Способ определения степени сцепления металлического покрытия с изоляционным основанием

 

Использование: неразрушающий контроль, обнаружение дефектов. Сущность изобретения: способ определения степени сцепления тонкого металлического покрытия с изоляционным основанием основан на измерении количества тепла, быстро сообщенного покрытию, и измерении тепла, оставшегося в покрытии через некоторый интервал времени. Отношение этих значений характеризует степень сцепления. Для нагрева покрытия используют вихревые токи. 4 ил.

Изобретение относится к тепловому неразрушающему контролю и может быть использовано для обнаружения дефектов типа отслоения, недостаточного сцепления тонкого металлического покрытия на основании из изоляционного материала.

Известен способ определения сцепления покрытия [1] с основанием, основанный на подведении тепла к объекту контроля (ОК) и измерении разности температур в выбранных точках ОК. Дефектное сцепление характеризуется температурой, отличной от температуры других точек. Недостатком данного способа является невозможность обнаружения дефектов сцепления в случае, если неудовлетворительное сцепление является однородным во всех точках поверхности ОК, либо в случае, если толщина покрытия неодинакова по поверхности ОК.

Известен также способ обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов металлических изделий [2] основанный на нагреве поверхности токами высокой частоты и регистрации дефекта по наличию градиента температуры поверхности. Обеспечение требуемой толщины нагрева достигается изменением частоты тока. Необходимая частота определяется по известным зависимостям и табличным данным. Как только появился градиент температуры поверхности, он сразу стремится исчезнуть за счет теплопроводности материала изделия. Это влияние сводят к минимуму за счет сокращения времени от возникновения градиента температуры до момента измерения. Данный способ не может быть использован для контроля отслоения от изоляционного основания, так как отслоение не влияет на распределение вихревых токов, за счет концентрации которых в районе дефекта [2] создается температурный градиент.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ тепловой дефектоскопии, который применяют и для определения степени сцепления металлических покрытий с изоляционным основанием [3] Согласно данному способу нормально к поверхности контролируемого изделия создают градиент температуры, а затем производят регистрацию температурного поля этой поверхности в различные моменты времени для определения скорости ее остывания, по которым судят о наличии дефекта в цельном материале или между слоями различных материалов. Так как объектами контроля данного способа являются материалы с высокой температуропроводностью, вследствие чего температурное поле изменяется очень быстро, на контролируемое изделие наносят слой с меньшей температуропроводностью (коэффициентом температуропроводности). Это способствует увеличению длительности существования кратковременных локальных отклонений температуры, обусловленных дефектами типа несплошности или недостаточного сцепления.

Однако данный способ является довольно трудоемким, что связано с необходимостью нанесения и последующего удаления вспомогательного слоя, а в некоторых случаях и дополнительной очистки поверхности, что в некоторых случаях необходимо по технологическим соображениям.

Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости способа и расширение области применения на те материалы, на поверхность которых не допускается нанесение посторонних слоев. Это достигается тем, что контролируемый участок поверхности нагревают со стороны поверхности и затем замерят количество теплоты Q₂, оставшееся в покрытии, производится измерение количества теплоты Q₁, сообщаемое контролируемому участку, длительность интервала нагрева τ₁ выбирают из условия τ₁≅ 5·10^-4 D²/α,, где α коэффициент температуропроводности материала основания, D - характерный размер контролируемого участка, измерение количества тепла Q₂ производят через интервал времени , а о степени сцепления металлического покрытия с изоляционным основанием судят по отношению S (Q₁ KQ₂)/Q₁, где К коэффициент, определяемый экспериментально для покрытия с известным сцеплением.

Фиг. 1 поясняет одну из возможностей реализации способа, на фиг. 2 показана структурная схема одного из устройств, реализующего данный способ, на фиг. 3 изображен импульс тока нагрева, фиг. 4 поясняет принцип измерения количества теплоты для нагрева покрытия.

Способ заключается в следующем. Некоторый участок объекта контроля - слоистый материал, состоящий из изоляционного основания 2 (фиг. 1) с тонким металлическим покрытием 1, нагревают со стороны покрытия. Это может быть реализовано, например, с помощью индуктора 3, расположенного вблизи объекта контроля, либо с помощью импульсного лазерного излучения и т.п. Затем производится измерение количества теплоты для нагрева объекта, причем интервал времени нагрева τ₁≅ 5·10^-4τ₀, где τ₀=D²/α_ нормированное время теплового переходного процесса, D характерный размер участка нагрева, α - коэффициент температуропроводности материала основания. При малом интервале времени нагрева можно пренебречь оттоком тепла в изоляционное основание, которое имеет место за время нагрева. После окончания нагрева покрытие начинает остывать за счет распространения тепла в основание (показано стрелками на фиг. 1). Через интервал времени τ₂≈(0,5÷2)·10^-2τ₀,, достаточный для того, чтобы часть тепла покрытия успела распространиться в основание, причем интенсивность этого процесса зависит от степени сцепления покрытия с основанием, измеряют количество тепла Q₂, оставшееся в покрытии, и вычисляют отношение S (Q₁ KQ₂)/Q₁, по которому судят о степени сцепления покрытия с основанием.

