PL204078B1

PL204078B1 - Sposób określania jakości połączenia adhezyjnego pomiędzy materiałem metalicznym a polimerem

Info

Publication number: PL204078B1
Application number: PL361615A
Authority: PL
Inventors: Karol Kaczmarek; Robert Sekuła
Original assignee: Abb Spo & Lstrok Ka Z Ogranicz; Abb Społka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2009-12-31
Also published as: AU2003286980A1; PL361615A1; WO2005015197A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób określania jakości połączenia adhezyjnego pomiędzy materiałem metalicznym a polimerem, znajdujący zastosowanie zwłaszcza do oceny jakości urządzeń elektrycznych i elektroenergetycznych, zawierających części metalowe zatopione w żywicy epoksydowej.

W wielu urządzeniach średniego oraz wysokiego napięcia, części metalowe zaizolowane są w żywicach epoksydowych, które wykazują się dobrymi własnościami dielektrycznymi. Połączenia adhezyjne powstałe na skutek zatopienia w żywicy epoksydowej metalowych przewodników, uchwytów, wtopek itp. poddane są działaniu sił normalnych i stycznych, które mogą prowadzić do zniszczenia całego urządzenia. Stąd też, zapewnienie wysokich własności adhezyjnych połączenia ma duże znaczenie eksploatacyjne, co powoduje potrzebę opracowania nieniszczącej metody oceny jakości połączenia adhezyjnego, pozwalającej na ocenę jakości takiego połączenia w warunkach produkcji masowej.

Z opisu patentowego USA 5 088 327 znany jest sposób okreś lania jakoś ci połączenia adhezyjnego pomiędzy materiałem o własnościach przewodzących fale akustyczne, przykładowo metalem, a materiałem o własnościach tłumiących te fale, takim jak elastomer. W sposobie tym wykorzystuje się emisję akustyczną przewodzoną wzdłuż ścieżki propagacji fali w materiale przewodzącym, zapoczątkowanej na powierzchni materiału przewodzącego i przechodzącej przez materiał przewodzący oraz odebranie odpowiedzi akustycznej, w formie echa emitowanego przez fale odbite od powierzchni połączenia adhezyjnego. W przedstawionym sposobie modyfikuje się odebrany sygnał odpowiedzi akustycznej poprzez cząstkowe wytłumienie porcji sygnału, która pochodzi od wyemitowanej fali odbitej tylko od powierzchni materiału przewodzącego, a następnie odszukuje się część sygnału zawierającą maksymalny pik rezonansowy zmodyfikowanego sygnału odpowiedzi akustycznej w celu identyfikacji zapisanego sygnału, przez podanie wielkości amplitudy i szerokość piku rezonansowego. Następnie określa się jednolitość połączenia adhezyjnego jako funkcję odwrotnie proporcjonalną do wielkości amplitudy i jako funkcję wprost proporcjonalną do szerokości impulsu piku rezonansowego. Sygnał akustyczny dostarcza się do połączenia adhezyjnego poprzez zespół przetwornika, który zawiera lusterko do ustalania ścieżki rozchodzenia się promieniowania ultradźwiękowego w badanym materiale, a który połączony jest ze spektrometrem. Analiza zapisanego sygnału akustycznego przeprowadzana jest w komputerowym układzie analizatora, sprzężonego ze spektrometrem i urządzeniem obrazującym wyniki tej analizy w postaci określenia jakości połączenia adhezyjnego.

W przedstawionym rozwiązaniu analizuje się przebiegi ultradźwiękowych ścież ek propagacji i odbicia w badanym połączeniu przy zał o ż eniu, ż e wzbudzone fale akustyczne nie przenikają przez połączenie adhezyjne w głąb materiału z elastomeru.

Znane są rozwiązania dotyczące badania powierzchni metalowej usytuowanej pod powłoką izolacyjną. Przykładowo z opisu patentowego USA 5 526 689 znany jest sposób oraz układ do nieniszczącego wykrywania obecności korozji pod powłoką izolacyjną rur metalowych. Sposób polega na sztucznym wygenerowaniu i wprowadzeniu do określonego miejsca w strukturze rury szerokopasmowej fali akustycznej, za pomocą szczelinowego symulatora emisji akustycznej. Wprowadzona fala dźwiękowa rozchodzi się w strukturze rury i w innym wyznaczonym miejscu wykrywa się jej obecność. Następnie wytwarza się sygnał napięciowy RMS /średnie napięcie skuteczne sygnału emisji ciągłej ang. root-mean-square/ odpowiadający wartości fali dźwiękowej w miejscu jej wykrycia po propagacji w rurze. Wykryty sygnał RMS porównuje się ze standardowym sygnałem napięciowym RMS, uzyskanym dla nieskorodowanej rury. Obecność korozji przejawia się dla przypadku, gdy amplituda sygnału mierzonego jest niższa od amplitudy sygnału standardowego.

