Разработка комплексного метода и средств контроля характеристик качества биметалла в процессе производства

Размещено на http: //www. allbest. ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Разработка комплексного метода и средств контроля характеристик качества биметалла в процессе производства

Москвитин Сергей Петрович

Тамбов 2009

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные средства бытового назначения» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Пудовкин Анатолий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Чернышова Татьяна Ивановна

кандидат технических наук Бобаков Дмитрий Александрович

Ведущая организация ОАО НИИ электроизмерительных приборов «Электромера», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 24 декабря 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, Большой актовый зал.

Отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, учёному секретарю совета Д 212.260.01

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета, а с авторефератом дополнительно - на сайте www.tstu.ru.

Автореферат разослан 23 ноября 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета А.А. Чуриков

Подписано в печать 19.11.2009.

Формат 60 84/16. Объём: 0,93 усл. печ. л.

Тираж 100 экз. Заказ № 527.

Издательско-полиграфический центр ТГТУ

392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, к. 14

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

контроль качество биметалл цифровой

Актуальность темы исследования. Большие перспективы по применению в различных отраслях промышленности получили двухслойные, в частности биметаллы, и многослойные металлические и комбинированные слоистые композиции, которые объединяют нужные эксплуатационные свойства, а в ряде случаев позволяют получить специфические свойства, которыми не обладают отдельно взятые материалы. Самым распространённым способом получения слоистых металлических и комбинированных композиций, в том числе сталь - цветные материалы, является способ совместной пластической деформации компонентов в процессе его прокатки. При этом необходимо получать материалы с требуемыми значениями соотношения слоёв и прочности сцепления по всей длине полосы.

Повышение качества продукции, увеличение её надёжности и долговечности зависят от надлежащего контроля на всех этапах производства, начиная от заготовок и полуфабрикатов и кончая готовым изделием. Всё более широкое распространение получает непрерывный неразрушающий контроль качества биметалла на отдельных этапах производства.

Повышение объективности контроля за счёт улучшения точностных характеристик контрольного оборудования, наращивания его функциональных возможностей, автоматизации процессов контроля позволяет добиться улучшения экономических и технических характеристик изделия без коренной модернизации технологии и с меньшими капитальными затратами. Поэтому поставленная задача разработки и создания комплексного метода и средств автоматизированного контроля, позволяющих проводить непрерывный, бесконтактный и оперативный контроль характеристик качества биметалла в процессе его производства, является актуальной.

Цель работы состоит в разработке нового комплексного метода и средств непрерывного контроля характеристик качества биметаллов, позволяющих с требуемой по технологии точностью вести контроль толщины исходных составляющих компонент биметалла, прочности соединения слоёв и соотношения их толщин после пластической деформации.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- провести обзор и сравнительный анализ методов и средств активного контроля геометрических показателей заготовок, составляющих биметалл, соотношения толщин его слоёв и прочности их соединения;

- разработать и исследовать метод и информационно-измерительную систему (ИИС) контроля характеристик качества биметалла в процессе его производства;

- разработать математическое описание, алгоритм работы и программное обеспечение разработанной ИИС;

- провести анализ возможных источников погрешностей измерений и оценить их величину;

- провести экспериментальное исследование каналов измерительной системы и передать результаты научных исследований в производство.

Методы исследования базируются на использовании математического моделирования, математической статистики, компьютерном моделировании, макетировании и метрологии.

Научная новизна. Разработан новый, защищённый патентом на изобретение, бесконтактный метод для непрерывного контроля прочности соединения слоёв биметаллов в технологическом процессе его изготовления, отличающийся подводом и подачей импульсов тока большой плотности в зону пластической деформации биметалла, регистрацией избыточной температуры при выходе из нее, воздействием на биметалл точечным источником тепловой энергии и измерением избыточных температур на линиях контроля, определением электрического сопротивления контакта слоёв биметалла, по которому судят о прочности соединения слоёв.

Учитывая специфичность объекта и необходимость контроля его разнообразных физических характеристик, таких как толщина исходных компонент, составляющих биметалл, прочность соединения его слоёв и соотношение их толщин, использована комбинация различных физических методов неразрушающего контроля, включая лазерный толщиномер, вихретоковый и тепловой методы, позволяющих проводить непрерывный контроль характеристик качества биметаллов с требуемой по технологии точностью во время его прокатки, значительно снизить продольную разнотолщинность, определить границы зон возможных расслоений.

