Привет студент

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

ГУВПО «БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Физические методы контроля»

 

 

 

 

Приборы и методы электромагнитного контроля

 

Разработка технических средств и методики магнитного контроля

сварных швов аттестационных образцов сварщика

 

Пояснительная записка

 

(ЭМК 85.00.00.00 ПЗ)

 

 

 

Выполнил студент

                                                                                              гр. МПКР – 091

                                                                                              Трофимов С.Н.

 

                                                                                              Проверил:

                                                                                              Новиков В. А.

 

 

 

 

Могилев 2013

 

 

 Содержание

 

 Введение                                                                                                 4

1 Общая часть                                                                                         5      

• Характеристика объекта контроля. Постановка задачи

 проектирования                                                                                     5        

1.2 Дефекты, возникающие в контролируемых зонах объекта            6

1.3 Обоснование выбора метода контроля                                           7

1.4 Анализ литературных источников с целью выбора способа

 контроля. Выводы.                                                                                8

2 Разработка оборудования для контроля                                                     14

2.1 Анализ литературных источников с целью разработки

 или модернизации оборудования для контроля                                 14    

2.2 Компоновка оборудования для контроля                                       15

2.3 Расчет электромагнита намагничивающего устройства                          15

2.4 Разработка оборудования для контроля. Описание устройств

 и принципа их действия                                                                        25

3 Разработка методики контроля                                                          26

4 Метрологическое обеспечение средств контроля                              28

5 Мероприятия по охране труда                                                           29

Заключение                                                                                             30    

Список литературы                                                                                31

 

Введение

 

В современных условиях сварка является самым распространённым методом получения неразъёмных соединений из металла. Благодаря надёжности и дешевизне она широко применяется в строительстве и машиностроении.

При изготовлении и монтаже трубопроводов, котлов высокого давления, резервуаров и других сварных конструкций ответственного назначения требуется обеспечение высокой надёжности и качества данных соединений. Контроль качества является неотъемлемым этапом всего жизненного цикла любого изделия, который является гарантией работоспособности и надёжности сварных соединений и конструкций.

Современная дефектоскопия сварных соединений использует многие методы контроля, позволяющие оценивать качество соединений с различной позиции. Наиболее совершенными из них являются методы, контролирующие сплошности швов металла и его околошовной зоны без разрушения соединения. При отсутствии несплошностей, являющихся концентраторами напряжений, и применения надлежащих материалов сварные соединения могут надежно работать в самых тяжелых условиях.

В последние годы развитие неразрушающей дефектоскопии сварных соединений в основном осуществляется в следующих направлениях:

- изучение проникающего действия рентгеновского и гамма - излу­чения, фиксируемого на специальной пленке или визуально наблюдаемого на экране;

-   изучение распространения концентрированного пучка ультразвуковых колебаний в металлических изделиях и фикса­ция отклонения этих колебаний в местах несплошностей (дефек­тов) в сварных швах и основном металле;

- исследование магнитных полей рассеяния или различной степени намагниченности ферромагнитных изделий в местах несплошностей, фиксируемых с помощью измерительных прибо­ров, перемещения частиц железного порошка или «записей» на магнитной ленте.

Каждое из этих направлений развития дефектоскопии сварных соединений осуществляется в виде целого ряда физических методов контроля, имеющих определенную область применения [1].

Качество сварных соединений проверяют выборочными разрушающими испытаниями на прочность и неразрушающими испытаниями с помощью радиационных, ультразвуковых, магнитных и других методов контроля.

Проведенные в последние годы исследования показывают, что качество сварных соединений колеблется в широких пределах и по отдельным отраслям промышленности и строительства может быть весьма низким.

Растущие требования к качеству продукции выдвинули задачу подготовки специалистов, владеющих необходимой совокупностью знаний технологий, аппаратуры контроля и вопросов организации управления качеством сварки [2].

 

 

 

 

1 Общая часть

 

1.1 Характеристика объекта контроля

 

В данной курсовой работе необходимо разработать технические средства и методику магнитного контроля сварных швов аттестационных образцов сварщика.

Для этого необходимо выполнить следующее:

-  провести анализ характеристик объекта контроля;

-  выбрать оптимальную схему намагничивания;

-  изучить особенности работы магнитной ленты при магнитографическом контроле;

-  произвести расчёт и разработать конструкцию устройство для намагничивания.

Разработанное устройство должно, с одной стороны, обеспечивать минимальную трудоемкость и минимальные затраты на его изготовление, а с другой – максимальную достоверность и высокую производительность  в ходе проведения контроля.

В качестве объекта контроля выступает сварной шов аттестационных образцов сварщика с размерами 600 × 250 × 10 мм. Объект контроля представлен на рисунке (1.1.1)

          

Рисунок 1.1.1 – Образец объекта контроля

 Образцы изготовлены из стали Ст 3. Конструкционную углеродистую сталь обыкновенного качества Ст 3 применяют для изготовления несущих и ненесущих элементов для сварных и несварных конструкций, а также деталей, работающих при положительных температурах. Сварной шов выполнен в соответствии с ГОСТ 14771-76.

Недопустимыми дефектами являются поры и шлаковые включения глубиной более 20% от толщины, непровары - более 10% от толщины.

Качество сварных соединений в значительной мере определяет эксплуатационную надежность и экономичность конструкций. Наличие в сварных соединениях дефектов может привести к нарушению герметичности, прочности и других эксплуатационных характеристик изделия, а при некоторых обстоятельствах и вызвать аварию. Работы по контролю качества изделия, выявлению и устранению дефектов трудоемки и существенно влияют на стоимость продукции. Снижение вероятности образования дефектов даже за счет увеличения затрат экономически целесообразно.

 

1.2  Дефекты возникающие в объекте контроля

 

Производственно – технологические дефекты существенно ухудшают прочностные и пластические свойства металла и могут явиться причиной разрушения, выхода из строя (отказа) оборудования в условиях эксплуатации, поэтому весьма актуальной является проблема своевременного выявления и устранения всех недопустимых (критических) дефектов.

