ЭКСПРЕСС-СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ОТДЕЛЬНЫХ ЗОН ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2008 года по МПК G01R33/12 G01R27/02 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля (НК) деталей из токопроводящих материалов и может быть использовано в условиях производства, ремонта и эксплуатации машин и механизмов при неразрушающих измерениях остаточных напряжений (σ_ост) в поверхностном слое (ПС) деталей.

В настоящее время методов НК магнитной проницаемости (μ) и удельной электропроводности σ отдельных зон деталей не существует [1].

Недостатками существующих методов являются:

- методы разрушающие, трудоемкие и требуют сложного специального оборудования;

- значения μ и σ, полученные разрушением выборки деталей, принимаются одинаковыми при НК σ_ост для всех деталей контролируемой партии, т.е. не учитывают флюктуации напряженно-деформированного состояния (НДС) ПС изготовленных деталей. Особенно это важно при НК σ_ост эксплуатируемых деталей, когда флюктуации НДС ПС, зависящие от условий эксплуатации, могут быть значительными, что и вызывает флюктуации от детали к детали значений μ и σ, которые зависят от НДС [2].

Цель изобретения:

Предложить высокопроизводительный, количественный экспресс-способ НК величин μ и σ в отдельных зонах каждой детали контролируемой партии, где будут измеряться σ_ост.

Данная цель достигается следующим путем.

Из контролируемой партии отбирают несколько деталей, назначают зону контроля μ и σ, где будут измеряться σ_ост._{К этой зоне прикладывают датчик, магнитный поток которого при измерениях индуктивности пары датчик-деталь (lд) замыкается через материал зоны. Зная индуктивность датчика без деталей, когда его магнитный поток замыкается по воздуху (Lв), по аналогии отношений индуктивности соленоида с сердечникам к его индуктивности без сердечника [3] определяют условную магнитную проницаемость как μду=Lд/Lв.}

Из намеченной зоны вырезают электроэрозионным способом цилиндрический образец (сердечник соленоида) длиной l_обр более 5-ти его диаметров d_обр. На образец наматывают виток к витку катушку соленоида из электроизолированного провода до совпадения торцов катушки и образца и измеряют индуктивность катушки с образцом L_к.обр, удаляют образец из катушки, измеряют ее индуктивность на воздухе L_к.в. и рассчитывают магнитную проницаемость материала выбранной зоны μ_обр=L_к.обр/L_к.в..

Затем измеряют электросопротивление вырезанного образца R_обр и, зная его размеры, вычисляют удельную электропроводность материала зоны σ_обр=4l_обр/πR_обр(d_обр)².

Для НК μ намеченной зоны в остальных деталях контролируемой партии расчитывают поправочный коэффициент К_μ=μ_обр/μ_ду. После чего, прикладывают датчик к намеченной зоне остальных деталей контролируемой партии измеряют L_дi, затем рассчитывают условную магнитную проницаемость каждой i-й детали μ_дуi=L_дi/L_в и определяют магнитную проницаемость μ_дi=К_μμ_дуi.

Для НК удельной электропроводности в выбранной зоне каждой детали контролируемой партии измеряют поверхностное электросопротивление зон R_п в слое толщиной х, равный диаметру образца d_обр, на базе измерения, равной l_обр. Для этого частоту тест-сигнала ω вычисляют по формуле скин-эффекта ω=1/πx²μσ [4, 5], в которой х=d_обр, а величины μ и σ берут из значений, полученных ранее μ_обр и σ_обр. Тогда ω_обр=1/π(d_обр)²μ_обрσ_обр.

Измеряют поверхностное электросопротивление R_п в выбранной зоне детали на базе длиной l_обр толщиной d_обр, а ширину зоны правомерно считать равной по d_обр в каждую сторону от оси базы измерения R_п, т.е. 2d_обр. При этом принято, что скин-эффект одинаково проявляется как в глубину материала, так и в его ширину (ошибка учтется в поправочном коэффициенте). После чего рассчитывают условную удельную электропроводность материала выбранной зоны σ_у=l_обр/2R_п(d_обр)² и поправочный коэффициент К_σ=σ_обр/σ_у.

На остальных деталях партии (либо на деталях, находящихся в эксплуатации) в тех же зонах измеряют R_пi на той же базе l_обр и той же частоте ω_обр в тех же зонах, рассчитывают σ_yi и определяют удельную электропроводность зон в каждой i-й детали σ_iдет=К_σσ_yi.

