Файл: Вопросы конструирования и технологии производства сельскохозяйственных машин материалы городской конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию образования СССР сборник статей..pdf

Б .С . С к о р н к

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ НАМАГНИЧИВАНИЯ НА ГАРМОНИЧЕСКИЙ СПЕКТР ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ КОНТРОЛЕ МЕТОДСМ

ВЫСШИХ ГАРМОНИК

При контроле ферромагнитных изделий методом высших гармоник (МВГ) и перемагничивании синусоидальным нолем h. -H rrrS ln O t гармонический спектр в выходном сигна­ ле измерительного датчика определяется нелинейностью ди­ намической петли перемагничивании, форма которой в свою очередь, связана с амплитудой и частотой перемагнкчквающего поля. Эффективность контроля методом высших гармо­ ник зависит от количества независимых параметров, сапос­ тавляемых с контролируемым свойством и от степени ис — пользования нелинейности магнитных свойств контролируй - мого материала, которая, в конечном счете, является ис­ точником многопараметровости. Известно, что площадь ди­ намической петли перемагничивании определяется потерями на магнитный гистерезис, потерями энергии вследствие на­ личия магнитной вязкости и вихревых токов.

Известно также [1] , что увеличение толщины контро­ лируемого образца ведет к росту потерь на вихревые токи и к изменению формы динамической петли перемагничива — ния, т.е. ушпрению при низких частотах и большему закруг­ лению 'клювика' по сравнению с петлей образна из тонко-

193

листового материала при увеличении частоты перемагничивающего поля. А линеаризация динамической петли вихре — выми токами уменьшает относительный уровень гармониче­ ских составляющих в выходном сигнале измерительного дат­ чика. Кроме того, при некоторых видах термообработки ста­ ли (науглероживание) с увеличением коэрцитивной силы jll увеличивается и удельное сопротивление р , а это ана - чнт, что уширенне динамической петли перемнгничивания (и прирост информации в гармоническом составе) скомпен— сируется обратным влиянием вихревых токов [2 ] согласно формуле

Следовательно, для повышения информативности выход­ ного сигнала датчика необходимо создать условия перемагнкчивания контролируемого материала, при которых наиболее полно проявились бы его нелинейные свойства. В связи с этим целесообразно провести иссшдования гармонического спектра выходного сигнала при перемагничивании контроли­ руемых образцов полями пониженных частот.

Влияние режима намагничивания на <|юрмы динамических петель, динамическую проницаемость и гармонический спектр было исследовано на образцах из стали марки 20ХНЗА раз­ мерами 150x30x3 мм, имеющих различные структурные со­ стояния. Указанные исследования были проведены на уста­ новке, описанной в работе [3 ] . В установке для анализа динамических петель перемагннчиваяия был использован ферротестер FE -0002 ('Орион' Венгрия). Для; определе­ ния магнитной динамической проницаемости £ = J-J измеря-

дйгй-дар лйкташйг,- дамотдаклФ да дяжйР

пластинке и расположенной на поверхности образца.

таблиц©), снятые на частотах возбуждения 6,12,36 Гд при Ти - 850 мА.

194

Динамическая коэрцитивная сила ( Пса ) уже на час­ тоте 38 Гц из-за влияния вихревых токов, в силу указан­ ных причин, оказалась почти одинаковой по величине„ За - метно сказалось и линеаризирующее действие вихревых то­

ков.

Рис.2. Поведение динамической магнитной проницаемости при частотах перемагничивдкхцего поли 6,12,38Гц для

образцов 1 (------- ), 2 •■■)

196 .

На рис. 2 для образцов 1, 2 показано поведение маг­ нитной динамической проницаемости уЦу ч зависимости от намагничивающего тока для этих же частот. Характер из­ менения кривых показывает, что с увеличением частоты максимальное значение динамической проницаемости умень­ шается и наблюдается при больших намагничивающих то­ ках, а разделение образцов по значению динамической про­ ницаемости ухудшается.

На рис. 3 показано влияние частоты перемагничивания и величины намагничивающего поля на относительную ве—

личипу амплитуды 9 гармоники ( Us/ U i) . Для образца 1, имею­ щего большую динами­ ческую проницаемость и меньшую коэрцитив­ ную силу, появление и заострение 'клювика' наступает в полях с меньшей напряженно — стью. Поэтому интен­ сивный рост амплиту­ ды высших гармоник наступает при меньшей напряженности пере - магничиваюшего поля, чем у образца 2,име­ ющего динамическую проницаемость и боль­ шее значение коэрци­

тивной силы. С увеличением частоты перемагничиваюшего доля относительный уровень гармоник .особенно высшего порядка,уменьшается и разделение образцов по их значе­ ниям ухудшается.

Исследования влияния формы динамической петли перемагнкчивання на гармонический спектр выходного сигна­ ла показали, что с увеличением частоты перемагничива -

196

ющего поля влияние вихревых, токов, линеаризирующих ди­ намическую петлю, уменьшает относительный уровень выс­ ших гармоник, а наличие в выходном сигнале определяет­ ся в большей степени наличием их в намагничивающем то­ ке и зависит от величины динамической проницаемости.