Созданы математическое описание и алгоритм совокупной обработки информации для ИИС, позволяющие автоматизировать процесс контроля толщины исходных компонент, составляющих биметалл, соотношение толщин слоёв и качество их соединения, повысить производительность и точность контроля качества изготовления биметалла.

Практическая ценность. Результаты теоретических и экспериментальных исследований измерительных каналов создают базу для разработки ИИС, реализующей комплексный метод контроля характеристик качества биметалла, использование которой позволит повысить оперативность и точность контроля исходных толщин заготовок, составляющих биметалл, соотношение толщин его слоёв после прокатки, прочности соединения слоёв, что в итоге обуславливает повышение качества готового биметалла.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО «Завод подшипников скольжения», г. Тамбов и в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные научные результаты работы обсуждались и получили положительную оценку на: Шестой международной теплофизической школе (г. Тамбов, 2007); ХII научной конференции ТГТУ (г. Тамбов, 2007); ХIII научной конференции ТГТУ (г. Тамбов, 2008); 6-й Международной заочной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (г. Тамбов, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из которых 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и 1 патент на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, трёх приложений, изложена на 120 страницах и содержит 27 рисунков, 17 таблиц, список литературы включает 78 наименований.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена исследованию современного состояния существующих методов и средств контроля характеристик качества биметалла, постановке задач исследования. Отмечена важность проблемы контроля характеристик качества биметалла в процессе его производства, создания и внедрения комплексного метода и ИИС контроля характеристик качества биметалла.

Проанализированы методы и средства НК толщины однослойных и двухслойных материалов в процессе их производства, сплошности соединения слоёв или локальных расслоений на границе раздела.

Подчеркивается, что большое разнообразие биметаллов не только по составу, но и по толщине составляющих компонентов требует применения различных по характеру физических явлений, методов и средств контроля их характеристик качества. Анализ показал, что решение поставленных задач наиболее рационально осуществлять созданием комплексного метода и средств НК характеристик качества в технологическом процессе производства биметалла.

Во второй главе дано теоретическое обоснование комплексного метода неразрушающего контроля характеристик качества биметалла в процессе его производства, включая подбор входящих в него разнообразных по физическим принципам методов, разработку метода и алгоритма совокупной обработки полученной информации.

Исходя из требований высокой производительности, точности, оперативности контроля и обеспечения профилактики появления дефектов разработан бесконтактный метод контроля прочности соединения слоёв биметалла, основанный на зависимости электрического сопротивления контакта слоёв биметалла от определяемых его теплофизических свойств (рис. 1).

Описание метода представлено в патенте РФ на изобретение № 2356711.

Сущность метода состоит в следующем. Для устранения несплошностей соединения слоёв и снижения энергозатрат при совместной пластической деформации исходных компонент на биметалл воздействуют импульсным током большой плотности, который подаётся в зону деформации непосредственно через изолированные друг от друга валки 3 с амплитудным значением плотности электрического тока Jm = (5…10)106 А/м2.



Рис. 1 Схема устройства контроля прочности соединения слоёв биметалла

Зная скорость прокатки v, радиус рабочего валка Rв, общую толщину заготовки bH, входящей в очаг деформации, и задав относительную степень деформации при прокатке е, можно определить частоту следования импульсов тока, необходимого для проработки каждого участка биметаллической ленты при непрерывной прокатке по формуле

. (1)

Ввиду того, что в процессе прокатки на выбранном стане параметры е, bH и v могут меняться, то и частота тока должна быть изменена. Для полного использования электронно-дислокационного взаимодействия в электропластическом эффекте длительность импульсов тока должна быть не менее (0,2…5)10-3с. Верхняя граница частотного интервала определяется на основании установленной длительности импульсов с помощью соотношения

, (2)

где Q - скважность импульсов на выходе генератора, которая должна быть не менее двух; tимп - время действия импульса тока, с. Отсюда верхняя граница частотного интервала fв = 2,5 кГц.

Нижняя граница частотного интервала определяется из формулы (1) при минимальной скорости прокатки vmin для конкретного биметалла, м/с.

Например, для линии рулонного производства биметаллов О4А-3-1: Rв = 203 мм, vmin = 18 м/мин, при е = 50 % и bН = 0,2 мм получим fн = 70 Гц.

