Спосіб вихрострумового контролю поверхневих шарів виробів із електропровідних матеріалів без руйнування

Реферат: Винахід належить до неруйнівного контролю методом вихрових струмів. Спосіб вихрострумового контролю поверхневих шарів виробів із електропровідних матеріалів без руйнування за допомогою генератора полягає у тому, що збуджують коло, в яке включена обмотка вихрострумового перетворювача, напругою високої частоти. Встановлюють вихрострумовий перетворювач на поверхню контрольованого виробу і визначають зміни інформативного параметра сигналу під час взаємодії обмотки вихрострумового перетворювача з контрольованим виробом, за якими визначають стан поверхневих шарів матеріалу контрольованого виробу. При цьому попередньо знаходять дві частоти збудження кола з обмоткою вихрострумового перетворювача, за яких відповідні фазові зсуви між сигналами на його вході і виході знаходяться на лінійній частині фазочастотної характеристики цього кола. Під час проведення контролю при встановленні вихрострумового перетворювача на поверхню контрольованого виробу послідовно встановлюють знайдені частоти збудження кола з обмоткою вихрострумового перетворювача. Визначають фазові зсуви між сигналами на вході і виході кола з обмоткою вихрострумового перетворювача для частот збудження, а також визначають різницю між визначеними фазовими зсувами, яку приймають як інформативний параметр. Технічним результатом є підвищення чутливості і достовірності контролю. UA 109234 C2 (12) UA 109234 C2 UA 109234 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до методів неруйнівного контролю методом вихрових струмів і може знайти застосування у авіації, машинобудуванні, енергетиці і хімічній промисловості, зокрема для визначення питомої електропровідності, структурного стану і пошкоджуваності матеріалу поверхневих шарів металевих виробів. Відомий спосіб вихрострумового контролю [1], який полягає в тому, що вихрострумовий перетворювач включають в резонансний контур автогенератора з від'ємним диференційним опором, сканують перетворювачем по контрольованому виробу і за зміною режиму автогенератора визначають наявність дефекту. Недоліком відомого способу є недостатня чутливість до структурних змін у тонких поверхневих шарах виробу, так як спосіб не дозволяє збільшувати робочі частоти. Крім того, відомий спосіб не дозволяє вимірювати параметри і ступінь дефектності поверхневих шарів. Найбільш близьким до запропонованого винаходу є вихрострумовий спосіб неруйнівного контролю металевих виробів [2], за якого вихрострумовий перетворювач включають у резонансний контур керованого автогенератора, попередньо встановлюють вихрострумовий перетворювач на бездефектний виріб і змінюють керуючу напругу до рівня, що відповідає зриву генерації, далі змінюють керуючу напругу, фіксують момент виникнення генерації і визначають пороговий рівень керуючої напруги, що відповідає виникненню генерації автогенератора при встановленні вихрострумового перетворювача на бездефектний виріб. Далі при встановленні вихрострумового перетворювача на контрольований виріб змінюють керуючу напругу, фіксують момент виникнення генерації і визначають пороговий рівень керуючої напруги, що відповідає виникненню генерації при встановленні вихрострумового перетворювача на контрольований виріб. Потім визначають різницю порогових рівнів, які відповідають виникненню генерації при встановленні вихрострумового перетворювача на бездефектний виріб і контрольований виріб, і за отриманою різницею роблять висновки про параметри поверхневого шару контрольованого виробу. Відомий спосіб дозволяє використовувати підвищені робочі частоти збудження обмотки вихрострумового перетворювача шляхом розміщення коливальної системи автогенератора поруч з обмоткою, що дозволяє контролювати поверхневі шари виробу. Недоліком відомого способу є недостатня чутливість і достовірність контролю поверхневих шарів контрольованого виробу через нестабільність граничного рівня керуючої напруги автогенератора. Це викликано нестабільністю режиму роботи автогенератора в області зриву генерації. Задача запропонованого способу - підвищення чутливості і достовірність контролю поверхневих шарів металевих виробів на підвищених частотах. Задача вирішується тим, що під час реалізації способу вихрострумового контролю поверхневих шарів виробів із електропровідних матеріалів без руйнування за допомогою генератора збуджують коло, в яке включена обмотка вихрострумового перетворювача, напругою високої частоти. Встановлюють вихрострумовий перетворювач на поверхню контрольованого виробу і визначають зміни інформативного параметра сигналу під час взаємодії обмотки вихрострумового перетворювача з контрольованим виробом, за якими визначають стан поверхневих шарів матеріалу контрольованого виробу. При цьому попередньо знаходять дві частоти f1 та f2 збудження кола з обмоткою вихрострумового перетворювача, за яких відповідні фазові зсуви 1 і 2 між сигналами на його вході і виході знаходяться на лінійній частині фазочастотної характеристики