CC BY
162
ёВ.А.Сясько
Измерение толщины напыляемых никелевых покрытий.
УДК 620.179.147
ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ НАПЫЛЯЕМЫХ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЧУГУННЫХ ИЗДЕЛИЯХ
ВАСЯСЬКО
Санкт-Петербургский горный университет, Россия
В современных производствах все шире применяется автоматическое напыление жаропрочного никелевого покрытия толщиной Т = 1-3 мм на крупногабаритные изделия из чугуна с шаровидным графитом. Процесс нанесения покрытия характеризуется зависимостью его относительной магнитной проницаемости от времени релаксации, длительность которой может доходить до 24 ч, а также девиацией от точки к точке на поверхности.
Рассмотрены вопросы применения вихретокового фазового метода для измерения толщины покрытия. Представлены структура вихретоковых четырехобмоточных трансформаторных преобразователей и результаты расчета и оптимизации их параметров, рассмотрено влияние контролируемого и мешающих параметров. На основании этого разработан двухканальный совмещенный измерительный преобразователь, обеспечивающий погрешность измерения ДТ < ± (0,03T + 0,02) мм в цеховых условиях в процессе нанесения покрытия и при выходном контроле. Изложены результаты испытаний на контрольных образцах и применения на производстве.
Ключевые слова: вихретоковый фазовый метод, толщина покрытий, измерительный преобразователь. Как цитировать эту статью: Сясько В.А. Измерение толщины напыляемых никелевых покрытий на крупногабаритных чугунных изделиях // Записки Горного института. Т.221. С.712-716. DOI 10.18454/ РМ1.2016.5.712.
Напыляемые никелевые покрытия обеспечивают высокие теплозащитные свойства крупногабаритных изделий из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Большинство современных технологических процессов изготовления рассматриваемого оборудования регламентируют нанесение покрытий толщиной до 3 мм для обеспечения требуемого уровня температурной защиты.
Нанесение толстослойного никелевого покрытия и обеспечение заданного значения Т является сложной и весьма дорогостоящей технологической операцией.
Метод напыления материала покрытия является более приемлемым для данной задачи. Однако в процессе нанесения покрытия поверхность изделия не должна нагреваться свыше 100-120 °С, так как при несоблюдении данного условия может начаться процесс рекристаллизации графитовой фазы чугуна, возникновение критических полей напряжений в его объеме и, соответственно, снижение прочностных свойств. Поэтому используется метод электродуговой металлизации напылением, при котором, в отличие от газопламенных методов нанесения, поверхность изделия не нагревается выше 100°С.
При электродуговой металлизации расплавленный металл подхватывается струей сжатого воздуха, истекающей из центрального сопла металлизатора, и в виде мелко распыленных частиц с высокой скоростью переносится на поверхность изделия.
Процесс образования металлиза-ционного покрытия и его структура на поверхности изделия представлены на рис.1.
Нанесение покрытия должно производиться сразу после снятия консер-вационной смазки, пескоструйной обработки и очистки поверхности продувкой, так как активированная поверхность металла очень быстро покрывается оксидной пленкой.
Нанесение покрытия осуществляется с использованием специализированных роботизированных комплексов. Рассмотрим одну из типовых задач нанесения никелевых покрытий на внутреннюю поверхность крупногабаритных цилиндрических изделий диаметром до 1500 мм и длиной до 7000 мм. Специализированный автоматизированный комплекс, изготовленный на базе токарного станка и пя-тикоординатного сварочного робота, представлен на рис.2.
Частицы
Слой оксидов
ё • •
Брызги
Поры Напыленный металл
Основной металл
Рис. 1. Процесс образования металлизационного покрытия и его структура на поверхности изделия
В.А.Сясько
Измерение толщины напыляемых никелевых покрытий...
Изделие закрепляется в патроне токарного станка. Частота вращения изделия 3-7 об/мин. Подача проволоки, регулировка тока и давления воздуха осуществляется на блоке управления металлизатора, закрепленного на штанге.
Полное время нанесения покрытия в зависимости от требуемого значения Т составляет 24-36 ч.