Современные способы контроля позволяют обнаруживать с достаточной достоверностью производственно - технологические дефекты, возникшие на той или иной стадии изготовления продукции (изделия, оборудования): при кристаллизации и остывании металла в процессе плавления и литья, при обработке металла давлением, при термической и электрохимической обработке, при механической обработке, при сварке и пайке. Эти дефекты различаются природой возникновения, размерами, формой и расположением в металле.

К основным дефектам сварки относят наружные и сквозные дефекты, а также внутренние дефекты. В первую группу входят дефекты формы сварных швов,  кратеры, подрезы и прожоги. Ко второй группе относятся газовые поры, шлаковые включения, непровары и несплавления.

Дефекты формы сварных швов – это несоответствие конструктивных элементов сварных швов указанным в чертежах на изделие. Форма и размеры швов зависят от толщины свариваемого металла и способа сварки и задаются техническими условиями и стандартами.

К кратерам относят углубления в конце шва, образующиеся при обрыве дуги. Основной причиной возникновения кратеров в швах является недостаточная квалификация сварщиков. Кратеры уменьшают рабочее сечение шва, снижают его прочность и коррозионную стойкость.

Подрезами называют углубления в основном металле, расположенные вдоль границ сварного шва. Они образуются при сварке с повышенной тепловой мощностью источника тепла вследствие низкой квалификации сварщика.

Подрезы уменьшают рабочее сечение шва, вызывают концентрацию напряжений и являются недопустимыми дефектами, особенно в тех случаях, когда сварные соединения предназначены для работы в условиях вибрационных и динамических нагрузок.

            Еще одним видом недопустимых дефектов являются прожоги – сквозные проплавления свариваемых элементов конструкции. Причинами их образования являются чрезмерные зазоры между стыкуемыми кромками, завышенная тепловая мощность источника тепла, низкая скорость сварки, а также неплотное прилегание металлической подкладки или флюсовой подушки.

            Газовые поры – полости размером до 2 - 3 мм (обычно сферической формы), заполненные газами, образовавшимися вследствие интенсивных реакций газообразования в металле сварочной ванны и большой скорости его затвердевания. При охлаждении растворимость газов в металле резко уменьшается и часть газов стремится выйти на поверхность. Газы, встречая сопротивление кристаллизующегося металла, не могут выйти наружу и образуют в металле сварного шва внутренние поры, которые уменьшают рабочее сечение шва, а также снижают прочность и плотность сварных соединений, но в малом количестве являются допустимыми дефектами и практически не влияют на работоспособность сварных соединений.

Шлаковые и другие включения – небольшие полости, заполненные неметаллическими веществами: шлаками, окислами либо частицами вольфрама. Причинами образования шлаковых включений являются большая скорость охлаждения металла сварного шва, плохая очитка наплавленного металла от шлака при многослойной сварке, загрязнённость свариваемых кромок.

Одними из наиболее опасных дефектов сварки являются непровары и несплавления.

Несплавления – это несплошности с очень малой шириной раскрытия, образующиеся на свариваемых поверхностях, а непровар – это несплошность значительных размеров на границах между основным и наплавленным металлом или незаполненная металлом полость в сечении шва. Непровары могут снизить работоспособность сварного соединения за счет ослабления рабочего сечения сварного шва и создания концентрации напряжений в шве [3].

 

1.3 Обоснование выбора метода контроля

 

Магнитные методы контроля основаны на обнаружении магнитных полей рассеяния, возникающих при наличии различных дефектов сплошности в намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов.

По способу получения первичной информации существуют следующие методы магнитного вида контроля:

- магнитопорошковый;

- индукционный;

- магнитографический;

- феррозондовый и др.

Рассмотрим преимущество и недостатки этих методов контроля в отдельности.

Недостатками магнитопорошкового метода являются: низкая производительность, низкая чувствительность для дефектов, находящихся на большой глубине; стекание магнитной суспензии с объекта контроля. Так как магнитопорошковый  метод является индикаторным, поэтому он не позволяет даже приближенно оценить величину дефекта.

Для магнитографического метода контроля характерна особая чувствительность при выявлении протяженных поверхностных и подповерхностных дефектов объекта контроля. Этот метод безопасен для обслуживающего персонала и позволяет многократно использовать магнитные ленты.

Главным недостатком магнитографического метода является возможность фиксации ложных сигналов при наличии грубой чешуйчатости и других неровностей поверхностей сварного шва. Поэтому в настоящее время наиболее эффективные результаты магнитографический метод дает при использовании его для контроля сварных соединений, выполненных автоматической сваркой под флюсом и другими механизированными методами сварки плавлением.

Индукционный метод  –  требует высокой скорости перемещения преобразователя при контроле в приложенном поле. Такой метод можно использовать на грубых поверхностях, при этом минимальная глубина выявляемых дефектов составляет трехкратную высоту шероховатости поверхности.

Феррозондовый и индукционный метод также удобно применять для контроля цилиндрических изделий.

Таким образом анализируя существующие методы контроля и основываясь на том, что выбранный метод должен обеспечивать высокую чувствительность, достоверность контроля, производительность, удобство в эксплуатации и наглядность, приходим к выводу, что наиболее приемлемым методом контроля сварных швов аттестационных образцов является магнитографический. Этот метод обладает высокой чувствительностью, производительностью, позволяет судить о размерах обнаруженных дефектов. Магнитографический метод позволяет отстроиться от ложных сигналов, обусловленных поверхностными неровностями и структурными неоднородностями, и дает возможность многократно использовать магнитные ленты.