Таким образом, диапазон частот при непрерывной прокатке может быть выбран в пределах (0,07…2,5) кГц.

Далее измеряют первым термоприёмником 4 избыточную температуру биметалла T1 при выходе его из зоны пластической деформации в моменты времени между импульсами электрического тока. Дополнительно биметалл нагревают точечным источником тепловой энергии 7 и измеряют вторым термоприёмником 5 избыточную температуру нагрева поверхности биметалла T2 в точке, расположенной на заданном расстоянии x за точечным источником тепловой энергии по линии его движения, измеряют третьим термоприёмником 6 избыточную температуру нагреваемой поверхности T3 биметалла по линии, параллельной линии движения точечного источника тепловой энергии на заданном расстоянии r. Информация от генератора импульсов электрического тока 2 и термоприёмников через усилители сигналов 8 - 10 поступает на устройство сбора и обработки информации 11.

Известно, что при нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении изделия подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура поверхности этого изделия в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения со скоростью, равной скорости перемещения источника, определяется формулой

(3)

где T2 - избыточная предельная температура нагреваемой поверхности полубесконечного изделия в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения, К; q - мощность источника, Вт; - усреднённый коэффициент теплопроводности тепловой системы, состоящей из покрытия и основания, на которое оно нанесено, Вт/(м?К); x - расстояние между точками контроля температуры и центром пятна нагрева поверхности исследуемого изделия сосредоточенным источником энергии, м.

При движении термоприёмника по линии Б со скоростью v, равной скорости движения источника тепла, предельная избыточная температура определяется формулой

(4)

где y - расстояние от точки регистрации температуры до линии движения источника тепла, м; - усреднённый коэффициент температуропроводности тепловой системы, состоящей из покрытия и основания, на которое оно нанесено, м2/с; v - скорость движения полосы, м/с.

Удельная теплоёмкость двухслойной системы определяется из выражения

, (5)

где - усреднённая плотность биметалла, кг/м3.

Известно также, что под действием импульсного электрического тока тепловыделения в зоне пластической деформации определяются по формулам

 (6)

где Rобщ - электрическое сопротивление участка биметалла, находящегося в зоне пластической деформации, Ом; J - плотность импульсного тока, А/м2; tимп - время действия импульса тока, с; c - удельная теплоёмкость, Вт?с/(м3К); V - объём биметалла, находящийся между валками, в котором происходит пластическая деформация, м3, определяют как произведение площади участка деформации, находящегося между валками, и ширины прокатываемой биметаллической ленты z; - площадь участка биметалла, находящегося в контакте с одним из валков, м2; l - длина участка деформации, м.

Участок биметалла как электрическую цепь можно представить в виде трёх последовательно включённых сопротивлений:

, (7)

где - сопротивление плакирующего слоя, Ом; - сопротивление основания, Ом; R - сопротивление контакта слоёв биметалла, Ом.

Общее сопротивление материала определяется как

, (8)

где T1 - избыточная температура, вызванная действием импульсного тока на биметалл, К. Тогда с учётом вышеприведённых выражений сопротивление контакта слоёв биметалла определяется как

, (9)

где - коэффициент деформации биметалла; hисх1 - исходная толщина основания, м; hисх2 - исходная толщина плакирующего слоя, м;уд1, уд2 - удельное сопротивление соответственно плакирующего слоя и основания, Омм.

С учётом параметров действующего импульсного электрического тока, поступающего с генератора 2, измеренной избыточной температуры биметалла на выходе его из зоны пластической деформации, мощности точечного источника тепловой энергии, измеренных значений температур на линиях движения термоприёмников, расстояний между приемниками и источником энергии, заданных исходных толщин и плотностей материалов плакирующего слоя и основания, степени деформации по формуле (9) вычисляют электрическое сопротивление контакта слоёв биметалла, а прочность соединения слоёв определяют по графику, построенному экспериментально.

График зависимости прочности соединения слоёв биметалла от электрического сопротивления R участка пластической деформации строят в ходе испытаний биметалла на прочность расслоения слоёв. Для каждой партии полученного биметалла измеряют прочность соединения слоёв известными разрушающими методами, предварительно измерив электрическое сопротивление участка пластической деформации.

