CC BY
2
УДК 620.179.1
DOI: 10.25206/1813-8225-2023-188-77-83 EDN: WOLFYJ
О. В. ТАРАСЕНКО Ю. В. КРЕСЕЛЮК М. Н. ИВЛЕВ
Луганский государственный университет имени Владимира Даля,
г. Луганск
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ГРАДИЕНТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ ОТ ПАРАМЕТРОВ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ СТАЛИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ МЕТОДЕ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Дается оценка влияния параметров контролируемой детали магнитным методом неразрушающего контроля на градиент напряженности магнитного поля измерительного преобразователя. Приведена упрощенная конструкция импульсного градиентометрического преобразователя, указаны его параметры для проведения экспериментов. Рассмотрена математическая модель расчета выходного сигнала феррозонда градиентометра, применяемая для получения выходных данных. Исследованы зависимости градиента напряженности магнитного поля от расстояния между датчиком и плоскостью контролируемой детали, от коэрцитивной силы и толщины упрочненного слоя, а также от толщины контролируемой детали. Получены выводы на основании проведенного эксперимента.
Ключевые слова: градиент магнитного поля, напряженность, феррозонд, виброударное упрочнение, неразрушающий контроль, коэрцитивная сила.
Введение. Импульсный магнитный метод контроля механических свойств сталей [1—3] широко используется в практике неразрушающего контроля как в нашей стране, так и за рубежом.
При импульсном магнитном методе изделие намагничивается аксиально симметричным импульсным магнитным полем, направленным перпендикулярно к испытуемой поверхности изделия, повышающим коэрцитивную силу изделия. Затем, после окончания релаксационных процессов, измеряется нормальная составляющая градиента поля остаточной намагниченности, по ее величине судят о значении контролируемого параметра. Для хорошей повторяемости результатов измерений намагничивания производится серией импульсов или после намагничивания импульсным методом производится частичное размагничивание локальной области.
Также в промышленном производстве особое внимание уделяется основополагающим задачам по ресурсосбережению [4], которые необходимо соблюдать при использовании данного вида нераз-рушающего контроля.
Упрощенная конструкция измерительного импульсного преобразователя показана на рис. 1.
Измерительный преобразователь представляет собой катушку круглого цилиндрического сечения 2, расположенную над контролируемой деталью 1.
Внутри катушки находятся два полуэлемента феррозонда 3, включенные встречно, то есть по гра-диентометрической схеме. В обмотку катушки подаются импульсы тока амплитудой 0,2 • 103 — 3 • 103 А, которые создают у торца катушки поле амплитудой Н = 0,1 • 105 — 5 • 105 А/м [5].
Длительность импульсов тока обычно равна 100 — 2000 мкс. Подается несколько импульсов. Намагниченный под катушкой участок создает поле рассеяния, градиент которого ДН измеряется феррозондом. Величина градиента поля зависит от амплитуды, длительности и количества намагничивающих импульсов, от толщины промагничиваемого слоя металла, от магнитной силы, а также от геометрических параметров намагничивающей катушки [6].
Цель работы. Теоретическое и экспериментальное обоснование зависимости градиента напряженности магнитного поля от толщины упрочненного слоя и количество упрочнённых слоёв различной стали.
Модель расчета. Если линейные размеры детали в 3 — 4 раза превышают размеры катушки измерительного преобразователя, то расчет выходного сигнала можно осуществить по упрощённой методике [7, 8].
Рассчитывается напряженность магнитного поля, создаваемая катушкой с током, по формуле:
___ m X
Н(рм, zM ) = lp^T^ J rk k= 1 2o 0
V(zMi - pi)2 + bl
2
k=1 2 ( n
rk " Pm cosa
M^M - z*)2 + b( -M{zM - Pi)2 + b,
coszdz
Л
dz,
здесь r+ =p jr^ + pM - 2 rkP ; = 2Iw _
0 m{z2 - С )(H +е) ' | — магнитная npонш^мс^'р фер]сомагнснмка; M — чшло 2гскоречмо o<szicn:x цилиндоов, к—то-
Ро -( M
рые выбиртются их условья
< 1,1.
