RU2818648C1 - Device for determining homogeneity of mechanical properties of articles made from ferromagnetic materials and detecting zones with abnormal hardness therein - Google Patents
Device for determining homogeneity of mechanical properties of articles made from ferromagnetic materials and detecting zones with abnormal hardness therein Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818648C1 RU2818648C1 RU2023130266A RU2023130266A RU2818648C1 RU 2818648 C1 RU2818648 C1 RU 2818648C1 RU 2023130266 A RU2023130266 A RU 2023130266A RU 2023130266 A RU2023130266 A RU 2023130266A RU 2818648 C1 RU2818648 C1 RU 2818648C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hardness
- current pulses
- mechanical properties
- frequency
- sensor
- Prior art date
Links
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 title claims abstract description 6
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 7
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 6
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000005347 demagnetization Effects 0.000 description 2
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 108010076504 Protein Sorting Signals Proteins 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области контроля физических свойств изделий и материалов и может быть использовано для обнаружения зон с аномалиями твёрдости и иных физических и механических свойств поверхности изделий, изготовленных из ферромагнитных материалов, в частности стальных листов, рельсов, труб, прутков.The invention relates to the field of monitoring the physical properties of products and materials and can be used to detect areas with anomalies in hardness and other physical and mechanical properties of the surface of products made of ferromagnetic materials, in particular steel sheets, rails, pipes, rods.
Общеизвестно наличие корреляции между механическими и магнитными/электромагнитными свойствами металлов.It is well known that there is a correlation between the mechanical and magnetic/electromagnetic properties of metals.
Широко известны устройства для вихретокового определения структуры и механических свойств изделий из металлов. Являясь в определённой степени универсальными устройствами, они, как правило, не учитывают специфику прокатного производства, формирующего анизотропию механических и электромагнитных свойств металла, неравномерную окалину, локальные отклонения от номинальной формы и дефекты поверхности. Поэтому указанные устройства практически непригодны для работы в составе многоканальных систем высокопроизводительного контроля механических свойств металла в условиях промышленного производства.Devices for eddy current determination of the structure and mechanical properties of metal products are widely known. Being to a certain extent universal devices, they, as a rule, do not take into account the specifics of rolling production, which forms anisotropy of the mechanical and electromagnetic properties of the metal, uneven scale, local deviations from the nominal shape and surface defects. Therefore, these devices are practically unsuitable for operation as part of multi-channel systems for high-performance monitoring of the mechanical properties of metal in industrial production conditions.
Известно устройство для определения однородности механических свойств изделий из металла и обнаружения в них зон с аномальной твёрдостью (патент на изобретение RU2690074C1, опубл. 05.04.2019), которое содержит рольганг для перемещения объекта контроля (ОК) в процессе контроля, демагнетизатор, систему компенсации влияния рабочего зазора, и комплект из как минимум двух электромагнитных датчиков (ЭД), каждый из которых содержит по крайней мере одну рабочую катушку (РК) и одну вспомогательную катушку, причем, частота F максимума в спектре генерируемого обеими катушками магнитного поля выбирается из соотношения F ≤ 0,8 x Fс, где Fс - частота, при которой изменение индуктивности соответствующей катушки при приближении ЭД к ОК меняет направление с положительного (индуктивность при приближении к ОК растет) на отрицательное (индуктивность при приближении к ОК падает). Как минимум два ЭД на общей подложке, а значит, работающих в примерно одинаковых условиях, позволяет сопоставлять и совместно анализировать полученные с этих датчиков данные, тем самым существенно повышать надёжность вихретокового контроля, особенно при обнаружении компактных, сравнительно небольших участков с повышенной твёрдостью. Кроме того, каждый ЭД при сканировании позволяет регистрировать градиенты твёрдости, обнаруживаемые по резким изменениям измеряемых значений при перемещении ЭД относительно ОК.A device is known for determining the uniformity of the mechanical properties of metal products and detecting zones with abnormal hardness in them (patent for invention RU2690074C1, published 04/05/2019), which contains a roller conveyor for moving the test object (OC) during the control process, a demagnetizer, and an influence compensation system working gap, and a set of at least two electromagnetic sensors (ED), each of which contains at least one working coil (WK) and one auxiliary coil, and the maximum frequency F in the spectrum of the magnetic field generated by both coils is selected from the relation F ≤ 0.8 x Fc, where Fc is the frequency at which the change in inductance of the corresponding coil, as the EM approaches the OK, changes direction from positive (the inductance increases as it approaches the OK) to negative (the inductance decreases as it approaches the OK). At least two EDs on a common substrate, which means operating under approximately the same conditions, make it possible to compare and jointly analyze the data received from these sensors, thereby significantly increasing the reliability of eddy current testing, especially when detecting compact, relatively small areas with increased hardness. In addition, each ED during scanning makes it possible to register hardness gradients, detected by sharp changes in the measured values when the ED moves relative to the OK.
Недостатком известного устройства является то, что при применении указанного выше соотношения обе катушки одинаково реагируют на рабочий зазор: с его увеличением, индуктивность катушек падает. Именно в этих случаях изменения электромагнитных свойств ОК можно легко спутать со случайным изменением зазора между ОК и ЭД, с наличием остаточной намагниченности или с влиянием пятна толстой окалины на соответствующем участке ОК.The disadvantage of the known device is that when applying the above ratio, both coils react equally to the working gap: as it increases, the inductance of the coils decreases. It is in these cases that changes in the electromagnetic properties of the OC can easily be confused with a random change in the gap between the OC and the ED, with the presence of residual magnetization, or with the influence of a thick scale spot on the corresponding section of the OC.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой конструкции является устройство для обнаружения зон с неоднородными физическими свойствами в изделиях из металлопроката (патент на изобретение RU2767939C1, опубл. 22.03.2022), выбранное в качестве прототипа.The closest in technical essence to the claimed design is a device for detecting zones with heterogeneous physical properties in rolled metal products (invention patent RU2767939C1, published 03.22.2022), selected as a prototype.