Способ реализуется с помощью, например, следующего устройства (фиг. 2), использующегося для нагрева вихревые токи такой частоты ω,, чтобы глубина их проникновения (Т толщина проводящего покрытия с удельной электрической проводимостью σ, m₀ магнитная постоянная), что обеспечивает равномерный нагрев по глубине покрытия. Устройство состоит из следующих блоков: генератора импульсов тока 6, индуктора 3 для нагрева покрытия, перемножителя 7, интегратора 8, блока вычитания 10, блока деления 11, преобразователя температуры 5, блока обработки сигнала преобразователя температуры 9, индикатора 13.

Мощные радиоимпульсы тока i_в (частоты ω и длительностью t₀) генератора (фиг. 3) циркулируют в индукторе (катушке индуктивности диаметром D (фиг. 1)), размещенном вблизи поверхности объекта контроля - тонкого металлического покрытия 1 толщиной Т. Плоскость витков индуктора параллельна поверхности ОК. Переменное электромагнитное поле индуктора возбуждает в металлическом покрытии нагревающие его вихревые токи. Длительность радиоимпульса тока τ₁ намного меньше времени протекания переходных тепловых процессов в ОК. За счет эффекта вихревых токов покрытию сообщается количество тепла Q₁, зависящее от i_в, ω,, τ₁ и свойств ОК (толщины и электропроводности покрытия). Измерение Q₁ производится с помощью схемы по фиг. 4. Индуктор состоит из двух катушек, первичной 3 и вторичной 4, намотанных в "два провода", т.е. (, комплексные действующие значения напряжения первичной и вторичной катушек, коэффициент трансформации которых К₁₂ ≈ 1). Сопротивление резистора 12 R₀ намного меньше, чем сопротивление первичной обмотки индуктора. Напряжение на выходе перемножителя 7 U_п=K_пU₂U₀cosϕ=K_пK₁₂U₁I_вR₀cosϕ=KʹP, (1) где К_п коэффициент передачи перемножителя, ϕ сдвиг фаз и , К' К₁₂ К_п R₀; Р электрическая мощность, характеризующая интенсивность нагрева покрытия. Напряжение на выходе интегратора 8 где K'_и коэффициент передачи интегратора К_и K'_и K'. Температура участка покрытия площадью S=πD²/4 возрастет на величину ΔT=Q₁/mc (3), где m масса покрытия на площади S, с удельная теплоемкость материала. Возникшая тепловая волна будет распространяться вдоль поверхности и в глубину ОК (как показано стрелками на фиг. 1), при этом основной поток направлен к основанию (ввиду тонкости покрытия) и пропорционален степени сцепления покрытия с основанием (К_c Q₁). Через некоторый интервал времени τ₂≫τ₁, количество покрытия Q₂, характеризующее остывающее покрытие, будет равно Q₂ Q₁ K_cQ₁ Q₁(1 - K_c)/mc, а температура покрытия ΔT₂ будет иметь значение ΔT₂=Q₂/mc=Q₁(1-K_с)/mc, (4) где К_c коэффициент степени сцепления покрытия с основанием.

Напряжение на выходе преобразователя температуры 5 в момент времени τ₂
где К'_т коэффициент передачи преобразователя температуры, К_т K'_т/mc.

На выходе блока обработки 9, имеющего коэффициент передачи

где .

На выходе блока вычитания 10
U_-=K_-(U_и-U_δ)=K_-[KQ₁-K_δQ₁(1-K_с)]=Q₁(K_-KδK_с-K_-K_δ+K K_-), (7)
где K_- коэффициент передачи блока вычитания.

Если подобрать таким образом, что
K K_--K_-K_δ=0, (8)
то
U_-=K_-K_δK_сQ₁, (9)
и на выходе блока деления 11

где К'_д коэффициент передачи блока деления, .

Таким образом, на входе индикатора имеем сигнал, пропорциональный степени сцепления покрытия с основанием. Практическая реализация условия (8) производится экспериментально с использованием образцов (специально изготовленных объектов контроля с известной или номинальной степенью сцепления или отслоением). Выбирая длительность радиоимпульсов и частоту тока нагрева, можно расширить область применения метода для изделий с разной толщиной.

Преимуществом предлагаемого способа является уменьшение трудоемкости контроля и возможность контроля степени сцепления для объектов, не допускающих нанесения на покрытие посторонних слоев.

Формула изобретения

Способ определения степени сцепления металлического покрытия с изоляционным основанием, заключающийся в том, что контролируемый участок покрытия нагревают со стороны покрытия и затем измеряют количество теплоты Q₂, оставшееся в покрытии, отличающийся тем, что измеряют количество теплоты Q₁, сообщаемое контролируемому участку покрытия при нагреве, длительность τ₁ интервала нагрева выбирают из условия τ₁≅ 5·10^-4D²/α, где α коэффициент температуропроводности материала основания, D - характерный размер контролируемого участка, измерение количества тепла Q₂ проводят через интервал времени τ₂= (0,5-2,0)·10^-2D²/α, а о степени сцепления металлического покрытия с изоляционным основанием судят по отношению S (Q₁ KQ₂)/Q₁, где К коэффициент, определяемый экспериментально для покрытия с известным сцеплением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4