 

1.4 Анализ литературных источников с целью выбора способа контроля

 

Под предельной чувствительностью метода контроля понимают наименьшие размеры эталонной модели дефекта, уверенно обнаруживаемого при заданной настройке аппаратуры. Реальная чувствительность характеризует наименьшие размеры  реального дефекта, обнаруживаемого в контролируемом объекте. Считается, что дефект обнаруживается уверенно, если отношение амплитуд сигнал-шум не менее 2. При магнитографическом контроле рекомендуют объект контроля намагничивать в поперечном направлении, т. к. вектор напряженности внешнего поля  будет ориентирован перпендикулярно направлению распространения дефектов и их выявляемость поэтому будет наилучшей. [5]

При намагничивании сварного соединения в поперечном направлении выпуклость шва создает значительную неоднородность поля в зоне контроля. Объясняется это тем, что на его выступающей поверхности образуются магнитные полюсы, которые создают в шве и его окрестностях поле, направленное навстречу внешнему. Чем меньше ширина В и больше высота С усиления шва, тем слабее намагничен шов. Особенно малая индукция в плоскости симметрии шва. Поэтому выявляемость дефектов, расположенных в указанном сечении шва, наихудшая. Расчетным и экспериментальным путем было показано, что при неизменном значении напряженности намагничивающего поля одинаковым значениям обобщенного параметра шва Y = В / С всегда соответствуют одинаковые значения напряженности поля в плоскости симметрии шва. Это значит, что предварительный режим намагничивания при магнитографическом контроле необходимо устанавливать в зависимости от Y [4].

Чувствительность магнитографического контроля сварных соединений зависит не только от величины поля дефекта, но и от его градиента. При этом влияние размеров валика шва на чувствительность метода наиболее точно можно учесть с помощью обобщенного параметра  R₀ = B² / 8C - радиуса кривизны валика шва в плоскости его симметрии. Чем меньше R₀, тем ниже чувствительность контроля сварных соединений [6].

На магнитную ленту в процессе магнитографического контроля стыковых сварных соединений (при поперечном намагничивании) записывается в основном суперпозиция магнитных полей следующих видов: тангенциальные составляющие внешнего намагничивающего поля H_tо, поля изделия (без валика шва) Н_tи, поля валика шва Н_tv  и поля дефекта Н_td. Полями, обусловленными термическими неоднородностям, неоднородностями химического состава и чешуйчатостью при контроле сварных соединений изделий из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, выполненных автоматической сваркой под флюсом, можно пренебречь. Тангенциальная составляющая поля дефекта с увеличением глубины его залегания претерпевает не только количественное, но и качественное изменение. Начиная с некоторой глубины залегания дефекта H_td из колоколообразной трансформируется в двугорбую, максимумы которой смещаются к краям валика шва. Это обуславливает появление в шве областей качественно разной выявляемости дефектов [7].

Повышение чувствительности метода обусловлено увеличением индукции в контролируемых сечениях шва вследствие более высокой напряженности поля в зоне контроля, создаваемого концентраторами магнитной индукции.

Указанный способ, однако, не обеспечивает требуемой чувствительности контроля реальных сварных швов вследствие недостаточно высокой напряженности намагничивающего поля, обладает низкой достоверностью контроля, т. к. шов  в поперечном направлении намагничен неравномерно (сильнее у краев), неудобен в реализации из-за затруднительного подхода к валику контролируемого шва.

Указанные недостатки во многом устраняются, а чувствительность контроля сварных швов значительно повышается, если концентраторы магнитной индукции расположить на высоте С + D от поверхности контролируемого изделия на расстоянии друг от друга, равном ширине шва, где С - высота валика шва, 0 £ D £ 4мм [8,9]. При этом всле­дствие того, что на валик шва воздействует неоднородное дополнительное подмагничивающее поле (у середины шва сильнее, чем у краев), шов в поперечном направлении оказывается намагниченным более равномерно. Это приводит к повышению достоверности метода.

С уменьшением расстояния, между концентраторами магнитной индукции, создаваемая ими напряженность поля вначале возрастает, достигая максимального значения при l = 4…5 мм, а затем убывает. При описанном выше способе магнитографического контроля максимальное значение напряженности намагничивающего поля ограничивается шириной шва: если расстояние между рабочими гранями концентраторов магнитной индукции будет меньше, чем ширина шва, то на сигналограмме будут наблюдаться помехи, величина которых может превосходить сигналы от недопустимых дефектов.

В [10] предложено расстояние между рабочими гранями концентраторов магнитной индукции в намагничивающем устройстве установить 6 - 8 мм, а при контроле судить только о качестве участка шва, нахо­дящегося в плоскости симметрии валика и его окрестностях      (± 2 мм), т.к. по статистическим данным около 90 % дефектов сплошности располагается в плоскости симметрии шва. О качестве остального шва можно судить и по результатам традиционного способа магнитографического контроля: шов у краев намагничен обычно достаточно для уверенного обнаружения дефектов.

 В [11] предлагается концентраторы магнитной индукции расположить на расстоянии  4 ¸ 5 мм друг от друга и перемещать вместе с намагничивающем устройством вдоль шва, ориентируя ось симметрии подмагничивающей системы под углом не более 10° к продольной оси шва. Магнитную ленту необходимо при этом располагать с обратной стороны шва. В этом случае могут обнаруживаться непровары величиной 5 % и более от толщины основного металла.

  Описанные выше способы магнитографического контроля предназначены для обнаружения протяженных дефектов в шве (трещин, непроваров, подрезов, цепочек пор). Чувствительность метода при этом максимальна, т.к. вектор напряженности намагничивающего поля перпендикулярен направлению распространения дефекта. Локальные дефекты (одиночные поры, шлаковые включения) не имеют такой преимущественной ориентации: в плоскости изделия они имеют округлую форму. Чувствительность контроля реальных сварных швов на наличие таких дефектов составляет 80 ¸ 100 %.

Повысить чувствительность контроля швов на наличие пор и шлаковых включений можно, если шов намагнитить под углом к его продольной оси [12].

При этом вследствие снижения размагничивающего фактора, сварной шов окажется намагниченным значительно сильнее. Максимальная амплитуда сигнала, обусловленного дефектом, будет иметь место, если ленту считывать вдоль линии намагничивания.

Метод магнитографического контроля характеризуется также низкой разрешающей способностью: цепочку локальных дефектов трудно отличить от непровара переменной величины. Для повышения разрешающей способности метода в [13] предложено контролируемый объект намагничивать вдоль направления распространения цепочки пор во многих случаях ориентация дефектов известна), а считывание записи с ленты осуществлять вдоль линии намагничивания. При этом разрешающая способность метода возрастает 10 ¸ 40 раз, удается различить две находящиеся под краской или заполненные шлаком поры наружной поверхности даже в том случае, если они перекрываются. Повышение разрешающей способности метода в этом случае можно объяснить следующим. При режимах, обеспечивающих высокую чувствительность метода, поля локальных дефектов оказываются вытянутыми в направлении, перпендикулярном вектору напряженности поля. Линии равных значений тангенциальной составляющих полей пор и шлаковых включений имеют вид эллипсов, большие оси которых ортогональны направлению намагничивания.