Известное устройство содержит рольганг для перемещения объекта контроля (ОК) в процессе контроля, систему компенсации влияния рабочего зазора, блок управления генераторами и комплект электромагнитных датчиков, предназначенных для генерации в ОК измерительных электромагнитных импульсов, замыкающихся через ОК, регистрации электрических сигналов. В известном устройстве генератор измерительных электромагнитных импульсов осуществляет периодическую инверсию фазы измерительных импульсов, причём это устройство также содержит блок анализа и сопоставления сигналов, полученных при воздействии на один и тот же участок ОК электромагнитными импульсами с противоположными начальными фазами. Датчик данного устройства содержит минимум одну возбуждающую катушку, связанную с источником прямых и инвертированных импульсов тока, минимум одну измерительную катушку, имеющую электромагнитную (трансформаторную) связь с возбуждающей катушкой, причем, функции генераторной и измерительной катушек могут быть совмещены, сердечник U-образной формы, на котором расположены возбуждающая и приемная катушки, и образующий с ОК в максимальной степени замкнутый магнитный контур, источник импульсов тока, протекающих через возбуждающую катушку, осуществляющий периодическую инверсию этих импульсов, приводящую к соответственной инверсии направления токов через возбуждающую катушку, причём у импульсов тока, проходящих через возбуждающую катушку есть компонента подмагничивания ОК, а также измерительная компонента, частота которой может изменяться от импульса к импульсу благодаря принудительному изменению параметров колебательного контура, измерительный блок, связанный с измерительной катушкой, осуществляющий анализ сигналов, соответствующих как минимум одному прямому и как минимум одному инвертированному импульсам тока через возбуждающую катушку на каждом исследуемом участке изделия, причём этот анализ осуществляется во временной области.The known device contains a roller conveyor for moving the test object (OC) during testing, a system for compensating the influence of the working gap, a generator control unit and a set of electromagnetic sensors designed to generate measuring electromagnetic pulses in the OC, closed through the OC, and register electrical signals. In the known device, the generator of measuring electromagnetic pulses periodically inverts the phase of the measuring pulses, and this device also contains a unit for analyzing and comparing signals obtained when the same section of the OC is exposed to electromagnetic pulses with opposite initial phases. The sensor of this device contains at least one exciting coil connected to a source of direct and inverted current pulses, at least one measuring coil having an electromagnetic (transformer) connection with the exciting coil, and the functions of the generating and measuring coils can be combined, a U-shaped core, on which the exciting and receiving coils are located, and forming with the OC a closed magnetic circuit to the maximum extent, a source of current pulses flowing through the exciting coil, which carries out periodic inversion of these pulses, leading to a corresponding inversion of the direction of currents through the exciting coil, and for current pulses passing through the exciting coil there is a magnetization component OK, as well as a measuring component, the frequency of which can change from pulse to pulse due to a forced change in the parameters of the oscillatory circuit, a measuring unit associated with the measuring coil, which analyzes signals corresponding to at least one direct and at least one inverted current pulses through the exciting coil at each examined section of the product, and this analysis is carried out in the time domain.
Устройство, выбранное в качестве прототипа, хорошо зарекомендовало себя при контроле горячекатаного листового проката, при том условии, что контроль выполняется вне производственного потока. Однако, недостатком данного устройства является то, что в ряде случаев необходимо применение демагнетизатора, поскольку не для всех марок сталей обеспечивается полное подавление помехи, связанной с их остаточной намагниченностью. Другим недостатком прототипа является то, что производительность устройства не позволяет выполнять контроль в потоке производства, поскольку для получения дополнительных данных, обеспечивающих повышение помехозащиты и точности определения механических свойств ОК, требуется изменение параметров колебательного контура датчиков, что требует дополнительных тактов для формирования сигналов, приводящее к увеличению времени на проведение измерений. Увеличение частоты посылок импульсов, в свою очередь, приводит к повышению температуры датчиков и неконтролируемому изменению их параметров, что также является фактором, лимитирующим скорость (производительность) контроля.The device chosen as a prototype has proven itself well in the inspection of hot-rolled sheets, provided that the inspection is performed outside the production flow. However, the disadvantage of this device is that in some cases it is necessary to use a demagnetizer, since not all grades of steel provide complete suppression of interference associated with their residual magnetization. Another disadvantage of the prototype is that the performance of the device does not allow for control in the production flow, since in order to obtain additional data that provides increased noise immunity and the accuracy of determining the mechanical properties of the OK, it is necessary to change the parameters of the oscillatory circuit of the sensors, which requires additional clock cycles for generating signals, leading to increasing the time for taking measurements. An increase in the frequency of pulse sending, in turn, leads to an increase in the temperature of the sensors and an uncontrolled change in their parameters, which is also a factor limiting the speed (performance) of monitoring.