цього кола. Під час проведення контролю при встановленні вихрострумового перетворювача на поверхню контрольованого виробу послідовно встановлюють знайдені частоти f1 та f2 збудження кола з обмоткою вихрострумового перетворювача. Визначають фазові зсуви 1 і 2 між сигналами на вході і виході кола з обмоткою вихрострумового перетворювача для частот збудження f1 і f2, а також визначають різницю між визначеними фазовими зсувами i=2-1, отриману різницю i приймають як інформативний параметр. Коло з обмоткою вихрострумового перетворювача може бути виконано у вигляді ланки другого порядку. Вихрострумовий перетворювач можна попередньо встановлювати на поверхню зразків із матеріалу контрольованого виробу з різними параметрами поверхневого шару, встановленими методами прямого контролю з руйнуванням зразка. Далі визначити залежність інформативного параметра i від параметрів поверхневих шарів, яку використовувати для визначення параметрів поверхневого шару. На фіг. 1 представлено схему реалізації запропонованого способу: 1 - генератор, 2 - коло з включеною в нього обмоткою 3 вихрострумового перетворювача, 4 - контрольований виріб, 5 фазометр. 1 UA 109234 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 2 представлено варіант виконання кола з включеною в нього обмоткою вихрострумового перетворювача у вигляді ланки другого порядку. На фіг. 3 представлена фазочастотна залежність (f) ланки другого порядку за різної добротності Q, включеної в нього обмотки вихрострумового перетворювача. Розглянемо приклад реалізації запропонованого способу для випадку контролю виробів з титанових сплавів з метою виявлення газонасичених (альфованих) поверхневих шарів за допомогою високочастотних вихрострумових перетворювачів, які працюють в діапазоні частот вище 100 МГц. Такі поверхневі газонасичені шари утворюються при порушенні умов термічної обробки, мають менший поріг зародження тріщин і тріщиностійкість порівняно з основним матеріалом, що призводить до зменшення загального строку роботи виробу без руйнування. Зауважимо, що газонасичення поверхневих шарів титанових сплавів призводить до відповідних змін структури поверхневого шару (формується альфований шар) і зменшення їх питомої електричної провідності [3]. Для реалізації способу необхідно вхід кола 2 з обмоткою 3 вихрострумового перетворювача підключити до виходу генератора 1, вихідна частота якого може регулюватися, вихід кола 2 підключити до фазометра 5 (фіг. 1). Розглянемо випадок, коли обмотка вихрострумового перетворювача включена в коло у вигляді ланки другого порядку, яке складається з індуктивності Lвсп обмотки вихрострумового перетворювача і ємності С (фіг. 2). Фазочастотна залежність такої ланки, тобто залежність зміни фазового кута сигналу  на виході ланки відносно фазового кута сигналу на його вході (фазовий зсув) для різних значень добротності (Q2 >Q1) кола з обмоткою вихрострумового перетворювача представлена на фіг. 3. Фазочастотна залежність має лінійну ділянку, на якій буде реалізований запропонований спосіб. При цьому фазовий зсув залежить від частоти: на частоті f0 від дорівнює 90°, а на частотах f1 і f2 фазовий зсув 1 > 90° і 2 < 90° відповідно незалежно від значення добротності. Винахід здійснюється наступним чином. Вихрострумовий перетворювач встановлюють на поверхню зразка із титанового сплаву, в якому видалений газонасичений шар, таким чином, щоб його обмотка взаємодіяла з матеріалом. Приймемо, що добротність кола другого порядку за умови встановлення вихрострумового перетворювача на виріб із титанового сплаву за відсутності альфованого шару дорівнює Q1, що відповідає кривій 1 на фіг. 3. Попередньо подають на вхід кола з обмоткою (фіг. 2) синусоїдальну напругу різної частоти і знаходять дві частоти f1 та f2 збудження кола з обмоткою вихрострумового перетворювача, за яких відповідні фазові зсуви 1 і 2 між сигналами на вході і виході кола з обмоткою вихрострумового перетворювача знаходяться на лінійній частині фазочастотної характеристики цього кола (фіг. 3). Розглянемо випадок, коли f1 f0. Тоді для ланки другого порядку фазовий зсув на частотах f1 і f2 відповідає умові 1 > 90° і 2 < 90°, відповідно. При цьому шляхом вибору параметрів кола другого порядку (включаючи параметри обмотки вихрострумового перетворювача), досягають достатньо високого значення цих частот. В нашому випадку для виявлення тонких газонасичених шарів в титанових сплавах з різною питомою електропровідністю необхідно, щоб частота збудження обмотки вихрострумового перетворювача лежала в діапазоні від 100 до 400 МГц. Тому умовно приймемо для прикладу, що частота f0=200 МГц. Така частота відповідає середині лінійної ділянки фазочастотної характеристики. Тепер встановлюють спочатку частоту генератора 1 на частоту f1 f0 (наприклад 250 МГц) і визначають відповідний фазовий зсув 2. Визначають різницю між 0 0 0 фазовими зсувами  i= 2- 1, яка відповідає титановому сплаву без газонасиченого шару. Розглянемо випадок, коли постає завдання виявляти газонасичені шари товщиною більше 30 мкм і