CN112945843A - 一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪 - Google Patents

一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器，属于腐蚀电化学检测领域。本发明的测试仪器包括手持式焊缝腐蚀快速测试主机和腐蚀监测柔性阵列电极探头。其中测试主机为微机控制的全数字化测量仪器，包括STM32F427微控制器、3.5寸彩色触控显示屏、RM04网络模块、120路选8模拟开关阵列电路及电源控制和内置电池充电管理模块，120路选8模拟开关阵列电路连接到腐蚀监测柔性阵列电极探头；探头为支撑在柔性泡沫表面的12x12阵列的Ag/AgCl微电极，Ag/AgCl微电极可方便更换，测量前在阵列电极表面覆盖的吸水薄膜层中注入测试溶液。本发明适用于各种工业现场焊缝腐蚀测量，可快速检测焊缝区表面电位分布，为评价焊缝腐蚀的敏感位置及腐蚀的驱动力提供直接的科学依据。

Description

一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪
技术领域
本发明属于腐蚀电化学检测技术领域，具体涉及一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪。
背景技术
焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的制造工艺及技术。在焊接过程由于注入不均匀的高能量造成焊缝和热影响区的化学成分和组织形态发生改变，可能出现各种缺陷和内应力作用，导致在焊缝和焊接接头等局部区域成为优先腐蚀的敏感部位。金属焊缝在恶劣服役环境中常常诱发各种危险性的局部腐蚀，例如应力腐蚀、晶间腐蚀等，可能造成重大损失，甚至引发严重的突发事故，对工业、国防、航天航空等行业设备的安全可靠运行带来极大隐患。但是金属焊接加工时形状复杂多样，焊接处大小不一，位置隐蔽，工业现场的焊缝腐蚀检测一直是腐蚀与防护领域研究的一个焦点和挑战。
传统的腐蚀电化学检测仪器，其检测焊缝腐蚀的方法主要对焊件不同区间采用机械切割取样，通过对切割样品的微观组织分析和电化学分析等，测量焊接样品的组织形貌和腐蚀电化学参数等。这种切割取样必然造成金属焊件的破坏和损伤，监测部位有限，测量耗时费力，特别是由于存在电化学极化的问题，切割的分立样品与实际焊件块体明显不同，所以切割的小样品腐蚀性能的测量不能代表焊件实际情况，可能存在很大误差。
基于腐蚀电化学原理，近年来开展了采用阵列参比电极技术研究测试不同焊接样品表面电位和电流分布，通常电位较低的位置为腐蚀的阳极区，金属优先发生腐蚀，电位较高的位置为阴极区，不发生腐蚀，焊缝区电位差越大，电偶腐蚀的驱动力越强，发生局部腐蚀的危险性也越大，由此可快速评价焊缝腐蚀的敏感位点及腐蚀速度，预警局部腐蚀的危险性；然而，常规的阵列电极只适用于平面光滑电极的测试，无法实现对复杂外形和粗糙表面的焊接设备部件的现场测量；同时由于阵列电极在制备过程中主要为多根单电极组合而成，制作复杂，分辨率较低；单电极具有一定的差异，无法保证微电极表面状态的一致性，影响测量准确性，成为该技术广泛应用的障碍。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪，能够预示焊缝腐蚀的敏感位置和腐蚀倾向性，用于工业现场方便地对焊缝腐蚀进行快速、原位、无损及灵敏准确的检测和评价。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器，所述快速测试仪器包括腐蚀监测柔性阵列电极探头和手持式焊缝腐蚀快速测试主机，所述手持式焊缝腐蚀快速测试主机为微机控制的全数字化测量仪器；所述腐蚀监测柔性阵列电极探头为12x12阵列的Ag/AgCl微电极。
进一步地，所述手持式焊缝腐蚀快速测试主机包括STM32F427微控制器、3.5寸彩色触控显示屏、RM04网络模块、120路选8模拟开关阵列电路及电源控制和内置电池充电管理模块，所述STM32F427微控制器连接3.5寸彩色触控显示屏、RM04网络模块和120路选8模拟开关阵列电路，DC 5V1A外置电源为所述电源控制和内置电池充电管理模块提供电源，所述电源控制和内置电池充电管理模块连接到STM32F427和120路选8模拟开关阵列电路提供电源，所述120路选8模拟开关阵列电路连接到所述腐蚀监测柔性阵列电极探头。