](r2 + Г)
Опре-рлягтся модул. нсгфяженности магнитного п гля:
Н(рм,рм( = [-Нн:рлH 2+ (нр(Рл.Pл)) 2
(2)
Нрм—гниченносоь +пределяетсо сле+уощим образом:
M =
м„ • м„
м)
Н)
где H= рносчотывантся по фо]снуло [ 22]:
Hi.
0—2
, т нгкн
Ме = Дг, осоН- +2 -" • СО0+-Г-Т
и Ня + H+s о Н—^
р I он— ■
НСс + .Pi" Нгг — Н
+--oictg ——-
Н О--,!
(4)
где Hi =
ом
-с
р+Н м„
м„
огссо\ 2
Но нп
- р
k =
о Мс-Д--^/2
%Н — ннссл—нпя 20сприимчивость (хн = tда);
M= — намнгниченносн равч;[щен1ня;
M — остаточная намагнич енно сть;
rs
HCS — сдряцнтоннар снлн по предельрой петле гист е-ре ей са;
MC — ветнчи=а намагничео=ость, соответствующая тояке ссс о.ивой HaMSCHOdaHHость при напряженное™ потт Нр=
H — напряженность iwa, созданного катушкой.
В Яер=нмагндтном пространстве выделяетср об-ласть,д= которой ояо+вонотнует Н < HR -Ня — напряженность! нраницн ^¡^лнти Релен). Это область разбивается на с^с^оментарные облости, представляющие собой колсца. Нооичество колец по координате р — Р количеотво ело ев п о координате z — F.
Элеменяарный объем (ЭО) равен:
П) = 4и-ДКр-ДРн; а = СТ; Н = CF,
здесь Rvf — шидина v-го 2лоя, /но кольца;
AZp — kРЛIрина; шнрися v-го слоя, f-го кольца (рис. 2).
Рассчитываются составляющие вектора намагниченности дая j-ro !ЭС).
Рьь . 1. Упрощенная конст рукция им пульсного градиентометрического 1-р е ибр азов+тс) я
Рис. 2. К расчету выходного сигнала феррозонда
Напряженннсть магнитноно поля в сердечник Нф феррозонда чассчиоыоается с помощью теорвмы о взаимности, кнтсрня записынается следующим образом:
1
IwHcSa
J Н (р )M (p)da
(6)
В первом прибтижо=ин фс>рмра (П) имеет вид: 1 1
н
IwH ся= I=i
Н Нн • Mi рПЧн
(7)
где АУ. — объем 7-го ЭО;
N — количество ЭО;
— относительная магнитная проницаемость сердечника.
Считается, что сердечники феррозонда имеют круглое сечение и расположены на оси катушки (рис. 3); магнитное поле имеет осевую симметрию, поэтому перепишется (7) так:
1
MPi = нН—;
Нн
м = H н
1 1 н
Iw^c S,
Hvf ■ Mvf ■ AVvl
(8)
С^Ф v = 1 f = 1
(5)
M
M
н= =
нф =
78
Магнитное поле, создаваемое сердечником феррозонда с обмоткой ш, по которой протекает ток I, можно аппроксимировать полем двух разноименных, но одинаковых по численному значению магнитных зарядов.
Напряженность этого поля равна
— =
4 • 2Ь
1
,2 1к ,
Rа
(9)
Рис. 3. Разбиение области под катушкой на элементарные объемы
где а — радиус сердечника феррозонда; 2Ь — длинаоероечника фероосонда. Следовательно, в геометрических центрах сечение колец феоеомагнитного материала доставню-щие вектора Н Олдут нметь вид:
Н
(10)
Н„.А/м
5 г, мм
Рис. 4. Зависимость нормальной и касательной составляющих напряженности намагниченной локальной области от координаты г
Таним образ о м, нап р я жен ноств м агнитног о полв, наведенн-ло нлмагниченмвй локвньной абрастыo, может быть рассчивана пд с^аед0^];© 1цей формуле:
Н ру/ н
8ЛО„
■нн
о.,) „
Ну/^р
(е в Дуе )а в о, (е в ал в д. )а в о;
(е в п^)рв _ (евал в дг[)Мру[ (с в Д8у/)а в нв (е в ал в д^ )авн;
АН. (11)
По формуле (11) рассчитывается напрянтён=ость магаитнего поля во втор ом полуэлементе ферр о -зонда, томеко с1 изменяется на е' = е в ал в аh , где 2Л — расстояние между двумя полувлементами феррозорда (рис, 1).