Таким образом, одним из недостатков устройства, выбранного в качестве прототипа, является то, что его применение не исключает негативное влияние магнитного поля на результат измерений, вследствие чего невозможен отказ от использования демагнетизатора. Другим недостатком данного технического решения является необходимость принудительного изменения параметров колебательного контура для изменения частоты измерительной компоненты сигнала, которое требует дополнительного времени, что приводит к снижению производительности контроля. Ещё одним недостатком известного устройства является неконтролируемое изменение параметров колебательного контура, связанное с температурным дрейфом параметров датчиков, что приводит к снижению точности измерений.Thus, one of the disadvantages of the device chosen as a prototype is that its use does not exclude the negative influence of the magnetic field on the measurement result, as a result of which it is impossible to refuse to use a demagnetizer. Another disadvantage of this technical solution is the need to force changes in the parameters of the oscillatory circuit to change the frequency of the measuring component of the signal, which requires additional time, which leads to a decrease in monitoring performance. Another disadvantage of the known device is the uncontrolled change in the parameters of the oscillatory circuit, associated with the temperature drift of the sensor parameters, which leads to a decrease in the measurement accuracy.
Технической проблемой, решаемой с помощью заявляемого изобретения, является необходимость полного отказа от использования демагнетизатора, а также обеспечение более высокой, по сравнению с прототипом, производительности контроля.The technical problem solved with the help of the claimed invention is the need to completely abandon the use of a demagnetizer, as well as to ensure higher control performance compared to the prototype.
Техническим результатом является обеспечение требуемой точности измерений, повышение производительности контроля и, как следствие, возможность применения устройства для определения однородности механических свойств изделий из ферромагнитных материалов для контроля металлопродукции на наличие аномалий твёрдости в производственном потоке.The technical result is to ensure the required measurement accuracy, increase control productivity and, as a consequence, the possibility of using the device to determine the uniformity of mechanical properties of products made of ferromagnetic materials to control metal products for the presence of hardness anomalies in the production flow.
Указанный технический результат достигается за счёт конструкции устройства для определения однородности механических свойств изделий из ферромагнитных материалов и обнаружения в них зон с аномальной твёрдостью, которое включает в себя:The specified technical result is achieved due to the design of a device for determining the uniformity of the mechanical properties of products made of ferromagnetic materials and detecting zones of abnormal hardness in them, which includes:
- датчик, содержащий как минимум одну возбуждающую катушку (ВК), связанную с источником прямых и инвертированных импульсов тока, как минимум одну измерительную катушку (ИК), имеющую сильную электромагнитную связь с ВК, а также сердечник U-, П-, С- или Ш-образной формы, на котором расположены ВК и ИК, и образующий с объектом контроля (ОК) магнитный контур, причём, функции ВК и ИК могут быть совмещены в одной катушке;- a sensor containing at least one exciting coil (VC) connected to a source of direct and inverted current pulses, at least one measuring coil (IC) having a strong electromagnetic connection with the VC, as well as a U-, P-, C- or W-shaped, on which the VC and IR are located, and forming a magnetic circuit with the object of control (OC), moreover, the functions of the VC and IR can be combined in one coil;
- источник импульсов тока, осуществляющий периодическую инверсию генерируемых импульсов, приводящую к соответственной инверсии направления токов, протекающих через ВК, причём база B импульсов тока удовлетворяет условию:- a source of current pulses that carries out periodic inversion of the generated pulses, leading to a corresponding inversion of the direction of currents flowing through the VC, and the base B of the current pulses satisfies the condition:
B = dT × dF >1 (1), где:B = dT × dF >1 (1), where:
dT - эффективная длительность сигнала;dT - effective signal duration;
dF - эффективная ширина спектра сигнала,dF - effective signal spectrum width,
- измерительный блок, связанный с ИК, осуществляющий анализ сигналов, соответствующих как минимум одному прямому и как минимум одному инвертированному импульсам тока, протекающим через ВК на каждом исследуемом участке ОК, при этом измерительный блок дополнительно содержит блок преобразования принимаемых сигналов из временной области в частотную, и соединенный с ним последовательно анализатор спектра (АС), причем, в спектре каждого принимаемого ИК сигнала измеряют амплитуды как его высокочастотных, так и низкочастотных составляющих, на основе анализа которых подавляют влияние мешающих факторов и определяют твёрдость объекта контроля.- a measuring unit associated with the IR, which analyzes signals corresponding to at least one direct and at least one inverted current pulses flowing through the VC at each investigated section of the OC, while the measuring unit additionally contains a block for converting received signals from the time domain to the frequency domain, and a spectrum analyzer (AS) connected in series with it, moreover, in the spectrum of each received IR signal, the amplitudes of both its high-frequency and low-frequency components are measured, based on the analysis of which the influence of interfering factors is suppressed and the hardness of the test object is determined.
Кроме того, датчик может быть дополнительно оснащён системой охлаждения.In addition, the sensor can be additionally equipped with a cooling system.
Анализ данных может осуществляться, например, следующим путем:Data analysis can be carried out, for example, in the following way:
- выделением из спектра принимаемых сигналов, соответствующих как прямым, так и инвертированным импульсам тока, заранее выбранных частотных составляющих f1…fn, измерением их амплитуд Af1d…Af1n и Af1i…Afni, где индексы 1…n соответствуют порядковому номеру частотной составляющей, а индексы d и i означают принадлежность, соответственно, прямому и инвертированному импульсам тока через ВК,- isolating from the spectrum of received signals corresponding to both direct and inverted current pulses pre-selected frequency components f1...fn, measuring their amplitudes A f1d ...A f1n and A f1i ...A fni , where the indices 1...n correspond to the serial number of the frequency component , and the indices d and i mean that they belong, respectively, to direct and inverted current pulses through the VC,
- последующим вычислением параметра R = R(Af1d…Afnd, Af1i…Afni), коррелирующего с твёрдостью объекта контроля, и имеющего минимальную корреляцию с мешающими факторами, в частности, с изменениями зазора и намагниченности объекта контроля, причем вид формулы, по которой рассчитывается параметр R, определяется экспериментально, с использованием образцов материала, подлежащего контролю.- subsequent calculation of the parameter R = R(A f1d ...A fnd, A f1i ...A fni ), which correlates with the hardness of the test object, and has minimal correlation with interfering factors, in particular, with changes in the gap and magnetization of the test object, and the form of the formula, by which the parameter R is calculated is determined experimentally, using samples of the material to be controlled.