Покрытие наносится участками (поясами) длиной порядка 1 м по оси изделия при его вращении и возвратно-поступательном перемещением штанги с роботом. Процесс нанесения покрытия не должен прерываться
более чем на 10 мин для обеспечения адгезии слоев и исключения их растрескивания. Этот допустимый интервал времени прерывания процесса напыления металла может быть использован для контроля Т с возможностью последующего нанесения дополнительных слоев при необходимости без нарушения свойств покрытия. Кроме того, необходимо производить выходной контроль толщины покрытия на всей поверхности с заданной дискретностью.
В рассматриваемой задаче измерения никелевое покрытие толщиной 1-3 мм и основание являются магнитными электропроводящими. Для измерения Т оптимальным является использование вихретокового фазового метода (ГОСТ 18353-79, ГОСТ 8.502-84) [1].
Структурная схема трансформаторного трехобмоточного вихретокового фазового преобразователя, использующего в качестве опорного сигнала напряжение на компенсационной обмотке, изображена на рис.3.
У,
Рис.2. Структура специализированного роботизированного комплекса для нанесения никелевого покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий
1 - металлизатор; 2 - штанга; 3 - сварочный робот; 4 - изделие; 5 - шпиндель с патроном; 6 - люнет
Ц^рС, Т)
ФНЧ1
АЦП
ЦАП МК
Цп
UART14400
Рис.3. Структурная схема вихретокового фазового преобразователя
У1 - У3 - усилители; ФД - фазовый детектор; ФНЧ1 - ФНЧ2 - фильтры низкой частоты; №в №в - обмотки возбуждения;
Шк и Ши - дифференциально включенные компенсационная и измерительная обмотки; МК - микроконтроллер;
Rl - управляемый цифровой балансировочный потенциометр; F^, F2 - ферритовые броневые сердечники
Обмотка Жв записывается синусоидальным напряжением и1(/) частоты / Усиленное разностное (вносимое) напряжение Ди(/, Т) поступает на фазовый детектор ФД. Опорным сигналом для фазового детектора служит мк(/) с выхода компенсационной обмотки Жк. Цдф(/, Т) на выходе фильтра низкой частоты пропорционально разности фаз Дф между напряжением мк(/) и разностным (вносимым) на-
ёВ.А.Сясько
Измерение толщины напыляемых никелевых покрытий.
пряжением Аи(^ Т). Балансировка обмоток преобразователя производится с использованием цифрового потенциометра, управляемого микроконтроллером (ГОСТ Р ИСО 12718-2009) [2].
Для анализа характеристик измерительного преобразователя удобно использовать обобщенный информативный параметр [3]:
где R - эквивалентный радиус обмотки возбуждения; /- частота тока возбуждения; ос - интегральная электропроводность покрытия; ц0 - магнитная постоянная; цс - относительная магнитная проницаемость покрытия.
Для обеспечения необходимой чувствительности при измерениях необходимо иметь следующий диапазон вариации обобщенного параметра [11, 12]:
У рассматриваемого покрытия ос « 1,5 и цс « 20, а Ттах = 3. Расчеты показали, что выполнение указанных выше условий обеспечивается при /« 1 кГц и R = 19 мм.
Контроль Т должен производиться после нанесения каждого очередного участка покрытия и при выходном контроле (после нанесения покрытия на всю внутреннюю поверхность изделия). Время контроля каждого очередного участка не должно превышать 10 мин, так как только в этом случае при необходимости можно нанести дополнительные слои покрытия без его последующего нарушения сплошности (расслоения или растрескивания) [4]. При электродуговом методе нанесения покрытия скорость расплавления и последующего остывания металла покрытия очень высокая, в результате этого градиент температуры приводит к появлению в покрытии значительных напряжений. Механические напряжения в свою очередь изменяют физические параметры покрытия, в том числе и магнитные свойства никеля [5, 6, 10].
Исследования подтвердили, что в процессе релаксации параметров покрытия в нем действительно возникают внутренние напряжения, приводящие к изменению цс: от цстЬ (соответствующей моменту сразу после нанесения покрытия) до цстах (примерно через 24 ч после нанесения покрытия) [15].
