Акустический контакт на основе магнитных жидкостей и разработка преобразователя для ультразвуковой дефектоскопии

Высокие требования к надежности современных технических устройств требуют совершенных методов и средств неразрушающего контроля" Достаточно широкий класс задач по выявлению в изделиях внутренних и поверхностных дефектов, а также контролю структуры и геометрических размеров решается с помощью ультразвуковой дефектоскопии [ I ] • Однако для изделий, имеющих сложный рельеф и произвольную ориентацию в пространстве, возникают трудности в создании стабильного акустического контакта и локализации звукоцроводной среды между ультразвуковым преобразователем и объектом контроля, препятствующие более широкому внедфению ультразвуковой дефектоскопии, Для создания надежного акустического контакта между ультразвуковым преобразователем и изделием нами впервые предложено использовать магнитные жидкости — представители класса коллоидных растворов, обладающие свойствами обычных жидкостей и способные под воздействием магнитных полей изменять свое положение в цространстве 1I4j • Магнитные жидкости уже нашли широкое применение в различных технических устройствах, например, для уплотнения вращающихся систем, сепарации редкоземельных металлов и других приложениях [зо] • Применение магнитных жидкостей в ультразвуковой дефектоскопии повышает ее информативность и надежность, а также дает хорошие предпосылки для автоматизации контроля изделий, Для реализации цредложенного способа на црактике требуется: — исследовать влияние магнитного поля и концентрации магнетика в магнитной жидкости на состояние акустического и электроакустического тракта ультразвукового дефектоскопа- - изучить условия формирования и определить оптимальные параметры магнитожидкостного звуколровода и магнитного поляобеспечивающие надежный акустический контакт- - разработать ультразвуковые преобразователи с магнитным, удержанием контактной жидкости и исследовать их рабочие параметры. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с постановлением Госкомитета СССР по науке и технике от 5 июня 1978 г" !h 236 по теме: «Изготовить макеты электроакустичесхшх преобразователей на диапазон частот I кГц 4- I мГц с использованием магнитной жидкости (М = 50 ^) на основе керосина с размерами частиц феррофазы 40 * 200 А». Она состоит из четырех глав и приложения. В первой главе дан анализ существующих способов создания акустического контакта, реализуемых в ультразвуковой дефектоскопии с помощью жидких сред. Рассмотрены основные направления совершенствования способов ввода упругих волн в объекты контроля и показана. перспективность использования для этих целей магнитных жидкостей. Вторая глава посвящена исследованию акустических свойств магнитных жидкостей и их влиянию на акустический и электроакустический тракт ультразвукового дефектоскопа. Получены новые данные о закономерностях изменения скорости распространения упругих волн, удельного акустического сопротивления и коэффициента затухания в зависимости от состава магнитных жидкостей и температуры. На основе этих данных проведен расчет параметров акустического тракта ультразвукового дефектоскопа и выполнена экспериментальная проверка. В третьей главе приведены данные о влиянии магнитного поля на акустические свойства магнитных жидкостей и обеспечение акустического контакта между ультразвуковым преобразователем и объектом контроля. Получены соотношения, связывающие параметры магнитного поля и магнитожидкостного звукоцровода, обеспечивающие условия для поддержания постоянства акустического контакта. Определены области локализации шгнитной жидкости в щелевом зазоре между преобразователем и объектом контроля в зависимости от размеров призматического магнита и }го расположения в пространстве. Четвертая глава посвящена разработке ультразвуковых щ) еобразователей с магнитным удержанием маггатной жидкости и исследованию стабильности акустического контакта и расхода магнитной жидкости. Представлены результаты испытания >тих преобразователей в производственных условиях для контроля осей солесных пар вагонов. Разработанный способ создания акустического [онтакта (а.с. № 697 316) и реализующее его устройство (полож. реш.10 заявке F' 3 506 373/28) внедрены на Минском вагоноремонтном заводе [м.Мясникова и вагонном депо Барановичи. За счет повышения произюдительности контроля и устранения черновой обработки экономи[еский эффект от внедрения предложенного способа составляет 640 руб. [а I тысячу проконтролированных вагонных осей. Новыми, видвигаемыми к защите, предложениями и результатами S данной работе являются следующие.1. Впервые предложенный и разработанный способ создания акус’ического контакта с помощью магнитных жидкостей, предназначенный, ля ультразвукового контроля сложнопрофилированных и расположенных I труднодоступных местах изделий (а.с. F- 697 916). Разработанный реобразователь (полож.реш. по заявке f 3 506 373/28), обеспечивающий более высокое качество акустического контакта и производитель: ость контроля по сравнению с традиционными средствами контроля ваонных осей.2. Полученные новые данные о закономерностях изменения акустичеких свойств магнитных жидкостей на основе керосина, трансформаторого масла и воды в диапазоне объемных концентраций магнетика от уля до 27,4%, 18^Tfo и 7,3iS соответственно, для температур 20 4О С и магнитных полей 4*10^ А/м. Предложенные формулы |, ля определения скорости и коэффициента затухания ультразвуковых юлн в магнитных жидкостях. Предложенный способ температурной ста) илизации условий ввода ультразвука в объект контроля через локаль1ую иммерсионную ванну.3. Экспериментально установленные данные о том, что изменение 1кустических свойств магнитных жидкостей в магнитных полях можно не читывать при расчете тракта ультразвукового дефектоскопа. Полученные данные, свидетельствующие о том, что увеличение концентрации магнети: а в магнитной жидкости приводит, преимущественно, к росту угла ввода [ расширению диаграммы направленности преобразователя с локальной им[ерсионной ванной, а также линейному увеличению коэффициента прозрач[ости по энергии слоя жидкости в рабочем диапозоне изменений угла! ВОда.4. Предложенные соотношения между характеристиками магнитного [ОЛЯ и параметрами контактного слоя магнитной жидкости, при выполне[" ии которых обеспечивается сплошность магнитожидкостного звукопровода. Результаты настоящей работы докладывались на семинаре «Повыше[ие эффективности применения метода неразрушающего контроля в метал-ургической и трубной прогшшленности» (г.Киев, 1980 г), на Всесоюзных научно-технических конференциях:" Неразрушающие физические меоды и средства контроля" (г.Минск, I98I г.) — «Проблемы ускорения юазработок и внедрения методов ультразвуковой дефектоскопии металоконструкцйй». (г.Ленинград, 1983 г.), на семинарах во ВНИИНК. Кишинев, 1983 г.), НИШостов ЛИШТа (г.Ленинград, 1984 г.).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

