RU2109276C1 - Process of nondestructive test of surface layer of metal - Google Patents

Abstract

FIELD: nondestructive testing. SUBSTANCE: specified current is passed through tested object and standard and voltage emerging on section of surface is measured. Then second current is additionally passed in opposite direction and voltage is measured. Value of second current is selected so that zero resulting voltage is obtained across standard. Thickness and electric conductivity of surface layer are determined by obtained values of voltage and diagram plotted with allowance for location of points of current input and voltage pick-up on surface of tested object and standard. EFFECT: enhanced authenticity of process. 2 dwg

Description

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. The invention relates to non-destructive testing of electrically conductive products and can be used in mechanical engineering to control the thickness and quality of hardened layers of structural steels obtained by thermal and chemical-thermal treatment, as well as to control metallization and galvanic coatings.

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. A known method of non-destructive testing of electrically conductive objects with excitation of oppositely directed currents in them and inductive measurement of magnetic field perturbation over a controlled surface [1]. The method is intended to detect defects representing a violation of the integrity of the object.

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. This method is also applicable to control the thickness of the surface layer of the metal, but only in the case when the electromagnetic properties of the surface layers and the core of the controlled products are constant.

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.The closest in technical essence is a way to control the quality of adhesion of electrically conductive coatings to metal [2]. In this method, a direct current is passed through a controlled product and a reference using a pair of electrodes, using the second pair of electrodes, the voltage U is measured on the surface. Next, the resistivities of the coating ρ ₁ and substrate ρ _{2 are} determined, and the coating thickness h. The quality of the coating is estimated using calculated graphs of the dependence of U on the degree of adhesion of the coating to the substrate for various ρ ₁ , ρ ₂ , 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. The disadvantage of this method is the need to first determine the specific resistance of the coating, which makes this method unsuitable for controlling the layers of chemical-thermal treatment, since their electrical conductivity is very sensitive to deviations from the technology for producing these layers, and their peeling is difficult.

Чтобы расширить функциональные возможности, повысить информативность и достоверность контроля, в предлагаемом способе производится одновременное определение толщины и электропроводности поверхностного слоя. To expand the functionality, to increase the information content and reliability of the control, in the proposed method, the thickness and electrical conductivity of the surface layer are simultaneously determined.

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. To do this, through a test object and a standard identical in properties to the core of the object, a current of a given value is passed through one pair of electrodes and the voltages arising on the surface area of the test object and the reference are measured, respectively. Then, a second current of the opposite direction and a value that gives zero voltage on the reference is passed through a reference and a test object simultaneously with the first current using another pair of electrodes, and the resulting voltage is measured on the same surface area of the test object. The obtained voltage values are used to find the thickness and electrical conductivity of the surface layer according to a diagram constructed taking into account the location of the points of current input and stress relief on the surface of the samples.

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 . The possibility of two-parameter control is connected with the fact that the voltage measured on a surface area is determined mainly by the properties of that part of the object where the probing current lines mainly lie. Taking the interelectronic distance for one current pair as much larger than the layer thickness, and for another as comparable to it, we will introduce the first current mainly into the core of the object, and the second into the layer. With the oncoming and simultaneous switching on of the currents, the difference between the generated voltages will depend on the properties, layer and core. Aligning the magnitude of these voltages on the standard plays the role of calibration, after which the voltage difference at the controlled object will be directly related to the difference in the conductivities of the layer and core. In this case, the dependence of the indicated voltage difference on the thickness d and electrical conductivity σ of the layer is qualitatively different from the same dependence of the voltage generated only by the first current, which allows us to determine the parameters d and 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 . In FIG. 1 shows a device that implements the proposed method of two-parameter control. In FIG. 2 is a diagram of the converter described below, used to determine the controlled parameters d and 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.The device contains a six-electrode transducer 1 (indicated by a dotted line), consisting of potential and two current pairs lying in the same plane, movable, independently spring loaded, needle electrodes, the mutual arrangement of which corresponds to the thickness range of the layers being monitored. The electrodes 1 ⁺ , 1 ^{- of the} first current pair are spaced wider than the electrodes 2 ⁺ , 2 ^{- of the} second current pair; electrodes a, b of the potential pair are located between the electrodes of the second current pair. The device also includes a generator 2 (shown by a dotted line) with two independent output stages operating in the floating load mode (in this case, an output transformer with two independent secondary windings is used). In addition, the device contains rheostats 3, 4, current meters 5. 6, a disconnecting switch 7, a differential amplifier 8, a selective voltmeter 9 and an oscilloscope 10.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

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.The converter is brought into contact with the surface of the standard — the sample, whose properties are identical to those of the core of the processed products. When the switch 7 is open, some current I _{1 is} passed through the first current pair and the corresponding voltage U ₀ on the potential pair is measured. The key 7 is closed and, using rheostats 34, 4, a current I _{2 is} established in the circuit of the second current pair, giving at the same current value I ₁ zero voltage on the potential pair. The transducer is transferred to the surface of the controlled product and, with the switch 7 open and the same current value I _1, the voltage U _{1 is} measured on a potential pair. Close the key 7 and when restored by rheostats 3, 4 current values I ₁ , I ₂ measure the voltage U ₂ on a potential pair.

