www.testima.cz - 1 - III 2004 Magneticko-indukční metoda Vířivé proudy Kalibrace a přesnost měření Vlivy na měření Geometrické meze měření Měření příliš malých dílů Vliv drsnosti povrchu Specielní aplikace Měření vícevrstvých systémů Statistika MĚŘENÍ TLOUŠŤKY VRSTEV Aplikační zpráva III/04 www.testima.cz info@testima.cz TESTIMA, spol. s r.o., Křovinovo nám. 8, 193 00 Praha 9 Tel.:281 922 523 * Tel. servis: 281 922 522 * Fax: 281 921 531
www.testima.cz - 2 - III 2004 1. Měření vrstev Pro měření tloušťky vrstev se používá rozdílných fyzikálních vlastností vrstvy a podkladového materiálu. Používají se dvě metody: Metoda magneticko-indukční označení F (feromagnetikum) Pro měření nemagnetických vrstev na feromagnetickém podkladu. Metoda vířivých proudů označení N (non-feromagnetikum) Pro měření elektricky nevodivých vrstev na elektricky vodivém podkladu. 2. Magneticko-indukční metoda Měřící sonda obsahuje feromagnetické jádro a budící vinutí napájené střídavým proudem o nízké frekvenci. Sonda vytváří ve svém okolí elektromagnetické pole. Pokud se v blízkosti sondy nachází feromagnetický materiál, pole sondy se zesiluje. Toto zesílení je měřitelné druhou, snímací cívkou a odpovídá vzdálenosti feromagnetika od sondy. Magnetické pole se dá znázornit magnetickými siločarami. Pokud se jejich délka prodlužuje, oddaluje se feromagnetikum od sondy. U 3. Metoda vířivých proudů Sonda obsahuje cívku bez jádra napájenou střídavým proudem o vysoké frekvenci. Sonda vytváří elektromagnetické pole. Pokud je v blízkosti sondy elektricky vodivý materiál, vznikají v něm tzv. vířivé proudy, které vytváří elektromagnetické pole opačného směru. Výsledné pole vzniká vektorovým součtem obou polí. Změna pole je měřitelná a odpovídá vzdálenosti el. vodivého materiálu od sondy.
www.testima.cz - 3 - III 2004 Poznámka: Duální sonda (označená FN) obsahuje oba systémy. Po přiložení sondy na materiál se vyhodnocením signálu obou snímacích systémů určí, jaký materiál se nachází v blízkosti sondy. 4. Kalibrace přístrojů Phynix 4.1. Tovární kalibrace Určena pro standardní aplikace 4.2. Jednobodová kalibrace = kalibrace na nulu Pro specielní aplikace, vyšší přesnost měření 4.3. Dvoubodová kalibrace = kalibrace s fólií Nejvyšší přesnost 4.4. CTC kalibrace 4.5. Kalibrace se dvěma fóliemi 4.6. Ofset 4.1. Tovární kalibrace 4.1.1. Standardní aplikace 1. Povrch měřeného dílu větší než 15 x 15 mm 2. Zakřivení (konvexní i konkávní) na železném (Fe) materiálu R > 20 mm. Zakřivení (konvexní i konkávní) na neželezném (Al) materiálu R > 50 mm. 3. Základní materiál (Fe) má tloušťku T > 0,6 mm Základní materiál (Al) má tloušťku T > 50 µm Nejistota měření ± (3 µm nebo 3% měřené hodnoty) 4.2.Jednobodová kalibrace Provádí se několik měření na povrchu bez povlaku kalibrace na nulu Pro aplikace mimo definici standardní aplikace Zvyšuje přesnost měření Nejistota měření ± (1 µm nebo 2% měřené hodnoty) 1.3.Dvoubodová kalibrace Nejprve se provede kalibrace jednobodová, poté se provede několik měření přes kalibrační standard (fólii) o tloušťce přibližně stejné, jako je předpokládaná tloušťka měřeného povlaku (max. 1,5 x násobek) kalibrace s fólií Nejistota měření ± (1 µm nebo 1% měřené hodnoty) 1.4.CTC kalibrace (Jen Surfix Pro) Kalibrace přímo na povlaku bez dřívější kalibrace na nulu. Používá se tam, kde není možné kalibraci na nulu provést.
