УДК 620.179.14
МАГНИТНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ толщины СЛАБОМАГНИТНЫХ ДВУХСТОРОННИХ ПОКРЫТИЙ ПО НЕМАГНИТНОМУ ОСНОВАНИЮ
А.А. Лухвич, А.Л. Лукьянов, Н.В. Кременъкова, А.К. Шукевич
Рассмотрен общий случай, когда глубина информативной зоны больше толщины немагнитного основания, на которое с двух сторон нанесено слабомагнитное покрытие. В этом случае информативный сигнал определяется толщиной основания и покрытия как с одной, так и с другой стороны. Применительно к магнитодинамическому методу предложен способ раздельного измерения толщины покрытия с каждой стороны с учетом их общего влияния на информативный сигнал.
При магнитной толщинометрии покрытий обычно толщина основания в несколько раз превосходит толщину покрытия и глубину информативной зоны преобразователя. В таких условиях информативный сигнал однозначно определяется толщиной покрытия. Однако встречаются случаи, когда глубина информативной зоны больше толщины основания. Например, если такая ситуация возникает при контроле немагнитных покрытий по магнитному основанию, то это приводит к зависимости информативного сигнала от толщины основания. Если же необходимо измерять толщину магнитных покрытий по немагнитному основанию, то при двухсторонних покрытиях информативный сигнал будет функцией толщины покрытий, их магнитных свойств и толщины основания [1]. Такая ситуация имеет место при контроле толщины металлокерамических покрытий по немагнитным или слабомагнитным материалам лопаток турбинных двигателей.
Предложен и обоснован метод контроля толщины ингредиентов двухслойных слабомагнитных покрытий по немагнитному основанию. Задача решалась компьютерным моделированием, расчеты проводились по методу конечных элементов с использованием программы femme 3.3 применительно к реализации метода магнитодинамическими толщиномерами типа МТЦ.
Преимущества магнитодинамического метода [2—7] по сравнению с другими магнитными методами толщинометрии (пондеромоторный, магнитостатический) состоит в том, что информативный сигнал не содержит составляющей, обусловленной первичным намагничивающим полем. Это достигается тем, что в первичном преобразователе в качестве основного элемента используется постоянный магнит с магнито-мягким наконечником и неподвижной по отношению к ним многовит-ковой катушкой. При подъеме преобразователя над поверхностью изделия генерируется импульс тока, величина которого определяется только индукцией вторичного магнитного поля, чем обеспечиваются широкий диапазон измеряемых толщин и высокая разрешающая способность метода.
Металлокерамические покрытия представляют собой смесь мелких (до 7 мкм) частиц никеля и немагнитной керамики. Такая система является слабомагнитным материалом, магнитная проницае-
Александр Александрович Лухвич, доктор техн. наук, профессор, зав. лабораторией металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси. Тел. 284-23-07. E-mail: labl@iaph.bas-net.by
Андрей Леонтьевич Лукьянов, научный сотрудник Института прикладной физики НАН Беларуси. Тел. 284-24-16.
Надежда Васильевна Кременькова. Тел. 284-24-16.
Анатолий Куприянович Шукевич, старший научный сотрудник Института прикладной физики НАН Беларуси. Тел. 284-24-16.
мость которого зависит от концентрации никеля и определяется соотношением
Vc + 4 • V№
| = -—, (1)
Ус + V№
где VC, VNi — объем керамики и никеля соответственно; 4 — магнитная проницаемость шара. На практике используются смеси с весовым отношением никеля к керамике от 3:7 до 1:1. Для контроля таких покрытий оказался эффективным магнитодинамический метод. При этом магнит и наконечник преобразователя должны иметь диаметр 10 мм. Глубина h0 информативной зоны, создаваемая таким преобразователем, близка к величине 10 мм. Поэтому при толщине d немагнитного основания меньше указанной величины, информативный сигнал определяется не только толщиной h1 покрытия, на которое установлен преобразователь, но и толщиной d основания и толщиной h2 покрытия с обратной стороны.
Очевидно, решение задачи раздельного определения h1 и h2 нельзя найти, если считать неизвестными все параметры (h1, h2, |1, |2, d), от которых зависит информативный сигнал. Как правило, в реальных условиях известны толщина основания d и весовой (объемный) состав покрытия (следовательно, проницаемость | = |1 = |2). В таком случае информативный сигнал следует рассматривать как функцию двух переменных -h1 и h2. При этом толщина основания и проницаемость покрытия играют роль параметров.
С учетом указанных ограничений проведен расчет информативного сигнала магнитодинамического преобразователя. Параметрам d и h при этом придавались значения: толщина немагнитного основания d — 2, 3, 4, 5, 6 и 8 мм; толщина покрытия h — 50, 100, 150, 200, 250 и 300 мкм; магнитная проницаемость покрытия | — 1,582, 2,079 и 2,372 (соответствует среднему значению весовых отношений 1:1 и отклонению на ±10 %). Рассмотрены два случая: h1 = h2 и h1 Ф h2.
