CN1672036A - 冶金产品表面涂层特性的在线测试方法和设备 - Google Patents
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Abstract
为测试移动金属带的表面涂层(1)的特性，例如含锌和铁的涂层的热熔(alliation)水平，所述产品被暴露在具有特定波长的射线源(24)的射线(23)当中，射线方向与产品表面正交，并且从所述表面反射的能量同样是以与所述表面正交的方向被检测，从而排除由表面形态特征产生的反射率差异。这种方法借助于商用光纤来实施，所述光纤在其常规光学聚焦器件的自由端(21，31)被剥露，从而它们可以尽可能彼此靠近并彼此平行排列。
Description
技术领域
本发明涉及冶金产品表面涂层特性的测定，特别是在制造过程中，产品进给时的在线测定，更尤其涉及测定钢带的电镀涂层特性，特别是商品名为GALVALLIA的薄钢板类型的钢带。
背景技术
我们知道，这些钢带是经过被称作热熔(alliation)的热处理的电镀钢带，热熔处理的目的是提高钢带表面性能，例如对涂料的附着力或更好的可压印性(stampability)。
这种热熔处理是在具有电镀钢带持续进给的热熔塔中对电镀钢带进行热处理。热处理的目的是确保下层的铁扩散到表面以达到前述目的。典型情况下铁浓度相对于锌的热熔百分比约为10％。
但是目前，不同用户对所述钢带所需要的热熔水平，即这种扩散的相对程度，差别相对大，因此在制造过程中能够确保对热熔水平的持续检测非常重要。为满足使用所述涂层钢带的客户的要求，制造过程中改变进行热熔处理的装置的调节参数是很必要的，其中，主要是处理温度和时间。
目前，还没有一个系统可以实时和在线检测需要的GALVALLIA钢带表面特性。事实上，已知热熔处理引起理化和微几何学方面的表面性能的显著改善。现在，热熔水平的确定仅仅是在实验室，通过检测粉末铁含量，或者采用金相分析来确定镀层表面晶体的性能。
此外，为了尽可能准确地取得表面热熔的测定，在测试过程中也需要克服形态变异，例如微观粗糙度或同等几何特征，以保证仅对表面的理化变化的敏感性。这些顶层表面的理化变化实际上反映了涂层的铁原子向顶层表面的移动，这种移动反映产品的热熔水平。
由于这些检测相对于生产的滞后，带上出现缺陷，例如由于过度热熔水平导致的涂层的粉末化或分离。
发明内容
本发明的目的是解决这些问题并提出表面热熔水平的在线检测方案，以便能够保证产品的一致性、重复性并确保热熔塔的控制。其目的特别是限制带上缺陷的产生，例如涂层的粉末化或分离，并保证产品的一致性、重复性，这特别是通过避免或至少减少瞬间热熔不足或过热熔区域，即由于工艺参数的检测不能足够快地进行导致工艺参数的随意变化所产生的热熔水平不确定的区域而实现的。本发明更广泛的目的是实现在线测定易受涂层理化特性变化影响的带涂层的表面特性。
考虑到这些目标，本发明的主题首先是一种测量冶金产品表面涂层特性的方法，特别是在制造过程中产品进给时的在线测试，其中，为了使所述产品的表面区域暴露于正交照射到所述表面的入射射线，然后也是在与表面正交的方向测量被暴露区域反射的射线能量，所述暴露区域用与具有预定波长的入射射线发射源连接的发光光纤照射，反射射线通过与传感器连接的测量光纤进行检测，两根光纤的自由末端被剥露并彼此紧密相邻和平行排列。
因此，本发明利用了表面反射特征的变化反映表面特性变化的事实，表面特性的改变取决于涂层理化特性的改变。此外，照明和反射射线的检测都是采用与表面正交的方式进行，从而使本发明通过克服形态差异而仅敏感于表面理化特性的变化。因此，只有当这种正交性得到满足且当所涉及的两根光纤，入射光纤和反射光纤，其相对于产品表面的末端部分彼此距离非常近的情况下，才能通过实施本发明的测量得到期望的结果。本发明采用市购光纤，光纤的自由末端预先剥露，亦即去掉其通常笨重的光纤聚焦附件而只保留剥露状态的光纤本身。
两根光纤的自由末端可置于距表面非常近的位置，典型地，距离表面10-50mm且两根光纤平行排列。之所以不采用其它光学聚焦系统是因为光纤具有极小的直径(0.1mm左右)，且可以彼此紧密排列(最大中心距也在0.1mm左右)，可以对被照亮表面进行精密地测试，并且在照射和测量时都以与表面垂直的方向进行。这一点在下面将看得更清楚。
