на тему: «Электрические и магнитные методы контроля РЭСИ» МИНСК, 2008 Электрические методы Электрические методы неразрушающего контроля (ЭМНК) основаны на созда¬нии в контролируемом объекте электрического поля либо непосредственным воздействием на него электрическим возмущением (например, электростати¬ческим полем, полем постоянного или переменного тока), либо косвенно с по¬мощью воздействия возмущениями неэлектрической природы (например, теп¬ловым, механическим и др.). В качестве информативного параметра ис¬пользуются электрические параметры объекта контроля (емкость, тангенс угла потерь, проводимость). Рисунок 1 – Номограмма для определения толщины эпитаксиальной плен¬ки (d) и концентрации электронов в подложке (N) в структуре nn+ GaAs при λ = 10,6 мкм, - линии равной концентрации - линии равной толщины По назначению ЭМНК делятся по определению исследуемых характери¬стик состава и структуры материала на электроемкостные, электропотенциаль¬ные и термоэлектрические. 1. Электроемкостной метод контроля (ЭМК) предусматривает введение объ¬екта контроля или его исследуемого участка в электростатическое поле опре¬деление искомых характеристик материала по вызванной им обратной реак¬ции на источник этого поля. Информативность ЭМК определяется зависимостью первичных парамет¬ров емкости, тангенса угла потерь от характеристик объекта контроля, (ди¬электрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь (см. рис. 2). Косвенным путем с помощью ЭМК можно определить и другие фи¬зические и структурные характеристики материала: плотность, содержание компонентов, механические параметры, радиопрозрачность, толщину, прово¬дящие и диэлектрические включения и т.п. Примеры значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла ди¬электрических потерь электроизоляционных материалов на высоких частотах 105-108 Гц приведены в приложении. 2. Электропотенциальные методы. Работа электропотенциальных приборов основана на прямом пропускании тока через контролируемый участок и измерении разности потенциалов на определенном участке.
Рисунок 2 – Схема воздействия характеристик объекта контроля на электриче¬ские параметры При пропускании через электропроводящий объект электрического тока в объекте создается электрическое поле. Геометрическое место точек с одинако¬вым потенциалом составляет эквипотенциальные линии (рис. 3). На рисун¬ке показано распределение эквипотенциальных линий при отсутствии (рис. 3,а) и наличии дефекта (рис. 3,6). Разность потенциалов зависит от трех факторов: удельной электрической проводимости а, геометрических размеров (например, толщины) и наличия поверхностных трещин.
При пропускании переменного тока разность потенциалов будет зависеть и от магнитной про¬ницаемости μ. Рисунок 3 – Распределение эквипотенциальных линий В приборах имеется четыре электрода.
С помощью двух из них (токопрово-дящих) к контролируемому участку подводится ток, а два других измеритель¬ные измеряют разность потенциалов на определенном расстоянии (обычно не более 2 мм), по которой судят о глубине обнаруженной трещины.
Электропотенциальные приборы применяют для измерения толщины сте¬нок деталей, для изучения анизотропии электрических и магнитных свойств, обусловленной приложенными к объекту контроля механическими напряже¬ниями, но основное назначение этих приборов – измерение глубины трещин, обнаруженных другими методами неразрушающего контроля.
Электропотен¬циальный метод с использованием четырех электродов, является единствен¬ным методом, который позволяет осуществить простое измерение глубины (до 100 - 120 мм ) поверхностных трещин.
В этом смысле характерным представителем таких приборов является при¬бор – измеритель глубины трещин типа ИГТ – 10НК позволяющий контроли¬ровать глубины трещин от 0,5 до 20 мм в ферромагнитных, аустенитных ста¬лях с 10% относительной погрешностью.
Применение измерителей глубины трещин совместно с другими методами, например, магнитопорошковым или капиллярным, позволяет повысить эф¬фективность обнаружения трещин.
Помимо контроля трещин электропотенциальные методы используются при контроле удельного сопротивления полупроводниковых структур. 3. Термоэлектрические методы. Приборы неразрушающего контроля, основанные на термоэлектрическом ме¬тоде, находят применение при контроле деталей по маркам сталей, при контроле полупроводниковых пластин по типам проводимостей и т.д. а) Контроль деталей по маркам сталей.
Источником информации о физическом состоянии материала при термо¬электрическом методе неразрушающего контроля является термо-ЭДС, возни¬кающая в цепи, состоящей из пары электродов (горячего и холодного) и на¬личие контролируемого металла или полупроводника. Обработка информации может проводиться или путем прямого преобразо¬вания или дифференцированным методом (рис. 4,а и рис. 4,б). Сущность работы приборов по схеме прямого преобразования заключается в следующем.