进一步地，所述RM04模块是符合网络标准的嵌入式UART-ETH-WIFI模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、WIFI3个接口之间的转换。
进一步地，所述所述腐蚀监测柔性阵列电极探头由柔性电路板制作而成，所述柔性电路板是以聚酰亚胺为基底，电路板的一端为阵列电极区，整齐排列着12×12阵列金属电极芯，中间为引线区，另一端为金属电极接口区。
进一步地，所述柔性电路板的尺寸设计为30mm×100mm，所述阵列电极区的尺寸为30mm×30mm，所述金属电极芯的直径为0.2-2mm，每个金属电极芯之间的间隔为0.5-4mm。
进一步地，所述金属电极芯的直径为1mm。
进一步地，所述便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器测量前在阵列电极表面覆盖吸水薄棉布，棉布中注入测试溶液，溶液通过棉布均匀扩散至Ag/AgCl柔性阵列电极；以柔性泡沫支撑所述腐蚀监测柔性阵列电极探头，以便柔性阵列电极更好地贴合金属表面；测量时测试系统瞬间断开开关，利用120路选8模拟开关阵列电路控制多通道电子开关，快速连续扫描测量每个微电极对应的位点腐蚀电位值，然后通过模数转换器转化变成每个微电极对应的腐蚀电位数据，最后将获得的数据传送到3.5寸彩色触控显示屏显示。
本发明还提供一种腐蚀监测柔性阵列电极探头的金属电极芯的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1、将柔性电路板分别用乙醇和去离子水超声清洗20分钟，去除表面的油污和污染物；用去离子水冲洗干净，吹干；
S2、通过恒电流镀银法，采用直流电，以铂片为阳极进行电镀，阴极电流密度为0.5A/dm2，时间为3小时，镀银液由500mL/L开缸剂、500mL/L硝酸银和25g/L去离子水配置而成，并用45％的氢氧化钾调节pH为9；
S3、采用电化学工作站进行阳极氯化，氯化溶液采用0.1mol/L NaCl溶液，电极密度为0.1mA/cm2，氯化时间为2h；
S4、氯化结束后用去离子水将表面冲洗干净，放置避光干燥处老化一周，使其电化学性能更加稳定。
进一步地，所述步骤S4之后还包括：
S5：使用前进行柔性阵列参比电极性能测试，用DM3058E台式数字万用表分别测试柔性阵列参比电极在0.001-0.1mol/L NaCl溶液中的响应电位，考察其能斯特性能；测试过程均以饱和甘汞电极SCE为参比电极。
进一步地，所述用DM3058E台式数字万用表分别测试柔性阵列参比电极在0.001-0.1mol/L NaCl溶液中的响应电位具体包括：在阵列电极每列中随机抽取一根单电极，分别测试单电极在0.01mol/L NaCl溶液中的2000秒内的电位变化情况；测试阵列电极在0.001mol/L NaCl电位，500s后，在阵列电极旁边快速添加0.1mol/L NaCl溶液，测试整个过程中阵列电极电位变化。
(三)有益效果
本发明提出一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪，本发明具有以下优点：
通过微机控制和网络通讯，手持式焊缝腐蚀快速测量系统可实现图像快速处理、实时显示及网络传输；
通过柔性Ag/AgCl阵列参比电极腐蚀传感器，可用于快速检测焊缝区复杂表面的电位分布和电流分布，为评价焊缝腐蚀的敏感位置及腐蚀的驱动力提供直接的科学依据；
通过便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪，可在进行焊缝腐蚀测量，考察各种材料、焊接工艺及表面处理对焊缝腐蚀的影响及规律，对焊缝腐蚀破坏的危险进行科学评估和预警；
仪器小巧，结构简单，方便工业现场测量。
附图说明
图1是便携式焊缝腐蚀快速测试仪电路原理框图；
图2是12X12柔性阵列参比电极探头示意图；
图3是测试仪数字网络通讯接口示意图；
图4是便携式焊缝腐蚀快速测试仪测量三种不同焊接电流参数制备的不锈钢样品电位分布图；
图5是便携式焊缝腐蚀快速测试仪在工业现场原位测量某不锈钢管道时的电位分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明的目的在于研制一种新的便携式金属焊缝腐蚀电化学检测仪器，能够预示焊缝腐蚀的敏感位置和腐蚀倾向性，用于工业现场方便地对焊缝腐蚀进行快速、原位、无损及灵敏准确的检测和评价。
本发明所采用的技术方案是：