Одним из путей повышения чувствительности контроля является от-стройка от помех, обусловленных валиком шва, поверхностными неровностями и структурными неоднородностями контролируемого объекта. Например, от помех, обусловленных валиком шва и краями ленты, можно отстроиться, если применить две совмещенные магнитные головки с дифференциальной схемой включения обмоток [14]. При наложении на край ленты в головках будут индуцироваться практически одинаковые сигналы (из-за близости расположения головок друг от друга), которые на выходе можно исключить путем встречного включения обмоток в головках.

Недостаток – двухканальная дифференциальная головка регистрирует лишь локальные дефекты, либо начало и конец протяженного.

В современных дефектоскопах от помех, обусловленных краями магнитной ленты, отстраиваются электронными устройствами. Основным узлом устройства является линейный селектор времени, пропускающий сигналы на индикатор только в те моменты, когда считывающая магнитная головка пробегает над средней частью ленты [15].

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ [16], в котором индикатором является магнитная пленка, входящая в состав магнито - доменного преобразователя, размещаемого на поверхности контролируемого изделия. Магнитное состояние пленки задается результирующим магнитным полем, составляющими которого являются внешнее магнитное поле (генерируемое устройством контроля) и поля рассеяния исследуемого объекта, при этом магнитное состояние пленки регистрируется магнитооптическим методом, а дефектность изделия определяется из анализа магнитооптического сигнала при сканировании магнитодоменным преобразователем поверхности изделия.

Известен способ магнитографического контроля [17], где на изделие укладывают магнитную ленту, однократно намагничивают ее совместно с изделием в поперечном длине ленты направлении магнитным полем, величину напрженности H_о которого определяют по эмпирическим таблицам, учитывающим магнитные свойства ленты, толщину изделия и другие факторы, снятую с изделия ленту сканируют построчно в поперечном ее длине направлении индукционной головкой, сигнал головки подают на осциллограф и о наличии дефектов судят по изображению на экране. Способ применяется для контроля изделий, сварных швов и пр. толщиной до 20-25 мм и должен обеспечивать выявление дефектов в 5-10% и более от толщины стенки.

Недостатком способа [17] является трудность выбора значения H_о, оптимального для выявления всех возможных дефектов. Действительно, значение H_о, достаточное для выявления наружных дефектов (НД), не позволяет обнаружить глубоколежащие внутренние дефекты (ВД); в свою очередь, в полях H_о, достаточных для выявления ВД, сигнал НД может резко уменьшиться. На практике ориентируются на выявление наименьших недопустимых дефектов на внутренней для ленты стенке изделия, причем такими дефектами служат искусственные щели.

Известен способ неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных материалов, заключающийся в том, что к контролируемому участку предварительно намагниченного изделия прикладывается магнитная лента, далее с нее считывается магнитограмма, по которой затем выявляется наличие дефекта и определяется его местонахождение.

Для уверенного обнаружения дефектов, создающих поля рассеяния, совпадающие с краем валика шва, в [17] предложено дополнительно проводить контроль при режиме 0,2Н_С£Н_tP£0,4Н_С, где Н_С – коэрцитивная сила ленты. При этом помехи, обусловленные валиком шва, не создают магнитного контраста записи на ленте, т.к. в этом случае магнитная лента работает на участке обратимого намагничивания.

Анализ литературных источников, включая патенты на изобретения, показал, что целесообразно производить раздельный контроль сварных швов на наличие протяжённых и локальных дефектов. В первом случае сварной шов необходимо намагничивать в поперечном направлении, используя при неблагоприятных размерах выпуклости шва концентраторы магнитной индукции, во втором случае – в продольном направлении, считывая запись с ленты вдоль направления её остаточной намагниченности.

В [18] на ленту перед укладкой на изделие воздействуют полем заданной напряженности, направление которого совпадает с рабочим, а величина равна сумме внешнего поля и поля рассеяния от наибольшего допустимого дефекта. В предлагаемом способе контроля поляризованную ленту вначале намагничивают полем заданной напряженности (при этом ее  перемагничивание происходит по кривой OCD (рисунок 3.1), а затем совместно с изделием - полем рабочей напряженности Н_р (перемагничивание по кривой ОAD). На ленту воздействует также поле помех Н_п, подмагничивая отдельные ее участки до точки С, и поля дефектов, подмагничивая ее до точки Е. После прекращения действия намагничивающего поля участки ленты, не подвергавшиеся действию полей помех и полей дефектов, приобретают остаточную намагниченность, соответствующую точке D (перемагничивание происходит по пунктирной линии AD);  такую же намагниченность приобретают участки ленты в местах действия полей помех Н_п (перемагничивание по кривой  CD). Контраст  записи полей помех равен нулю. Контраст записи на участках ленты, подвергшихся действию полей дефектов, равен DМ_d. Таким образом, отношение амплитуд сигнал-шум стремится к бесконечности (приборные шумы не учитываются).

Для повышения чувствительности контроля изделий, когда амплитуда полезного сигнала незначительно превышает амплитуду сигнала от наибольшего допустимого дефекта, а фон помех меньше сигналов от наибольшего допустимого дефекта, в [19] предложен следующий способ магнитографического контроля. Перед оценкой качества изделия на магнитограмме, ленту намагничивают по участкам с равными по амплитуде помехами дополнительным полем, направление которого совпадает с направлением поля рабочей напряженности, а величина меньше суммы поля рабочей напряженности и поля от наибольшего допустимого дефекта. При осуществлении этого способа поляризованная магнитная лента, прижатая к изделию, под действием поля рабочей напряженности Н_р перемагничивается по сплошной кривой OCD. При этом участки ленты, на которые воздействуют также поля помех Н_п, меньше поля наибольшего допустимого дефекта Н_пd, перемагничиваются по сплошной кривой OCEF , а участки, на которые действуют поля недопустимых дефектов Н_d - по кривой OCEJGH₁. Затем на ленту, снятую с объекта контроля воздействуют дополнительным полем напряженности Н_д, равным сумме поля рабочей напряженности и помех, меньших поля наибольшего допустимого дефекта Н_пd.