Контролируемый образец 1 помещают на площадку холодного электрода 3. К контролируемой поверхности прикасаются горячим электро¬дом 2, нагреваемым элементом 4. В месте контакта горячего электрода возникает термо- ЭДС, и ток начинает протекать в цепи, в которую включен индикаторный прибор V. При работе прибора по дифференцированной схеме к холодным электро¬дам, на которых размещены: образец 5 из известной марки стали и контроли¬руемая деталь 1, подключен индикаторный прибор V. К этим деталям одно¬временно прикасаются горячим электродом - щупом 2 и, наблюдая за показа¬ниями индикаторного прибора V, судят о принадлежности контролируемой детали к марке стали образца. Регистрация результатов контроля возможна тремя способами: по углу от¬клонения стрелки индикаторного прибора, по измерению знака термо-ЭДС и по индикации нулевого показания.
В таблице 1. приведены значения термо-ЭДС для некоторых сталей.Контроль типа проводимости монокристаллических слитков и пластин Для (кремния или арсенида галлия) n – типа горячий токоподвод имеет положительную полярность, а холодный – отрицательную.
При нагреве токоподвода скорость электронов в нем становится больше, чем в холодном, по¬этому они диффундируют от горячего токоподвода к холодному до тех пор, пока горячий токоподвод, отдавший электроны, не окажется заряженным по¬ложительно а холодный токоподвод получивший избыток, зарядится отрица¬тельно (рис.5,а) (в кремнии или арсениде галлия), дырки диффундируют от горячего токоподвода к холодному и горячий токоподвод заряжается отрица¬тельно (рис.5,б). Таблица 1 Значения термо-ЭДС для марок сталей.
Марка стали Значение термо-ЭДС, мВ 40Х14Н14В2М 0,30 – 0,38 10Х18Н10Т 0,27 – 0,36 ЗОХГСНА 0,16 – 0,28 18ХНВА 0,15 – 0,27 ЗОХГСА 0,12 – 0,18 ЭИ868 0,13 – 0,19 12ХНЗА 0,02 – 0,06 10 -0,07 – +0,09 20 -0,09 – +0,11 25 -0,09 – +0,11 45 -0,11 – +0,11 15ХА -0,17 – +0,11 ЭИ617 -0,21 – +0,14 16ХГТА -0,27 – +0,20 ЭИ617 -0,28 – +0,23 16ХГТА -0,27 – +0,30 ЭИ347 -0,28 – +0,23 10X18 -0,27 – +0,30 Р18 -0,30 – +0,32 20X23 -0,31 – +0,33 10Х12М -0,37 – +0,41 10X12Ф1 -0,40 – +0,46 Рисунок 4 – Схемы контроля путем прямого преобразования (а) и диф-ферен¬цированным методом(б) Рисунок 5 – Контроль типа проводимости полупроводников по знаку термо-ЭДС: а) n-тип; б) р-тип. Магнитные методы Методы основаны на взаимодействии магнитного поля с контролируемым объектом.
Контролируемый объект помещается в магнитное поле. Встретив на своем пути препятствия в виде дефектов - (трещин, расслоений, газовых пузырей, раковин и др.) с меньшей магнитной проницаемостью, часть магнитных сило¬вых линий выходит на поверхность объекта, образуя вокруг этого дефекта по¬ля рассеяния (рис.6). Для регистрации полей рассеяния над дефектами применяют несколько методов: магнитопорошковый; магнитографический и магнитоферрозондовый.
Возможность применения магнитных методов и конкретные параметры контроля изделий зависят от магнитных свойств материала.
Если в магнитное поле поместить тело из ферромагнитного материала, то после удаления источ¬ника намагничивания тело сохранит некоторую остаточную намагниченность. Рисунок 6 – Схема магнитного контроля при расположении дефекта поперек (а) и вдоль (б) магнитных силовых линий 1. Магнитопорошковый метод.Магнитопорошковый метод регистрации полей рассеивания при неразрушающем контроле основан на явлении притяжения частиц магнитного порошка в местах вы¬хода на поверхность контролируемого изделия магнитного потока, связанного с на¬личием нарушений сплошности.
В намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов нарушения сплошности (дефекты) вызывают перераспределение магнит¬ного потока и выход части его на поверхность (магнитный поток дефекта). На по¬верхности изделия создаются локальные магнитные полюсы, притягивающие части¬цы магнитного порошка, в результате чего место дефекта становится видимым.Метод служит для выявления дефектов типа тонких поверхностных и под¬поверхностных нарушений сплошности: трещин, расслоений, непроваров сварных соединений и т. п. Метод позволяет контролировать изделия любых размеров и форм если их магнитные свойства дают возможность намагничивания до степени, достаточ¬ной для создания магнитного поля дефекта необходимого для притяжения частиц магнитного порошка.
Чувствительность метода определяется магнитными характеристиками ма¬териала контролируемого изделия, его формой и размерами, чистотой обра¬ботки поверхности, напряженностью намагничивающего поля, способом кон¬троля, взаимным направлением намагничивающего поля дефекта, свойствами применяемого магнитного или магнитно- люминесцентного порошка спосо¬бом нанесения суспензии (или сухого порошка), а также освещенностью ос¬матриваемого участка изделия. В зависимости от размеров выявляемых поверхностных дефектов устанавли¬ваются три условных уровня чувствительности указанные в таблице 2 Таблица 2 Уровни чувствительности магнитопорошковых методов.
Условный уровень чувствительности Ширина выявляемого дефекта, мкм Минимальная протяженность вы¬являемой части дефекта, мкм А 2,5 Свыше 0,5 Б 10,0 Свыше 0,5 В 25,0 Свыше 0,5 Магнитопорошковый метод контроля предусматривает следующие техноло¬гические операции: - подготовку изделия к контролю; - намагничивание изделия; - нанесение на изделие магнитного порошка или суспензии; - осмотр изделия; - разбраковку; - размагничивание.
Изделия, подаваемые на намагничивающие устройства, должны быть очи¬щены от покрытий, мешающих их смачиванию или их намагничиванию (мас¬ла, грязь, иногда изоляционные покрытия и т. п.). В зависимости от магнитных свойств материала, размеров и формы кон¬тролируемого изделия, а также оборудования, используемого для намагничи¬вания, применяют два способа контроля: - способ приложенного магнитного поля СПМП; - способ остаточной намагниченности (СОН). Контроль СПМП характеризуется образованием валика порошка над дефектом за время действия на контролируемое изделие внешнего магнитного поля. При контроле СПМП намагничивание должно начинаться раньше или одновременно с моментом прекращения полива суспензией или нанесения сухого порошка на контролируемое изделие. Окончание намагничивания должно происходить после прекращения стекания основной массы суспензии с контролируемого участка.
Во избежание перегрева изделия после прекращения нанесения суспензии при длительном времени стекания последней, намагничивающий ток может периодически выключаться.
Время действия тока 0,1 - 0,5 с с перерывами между включениями 1 - 2 с. Осмотр изделия производят по окончании стекания суспензии. В отдель¬ных случаях, оговариваемых технической документацией, осмотр изделия мо¬жет производиться во время действия намагничивающего тока (поля). Контроль СОН заключается в предварительном намагничивании контроли¬руемого изделия и последующем нанесении на него суспензии или сухого магнитного порошка.
Промежуток времени между намагничиванием и ука¬занной выше обработкой должен быть не менее 1 ч. При этом оседание по¬рошка в зоне дефекта образуется в отсутствии внешнего намагничивающего поля. Наибольшая чувствительность СОН имеет место, когда величина оста¬точной индукции в изделии соответствует предельному гистерезисному циклу.
При магнитопорошковом методе контроля применяют три вида намагничи¬вания: циркулярное, продольное (полюсное) и комбинированное; Комбинированное намагничивание может быть выполнено только СПМП. Основные способы на¬магничивания и схемы их осуществления приведены в табл. 3. Таблица 3 Способы и схемы намагничивания изделий.
Вид намагничива¬ния (по форме маг¬нитного потока) Способ намагничивания Схема намагничивания Пропосканием тока по всему изделию Пропускнием тока по контролируемой части изделия Циркулярное С помощью провода с током, помещаемого в отверстие изделия Путем индуцирования тока в изделии Продольное Постоянным магнитом (полюсное) Электромагнитом Продольное (полюсное) Намагничивающим соленоидом Пропусканием через изделие электрическо¬го и магнитного пото¬ка от электромагнита Пропусканием по из¬делию двух (или бо¬лее) независимых то¬ков во взаимно пер¬пендикулярных на¬правлениях Комбинированное Путем индуцирования тока в изделии и то¬ком, проходящим по проводнику, поме¬щенному в отверстии изделия Пропусканием тока по изделию и при помощи соленоида В зависимости от ориентации дефектов, подлежащих обнаружению, приме¬няют намагничивание в одном, двух или в трех взаимно перпендикулярных на¬правлениях (или применяют комбинированное намагничивание). Нанесение магнитного порошка на контролируемое изделие может произво¬диться двумя способами: сухим и мокрым.