Анализ публикаций показал, что пока не найдено явных аналитических зависимостей, связывающих магнитные характеристики ферромагнетиков с возникающими в них упругими механиче-
Р = 2 -10.
При этом глубина проникновения 5 электромагнитного поля
Максимальная измеряемая толщина покрытия [КО 21968-2005]
Ттах =(0,6 - 0,8)5 .
1т и*
Аф, град.
Рис.4. Зависимость относительного вносимого напряжения и* = й/й от информативного и мешающих параметров при измерении Т
Рис.5. Зависимость фазового сдвига от толщины покрытия: при измерениях сразу после нанесения покрытия (1) и через 12 ч (2)
В.А.Сясько
Измерение толщины напыляемых никелевых покрытий.
скими напряжениями. Прежде всего, это обусловлено изменчивыми свойствами самого ферромагнетика и его текстуры. В общем случае
(1 -0*0р),
где а - постоянный коэффициент; Х0 - начальная магнитострикция ферромагнитного материала покрытия; Р - механическая нагрузка в покрытии, возникающая вследствие механических напряжений.
Таким образом, условия проведения измерений при технологическом контроле в пределах участка при нанесении покрытия и при выходном контроле по участкам после нанесения всего покрытия будут существенно отличаться из-за различного значения цс, что может вызвать недопустимую погрешность измерения [9].
Зависимость относительного вносимого напряжения и * = й / |Ц)| от информативного и мешающих параметров представлена на рис.4.
На рис.4 линия 1 (годограф и * (Т)) показывает влияние Т (точка А соответствует Т = 0, точка С -
Т = Тщах, а точка D - Т = да). Линии 2 и 3 (годограф и * (И)) демонстрируют отстройку от влияния зазора h между преобразователем и поверхностью изделия на результат измерения (при изменении h информативный параметр Дф не изменяется). Линии В'ВВ" и ССС иллюстрируют влияние вариации ^ в диапазоне от значения цсши1 (соответствующего точкам В" и С") до цсшах (соответствующего точкам В'и С) [16].
На рис.5 представлены зависимости Дф(Т) при измерениях сразу после нанесения покрытия и через 12 ч (практически после окончания релаксации его параметров). Видно, что они зависят от времени. Если не учитывать это изменение в процессе релаксации, то погрешность измерений может доходить до ± 1 мм, в зависимости от того, как выполнялась градуировка преобразователя при его изготовлении.
Для оценки изменения магнитных характеристик покрытия в состав прибора должен быть введен второй вихретоковый измерительный преобразователь, у которого 5 < Ттщ = 1 мм при В = 2-4. При этом можно утверждать, что у этого преобразователя Дф2 будет зависеть только от цс при постоянстве ос [14].
Выполненные расчеты и эксперименты показали, что оптимальными для этого преобразователя будут следующие параметры: частота тока возбуждения /« 16 кГц, эквивалентный радиус обмотки возбуждения Я1 = 3 мм. Конструкция обмоток совмещенного двухканального измерительного преобразователя представлена на рис.6. Компенсационные и измерительные обмотки второго вихретокового преобразователя имеют ферритовые полуброневые сердечники, что повышает чувствительность [15].
Для градуировки и проверки работоспособности преобразователя была изготовлена натурная мера толщины, представляющая собой плоскопараллельное прямоугольное основание из высокопрочного чугуна размерами 150x150 мм и толщиной 70 мм, на одну из поверхностей которого нанесено четыре сектора покрытия разной толщины. Покрытие наносилось роботизированной установкой. Режимы и траектории движения металлизатора были максимально приближены к технологическим при нанесении покрытия на корпус контейнера. Толщина покрытия на секторах измерялась методом прямых измерений. Зависимости Дф(Т, /) для первого и второго Дф2(Цс, О преобразователя снимались на временном интервале 24 ч (от момента окончания нанесения до полной релаксации параметров покрытия). По результатам совместной математической обработки зависимостей был разработан алгоритм, при котором в каждой точке контроля сначала измеряются Дф2 и Дф, после чего с использованием Дф (Т, /), соответствующей измеренному значению Дф2, вычисляется Т.