www.testima.cz - 4 - III 2004 1.5.Kalibrace se dvěma fóliemi (Jen Surfix Pro) Provede se jednobodová kalibrace, poté se kalibruje nejprve na jednu fólii a poté na druhou. Používá se např. pro vyloučení vlivu drsného povrchu. Vliv drsnosti je u obou fólií stejný. 1.6. Ofset Přičítá (odečítá) předem nastavenou hodnotu (konstantu). Používá se např. při měření přes přídavnou fólii položenou mezi vrstvu a sondu, vhodné např. u měkkých povlaků pro rozložení tlaku sondy nebo u velmi tenkých povlaků jako ochrana proti poškození povlaku. 5. Kdy je nutné kalibrovat? a) Aplikace není standardní dle definice 4.1.1 b) Potřebuji vyšší přesnost měření c) Speciální aplikace měření na legovaných ocelí, austenitické, nerezové oceli atd. 5.1. Vlivy na měření a) Elektrické a magnetické vlastnosti povlaku/ základního materiálu (magnetická permeabilita, elektrická vodivost) b) Rozměr, tvar, zakřivení měřeného dílu c) Přístup k měřenému místu d) Tloušťka základního materiálu e) Čistota sondy nebo měřeného dílu f) Měření na hrubém povrchu g) Povlak obsahuje oxidy železa h) Vnější elektromagnetické pole 5.2. Měření se stojánkem Při měření se stojánkem lze eliminovat lidský vliv a dále tak zpřesnit měření až na cca ± 0,5 µm.
www.testima.cz - 5 - III 2004 6. Geometrické meze pro měření přístroji Phynix 6.1. Zakřivení konvexní 6.2. Zakřivení konkávní 6.3. Měření v koutu 6.4. Měření na hraně 6.5. Měření ve vývrtu 6.6. Měření na příliš tenkém podkladovém materiálu 6.7. Měření na malé ploše 6.1. Zakřivení konvexní Tendence měření bez kalibrace: vyšší hodnota Kalibrace (jedno-, nebo dvoubodová) je nutná: R < 20 mm pro mód F R < 50 mm pro mód N Fe / Al Nelze měřit: R < 2 mm pro F i N Odchylka způsobená při měření bez kalibrace [µm] Ocel Závislost měření na konvexním zakřivení pro ocel a hliník Měřeno přístrojem Phynix Surfix FN Kalibrováno na plochém materiálu o rozměrech 20 x 20 mm (Fe i Al) Hliník Poloměr konvexního zakřivení [mm]
www.testima.cz - 6 - III 2004 1.2. Zakřivení konkávní Tendence měření bez kalibrace: nižší hodnota Fe / Al Kalibrace (jedno-, nebo dvoubodová) je nutná: R < 20 mm pro mód F R < 50 mm pro mód N Nelze měřit: Fyzická dostupnost sondou Poloměr konkávního zakřivení [mm] Odchylka způsobená při měření bez kalibrace [µm] Hliník Ocel Závislost měření na konkávním zakřivení pro ocel a hliník Měřeno přístrojem Phynix Surfix FN Kalibrováno na plochém materiálu o rozměrech 20 x 20 mm (Fe i Al)
www.testima.cz - 7 - III 2004 1.3 Měření v blízkosti koutu Tendence měření bez kalibrace: nižší hodnota Kalibrace (jedno- nebo dvoubodová) je nutná: A < 5 mm pro mód F i N Nelze měřit: Fyzická dostupnost sondou Fe / Al A 1.4. Měření u hrany Tendence měření bez kalibrace: vyšší hodnota Kalibrace (jedno-, nebo dvoubodová) je nutná: A < 5 mm pro mód F i N Fe / Al Nelze měřit: Fyzická dostupnost sondou A D 6.5. Měření ve vývrtu Tendence měření bez kalibrace: nižší hodnota Kalibrace (jedno-, nebo dvoubodová) je nutná: D < 20 mm pro mód F i N Nelze měřit: Fyzická dostupnost sondou Fe / Al
www.testima.cz - 8 - III 2004 6.6. Tloušťka základního materiálu Tendence měření bez kalibrace: vyšší hodnota pro mód F nižší hodnota pro mód N Kalibrace (jedno-, nebo dvoubodová) je nutná: T < 0,6 mm pro mód F T < 50 µm pro mód N T Nelze měřit: T < 0,1 mm pro F T < 10 µm pro mód A Fe / Al 6.7. Minimální plocha měření Tendence měření bez kalibrace: vyšší hodnota Kalibrace (jedno-, nebo dvoubodová) je nutná: Plocha < 15 x 15 mm pro mód F i N Nelze měřit: Plocha < 5 x 5 mm pro mód F i N 7. Příliš malé díly Pokud rozměry měřeného dílu leží pod hranicí možností měření dle bodu 6, lze v některých případech měřit magneticko-indukční metodou, pokud se zajistí zvýšení magnetického pole přítomností feromagnetika. Fe Podložení měřeného dílu materiálem (ocelí) s obdobnými feromagnetickými vlastnostmi se zvýší magnetické pole v okolí dílu. Součásti lze do feromagnetika vložit nebo stačí podložení. U metody vířivých proudů je tento efekt menší. Výhodné je použití stojánku snažší manipulace se sondou a měřeným dílem, je možné pracovat bez ochranného nástavce.
