NO801512L - Fremgangsmaate og apparat for tykkelsemaaling av metall i flere lag. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for nøyaktig og hensiktsmessig separat tykkelsesmåling av et basismetall og et påført metallsjikt utenpå dette, samt den samlede tykkelse ved hjelp av en elektromagnetisk sprekk-prøve, samt et apparat for utførelse av denne fremgangsmåte .

Såkalt belagt stål er i utstrakt bruk innenfor forskjellige områder av industriell - virksomhet fordi det er meget økonomisk og også bestandig. Belagt stål er utført med et material slik som rustfritt stål, titan, aluminium, kobber eller en legering av disse metaller, som er forskjellig fra basismetallet og metallurgisk påført den ene eller begge sider av basismetallet, som kan være karbonstål eller lavlegert stål, ved hjelp av varmvalsing, eksplosiv vedhefting eller påsveising.

Sådant belagt stål er særlig vel egnet for anvendelse i korroderende omgivelser. Ved sådanne anvendelser er det imidlertid særlig viktig å opprettholde hensiktsmessig tykkelse av det påførte material som utgjør det korrosjons-bestandige sjikt.

Forskjellige fremgangsmåter for måling av tykkelsen av det påførte material eller sjikt har vært foreslått. Ved en første sådan fremgangsmåte måles sjikttykkelsen mekanisk ved hjelp av et måleverktøy etter at et kantområde er etset bort. Ved en annen tidligere kjent fremgangsmåte måles den totale tykkelse av basismetall og påført belegg ved anvendelse av en supersonisk tykkelsesmåler, og tykkelsen av det påførte belegg beregnes på dette grunnlag. Ved en tredje fremgangsmåte måles tykkelsen av det på-

førte sjikt ved anvendelse av en elektromagnetisk detektor for måling av små tykkelser ved å registrere magnetiske permeabilitetsforandringer forårsaket av det påførte sjikt.

De ovenfor beskrevede konvensjonelle fremgangsmåter har følgende ulemper. Den førstnevnte mekaniske fremgangsmåte kan bare anvendes for å måle et kantområde av det belagte stål. Ved denne fremgangsmåte er det umulig å måle tykkelsen over hele den belagte stålflate, og særlig over områder hvor det forekommer lokal forandring på grunn av formingstrykk. Den annen fremgangsmåte som benytter seg av en supersonisk tykkelsesmåler kan anvendes for å måle tykkelsen over hele den belagte stålflate, men det er umulig å benytte denne fremgangsmåte for å måle tykkelses-forandringer på grunn av variasjoner i formingsgraden av det påførte belegg og basismetallet. Den tredje fremgangsmåte som benytter en elektromagnetisk detektor for måling av små tykkelser, kan bare anvendes for å måle selve beleggtykkelsen og dens målenøyaktighet er meget lav. Forøvrig kan denne fremgangsmåte ikke anvendes for å måle tykkelsen av et påført belegg med magnetiske egen-skaper .

Det er således et hovedformål for foreliggende oppfinnelse å utvikle en måleteknikk som er hovedsakelig fri for alle de ovenfor nevnte ulemper.

I henhold til oppfinnelsen er det frembrakt en fremgangsmåte som tar i betraktning forskjellen i akkustisk impedans for henholdsvis basismaterialet og materialet i det på-førte belegg på dette. En metallisk forbindelse i grenseflaten mellom det påførte material og basismaterialet danner krystaller av forskjellige krystallkorn. På grunn av forskjellen i krystallkornarrangementet ved grenseflaten, fremkommer det ved påtrykning av ultralydbølger et ekko fra grenseflaten, på grunn av strukturforskjellen mellom de to kjemiske forbindelser. Dette ekko forsterkes og likerettes og ut i fra det resulterende signal kan tykkelsen av beleggmaterialet måles nøyaktig og uten vanskeligheter over hele overflaten av vedkommende material. En sådan måling er hittil vært betraktet som umulig.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det mulig å