Разработана методика неразрушающего контроля толщины исходных компонент, составляющих биметалл, соотношения толщин слоёв и качества их соединения в технологическом процессе его изготовления. На рис. 2 представлена схема непрерывного контроля характеристик качества биметалла в процессе производства, поясняющая последовательность операций методики.

Для повышения точности измерения толщины исходных компонент биметалла и соотношения толщин его слоёв используется лазерный толщиномер и токовихревой метод непрерывного контроля.

Непрерывный контроль толщины исходной компоненты биметалла осуществляется двумя лазерными толщиномерами, размещёнными с противоположных сторон исследуемого материала (рис. 2). Действие толщиномера состоит в следующем. лазерный излучатель 1, пройдя через собирающую систему линз 2, создаёт световую метку на поверхности полосы 3. Изображение световой метки с помощью собирающей системы линз 4 проецируется на позиционно-чувствительный фотоприёмник 5 (ПЗС). При изменении расстояния от датчика до объекта происходит перемещение изображения световой метки в плоскости фотоприёмника. Интегрированный микропроцессор 6 производит вычисление координат изображения. По координатам смещения изображения точки определяется изменение расстояние до объекта, а в устройстве сравнения 7 определяется исходная толщина полосы заготовки биметалла:

, (10)

где hн - начальная толщина полосы, которая устанавливается при калибровке, м; Дha - отклонение толщины, измеренное верхним толщиномером, м; Дhb - отклонение толщины, измеренное нижним толщиномером, м.

Контроль соотношения толщин слоёв биметалла основан на использовании лазерного толщиномера, рассмотренного выше, и метода вихревых токов. при этом толщину плакирующего слоя биметалла h1 измеряют с помощью накладного датчика 10, а толщину основания биметалла h2 вычисляют как разность между общей толщиной биметаллической полосы H, измеренной лазерным толщиномером 9, и толщиной плакирующего слоя.

Рис. 2 Схема непрерывного контроля характеристик качества биметалла в процессе производства

Отличительной особенностью метода вихревых токов является то, что он может быть использован как бесконтактный и многопараметрический, при этом результаты контроля практически не зависят от параметров окружающей среды.

При контроле соотношения толщин слоёв биметалла для устранения погрешности показаний от изменения зазора измерения ведут на двух частотах.

Толщину плакирующего слоя биметалла измеряют накладными преобразователями, состоящими из возбуждающих и измерительных катушек, установленных на определённом расстоянии от биметаллической полосы. С генератора на возбуждающие обмотки преобразователей подают переменный ток такой частоты f1, чтобы глубина проникновения вихревых токов д в материал верхнего слоя была заведомо меньше значения наименьшей контролируемой толщины h1min этого слоя биметалла. Расчёты показывают, что, например, при частоте тока возбуждения на глубине материала h1 = 1д вихревые токи затухают примерно до 37 %, при h1 = 2д - до 13,5 %, а при h1 = 5д - до 0,7 %, поэтому h1min ? 5д. Величина глубины проникновения вихревых токов используемой частоты в материал рассчитывается по известной формуле

, (11)

где - круговая частота переменного тока возбуждения, рад/с; г - удельная электропроводность верхнего слоя, см/м; мa - абсолютная магнитная проницаемость верхнего слоя, Гн/м.

Выбор частоты f1 помогает компенсировать влияние изменения зазора между преобразователем и биметаллической полосой на контроль толщины плакирующего слоя. Вторую частоту f2 выбирают из условия, чтобы глубина проникновения вихревых токов в материал верхнего слоя была заведомо больше значения наибольшей контролируемой толщины h1max, при этом

, (12)

где шг - отношение электропроводностей слоёв биметалла; h1max - максимальная контролируемая толщина плакирующего слоя, м; м0 -магнитная постоянная, Гн/м.

Таким образом, измерения с помощью накладных преобразователей производятся одновременно на двух частотах: частота f1 используется для компенсации влияния изменения зазора, а частота f2 - для измерения толщины плакирующего слоя биметалла, при этом для устранения взаимного влияния преобразователей друг на друга низко- и высокочастотные катушки датчиков располагают на расстоянии не менее 2-х диаметров обмоток по линии движения полосы биметалла.

Контроль прочности соединения слоёв биметалла в процессе его прокатки рассмотрен выше (см. рис. 1).