При этом участки ленты, находившиеся только под действием поля рабочей напряженности, перемагничиваются по кривой DPCEF, а участки ленты, находившиеся под действием полей помех Н_п, по кривой FREF. Таким образом, контраст магнитной записи поля дефекта определяется отрезком H₁F (большим, чем в предыдущем случае). При традиционном же способе магнитографического контроля с использованием поляризованной магнитной ленты объект контроля вместе с лентой намагничивают полем рабочей напряженности Н_р (рисунок 2.1).

 

Рисунок 2.1 – Пояснение способа магнитографического контроля

 

В этом случае  вся лента перемагничивается по кривой OCD, а ее участки, находившиеся под действием полей дефектов Н_d  - по кривой OGH₁. Те участки, на которые воздействовало  внешнее поле и поля-помехи, перемагничиваются по кривой OEF. Тогда контраст записи  на ленте полей дефектов будет определяться отрезком  DH₁, а полей-помех - DF. Отношение амплитуд сигнал-шум будет равно DH₁/DF.

При контроле сварных соединений, если намагничивание объекта контроля производят в поперечном направлении, описанные выше операции нужно выполнять, когда лента уложена на поверхность бездефектного контрольного образца с зачищенными неровностями валика шва [4].

 

 

 

 

2 Разработка оборудования для контроля

 

2.1 Анализ литературных источников с целью разработки или модернизации оборудования для контроля

 

В практике магнитографического контроля получили применение следующие типы намагничивающих устройств:

• Дисковые магниты ДМ, используемые для контроля листовых конструкций и труб с толщиной стенки до 5 – 6 мм.
• Подвижные намагничивающие устройства ПНУ, применяемые при контроле труб диаметром свыше 150 мм и листовых конструкций толщиной до 16 мм.
• Устройства, используемые для контроля стыков труб небольших диаметров типа намагничивающих клещей НК, поясов НП и вилок НВ.

Намагничивающее устройство ДМ – дисковый магнит, предназначенное для контроля листовых конструкций, состоит из двух дисков и соединяющего их стержня. На стержне размещена обмотка, концы которой выведены к зажимам, изолированным от магнитопровода.

В подвижных намагничивающих устройствах ПНУ применен принцип одновременного создания однородного магнитного потока на участке значительной протяжённости. Устройство состоит из двух стальных полюсов, скрепленных стальными сердечниками, на которых размещаются одна или две катушки. Стальной каркас с катушками опирается на четыре колеса из немагнитного материала. Колёса расположены таким образом, что при установке намагничивающего устройства на контролируемое изделие между полюсными наконечниками и поверхностью изделия образуется воздушный зазор в 2 – 3 мм. Устройство перемещается вдоль контролируемого шва таким образом, чтобы возбуждаемый при включении тока магнитный поток пересекал продольную ось шва под прямым углом.

Неподвижное устройство типа НК предназначено для труб небольших диаметров и представляет шарнирно раскрывающийся электромагнит, позволяющий одновременно намагничивать контролируемый стык по всему периметру. Намагничивающие клещи состоят из двух стальных каркасов – полуколец, соединённых между собой шарниром. На каркасах размещены обмотки электромагнита, соединённые последовательно. Клещи снабжены рукоятками, дающими возможность устанавливать и снимать их с контролируемого стыка.

Намагничивающие устройства МП, условно называемые магнитными поясами, предназначены для магнитографического контроля стыков труб и других изделий цилиндрической формы небольшого диаметра с толщиной стенки до 3 – 4 мм. Основные достоинства устройства МП заключаются в одновременном намагничивании стыка по всему его периметру, в универсальности и портативности источника тока.

Намагничивающая вилка НВ предназначена для контроля стыков труб небольших диаметров и состоит из стального каркаса и рукоятки. Полюса вилки охватывают контролируемый стык на половину длины его окружности, поэтому контроль стыков труб с помощью вилки производится с двух сторон. Намагничивающие вилки удобно применять в тех случаях, когда имеется односторонний доступ к контролируемым швам [5].

Известно также намагничивающее устройство с П – образным сердечником, ролики которого закреплены на втулках, которые, в свою очередь, крепятся на осях намагничивающего устройства. Втулки содержат эксцентричные внутренние отверстия, что позволяет изменять расстояние между полюсами электромагнита и поверхностью объекта контроля [22]. 

Существуют также намагничивающие устройства для магнитографической дефектоскопии, содержащие установленный на роликах с возможностью перемещения в направлении создаваемого поля, электромагнит с П – образным сердечником, полюсы которого имеют в средней части проёмы. Устройство позволяет намагничивать сварной шов вдоль его продольной оси, что обеспечивает высокую чувствительность метода контроля при обнаружении локальных дефектов в шве [23].

Это устройство может быть использовано для обнаружения локальных дефектов в сварных соединениях аттестационных образцов сварщика.

Для обнаружения протяжённых дефектов устройство должно содержать П – образный сердечник с длиной полюсов не менее 200 мм, что будет уменьшать растекание магнитного потока в изделии, позволит достичь в шве большей индукции, а следовательно и повысить чувствительность контроля.

 

2.2 Компоновка оборудования для контроля

 

В качестве приспособления для контроля швов на наличие дефектов используется устройство в форме стола с проёмом и вспомогательной подставкой. На столешнице устройства установлены две металлические технологические пластины, одна из которых подвижная, а другая – фиксированная. В проёме столешницы находится поролоновая подушка, на которою укладывают магнитную ленту, а затем поверх самой ленты располагают и сам объект контроля.

 

2.3 Расчет электромагнита  намагничивающего устройства

 

Для расчета намагничивающего устройства необходимо знать оптимальное значение индукции в контролируемых сечениях объекта контроля. Расчет выполним по методике.

Расчёт выполним по методике, изложенной в [20].

Расчёт начинается с построения кривой намагничивания материала контролируемого изделия B = f(H) (рисунок 2.3.1). Данные для построения кривой намагничивания берутся из таблицы [20].