måle tykkelsen av belagt stål, som faktisk kan variere

under tilvirkningsprosessen eller kan forandres på grunn av aldring, således at sådant belagt material, når det engang er godkjent ved sådan inspeksjon, kan anvendes med tiltro og trygghet.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1A og 1B er diagrammer som anskueliggjør det måleprinsipp ved anvendelse av ultralydbølger som benyttes i henhold til oppfinnelsen, Fig. 2A - 2D viser påfølgende stadier av tykkelsesmålingen av belagt stål i henhold til oppfinnelsens fremgangsmåte, Fig. 3A og 3B viser en annen fremgangsmåte i henhold til foreliggende oppfinnelse, Fig. 4 er et koblingsskjerna for en inngangskrets som anvendes ved utførelse av oppfinnelsens fremgangsmåte, og Fig. 5 er et blokkskjema av en utgangskrets som anvendes ved utførelse av oppfinnelsens fremgangsmåte. Fig. 1A og 1B anskueliggjør det anvendte måleprinsipp ved tykkelsesmåling av et prøvestykke under utnyttelse av ultralydbølger i henhold til oppfinnelsen. Med den antag-else at lydhastigheten er konstant i et ensartet material, avgis en ultralydbølge 2 fra et kontaktstykke 1 og vandrer gjennom materialet for å reflekteres tilbake til omformeren 1 fra undersiden av materialet. Fig. 1B viser en kurveopptegning tilsvarende fig. 1A på skjermen av et katode-strålerør. Beliggenheten av ekkoet B fra undersiden av prøvestykket anvises på katodestrålerøret, hvor den totale materialtykkelse t er proporsjonal med en avstand t<1>.

Forholdet mellom skalaen langs katodestrålerørets tidsakse og den faktiske målte tykkelse kan kalibreres ved anvendelse av et prøvestykke med kjent tykkelse og hvori lydhastigheten er konstant, således at tykkelsen t kan måles ved å avlese beliggenheten på tidsaksen av bunnflateekkoet B for det målte prøvematerial.

Ultralydbølger har den egenskap at når de passerer gjennom materialer med innbyrdes forskjellig akkustisk impedans, vil en større eller mindre del av bølgeenergien bli reflektert fra grenseflaten mellom materialene. Jo større for-skjell i akkustisk impedans, dessto større andel av bølge-energien blir reflektert.

Sådanne refleksjoner finner ofte sted på grunn av forskjeller i krystallkornenes størrelse eller deres innbyrdes anordning, eller de kan oppstå på grunn av forskjeller i kjemisk sammensetning. Under utnyttelse av den ovenfor angitte egenskap for ultralydbølger, er det i henhold til foreliggende oppfinnelse utviklet en fremgangsmåte og et apparat for på dette grunnlag å måle tykkelsen av såvel det påførte belegg som basismetaller ved belagt stål.

En utførelse for måling av både det påførte belegg og basismetallet vil nå bli beskrevet for det tilfelle basismetallet utgjøres av karbonstål, som har akkustisk impedans som er litt forskjellig fra impedansen for det påførte belegg som utgjøres av rustfritt stål. Det vil således bare reflekteres et svakt ekko fra grenseflaten mellom disse materialer. Det bør bemerkes at ved belegg av andre materialer, slik som aluminium, kobber og legeringer av disse metaller, vil forskjellen i akkustisk impedans mellom belegget og basismaterialet være meget større enn i foreliggende eksempel. Det vil naturligvis da være lettere å måle de ønskede tykkelser.

Fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse av-viker vesentlig fra de fremgangsmåter som er beskrevet ovenfor. I henhold til foreliggende oppfinnelse kan et svakt grenseflateekko klart utskilles like foran bunnflate ekkoet, med en presisjon som er minst 10 ganger den som tidligere har vært oppnåelig, ved å øke forsterkningen, fremheve pulsutgangen samt fremvise ekkosignalets form på skjermen av et katodestrålerør. Det er derfor mulig og nøyaktig avlese tykkelsen av såvel basismaterialet som det påførte belegg.

