В условиях интенсивного развития современных технологий и повышения требований к качеству материалов, актуальность разработки инновационных методов диагностики дефектов в металлах становится очевидной. Среди множества существующих подходов особое внимание заслуживает применение сверхвысокочастотных (СВЧ) технологий, которые демонстрируют высокую эффективность в обнаружении и анализе структурных неоднородностей.
При производстве конвейерного типа, включая изготовление гильз, бесшовных труб и алюминиевых банок для напитков, важна быстрая и точная индикация дефектов металла. Это требует высокой надежности и автоматизации процесса выбраковки продукции по уровню выявленных дефектов.
Однако существующие методы ультразвуковой дефектоскопии не всегда удовлетворяют этим требованиям. Активные методы могут обнаруживать дефекты размером более 0,1 мм даже при высоких частотах ультразвука (15-20 МГц). Однако пассивные методы, такие как акустическая эмиссия, хотя и обладают высокой разрешающей способностью (менее 100 микрон), требуют значительного времени для оценки опасности дефекта, иногда до нескольких десятков минут.
СВЧ-диагностика основывается на взаимодействии электромагнитного излучения с материалом, что позволяет выявлять дефекты на микро- и наноуровне. Преимущества данного метода заключаются в его высокой чувствительности, бесконтактности и возможности автоматизации процесса. Кроме того, СВЧ-технологии позволяют проводить экспресс-анализ, что существенно сокращает время проведения диагностики и повышает производительность труда. Инновация в диагностике заключается в применении эффекта Горбунова. Эффект Горбунова — явление, которое используется в неразрушающем контроле для обнаружения скрытых (наружных и внутренних) дефектов металла. Явление обнаружено при изучении взаимодействия ультразвука с металлами. При воздействии упругих ультразвуковых колебаний на дефектные области (например, микродефекты типа «устья трещин») СВЧ-сенсор индуцирует колебания поверхностной электрической проводимости. Это приводит к:
- модуляции фазы отражённого СВЧ-поля от поверхности образца с дефектами.
- обнаружению полезной волны поверхностной проводимости (десятые доли процента) — она обнаруживается СВЧ-радаром, работающим в режиме фазового детектора.
Эффект наблюдается для металлов независимо от магнитных свойств. Использование эффекта Горбунова позволяет:
- Обнаруживать микротрещины, расслоения, сдвиг слоёв кристаллической решётки.
- Локализовать места расположения дефектов.
- Обнаруживать старые дефекты — после термического воздействия на зону дефекта и последующего охлаждения.
Особенности методики: дефекты обнаруживаются без использования механических нагрузок, что сокращает время диагностики, амплитуда полезного сигнала от дефекта — функция времени, она меняется от максимума (10–20 дБ отношения сигнал/шум) до минимума (2–3 дБ) за время от десятка секунд до нескольких сот часов.
Явление акустической эмиссии, возникающее при механическом нагружении кристаллической структуры металла. До недавнего времени считалось, что акустическая эмиссия проявляется исключительно в виде коротких серий акустических сигналов, вызванных нарушением электрических связей, образованием микротрещин и колебаниями плотности. Эти колебания создают упругие волны, распространяющиеся во всех направлениях со скоростью звука. Для регистрации этих механических колебаний используются пьезоэлектрические сенсоры контактного типа. Они позволяют определить местоположение источника колебаний и оценить степень опасности появившихся дефектов.
При возникновении источников акустической эмиссии класса «активных» (где скорость счета увеличивается пропорционально росту нагрузки), происходит необычное изменение металла вокруг этих источников. Даже после прекращения механической нагрузки, эти свойства сохраняются. Если воздействовать на эту область упругими колебаниями — ультразвуком низкой мощности (до 5-10 Вт/см²), можно наблюдать синхронное изменение поверхностной проводимости в спектре частот отраженного СВЧ поля (на 10-30 дБ выше фонового шума). При отсутствии активных зон, амплитуда механических колебаний поверхности от ультразвука указанной мощности слишком мала для обнаружения СВЧ сенсором на частоте 27-33 ГГц без специальных охлаждаемых приемников. Этот эффект, впервые обнаруженный весной 1995 года, противоречит известным теориям разрушения металлических объектов.
«Эффект Горбунова» отличается длительным временем обнаружения, которое может составлять от нескольких минут до десятков часов. В то время как «активные» источники акустической эмиссии действуют лишь доли секунды, «эффект Горбунова» характеризуется продолжительным процессом выявления. СВЧ сенсор способен регистрировать этот эффект на значительном расстоянии от поверхности объекта (десятки длин волн), что делает его особенно удобным для использования. Зона облучения в данном случае не совпадает с зоной «активности» и охватывает практически всю поверхность металла. Это объясняется длиной волны поверхностной проводимости, которая может достигать 10-16 километров. В отличие от предыдущих методов СВЧ диагностики, здесь отсутствует необходимость в сканировании. Возможности нового диагностического метода пока не изучены в полной мере, и строгая теория наблюдаемого явления ещё не разработана.
