УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА ДВИЖУЩЕГОСЯ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА Российский патент 2004 года по МПК G01N29/00 

Предлагаемое изобретение относится к методам исследования внутреннего строения материала с помощью ультразвуковых волн. Главным образом оно может быть использовано для контроля прочностных характеристик металлопроката (предела прочности и предела текучести) в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности.

Основным способом определения прочностных характеристик материалов (предела прочности и предела текучести) является разрушающие испытания [1], основанные на разрыве специальных образцов круглого, квадратного или иного сечения и регистрации кривой напряжение - деформация.

Недостатком такого способа определения прочностных характеристик является трудоемкость и дороговизна измерений и необходимость их выполнения на специальных образцах, изготовленных из материала изделия.

Известны акустические методы измерения прочностных характеристик материалов [2], основанные на измерении скорости распространения ультразвуковых волн и использовании установленных корреляционных зависимостей между прочностными характеристиками материала и скоростью распространения ультразвука. Такие корреляционные зависимости между пределом прочности и скоростью распространения продольной волны известны для чугуна [3] и некоторых марок стали [4]. Недостатком такого способа является невозможность его использования для контроля прочностных характеристик материала листового проката.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является устройство для измерения скоростей распространения упругих волн и акустической анизотропии в пластинах [5].

В состав известного устройства входит генератор высокочастотных электрических колебаний, два электромагнитно-акустических преобразователя (ЭМАП), каждый их которых состоит из плоской катушки индуктивности, расположенной параллельно поверхности изделия, и магнитной системы, последовательно соединенных усилителя высокой частоты, детектора, видеоусилителя, индикатора и генератора развертки, причем генератор высокочастотных электрических колебаний соединен с излучающей катушкой индуктивности первого ЭМАП, а приемная катушка индуктивности второго ЭМАП соединена со входом усилителя высокой частоты, а генератор развертки подключен к индикатору и генератору высокочастотных электрических колебаний (фиг.3).

Недостатком известного устройства является невозможность измерения прочностных характеристик материала листового проката в

динамическом режиме, так как его толщина неизвестна.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка устройства, позволяющего не только, как известное устройство, измерять скорость распространения ультразвуковой волны в пластине известной толщины, но и определять прочностные характеристики материала листового проката неизвестной толщины в динамическом режиме. Задача определения прочностных характеристик решается с учетом известных корреляционных зависимостей прочностных характеристик со скоростью распространения поперечной волны в материале листового проката.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, как и известное, содержит генератор высокочастотных электрических колебаний, два электромагнитно-акустических преобразователя (ЭМАП), каждый их которых состоит из плоской катушки индуктивности, расположенной параллельно поверхности изделия, и магнитной системы, последовательного соединения усилителя высокой частоты, детектора, видеоусилителя, индикатора и генератора развертки. Но в отличии от известного устройства в предлагаемом измерителе электромагнитно-акустические преобразователи установлены с одной стороны изделия, причем направление поляризации сдвиговых волн, излучаемых одним преобразователем, лежит в направлении прокатки листа, а вторым - перпендикулярно направлению прокатки, и дополнительно к выходу видеоусилителя подключены последовательно соединенные измеритель временных интервалов, делитель указанных временных интервалов и регистратор пределов прочности и предела текучести материала.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема измерителя, а на фиг.2 - временные диаграммы.

Предлагаемое устройство состоит из генератора высокочастотных электрических колебаний 1, двух электромагнитно-акустических преобразователей, каждый их которых состоит из плоской катушки индуктивности 2 и 3, расположенные параллельно поверхности листа 4, и магнитной системы 5, последовательного соединения усилителя высокой частоты 6, детектора 7, видеоусилителя 8 и индикатора 9, генератора развертки 10, измерителя временных интервалов 11, делителя 12 и регистратора пределов прочности и предела текучести материала 13, причем выход генератора высокочастотных электрических колебаний 1 и вход усилителя высокой частоты 6 соединены одновременно с катушками индуктивности 2 и 3, а второй вход индикатора 9 подключен к генератору развертки 10, соединенному с генератором высокочастотных электрических колебаний 1, измеритель временных интервалов 11 входом подключен к видеоусилителю 8 и индикатору 9, а выходом - к последовательной цепи из делителя временных интервалов 12 и регистратора 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Генератор высокочастотных электрических колебаний 1 подает импульс тока одновременно на обе катушки индуктивности 2 и 3 электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП). Катушки индуктивности 2 и 3 (сечение рабочих витков которых показано на фиг.1) и их магнитные системы 5 выполнены таким образом, что при взаимодействии магнитных полей вихревых токов, индуцируемых катушками в поверхностном слое металла листа 4, с магнитными полями постоянных магнитов 5 возбуждаются нормально к поверхности сдвиговые колебания со смещением частиц среды вдоль и поперек направления прокатки (указано на фиг.1 стрелкой и крестиком). Известно [6], что материал горячекатаного листового проката представляет собой ортотропно-анизотропную среду, причем скорость распространения сдвиговых колебаний в направлении толщины листа зависит от их поляризации, а максимальное различие наблюдается для волн, поляризованных в направлениях вдоль и поперек прокатки. Импульсы сдвиговых упругих волн, возбужденных каждым ЭМАП, распространяются перпендикулярно грани листа, отражаются от противоположной поверхности, возвращаются к передней грани и преобразуются катушками 2 и 3 в электрические сигналы, которые усиливаются усилителем 6 по высокой частоте, детектируются детектором 7, их огибающая дополнительно усиливается видео-усилителем 8 и поступает на индикатор 9 с разверткой типа “А”, создаваемой генератором развертки 10. Временная зависимость регистрируемых сигналов при отсутствии дефектов в изделии представлена на фиг.2. Здесь ЗИ - зондирующий импульс, 1 - донный сигнал сдвиговой волны с поляризацией вдоль прокатки, 2 - донный сигнал сдвиговой волны с поляризацией перпендикулярно направлению прокатки.