I henhold til foreliggende oppfinnelse anvendes en bredbåndet detektoranordning med svekking, som har et sådant bredt frekvensspektrum og svekningskonstant at det oppnås høy signaloppløsning ved anvendelse av en ultralyd-sprekkdetektor. En sådan sprekkdetektor bør ha følgende egen-skaper . (1) Et ekko med smal båndbredde forsterkes med pålitelig gjengivelse ved hjelp av en bredbåndet forsterkerkrets med båndbredde over 0,5 MHz, idet forsterkningen er konstant over et bredt frekvensområde. (2) I det oscilloskop som anvendes bør forsterkningen av inngangssignalene kunne varieres kontinuerlig. (3) Oscilloskopets tidsakseinnstilling bør være i stand til å bevege et billedpunkt utenfor en skalalengde tilsvarende tykkelsen av det material som skal måles. Ved et oscilloskop hvor det målbare område er begrenset til 10,0 mm bør den minste skalaenhet på tidsaksen tilsvare minst 0,2 mm. (4) Forsterkningen av rettlinjet lydforplantning påvirkes ikke av en signalavvisning* imed hensyn til et ekko som frembringer en signalamplityde høyere enn oscilloskopets største skalalengde. Innstillingen av signalavvisningen bør være kontinuerlig variabel.

(5) Oscilloskopets tidsakseskala er oppdelt i minst

50 skaladelinger i samme innbyrdes avstand.

(6) Et måleområde på 10 mm eller mindre kan utvides i tilstrekkelig grad. Fig. 2A - 2D viser oscilloskopopptegninger for den ut-førelse hvor en belagt stålplate måles fra basismetall-siden ved anvendelse av den ovenfor beskrevede detektoranordning med ultralyd-sprekkdetektor. Basismaterialet og beleggmaterialet i dette eksempel er henholdsvis AST 7A 440 og AISI 304, med tykkelser henholdsvis 7,8 mm og 2,0 mm. Prøvestykkets samlede tykkelse er således 9,8 mm. Fig. 2A viser et tilfelle hvor pulsbredden for grenseflateekkoet og ^sprekkdetektorens avvisning holdes på 0 nivået og forsterkningen settes til B^= 100 % + 26dB, således at antydningen av et ekkosignal 4 såvidt kan sees. I fig. 2A angir T den utsendte puls og B et bunnekko fra prøvestykkets utside. Når grenseflateekkoet kan sees, økes dets pulsbredde ved å forandre tidsaksens skala mens oscilloskopets tidsforsinkelse samtidig innstilles således at pulsens stilling bibeholdes konstant på oscilloskopskjermen. Mens således den tilstand som er vist i fig. 2B opprettholdes, økes signalavvisningen bare i en grad som er tilstrekkelig til å utelukke ekkostøy.

Det resulterende grenseflateekko 4 kan klart sees i form av en linje i fig. 2C. Ved innbyrdes tilpasning av forsterkning, pulsbredde og signalavvisning kan det, som beskrevet ovenfor, frembringes en avbildning av et grenseflateekko med skarp frontflanke på oscilloskopets fremvisningsskjerm.

Tidsaksen er på forhånd fastlagt ved nøyaktig kalibrering ved anvendelse av et kjent prøvestykke. Det målbare område fastlegges slik at det omfatter den samlede tykkelse av det material som skal måles. Da den overflate 5 av materialet som detektoranordningen befinner seg i kontakt med utgjør skalaens nullpunkt, representerer avstanden fra denne overflate til det sted 6 hvor grenseflateekkoet 4 stiger opp fra tidsskalaen, basismaterialets tykkelse, mens avstanden fra tidsaksepunktet 6 for grenseflateekkoet 4 til flanke-stillingen 7 for bunnflateekkoet B representerer tykkelsen av beleggsjiktet 10. Avstanden fra overflaten 5 til tidsaksepunktet 7 for bunnekkoet B. angir således den samlede materialtykkelse. For tykkelsesavlesninger er avstanden mellom disse punkter fastlagt i en skala som er i samsvar med lydhastigheten i de forskjellige materialer.