 

Рисунок 2.3.1 – Кривая намагничивания материала изделия

 

Используя данные построенной кривой строим зависимость  (рисунок 2.3.2).

 

                                                                                                (2.3.1)

где m₀ =4·p·10^-7,Гн/м.

 

Рисунок 2.3.2 – Зависимость  от индукции в контролируемом сечении

Расчет оптимального режима сводится к отысканию максимального приращения производной на падающей (правой) ветви данной кривой. Максимальное приращение производной m/B и находится в месте перегиба кривой функции m(В) на ее ниспадающей ветви (в этой точке ²m/B² = 0).

По приближенным формулам определяют m/B и ²m/B², используя значение m нисходящей ветви кривой m(В) для точек В_i±h/2 и В_i±h.

 

                                                                    (2.3.2)

 

 

                                                       (2.3.3)

 

где h – шаг выбора значения µ.

 

Оптимальному режиму намагничивания соответствует минимум функции m/B (рисунок 2.3.3) и точка пересечения графика функции ²m/B² с осью абсцисс (рисунок 2.3.4).

 

Рисунок 2.3.3 – Зависимость m/B от индукции в контролируемом сечении

 

 

Рисунок 2.3.4 – Зависимость ²m/B² от индукции в контролируемом сечении

 

Из последнего графика видно, что значение В_опт = 1,7 Тл

Далее выполняем расчет электромагнита по методике, описанной в [11].

Целью расчёта является определение намагничивающей силы IW устройства для создания в изделии необходимой индукции, где I – ток в обмотке, W – число витков обмотки электромагнита.

Размеры намагничивающего устройства выбираем конструктивно, учитывая, что толщина полюсов электромагнита должна быть в 2 - 3 раза больше толщины стенки намагничиваемого изделия.

Исходя из задания, толщина стенки контролируемого изделия b=10 мм, выбираем толщину полюсов электромагнита d=30 мм. Расстояние между полюсами электромагнита L=100 мм, высота h=120 мм, длина C=200 мм (рис. 2.3.5).

                       

 

Рисунок 2.3.5 – Расчётная схема электромагнита

       

 

Рисунок 2.3.6 – Эквивалентная электрическая схема электромагнита

 

Из закона Кирхгофа следует:

 

IW = SH_i · I_i         ,                                                   (2.3.4)

 

где H_i  I_i – падение магнитного напряжения на участке магнитной цепи.

Рассматриваем сумму падений магнитных напряжений в изделии U_И, в зазорах U_Y, в магнитопроводе U_П

 

  ,                                                       (2.3.5)

 

где    L – длина средней линии изделия;

         d – толщина полюсов;

         Ф_и – магнитный поток в изделии;

         b – толщина изделия.

Строим кривую намагничивания материала изделия (рисунок 2.3.5). Используя выражения (2.3.5), по значениям H_u и B_u, взятым с кривой намагничивания, строим зависимость U_u = f(Ф_u), а затем зависимость U_у = f(Ф_u) в той же системе координат (рисунок 2.3.7).

 

                               ,                                               (2.3.6)

 

где H₀ – напряжённость поля в зазоре;

       δ – толщина суммарного зазора, равная 0,5 мм

      

Рисунок 2.3.7 – Зависимость магнитных напряжений в зазоре U_y и в изделии U_u от

магнитного потока в нём

 

Затем строим кривую падения магнитного напряжения в магнитопроводе в зависимости от потока в нём U_n=f(Ф_n) (рисунок 2.3.8).

 

  ,                                        (2.3.7)

 

где    Ф_п  – магнитный поток в магнитопроводе.

 

          

Рисунок 2.3.8 – Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе от магнитного потока в нём

Чтобы пересчитать U_n  в зависимости от Ф_n, запишем уравнение Кирхгофа для точки М эквивалентной электрической схемы на рисунке 2.3.6.

 

      Ф_п – Ф_И  –  F = 0 ,                                         (2.3.8)

 

где F – магнитный поток рассеяния, шунтирующий изделие и переходной участок.

Так как отношение потоков Ф_И и F обратно пропорционально магнитным сопротивлениям R_АВ + R_у и R_F, то

 

,                                            (2.3.9)

,                                          (2.3.10)

где R_F – магнитное сопротивление потока рассеивания между полюсами электромагнита;

Сопротивление потока рассеивания между полюсами электромагнита:

 

,                                              (2.3.11)

 

где G_F – проводимость участка между полюсами намагничивающего устройства и рассчитывается по формуле

 

                                   G_{F =} m₀·( h_F ·x_F + y_F),                                              (2.3.12)

                                   

 h_F = h – d,                                                 (2.3.13)

 

 ,                                   (2.3.14)

       ,                             (2.3.15)

  

 h_F=0.09 м,

  

 X_F=2.819

   

Y_F=0,112 м

                                   

G_{F =} 4,59·10^-7 Гн

                                   

 R_F = 2,177·10⁶ Гн^-1

 

Из формул (2.3.8) и (2.3.9) следует:

 

,                                             (2.3.16)

                  ,                                                 (2.3.17)

                                         ,                                                 (2.3.18)

 

где В_и и Н_и – соответствуют оптимальному режиму намагничивания:

 

R_U = 3,088·10⁵ Гн^-1,

     R_Y = 6.635·10⁴  Гн^-1.

 

Путем пересчета с использованием формулы (2.3.16) из последнего графика получают зависимость U_n = f(Ф_u) (рисунок 2.3.9). Затем, суммируя U_u, U_y, U_n, получают зависимость U_å = f(Ф_u) (рисунок 2.3.10). Зная сечение изделия, строят вторую ось (В_u), т.е. аналогичную зависимость U_å = f(В_u), где В_u = Ф_u / S_u.

 

Рисунок 6.9 – Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе от магнитного потока в изделии

 

 

Рисунок 6.10 – Зависимость суммарного магнитного напряжения в магнитопроводе от магнитного потока и индукции в изделии

 

Зная значение В_опт =1,7 Тл в контролируемом сечении, определяем U₁ по рисунку 2.3.10.

