УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРУТКОВ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля металлических прутков в процессе их производства.
Наличие или отсутствие поверхностных дефектов в прутках является важным фактором для металлообрабатывающей промышленности. Особо высокие требования к качеству предъявляются к пруткам, предназначенным для изготовления из последних пружин, применяемых на железнодорожном транспорте. Поэтому проблема надежного контроля качества прутков является актуальной.
Известно устройство контроля протяженных цилиндрических изделий (прутков) магнитопорошковым методом [Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др., Под ред. В.В. Клюева. - М.Машиностроение, 1995.: ил. стр.247-254.]. Устройство состоит из источника постоянного тока для циркулярного намагничивания, системы транспортировки прутка и емкости с ферромагнитной суспензией.
Устройство работает следующим образом. Пруток намагничивается циркулярно путем пропускания через него тока в несколько тысяч ампер от источника постоянного тока. Далее пруток погружается в емкость с магнитной суспензией. В местах нахождения дефектов визуально наблюдают скопление частиц.
Недостатком данного устройства является значительный расход магнитного порошка (суспензии), трудности в автоматизации контроля. Из-за отсутствия полной автоматизации на результаты контроля влияет человеческий фактор, который приводит к пропуску дефектов и, как следствие, снижение достоверности контроля.
Известно устройство для контроля качества металлических прутков вихретоковым методом [Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др., Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1995.: ил. стр.308-309.]. Устройство содержит проходной вихретоковый преобразователь трансформаторного типа с возбуждающей обмоткой, имеющей отношение длины к диаметру в пределах единицы, и двумя короткими измерительными катушками, включенными в мостовую схему. Сигнал с измерительных обмоток поступает на предварительный усилитель, далее на фазовый детектор и систему перестраиваемых фильтров. Отфильтрованный сигнал поступает на пороговое устройство, соединенное с блоком автоматической сортировки и маркером.
Недостатком данного устройства является неопределенность в трактовке сигналов от коротких и протяженных дефектов, что сказывается на достоверности контроля. Сигналы от двух коротких несплошностей (трещины меньше чем расстояние между измерительными катушками) могут соответствовать сигналам от одной более длинной, чем расстояние между измерительными катушками, где сигнал соответствует величине начальной и конечной частей несплошности. Сигналы от комбинации коротких и протяженных дефектов могут быть очень сложными для истолкования или даже могут вводить в заблуждение.
Следует отнести к недостаткам данного устройства и то, что с увеличением диаметра прутка уменьшается отношение сигнал/шум, поскольку сигнал от измерительной катушки образуется со всего периметра прутка (интегральный эффект), в то время как в прутках раскрытие дефектов по отношению к его диаметру может составлять менее 0,02%.
Наиболее близким к заявляемому является устройство [DEFECTOVISION IR 5.751, www.foerstergroup.de]. Устройство содержит высокочастотный генератор, катушку для создания высокочастотного электромагнитного поля, камеры для полного обзора всей поверхности протяженного цилиндрического изделия (пруток) и устройство визуализации температурного рельефа (компьютер) Катушка подключена к выходу высокочастотного генератора. Четыре инфракрасные камеры подключены к устройству визуализации температурного рельефа. Конструктивно камеры механически закреплены к корпусу катушки и разнесены друг относительно друга по концентрической окружности, образующей поверхность прутка, на угол 90°. По направлению движения прутка сначала находится катушка для создания высокочастотного электромагнитного поля и далее, на некотором расстоянии, инфракрасные камеры.
Устройство работает следующим образом. Контролируемый пруток проходит внутри катушки, где происходит его нагревание высокочастотными вихревыми токами. Далее, образовавшийся тепловой рельеф на цилиндрической поверхности прутка фиксируется с помощью инфракрасных камер и отображается на устройстве визуализации. Поскольку трещина обладает более высоким коэффициентом излучения (радиационный эффект черного тела) чем бездефектная область, на устройстве визуализации дефектная область выявляется как участок с повышенной яркостью.
Для данного устройства характерен недостаточный контраст отображения узкого дефекта (трещина с раскрытием на поверхности менее 100 мкм) и бездефектной областью, когда коэффициент излучения бездефектной области близок к коэффициенту излучения дефектной. Это вызвано тем, что прутки, изготавливаемые для различных целей, могут иметь как полированную поверхность, так и шероховатую, коэффициент излучения которой близок к коэффициенту излучения черного тела. Для этого устройства ширина трещины для получения необходимого контраста должна быть более 200 мкм.
В основу полезной модели поставлена задача повышения достоверности выявления узкого дефекта (трещины) за счет повышения контраста его изображения.
Поставленная задача решается тем, что устройство для контроля качества металлических прутков включающее катушку для создания высокочастотного электромагнитного поля, подключенную к выходу высокочастотного генератора и инфракрасные камеры, установленные за катушкой по ходу движения прутка, подключенные к компьютеру, согласно полезной модели снабжено дополнительными инфракрасными камерами, установленными перед катушкой по ходу движения прутка, подключенными к компьютеру и воздушными охладителями, установленными в зоне нагрева прутка вихревыми токами, подключенными к воздушному компрессору.
