Магнитошумовой преобразователь для контроля усталостных трещин

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МАГНИТОШУМОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНТРОЛЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Бусько Валерий Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Магнитошумовой преобразователь для контроля усталостных трещин, содержащий узел защемления образца, магнитопровод, упругий элемент, намагничивающую и измерительную катушки, отличающийся тем, что магнитопровод является составным, имеет Г-образную форму, одним из полюсов которого является элемент узла защемления образца, второй полюс устанавливается на поверхность образца, причем узел защемления образца состоит из двух частей, верхняя часть выполнена из ферромагнитного материала,нижняя часть из немагнитного, между составным магнитопроводом Г-образной формы и верхней ферромагнитной частью узла защемления образца расположен второй упругий элемент, изготовленный из ферромагнитного материала.(56) 1. А.с. СССР 634188, МПК 01 27/86, 1978. 2. Гришаков С.В., Ковалев А.И. Оценка напряжений и повреждений в ферромагнитных материалах методом магнитных шумов.- Киев Наукова думка, 1991.- 168 с. 3. Патент РБ на полезную модель 2113, МПК 01 27/72, 2005. 4. А.с. СССР 1073688, МПК 01 27/83, 1984. 54732009.08.30 Полезная модель относится к области неразрушающего контроля (НК) ферромагнитных металлов и их сплавов и может быть использована для испытаний, контроля и диагностики выявления и развития усталостных трещин в образцах прямоугольного сечения при мало- и многоцикловой усталости с целью прогнозирования долговечности и усталостного разрушения металла. Известны различные типы магнитошумовых преобразователей для исследования физико-механических свойств ферромагнитных образцов, основанные на использовании эффекта Баркгаузена. Известна типовая классическая схема магнитошумового преобразователя, предназначенного для структуроскопии и контроля физико-механического состояния ферромагнитных материалов и изделий. Преобразователь содержит П-образный массивный магнитопровод для создания в образце магнитного поля, обхватывающую его намагничивающую обмотку и индикаторную катушку накладного типа, расположенную симметрично между полюсами магнитопровода и плотно прилегающую к поверхности изделия,плоскость расположения витков которой параллельна плоскости расположения полюсов магнитопровода 1, 2. Недостатком конструкции таких преобразователей является невозможность использовать их для исследования усталостных трещин в области шейки образца, где, как известно, образуется дефектная зона с трещинами. Наличие корпуса преобразователя с размещенным в нем магнитопроводом П-образной формы, имеющим два массивных полюса с расположенной между ними индикаторной катушкой, практически не позволяет устанавливать индикаторную катушку в зоне шейки образца. Известен магнитошумовой преобразователь, который содержит двухполюсной приставной П-образный магнитопровод с охватывающей в его средней части намагничивающей катушкой для создания магнитного поля в ферромагнитном изделии, индикаторную катушку, расположенную между полюсами магнитопровода, два постоянных магнита для фиксации магнитошумового преобразователя на изделии, измерительный блок 3. Однако использование такого преобразователя для исследования и контроля усталостных трещин в зоне шейки образца возможно только на образцах значительных габаритов и размеров,что является очень неудобным из-за отсутствия или дороговизны специально предназначенных для решения исследовательских задач стационарных стендов и установок. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является изобретение, согласно которому магнитошумовой преобразователь содержит П-образный магнитопровод с намагничивающей обмоткой и измерительной, расположенной между полюсами магнитопровода, сменные полюсные наконечники, выполненные из ферромагнитных материалов с различной магнитной проницаемостью, измерительный блок 4. Несмотря на использование сменных полюсных наконечников, позволяющих значительно увеличить эффективность создания магнитного поля в исследуемом образце и тем самым снизить габариты магнитопровода и сечение его полюсов, наличие двух полюсов магнитопровода также не позволяет приблизить измерительную катушку максимально близко к зоне защемления образца. Кроме того, при измерении уровня магнитного шума (МШ) из-за невозможности располагать индикаторную катушку в зоне шейки образца необходимо после каждого цикла сначала снимать, а затем опять устанавливать образец в узле защемления, т.е. при проведении циклирования образца и исследовании его на мало- и многоцикловую усталость необходимо каждый раз его переустанавливать. Это приводит к резкому снижению точности выявления и достоверности исследования дефектной зоны, а также низкой производительности контроля. Аналогичные недостатки присущи и другим магнитошумовым преобразователям подобного типа. В предлагаемой полезной модели решается задача повышения точности, достоверности испытания, производительности, а также расширения функциональных возможностей магнитошумовых преобразователей при исследовании усталостных трещин в плоских образцах наиболее удобных формы и размеров. 