对于测量GALVALLIA的热熔百分比的应用，特别是本发明的目标，反射流越高，热熔百分比越低，因为正是在涂层中的锌产生比铁高的反射。
从该测量中实时获得的信息可以作为热熔塔的控制参数，也可用于质量控制从而向用户保证交付的卷轴产品的热熔特性。
优选使用的射线位于近红外线区域，更特别是波长为830nm的近红外线。事实上，发明者经过多次实验后发现，该射线范围是最适宜的，尤其考虑到测试敏感度时，目前采用的射线源，如激光二极管工作在这个波长。
按照本发明的另外的方案，反射射线同时在与表面倾斜的一个或多个方向，例如与表面垂直方向成0-30°的方向上被测量，这使得由所述表面漫射的能量能够被测定并获得关于热熔水平或其它表面特性(例如微几何特性)的其它信息，这些信息也可能与直接反射测量相关联以给出涂层一般特性的其它信息。
对一个或多个与表面非正交方向的反射射线的测量本身提供了与形态学特性，例如微粗糙度等无关的热熔水平的测定，观察到在沿特定反射角度的漫反射与热熔水平之间的联系，热熔水平越高，反射射线漫射越多。因此，与表面倾斜的方向的反射射线强度和与表面垂直的方向的反射射线强度的比较单独就可以估算热熔的程度，下面将详细说明。
本发明的主题还有执行上述方法的设备。该设备包括测量头，测量头具有相对于被检测产品表面设置，并包括一根发光光纤和一根测量光纤的前表面，两根光纤在测量头的前面各自具有一个剥露的自由末端，使所述光纤相应的末端部分彼此平行并尽可能彼此紧密排列，发光光纤的另一端与射线源连接，而测量光纤的另一端与传感器连接，该设备还包括处理所述传感器输出的信号的装置，用以确定测量光纤传输射线的强度。
按照本发明的其它优选方案：
该设备包括：用来持续控制和测量产品表面与光纤末端之间的距离的测距传感器；测量头包括至少与特定传感器连接的附加光纤，其末端部分相对于发光光纤的末端部分倾斜定位。不同光纤的方向也被确定以使它们的方向会聚在被发光光纤照亮的同一表面区域上。
射线源为发射波长为830nm的激光二极管。
附图说明
本发明将通过阅读下面结合附图对在线测量GALVALLIA型钢带的热熔水平的说明更容易理解。其中：
图1为测量原理示意图，
图2为检测设备结构示意图，
图3为测量头剖面图，
图4所示为不同热熔水平的GALVALLIA卷轴钢带的一组测试结果的曲线图。
具体实施方式
如图1所示，移动钢带表面1的区域11，被来自与钢带表面保持垂直的发光光纤2末端21的红外射线23照亮。紧邻发光光纤2并与之平行的第二光纤3，其末端31与第一光纤的末端在同一水平位置，并捕捉发光光纤提供并由钢带反射的反射射线33。
事实上，由于不可避免两根光纤最小中心距的存在，即使将每根光纤的末端事先剥露而使中心距降到最低，通过测量光纤3检测到的表面区域12也不是完全的照亮区域11，但是由于这个距离非常小，及由于由光纤末端自然形成的漫射锥23，在表面就会形成分别由发光和测试光纤漫射锥形部分彼此重合的叠加区域13，使得射线能够被测量光纤3捕捉到，以与发光光纤2入射并被表面1垂直反射的全部射线进行比较。
图1同时优选显示了第三光纤4的存在，其末端41，其安装位置与垂直方向成30°，也就是与前两根光纤成30°，其检测区域或多或少与测量光纤3的检测区域相同。
图2所示为设备的实施例，其为包括测量头51和两个布置在箱体5的指定侧壁53上的已知类型的非接触测距传感器52，使用时，箱体5放置在距离待测钢带表面数十毫米处。
图3所示为测量头51的剖面图。测量头包括一个圆柱形壳体54，主要包括前壁55，前壁55中钻有数个通孔61-64，用于容纳系统中的不同光纤的末端。这些孔中的第一个61与前壁55的外表面垂直，其内径形状恰好可以容纳发光光纤2和测试光纤3。其它3个通孔62，63，64角度的设置相对于第一个通孔的角度是逐渐增加的，例如分别为10°，20°，30°，且它们的方向会聚，并且分别容纳附加光纤41，42，43的末端。
如图2所示，所有光纤2，3，41，42，43组合在同一根从箱体5延伸出来的光缆56内。发光光纤2连接到红外射线源，例如激光二极管24，其它光纤3，41，42，43分别连接到已知类型的传感器34、44用于测量反射射线的强度，传感器输出的信号由处理单元57进行处理。
图4所示曲线是被测钢带通过上述本发明设备后得到的测量结果。事实上，在所示实施例中，b1到b10表示的是具有不同的热熔百分比的10轴钢带在进给中进行的测量结果。