www.testima.cz - 9 - III 2004 8. Efekt drsnosti povrchu Drsnost povrchu má vliv na vytvoření elektromagnetického pole v okolí sondy, přístroj má tendenci měřit vyšší hodnoty tloušťky. Materiál je blíže sondě - nižší hodnota Materiál je oddálen od sondy - vyšší hodnota Pro vyloučení vlivu drsnosti se používají tři metody. 8.1. Měření přes vrcholy 8.2. Čtyřbodová metoda 8.3. Kalibrace se dvěma fóliemi 8.1. Měření přes vrcholy Vhodné pro drsnost povrchu R z < 20µ a) Jednobodová kalibrace Jednobodová kalibrace na vzorku bez povlaku o stejné drsnosti, jako má měřený díl. Přístroj měří nulu na obálce vrcholů nerovností. Doporučeno 10 měření při kalibraci. b) Dvoubodová kalibrace Provede se dvoubodová kalibrace na předchozím vzorku. Doporučeno alespoň 5 měření. c) Měření Doporučeno pracovat s průměrnou hodnotou z 5 měření.
www.testima.cz - 10 - III 2004 8.2. Čtyřbodová metoda Vhodné pro drsnost povrchu R z > 20µ a) Kalibrace na hladkém povrchu Provede se kalibrace na vzorku o stejném tvaru a ze stejného materiálu jako měřený díl (bez povlaku a o vyhovující drsnosti) b) Určení vlivu drsnosti Měření na vzorku bez povlaku o stejné drsnosti, jako má měřený díl. Výpočet průměrné hodnoty X 0 ± S 0 (aritmetický průměr z 5-10 měření ± standardní odchylka) c) Měření (ovlivněné drsností) Provedení 5 10 měření na měřeném vzorku. Výpočet průměrné hodnoty X 0+C (aritmetický průměr z 5-10 měření povlaku) d) Výpočet konečné hodnoty tloušťky povlaku X 0+C - X 0 = průměrná hodnota tloušťky povlaku Možno použít funkci ofset zadat zápornou hodnotu X 0. 8.3. Kalibrace se dvěma fóliemi a) Provedení jednobodová kalibrace. b) Provedení kalibrace na první fólii (s nižší tloušťkou). c) Provedení kalibrace na druhé fólii (s vyšší tloušťkou). 9. Specielní funkce přístrojů Phynix 9.1. Stabilita měřené hodnoty Měřená hodnota se zobrazí na displeji pouze tehdy, pokud je interní (nezobrazovaná) hodnota konstantní po dobu cca 0,5 s. Tato funkce je ochranou proti neúmyslnému pohybu sondy nebo proti ohýbání měkčích povlaků okolo sondy. 9.2. Automatická kompenzace vlivu elektrické vodivosti Elektrická vodivost podkladového materiálu má při měření metodou N vliv na výsledek. Přístroje Phynix jsou vybaveny automatickou kompenzací tohoto vlivu. Tzn. můžeme měřit základním nastavením (tovární kalibrace) na materiálech různé elektrické vodivosti (např. hliník a jeho slitiny, mosaz, měď...), pokud nám vyhovuje nejistota měření tovární kalibrace. 9.3. Nízké kontaktní zatížení sondy Kontaktní zatížení sondy cca 0,3 N. Výhodou je minimální poškození vrstvy. Možné využití je při kontrole měkkých povlaků nebo velmi tenkých povlaků (hrozí jejich poškození). 9.4. Vysoká mechanická odolnost sondy Kontaktní plocha sondy je vyrobena ze slinutých karbidů. Životnost sondy je při běžném používání na nepříliš hrubém povrchu téměř neomezená.