2 54732009.08.30 Сущность предлагаемого магнитошумового преобразователя для контроля усталостных трещин заключается в том, что он содержит узел защемления образца, магнитопровод, упругий элемент, намагничивающую и измерительную катушки, а для обеспечения возможности регистрации и выявления усталостных трещин в образце, расположенных в непосредственной близости от точки его защемления, используется составной магнитопровод Г-образной формы, одним из составных элементов которого и одновременно полюсом электромагнита является верхняя часть узла защемления испытуемого образца, выполненная из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Второй полюс составного магнитопровода располагается непосредственно на поверхности образца. Образуемая таким образом замкнутая магнитная цепь, состоящая из звена узел защемления - Г-образный магнитопровод-образец, позволяет регистрировать скачки намагниченности в зоне, непосредственно примыкающей к точке защемления образца при, использовании консольной схемы создания изгибных напряжений в образце. Для обеспечения постоянного магнитного контакта в целях постоянства магнитного потока в Г-образном магнитопроводе магнитошумового преобразователя между ферромагнитным элементом узла защемления и магнитопроводом используется упругий элемент, выполненный из ферромагнитного материала или магнитной резины. Выполнение в нижней части узла защемления образца из немагнитного материала за счет снижения эффекта рассеяния магнитного потока позволит повысить эффективность перемагничивания контролируемого участка образца. Использование механического или электромагнитного устройства для создания в образце знакопеременных изгибных напряжений, а также двух упругих элементов позволят повысить эффективность работы установки для контроля усталостных трещин. Применение такой схемы возбуждения магнитного поля рассеяния на поверхности контролируемого образца, в которой в качестве одного из магнитопроводов используется ферромагнитный узел защемления образца, позволяет проводить динамический контроль усталостных трещин, образующихся вблизи точки защемления образца, непосредственно во время проведения циклических испытаний, т.е. в реальном масштабе времени, не снимая каждый раз образец при изгибных испытаниях перед измерениями магнитного шума. Таким образом, с помощью использования в магнитошумовом преобразователе составного магнитопровода появляется возможность располагать преобразователь практически в зоне появления трещин при проведении усталостных испытаний плоских образцов. Применение такого магнитопровода обеспечивает доступ измерительной катушки преобразователя в зону появления усталостной трещины. С помощью использования составного Г-образного магнитопровода решается основная техническая задача - повышаются точность и достоверность, а также производительность испытаний плоских образцов, а также значительно расширяются функциональные возможности магнитошумовых преобразователей. Представлена схема магнитошумового преобразователя для контроля усталостных трещин фиг. 1 - вид сбоку, фиг. 2 - вид сверху. Магнитошумовой преобразователь для контроля усталостных трещин (см. фиг.) содержит стальную станину 1, на которой закреплен узел защемления 2 исследуемого образца. В свою очередь, узел защемления 2 состоит из двух частей верхняя часть 3 состоит из ферромагнитного материала с высокими магнитными свойствами, а нижняя 4 - из немагнитного материала. Составной магнитопровод Г-образной формы 5 закрепляется с помощью винта или болта 6 на верхней части узла защемления 2. Для обеспечения постоянства магнитного контакта между магнитопроводом 5 и верхней частью 3 узла защемления 2 располагается упругий элемент 7, выполненный из ферромагнитного материала. Образец 8 в узле защемления 2 фиксируется с помощью четырех винтов или болтов 9. Преобразователь также содержит намагничивающую катушку 10 для создания магнитного поля в образце 8, которая питается от источника переменного тока 11, а также измерительную катушку 12, сигнал для анализа от которой поступает в измерительный блок 13. Механическое или электромагнитное устройство 14 обеспечивает циклические колебания незащемленного конца образца 8 в направлении вверх-вниз, которые приводят в 3 54732009.08.30 конечном итоге к возникновению усталостных трещин в зоне шейки образца 8. Для обеспечения постоянного прижима измерительной катушки 12 к поверхности образца 8 преобразователь содержит второй упругий элемент 15, который одновременно компенсирует возможные действия вибрации и микроизгиба образца 8 в результате его циклических нагружений. Магнитошумовой преобразователь размещен в корпусе 16. Магнитошумовой преобразователь работает следующим образом. Испытуемый ферромагнитный образец 8 (см. фиг.), изготовленный по специальной форме и размеру в соответствии с ГОСТ 25 502-79, закрепляют в узле защемления 2, нижняя часть 4 которого изготовлена из дуралюминия, а верхняя 3 - из магнитомягкой стали,и с помощью четырех винтов или болтов 9 зажимают образец в узле защемления 2. С помощью винта или болта 6 к ферромагнитной части 3 узла защемления 2 закрепляют элемент Г-образного магнитопровода 5 для создания в межполюсном пространстве на поверхности образца магнитного поля рассеяния и устанавливают упругий элемент 7. На Г-образном магнитопроводе 5 для создания переменного магнитного поля в исследуемом участке образца 8 установлена намагничивающая катушка 10, питающаяся от источника переменного тока 11 для создания в образце 8 магнитного поля, которая охватывает элемент магнитопровода 5. Второй полюс Г-образного магнитопровода 5 устанавливается на поверхность образца 8. В межполюсном пространстве преобразователя на поверхности образца 8 в зоне шейки для обнаружения, исследования и контроля усталостной трещины расположена измерительная катушка 12, которая благодаря расположенному над ней второму упругому элементу 15 позволяет выдерживать постоянный прижим между измерительной катушкой 12 и поверхностью образца 8 и одновременно компенсировать действия возможных