 

U₁ = I·W,                                                (2.3.19)

 

Затем с учетом коэффициента заполнения К_з = 0,4 и площади S окна занимаемого всеми витками катушки, определяем число витков обмоточного провода, задаваясь тремя диаметрами проволоки d=1, 2 и 3 мм

 

,                                               (2.3.20)

 

где   S = 0.8·L(h – d).

 

     ,

      W₁=3669

      W₂=917

      W₃=407

Принимаем число витков обмоточного провода равным W=917.

Далее определяем величину тока в катушке по известным намагничивающей силе и числу витков (формула 2.3.19)

 

                                                                                       (2.3.21)

                                         

       I₁= 7,25 А

                                           I₂= 29 А

                                           I₃= 65, 253 А

                                              

Определяем электрическое сопротивление обмотки по следующей формуле

 

 ,                                       (2.3.22)

 

где l_ср – средняя длина витка провода в катушке,

r – удельное электрическое сопротивление.

 

                              ,                                    (2.3.23)

    ,

                                             

                                       R₁ = 41,262 Ом

 R₂ = 2,579 Ом

 R₃ = 0,509 Ом

 

Определяем потребляемую мощность:

    

         P=I²·R,                                                  (2.3.24)

 

     P₁ = 2169 Вт

     P₂ = 2169 Вт

     P₃ = 2169 Вт

 

Во всех трёх случаях (для разных диаметров и числа витков) мощность получилась одинаковой 2169 Вт. Это означает, что мощность не зависит от диаметра провода. Выбираем диаметр проволоки исходя из приемлемого числа витков катушки:

d = 2 мм,

    W = 917 витков.

 

В этом пункте было определено оптимальное значение магнитной индукции в контролируемых сечениях объекта, B_опт = 1,7 Тл. На основе полученных расчётов и использованных литературных источников были определены параметры электромагнита намагничивающего устройства: число витков провода диаметром 2 мм – 917, сечение полюса 200 х 30 мм.

 

2.4 Разработка оборудования для контроля. Описание устройств и принципа их действия

 

Для магнитографического контроля сварных соединений аттестационных образцов применяют подвижное намагничивающее устройство, позволяющее намагничивать всю длину стыкового шва с одного прохода. Так как производится контроль малогабаритного объекта, то для него целесообразно применить подвижное  намагничивающее устройство. Намагничивающее устройство устанавливают на объекте контроля так, чтобы сварной шов находился между полюсами электромагнита под углом 10 ... 20 ⁰ . Намагничивающее устройство содержит П-образный сердечник, на котором намотана обмотка, колеса для перемещения по изделию и подмагничивающую систему в виде пластин. Пластины закреплены с возможностью перемещаться в вертикальном направлении, а полюсы электромагнита - с возможностью перемещаться в горизонтальном направлении. Оператор устанавливает намагничивающее устройство с пластинами подмагничивания, образующие рабочий зазор между собой. Устройство перемещают по контролируемой поверхности вдоль шва так, чтобы направление перемещения и продольная ось зазора между пластинами составляли заданный угол 10 ... 20 ⁰ , а в процессе перемещения электромагнита вдоль шва ориентируют его так, чтобы противолежащие точки проекции пластин, образующий рабочий зазор, располагались на границе шва. После намагничивания проводят считывание магнитограммы, по результатам расшифровки которой определяют качество шва.

Намагничивающее устройство работает следующим образом. После закрепления на поверхности обратного валика шва размагниченной магнитной ленты, симметрично относительно продольной оси шва, образец вместе с лентой устанавливают в специальное приспособление для контроля швов на наличие дефектов. Намагничивающее устройство располагают перед началом шва образца таким образом, чтобы боковые поверхности колес были ориентированы параллельно оси шва. После включения рабочего тока в катушке намагничивающего устройства его перемещают по поверхности образца вдоль всей длины шва до полного намагничивания.

 

 

 

 

3 Разработка методики контроля

1. Произвести визуально-измерительный контроль сварного шва. Шов осматривается визуально на наличие видимых дефектов: трещин, дефектов нарушения сплошности. Шов должен соответствовать требованиям ГОСТ 14771-76 или другому нормативно-техническому документу, утвержденному в установленном порядке. С поверхности контролируемых сварных швов и околошовных зон должны быть удалены грязь и другие посторонние наслоения, затрудняющие плотное прилегание магнитной ленты и ухудшающие условия магнитной записи на ней полей дефектов.
2. Подготовить к контролю магнитную ленту (уложить под образец по всей длине шва), предварительно размагнитив.
3. Уложить образец в проём.
4. Установить устройство для продольного намагничивания на образец и намагнитить контролируемый шов, предварительно отметив участки контроля на ленте (привязка ленты).
5. Извлечь магнитную ленту из под образца и считать запись на дефектоскопе. Дефектоскоп предварительно настроить по эталонной магнитной ленте.
6. Если амплитуда сигнала от дефекта превышает браковочный уровень, то дефект считать недопустимым. Отметить места, соответствующие недопустимым дефектам, на ленте и перенести указанные отметки на поверхность соответствующего контролируемого образца по предварительно сделанной привязке ленты.
7. При контроле использовать технологические пластины, представляющие собой продолжение полотнища по которому двигается устройство и устанавливаются у начала и конца шва.

Выбор типа  магнитной ленты для магнитографического контроля изделий:

Известен оптимальный режим намагничивания (B_опт = 1,7 Тл) и кривая намагничивания материала изделия.

Для получения широкого диапазона характеристики ленты рекомендуют использовать ленту такого типа, чтобы её рабочая точка  А совпадала с начальной точкой крутого возрастающего участка характеристики ленты (рис. 3.1).

Напряженность поля, требуемая для намагничивания ленты до указанной точки, приблизительно равна её коэрцитивной силе.

 

Рисунок 3.1 – Характеристика магнитной ленты

Поэтому для выбора типа ленты по кривой намагничивания материала определяют напряженность поля, требуемую для получения B_опт (в нашем случае =55 А/см). Так как составляющая вектора напряженности поля, параллельная границе раздела сред, имеет по обе стороны границы одинаковые значения, а ферромагнитный слой ленты находится практически у самой поверхности, то на ленту в ее плоскости воздействует поле напряженностью . Это поле смещает рабочую точку характеристики ленты. По таблице [21] выбираем магнитную ленту И4701–35 с коэрцитивной силой 80 А/см близкой к .