Выходная нтпряженло сть рас вч итаваeтся пе следующев фoрмвлe;
и 2 = С(НФ1 - НФ
т2 V ф1 Ф
(12)
где G — функеив преоб-лоования фердозовда.
Нф 1- НФ2 — напр яженносев п порвом и ет вло=дм поо°элементах форрозонде.
Фун кция п; еоаразопс/ния фе ррозо нда представ -ляется слевующлй (Дэор)сулол [10]:
д
в = - е0ма е уе с
з
(13)
где 5 — площадь с ер ения р чнта феррозонда; в — °гловая чсствта водбуждения; \д2 — в нсло встал вдходнон области ферро-зондау
) — относительная магнитная проницаемость сердечника феррозонда.
Величина G для феррозондов, используемых в градиентометрах с размерами сердечников
12x2x0,025 мм, находится в пределах а,5 • 10 л0 ....
5 • 10 - . В / н
Результаты экспериментов. Для проведения
эксперимента использовалась катушка без экрана высотой = 35 мм с внутренним радиусом р1 =
"Ю'А/м2 р// 2.0
1.751.51.25-
го-
0.750.5-
\
\\
V Ч / х-3*- ю5А/. V_
\
\
Нт -Ю А/м
2
с1. мм
Рис. 5. Зависимость градиента вертикальной составляющей магнитного поля от зазора между датчиком
и плоскостью контролируемого изделия (40Х)
= 6 мм и внешним радиусом р2 = 12 мм. Число витков катушки W = 350, индуктивность катушки Ь = = 0 ,е мГн .В статье [5] используется большее количество витков , т.к. имеется различие в материале и сечени и проводников. В обмотку катушки пода-нося импульс тока, который создавал магнитную напряженность поля 3 • 105 А. Длительность импульса считается достаточной для полного намагничивания металла.
На рис. 4 показана зависимость нормальной (рис. 4а) и касательной (рис. 4б) составляющих напряженности поля от координаты г для различных значений амплитуды импульса намагничивающего поля для стали 40Х.
Зависимость градиента напряженность магнитного поля от расстояния между датчиком и плоскостью контролируемой детали показана на рис. 5.
Максимальное значение градиента рассчитывалось при различных значениях толщины упрочня-емогослоя для стали 20 и 40Х, результаты расчета приведены в табл. 1.
Данные, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о том, что имеется функциональная зависимость градиента напряженности магнитного поля рассеяния намагниченной локальной области от коэрцитивной силы и более слабая зависимость градиента
2
о
Зависимость градиента магнитного поля намагниченной локальной области от коэрцитивной силы и толщины упрочненного слоя
Таблица 1
Материал и его коэрцитивная сила до и после обработки Толщина упрочненного слоя, мм
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Градиент поля УН, А/м2
Сталь 20 НС тш = 450 А/м2 Нс таХ = 560 А/м2 2,4-104 3,0104 2,8-104 3,5-104 3,1104 3,9104 3,4-104 4,2-104 3,5-104 4,4-104 3,5-104 4,4-104
Сталь 65Г Нс тш = 810 А/м2 Не тах = 930 а/м2 3,6104 4,1104 3,9-104 4,5-104 4,15-104 4,8104 4,2-104 4,83-104 4,2-104 4,83104 4,2-104 4,83-104
Сталь 30ХГСА НС тш = 840 А/м2 Не ИХ = 950 А/м2 4,4-104 4,97-104 4,7-104 5,3-104 4,9-104 5,5-104 5,0-104 5,65-104 5,1104 5,8-104 5,1 ■ 104 5,8104
Сталь 40Х НС тш = 1200 А/м2 Не ИХ = 1700А/м2 6,8104 9,6104 7,3-104 10,2-104 7,5-104 10,5-104 7,6-104 10,6-104 7,7-104 10,8104 7,8104 11,0104
Рис. 6. Зависимость градиента напряженности поля от коэрцитивной силы ферромагнитного материала и от количества упрочненных слоев (40Х)
Рис. 7. Зависимость градиента напряженности магнитного поля от количества упрочненных слоев (толщина одного слоя 0,05 мм)
