Контроль неоднородностей, примесей и дефектов проводящих сплавов и композиционных материалов с помощью сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей

Актуальность.
Одной из важных фундаментальных и прикладных задач физического
материаловедения является разработка и совершенствование методов
исследования и диагностики физико-химических и эксплуатационных
характеристик материалов, используемых в современной промышленности и
научно-исследовательской сфере. Производство и эксплуатация ряда
высокотехнологичных изделий, используемых в авиакосмической отрасли, в
транспортной сфере, в ядерной сфере, а также в экстремальных условиях добычи
полезных ископаемых, невозможны без контроля их качества.
Недостаточный контроль качества изделий, выпускаемых
промышленностью и предназначенных для эксплуатации в современном
высокотехнологическом обществе может привести к повышенному износу
оборудования и увеличению экономических издержек, а в отдельных случаях – к
росту числа аварий и катастроф [1].
Контроль и диагностика – начинающие и определяющие составные части
проблемы безопасности. Контроль означает проверку соответствия параметров
объекта установленным техническим требованиям [1].
Наиболее актуальными при этом становятся неразрушающие методы
контроля качества, поскольку только они позволяют производить анализ объектов
без вмешательства в их внутреннюю структуру и изменения их эксплуатационных
свойств, что позволяет, в случае необходимости, произвести полную проверку
качества непосредственно в процессе использования.
Важными задачами неразрушающего контроля проводящих материалов
являются поиск дефектов сплошности и определение их размеров и глубины.
Одной из задач неразрушающего контроля является разделение сигналов от
дефектов, залегающих на небольшом расстоянии друг от друга со сложным
характером их взаимного распределения. Актуальной проблемой неразрушающих
методов измерений является и поиск малых дефектов, расположенных в глубине
исследуемого материала. В связи с этим приобретают особенную важность
проблемы анализа сигнала дефектоскопа, позволяющего повысить точность
оценки размеров и местоположения отдельного дефекта. К важным задачам
неразрушающего контроля можно также отнести контроль толщины
исследуемого материала, анализ его химического состава, оценка шероховатости
его поверхности.
В современном неразрушающем контроле имеется тенденция к
значительному увеличению требований к разрешающей способности
применяемых методов, к совершенствованию аппаратной и программной части
приборов, позволяющих производить анализ объектов, к снижению их стоимости
при сохранении необходимых характеристик. При проведении контроля в
условиях реального производства требуется производить отстройку от мешающих
факторов, обеспечивать защиту приборов от внешних воздействий: влажности,
пыли, вибраций, ударов и т.д.
Всем вышеперечисленным требованиям удовлетворяет неразрушающий
вихретоковый контроль.
Вихретоковый метод контроля может быть применен для контроля
различных объектов, преимущественно электропроводящих материалов, сплавов,
полупроводников. Однако, в некоторых случаях, его можно использовать и для
дефектоскопии материалов, не обладающих проводящими свойствами с условием
применения специальных магнитопорошковых смесей. Вихретоковый метод
контроля часто применяется при определении толщины непроводящих покрытий,
нанесенных на электропроводящую основу. Метод также пригоден для
исследования толщины металлических листов, стенок труб.
Вихретоковая дефектоскопия использует переменное электромагнитное
поле для создания в исследуемом объекте вихревых токов, электромагнитное поле
которых зависит от распределения вихревых токов в объекте контроля, в свою
очередь, зависящих от геометрических и электромагнитных параметров
исследуемого материала. Как правило, электромагнитное поле создается с
использованием специального вихретокового преобразователя, представляющего
из себя одну или несколько катушек индуктивности. В свою очередь,
электромагнитное поле вихревых токов взаимодействует с катушками
преобразователя, наводя в них ЭДС или меняя их индуктивное сопротивление.
Дефектоскопия с помощью метода вихревых токов может осуществляться в
условиях агрессивных внешних сред, загрязненности поверхности исследуемого
объекта, при имеющемся слое краски или лака на объекте.
Одно из важных преимуществ вихретокового контроля – возможность
производить исследование без прямого контакта датчика и объекта. Расстояние
между преобразователем и исследуемым материалом может доходить до
нескольких миллиметров, что позволяет добиться высокой скорости
сканирования и получать надежные результаты при сканировании объектов с
высокой скоростью. Однако при этом важной задачей является исключение
влияния зазора на полезный сигнал, несущий информацию об объекте контроля.
При увеличении зазора значительно увеличиваются и помехи, существенно
влияющие на величину полезного сигнала.
Ограничениями вихретокового метода может являться малая глубина
сканирования, а также трудности в определении глубины залегания дефекта.
Большинство современных вихретоковых дефектоскопов способны находить
дефекты на глубине до 2 мм, протяженностью 1-2 мм. Также достаточно малым
параметром, служащим серьезным ограничением метода, является площадь зоны
контроля – в современных дефектоскопах она доведена до 1 мм2.
Поскольку одним из важнейших параметров объекта контроля, влияющий
на распределение вихревых токов, является электропроводность вещества,
зависящая от химического состава исследуемого материала, вихретоковый метод
контроля можно в определенных случаях использовать для определения
химического состава исследуемого материала.
При конструировании реальных измерительных систем, вихретоковые
преобразователи обычно должны быть упакованы в специальный защитный
корпус, предохраняющий работу преобразователя от внешних электромагнитных
помех и эффективно противостоящий внешним агрессивным воздействиям.
На сегодняшний день разработан ряд вихретоковых измерительных систем,
эффективно использующихся в промышленности и научно-исследовательской
сфере. Данные системы способны эффективно производить поиск дефектов в
проводящих материалах, определять толщину покрытий, производить анализ
химического состава материала. Однако максимальная глубина залегания
дефектов, а также минимальный размер зоны контроля существенно ограничены
конструктивными особенностями преобразователей и недостаточной аппаратной
и программной обработкой сигнала вихретокового преобразователя. Нередко
затруднительно оценить геометрические параметры отдельного дефекта
залегающего в толще металла.
Для решения данных проблем необходимо использовать сканирование в
дифференциальным режиме, с использованием нескольких вихретоковых
преобразователей, соединенных с использованием встречной схемы
включения[1].
Актуальной проблемой современной дефектоскопии является и
определение качества сварных швов металлов. В этом случае, чувствительность
метода определяется размерами выявляемых дефектов, возникаемых при низком
качестве сварки. К числу характеристик данных дефектов относятся также и
протяженность в глубине и на поверхности металла.
Важной проблемой выступает также и узкая специализация современных
вихретоковых приборов – каждый из них разработан для решения исключительно
одной задачи и не позволяет, в случае необходимости, производить многоцелевой
контроль материалов.
В связи с этим, актуальной задачей является разработка вихретоковой
измерительной системы, позволяющей локализовать малые дефекты на
значительной глубине, производить эффективную обработку получаемого сигнала
с целью устранения мешающих факторов и обеспечивать наглядную
визуализацию полученных данных в режиме реального времени.