 

 

 

4  Метрологического обеспечения средств контроля

 

Метрологическим обеспечением называют установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерения.

Для настройки чувствительности дефектоскопов используются испытательные образцы и контрольная магнитограмма. Испытательные образцы служат для изготовления контрольных магнитограмм.

Испытательные образцы должны быть изготовлены для каждой  толщины объекта контроля и марки стали листов, качество которых подлежит контролю магнитографическим методом. Если на данном объекте контроля применяются металлические листы различной поставки, но из стали с одинаковыми или близкими структурами химического состава и магнитными свойствами, то изготавливается один общий испытательный образец для полотнищ из этих сталей с одинаковой толщиной.

Глубину искусственных дефектов выбирают равной минимальному браковочному уровню для заданной толщины объекта контроля в соответствии с требованиями. На поверхности испытательного образца должны быть отмечены краской расположение и границы участков, имеющих дефекты с указанием вида и величины  этих контрольных дефектов. Каждый испытательный образец должен быть проверен и принят комиссией.

Контрольная магнитограмма служит для настройки чувствительности дефектоскопов. Контрольные магнитограммы записывают на испытательных образцах путем намагничивания их теми же устройствами и при тех же режимах, которые применяются для контроля сварных образцов.

Для изготовления контрольной магнитограммы используют магнитную ленту того же типа, что и при неразрушающем контроле изделий. При каждой смене партии магнитной ленты должна быть изготовлена новая контрольная магнитограмма из новой партии ленты. На магнитограмме должны быть отмечены карандашом:

- границы участков с указанием вида и величины дефектов;

- толщины основного металла и испытательного образца;

- режим намагничивания.

Если амплитуда сигнала, обусловленного дефектом в контролируемом изделии, превышает браковочный уровень, то дефект считают недопустимым. Настройку чувствительности магнитографического дефектоскопа следует проводить перед каждым началом работы с ним.

 

 

 

5 Мероприятия по охране труда

 

При работе на магнитных дефектоскопах необходимо соблюдать следующие правила:

1) Дефектоскоп должен быть надежно заземлен. В цепи заземления категорически запрещается устанавливать предохранители или выключатели, а также использовать провода заземления в качестве токоведущих для рабочего тока.

2) Штепсельное соединение должно быть выполнено с тремя контактами, из которых два соединяют с питающей сетью, а один с заземляющим проводом. Если дефектоскоп присоединяется к питающей сети с помощью штепсельной вилки, а заземление осуществляется третьим проводом с кабельным наконечником, то заземляющий провод должен быть надежно присоединен к клемме заземления.

3) Запрещается прикасаться к неизолированным токоведущим частям, находящимся под напряжением, независимо от его величины. Перед зажатием детали в зажимном устройстве дефектоскопа для ее циркулярного намагничивания необходимо поверхность контакта тщательно очистить от загрязнений, масла, керосина и т.д. Необходимо следить за чистотой медных стержней, не допускать применение стержней с забитыми торцами.

 4) При каждом, даже кратковременном перерыве в работе, а также при переходе  с одного рабочего места на другое,  дефектоскоп должен быть отключен от питающей сети.

5) Вблизи дефектоскопа нельзя хранить легковоспламеняющиеся вещества: бензин, ацетон и т.д. Запрещается применять открытый огонь.

6) Рядом с дефектоскопами необходимо иметь углекислотные огнетушители.

7) Работа на дефектоскопе разрешается только специалистам, обученным магнитному контролю и знающим устройство дефектоскопа и правила работы на нем.

 

 

 

Заключение

 

1. Проанализировав существующие методы контроля и основываясь на том, что выбранный метод должен обеспечивать высокую чувствительность, достоверность контроля, производительность, удобство в эксплуатации и наглядность, приходим к выводу, что наиболее приемлемым методом контроля сварного шва аттестационных образцов сварщика является магнитографический, так как он обладает высокой чувствительностью, производительстью, позволяет судить о размерах обнаруженных дефектов, позволяет отстроиться от ложных сигналов, обусловленных поверхностными неровностями и структурными неоднородностями, и позволяет многократно использовать магнитные ленты.
2. Анализ литературных источников, включая патенты на изобретения, показал, что целесообразно производить раздельный контроль сварных швов на наличие протяжённых и локальных дефектов. В первом случае сварной шов необходимо намагничивать в поперечном направлении, используя при неблагоприятных размерах выпуклости шва концентраторы магнитной индукции, во втором случае – в продольном направлении, считывая запись с ленты вдоль направления её остаточной намагниченности.
3. Для обнаружения протяжённых дефектов намагничивание шва целесообразно осуществлять цепочкой электромагнитов, перемещаемых вдоль сварного шва с помощью ферромагнитных роликов. Это позволяет уменьшить растекание магнитного потока в изделии и повысить чувствительность контроля вследствие увеличения индукции в контролируемом сечении объекта.

Устройство для намагничивания шва с целью обнаружения локальных дефектов рационально выполнить в виде одиночного электромагнита, полюсы которого содержат проёмы для прохождения в них шва с уложенной на его поверхность магнитной лентой при перемещении устройства.

4. Расчётным путём определено оптимальное значение магнитной индукции в контролируемых сечениях объекта, B_опт = 1,7 Тл. На основе результатов расчётов и рекомендованной литературы определены параметры электромагнита намагничивающего устройства: число витков провода диаметром 2 мм – 917, сечение полюса 200 х 30 мм.
5. Разработано приспособление для магнитографического метода контроля швов на наличие локальных дефектов, состоящее из двух технологических пластин, расположенных на столешнице с проёмом, подставки и поролоновой подушки, на которую укладывается магнитная лента.
6. Разработанные устройства и методика позволяют обнаружить в сварных швах поры и шлаковые включения глубиной более 20% от толщины контролируемого изделия, непровары – более 10% от толщины.

 

 

  Список литературы доступен в полной версии работы

 

СОДЕРЖАНИЕ АРХИВА РАБОТЫ:

 Скачать: kursovoy-po-magnitnomu-kontrolyu1.rar