Результаты расчетов по влиянию толщины покрытия h (случай h = = h1 = h2) на величину информативного сигнала для толщины основания d = 2, 5 и 8 мм представлены на рис. 1: а — d = 2 мм, б — d = 5 мм и в — d = 8 мм. Зависимости для толщины d основания 3, 4 и 6 мм имеют аналогичный характер. На рисунке видны общие закономерности: изменение сигнала за счет покрытия с обратной стороны заметно, но уменьшается с увеличением толщины основания; абсолютное изменение сигнала возрастает как с ростом толщины покрытия, так и с ростом его проницаемости; все зависимости близки к линейным и хорошо описываются формулами вида
F = а0 + a1h + a2h2 + a3h3, (2)
где F — величина информативного сигнала, который для магнитодинамического преобразователя определяется изменением потока индукции через измерительный виток при удалении преобразователя с объекта контроля. Измерительный виток в магнитодинамическом преобразователе жестко связан с наконечником из мягкого ферромагнетика и расположен на середине его длины.
В табл. 1 приведены значения коэффициентов а, входящих в уравнение (2), рассчитанные для систем с толщиной основания 2, 5, 8 мм и покрытием со средним значением магнитной проницаемости | = 2,079. Коэффициенты, полученные для систем, у которых покрытие только с одной стороны, обозначены одной звездочкой, двумя звездочками — покрытие с двух сторон.
Аналогичные результаты имеют место и для покрытий с другими зна-
Из табл. 1 следует, что с достаточной для практики точностью полученные зависимости можно считать линейными, так как остальные слагаемые по величине меньше на порядок. При этом коэффициент а1 для
Таблица 1
Коэффициенты а в уравнении (2)
й, мм а0 а" а* а** а2 а** а3 а*3*
2 -0,0016 -0,0020 0,0240 0,0295 —1 • 10 -2 10-5 -2 -10-10 4- 10-10
5 0,0022 -0,0016 0,0238 0,0251 —9 10-6 -110-5 4 • 10-10 7 - 10-10
8 -0,0017 -0,0016 0,0240 0,0243 -110-5 -110-5 3- 10-10 4- 10-10
промежуточных значений толщины основания можно определить по формуле
а1 = 0,0343 - 0,0027 • й + 0,0002 • й2. (3)
Если ограничиться линейным приближением, то изменение величины сигнала за счет покрытия с обратной стороны можно записать в виде
А^ = - (4)
Следовательно, как это видно из (4), увеличение информативного сигнала за счет покрытия с обратной стороны происходит как за счет роста его толщины, так и за счет увеличения магнитной проницаемости этого покрытия.
Зависимость относительного изменения информативного сигнала от толщины к покрытия для оснований разной толщины ё приведена на рис. 2. Из рисунка следует, что для ё > 2 мм относительное изменение сигнала практически не зависит от к и убывает с ростом ё. Для тонкого основания (ё = 2 мм) изменение сигнала с ростом к составляет около 4 % при увеличении к от 50 до 300 мкм, а относительно одностороннего покрытия сигнал увеличивается на ~20 %.
241 " ' "
9"
" ■--■-а ё = 4 мм
6"
" ■-■--■-а ё = 5 мм
3' ■-■--■-■-■--а ё = 6 мм
■ ■ ■ ■-■-■ ё = 8 мм
0 ■-■-■-■-■-■—
50 100 150 200 250 300 к, мкм
Рис. 2. Зависимость относительного изменения информативного сигнала от толщины к двухстороннего покрытия для оснований разной толщины ё.
Приведенные результаты показывают, что если пользоваться толщиномером, градуировка которого проведена по эталонам с односторонним покрытием, то при измерении толщины двухстороннего покрытия появится систематическая ошибка. Однако эту ошибку можно существенно уменьшить, если ввести поправку в показания толщиномера в соответствии с формулой (3).
Рассмотрим теперь общий случай — Н1 Ф к2. Очевидно, в этом случае информативный сигнал зависит от того, на какой стороне установлен преобразователь. Когда преобразователь установлен на сторону с покрытием толщиной Н1, величину информативного сигнала Р12 можно представить в виде
Р12 = ВД + Р(й, кп) + Р(й, к) + Р(й, Л21), (5)
где Р(к^ — вклад в информативный сигнал, вносимый покрытием толщиной Н1 в отсутствие покрытия толщиной к2; Р(й, Н12) — вклад в информативный сигнал, вносимый изменением намагниченности покрытия толщиной Н1 полем покрытия толщиной к2; Р(й, Н2) — вклад в информативный сигнал, вносимый покрытием толщиной Н2 в отсутствие покрытия толщиной к{; Р(й, Н21) — вклад в информативный сигнал, вносимый изменением намагниченности покрытия толщин Н2 полем покрытия толщиной Н1.
Аналогично (5) в случае преобразователя, установленного на сторону с покрытием толщиной Н2, величину информативного сигнала Р21 представим в виде
Р21 = Р(к2) + Р(й, Л21) + Р(й, А1) + Р(й, Л12). (6)
Физический смысл обозначений переменных в (6) аналогичен описанным выше для переменных в (5). Из (5) и (6) следует, что Р(к1, й, Н2) Ф Р(к1, й, Л21ц=1) + ^(Л1!ц=1, й, Н2). Как показывают расчеты, это различие составляет 2—3 % в зависимости от соотношения между величинами толщины Н1 и Н2, причем Р(к1, й, Н2) < Р(Н1, й, Л21ц=1) + Р(Н1!]1=1, й, к2).
Физически это связано с тем, что толщина Н1 и Н2 покрытий во много раз меньше радиуса информативной зоны и поэтому происходит взаимное размагничивание: покрытия толщиной Н1 за счет тангенциальной составляющей поля ИК покрытия толщиной Н2 и наоборот.
Для определения Н1 и Н2 используем, как это обычно делается в тол-щинометрии, метод градуировки п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.