Измеритель временных интервалов 11 измеряет время от каждой посылки до приема первого (t₁) и второго (t₂) донных импульсов, причем

где V_t1 и V_t2 - скорости распространения сдвиговых волн с поляризациями вдоль и поперек прокатки, а H_х - неизвестная толщина листа в точке прозвучивания. Из соотношений (1) следует, что

Делитель 12 вычисляет отношение временных интервалов, сравнивает величину этого отношения с известными корреляционными зависимостями между пределом прочности, пределом текучести и соотношением скоростей сдвиговых волн в материале листа с поляризацией вдоль и поперек прокатки и отмечает значения предела прочности и предела текучести на регистраторе 13.

Аналоговые электронные устройства 1, 6, 7, 8, 9 и 10 являются стандартными для ультразвуковых дефектоскопов. Измеритель временных интервалов 11 может быть выполнен с помощью счетчиков импульсов высокочастотного генератора, как это сделано в [7], а делитель и регистратор проще всего выполнить с помощью ЭВМ. Электромагнитно-акустический преобразователь с возбуждением и приемом поляризованных сдвиговых волн можно изготовить в совмещенном варианте с общей катушкой индуктивности аналогично [8], или в раздельно-совмещенном варианте с раздельными излучающей и приемной катушками индуктивности согласно [9].

Предложенное устройство опробовано в работе совместно с автоматизированной установкой для контроля листового проката из трубных марок сталей Х65, 17Г1СУ, 10Г2ФБЮ в цехе ОАО "Северсталь", г.Колпино. Для этих марок сталей получена близкая к линейной зависимость прочностных характеристик (предела прочности и предела текучести), определенных штатным методом разрывных испытаний [1] и соотношением скоростей распространения поперечных волн с поляризацией вдоль и поперек прокатки.

Литература

1. Шулаев И.Л. Контроль в производстве черных металлов. М.: Металлургия, 1978.

2. Ботаки А.А., Ульянов В.Л., Шарко А.В. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1983.

3. Воронкова Л.В. Ультразвуковой контроль чугунных отливок. М.: МГТУ, 1998.

4. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Н. Скорость звука и структура сталей и сплавов. Новосибирск: Наука, 1996.

5. Никифоренко Ж.Г. Измеритель свойств листового проката. Дефектоскопия, 1973, №6, с.86-95.

6. Амбарцумян С.А. Теория анизотропных пластин. М.: Наука, 1967.

7. Аббакумов К.Е., Добротин Д.Д., Паврос С.К., Топунов А.В. Устройство для измерения толщины движущихся изделий. АС СССР, №1481595, БИ №19, 1989 (23.05.89).

8. Неразрушающий контроль, под. ред. В.В.Сухорукова. Т. 2. Акустические методы контроля /И.Н.Ермолов, Н.П.Алешин, А.И.Потапов/ М.: Высшая школа, 1991.

9. Суркова Н.В. Электромагнитно-акустический дефектоскоп. АС СССР №1511675, Кл. G 01 a 29/04, Опубл. 30.09.1989, БИ №6.

Изобретение относится к методам исследования внутреннего строения материала с помощью ультразвуковых волн. Устройство для ультразвукового контроля прочностных характеристик материалов в динамическом режиме содержит генератор высокочастотных электрических колебаний, два электромагнитно-акустических преобразователя, каждый из которых состоит из плоской катушки индуктивности, расположенной параллельно поверхности изделия, и магнитной системы, последовательно соединенных усилителя высокой частоты, детектора, видеоусилителя, индикатора и генератора развертки, причем второй вход индикатора подключен к генератору развертки, соединенному с генератором высокочастотных электрических колебаний. Оба электромагнитно-акустических преобразователя установлены с одной стороны контролируемого изделия, причем направление поляризации одного электромагнитно-акустического преобразователя совпадает с направлением прокатки, а второго - перпендикулярно ему, и дополнительно к выходу видеоусилителя подключена последовательная цепь из измерителя временных интервалов, делителя указанных временных интервалов и регистратора. Данное изобретение позволяет определять прочностные характеристики материала листового проката неизвестной толщины в динамическом режиме. 3 ил.

Устройство для ультразвукового контроля прочностных характеристик материалов в динамическом режиме, содержащее генератор высокочастотных электрических колебаний, два электромагнитно-акустических преобразователя, каждый из которых состоит из плоской катушки индуктивности, расположенной параллельно поверхности изделия, и магнитной системы, последовательно соединенных усилителя высокой частоты, детектора, видеоусилителя, индикатора и генератора развертки, причем второй вход индикатора подключен к генератору развертки, соединенному с генератором высокочастотных электрических колебаний, отличающееся тем, что оба электромагнитно-акустических преобразователя установлены с одной стороны контролируемого изделия, причем направление поляризации одного электромагнитно-акустического преобразователя совпадает с направлением прокатки, а второго - перпендикулярно ему, и дополнительно к выходу видеоусилителя подключена последовательная цепь из измерителя временных интервалов, делителя указанных временных интервалов и регистратора.