Розвиток методів та засобів для електромагнітно-акустичного контролю стрижневих, трубчастих та листових металовиробів

Abstract

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. В дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну проблему – розвиток теоретичних положень та засобів для збудження високочастотних ультразвукових імпульсів електромагнітно-акустичними перетворювачами у трубчастих, стрижневих та листових металовиробах з підвищеною чутливістю за рахунок збільшення відношення амплітуд корисного сигналу до завад. У дисертаційній роботі вперше розроблена математична модель електромагнітно-акустичного перетворювача, призначеного для збудження ультразвукових коливань в електропровідному виробі, за допомогою якої вирішені дві задачі електростатики та динамічної теорії пружності для кусково-однорідного середовища. Експериментально побудовані діаграми спрямованості акустичного поля та визначені основні фактори, які впливають на інтенсивність ультразвукових імпульсів, що збуджуються електромагнітно-акустичним перетворювачем. Розроблені нові конструкції електромагнітно-акустичних перетворювачів, призначених для контролю металовиробів різними типами ультразвукових хвиль. Застосування даних перетворювачів дозволить значно підвищити відношення сигнал/завада. Експериментально підтверджена можливість збудження поверхневих хвиль Релея та Лемба, а також крутильних хвиль перетворювачами з інтенсивністю ультразвукового поля, достатньою для проведення вимірювань, контролю та діагностики. Практичне значення роботи полягає в наступному: реалізовано теоретичну модель, яка дозволяє виконувати розрахунки параметрів і характеристик електромагнітно-акустичних перетворювачів суміщеного та роздільного типу; розроблено, виконано та випробувано стендові макети електромагнітно-акустичних перетворювачів, що практично реалізують теоретичну модель та доводять її ефективність; розроблено електромагнітно-акустичні перетворювачі для контролю різних зразків в межах сортаментів стрижневих, трубчастих та листових металовиробів для різних типів та етапів виробництва та експлуатації крутильними хвилями, хвилями Релея та Лемба на поверхні та всередині об'єктів контролю; створено методики контролю з використанням розроблених конфігурацій перетворювачів та практичні рекомендації з їх використання; розроблено та впроваджено технічні рішення, спрямовані на підвищення якості та ефективності використання електромагнітно-акустичного методу в виробництві. Розроблено нові технічні рішення, що спрямовані на підвищення чутливості ультразвукових електромагнітно-акустичних приладів і пристроїв на основі збільшення відношення амплітуд корисного сигналу до завад у виробах з електропровідних матеріалів. Новизна технічних рішень захищена патентом України на винахід та 25 патентами України на корисну модель.The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of technical sciences on a specialty 05.11.13 – devices and methods of the control and definition of structure of substances. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2021. The dissertation solves a topical scientific and practical problem – the development of theoretical positions and tools for excitation of high-frequency ultrasonic pulses by electromagnetic-acoustic transducers in tubular, rod and sheet metal products with increased sensitivity by increasing the ratio of amplitudes of the useful signal to interference. In the dissertation work the mathematical model of the electromagnetic-acoustic transducer intended for excitation of ultrasonic oscillations in an electrically conductive product is developed for the first time by means of which two problems of electrostatics and the dynamic theory of elasticity for piecewise homogeneous environment are solved. Experimentally constructed diagrams of the direction of the acoustic field and identified the main factors that affect the intensity of ultrasonic pulses excited by the electromagnetic-acoustic transducer. New designs of electromagnetic-acoustic transducers designed to control hardware with different types of ultrasonic waves have been developed. The use of these converters will significantly increase the signal-to-noise ratio. The possibility of excitation of Rayleigh and Lamb surface waves, as well as torsional waves by transducers with an ultrasonic field intensity sufficient for measurements, control and diagnostics, has been experimentally confirmed. The practical significance of the work is as follows: implemented a theoretical model that allows calculations of parameters and characteristics of electromagnetic-acoustic transducers of combined and separate type, developed, performed and tested bench models of electromagnetic-acoustic transducers, which practically implement the theoretical model and prove its effectiveness, developed electromagnetic-acoustic transducers for control of various components of rod, tubular and sheet metal products for different types and stages of production and operation by torsional waves, Rayleigh and Lamb waves on the surface and inside control objects, developed control methods using developed configurations of transducers and practical recommendations on their use, developed and implemented technical solutions aimed at improving the quality and efficiency of the electromagnetic-acoustic method in production. Within the work the theoretical and experimental research is provided on creating the new types of electromagnetic-acoustic transducers and physical basics of the process of exciting the ultrasonic wave in the material of a researched sample. The calculations are provided, allowing to design coil components of electromagnetic-acoustic transducers for excitation and reception of ultrasonic waves at frequencies that allow for detection of flaws in specific areas of samples. The cases of tubular, cylindrical and sheet metal are studied, with approach of respectively using torsional waves, Rayleigh waves and Lamb waves for flaw detection. Schemes and descriptions of tools and methods for flaw detection in appropriate cases are provided. The chain process of force transformation during the process of ultrasonic wave excitation is researched. Transitional equations within coordinate systems of different types of samples are provided. The effects of Lorents, ponderomotive force and other effects are considered in relation to separate cases of electromagnetic-acoustic ultrasonic wave excitation. Experimental data on simplification of calculations via exlusion of irrelevan force components is given. New technical solutions aimed at increasing the sensitivity of ultrasonic electromagnetic-acoustic devices and devices based on increasing the ratio of the amplitudes of the useful signal to interference in products made of conductive materials have been developed. The novelty of technical solutions is protected by the patent of Ukraine for invention and 25 patents of Ukraine for utility model.