СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА Российский патент 1998 года по МПК G01N27/20 

Изобретение относится к неразрушающему контролю электропроводящих изделий и может быть использовано в машиностроении для контроля толщины и качества упрочненных слоев конструкционных сталей, получаемых при термической и химико-термической обработке, а также для контроля металлизационных и гальванических покрытий.

Известен способ неразрушающегося контроля электропроводящих объектов с возбуждением в них противоположно направленных токов и индуктивным измерением возмущения магнитного поля над контролируемым участком поверхности [1]. Способ предназначен для выявления дефектов, представляющих собой нарушение сплошности объекта.

Такой способ применим и для контроля толщины поверхностного слоя металла, но лишь в том случае, когда электромагнитные свойства поверхностных слоев и сердцевины контролируемых изделий постоянны.

Наиболее близким по технической сущности является способом контроля качества сцепления электропроводящих покрытий с металлом [2]. В данном способе через контролируемое изделие и эталон с помощью пары электродов пропускается постоянный ток, с помощью второй пары электродов на участке поверхности измеряется напряжение U. Далее определяются удельные сопротивления покрытия ρ₁ и подложки ρ₂ , толщина покрытия h. Качество покрытия оценивается с помощью расчетных графиков зависимости U от степени сцепления покрытия с подложкой при различных ρ₁, ρ₂ , h.

Недостаток способа заключается в необходимости предварительного определения удельного сопротивления покрытия, что делает данный способ непригодным для контроля слоев химико-термической обработки, поскольку их электропроводимость весьма чувствительна к отклонениям от технологии получения этих слоев, а их отслаивание затруднительно.

Чтобы расширить функциональные возможности, повысить информативность и достоверность контроля, в предлагаемом способе производится одновременное определение толщины и электропроводности поверхностного слоя.

Для этого через объект контроля и эталон, идентичный по свойствам сердцевине объекта, с помощью одной пары электродов пропускают ток заданной величины и измеряют напряжения, возникающие на участке поверхности объекта контроля и эталона, соответственно. Затем через эталон и объект контроля одновременно с первым током с помощью другой пары электродов пропускают второй ток противоположного направления и такой величины, которая дает на эталоне нулевое напряжение, и на том же участке поверхности объекта контроля измеряют возникающее напряжение. Полученные значения напряжений используют для отыскания толщины и электропроводности поверхностного слоя по диаграмме, построенной с учетом расположения точек ввода токов и снятия напряжений на поверхности образцов.

Возможность двухпараметрового контроля связана с тем, что измеряемое на участке поверхности напряжение определяется главным образом свойствами той части объекта, где в основном пролегают линии зондирующего тока. Взяв межэлектронное расстояние для одной токовой пары значительно большим толщины слоя, а для другой - сравнимым с ней, мы будем вводить первый ток в основном в сердцевину объекта, а второй - в слой. При встречном и одновременном включении токов, разность порождаемых напряжений будет зависеть от свойств, слоя и сердцевины. Выравнивание по величине этих напряжений на эталоне играет роль калибровки, после которой разность напряжений на контролируемом объекте будет непосредственно связана с разницей электропроводностей слоя и сердцевины. При этом зависимость указанной разности напряжений от толщины d и электропроводности σ слоя качественно отличается от одноименной зависимости напряжения, порождаемого только первым током, что и позволяет определить параметры d и σ .

На фиг. 1 показано устройство, реализующее предлагаемый способ двухпараметрового контроля. На фиг. 2 представлена диаграмма описанного ниже преобразователя, применяемая для определения контролируемых параметров d и σ .

Устройство содержит шестиэлектродный преобразователь 1 (обозначен пунктиром), состоящий из потенциальной и двух токовых пар, лежащих в одной плоскости, подвижных, независимо подпружиненных, иголочных электродов, взаимное расположение которых соответствует диапазону толщин контролируемых слоев. Электроды 1⁺, 1^- первой токовой пары разнесены шире электродов 2⁺, 2^- второй токовой пары; электроды a, b потенциальной пары находятся между электродами второй токовой пары. В состав устройства входит также генератор 2 (показан пунктиром) с двумя независимыми выходными каскадами, работающими в режиме плавающей нагрузки (в данном случае используется выходной трансформатор с двумя независимыми вторичными обмотками). Кроме того, устройство содержит реостаты 3, 4, измерители токов 5. 6, размыкающий ключ 7, дифференциальный усилитель 8, селективный вольтметр 9 и осциллограф 10.

Способ осуществляют следующим образом.

Преобразователь приводят в контакт с поверхностью эталона - образца, свойства которого идентичны свойствам сердцевины подвергшихся обработке изделий. При разомкнутом ключе 7 пропускают через первую токовую пару некоторый ток I₁ и измеряют соответствующее ему напряжение U₀ на потенциальной паре. Замыкают ключ 7 и с помощью реостатов 34, 4 устанавливают в цепи второй токовой пары ток I₂, дающий при том же значении тока I₁ нулевое напряжение на потенциальной паре. Переносят преобразователь на поверхность контролируемого изделия и при разомкнутом ключе 7 и том же значении тока I₁ измеряют напряжение U₁ на потенциальной паре. Замыкают ключ 7 и при восстановленных реостатами 3, 4 значениях токов I₁, I₂ измеряют напряжение U₂ на потенциальной паре.

По результатам измерений вычисляют относительные напряжения E₁ = U₁/U₀, E₂ = U₂/U₀ и значения выравнивающих функций
F₁ = 1/E₁, .