вибрации и микроизгиба образца в результате его циклических нагружений. Незащемленный конец образца 8 с помощью устройства 14, представляющего собой механическую или электромагнитную систему для изгиба свободного конца образца 8, начинает колебаться в направлении вверх-вниз, совершая тем самым механические знакопеременные колебания конца образца 8. В результате многоцикловых испытаний образца 8 в зоне его шейки при достижении определенного числа циклов нагружения возникают усталостные трещины, регистрируемые измерительной катушкой 12, а размер усталостных трещин оценивают с помощью измерительного блока 13. Преобразователь помещен в корпус 16. В результате циклических колебаний конца контролируемого образца 8 вблизи зоны защемления образца после достижения определенного количества циклов нагружения возникают микротрещины, изменяются физико-механические характеристики образца, которые могут быть зарегистрированы измерительным прибором. Для повышения эффективности работы преобразователя верхнюю часть узла защемления необходимо изготовить из ферромагнитного материала, обладающего высокими магнитными характеристиками (высокими индукцией насыщенияи магнитной проницаемостью ), например из армко-железа, технически чистого железа, железо-кобальтовых сплавов и т.д. Наиболее эффективным материалом для изготовления верхней составной части магнитопровода является магнитомягкий феррит с высокой , обладающий по сравнению со сталью низкими потерями на вихревые токи, возникающие в ферромагнетике при перемагничивании образца полем переменной частоты. Это позволяет а) минимизировать размеры полюсов магнитопровода б) увеличить чувствительность к изменению МШ в зоне усталостной трещины образца за счет значительного отличия спектра собственных шумов феррита от спектра МШ образца, регистрируемых индикаторной катушкой. Уменьшение размеров верхней части (до известных пределов) узла защемления позволяет увеличить магнитное поле в образце. Второй полюс составного магнитопровода располагается непосредственно на поверхности образца. Нижняя часть узла защемления должна быть изготовлена из немагнитного материала, выполненного из дуралюминия, меди, латуни и т.д. Использование в нижней части узла защемления образца немагнитного материала благодаря снижению рассеяния магнитного потока в образце позволит повысить эффективность перемагничивания контролируемого участка образца. В 4 54732009.08.30 случае же использования нижней части узла защемления, изготовленного из ферромагнетика,часть магнитного потока будет рассеиваться и в зоне трещины уровень внутреннего магнитного поля может оказаться недостаточным для появления скачков намагниченности. Образуемая таким образом замкнутая магнитная цепь, состоящая из цепи узел защемления - Г-образный магнитопровод-образец, позволяет регистрировать скачки намагниченности в зоне,непосредственно примыкающей к точке защемления образца, где образуется дефектная зона,при использовании консольной схемы создания изгибных напряжений. Для обеспечения постоянного магнитного контакта между составным Г-образным магнитопроводом и верхней частью узла защемления образца и постоянства магнитного потока в магнитопроводе между ферромагнитной частью узла защемления и составным Г-образным элементом магнитопровода используется пружинный элемент, выполненный из ферромагнитного материала в виде витой пружины или пластины из пружинящего элемента или магнитной резины. В устройстве для обеспечения циклических колебаний незащемленного конца образца используется механический или электромагнитный принцип, обеспечивающий различные амплитуды и формы(симметричность, ассиметричность) создаваемых в шейке образца напряжений сжатий и растяжения, в результате чего возникают усталостные трещины, приводящие к разрушению образца. В полезной модели корпус преобразователя не будет препятствовать расположению индикаторной катушки преобразователя непосредственно в зоне появления усталостных трещин. Применение такой схемы возбуждения магнитного поля рассеяния в контролируемом образце вблизи его зоны защемления, в которой в качестве одного из двух полюсов магнитопровода используется непосредственно ферромагнитный узел защемления образца,позволяет проводить динамический контроль усталостных трещин, образующихся вблизи точки защемления образца, непосредственно во время проведения циклических испытаний, т.е. в реальном масштабе времени. Благодаря использованию предложенной конструкции магнитошумового преобразователя появляется возможность в режиме проводить экспериментальные исследования по выявлению усталостных трещин и основных стадий их развития (возникновения, роста), обуславливающих последующие состояния предразрушения и разрушения металла. Использование в качестве одного из полюсов магнитопровода ферромагнитного элемента узла защемления образца позволяет разместить измерительную катушку непосредственно над местом возникновения усталостной трещины вблизи зоны защемления образца. Благодаря этому отсутствует необходимость после каждого циклирования образца снимать его для проведения измерений МШ, тем самым резко увеличивается достоверность испытаний, производительность контроля, а главное появляется возможность проводить исследования в динамическом режиме. Кроме того, предлагаемая конструкция магнитошумового преобразователя для контроля исследования процессов усталости плоских образцов позволяет значительно расширить функциональные возможности магнитошумовых преобразователей, отличается значительной простотой конструкции и удобством ее использования и является универсальной. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5