Стимуляция дефектов в активном тепловом контроле

Стимуляция дефектов в активном тепловом контроле

Стимуляция дефектов в активном тепловом контроле

Калашников Д.А.

Научный руководитель:

Ширяев В.В., доцент, к.т.н.

Введение

«Классические» методы теплового нагружения (конвективный и оптический), используемые в активном тепловом неразрушающем контроле, не всегда применимы для обнаружения тех или иных дефектов. В частности трещины, расположенные перпендикулярно поверхности контролируемого объекта практически невозможно обнаружить с помощью данных методов. Поэтому существует необходимость использования «нетрадиционных» источников нагрева.

Индукционный и ультразвуковой методы отлично решают данную проблему, так как при стимуляции нагревается сам дефект, а не вся площадь контролируемой поверхности, как в случае с традиционными методами.

Экспериментальные исследования.

.       
Активный тепловой контроль с использованием индукционного нагрева (индукционная инфракрасная термография)

Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла. Нагревается только поверхностный слой, который называется скин-слой. В случае если на поверхности заготовки имеется трещина, то она нагревается до большей температуры, чем бездефектная область, так как имеет большее сопротивление (рисунок 1) [1].

Рисунок 1. Схема установки индукционного нагрева

В качестве объекта исследования использовался переходной переводник для бурильных колонн с продольной трещиной (Рисунок 2).

Рисунок 2. Объект контроля

индукционный ультразвуковой стимуляция дефект

При проведении экспериментов использовалось следующее оборудование: тепловизор TH9100ML фирмы NEC Avio для записи термографических последовательностей, в качестве источников нагрева применялась система индукционного нагрева.

Общий вид тепловизионного дефектоскопа представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Тепловизионный дефектоскоп с индукционной стимуляцией

Рисунок 4. Полученные термограммы: до начала нагрева (слева) и после нагрева (справа)

Из полученных термограмм видно, что температура в области трещины больше, чем в бездефектной области. Температурный сигнал (разность температур трещины и бездефектной области) составил порядка 6,5 ⁰С.

Далее на рисунке 5 представлен график зависимости температуры от времени инфракрасной съемки.

Рисунок 5. График зависимости температуры от времени: красный - над трещиной, зеленый - над бездефектной областью

.        Активный тепловой контроль с использованием ультразвукового нагрева (ультразвуковая инфракрасная термография)

Основное отличие УЗ стимуляции от оптической состоит в том, что ультразвук существенно повышает температуру только в зоне дефектов с «трущимися» краями, оставляя бездефектные зоны «холодными».

Для нагрева используются УЗ сварочные устройства, генерирующие импульсы мощностью до 1 кВт и длительностью 30…200 мс с несущей частотой 20 кГц [2].

В качестве источника нагрева объекта контроля использовано устройство для ультразвуковой стимуляции дефектов в конструкционных материалах ИЛ-УСД. Фото тепловизионного дефектоскопа показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Тепловизионный дефектоскоп с ультразвуковой стимуляцией

Устройство предназначено для ультразвуковой стимуляции структурных неоднородностей (усталостных и ударных трещин) в металлах и неметаллах, с целью испытания материалов с использованием метода ультразвуковой инфракрасной термографии.

Устройство оснащено высокоэффективным ультразвуковым магнитострикционным преобразователем.

При вводе ультразвука в объект контроля возникли сложности - так как источник ультразвука имеет большую мощность, образец из-за вибрации «выскальзывал» из-под индентора магнитострикционного преобразователя. Поэтому возникла необходимость вводить ультразвук не напрямую, а через промежуточный звукопровод из твердого материала в виде металлической пластины. В качестве таких пластин были использованы гаечный ключ и напильник. Как оказалось, форма контактной поверхности так же оказывает влияние на нагрев. Ультразвуковую стимуляцию объекта производили в течение 5 секунд. Результаты приведены ниже.

Рисунок 7. Термограммы до (верхняя) и после (нижняя) ультразвуковой стимуляции

На рисунке 7 представлены термограммы инфракрасной съемки, при которой ультразвук вводился через гаечный ключ. Из рисунка видно, что нагрелась лишь трещина и точки контакта ключа и объекта контроля. Далее на рисунке 8 представлен график зависимости температуры от времени.

Рисунок 8. График зависимости температуры от времени: красный- над трещиной, зеленый - над бездефектной областью

При стимуляции объекта через напильник результаты несколько отличаются от первого случая. Термограммы приведены на рисунке 9.

Рисунок 9. Термограммы до (слева) и после (справа) ультразвуковой стимуляции

Из термограмм видно, что область трещины нагрета, как и в первом случае, но в гораздо меньшей степени. Температурный сигнал составил чуть более 6,5 ⁰С. Также можно заметить, нагрев во втором случае более рассеянный.

Отсюда можно сделать вывод, что поверхность контакта так же может влиять на результаты контроля.

График зависимости температуры от времени представлен на рисунке 10.

Рисунок 10. График зависимости температуры от времени: красный- над трещиной, зеленый - над бездефектной областью

Вывод

В ходе экспериментальных исследований установили, что и индукционная и ультразвуковая инфракрасная термография очень эффективны для обнаружения трещин в образцах из электропроводящих материалов.

При тепловом контроле с ультразвуковой стимуляцией, дефект проявляется более явно, чем при контроле с индукционной, так как бездефектная область остается «холодной», вследствие чего наблюдается больший температурный сигнал. В свою очередь индукционная стимуляция не требует наличия контакта и имеет возможность нагрева образцов сложной формы, в то время как при ультразвуковой стимуляции объектов сложной формы возникают сложности с выбором точки ввода ультразвука и из-за смещения объекта контроля под действием вибрации. Так же необходимо отметить, что имеет немалое значение шероховатость поверхности контакта объекта с индентором.

Литература

1.   Бодажков В.А. Объемный индукционный нагрев. - СП.: «Политехника», 1992. - 68 с.

2.       Ширяев В.В., Хорев В.С. Тепловой контроль с применением ультразвуковой стимуляции, Томск: Изд-во Томского Политехнического Университета, 2011.