Таблица 2
Зависимость величины градиента напряженности магнитного поля от толщины контролируемой детали
Амплитуда импульса тока Толщина детали, мм
20 15 10 8 6 4 2
Градиент поля УН, А/м2
Сталь 20 Н = 105 А 2,6-104 2,6-104 2,7-104 2,7-104 2,8-104 2,8-104 4,4-104
Сталь 20 Нт = 3105 А 3,3104 3,3-104 3,3104 3,5-104 3,7-104 3,9-104 4,8104
Сталь 40Х Нт = 105 А 6,7-104 6,7-104 6,7-104 6,8104 6,9-104 7,4-104 7,6-104
Сталь 40Х Нт = 3105 А 7,2-104 7,2-104 7,2-104 7,3-104 7,5-104 8,1 104 8,5104
поля от толщины упрочненного слоя (рис. 6).
На рис. 7 показана зависимость градиента напряженности магнитного поля от количества вибро-упрочненных слоев. Эта зависимость, кроме того что имеет существенную нелинейность, не обеспечивает сколько-нибудь приемлемый коэффициент преобразования измерительного преобразователя. Поэтому при определении толщины виброупроч-ненного слоя металла целесообразно дополнительно
применять метод, использующий многочастотное намагничивание ферромагнитного материала.
В табл. 2 приведены данные зависимости величины градиента напряженности магнитного поля от толщины контролируемой детали, на основе которых можно сделать вывод, что градиент вертикальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния намагниченной локальной области при толщине детали до 8 мм сохраняют одни
и те же значения, а при толщине меньше 8 мм — начинают возрастать в 1,4...1,7 раза.
Выводы
1. Установлено, что имеется функциональная зависимость градиента напряженности магнитного поля рассеяния намагниченной локальной области детали от коэрцитивной силы, после обработки материала возрастает коэрцитивная сила и градиент магнитного поля увеличивается в среднем на 25 %.
2. При увеличении толщины упрочненного слоя материала возрастает градиент магнитного поля, значимые изменения наблюдаются при увеличении толщины упрочненного слоя с 0,05 мм до 0,1 мм, градиент поля возрастает в среднем на 15 %.
3. Градиент вертикальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния намагниченной локальной области при толщине детали от 8 мм до 20 мм сохраняет одни и те же значения, а при толщине меньше 8 мм — начинает возрастать в 1,4.1,7 раза.
Библиографический список
1. Толмачев И. И., Осадчих Ю. В. Повышение качества проведения магнитопорошковой дефектоскопии объектов с подповерхностными дефектами // Вестник науки Сибири. 2014. № 2 (12). C. 81-83.
2. Клюев В. В. [и др.]. Неразрушающий контроль и диагностика (НКиД): справ. / под ред. В. В. Клюева. 3-е изд., перераб. и доп. Москва: Машиностроение, 2005. 656 с. ISBN 5-217-03300-2.
3. Шелихов Г. С. Магнитопорошковая дефектоскопия: моногр. / под ред. В. В. Клюева. Москва: Спектр, 2010. 336 с. ISBN 978-5-904270-29-2.
4. Федоров О. В. Задачи ресурсообеспечения. Москва: КноРус, 2021. 152 с. ISBN 978-5-4365-7822-4.
5. Мирошниченко О. Н., Чурносов А. П., Яковенко В. В. Магнитный неразрушающий контроль виброупрочненного слоя поверхности стальных изделий // Вестник национального технического университета «Харьковский политехнический институт». 2011. № 19. С. 183-194.
6. Горкунов Э. С. Различные состояния остаточной намагниченности и их устойчивости к внешним воздействиям. К вопросу о «методе магнитной памяти» // Дефектоскопия. 2014. № 11. С. 3-21.