Таким образом, используя схему измерения (рис. 2), можно оперативно, без нарушения целостности и одновременно определить толщину исходных компонент биметалла, соотношение толщин его слоёв и прочность их соединения в технологическом процессе производства.

Третья глава посвящена проверке работоспособности ИИС, реализующей комплексный метод контроля характеристик качества биметалла в технологическом процессе его изготовления. Даны описание и принцип работы ИИС, приведены результаты экспериментальных исследований.

Для реализации комплексного метода контроля характеристик качества биметалла предложена ИИС, которая объединяет в себе совокупность средств для контроля геометрических параметров заготовок после их обработки и подготовки к плакированию и контроля прочности соединения слоёв и соотношения их толщин после совместной холодной прокатки, а также скорости движения полосы до и после прокатки.

ИИС (рис. 3) содержит следующие измерительные каналы:

- два канала контроля толщин исходных компонент, составляющих биметалл;

- два канала измерения скорости движения: на входе в зону пластической деформации заготовок биметалла и на выходе биметалла из зоны пластической деформации;

- канал контроля толщины биметалла на выходе из зоны пластической деформации;

- канал контроля толщины плакирующего слоя биметалла;

- канал контроля прочности соединения слоёв биметалла.



Рис. 3 ИИС контроля характеристик качества биметалла: 1, 2, 3 - лазерные преобразователи отклонения толщины плакирующего слоя, основания и биметаллической полосы; 4 - устройство сравнения; 5 - вихретоковый преобразователь контроля толщины плакирующего слоя; 6 - вихретоковый преобразователь для отстройки влияния зазора; 7 - схема сравнения и преобразования; 8, 9, 10 - термоприёмники; 11 - контроль мощности точечного источника тепловой энергии; 12 - контроль параметров импульсного тока; 13, 14 - датчики скорости движения заготовок и биметалла; 15 - микроконтроллер; 16 - маркирующее устройство; 17 - устройство отображения информации; ПК - порт обмена данными с компьютером

Работа системы состоит в следующем (рис. 4). Перед подачей заготовок в прокатную клеть включают ИИС и вводят в память микроконтроллера 15 (МК) исходные данные: материал основания и плакирующего слоя, коэффициент деформации , расстояния между датчиками a, b, c, d, e, m, s, x, y, ширину биметаллической полосы z, область деформации l (определяется по диаметру валков). По введенным данным МК загружает из внутренней памяти необходимые данные для определённых сочетаний материалов, полученных ранее экспериментально (зависимость межслойного электрического сопротивления от прочности соединения слоёв) и вычисленных по известным зависимостям (плотность материала, удельную проводимость).

После опроса микроконтроллером готовности системы производятся измерения скорости движения полосы v1 до и v2 после пластической деформации датчиками 13 и 14. Затем контролируют исходные толщины плакирующего слоя hисх1 и основания hисх2 с помощью лазерных толщиномеров 1 и 2, сигнал с которых через устройство сравнения 4 поступает на МК. Далее, через время , измеряется температура биметалла после пластической деформации T1 датчиком 8. Через промежуток времени измеряется толщина биметалла лазерным толщиномером 3. Затем с помощью вихретокового преобразователя 7 определяется толщина плакирующего слоя биметаллической полосы h1 через время

.

Вычисленное значение толщины основания h2 и измеренное значение толщины биметаллической полосы h1 сравнивается с заданными значениями с учётом степени деформации . Если величины толщин отклоняются от требуемого значения, выводится сообщение об обнаружении дефекта и данная область маркируется с помощью специального устройства 16. Далее выполняется измерение избыточных температур Т2 и Т3 датчиками 9, 10 при одновременном действии на биметалл точечным источником тепловой энергии 11 через время задержки

и по формуле (10) вычисляется электрическое сопротивление R межслойного контакта биметалла.



Рис. 4 Алгоритм работы ИИС контроля характеристик качества биметалла в процессе производства

Прочность соединения слоёв биметалла определяется при сравнении вычисленного МК сопротивления R и полученного экспериментально его значения в ходе испытаний.

Если значение прочности соединения слоёв биметалла отклоняется от требуемого, то выводится сообщение об обнаружении дефекта и данная область маркируется с помощью специального устройства 16. Далее цикл повторяется снова, начиная с измерения скорости движения полосы.

Проверка работоспособности ИИС показала, что погрешность измерения прочности соединения слоёв биметалла не превышает 20…25 %.