Параметр R может быть рассчитан, например, по следующей формуле:The R parameter can be calculated, for example, using the following formula:
, ,
где:Where:
- максимальная амплитуда в спектре прямого сигнала; - maximum amplitude in the spectrum of the direct signal;
- максимальная амплитуда в спектре инвертированного сигнала; - maximum amplitude in the spectrum of the inverted signal;
- амплитуда частотной составляющей fn прямого сигнала; - amplitude of the frequency component fn of the direct signal;
- амплитуда частотной составляющей fn инвертированного сигнала; - amplitude of the frequency component fn of the inverted signal;
- весовые коэффициенты, подбираемые опытным путём. - weighting coefficients selected empirically.
Далее выполняется расчёт значения твердости на исследуемом участке ОК, который осуществляется, как правило, путем умножения значения R на соответствующий масштабный коэффициент, который, в свою очередь, зависит от специфических свойств каждого измерительного канала, и определяется при калибровке измерительной системы.Next, the hardness value is calculated in the test area of the OK, which is carried out, as a rule, by multiplying the R value by the corresponding scale factor, which, in turn, depends on the specific properties of each measuring channel and is determined during calibration of the measuring system.
В отличие от прототипа, в котором для измерений используется только высокочастотная часть принимаемого сигнала, в заявляемой конструкции анализируется весь сигнал, включая его низкочастотную часть, причём анализ выполняется в частотной области, а не во временной. Таким образом, отличительной особенностью работы устройства заявляемой конструкции является то, что база В анализируемого сигнала удовлетворяет условию B>1, а также то, что одновременно выполняется анализ нескольких частотных составляющих сигнала.Unlike the prototype, in which only the high-frequency part of the received signal is used for measurements, in the claimed design the entire signal is analyzed, including its low-frequency part, and the analysis is performed in the frequency domain, and not in the time domain. Thus, a distinctive feature of the operation of the device of the claimed design is that base B the analyzed signal satisfies the condition B>1, and also that several frequency components of the signal are analyzed simultaneously.
В результате использования заявляемой конструкции устройства для определения однородности механических свойств изделий из ферромагнитных материалов и обнаружения в них зон с аномальной твёрдостью обеспечивается исключение негативного влияния участков ОК с остаточной намагниченностью, благодаря одновременному анализу сразу нескольких частотных составляющих сигнала.As a result of the use of the proposed device design for determining the uniformity of mechanical properties of products made of ferromagnetic materials and detecting zones with anomalous hardness in them, the negative influence of OK sections with residual magnetization is eliminated, thanks to the simultaneous analysis of several frequency components of the signal.
Разные частотные составляющие позволяют по отдельности идентифицировать влияние на результат расчёта как свойств ОК, так и влияние мешающих факторов, и, соответственно, исключить их влияние на конечный результат. Кроме того, поскольку анализ частотных составляющих выполняется одновременно, то нет необходимости выполнять принудительное изменение параметров колебательного контура, что обеспечивает повышение частоты посылок импульсов, а дополнительное применение системы охлаждения датчика позволяет стабилизировать температурный режим его работы и дополнительно повысить частоту посылок импульсов, что, в итоге, позволяет существенно повысить производительность контроля ОК (например, горячекатаных листов) в потоке производства.Different frequency components make it possible to separately identify the influence on the calculation result of both the OC properties and the influence of interfering factors, and, accordingly, eliminate their influence on the final result. In addition, since the analysis of frequency components is performed simultaneously, there is no need to perform a forced change in the parameters of the oscillatory circuit, which ensures an increase in the frequency of pulse sending, and the additional use of the sensor cooling system makes it possible to stabilize the temperature regime of its operation and further increase the frequency of pulse sending, which ultimately , allows you to significantly increase the productivity of inspection of OK (for example, hot-rolled sheets) in the production flow.