I fig. 3 er det vist et tilfelle hvor en tykkelse på 10

til 20 mm måles hovedsakelig på samme måte som i det tidligere eksempel. Hvis i dette tilfelle den ovenfor angitte flankestilling av bunnflateekkoet B<1>,som allerede er blitt kalibrert, forflyttes til nullpunktet 5 ved å utnytte inn-stillingsmulighetene for oscilloskopets tidsakse, vil det virkelige måleområde være 10 til 20 mm. Denne tykkelse kan oppnås ved å addere verdien 10 mm til den direkte skalaavlesning i punktene 6 til 7, som henholdsvis til-svarer grenseflateekkoet og bunnflateekkoet. På samme måte kan en meget større tykkelse eller dybde måles, samtidig som måleområdet hele tiden holdes innenfor 10 mm. Samme høye målenøyaktighet kan derfor bibeholdes hele tiden.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det, som beskrevet., ovenfor, mulig å måle tykkelsen av et påført materialbe-legg på stål, hvilket hittil er blitt betraktet som umulig.

I henhold til oppfinnelsen er det mulig med stor nøyaktig-het å måle sjikttykkelsen på hvilket som helst sted av det belagte stålstykke innenfor en verdi på + 1 mm uten vanskelighet, samt også å måle vedkommende tykkelse enten fra forsiden eller baksiden.

Hvis den totale tykkelse av det belagte stålmaterial er mer enn 2,5 mm og beleggtykkelsen er mer enn 0,4 mm, er det ganske lett å måle begge tykkelser. Det er også mulig å måle tykkelsen av et material med en krumning på mer enn 1,5 ganger krumningen av detektoranordningens kontaktstykke, som er sylinderformet eller har en annen krum form.

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse kan således

tykkelsen av et påført sjikt som er formingsbehandlet, utledes med stor nøyaktighet. Dette er av økonomisk betydning, da bruk av dyrt material kan nedsettes til et minimum.

I fig. 4 er det vist et koblingsskjerna av detektoranordningen og de tilhørende elektriske kretser som anvendes for å frembringe ultralydpulser. En motstand 20 er koblet mellom en likespenningskilde, f.eks. på 500 volt, og den ene klemme for en bryter 22, hvis annen klemme er forbundet med jord. Bryteren 22 utgjøres fortrinnsvis av en styrt silisiumlikeretter eller annen hensiktsmessig halvleder-bryter. Bryteren 22 kan drives periodisk i en passende koblingstakt for oscilloskopet. Den ene klemme for en kondensator 21 er koblet til forbindelsespunktet mellom motstanden 20 og bryteren 22, mens kondensatorens annen klemme gjennom en seriekobling av en variabel motstand 22 og en fast motstand 24 er forbundet med jord. Innstillingen av den variable motstand 2 3 bestemmer pulsbredden og puls-energien for de pulser som avgis gjennom kondensatoren 21. Forbindelsespunktet mellom kondensatoren 21 og den variable motstand 23 er koblet til en spole 25, hvis annen klemme er forbundet med jord. Fellespunktet for kondensatoren 21, den variable motstand 23 og spolen 25 er koblet til inngangsklemmen for en bredbåndet omformer 28 som inngår i detektoranordningen 27. Denne detektoranordning 27 i kontakt med prøvestykket omfatter også et stykke sveknings-material 26 anordnet på baksiden av omformeren 26 for å hindre pulsoversvingning av denne. Detektoranordningen 2 7 kan f.eks. være modell CLF-5 tilvirket av firmaet Krautkraemer i Vest-tyskland. Omformeren 28 er fortrinnsvis ultralydkoblet til prøvestykket 30 ved anvendelse av et kontaktmedium 29 slik som et gel eller lignende, som er kommersielt tilgjengelig i flere typer.

I fig. 5 er det vist et blokkdiagram av den anvendte ultralyd-sprekkdetektor og de tilhørende elektriske kretser som anvendes i henhold til oppfinnelsen. En omformer 31 for sprekkdetektoren 40 er ultralydkoblet til prøvestykket 30 ved anvendelse av et kontaktmedium 29. Fortrinnsvis er omformeren 31 for sprekkdetektoren 40 samt omformeren 28

i detektoranordningen 2 7 anbrakt inntil hverandre i en sonde. Likesom ved detektoranordningen 27 er et stykke svekkende eller lyddempende material 39 anordnet på baksiden av omformeren 31 for sprekkdetektoren 40. Utgangssignalet fra omformeren 31 føres gjennom en høyfrekvens-forsterker 32, en svekker 33 og en annen høyfrekvens-forsterker 34 til inngangen for detektoren 35. Bølgeformene for signalene i de forskjellige punkter langs denne krets er angitt på skjemaet i fig. 5. Detektoren 35 kan etter ønske utgjøres av en halvbølge-likeretter eller en hel-bølge-likeretter. Bølgeformen på utgangssiden av detektoren 35 er angitt for begge disse likerettertyper. Filteret 36 og 38 er koblet til utgangen av detektoren