7. Ушаков В. М. Неразрушающий контроль и диагностика горно-шахтного и нефтегазового оборудования. Москва: Горная книга, 2006. 318 с. ISBN 5-91003-001-9.
8. Криворудченко В. Ф., Ахмеджанов Р. А. Современные методы диагностики и контроля деталей и узлов железнодорожного транспорта / под ред. В. Ф. Криворудченко. Москва: Маршрут, 2005. C. 428-431. ISBN 5-89035-187-7.
9. Борзунов С. В., Семенов М. Е., Сельвесюк Н. И. [и др.]. Гистерезисные преобразователи со случайными параметрами // Математическое моделирование. 2019. Т. 31, № 7. С. 109-126. DOI: 10.1134/S0234087919070074.
10. Безкоровайный В. С., Яковенко В. В., Швец С. Н. Способы аппроксимации кривой намагничивания сердечников феррозондов при однополярном импульсном возбуждении // Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. № 5. С. 25-33. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-25-33.
ТАРАСЕНКО Олег Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), декан факультета «Приборостроение электротехнических и биотехнических систем» Луганского государственного университета имени Владимира Даля (ЛГУ им. В. Даля), г. Луганск. БРНЧ-код: 2866-8611 ЛиШогГО (РИНЦ): 1197292 Адрес для переписки: kaf-el-mex@yandex.ru КРЕСЕЛЮК Юрий Владимирович, старший преподаватель кафедры «Электромеханика» ЛГУ им. В. Даля, г. Луганск.
ИВЛЕВ Михаил Николаевич, аспирант кафедры «Электромеханика» ЛГУ им. В. Даля, г. Луганск.
Для цитирования
Тарасенко О. В., Креселюк Ю. В., Ивлев М. Н. Исследование зависимости градиента магнитного поля от параметров упрочненного слоя стали при импульсном магнитном методе неразрушающего контроля // Омский научный вестник. 2023. № 4 (188). С. 77-83. БОН 10.25206/1813-8225-2023-188-77-83.
Статья поступила в редакцию 11.05.2023 г. © О. В. Тарасенко, Ю. В. Креселюк, М. Н. Ивлев
UDC 620.179.1
DOI: 10.25206/1813-8225-2023-188-77-83 EDN: WOLFYJ
O. V. TARASENKO YU. V. KRESELYUK M. N. IVLEV
Lugansk State University named after Vladimir Dal, Lugansk, Russia
THE STUDY OF DEPENDENCE OF MAGNETIC FIELD GRADIENT ON PARAMETERS OF HARDENED STEEL LAYER AT PULSE MAGNETIC METHOD OF NONDESTRUCTIVE TESTING_
An assessment is made of the influence of the parameters of a controlled part by the magnetic method of non-destructive testing on the gradient of the magnetic field strength of the measuring transducer. A simplified design of a pulsed gradiometric transducer is presented, and its parameters for conducting experiments are indicated. A mathematical model for calculating the output signal of a gradiometer fluxgate used to obtain output data is considered. The dependences of the magnetic field intensity gradient on the distance between the sensor and the plane of the controlled part, on the coercive force and thickness of the hardened layer, as well as on the thickness of the controlled part are studied. Conclusions are drawn based of the experiment performed.
Keywords: magnetic field gradient, intensity, fluxgate, vibration-impact hardening, non-destructive testing, coercive force.
References
1. Tolmachev I. I., Osadchikh Yu. V. Povysheniye kachestva provedeniya magnitoporoshkovoy defektoskopii ob"yektov s podpoverkhnostnymi defektami [Improving the quality of magnetic particle defectoscopy of objects with subsurface defects] // Vestnik nauki Sibiri. Vestnik Nauki Sibiri. 2014. No. 2 (12). P. 81-83. (In Russ.).
2. Klyuyev V. V. [et al.]. Nerazrushayushchiy kontrol' i diagnostika [Non-destructive testing and diagnostics] / ed. by V. V. Klyuyeva. 3rd ed. revised and additional. Moscow, 2005. 656 p. ISBN 5-217-03300-2. (In Russ.).