Заявляемая конструкция поясняется изображениями, на которых обозначены следующие позиции:The inventive design is illustrated by images, which indicate the following positions:
1 - устройство для определения однородности механических свойств изделий из ферромагнитных материалов и обнаружения в них зон с аномальной твёрдостью;1 - a device for determining the uniformity of the mechanical properties of products made of ferromagnetic materials and detecting zones with anomalous hardness in them;
2 - датчик;2 - sensor;
3 - источник импульсов тока;3 - source of current pulses;
4 - измерительный блок;4 - measuring block;
5 - объект контроля (ОК);5 - object of control (OK);
6 - корпус датчика 2;6 - sensor housing 2;
7 - возбуждающая катушка (ВК) датчика 2;7 - exciting coil (VC) of sensor 2;
8 - измерительная катушка (ИК) датчика 2,8 - measuring coil (IR) of sensor 2,
9 - ферромагнитный сердечник датчика 2;9 - ferromagnetic core of sensor 2;
10 - крышка корпуса 6 датчика 2;10 - housing cover 6 of sensor 2;
11 - подложка корпуса 6 датчика 2;11 - substrate of the housing 6 of the sensor 2;
12A, 12B - прямой и инвертированный сигналы;12A, 12B - direct and inverted signals;
13 - подмагничивающая компонента прямого или инвертированного сигнала 12A, 12B;13 - bias component of the direct or inverted signal 12A, 12B;
14 - измерительная компонента прямого или инвертированного сигнала 12A, 12B;14 - measuring component of the direct or inverted signal 12A, 12B;
15 - датчик 2, установленный на лабораторном сканере;15 - sensor 2 installed on a laboratory scanner;
16 - первый образец;16 - first sample;
17 - участок первого образца 16, имитирующий зазор;17 - section of the first sample 16, simulating a gap;
18 - участок первого образца 16 с удалённой окалиной;18 - section of the first sample 16 with scale removed;
19 - область расположения участка 17 первого образца 16, имитирующий зазор;19 - location area of section 17 of the first sample 16, simulating a gap;
20 - область расположения участка 18 первого образца 16 с удалённой окалиной;20 - location area of section 18 of the first sample 16 with scale removed;
21 - второй образец;21 - second sample;
22 - твёрдое пятно;22 - hard spot;
23 - область расположения твёрдого пятна 22.23 - area where hard spot 22 is located.
На Фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства для определения однородности механических свойств изделий из металла и обнаружения в них зон с аномальной твёрдостью 1, которое включает в себя датчик 2, источник импульсов тока 3 и измерительный блок 4.In FIG. Figure 1 shows a block diagram of the proposed device for determining the uniformity of the mechanical properties of metal products and detecting zones with abnormal hardness 1 in them, which includes a sensor 2, a source of current pulses 3 and a measuring unit 4.
На Фиг. 2 представлено схематическое сечение датчика 2, который включает в себя корпус 6, ВК 7 и ИК 8. При этом датчик 2 может быть выполнен с возможностью его присоединения непосредственно к ОК 5 или он может быть размещён на заданном расстоянии S от поверхности ОК 5, при этом упомянутое расстояние S от поверхности ОК 5 до датчика 2 должно удовлетворять условию S ≥ 0 мм, которое может быть постоянным или переменным.In FIG. Figure 2 shows a schematic cross-section of sensor 2, which includes a housing 6, VK 7 and IR 8. In this case, sensor 2 can be configured to be attached directly to OK 5 or it can be placed at a given distance S from the surface of OK 5, with In this case, the mentioned distance S from the surface OK 5 to the sensor 2 must satisfy the condition S ≥ 0 mm, which can be constant or variable.
Корпус 6 датчика 2 включает в себя крышку 10 и подложку 11, соединённую с крышкой 10 корпуса 6.The housing 6 of the sensor 2 includes a cover 10 and a substrate 11 connected to the cover 10 of the housing 6.
Возбуждающая катушка 7 и измерительная катушка 8 датчика 2 размещены на одной подложке 11 и включают в себя общий ферромагнитный сердечник 9, в данном примере выполненный П-образным. Сердечник 9 образует с ОК 5 в максимальной степени замкнутый магнитный контур.The exciting coil 7 and the measuring coil 8 of the sensor 2 are placed on the same substrate 11 and include a common ferromagnetic core 9, in this example made U-shaped. Core 9 forms with OK 5 a closed magnetic circuit to the maximum extent.
Источник импульсов тока 3 связан с ВК 7 датчика 2. Импульс тока подаётся на ВК 7 датчика 2, в которой возникает широкополосный сигнал 12, который включает в себя последовательные во времени первую составляющую 13 (подмагничивающую компоненту) и вторую составляющую 14 (измерительную компоненту). При этом источник импульсов тока 3 выполнен с возможностью генерации как прямого, так и инвертированного импульса тока. В результате сигнал 12 будет либо прямым, как он обозначен на Фиг. 3A позицией 12A, либо инвертированным, как он обозначен на Фиг. 3B позицией 12B.The source of current pulses 3 is connected to the VC 7 of the sensor 2. The current pulse is supplied to the VC 7 of the sensor 2, in which a broadband signal 12 appears, which includes the first component 13 (magnetizing component) and the second component 14 (measuring component) sequential in time. In this case, the source of current pulses 3 is designed to generate both direct and inverted current pulses. As a result, signal 12 will be either direct, as indicated in FIG. 3A at 12A, or inverted as indicated in FIG. 3B position 12B.
Важной особенностью генерируемых ВК 7 сигналов 12 является то, что их база В удовлетворяет условию: В = dT х dF > 1, где dT - эффективная длительность сигнала 12, а dF - эффективная ширина спектра сигнала 12.An important feature of the signals 12 generated by the VC 7 is that their base B satisfies the condition: B = dT x dF > 1, where dT is the effective duration of the signal 12, and dF is the effective width of the spectrum of the signal 12.
Инверсия формы импульсов магнитного поля в магнитопроводе и на связанном с ним участке ОК 5 обеспечивает как минимум частичное размагничивание приповерхностного слоя ОК 5, что обеспечивает частичную компенсацию влияния остаточного магнитного поля.Inversion of the shape of magnetic field pulses in the magnetic core and in the associated section of OK 5 ensures at least partial demagnetization of the near-surface layer of OK 5, which provides partial compensation for the influence of the residual magnetic field.