Порядок работы

1. Из партии изготовленных или находящихся в изделиях идентичных деталей, подлежащих контролю, отбирают выборку деталей, достаточную для последующей статистической обработки результатов измерений с выбранной доверительной вероятностью, назначают зону контроля μ и σ, в которых планируется измерение σ_ост

2. Из намеченной зоны деталей выборки электроэрозионным методом вырезают цилиндрический образец длиной l_обр более 5-ти его диаметров d_обр.

3. На образец наматывают виток к витку катушку из электроизолированного провода до совпадения торцов катушки с торцами образца и измеряют индуктивность катушки с образцом L_к.обр

4. Удаляют без деформации катушку с образца и измеряют ее индуктивность на воздухе L_к.в.

5. Определяют магнитную проницаемость образца, вырезанного из намеченной зоны детали μ_обр=L_к.обр/L_к.в.

6. Измеряют электросопротивление образца R_п и, зная его размеры, вычисляют удельную электропроводность материала детали в зоне σ_обр=4l_обр/πR_обр(d_обр)².

7. Приложив датчик к контролируемой зоне, измеряют индуктивность датчика с деталью L_д, и, зная индуктивность датчика на воздухе (L_в), рассчитывают условную магнитную проницаемость детали в выбранной зоне μ_д.у=L_д/L_в.

8. Рассчитывают поправочный коэффициент К_μ=μ_обр/μ_ду.

9. Прикладывают датчик к тем же зонам остальных деталей контролируемой партии, измеряют L_дi, затем рассчитывают условную магнитную проницаемость каждой i-й детали μ_дуi=L_дi/L_в, после чего определяют магнитную проницаемость μ_дi=К_μμ_дуi.

10. В выбранной зоне каждой детали на базе, равной l_обр, и на частоте ω_обр=1/π(d_обр)²μ_обрσ_обр измеряют электросопротивление R_п в слое толщиной равной диаметру образца d_обр.

11. Рассчитывают условную удельную электропроводность материала контролируемой зоны σ_у=l_обр/2R_п(d_обр)².

12. Рассчитывают поправочный коэффициент К_σ=σ_обр/σ_у.

13. На остальных деталях партии (либо на деталях, находящихся в изделиях) измеряют R_п на базе l_обр и на той же частоте ω_обр в тех же зонах рассчитывают σ_yi и определяют удельную электропроводность зон i-х деталей партии σ_iд=К_σσ_уi.

Для измерения R_п на выбранных частотах тест-сигналов и измерения индуктивности L могут быть использованы измерители иммитанса типов LCR и Е7.

Применение способа позволяет:

- при выявлении внутренних дефектов в деталях или измерениях остаточных напряжений электрическим способом неразрушающего контроля [5] повысить точность координаты их расположения по глубине контролируемой детали;

- измерять остаточные напряжения и выявлять внутренние дефекты на деталях, находящихся в эксплуатируемых изделиях;

- повысить надежность эксплуатации изделий путем своевременной замены деталей, вышедших из ТУ по внутренним дефектам и остаточным напряжениям;

- по коэффициентам вариации μ_iд и σ_iд оценивать стабильность технологических процессов изготовления деталей и флюктуации технического состояния эксплуатируемых деталей в зависимости от условий их эксплуатации;

- повысить на (25-40)% экономическую эффективность производства и эксплуатации изделий машиностроения.

Источники информации

1. Кифер И.И. Испытание ферромагнитных материалов. - М.: «Энергия», 1969.

2. Мирошнеченко Ф.Д. Влияние пластической деформации на некоторые магнитные и электрические свойства никеля. - В кн.: Исследования по физике металлов и неразрушающим методам контроля. / Под ред. Н.С.Акулова. - Минск: Наука и техника, 1978, с.209-215.

3. Справочник радиолюбителя. P.M.Терещук, К.М.Терещук, А.Б.Чаплинский, Л.Б.Фукс, С.А.Серов. - Киев: «Наукова думка», 1967.

4. Физический энциклопедический словарь. - М.: "Советская энциклопедия", 1983, с.690-691.