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

.Based on the measurement results, the relative stresses E ₁ = U ₁ / U ₀ , E ₂ = U ₂ / U ₀ and the values of the leveling functions are calculated
F ₁ = 1 / E ₁ ,

.

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.Using a special diagram (see Fig. 2) corresponding to the geometry of the given converter, the relative thickness d 'and the electrical conductivity σ ′ of the layer are determined. Using the known half-distance l ₁ between the electrodes of the first current pair and the electrical conductivity σ _{o of the} core of the product, the absolute values of the thickness d and electrical conductivity σ of the surface layer are found. The electrical conductivity of the core σ _o is determined by the voltage U ₀ obtained on the surface of the standard.

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

.To build a converter diagram, the above voltage U ₁ , U _{2 were} calculated by the formulas

.

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.The potentials of the fields standing on the right side of the formulas of the magnitude V are excited at the points a, b of the sample surface by the incoming (+) and outgoing (-) currents of the first and second pairs of current electrodes, respectively, to the indicated indices. To calculate these quantities, the expression was used (see, for example, [3])

,
representing the potential of the field generated by direct current 1 on the surface of a two-layer conducting half-space, at a distance r from the current input point. Here k = (σ-σ _o ) / (σ + σ _o ), and the quantity I has the sign (+) or (-), respectively, as the probe electric current is directed.

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

.For the symmetric transducer shown in FIG. 1, the distances between the contact points of the respective electrodes are determined by the formulas

,
Where
h, l ₁ , l ₂ are half-distances between the electrodes of the potential, first and second current pairs, respectively. In particular, the normalizing voltage U ₀ for such a converter is expressed as

.

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.Depicted in FIG. Figure 2 is a map of the isolines of the leveling functions, F ₁ , F _{2 of the} relative voltages E ₁ , E _{2 of a} symmetrical transducer with inter-electrode distance ratios h / l ₂ constructed on the plane of variables σ ′ = σ / σ _o , d '= d / l ₁ = 1/2, l ₂ / l ₁ = 1/3. In the region where the contours of the functions F ₁ (σ ′, d ′), F ₂ (σ ′, d ′) intersect at angles close to 90 degrees, the method provides good resolution of the controlled parameters 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.Analysis of the diagrams constructed for transducers with different ratios h / l ₂ and l ₂ / l ₁ gives, in particular, the following ranges of good resolution of the thicknesses of the controlled layers:
0.6 l ₂ <d <0.6 l ₁ for h <l ₂ ,
0,45 l ₂ <d <0,6 l _1, with h <l _2/2.

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.A comparison of the boundaries of these ranges with the boundaries of the range of thicknesses of the layers that are subject to real control determines the interelectrode distances of the transducers that have the highest resolution. For example, when choosing the ratio h / l ₂ = 1/2, a transducer with dimensions l ₁ = 3 mm, l ₂ = 1 mm, h will have the highest resolution when controlling layers with a thickness of 0.45 mm <d <1.8 mm = 0.5 mm.

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. The above calculation formulas (1), (2) apply to the case of direct current. When probing products with alternating current, their use is permissible at sufficiently low frequencies, when current scanning can still be neglected. When working at higher frequencies in the indicated sense, for constructing the transducer diagram, instead of (1), (2), formulas taking into account the skin effect should be used.

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.The magnitudes of the currents I ₁ , I _{2 are} limited by the range in which the heating of the sample in the vicinity of the contact points can still be neglected. The upper limit of this range is determined by the shape of the electrodes, their hardness and pressure force. The belonging of the currents to the range is verified experimentally by the linearity of the current dependence of the measured voltages.

Источники информации. Sources of information.

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. 1. Rogachev V.I. Trachtenbeng L.I., Shkatov P.N. The method of non-destructive testing of electrically conductive objects and a device for its implementation - and.with. N 746278, Bl N 25, 1980.

2. Брайнин Э.И. Контроль элементов электрических машин и аппаратов электропотенциальным методом. М.: Энергия, 1980, с. 4-9, 20-22. 2. Brainin E.I. Control of elements of electric machines and apparatuses by the electropotential method. M .: Energy, 1980, p. 4-9, 20-22.

3. Тихонов А. Н. , Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972, с. 383. 3. Tikhonov A. N., Samarsky A. A. Equations of mathematical physics. M .: Nauka, 1972, p. 383.

Claims (1)

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. The method of non-destructive testing of the surface layer of the metal, which consists in passing through a test object and a standard identical in properties to the core of the object a current of a given magnitude and measuring the stresses arising on the surface area of the test object and reference, respectively, characterized in that then through the standard and the control object passes simultaneously with the first current a second current of the opposite direction and such a value that provides zero voltage value on the standard, while the voltage is measured and arising on the same site of the surface of the test object, and then use the obtained voltage values and a diagram constructed taking into account the location of the points of current input and stress relief on the surface of the test object and the reference, to simultaneously determine the thickness and electrical conductivity of the surface layer.

Images