На основании выполненных исследований был разработан совмещенный преобразователь к толщиномеру покрытий «Константа К6С». Испытания показали, что прибор обеспечивает погрешность измерения ДТ < ±(0,03 Т + 0,02) мм в диапазоне толщин покрытия от 1 до 3 мм в процессе его нанесения и при выходном контроле (сразу после окончания нанесения покрытия на всю поверхность изделия), подавляя влияние вариации его магнитных свойств.
1
Рис.6. Конструкция совмещенного двухканального измерительного преобразователя: 1 - корпус; 2 - чувствительный элемент преобразователя для измерения толщины покрытия; 3 - чувствительный элемент преобразователя для оценки магнитных характеристик покрытия
ё В.А.Сясько
Измерение толщины напыляемых никелевых покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бабаджанов Л.С. Метрологическое обеспечение измерений толщины покрытий / Л.С.Бабаджанов, М.Л.Бабаджанова. М.: Издательство стандартов, 2004. 264 с.
2. Дорофеев А.Л. Теория и промышленное применение метода вихревых токов. М.: Машиностроение, 1969. 96 с.
3. ДорофеевА.Л. Электромагнитная дефектоскопия / А.Л.Дорофеев, Ю.Г.Казаманов. М.: Машиностроение, 1980. 232 с.
4. Константинов В.В. Материаловедение для гальваников. М: Высшая школа, 1989. 80 с.
5. Неразрушающий контроль. Вихретоковый контроль: Справочник: В 7 т. / Под ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 2003. Т.2. Кн.2. 347 с.
6. ПотаповА.И. Неразрушающие методы и средства контроля толщины покрытий и изделий / А.И.Потапов,
B.АСясько. СПб: Гуманистика, 2009. 904 с.
7. Сясько В.А. Обеспечение достоверности результатов измерений толщины металлических покрытий магнитными и вихретоковыми методами в условиях машиностроительных производств / В.А.Сясько, А.Е.Ивкин // Метрология. 2011. № 2.
C.3-12.
8. Bailey D. Shielded Eddy Current Probes // Material Evaluation. 1983. N 7. Vol.41. P.776-778.
9. Blitz J. Electrical and Magnetic Methods of Nondestructive Testing. London: Chapman and Hall, 1997. 261 p.
10. BuvatF. Eddy current modeling of ferrite-cored probes // Review of Progress in QNDE. Vol.24. 2005. P.463-470.
11. Davis J. Mathematic formulas and refferences for nondestructive tasting - Eddy Current // J.Davis, M.King. Las Vegas: NV: Art Room Corporation, 2001. 136 р.
12. Hansen J. Back to basics: The eddy current inspection // Insight. 2004. N 5. Vol.46. P.24-28.
13. Le Ber L. Advanced of simulation and expertise capabilities in CIVA platform // Review of Progress in QNDE. 2006. Vol.25. P.684-691.
14. Ohshima K. Research on numerical analyses modeling of SCC on eddy current testing / K.Ohshima, M.Hashimoto // Journal of the JSAEM. 2002. N 10. P.384-388.
15. Syasko V.A. Eddy current thickness monitoring of aerospace technics coatings and constructions / V.A.Syasko, I.V.Pilatova, A.E.Ivkin // 18th World Conference on Nondestructive Testing. Durban, South Africa, 16-20 April, 2012. P.13. URL: http://www.ndt.net/article/wcndt2012/papers/13_wcndtfinal00013.pdf
16. Syasko V.A. Optimization of structure and operation algorithms for electromagnetic plated coatings thickness meters with the use of digital technologies / V.A.Syasko, A.S.Bulatov, I.S.Pivovarov // 17th World Conference on Nondestructive Testing. Shanghai, China. 25-28 October. 2008. 5 p.
Автор В.А.Сясько, д-р техн. наук, профессор, 9334343@gmail.com (Санкт-Петербургский горный университет, Россия).
Статья принята к публикации 15.06.2016.