Измерительный блок 4 связан с ИК 8 датчика 2 и выполнен c возможностью приёма и обработки сигналов, возникающих в ИК 8 датчика 2, появление которых обусловлено наличием электромагнитных связей между ВК 7 датчика 2, ИК 8 датчика 2, и ОК 5.Measuring unit 4 is connected to IR 8 of sensor 2 and is capable of receiving and processing signals arising in IR 8 of sensor 2, the appearance of which is due to the presence of electromagnetic connections between VC 7 of sensor 2, IR 8 of sensor 2, and OK 5.
Измерительный блок позволяет анализировать сигнал 12 целиком, как его подмагничивающую компоненту 13, так и измерительную компоненту 14. При это, он включает Фурье-анализатор и переводит принятый сигнал 12 из временной области в частотную. В качестве информативных параметров при анализе сигнала могут использоваться, например, амплитуды различных частотных составляющих спектра сигнала 12, а также ширина и центральные частоты различных частотных составляющих. Важно также, что анализу подвергаются совместно как прямой 12А, так и инвертированный 12В сигналы, полученные на одном и том же участке ОК 5. Анализ различных частотных составляющих принимаемого ИК 8 датчика 2 сигнала 12 позволяют определить текущий зазор между датчиком 2 и ОК 5, и подавить влияние прочих мешающих факторов, в частности остаточного магнитного поля, причём для любой марки стали, а также выделить параметры, которые характеризуют физические свойства материала ОК 5, что позволяет повысить точность измерений.The measuring unit allows you to analyze the signal 12 as a whole, both its biasing component 13 and the measuring component 14. At the same time, it turns on the Fourier analyzer and converts the received signal 12 from the time domain to the frequency domain. For example, the amplitudes of the various frequency components of the spectrum of the signal 12, as well as the width and center frequencies of the various frequency components, can be used as informative parameters when analyzing the signal. It is also important that both direct 12A and inverted 12B signals received in the same section of OK 5 are analyzed together. Analysis of the various frequency components of signal 12 received by IR sensor 8 8 allows us to determine the current gap between sensor 2 and OK 5, and suppress the influence of other interfering factors, in particular the residual magnetic field, for any grade of steel, and also highlight the parameters that characterize the physical properties of the OK 5 material, which allows increasing the accuracy of measurements.
На основе экспериментальных данных была установлена прямая пропорциональная зависимость между частотой составляющей 14 сигнала 12 и твёрдостью поверхности ОК 5, т.е. чем выше частота наблюдаемого сигнала, тем твёрже поверхность, находящаяся под датчиком 2. Данная зависимость справедлива, если датчик 2 находится на одном и том же материале, разные части которого имеют различную твёрдость.Based on experimental data, a direct proportional relationship was established between the frequency of component 14 of signal 12 and the hardness of the surface OK 5, i.e. the higher the frequency of the observed signal, the harder the surface located under sensor 2. This relationship is valid if sensor 2 is located on the same material, different parts of which have different hardness.
Измерительный блок 4 на основе собранных в процессе контроля данных позволяет рассчитывать параметр R по формуле (2). Параметр R, в свою очередь, коррелирует со значением твёрдости ОК 5, и соответственно, может быть пересчитан в единицы твёрдости.Measuring unit 4, based on the data collected during the monitoring process, makes it possible to calculate the parameter R using formula (2). The R parameter, in turn, correlates with the hardness value OK 5, and accordingly, can be recalculated into hardness units.
Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.
Датчик 2 располагают на заданном расстоянии от поверхности ОК 5.Sensor 2 is placed at a given distance from the surface OK 5.
Посредством источника импульсов тока 3 (Фиг. 1), подключенного к катушке 7 датчика 2, генерируют последовательность из множества сигналов 12: чередующихся прямых сигналов 12A и инвертированных сигналов 12B (пример последовательности сигналов показан на Фиг. 4).By means of a current pulse source 3 (Fig. 1) connected to the coil 7 of the sensor 2, a sequence of multiple signals 12 is generated: alternating direct signals 12A and inverted signals 12B (an example of a signal sequence is shown in Fig. 4).
Параметры импульсов тока (длительность и амплитуду), обуславливающих появление сигналов 12, подбирают экспериментальным путём для каждого образца ОК (марки стали), таким образом, чтобы обеспечить локальное размагничивание тонкого поверхностного слоя материала на участке, где выполняют измерения.The parameters of the current pulses (duration and amplitude) that cause the appearance of signals 12 are selected experimentally for each OK sample (steel grade) in such a way as to ensure local demagnetization of the thin surface layer of the material in the area where the measurements are performed.