При этом:
- выход компьютера подключен к входу высокочастотного генератора напряжения для управления частотой колебаний и мощностью высокочастотного генератора;
- четыре инфракрасные камеры, установленные за катушкой по ходу движения прутка, и четыре дополнительные инфракрасные камеры установленные перед катушкой по ходу движения прутка, расположены над контролируемым прутком, и с помощью специальных кронштейнов механически крепятся к корпусу катушки для создания высокочастотного электромагнитного поля;
- воздушные охладители выполнены в виде 4 форсунок для обдува воздухом прутка, расположенных над контролируемым прутком, и механически укрепленных на корпусе катушки с помощью специальных кронштейнов.
Введение воздушного охлаждения устраняет дополнительное излучение вызванное нагревом вихревыми токами от бездефектной области, при этом грани внутри узкой трещины для этого типа охлаждения недоступны, и интенсивность излучения трещины остается на прежнем уровне, что повышает контраст отображения дефектов.
Подключение компьютера к входу высокочастотного генератора обеспечило возможность на основе обработки изображений с тепловых камер регулировать частоту колебаний и мощность генератора для создания высокочастотного электромагнитного поля катушкой с целью максимального нагрева граней внутри трещины за счет эффекта близости протекания вихревых токов, что также повышает контраст отображения дефектов.
Введение дополнительных четырех инфракрасных камер, установленными перед катушкой по ходу движения прутка позволяет получить сигнал рассогласования для управления частотой колебаний и мощностью высокочастотного генератора.
Физическая сущность измерительных процессов заявляемого устройства заключается в том, что принудительное охлаждение компенсирует выделение тепла, производимого вихревыми токами на бездефектной поверхности прутка и соответственно нивелирует паразитное излучение, которое уменьшает контраст изображения трещины. В то же время охлаждающий воздух не проходит в глубь трещины из-за ее небольшого раскрытия (менее 100 мкм), в которой происходит дополнительное выделение тепла вихревыми токами за счет увеличения плотности вихревых токов текущих встречно по внутренним граням трещины (эффект близости) [Глуханов Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева. - 4-е.изд., перераб. И доп. - Л.: Машиностроение, 1979, стр.13 - узкой трещины выглядит более контрастным и достаточным для ее выявления. 15]. Это приводит к увеличению контраста изображения узкой трещины на общем фоне.
Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью заключается в повышении контраста изображения узкого дефекта путем компенсации паразитного фонового излучения бездефектной поверхности прутка за счет введения дополнительных инфракрасных камер, установленных перед катушкой и за счет принудительного воздушного охлаждения поверхности прутка внутри катушки в зоне нагрева вихревыми токами
На Фиг.1 изображена схема заявляемого устройства;
Устройство для контроля качества металлических прутков (Фиг.1) содержит катушку 1 для создания высокочастотного электромагнитного поля, которая подключена к выходу высокочастотного генератора 2. Четыре инфракрасные камеры 3 для обзора всей поверхности прутка A в пространстве после его нагрева вихревыми токами катушкой 1 (две из них на Фиг.1 не показаны), прикреплены с помощью кронштейнов 4 к корпусу катушки 1 и подключены к компьютеру 5. Четыре дополнительные инфракрасные камеры 6 для обзора всей поверхности прутка A в пространстве до его нагрева вихревыми токами катушкой 1 (две из них на Фиг.1 не показаны), прикреплены с помощью кронштейнов 4 к корпусу катушки 1 и подключенные к компьютеру 5. Четыре форсунки 7 для обдува воздухом прутка A после его нагрева высокочастотной катушкой 1 (две из них на Фиг.1 не показаны), располагаемые вокруг контролируемого прутка A, прикреплены с помощью кронштейнов 8 к корпусу катушки 1, и подключены к компрессору 9. Выход компьютера 5 подключен к входу высокочастотного генератора 2.
Устройство работает следующим образом. Контролируемый пруток А поступательно движется, пересекая область наблюдения температурного рельефа инфракрасных камер 6, затем через катушку 1, где создаются высокочастотные вихревые токи в прутке A. При этом поверхность прутка A охлаждается с помощью форсунок 7, обдувающих его поверхность с помощью компрессора 9. Далее пруток A проходит через инфракрасные камеры 3. Изображения теплового рельефа с инфракрасных камер 3 и 6 передаются на компьютер 5. Специализированное программное обеспечение сравнивает изображения с камер 3, 6 и устанавливает частоту колебаний и мощность высокочастотного генератора 2 так, что излучение от бездефектных областей не меняет своего значения до катушки 1 и после нее. Далее в процессе контроля изображения с камер 3 по яркости вычитаются из изображения камер 6. Разностное изображение фиксирует контрастное изображение узких трещин (менее 100 мкм).