www.testima.cz - 11 - III 2004 10. Specielní aplikace 10.1. Vliv magnetické permeability 10.2. Vliv elektrické vodivosti 10.3. Další aplikace magneticko-indukční metody 10.4. Měření vrstev niklu 10.5. Další aplikace 10.1.Vliv magnetické permeability a) Nelegovaná ocel V podstatě ideální aplikace pro magneticko-indukční metodu. b) Nízkolegovaná ocel Vliv magn. permeability, lze měřit magneticko-indukční metodou, nutná kalibrace (jednobodová nebo dvoubodová) přímo na měřeném dílu. c) Vysocelegovaná ocel Výraznější vliv magn. permeability, lze měřit magneticko-indukční metodou, nutná kalibrace (jednobodová nebo dvoubodová) přímo na měřeném dílu. d) Nerezová ocel Materiál není feromagnetický, lze obvykle použít metodu vířivých proudů. Jednobodová nebo dvoubodová kalibrace je nutná pokud odchylka na nule překročí 3 µm. 10.2.Vliv elektrické vodivosti a) Změna elektrické vodivosti základního materiálu Díky automatické kompenzaci elektrické vodivosti základního materiálu je možné metodou vířivých proudů měřit povlaky na různém základním materiálu (např. Al, Cu, mosaz, bronz a další slitiny) bez nutnosti provést kalibraci. b) Měření vrstev chrómu na hliníku nebo mědi Chróm je špatně elektricky vodivý, proto lze díky rozdílu ve vodivosti oproti základnímu materiálu (Al, Cu) vrstvu měřit metodou vířivých proudů. Vrstvu lze měřit do tloušťky cca 40 µm, tendencí měření je nižší hodnota. c) Měření vrstev cínu na mědi Cín je elektricky vodivý, ale díky rozdílu ve vodivosti oproti mědi jako základnímu materiálu je možné vrstvu měřit metodou vířivých proudů. Vrstvu lze měřit do tloušťky cca 40 µm, tendencí měření je nižší hodnota. 10.3. Další aplikace magneticko-indukční metody a) Žárový zinek na železe Vrstva žárového zinku je spojena se základním Fe materiálem difúzí, proto nelze definovat jasné fyzikální rozhraní. Vrstvu lze měřit magneticko-indukční metodou, ale je nutné počítat s vyšším rozptylem. b) Fosfáty na železe Vrstva má tloušťku obvykle 5-8 µm a je porézní. Při přiložení sondy může i přes velmi nízké zatížení dojít k poškození povlaku. Vrstvu lze poměrně dobře měřit magnetickoindukční metodou přes fólii o tloušťce cca 100 µm přiloženou mezi povlak a sondu. Fólie rozloží tlak sondy na větší plochu a ochrání tak povlak před poškozením. Tloušťku fólie lze odečíst pomocí funkce ofset.
www.testima.cz - 12 - III 2004 10.4. Měření vrstev niklu a) Galvanický nikl na železe Nikl je trochu feromagnetický, proto nelze použít magneticko-indukční metodu. Vrstvu nelze běžnými přístroji měřit! b) Galvanický nikl na mědi Nikl je trochu elektricky vodivý, proto nelze použít metodu vířivých proudů. Vrstvu nelze běžnými přístroji měřit! c) Chemický nikl na železe Chemický nikl obsahuje určité množství fosforu, od určitého obsahu fosforu (cca 10%) se nikl stává nemagnetický. Lze bez problémů měřit magneticko-indukční metodou. 10.5. Další aplikace a) Měkké povlaky Hrozí poškození povlaku při měření. Sondy přístrojů Phynix se vyznačují velmi nízkým kontaktním zatížením, cca 0,3 N. Hrozí ohýbání povlaku okolo sondy. Přístroj Phynix zobrazí pouze hodnoty stabilní v intervalu cca 0,5 s. Tendencí měření je nižší hodnota. Pro rozložení síly na větší plochu (zabrání ohýbání povlaku a jeho poškození) lze použít fólii o tloušťce cca 100 µm přiloženou mezi povlak a sondu. Tloušťku fólie lze odečíst pomocí funkce ofset. b) Horké povlaky Sondu přístrojů Phynix lze použít až do cca 150 C. V rozsahu cca 60 C až 150 C je nutné použít speciální nástavec (žluté barvy) místo standardního (černý). Dobu kontaktu sondy s horkým povrchem je nutné omezit pouze na cca 1 2 s, poté před dalším měřením přibližně 5 s na vzduchu chladit. S teplotou se mění magnetická permeabilita materiálu, přístroje Phynix není nutné opět kalibrovat. 11. Měření vícevrstvých systémů 11.1. Měření vrstvy barvy na zinku na oceli Zinek i barva jsou neferomagnetické vrstvy módem F je možné změřit celkovou tloušťku obou vrstev. Vzhledem k elektrické vodivosti zinkové vrstvy je možné módem N změřit tloušťku barvy na zinku. Použijí se postupně oba měřící módy (F i N). Módem F se nejprve změří celková tloušťka obou vrstev, poté se módem N změří tloušťka samotné barvy.