Параметры сигналов 12 в процессе контроля меняются в зависимости от свойств ОК 5, величины зазора между датчиком 2 и ОК 5, и от наличия остаточного магнитного поля. Сигналы 12 принимают посредством ИК 8. Посредством измерительного блока 4 анализируют информативные параметры принятых сигналов 12, в частности, их форму, и сравнивают полученные значения параметров со значениями параметров, полученных при калибровке, и рассчитывают параметр R, коррелирующий со значением твёрдости. Зависимость между параметром R и значением твёрдости при расчёте по предложенной формуле (2) обратно пропорциональная (чем больше R, тем ниже твёрдость). В процессе калибровки устанавливают зависимость измеряемых параметров сигнала от зазора для данного конкретного материала, то есть, выполняют подбор значений весовых коэффициентов К 1 …К n в формуле (2), что позволяет откалибровать устройство таким образом, чтобы компенсировать, например, случайные изменения зазора, влияние остаточной намагниченности, и при этом видеть те участки, изменение параметров сигнала на которых связано с изменением твёрдости.The parameters of signals 12 during the monitoring process change depending on the properties of OK 5, the size of the gap between sensor 2 and OK 5, and the presence of a residual magnetic field. Signals 12 are received via IR 8. Using the measuring unit 4, the informative parameters of the received signals 12, in particular their shape, are analyzed, and the obtained parameter values are compared with the parameter values obtained during calibration, and the parameter R, which correlates with the hardness value, is calculated. The relationship between the parameter R and the hardness value when calculated using the proposed formula (2) is inversely proportional (the higher R, the lower the hardness). During the calibration process, the dependence of the measured signal parameters on the gap for a given specific material is established, that is, the values of the weighting coefficients K 1 ... K n are selected in formula (2), which allows you to calibrate the device in such a way as to compensate, for example, random changes in the gap, the influence of residual magnetization, and at the same time see those areas in which changes in signal parameters are associated with changes in hardness.
Заявляемая конструкция прошла экспериментальные испытания.The proposed design has passed experimental tests.
Эксперимент 1: Исследование влияния зазора и окалины на результаты контроля.Experiment 1: Study of the influence of gap and scale on inspection results.
Для проведения эксперимента был использован первый образец 16 листовой трубной стали с размерами 300х300 мм, имеющий твёрдость поверхности в диапазоне от 170 до 180 Hv10 (проверка была выполнена при помощи ручного динамического твердомера). Для проведения эксперимента применялся лабораторный сканер, содержащий заявляемое устройство.To conduct the experiment, the first sample of 16 sheet pipe steel with dimensions of 300x300 mm was used, having a surface hardness in the range from 170 to 180 Hv10 (the test was performed using a manual dynamic hardness tester). To conduct the experiment, a laboratory scanner containing the inventive device was used.
Первый образец 16 был исследован два раза: первый раз - в исходном состоянии (Фиг. 5), второй раз - после добавления на его поверхность «мешающих» факторов:The first sample 16 was examined twice: the first time - in the initial state (Fig. 5), the second time - after adding “interfering” factors to its surface:
- участок 17, имитирующий зазор, снабжённый отрезками бумаги, приклеенными к его поверхности скотчем. Суммарная высота зазора составила 0,3 мм, что соответствует фактическому диапазону изменения зазора в процессе контроля реальных ОК;- section 17, simulating a gap, equipped with pieces of paper glued to its surface with tape. The total height of the gap was 0.3 mm, which corresponds to the actual range of change in the gap during the control of real OK;
- участок 18 с удалённой (снятой) окалиной.- section 18 with removed (removed) scale.
Вид образца с «мешающими» факторами на его поверхности показан на Фиг. 6, участок со снятой окалиной показан на Фиг. 7.A view of a sample with “interfering” factors on its surface is shown in Fig. 6, the area with the scale removed is shown in FIG. 7.
Результаты сканирования первого образца 16 в исходном состоянии и с «мешающими факторами» представлены на Фиг. 8 и Фиг. 9. В правой части представленных выше Фиг. 8 и Фиг. 9. имеется график изменения параметра R, при этом позицией 19 обозначена область участка, имитирующего зазор первого образца 16, а позицией 20 обозначена область расположения участка 18 первого образца 16 с удалённой окалиной. Изменение зазора не оказывает заметного влияния на изменение параметра R, так же, как и участок 18 с удалённой окалиной.The results of scanning the first sample 16 in the original state and with “interfering factors” are presented in Fig. 8 and Fig. 9. On the right side of the above Figs. 8 and Fig. 9. There is a graph of changes in the parameter R, with position 19 indicating the area of the section simulating the gap of the first sample 16, and position 20 indicating the area of location of section 18 of the first sample 16 with scale removed. Changing the gap does not have a noticeable effect on the change in parameter R, just like section 18 with scale removed.
Эксперимент 2: Подавление магнитного поля и выявление твёрдых пятен.Experiment 2: Magnetic field suppression and hard spot detection.
Второй образец 21 (Фиг. 10) листовой трубной стали с размерами 300х300 мм, имеющий твёрдость поверхности в диапазоне от 180 до 190 Hv10 (проверка была выполнена при помощи ручного динамического твердомера), а также образованными на его поверхности при помощи лазера твёрдыми пятнами 22. Твёрдость твёрдых пятен 22 составляет порядка 270 Hv10. Для последующего намагничивания образца 21 был применён крановый постоянный магнит с грузоподъёмностью 1000 кг.The second sample 21 (Fig. 10) of sheet pipe steel with dimensions of 300x300 mm, having a surface hardness in the range from 180 to 190 Hv10 (the test was performed using a manual dynamic hardness tester), as well as hard spots 22 formed on its surface using a laser. The hardness of hard spots 22 is about 270 Hv10. For subsequent magnetization of sample 21, a crane permanent magnet with a load capacity of 1000 kg was used.
Образец 21 был исследован два раза: первый раз в исходном состоянии, до намагничивания (см. Фиг. 11), и второй раз - после намагничивания (см. Фиг. 12).Sample 21 was examined twice: the first time in the initial state, before magnetization (see Fig. 11), and the second time after magnetization (see Fig. 12).
На Фиг. 13 представлена визуализация магнитного поля на намагниченном втором образце 21. На Фиг. 11, Фиг. 12 позициями 23 обозначены области расположения твёрдых пятен 22.In FIG. 13 is a visualization of the magnetic field on the magnetized second sample 21. FIG. 11, Fig. 12 positions 23 indicate areas of hard spots 22.