一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪，其包括腐蚀监测柔性阵列电极探头和手持式焊缝腐蚀快速测试主机，所述手持式焊缝腐蚀快速测试主机为微机控制的全数字化测量仪器；所述腐蚀监测柔性阵列电极探头为12x12阵列的Ag/AgCl微电极。
所述手持式焊缝腐蚀快速测试主机以STM32F427微控制器为主控芯片组成的控制板为核心，包括STM32F427微控制器、3.5寸彩色触控显示屏、Tf-scard卡、扩展flash nand/SRAM、RM04网络模块、120路选8模拟开关阵列电路、USB2.0接口、电源控制和内置电池充电管理模块等。
所述腐蚀监测柔性阵列电极探头由柔性电路板制作而成，可弯曲变形，适合于不同外形的金属设备和凹凸不平的焊缝部位的直接测量；Ag/AgCl微电极可方便进行更换。
按照上述方案，通过3.5寸彩色触控显示屏可设置测量参数，显示和保存120通道测量数据和图形，也可显示回放历史数据和图形。
按照上述方案，STM32F427单片机MCU通过控制120路选8模拟开关阵列电路，重复扫描检测焊缝检测阵列探头敏感单元电位(每10毫秒扫描检测20循环)，经过处理后送3.5寸彩色触控显示屏显示和保存，检测数据(点阵图)可通过USB2.0接口传输到计算机，也可通过RM04网络模块传输到WIFI设备(如phone，PAD，PC等)和通过Internet网络传输到云端。
按照上述方案，手持式焊缝腐蚀快速测试主机采用内置锂电池供电，DC 5V1A外置电源提供电源。电源控制和内置电池充电管理模块连接到STM32F427和120路选8模拟开关阵列电路以提供电源。
按照上述方案，所述HLK-RM04模块是符合网络标准的嵌入式UART-ETH-WIFI(串口-以太网-无线网)模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网(WIFI)3个接口之间的转换；符合无线网络标准：IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b，有线网络标准：IEEE 802.3、IEEE 802.3u；模块工作在AP模式下，ETH1、ETH2功能使能，ETH1作为WAN，ETH2作为LAN；此模式下，WIFI设备能连接到模块，成为WIFI局域网下的设备；通过HLK-RM04模块即可通过Internet网络传输现场检测数据，也可向WIFI设备发送或接收数据命令。
按照上述方案，柔性电路板是以聚酰亚胺为基底，尺寸设计为30mm×100mm，电路板的一端为30mm×30mm的阵列电极区，整齐排列着12×12阵列、直径为1mm阵列金属电极芯，中间为引线区，另一端为金属电极接口区；所述电极芯通过柔性印刷电路板的方式印制在所述柔性基板表面，所述电极芯的直径为0.2-2mm，每个电极芯之间的间隔为0.5-4mm。
按照上述方案，金属电极芯制备方法，包括以下步骤：
S1、将柔性电路板分别用乙醇和去离子水超声清洗20分钟，去除表面的油污和污染物；用大量去离子水冲洗干净，吹干。
S2、通过恒电流镀银法，采用直流电，以铂片为阳极进行电镀，阴极电流密度为0.5A/dm2，时间为3小时，镀银液由500mL/L开缸剂、500mL/L硝酸银和25g/L去离子水配置而成，并用45％的氢氧化钾调节pH为9。
S3、采用电化学工作站进行阳极氯化，氯化溶液采用0.1mol/L NaCl溶液，电极密度为0.1mA/cm2，氯化时间为2h。
S4、氯化结束后用去离子水将表面冲洗干净，放置避光干燥处老化一周左右，使其电化学性能更加稳定。
按照上述方案，所述便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪测量前在阵列电极表面覆盖吸水薄膜层，覆盖的吸水薄膜层中注入测试溶液(0.01mol/l NaCl)，测试时腐蚀监测柔性阵列电极探头支撑在柔性泡沫表面。
参见图1-图3，一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪，其包括手持式焊缝腐蚀快速测试主机和腐蚀监测柔性阵列电极探头。
手持式焊缝腐蚀快速测试主机以STM32F427微控制器为主控芯片组成的控制板为核心，包括3.5寸彩色触控显示屏、Tf-scard卡、扩展flash nand/SRAM、RM04网络模块、120路选8模拟开关阵列电路、USB2.0接口、电源控制和内置电池充电管理模块等。STM32F427单片机MCU通过控制120路选8模拟开关阵列电路，重复扫描检测焊缝检测阵列探头敏感单元电位(每10毫秒扫描检测20循环)，经过处理后送3.5寸彩色触控显示屏显示和保存，检测数据(点阵图)可通过USB2.0接口传输到计算机，也可通过RM04网络模块传输到WIFI设备(如phone，PAD，PC等)和通过Internet网络传输到云端。