5. Патент РФ №2256906 от 20.07.2005 г., Кочаров Э.А., Тараканов Ю.В. Способ электрического неразрушающего контроля токопроводящих материалов и устройство для его реализации.

Использование: для неразрушающего контроля магнитной проницаемости и удельной электропроводности отдельных зон деталей. Сущность: заключается в том, что осуществляют измерение индуктивности катушек с образцами L_к.обр в виде цилиндров длиной l_обр более пяти диаметров d_обр, удаляют катушки с образца и измеряют индуктивности катушек на воздухе L_к.в, определяют магнитную проницаемость материала выбранной зоны μ_обр.=L_к.обр/L_к.в, измеряют электросопротивление образца R_обр и рассчитывают электропроводность σ его материала σ_обр.=4l_обр/πR_обр(d_обр)², при этом предварительно к отдельной зоне прикладывают датчик, измеряют индуктивность датчика с деталью L_д и, зная индуктивность датчика на воздухе L_в, рассчитывают условную магнитную проницаемость детали в выбранной зоне μ_д.у=L_д/L_в, рассчитывают поправочный коэффициент К_μ=μ_обр/μ_д.у, после чего прикладывают датчик к зонам остальных i-х деталей партии и измеряют L_дi, затем рассчитывают условную магнитную проницаемость зон каждой i-й детали партии μ_д.у.i=L_д.i,/L_в и определяют магнитную проницаемость μ_дi=μ_д.у.iК_μ, кроме того, в выбранной зоне целых деталей на базе, равной l_обр, и на частоте ω_обр=1/π(d_обр)²μ_обрσ_обр измеряют электросопротивление R_п в слое, толщиной равном d_обр, рассчитывают условную удельную электропроводность отдельной зоны σ_у=l_обр/2R_п(d_обр)² и поправочный коэффициент К_σ=σ_обр/σ_у, а для остальных деталей партии (либо на деталях находящихся в изделиях) в тех же зонах на базе l_обр и той же частоте ω_обр измеряют R_пi, рассчитывают σ_уi и определяют удельную электропроводность зон в каждой i-й детали σ_iд=К_σσ_уi. Технический результат: создание высокопроизводительного экспресс-способа определения магнитной проницаемости и удельной электропроводности отдельных зон деталей.

Экспресс-способ определения магнитной проницаемости и удельной электропроводности отдельных зон деталей, характеризующийся тем, что осуществляют вырезку электроэрозионным методом в выбранной зоне выборки деталей образцов-сердечников соленоидов в виде цилиндров длиной l_обр более пяти диаметров d_обр, наматывание на них виток к витку катушек из изолированного электропровода до совпадения торцов катушек с торцами сердечников, измерение индуктивности катушек с образцами L_к.обр, удаление катушек с образцов и измерение индуктивности катушек на воздухе L_к.в, определение магнитной проницаемости материала выбранной зоны μ_обр=L_к.обр/L_к.в, измерение электросопротивления образца R_обр и расчет электропроводности σ его материала σ_обр=4l_обр/πR_обр(d_обр)², при этом предварительно к отдельной зоне прикладывают датчик, измеряют индуктивность датчика с деталью L_д и, зная индуктивность датчика на воздухе L_в, рассчитывают условную магнитную проницаемость детали в выбранной зоне μ_д.у=L_д/L_в, рассчитывают поправочный коэффициент К_μ=μ_обр/μ_д.у, после чего прикладывают датчик к зонам остальных i-х деталей партии и измеряют L_дi, затем рассчитывают условную магнитную проницаемость зон каждой i-й детали партии μ_д.у.i=L_д.i,/L_в и определяют магнитную проницаемость μ_дi=μ_д.у.iК_μ, кроме того, в выбранной зоне целых деталей на базе, равной l_обр, и на частоте ω_обр=1/π(d_обр)²μ_обрσ_обр измеряют электросопротивление R_п в слое, толщиной равном d_обр, рассчитывают условную удельную электропроводность отдельной зоны σ_у=l_обр/2R_п(d_обр)² и поправочный коэффициент К_σ=σ_обр/σ_у, а для остальных деталей партии (либо на деталях находящихся в изделиях) в тех же зонах на базе l_обр и той же частоте ω_обр измеряют R_пi, рассчитывают σ_уi и определяют удельную электропроводность зон в каждой i-й детали σ_iд=К_σσ_уi.