Результаты сканирования демонстрируют способность заявляемого устройства как обнаруживать твёрдые пятна 22, так и эффективно подавлять влияние остаточного магнитного поля.The scanning results demonstrate the ability of the inventive device to both detect hard spots 22 and effectively suppress the influence of the residual magnetic field.
Таким образом, решение технической проблемы и достижение заявленного технического результата с помощью заявляемого технического решения были подтверждены экспериментальным путём.Thus, the solution to the technical problem and the achievement of the stated technical result using the proposed technical solution were confirmed experimentally.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/EA2024/050012 WO2025108531A1 (en) | 2023-11-21 | 2024-11-18 | Device for determining the uniformity of mechanical properties of articles made of ferromagnetic materials and detecting regions of abnormal hardness therein |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2818648C1 true RU2818648C1 (en) | 2024-05-03 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2561250C2 (en) * | 2013-12-10 | 2015-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" | Method of detection of defects on surfaces of ferromagnetic materials and products and device for its implementation |
| RU2570704C1 (en) * | 2015-01-30 | 2015-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Радан" | Method and device to monitor excessive corrosion of steel |
| JP2016217991A (en) * | 2015-05-25 | 2016-12-22 | 株式会社コベルコ科研 | Thickness reduction inspection method |
| RU2627122C1 (en) * | 2016-09-16 | 2017-08-03 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Радан" | Method and device for determining relaxation coercive force and relaxation magnetization of elongated products from ferromagnetic materials |
| RU2690074C2 (en) * | 2017-10-05 | 2019-05-30 | Андрей Васильевич Кириков | Device for determining uniformity of mechanical properties of articles of their metal and detection in them of zones with abnormal hardness |
| RU2767939C1 (en) * | 2021-06-18 | 2022-03-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" | Device for detecting zones with inhomogeneous physical properties in rolled metal products |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2561250C2 (en) * | 2013-12-10 | 2015-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" | Method of detection of defects on surfaces of ferromagnetic materials and products and device for its implementation |
| RU2570704C1 (en) * | 2015-01-30 | 2015-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Радан" | Method and device to monitor excessive corrosion of steel |
| JP2016217991A (en) * | 2015-05-25 | 2016-12-22 | 株式会社コベルコ科研 | Thickness reduction inspection method |
| RU2627122C1 (en) * | 2016-09-16 | 2017-08-03 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Радан" | Method and device for determining relaxation coercive force and relaxation magnetization of elongated products from ferromagnetic materials |
| RU2690074C2 (en) * | 2017-10-05 | 2019-05-30 | Андрей Васильевич Кириков | Device for determining uniformity of mechanical properties of articles of their metal and detection in them of zones with abnormal hardness |
| RU2767939C1 (en) * | 2021-06-18 | 2022-03-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" | Device for detecting zones with inhomogeneous physical properties in rolled metal products |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Altpeter et al. | Robust solutions of inverse problems in electromagnetic non-destructiveevaluation | |
| KR100218653B1 (en) | Electromagnetic Induction Tester | |
| CN87100765A (en) | Methods and apparatus for non-destructive testing of materials and inspection of magnetic structural materials | |
| Janousek et al. | Novel insight into swept frequency eddy-current non-destructive evaluation of material defects | |
| Grijalba et al. | Non-destructive scanning for applied stress by the continuous magnetic Barkhausen noise method | |
| WO2025108531A1 (en) | Device for determining the uniformity of mechanical properties of articles made of ferromagnetic materials and detecting regions of abnormal hardness therein | |
| Pavlyuchenko et al. | Differential background of electric signal read from an induction magnetic head | |
| JPS6314905B2 (en) | ||
| RU2818648C1 (en) | Device for determining homogeneity of mechanical properties of articles made from ferromagnetic materials and detecting zones with abnormal hardness therein | |
| JPS60237358A (en) | Ultrasonic inspection method and device for conductive material to be inspected | |
| JP2017067743A (en) | Non-destructive inspection device and non-destructive inspection method | |
| CN111895901B (en) | Method and system device for detecting gap between ferromagnetic and non-ferromagnetic metal plates | |
| JP5857649B2 (en) | Method for measuring the amount of retained austenite | |
| RU2493561C1 (en) | Eddy current magnetic method of failure detection of ferrous objects | |
| JP2000266727A (en) | Carburizing depth measurement method | |
| RU2204827C1 (en) | Procedure evaluating residual life of articles from ferromagnetic steels and gear for its implementation | |
| JP2001133441A (en) | Non-destructive hardness measurement method | |
| JP3755403B2 (en) | Method for measuring transformation state of magnetic material and measuring device for transformation state of magnetic material | |
| JPS59112257A (en) | Method and device for nondestructive inspection of ferromagnetic material | |
| JP2023029151A (en) | Electromagnetic material evaluation method and device using magnetism | |
| JPH09166582A (en) | Electromagnetic flaw detection | |
| SU1229688A1 (en) | Method of inspecting quality of metal articles | |
| RU2784421C1 (en) | Apparatus for assessing the structure of metal of rolled steel sheets, method for assessing the structure of metal of a rolled steel sheet, production equipment for manufacturing a steel article, method for manufacturing a steel article, and method for controlling the quality of a steel article | |
| RU2677081C1 (en) | Eddy current measuring system to control quality and thickness of hardening coatings on metal basis | |
| OKA et al. | Examination of the inductance method for non-destructive testing in structural metallic material by means of the pancake-type coil |