www.testima.cz - 13 - III 2004 F N Barva Zinek Ocel Poznámka: Vzhledem k relativně malé tloušťce zinkové vrstvy mají při režimu automatického rozpoznání podkladového materiálu velký vliv feromagnetické vlastnosti oceli. Proto je doporučeno používat manuální volbu měřících módů. Podmínka měření: Tloušťka vrstvy zinku min. 25 µm Kalibrace: V módu N dvoubodová na dílu pouze se zinkem Jedno- nebo dvoubodová módem F pouze na oceli (není nutná) POZOR: Tloušťka zinku může kolísat. Pokud nakalibrujeme např. na 25 µm silné zinkové vrstvě a skutečná hodnota v daném místě by byla např. 28 µm, projeví se zde odchylka a měřená hodnota bude o cca 1 µm vyšší. Od tloušťky cca 50 µm nemá různá tloušťka zinkové vrstvy vliv. Chyba měření barvy v µm Odchylka měření Zn v µm Mód NonFero kalibrován na vrstvě 15 µm Zn Mód NonFero kalibrován na vrstvě 25 µm Zn Mód NonFero kalibrován na vrstvě 50 µm Zn
www.testima.cz - 14 - III 2004 11.2. Měření barvy na velmi malé vrstvě zinku (pod cca 15 µm), kontrola přítomnosti zinku na dílu pod barvou Při řadě aplikací postačuje zinková vrstva s velmi malou tloušťkou. Antikorozní vlastnosti má zinek už od tloušťky cca 5 µm. Při takto malé tloušťce zinku už samozřejmě nelze měřit tloušťku samotné barvy na zinkové vrstvě. Jinou otázkou může být, jak na takovém dílu zjistit, že tam vůbec nějaký zinek je přítomen? Řešením je použití přibližné metody využívající graf závislosti indikací metody magnetickoindukční a vířivých proudů na skutečné tloušťce vrstvy zinku a barvy. Postup: a) Změřit vrstvu nejprve módem F Určení celkové tloušťky vrstvy (dohromady zinek i barva, popř. pokud zinek chybí pouze barva) b) Nyní změřit vrstvu módem N Vzhledem k velmi malé tloušťce zinku na dílu (popř. zinek zcela chybí), bude měření ovlivněno elektromagnetickými vlastnostmi základního materiálu. Toto měření nemá žádnou přímou vypovídající schopnost. c) Vynesení naměřených hodnot F a N do grafu Odečtení přibližné tloušťky barvy a zinku, popř. určení přítomnosti zinku pod barvou Příklad: Díl 1 Díl 2 Mód F (celková tloušťka): 45 µm 55 µm Mód N (nesprávná hodnota): 15 µm 165 µm 130 100 µm Mód F Zinek 14 µm 7 µm 2 µm 4 µm 1 µm 100 µm barvy 0 µm 100 50 50 µm barvy 30 µm barvy 70 µm barvy 50 Díl 1 10 µm barvy -20 0 50 100 150 200 Díl 2 µm Mód N Výsledek, díl 1: na dílu je celková vrstva 45 µm, z toho zinek cca 6 µm a barva cca 39 µm Výsledek, díl 2: na dílu je celková vrstva 55 µm, zinek není žádný, vrstva je pouze barva
www.testima.cz - 15 - III 2004 12. Statistika Jedna měřená hodnota = žádná hodnota V každém měřeném místě je nutné udělat několik měření a tato měření statisticky vyhodnotit. N počet měření x i jednotlivá měření (i = 1, 2, 3 N) x s aritmetický průměr standardní odchylka x = 1 N N 1 x i s = ± N 1 ( N x i x 1 ) 2 Výsledek = _ x ± s Důležité také hodnoty maxima a minima z jednotlivých měření. Doplňkové statistické hodnoty (jen Surfix PRO): Variační koeficient K var K var = s / x [%] Index způsobilosti procesu c p Koeficient míry rozptylu měření ve vztahu k tolerančním mezím. c p = (HL LL) / 6 s HL horní toleranční mez LL dolní toleranční mez Index způsobilosti procesu c pk Zohledňuje aritmetický průměr a rozptyl měření vzhledem k tolerančním mezím c pku = (x LL) / 3 s HL horní toleranční mez c pko = (HL x) / 3 s LL dolní toleranční mez c pk = minimum (c pku, c pko )