Кроме того, в работе проведены экспериментальные исследования канала контроля толщины исходных компонент, составляющих биметалл, с целью определения разрешающей способности лазерных толщиномеров в диапазоне контролируемых толщин (0,1…20 мм).

В качестве излучателя использовался гелий-неоновый лазер ЛГН-224 со встроенной оптической фокусирующей системой линз, с длиной волны 660 нм и мощностью излучения не более 1 мВт. Приёмником служила ПЗС матрица MT9V403, которая располагалась в фокальной плоскости объектива. Данные с ПЗС матрицы поступали непосредственно на компьютер через COM-порт и с помощью специальной программы осуществлялся контроль отклонений толщины исследуемых образцов от начального значения.

Исследования показали, что разрешающая способность лазерных толщиномеров составила 0,18 мкм при расстоянии между датчиком и образцом не более 8 мм.

Значительные сложности при проведении бесконтактного контроля соотношения толщин слоёв биметалла с использованием метода вихревых токов создают дестабилизирующие факторы, вызывающие появление ложных сигналов, характер которых может меняться во времени.

Основным дестабилизирующим фактором является изменение расстояния между контролируемым изделием и датчиком и изменение электропроводности и магнитной проницаемости исследуемых материалов за счёт увеличения их степени деформации при прокатке.

Исследования влияния деформации алюминиевых, медных и стальных образцов на параметры преобразователей позволили установить, что увеличение степени деформации до 50…70 % незначительно (не более чем на 1 %) изменяет электропроводность этих материалов. Исследования влияния зазора на параметры токовихревых преобразователей позволили установить, что изменение зазора в интервале от 0 до 0,1 мм незначительно оказывает влияние на контроль толщины слоёв биметалла (рис. 5).



Рис. 5 График зависимости напряжения на датчике от величины зазора

В работе также проведён анализ теплофизических процессов в биметаллах с толщиной плакирующего слоя 0,5…1,5 мм при бесконтактном контроле их характеристик качества с целью определения параметров режимов нагрева и последовательности проведения измерительных операций. В качестве источника тепловой энергии рассмотрено лазерное излучение, позволяющее проводить бесконтактный неразрушающий контроль (НК) сплошности соединения слоёв двухслойных материалов при одностороннем доступе к их поверхности. Численные оценки плотности теплового потока q0 для ряда металлов с различными теплофизическими свойствами приведены в табл. 1.

1. Критические плотности потока q0 для ряда материалов

Материал	л, Вт/(мК)	а2, м/с	Тm, K	k, м-2	q0, Вт/м2
Медь	389	1,1210-4	1356	106 - 108	4,2108 - 4,2109
Сталь	51	0,1510-4	1808	106 - 108	7,8108 - 7,8109
Никель	67	0,1810-4	1726	106 - 108	9,7108 - 9J109
Титан	15	0,0610-4	2073	106 - 108	2,7108 - 2,7109
Алюминий	209	0,8710-4	933	106 - 108	l,4108 - l,4109

На рис. 6 показаны расчётные зависимости температуры на поверхности биметалла от времени действия импульсного источника для неидеального и идеального контакта между слоями биметалла при длительностях импульса больше 10-3 с, соответствующих наступлению стационарного состояния. Расчёт численных значений температур был выполнен с использованием программы Maple 10.0 и MathCAD.

Рис. 6 Зависимость температуры на поверхности верхнего слоя биметалла от времени действия импульса источника тепладля неидеального (а) и идеального (б) контакта

Неидеальность контакта между слоями биметалла приводит к росту температуры поверхности верхнего слоя биметалла по сравнению со случаем идеального контакта. По изменению температуры на поверхности верхнего слоя биметалла можно судить о наличии или отсутствии расслоений при контроле несплошности соединения слоёв биметалла.

В четвёртой главе проводится анализ погрешностей результатов измерений толщины и прочности соединения слоёв биметалла. Проведён анализ влияния различных компонент этих погрешностей на точность измерения. Выявлены доминирующие погрешности контроля соотношения толщин слоёв с возможностью компенсации ИИС погрешности измерения, вызванной колебаниями температуры, погрешности от изменения степени деформации и погрешности от изменения взаимного положения объекта контроля и датчика.

