и селективного контроля геометрических и физико-механических параметров, на основе которых созданы компьютеризированные средства НК металлоизделий и импульсный ВТТ-ой дефектоскоп, обладающие высокими метрологическими характеристиками и позволяющие решать широкий круг практических задач — выявление коррозии, расслоений, дефектов сплошности, качества сцепления металла с диэлектриком, утонение металлопокрытий и др. дефекты.

Результаты диссертационной работы использовались в ФГУП «Российский НИИ космического приборостроения» и ГП «НИМИ» при разработке и испытаниях новых приборов, средств и методик неразрушающего контроля изделий специального назначения для космической и оборонной техники.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на VI, VII и VIII международных НТК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Сочи, 2003, 2004, 2005 гг.), на III и IV Международных НТК и выставках «Неразрушающий контроль и техническая диагностика и в промышленности» (г. Москва 2004, 2005 гг.) на НТК Московского Государственного Университета Приборостроения и Информатики в 2005 и 2006 г., НИИИН МНПО «Спектр».

По результатам диссертации опубликовано 8 научных статей общим объемом 30 стр. м.п. текста.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и библиографии из 106 источников. Материал диссертации изложен на 131 стр. м.п. текста и содержит 64 рисунка и иллюстраций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Предложена расчетная модель и теоретически исследован вихретокотепловой метод дефектоскопии тонкометаллических изделий и покрытий на диэлектрическом основании.

2. Используя функции Грина, прямое и обратное преобразование Бесселя и Лапласа для решения задачи по расчету теплового процесса, возбуждаемого вихревыми токами в системе «электропроводящая пластина на диэлектрическом основании», получены интегральные выражения в пространственно-временной области для определения зависимости температуры на поверхности пластины от обобщенных нормированных параметров, характеризующих электрофизические и теплофизические свойства материала и геометрические параметры изделия.

3. Получена математическая модель вихретокотеплового взаимодействия с дефектами сплошности металлических изделий в матричной форме, на основе которой разработан программный комплекс ANSYS для расчета тепловых процессов и хронологических термограмм.

4. Установлено, что оптимальная область нормированного зазора между ВТТП и ОК находится в диапазоне (0,l-i-0,2)<0,5 ширина контура (Ь) максимальной плотности вихревых токов на поверхности металлической пластины равна: = — ~ (0,5 ч-0,6) и уменьшается при увеличении.

RB толщины пластины (d) и максимальная температура нагрева пластины получается при значениях обобщенного параметра fi2d, = RBd6)/j0/jnan «3,0, что соответствует максимуму активной мощности, передаваемой из цепи возбуждения в ОК.

5. Получен математических аппарат для расчета в переходном режиме термограмм и выходных сигналов В. ТТП с учетом влияния дефектов между металлической пластиной и диэлектрическим основанием и качества сцепления (адгезии) между ними.

6. Определены аналитические выражения для расчета нормированной температуры в зависимости от обобщенного параметра и толщины пластины, частоты тока возбуждения, тепловфизических свойств материала и геометрических параметров при различных видах теплового воздействия — 5(1-)-функции Дирака Ь^-единичной функции Хевисайда и импульса конечной длительности и установлены закономерности их изменения.

7. Исследовано влияние неравномерности распределения вихревых токов по толщине ОК, конечной длительности фронта импульса тока возбуждения «краевого эффекта», зазора между ВТТП и ОК и других мешающих факторов на точность определения информативных параметров, введены соответствующие поправки, даны рекомендации по уменьшению их влияния и снижению погрешности.

8. Разработаны эффективные способы вихретокотепловой дефектоскопии тонколистовых металлоизделий и покрытий на диэлектрическом основании по максимуму температуры на поверхности, времени его достижения и скорости изменения температуры при переходных тепловых процессах.

9. Установлено, что при тепловом воздействии вида h (t) на ОК для cct t значений обобщенного параметра времени F0 = — <0,33 возможно d определение только коэффициента температуропроводности (а) и коррелированных с ним физикомеханических параметров, для F0>0,33 — возможен селективный контроль толщины металлоизделия (d) и температуропроводности, при F0=0,33 справедливо отношение температур Tj и Т2 в фиксированные моменты времени ti и t2 соответственно:" ^ =y//t' ~const.

10. Разработан алгоритм и структурная схема ВТТ метода селективного НК толщины, температуропроводности и удельной электрической проводности тонколистовых металлоизделий и покрытий.

11. Разработаны оптимальные конструкции ВТТП и компьютеризованная установка для дефектоскопии и контроля качества соединений тонколистовых металлоизделий и покрытий на диэлектрическом основании.

12. Разработан импульсный ВТТ-ой дефектоскоп для выявления дефектов сплошности, расслоений, внутренних коррозий и утонения тонколистовых изделий и покрытий с диэлектрическим основанием, многолистовых и многослойных изделий.

13. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических исследований, полученных выводов и закономерностей, а также практическую реализуемость предложенных способов и алгоритмов НК.

14. Разработанные алгоритмы, и программы, приборы и ВТТП прошли успешные испытания и использовались в ФГУП «Российском НИИ космического приборостроения» и ГП «НИМИ» при разработке новых средств контроля, испытаниях и доработки образцов изделий космической и> оборонной техники.