仪器电源采用内置锂电池供电，可进行DC 5V1A外置电源充电。
腐蚀监测柔性阵列电极探头由Ag/AgCl微电极阵列而成，Ag/AgCl微电极可方便进行更换；柔性阵列电极由柔性电路板制作而成，可弯曲变形，适合于不同外形的金属设备和凹凸不平的焊缝部位的直接测量；柔性电路板以聚酰亚胺为基底，尺寸设计为30mm×100mm，电路板的一端为30mm×30mm的阵列电极区，整齐排列着12×12阵列、直径为1mm阵列金属电极芯，中间为引线区，另一端为金属电极接口区；所述电极芯通过柔性印刷电路板的方式印制在所述柔性基板表面，所述电极芯的直径为0.2-2mm，每个电极芯之间的间隔为0.5-4mm。
Ag/AgCl微电极阵列制备时，首先将柔性电路板分别用乙醇和去离子水超声清洗20分钟，去除表面的油污和污染物；然后用大量去离子水冲洗干净，吹干。采用型号QJ1100电化学恒电位仪在金属电极芯表面镀银，镀银液由500mL/L开缸剂、500mL/L硝酸银和25g/L去离子水配置而成，并用45％的氢氧化钾调节pH为9；电镀采用直流电，以铂片为阳极进行电镀，阴极电流密度为0.5A/dm2，时间为3小时；镀银之后用大量去离子水冲洗样品表面，保证镀银液去除干净；采用CS电化学工作站进行阳极氯化，氯化溶液采用0.1mol/L NaCl溶液，电极密度为0.1mA/cm2，氯化时间为2h；氯化结束后用去离子水将表面冲洗干净，放置避光干燥处老化一周左右，使其电化学性能更加稳定。
使用前进行柔性阵列参比电极性能测试，用DM3058E台式数字万用表分别测试柔性阵列参比电极在0.001-0.1mol/L NaCl溶液中的响应电位，考察其能斯特性能；在阵列电极每列中随机抽取一根单电极，分别测试单电极在0.01mol/L NaCl溶液中的2000秒内的电位变化情况；测试阵列电极在0.001mol/L NaCl电位，500s后，在阵列电极旁边快速添加0.1mol/L NaCl溶液，测试整个过程中阵列电极电位变化；测试过程均以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。
便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪测量前在阵列电极表面覆盖吸水薄棉布，棉布中注入测试溶液(pH＝9，0.01mol/l NaCl)，溶液通过棉布均匀扩散至Ag/AgCl柔性阵列电极；测试时以柔性泡沫支撑腐蚀监测柔性阵列电极探头，以便柔性阵列电极更好地贴合金属表面；测量时测试系统瞬间断开开关，利用120路选8模拟开关阵列电路控制多通道电子开关，快速连续扫描测量每个微电极对应的位点腐蚀电位值，然后通过模数转换器转化变成每个微电极对应的腐蚀电位数据，最后将获得的数据传送到3.5寸彩色触控显示屏显示。
利用上述方法，对301L不锈钢点焊样品进行测试，分别用WML、WMN、WMH表示低电流、中电流和高电流焊接样品。图4中电位凹坑表示焊缝腐蚀的阳极区，腐蚀优先发生的位点，图中横坐标为测试的熔合区域；首先从图中可以看出低电流焊接的样品阳极区范围更大，电位也更负，熔合区域阳极区最负的电位与母材区相差达到110mv，说明腐蚀的电偶效应最强，发生腐蚀的驱动力最大；中电流焊接的样品腐蚀范围略小，高低电位差为80mv，局部腐蚀驱动力减弱；而高电流焊接制备的样品虽然也出现腐蚀电位的不均匀性和腐蚀优先发生的位点，但阳极区与阴极区的电位差较小，只有60mv，说明高电流焊接制备样品发生局部腐蚀的驱动力最小。实验证明采用本发明测量三种不同焊接电流参数制备的不锈钢样品电位分布图，与微区扫描电位测量、电化学交流阻抗、电化学质量极化等方法有良好的一致性和相关性。图5是便携式焊缝腐蚀快速测试仪在工业现场原位测量某不锈钢管道时的电位分布图。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器，其特征在于，所述快速测试仪器包括腐蚀监测柔性阵列电极探头和手持式焊缝腐蚀快速测试主机，所述手持式焊缝腐蚀快速测试主机为微机控制的全数字化测量仪器；所述腐蚀监测柔性阵列电极探头为12x12阵列的Ag/AgCl微电极。