1. Впервые предложен и разработан способ создания акустического контакта, основанный на использовании магнитной жидкости в качестве контактной среды при ультразвуковом контроле изделий сложного поверхностного рельефа и различной пространственной ориентации (а.с. № 697 916). Применение этого способа за счет улучшения стабильности акустического контакта по сравнению с известными решениями повышает информативность, надежность и производительность ультразвуковой дефектоскопии, дает реальные предпосылки для автоматизации этого процесса.

2. Получены новые данные о закономерностях изменения акустических свойств магнитных жидкостей на основе керосина, трансформаторного масла и воды во всем диапазоне объемных концентраций магнетика от нуля до 27,4 $, 1 В, 7% и 7,3% соответственно. Экспериментально установлено, что увеличение концентрации магнетика в коллоидном растворе сопровождается преимущественно уменьшением абсолютной величины концентрационного и температурного коэффициентов скорости и ростом удельного акустического сопротивления и коэффициента затухания ультразвука в магнитных жидкостях. Скорость ультразвука в магнитных жидкостях на основе керосина и трансформаторного масла практически линейно убывает с ростом температуры, а в магнитных жидкостях на основе воды — представляет кривую, максимум которой смещается в область меньших температур с увеличением содержания магнетика.

3. Предложены феноменологические формулы для описания зависимости скорости продольных волн и удельного акустического сопротивления от концентрации магнетика в магнитных жидкостях на органической основе, выведенные в предположении об аддитивности и неизменности адиабатических сжимаемостей и плотностей компонентов, вводимых в коллоидный раствор. Даны эмпирические формулы для: определения коэффициента затухания упругих волн в магнитных жидкостях.

4. Установлена взаимосвязь направленности амплитуды возбуждаемых (принимаемых) в твердых телах упругих волн с акустическими свойствами магнитных жидкостей. Показано, что ширина основного лепестка раскрытия диаграммы направленности ультразвукового преобразователя с локальной иммерсионной ванной, угол ввода и угол преломления волны в металлах преимущественно увеличиваются с ростом объемной концентрации магнетика в рабочем диапазоне изменения углов ввода. Коэффициент прозрачности по потоку энергии через иммерсионный слой магнитной жидкости практически линейно возрастает с увеличением объемной концентрации магнетика от нуля до 27,4%.

Предложен способ температурной стабилизации ввода ультразвука в объекты контроля через локальную иммерсионную ванну с использованием магнитных жидкостей на водной основе.

5. Показано, что изменение акустических свойств магнитных жидкостей под воздействием магнитного поля (0^р{ 4'Ю^А/м) и его направления (0 4 Ср231) можно не учитывать при расчете акустического и электроакустического тракта ультразвукового дефектоскопа, работающего на частотах 2.5 и 5 мГц.

6. Определены основные зависимости, связывающие параметры магнитного поля и области локализации магнитной жидкости в тонком щелевом зазоре, с геометрическими размерами и расположением призматического магнита над образцом. Получены эмпирические соотношения между характеристиками магнитного поля и параметрами имеющего форму прямоугольной полосы контактного слоя жидкости, соблюде-ниео которых обеспечивает необходимые условия поддержания стабильного акустического контакта.

7. Предложена конструкция и разработан ультразвуковой преобразователь с магнитным удержанием магнитной контактной жидкости для контроля осей вагонных колесных пар (а.с. № 1 067 433). Разработана методика контроля этим искателем, утвержденная Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта. Способ создания акустического контакта по а.с. № 697 316 и реализующее его устройство внедрены на Минском вагоноремонтном заводе им. Мясникова и вагонном депо Барановичи.