3. Shelikhov G. S. Magnitoporoshkovaya defektoskopiya [Magnetic powder flaw detection] / ed. by V. V. Klyueva. Moscow, 2010. 336 p. ISBN 978-5-904270-29-2. (In Russ.).
4. Fedorov O. V. Zadachi resursoobespecheniya [Problems of resource supply]. Moscow, 2021. 152 p. ISBN 978-5-4365-7822-4. (In Russ.).
5. Miroshnichenko O. N., Churnosov A. P., Yakovenko V. V. Magnitnyy nerazrushayushchiy kontrol' vibrouprochnennogo sloya poverkhnosti stal'nykh izdeliy [Magnetic non-destructive testing of vibration-hardened surface layer of steel products] // Vestnik natsional'nogo tekhnicheskogo universiteta «Khar'kovskiy politekhnicheskiy institut». Bulletin of the National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute». 2011. No. 19. P. 183194. (In Russ.).
6. Gorkunov E. S. Razlichnyye sostoyaniya ostatochnoy namagnichennosti i ikh ustoychivosti k vneshnim vozdeystviyam. K voprosu o «metode magnitnoy pamyati» [Various states of residual magnetization and their stability to external influences. On the issue of the «magnetic memory method»] // Defektoskopiya. Defectoscopy. 2014. No. 11. P. 3-21. (In Russ.).
7. Ushakov V. M. Nerazrushayushchiy kontrol' i diagnostika gorno-shakhtnogo i neftegazovogo oborudovaniya [Nondestructive testing and diagnostics of mining and oil and gas equipment]. Moscow, 2006. 318 p. ISBN 5-91003-001-9. (In Russ.).
8. Krivorudchenko V. F., Akhmedzhanov R. A. Sovremennyye metody diagnostiki i kontrolya detaley i uzlov zheleznodorozhnogo transporta [Modern methods of diagnostics and control of parts and components of railway transport] / ed. by V. F. Krivorudchenko. Moscow, 2005. P. 428-431. ISBN 5-89035-187-7. (In Russ.).
9. Borzunov S. V., Semenov M. E., Selvesyuk N. I. [et al.]. Gisterezisnyye preobrazovateli so sluchaynymi parametrami [Hysteresis converters with random parameters] // Matematicheskoye modelirovaniye. Mathematical Modeling. 2019. Vol. 31, no. 7. P. 109-126. DOI: 10.1134/S0234087919070074. (In Russ.).
10. Bezkorovaynyy V. S., Yakovenko V. V., Shvets S. N. Sposoby approksimatsii krivoy namagnichivaniya serdechnikov ferrozondov pri odnopolyarnom impul'snom vozbuzhdenii [Methods of magnetization curve of ferroprobe cores approximation at unipolar pulse excitation] // Izvestiya TulGU. Tekhnicheskiye nauki. News of the Tula State University. Technical Sciences. 2021. No. 5. P. 25-33. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-25-33. (In Russ.).
TARASENKO Oleg Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Dean of Instrumentation of Electrical and Biotechnical Systems
Faculty, Lugansk State University named after Vladimir Dal (LSU named after Vladimir Dal), Lugansk. SPIN-code: 2866-8611 AuthorlD (RSCI): 1197292
Correspondence address: kaf-el-mex@yandex.ru KRESELYUK Yuriy Vladimirovich, Senior Lecturer of Electromechanics Department, LSU named after Vladimir Dal, Lugansk.
IVLEV Mikhail Nikolayevich, Graduate Student of Electromechanics Department, LSU named after Vladimir Dal, Lugansk.
For citations
Tarasenko O. V., Kreselyuk Yu. V., Ivlev M. N. The study of dependence of magnetic field gradient on parameters of hardened steel layer at pulse magnetic method of nondestructive testing // Omsk Scientific Bulletin. 2023. No. 4 (188). P. 77-83. DOI: 10.25206/1813-8225-2023-188-77-83.
Received May 11, 2023. © O. V. Tarasenko, Yu. V. Kreselyuk, M. N. Ivlev