2.如权利要求1所述的便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器，其特征在于，所述手持式焊缝腐蚀快速测试主机包括STM32F427微控制器、3.5寸彩色触控显示屏、RM04网络模块、120路选8模拟开关阵列电路及电源控制和内置电池充电管理模块，所述STM32F427微控制器连接3.5寸彩色触控显示屏、RM04网络模块和120路选8模拟开关阵列电路，DC 5V1A外置电源为所述电源控制和内置电池充电管理模块提供电源，所述电源控制和内置电池充电管理模块连接到STM32F427和120路选8模拟开关阵列电路提供电源，所述120路选8模拟开关阵列电路连接到所述腐蚀监测柔性阵列电极探头。
3.如权利要求2所述的便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器，其特征在于，所述RM04模块是符合网络标准的嵌入式UART-ETH-WIFI模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、WIFI3个接口之间的转换。
4.如权利要求2或3所述的便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器，其特征在于，所述所述腐蚀监测柔性阵列电极探头由柔性电路板制作而成，所述柔性电路板是以聚酰亚胺为基底，电路板的一端为阵列电极区，整齐排列着12×12阵列金属电极芯，中间为引线区，另一端为金属电极接口区。
5.如权利要求4所述的便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器，其特征在于，所述柔性电路板的尺寸设计为30mm×100mm，所述阵列电极区的尺寸为30mm×30mm，所述金属电极芯的直径为0.2-2mm，每个金属电极芯之间的间隔为0.5-4mm。
6.如权利要求5所述的便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器，其特征在于，所述金属电极芯的直径为1mm。
7.如权利要求4所述的便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器，其特征在于，所述便携式金属焊缝腐蚀快速测试仪器测量前在阵列电极表面覆盖吸水薄棉布，棉布中注入测试溶液，溶液通过棉布均匀扩散至Ag/AgCl柔性阵列电极；以柔性泡沫支撑所述腐蚀监测柔性阵列电极探头，以便柔性阵列电极更好地贴合金属表面；测量时测试系统瞬间断开开关，利用120路选8模拟开关阵列电路控制多通道电子开关，快速连续扫描测量每个微电极对应的位点腐蚀电位值，然后通过模数转换器转化变成每个微电极对应的腐蚀电位数据，最后将获得的数据传送到3.5寸彩色触控显示屏显示。
8.一种腐蚀监测柔性阵列电极探头的金属电极芯的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、将柔性电路板分别用乙醇和去离子水超声清洗20分钟，去除表面的油污和污染物；用去离子水冲洗干净，吹干；
S2、通过恒电流镀银法，采用直流电，以铂片为阳极进行电镀，阴极电流密度为0.5A/dm2，时间为3小时，镀银液由500mL/L开缸剂、500mL/L硝酸银和25g/L去离子水配置而成，并用45％的氢氧化钾调节pH为9；
S3、采用电化学工作站进行阳极氯化，氯化溶液采用0.1mol/L NaCl溶液，电极密度为0.1mA/cm2，氯化时间为2h；
S4、氯化结束后用去离子水将表面冲洗干净，放置避光干燥处老化一周，使其电化学性能更加稳定。
9.如权利要求8所述的金属电极芯的制备方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括：
S5：使用前进行柔性阵列参比电极性能测试，用DM3058E台式数字万用表分别测试柔性阵列参比电极在0.001-0.1mol/L NaCl溶液中的响应电位，考察其能斯特性能；测试过程均以饱和甘汞电极SCE为参比电极。
10.如权利要求9所述的金属电极芯的制备方法，其特征在于，所述用DM3058E台式数字万用表分别测试柔性阵列参比电极在0.001-0.1mol/L NaCl溶液中的响应电位具体包括：在阵列电极每列中随机抽取一根单电极，分别测试单电极在0.01mol/L NaCl溶液中的2000秒内的电位变化情况；测试阵列电极在0.001mol/L NaCl电位，500s后，在阵列电极旁边快速添加0.1mol/L NaCl溶液，测试整个过程中阵列电极电位变化。
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