нехтувати газонасиченими шарами меншої товщини, які не несуть загрозу для надійної роботи виробу. Для цього із матеріалу контрольованого виробу виконують зразок, в якому відповідною термообробкою утворюють газонасичений шар товщиною 30 мкм. Реальну товщину газонасиченого шару на зразку визначають за стандартними методиками, наприклад, методом косих шліфів. Встановлюють вихрострумовий перетворювач на стандартний зразок із газонасиченим шаром, що відповідає порогу чутливості 30 мкм. Матеріал з газонасиченим шаром має меншу питому електричну провідність, що призводить до відповідної зміни добротності обмотки і кола другого порядку в цілому. Приймемо, що фазочастотна залежність при цьому буде відповідати кривій 2 на фіг. 3. Встановлюють спочатку частоту генератора 1 на частоту f1 f0 (в нашому прикладі 250 МГц) і визначають відповідний фазовий n n n зсув  2. Визначають різницю між фазовими зсувами 2= 2- 1, яка відповідає титановому 2 UA 109234 C2 5 10 15 20 25 сплаву з газонасиченим шаром товщиною 30 мкм. В процесі контролю встановлюють вихрострумовий перетворювач на поверхню контрольованого виробу. Вимірюють відповідно параметр i=2-1 по процедурі, аналогічній описані вище під час встановлення перетворювача на зразки. Якщо, під час проведення контролю при встановленні 0 вихрострумового перетворювача відповідне значення фазового зсуву i= i вважаємо, що в поверхневому шарі газонасичений шар відсутній. Якщо під час проведення контролю при встановленні вихрострумового перетворювача на контрольований виріб відповідне значення n n фазового зсуву i > 2= 1- 2 вважаємо, що в поверхневому шарі є газонасичений шар товщиною більше 30 мкм. Аналогічно спосіб реалізують у випадку кількісного контролю з визначенням товщини газонасиченого поверхневого шару. Для цього необхідно визначити залежність інформативного параметра i від товщини газонасиченого шару для титанового сплаву, ідентичного сплаву, з якого виготовлений контрольований виріб. Отриману залежність можна використовувати для оцінки товщини газонасичених шарів. Застосування запропонованого способу дозволить підвищити чутливість і достовірність контролю, який побудовано на змінах питомої електропровідності поверхневих шарів металевих виробів, викликаних поверхневими дефектами або структурними змінами. Крім контролю газонасичених шарів запропонований спосіб може використовуватись для оцінки параметрів алітованих шарів на виробах (наприклад, лопатках) із жаростійких сплавів, виявлення шліфованих припалювань тощо. Джерела інформації: 1. Вихретоковый способ неразрушающего контроля металлических изделий. А.с. № 903755 СССР, МКИ G 01N 27/90. /А.И. Меркулов, Ю.В. Пшеничников, В.Е. Шатерников. Бюл. № 5, 1982 г. 2. Способ вихретокового контроля тонких поверхностных слоев. А.с. № 1663525 СССР, МКИ G 01 N 27/90. /В.Н. Учанин, Н.П. Калинин, Ю.С. Грабский. Бюл. № 26, 1991. 3. Вихретоковый высокочастотный структуроскоп для выявления газонасыщенных слоев изделий из титановых сплавов /В.Н. Учанин, Н.П. Калинин, В.Н. Зыбов, Ю.С. Грабский //Техническая диагностика и неразрушающий контроль.-1989. - № 4. - С. 68-71. 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 1. Спосіб вихрострумового контролю поверхневих шарів виробів із електропровідних матеріалів без руйнування, при якому за допомогою генератора збуджують коло, в яке включена обмотка вихрострумового перетворювача, напругою високої частоти, встановлюють вихрострумовий перетворювач на поверхню контрольованого виробу, визначають зміни інформативного параметра сигналу під час взаємодії обмотки вихрострумового перетворювача з контрольованим виробом, за якими визначають стан поверхневих шарів матеріалу контрольованого виробу, який відрізняється тим, що попередньо знаходять дві частоти f1 та f2 збудження кола з обмоткою вихрострумового перетворювача, за яких відповідні фазові зсуви 1 і 2 між сигналами на його вході і виході знаходяться на лінійної частині фазочастотної характеристики цього кола, під час проведення контролю при встановленні вихрострумового перетворювача на поверхню контрольованого виробу послідовно встановлюють знайдені частоти f1 та f2 збудження кола з обмоткою вихрострумового перетворювача, визначають фазові зсуви 1 і 2 між сигналами на вході і виході кола з обмоткою вихрострумового перетворювача для частот збудження f1 і f2, визначають різницю між визначеними фазовими зсувами i=2-1 і отриману різницю i приймають як інформативний параметр. 2. Спосіб за п. 1, при якому коло з обмоткою вихрострумового перетворювача виконують у вигляді кола другого порядку. 3. Спосіб за п. 1, при якому вихрострумовий перетворювач попередньо встановлюють на поверхню зразків із матеріалу контрольованого виробу з різними параметрами поверхневого шару, встановленими методами прямого контролю з руйнуванням частини зразка, визначають залежність інформативного параметра i від параметрів поверхневих шарів, яку використовують для визначення параметрів поверхневого шару. 3 UA 109234 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4