На рис. 4 показано поведение гармоник 3,5,7 в зави - симости от величины намагничивающего тока при частоте возбуждения 6,23,42 Гд для образцов, приведенных в таб­ лице. Сплошными линиями показаны гармоники, соответст­ вующие образцам с рекомендованными мартенситными структурами термически упрочненного слоя (2,4). Штрихо­ выми - гармоники образцов с тростомартенситнымн нере— комендованными структурами, имеющими меньшую твер - дость упрочненного слоя (1,3). Кружками выделены образ­ цы, имеющие глубину цементации 1,5 мм (3,4).

Теория термического упрочнения и данные металлогра­ фического анализа изученного нами технологического про­ цесса химико-термического упрочнения показывают, что механические и прочностные характеристики термически обработанных металлов определяются действительным струк­ турным состоянием,несмотря на различие их на некоторых промежуточных этапах технологической обработки. Специ­ фические особенности химико-термического упрочнения по­ зволяют контролировать прочностные свойства после пол - ного технологического процесса. Поэтому влияние качест­ ва термообработки и глубины цементированного слоя на гармонический спектр выход ного сигнала датчика исследо­ валось на выборке образцов (100 штук), прошедших пол­ ный технологический цикл. Нерекомендоваяяые структуры были полу чены запланированными отклонениями режимов различных этапов термического упрочнения.

Изучение поведения амплитуд 3,5,7,9 и фаз 3,5,7 Q3Q гармоник позволяют сделать следующие выводы.

Информация о физико-механических свойствах носит локальный характер по отношению к отдельным гармони­ ческим составляющим и параметрам перемагничиваюшего цикла и лучше анализируется при инфранизкой частоте пе~ ремагничпвания. Наилучшая корреляция с структурой (твер-

197

цостыо) поверхностного слоя отмечена у гармоники 7 при частота намагничивающего поля 0—8 Гц, причем оитимал* ная чувствительность гармоники 7 соответствует режиму намагничивания, когда динамическая проницаемость образ­ цов достигает области максимального значения (рис.2 и 4). Это.по-внднмому,молено объяснить незначительной глубиной проникновения магнитного поля из-за экранирующего дей­ ствия поверхностного слоя, в котором напряженность маг­ нитного поля имеет величину, при которой проницаемость достигает максимума. В работе [4 ] приведены эксперимен­ тально полученные данные для углеродистой стали при аналогичном намагничивании полем с частотой 5 Гц. Заме­ на трубы с толщиной стенок 1 мм на сплошной цилиндр изменяет выходной сигнал всего лишь на 14%. С другой стороны,гармоники высоких порядхсов более чувствительны к форме 'клювика' динамической петли [б ] , которая в выбранном режиме существенно отличается для образцов с различными структурами упрочненного слоя.

Исследование влияния формы динамической петли на гармонический спектр выходного сигнала показало, что с увеличением частоты перемагничивающего поля уменьшает­ ся относительный уровень гармонических составляющих и опенка прочностных свойств поверхностного слоя по

гармонике 7 (в нашем случае) становится неэффективной, а зова разделения образцов перемещается на гармоники более низкого порядка (5 на частоте 42 Гц), но с мень­ шей чувствительностью (рис. 4, рис. 5).

На частоте 8 Гц при токах намагничивания, соответст­ вующих полям примерно половине Нс по амплитудам 5 гармоники, возможна опенка глубины цементации. При с о ­ ответствующей обработке значений амплитуд 5 и 7 гармо­ ник, замеренных в указанных режимах возможна оценка глубины цементации независимо от твердости поверхност­ ного слоя. При увеличении частоты перемагничивающего поля *зона разделения' по глубине цементированного слоя резко ухудшается. Необходимо отметить, что применение дифференциальной схемы включения датчиков и использо—

198

Рис. 4. Зависимости 3,5,7 гармоник от величины и частоты намагничивающего тока.

ватаге указанных режимов намагничивания может оушаст — веяно увеличить чувствительность к контропируемым пара­ метрам.

Рис. б. Чувствительность 3,6,7 гармоник выходного сигнвтла к структурным изменениям упрочненного слоя в зависи­ мости от частоты перемагяичивающего слоя '

По результатам проведенных исследований разработан прибор неразрушающего контроля химико-термического уп­ рочнения изделий (осей сателлитов) из стали марки 20ХНЗА Заводские испытания прибора на Липецком тракторном за — воде показали уверенную разбраковку изделий по твердости поверхностного слоя и глубине цементации.

199

Ли т е р а т у р а

1.К я ф е р И.И. Испытания ферромагнитных материа­ лов. М., 1962.

2.Т о м и л о в Г.С. Аппроксимация семейства петель

гистерезиса и гармонический сустав выходной э.д.с. датчи­ ка проходного типа. Сборник докладов. Томск, 1871,стр.23.

3. С к о р и к Б.С. Влияние химико-термической об­ работки на гармонический спектр вторичной э.д.с, при на - магничивании током инфранизких частот. Сб. "Автоматиза­ ция производственных процессов в машиностроении". Рсютов- на-Дону, 1974.

4.'Нераэрушаюшие испытания". Справочник под редакци­ ей Р.Мак-Мастера. М,, 1965.

5.Ш е л. ь М.М. Неразру шаюший контроль методом высших гармоник вихревых токов. Иркутск, 1870.

8, М о р о з о в а В.М., М и х е е в М.Н., С у ­

"Дефектоскопия", 1969, № 1.

7. Г а в р и л ю к М.М., Д а в ы д о в и ч А.В. Влияние режимов химико-термической обработки деталей бу­ ровых долот на магнитные свойства, измеряемые феррозоидовым коэрдетиметром. "Дефектоскопия", 1972, № 5.

200