В первом случае для обнаружения дефектов применяют сухой магнитный порошок, во втором – магнитную сус¬пензию (взвесь магнитного порошка в дисперсионной среде). В качестве дис¬персионной среды могут применяться вода, масло, керосин, смесь масла с керо¬сином и др. Разбраковка изделий проводится путем визуального осмотра поверхности изделия на наличие отложений магнитного порошка в местах дефектов.
При необходимости расшифровка результатов контроля может проводиться с приме¬нением оптических средств, тип и увеличение которых устанавливаются техни¬ческой документацией на контроль конкретных изделий. 2. Магнитографический метод.
Этот метод основан на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами с применением в качестве индикатора ферро¬магнитной пленки.В этом методе контролируемый участок объекта намагничи¬вают, затем плотно прижимают к нему магнитную ленту аналогичную лентам, применяемым для магнитной звуко- и видеозаписи.
Намагниченность ферро¬магнитных частиц ленты определяется напряженностью основного магнитного поля и магнитными полями рассеяния над дефектами. Информация о дефекте считывается при помощи магнитографического дефектоскопа, имеющего лен¬топротяжное устройство, чувствительную головку типа магнитофонной и осциллографический индикатор.Для воспроизведения записи взаимно перемеща¬ют ленту или головку с постоянной скоростью.
Возникающий в головке элект¬рический сигнал пропорционален величине остаточного магнитного потока от¬печатков полей рассеяния дефектов, зафиксированных на ленте. Отечественные серийные магнитографические дефектоскопы МД-9, МД-11, МКГ имеют электродвигатель, приводящий во вращение барабан с несколь¬кими магнитными головками.Головки перемешаются поперек магнитной лен¬ты. Электрический сигнал с головки усиливается и подается на электроннолуче¬вую трубку.
Горизонтальная развертка трубки синхронизирована с вращением магнитных .головок. Чувствительность магнитографического метода сравнительно высока - на изделиях с ровной поверхностью выявляются дефекты глубиной 0,3 мм при шероховатости поверхности 0,15 мм. Преимущество данного метода - докумен¬тальность контроля и возможность количественной оценки.Магнитографичес¬кий метод дефектоскопии получил широкое распространение для контроля ка¬чества сварного шва, соединений трубопроводов и листовых конструкций.
Магнитоферрозондовый метод. Этот метод основан на выявлении феррозон-довым преобразователем магнитных полей рассеяния над дефектами в намагни¬ченном изделии и преобразовании их в электрические сигналы.Содержание метода устанавливается ГОСТ 21104-75. Феррозонд представляет собой ферритовый или пермаллоевый сердечник длиной не более 2-6 мм с двумя обмотками, из которых первая - возбуждающая, питаемая переменным током от генератора, а вторая - измерительная, дающая информацию о наличии и изменениях внешних магнитных полей.
Фер¬розондовые преобразователи имеют очень высокую чувствительность (до 10-6 эВ), что позволяет обнаруживать мельчайшие дефекты, способные создать поле рассеяния. Обеспечив перемещение преобразователя по поверхности объекта, осуществляют автоматический или полуавтоматический контроль наличия де¬фектов.В зависимости от магнитных свойств, размеров и формы контролируемого изделия применяют два способа контроля: - приложенного магнитного поля; - остаточной намагниченности.
Контроль первым способом осуществляют намагничиванием изделия и од¬новременной регистрацией напряженности магнитных полей рассеяния дефек¬тов феррозондовым преобразователем в присутствии намагничивающего поля, вторым - после снятия намагничивающего поля. Для неразрушающего контроля при помощи феррозондов созданы и по¬лучают все больше промышленное применение различные дефектоскопы.Используются, например, переносной импульсный феррозондовый дефек¬тоскоп ДИФ-1К, позволяющей обнаружить в сталях различные дефекты. При помощи установок ФДУ-1, УФКТ-1, УФСТ-61, МД-10Ф производится авто¬матизированный скоростной контроль цилиндрических труб, прутков и дру¬гих изделий.
ЛИТЕРАТУРА 1. Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш. школа 2001 – 335 с 2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 – 272 с. 3. Млицкий В.Д Беглария В.Х Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов.
М.: Машиностроение, 2003 – 567 с 2003 4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 200 5. Федоров В Сергеев Н Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств – Техносфера, 2005. – 504с.