前两卷轴b1和b2的热熔百分比为10％，且在标准化测试条件下测得的粉化值(powdering)为3-4g/m2(测试条件下从钢带分离出来的粉末的质量)。
卷轴b3到b6的热熔百分比为12％，粉化值为5-6g/m2。卷轴b7到b9的热熔比百分为11％，粉化值为4g/m2。卷轴b10的热熔比百分为13％，粉化值为7g/m2。
所示的两根曲线分别表示相对于时间，即相对于通过热熔炉的钢带的长度的反射射线强度。图中上面的曲线T1表示由测量光纤3捕捉到的射线强度，而下面的曲线T2表示穿过以30°角倾斜的通孔64的光纤43捕捉到的射线强度。
图中可以清晰地看出热熔百分比越低(卷轴1和2)，反射信号强度越高，高强度反射信号准确地对应于由于铁在涂层的锌中的低比例造成的高反射率，相反，如果热熔比高(卷轴10)，反射强度较低，说明由于较高的表面铁含量造成的反射率损失。
也可以看到，两根曲线T1和T2之间的差异，卷轴b1和b2或b7-b9明显高于卷轴b3-b6和b10，这也表明，在表面铁含量较低的情况下，热熔水平低使反射率差异较大。
本发明并不局限于上述具体实施方式中的具体设备、测量头或方法的执行的实施例，特别是红外激光二极管可以替换为其它波长适合被测表面的射线源。另外，除GALVALLIA之外的其它产品也可以用相似的方法进行检测，并且可以对由连接到具有不同倾角的光纤的多种传感器所传递的信号进行分析以获取其它信息，特别是有关的表面的形态学特性。
Claims (10)
1、一种测量冶金产品的表面涂层(1)特性的方法，特别是在制造过程中产品进给时的在线测量，其特征在于：为使所述产品的表面的区域(13)暴露于正交照射到所述表面的入射射线(23)并且也是在与表面正交的方向测量暴露的区域(13)反射的射线能量，所述区域(13)被连接到具有预定波长的入射射线发射源(24)的发光光纤照射，反射射线通过与传感器(34)连接的测试光纤(3)进行检测，两个光纤(2，3)的自由端(21，31)被剥露并且彼此紧密靠近平行排列。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述剥露的光纤(2，3)的自由端(21，31)固定在距离产品表面(1)5至50mm处。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：使用的射线位于近红外区域，更特别是具有830nm波长的近红外光。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：反射射线同时在倾斜于产品表面(1)的一个或多个方向被检测，用以估算由所述受照区域(13)漫反射的能量值。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于：检测角度介于与所述表面(1)的垂直方向0至30°之间。
6、一种测量冶金产品表面涂层(1)特性的设备，特别是在制造过程中在产品进给时在线使用的，其特征在于：所述设备包括测量头(51)，其具有与产品表面(1)相对地设置并包括发光光纤(2)和测量光纤(3)的前表面(55)，这两根光纤分别在测量头(51)的前表面(55)具有自由剥露端(21，31)，以便使所述光纤的相应的末端部分平行排列并尽可能彼此靠近，发光光纤(2)的另一端也与光发射源(24)相连接，测量光纤(3)的另一端与传感器(34)相连接，所述设备还另外包括对所述传感器(34)提供的信号进行处理的装置(57)，以便确定由测量光纤(3)传输的射线的强度。
7、如权利要求6所述的设备，其特征在于：它包括测距传感器(52)以持续不断地检测或测量光纤的自由剥露端(21，31)与产品表面(1)之间的距离。
8、如权利要求6所述的设备，其特征在于：所述测量头(51)包括与特定传感器(44)相连的附加光纤(4)，其自由末端部分(41)相对于发光光纤(2)的自由末端部分(21)倾斜定位。
9、如权利要求6所述的设备，其特征在于：射线源(24)是激光二极管，其发射波长为830nm。
10、如权利要求1所述的方法，其特征在于：该方法应用于移动钢带。
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