35. Filteret 38 er et avvisningsfilter som svekker høy-frekvenskomponentene i utgangssignalet fra detektoren 35. Dette avvisningsfilteret 38 er fortrinnsvis innstillbart således at operatøren kan oppnå klarest mulig bølgeform for utgangssignalet. Utgangen for avvisningsfilteret 38

er koblet gjennom en bredbåndet videoforsterker 37 til inngangen for vertikal avbøyningen i katodestrålerøret eller oscilloskopet som anvendes sammen med den beskrevede krets. Sprekkdetektoren 4 0 kan f.eks. utgjøres av en detektor av modell USL-32 fremstilt av firmaet Krautkraemer i Vest-tyskland.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for å måle tykkelsen av forskjellige metallsjikt i et metallstykke i flere lag, karakterisert ved at en pulskilde for ultralydbølger anbringes mot den første overflate av metallstykket, elektriske signaler frembringes som reaksjon på ultralydbølger som reflekteres fra en annen overflate av metallstykket, en kurveopptegning som representerer det elektriske signal frembringes på et oscilloskop, og målinger utføres på kurveopptegningen for å bestemme beliggenheten av en grenseflate mellom forskjellige sjikt av metallstykket, f.eks. grenseflaten mellom et påført sjikt og et basismetall, i forhold til i det minste en av nevnte overflater.

2. Fremgangsmåte for å måle tykkelsen av forskjellige sjikt i et metallstykke i flere lag, karakterisert ved at en detektoranordning med stor båndbredde og høy dempning samt en ultralyd-sprekkdetektor med bredbåndet forsterkning anbringes inntil en overflate av metallstykket, sprekkdetektoren kobles til et oscilloskop med kontinuerlig innstillbar tidsskala, en anvist pulsbredde og en signalavvisning frembrakt av sprekkdetektoren holdes på nullnivå, mens detektorens forsterkning økes inntil et grenseflateekko mellom et første og annet sjikt av metallstykket kan observeres på oscilloskopet, pulsbredden økes således at grenseflateekkoet øker i ampli-tyde sammen med ekkostøy, og signalavvisningen økes for derved å utelukke ekkostøyen fra grenseflateekkoet, således at grenseflateekkoet fremvises i klar bølgeform.

3. Apparat for å måle tykkelsen av forskjellige sjikt av et metallstykke i flere sjikt, karakterisert ved at det omfatter en detektoranordning med stor båndbredde og høy signaldempning, en ultralyd-sprekkdetektor, en bredbåndet forsterker for forsterkning av de signaler som frembringes av sprekkdetektoren samt et avvisningsfilter koblet til forsterkeren, og et katodestråle-oscilloskop med en inngang koblet til sprekkdetektoren.

4. Apparat som angitt i krav 3, karakterisert ved at det videre omfatter en pulsgeneratorinnretning koblet til detektoranordningen, idet pulsgeneratorinnretningen omfatter en første motstand og en periodisk virkende elektronisk bryter koblet mellom klemmene for en likespenningskilde, en kondensator med en første klemme koblet til forbindelsespunktet mellom den første motstand og bryteren, en variabel motstand samt en annen motstand seriekoblet mellom en annen klemme for kondensatoren og en jordforbindelse for likespenningskilden, samt en induktans med en første klemme koblet til kondensatorens annen klemme og en annen klemme koblet til nevnte jordforbindelse, samtidig som induktansens første klemme også er koblet til en inngangsklemme for detektoranordningen.

5. Apparat som angitt i krav 3 eller 4, karakterisert ved at det videre omfatter detektorutstyr koblet til en utgang for bredbåndsforsterkeren, mens avvisningsfilteret er koblet til en utgang for detektoranordningen .