Погрешность измерения толщины плакирующего слоя определяется следующим выражением:

, (13)

где Tmax - отклонение температуры наиболее нагретого наружного слоя от исходной температуры, К; Tmin - отклонение температуры слоя, расположенного на расстоянии lmax от верхнего слоя, от исходной температуры, К.

Показано, что погрешность измерения толщины слоёв биметалла, вызванная колебаниями температуры в зоне пластической деформации, может составлять 5…10 мкм, а от изменения степени деформации биметалла в процессе прокатки - 10…15 мкм.

Доказано, что основным источником методической погрешности бесконтактного метода контроля прочности соединения слоёв биметалла является погрешность, обусловленная поглощением излучения промежуточной средой. Расчёты показали, что для пироэлектрических датчиков, используемых в качестве термоприёмника инфракрасного излучения, погрешность не превышает 6 %.

В приложениях приведены основные характеристики качества биметаллов, таблицы численных значений экспериментальных исследований, алгоритм работы триангуляционного лазерного датчика и акты о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан, теоретически и экспериментально обоснован комплексный метод контроля характеристик качества биметалла. Метод позволяет непрерывно контролировать толщину исходных компонент, составляющих биметалл, прочность соединения и соотношение толщин его слоёв во время прокатки на линии рулонного производства биметалла, обеспечить при этом требуемую толщину заготовок, значительно снизить продольную разнотолщинность, определить границы зон возможных расслоений.

2. Разработана ИИС, реализующая комплексный метод контроля характеристик качества биметалла, которая позволяет осуществлять автоматизированный непрерывный контроль толщины исходных компонент, составляющих биметалл, соотношения его слоёв и прочности их соединения в технологическом процессе производства.

3. Разработаны алгоритм, математическое описание и программное обеспечение ИИС, позволяющие автоматизировать процесс контроля толщины слоёв и качество их соединения, осуществлять автоматизированную компенсацию погрешностей, вызванных колебаниями температуры.

4. Проведён метрологический анализ разработанного метода. Получены аналитические зависимости для расчёта температурной погрешности токовихревых преобразователей. Выявлены основные источники погрешностей контроля характеристик качества биметалла и намечены пути уменьшения их влияния на точность контроля.

5. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты к использованию ОАО «Завод подшипников скольжения» г. Тамбова.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

1. Москвитин, С.П. Способ контроля прочности сцепления слоёв биметалла в процессе его прокатки / С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2007. - № 3. - С. 789 - 794.

2. Москвитин, С.П. Метод и система контроля характеристик качества биметаллов / С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2009. - Т. 15, № 2. - С. 315 - 320.

3. Москвитин, С.П. Микропроцессорная система контроля прочности соединения слоёв биметалла / С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин // Проектирование и технология электронных средств. -2007. - № 2. - С. 45 - 48.

4. Пат. 2356711 Российская Федерация, В 23 К 20/4, В 32 В37/10, 21 В 38/00. Способ изготовления биметалла / С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин, Е.Е. Чванов ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2007122210/02 ; заявл. 13.06.07 ; опубл. 27.05.09, Бюл. № 15. - 11 с.

5. Москвитин, С.П. Метод и измерительная система контроля качества материалов радиоэлектронной техники / С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин, Н.А. Кольтюков // материалы Шестой международной теплофизической школы. - Тамбов, 2007. - Ч. 1. - С. 230 - 233.

6. Москвитин, С.П. Исследования влияния электропластического эффекта при холодной прокатке биметалла / С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин // Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование : сб. трудов ХII науч. конф. ТГТУ. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - С. 38 - 40.

7. Москвитин, С.П. Контроль сплошности соединения слоёв биметалла по электрическому сопротивлению контакта его слоёв / С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин // Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование : сб. трудов ХIII науч. конф. ТГТУ. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. - С. 135 - 137.

8. Москвитин, С.П. Комплексный метод и средства контроля характеристик качества биметалла в процессе производства / С.П. Москвитин, Д.В. Семененко // 6-я Международная заочная научно-практическая конференция «Наука на рубеже тысячелетий». - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. - С. 52 - 54.

9. Москвитин, С.П. Микропроцессорная измерительная система контроля качества биметаллов / С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин // Труды ТГТУ : сборник научных статей молодых учёных и студентов. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. - Вып. 21. - С. 132 - 135.

Размещено на Allbest.ru