5. Вывод к главе 1

На сегодняшний день пружины широко используются практически во всех отраслях промышленности (автомобильная промышленность, приборостроение, железнодорожная промышленность, авиастроение и другие), и от состояния пружин напрямую зависит работоспособность той или иной конструкции. Именно поэтому к качеству пружин предъявляются серьезные требования, особенно для пружин ответственного назначения.

Пружины контролируют по многим параметрам: высота пружины, наружный либо внутренний диаметр, количество витков, равномерность шага, наличие дефектов металла и другие.

Для дефектоскопии пружин используют следующие методы неразрушающего контроля:

• визуально-оптический метод;

• магнитно-порошковый метод;

• метод люминесцентной дефектоскопии;

• электромагнитно-акустический метод;

Данные методы позволяют не только определить наличие трещин, волосовин, закатов и других поверхностных дефектов, но и оценить с помощью электромагнитно-акустического метода напряженно-деформированные состояния и структуру металла пружины. Поэтому из всех методов дефектоскопии пружин перспективным направлением является развитие электромагнитно-акустического метода контроля.

К другим преимуществам электромагнитно-акустического метода относятся:

• возможность проведения контроля без использования контактной жидкости, а так же возможность работать с загрязнёнными материалами и материалами с поверхностным покрытием;

• возможность проводить контроль при высоких температурах;

• возможность автоматизации контроля;

Глава 2 Теоретические исследования

1. Электромагнитно-акустическое преобразование

Электромагнитно-акустическое преобразование – это превращение части энергии электромагнитных волн на границе проводника в энергию упругих колебаний той же или кратных частот. Характеристиками преобразования служат амплитуда возбуждаемого ультразвука и эффективность преобразования, определяемая отношением потоков энергий в упругой и электромагнитных волнах. Для генерации ультразвука необходимо создавать поле подмагничивания B₀. В случае генерации продольного ультразвука вектор B₀ направляют вдоль границы проводника (рисунок 2, а), а в случае генерации поперечного ультразвука по нормали к ней (рисунок 2, б). Электромагнитное поле создаётся катушками индуктивности, расположенными вблизи поверхности. Преобразователем электромагнитной и упругой энергий в задачах электромагнитно-акустического преобразования выступает собственно приповерхностный слой проводника. Формируя различные конфигурации B₀ и электромагнитных полей у поверхности проводника (рисунок 3), можно возбуждать в нём не только объёмные упругие волны, распространяющиеся под любым углом к поверхности, но и различные типы поверхностных акустических волн[19].

Рисунок 2 Схема стандартного расположения источников полей относительно границы металла

(а – возбуждение продольного ультразвука, б – возбуждение поперечного ультразвука, волнистыми стрелками обозначены направления распространения упругих волн, двусторонними - колебания частиц в волне, N и S- полюсы постоянного магнита)

Основой теоретического исследования электромагнитно-акустического преобразования служит связанная система уравнений теории упругости и уравнений Максвелла, описывающая возбуждение, взаимодействие и распространение в проводящих средах электромагнитных и акустических колебаний [19].

Электромагнитно-акустический способ излучения и приема ультразвука основан на трех эффектах взаимодействия электромагнитного поля с веществом: магнитострикции, магнитного и электродинамического взаимодействия [9].

Рисунок 3 Различные конфигурации поля подмагничивания и электромагнитных полей

(а - некоторые типы катушек индуктивности, б - распределения переменного тока в скин-слое, в - вызываемые индукционным механизмом поля упругих смещений).

Магнитострикция – это явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объём и линейные размеры изменяются. Таким образом, при воздействии на объект переменным магнитным полем, возможно возбуждение в нем упругих колебаний [22].

Магнитное взаимодействие основано на взаимодействии токов в катушке и токов, индуцированных в объекте. Взаимодействуя с переменным током катушки, индуцированный ток будет то отталкиваться, то притягиваться к катушке (в зависимости от направления токов), тем самым создавая упругие колебания в объекте.

Электродинамический механизм взаимодействия основан на явлении влияния постоянного магнитного поля на электрический ток. Под действием электромагнитной волны в металле наводится переменный ток j, сосредоточенный у его поверхности. Взаимодействие этого тока с постоянным магнитным полем приводит к появлению силы F = [j B₀]/c, действующей на электроны и передающейся через столкновения решётке. Амплитуда возбуждаемого ультразвука при этом пропорциональна B_0, напряженности магнитного поля, и j, силе тока в катушке, и обратно пропорциональна скорости ультразвука [19].

Электромагнитно-акустическим способом реализуются все известные методы контроля – теневой, зеркально – теневой , эхо метод , эхо – сквозной, дифракционно - временной и др. Наиболее сложные проблемы имеют место при использовании эхо метода контроля .

Особенно эффективно использование электромагнитно-акустического способа при применении волн Рэлея и нормальных волн.

Установлено также, что плотно прилегающая окалина не мешает проведению контроля. Наоборот, будучи диэлектриком и обладая хорошими магнитными свойствами, окалина усиливает электромагнитную связь электромагнитно-акустического преобразователя с поверхностью ОК. Однако кусочки свободной отслаивающейся окалины, попадающие в зазор между преобразователем и объектом контроля, способны создать помехи. Под влиянием электромагнитного импульса и поляризующего магнитного поля они испытывают упругую деформацию. Возбуждаются механические колебания, которые могут быть приняты вместе с полезным сигналом, будучи с ним в существенной мере когерентными [21].

Возбуждение поперечных волн в витке пружины реализуется следующим образом (рисунок 4). Генератор высокочастотных импульсов подает на катушку возбуждения электрические импульсы, катушка возбуждает в витке пружины вихревые токи, которые взаимодействуя с постоянным магнитным полем, возбуждают в объекте контроля силы Ампера, которые в свою очередь вызывают упругие колебания частиц материала.

Рисунок 4 Возбуждение поперечных волн в витке пружины

( глубина проникновения вихревых токов, – сила Ампера, вектор магнитной индукции, направление вихревых токов, направление тока в катушке, направление распространения поперечной волны, постоянные магниты).