По специальной диаграмме (см. фиг. 2), соответствующей геометрии данного преобразователя, определяют относительные толщину d' и электропроводность σ′ слоя. Используя известное полурасстояние l₁ между электродами первой токовой пары и электропроводность σ_o сердцевины изделия, находят абсолютные значения толщины d и электропроводности σ поверхностного слоя. Электропроводность сердцевины σ_o определяется по напряжению U₀, полученному на поверхности эталона.

Для построения диаграммы преобразователя указанные выше напряжения U₁, U₂ вычислялись по формулам
.

Стоящие в правой части формул величины V потенциалы полей, возбуждаемых в точках a, b поверхности образца входящими (+) и выходящими (-) токами первой и второй пар токовых электродов соответственно указанным индексам. Для расчета этих величин использовано выражение (см., например, [3])
,
представляющее потенциала поля, порождаемого постоянным током 1 на поверхности двухслойного проводящего полупространства, на расстоянии r от точки ввода тока. Здесь k = (σ-σ_o)/(σ+σ_o) , а величина I имеет знак (+) или (-) соответственно тому, как направлен зондирующий электрический ток.

Для симметричного преобразователя, изображенного на фиг. 1, расстояния между контактными точками соответствующих электродов определяются формулами
,
где
h, l₁, l₂ представляют собой полурасстояния между электродами соответственно потенциальной, первой и второй токовой пар. В частности, нормирующее напряжение U₀ для такого преобразователя выражается в виде
.

Изображенная на фиг. 2 диаграмма представляет собой построенную на плоскости переменных σ′= σ/σ_o , d' = d/l₁ карту изолиний выравнивающих функций, F₁, F₂ относительных напряжений E₁, E₂ симметричного преобразователя с отношениями междуэлектродных расстояний h/l₂ = 1/2, l₂/l₁ = 1/3. В области, где изолинии функций F₁ ( σ′, d'), F₂ ( σ′ , d') пересекаются под углами близкими к 90 градусам, способ обеспечивает хорошее разрешение контролируемых параметров σ ; d.

Анализ диаграмм, построенных для преобразователей с различными отношениями h/l₂ и l₂/l₁ дает, в частности, следующие диапазоны хорошего разрешения толщин контролируемых слоев:
0,6 l₂ < d < 0,6 l₁ при h < l₂,
0,45 l₂ < d < 0,6 l₁ при h < l₂/2.

Сравнение границ данных диапазонов с границами диапазона толщин слоев, подлежащих реальному контролю, определяет межэлектродные расстояния преобразователей, обладающих наибольшей разрешающей способностью. Например, при выборе отношения h/l₂ = 1/2 наибольшей разрешающей способностью при контроле слоев с толщиной 0,45 мм < d < 1,8 мм будет обладать преобразователь с размерами l₁ = 3 мм, l₂ = 1 мм, h = 0,5 мм.

Приведенные выше расчетные формулы (1), (2) относятся к случаю постоянного тока. При зондировании изделий переменным током их применение допустимо на достаточно низких частотах, когда сканированием тока еще можно пренебречь. При работе на более высоких, в указанном смысле, частотах для построения диаграммы преобразователя вместо (1), (2) должны использоваться формулы, учитывающие скин-эффект.

Величины токов I₁, I₂ ограничены диапазоном, в котором еще можно пренебречь нагревом образца в окрестности контактных точек. Верхняя граница данного диапазона определяется формой электродов, их твердостью и усилием прижима. Принадлежность токов к диапазону проверяется экспериментально по линейности токовой зависимости измеряемых напряжений.

Источники информации.

1. Рогачев В.И. Трахтенбенрг Л.И., Шкатов П.Н. Способ неразрушающего контроля электропроводных объектов и устройство для его осуществления - а.с. N 746278, Бл N 25, 1980.

2. Брайнин Э.И. Контроль элементов электрических машин и аппаратов электропотенциальным методом. М.: Энергия, 1980, с. 4-9, 20-22.

3. Тихонов А. Н. , Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972, с. 383.

Сущность изобретения: способ неразрушающего контроля поверхностного слоя металла заключается в том, что через контролируемый объект и эталон пропускают заданный ток и измеряют напряжение, возникающее на участке поверхности. Затем дополнительно пропускают второй ток противоположного направления и измеряют напряжение. Величина второго тока подбирается такой, чтобы на эталоне получалось нулевое результирующее напряжение. Толщина и электропроводность поверхностного слоя определяются по полученным значениям напряжения и диаграмме, построенной с учетом расположения точек ввода токов и снятия напряжения на поверхности контролируемого объекта и эталона. 2 ил.

Способ неразрушающего контроля поверхностного слоя металла, заключающийся в том, что через объект контроля и эталон, идентичный по свойствам сердцевине объекта, пропускают ток заданной величины и измеряют напряжения, возникающие на участке поверхности объекта контроля и эталона соответственно, отличающийся тем, что затем через эталон и объект контроля пропускают одновременно с первым током второй ток противоположного направления и такой величины, которая обеспечивает нулевое значение напряжения на эталоне, при этом измеряют напряжение, возникающее на том же участке поверхности объекта контроля, а затем используют полученные значения напряжений и диаграмму, построенную с учетом расположения точек ввода токов и снятия напряжений на поверхности объекта контроля и эталона, для одновременного определения толщины и электропроводности поверхностного слоя.