На этой основе был разработан прибор, оснащённый радарным Доплером в качестве СВЧ сенсора. Этот инструмент уже сейчас позволяет проводить исследования опасных дефектов в металлах, контролировать прочность движущихся деталей и узлов, а также выявлять скрытые и поверхностные дефекты продукции, выпускаемой на конвейере. Прибор значительно расширяет возможности существующих методов неразрушающего контроля.
Зона СВЧ облучения, не связанная с областью «активности», охватывает практически всю поверхность металла. Это обусловлено длиной волны поверхностной проводимости, которая составляет порядка 10-16 километров. Таким образом, отпадает необходимость в сканировании, которое было обязательным при использовании традиционных методов СВЧ-диагностики.
Практическая проверка прочности гильз на производственной линии
Производство гильз для стрелкового оружия в настоящее время осуществляется с применением автоматических технологий. Основными материалами для этого процесса служат сталь и латунь. На начальном этапе из листового металла вырубаются заготовки круглой формы. Важно, чтобы на этом этапе в материале не было значительных дефектов, таких как расслоения. После нагрева ниже точки плавления происходит формовка первой серии, которая заключается в вытягивании заготовки. Затем, после охлаждения и повторных нагревов с последующими формовками (обычно от 5 до 7 раз), происходит окончательное формирование гильзы. Ключевым дефектом металла в этом процессе являются продольные повреждения, такие как разрывы и трещины, особенно на заключительных этапах производства. Следует отметить, что дефекты малого размера (десятки микрон в ширину) не всегда могут быть обнаружены с помощью активных методов ультразвуковой диагностики. Для их выявления часто применяют визуальные методы контроля с использованием микроскопа и осевого вращения гильзы.
Финишная диагностика была проведена для партии из 120 стальных гильз диаметром 8-9 мм. В процессе испытаний 60 гильз были выявлены скрытые дефекты, что отображалось в сигнале свыше 20 дБ. Среди них оказались гильзы №8, 32, 33, 35, 49, 50 и 52, всего 7 штук. Большинство гильз с видимыми трещинами демонстрировали сигнал от 12 до 15 дБ. Это касалось гильз под номерами 30-37, 39-55. Визуальный осмотр гильз проводился с использованием микроскопа МБС-4 с увеличением х8. Проверялись наличие следов ржавчины, смятий, трещин и микротрещин, а также раковин. Ржавчина обнаруживалась с трудом из-за наличия более значительных дефектов других типов. Выявленные дефекты были классифицированы, как визуально обнаруживаемые, включая трещины. Внутренние дефекты заготовок, такие как, трещины, расслоения и неоднородности металла, не обнаруживались визуально и могли соответствовать сигналам уровня 4-10 дБ. Также было замечено изменение сигнала во времени, что могло быть вызвано непрочным креплением гильз и нагревом генератора ультразвука.
Приведенные данные, убедительно демонстрируют потенциал применения разработанного диагностического прибора для выявления скрытых дефектов в заготовках, таких как патроны гильз, в условиях конвейерного производства. Для обеспечения надежного обнаружения трещин на поверхности гильз и трубок необходимо, чтобы уровень рабочего сигнала превышал 12-15 дБ. Важно отметить выявленные недостатки, такие как, несовершенство устройства крепления, нестабильность ультразвукового сигнала и необходимость охлаждения СВЧ-части прибора. Также следует подчеркнуть ограничения в точности определения местоположения дефектов. Полученные результаты значительно отличаются от данных, получаемых в настоящее время с помощью традиционных ультразвуковых, вихретоковых и оптических дефектоскопов. Разработанное оборудование позволяет проводить комплексное обследование трубок, гильз и цилиндров на наличие дефектов за 2-3 секунды, что существенно превосходит временные затраты при использовании оптических методов, требующих 10-20 минут для выявления аналогичных дефектов. Важно отметить, что имеется возможность обнаруживать не только поверхностные, но и внутренние дефекты на внутренней поверхности гильз и трубок, что является значительным преимуществом перед существующими методами диагностики.
Подготовлено по мотивам (2020г.): https://www.dissercat.com/content/indikatsiya-defektov-metallicheskikh-obektov-svch-kolebaniyami-pri-vozdeistvii-ultrazvuka