W przedstawionym rozwiązaniu nie bada się jakości połączenia adhezyjnego pomiędzy metalową rurą a jej zewnętrzną izolacją, a wykrywa się jedynie obecność lub brak korozji pod powłoką izolacyjną.

W obu przedstawionych rozwiązaniach nie uwzględnia się propagacji sygnału dźwiękowego w warstwie materiał u niemetalicznego.

W urządzeniach elektroenergetycznych, a zwłaszcza różnego rodzaju przekładnikach warstwa niemetaliczna, żywica epoksydowa stanowiąca zewnętrzną powłokę dla metalowych elementów w niej zatopionych jest materiałem wykazującym zdolność przewodzenia sygnałów dźwiękowych.

Nie jest znany sposób nieniszczącego badania jakości połączenia adhezyjnego pomiędzy elementami metalowymi a polimerami, w którym część zasadnicza elementu metalowego zatopiona jest w polimerowej zewnętrznej powłoce, wykorzystujący techniki emisji akustycznej, oparte na jednoczesnym badaniu transmisji sygnału emisji akustycznej, przebiegającej przez materiał metalowy i polimer.

PL 204 078 B1

Istotą sposobu według wynalazku, polegającego na przepuszczeniu przez badany obszar sygnału emisji akustycznej, jest to, że badanie przeprowadza się w dwóch etapach i tak w etapie pierwszym wykonuje się co najmniej trzy wzorce próbek o empirycznie wyznaczonych cechach, które to cechy określają jakość połączenia adhezyjnego, przy czym dla każdego wzorca do wewnętrznej struktury elementu metalowego zatopionego w materiale niemetalicznym, dostarcza się za pomocą zewnętrznego źródła emisji akustycznej, określony sygnał wejściowy emisji akustycznej w postaci fali akustycznej o parametrach uzależnionych od wymiarów i materiału wzorca, a na zewnętrznej powierzchni materiału niemetalicznego, mierzy się sygnał wyjściowy emisji akustycznej, po jego propagacji w strukturze elementu metalowego, połączeniu adhezyjnym i materiale niemetalicznym, po czym wyniki pomiarów klasyfikuje się według przyjętych empirycznie kryteriów określających jakość połączenia dla każdego wzorca, a następnie w etapie drugim ustawia się sygnał wejściowy emisji akustycznej określony w etapie pierwszym, który następnie dostarcza się do badanego połączenia adhezyjnego i mierzy się sygnał wyjściowy emisji akustycznej, po jego propagacji w strukturze elementu metalowego, połączeniu adhezyjnym i materiale niemetalicznym przy użyciu co najmniej jednego czujnika emisji akustycznej ściśle przylegającego do powierzchni materiału niemetalicznego, po czym zmierzony sygnał lub sygnały wyjściowe porównuje się ze wzorcowymi wartościami sygnałów emisji akustycznej, które uzyskuje się w etapie pierwszym dla połączeń adhezyjnych o znanych własnościach i na podstawie podobieństwa pomiędzy tymi wynikami określa się jakość połączenia adhezyjnego.

Korzystnie zadany sygnał wejściowy emisji akustycznej wprowadza się do części metalowej za pomocą falowodu połączonego z przetwornikiem emisji akustycznej, sprzężonym ze źródłem wytwarzania sygnału akustycznego.

Zaletą sposobu według wynalazku jest dostarczenie prostej metody oceny jakości wyrobu lub półwyrobu i możliwość jej wykorzystania w masowej i zautomatyzowanej produkcji.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym na fig. 1 przedstawia schematyczny układ do realizacji sposobu według wynalazku, fig. 2 - przykładowy przebieg sygnału wymuszającego dla badanej próbki, fig. 3 - przykładowy przebieg sygnału zarejestrowanego dla badanej próbki, a fig. 4, 5, 6 - wzorcowe przebiegi sygnałów zarejestrowanych dla próbek o określonych własnościach.

Układ do realizacji wynalazku zawiera próbkę 1, stanowiącą element metalowy 2 połączony adhezyjnie z materiałem niemetalicznym 3, ukształtowanym w postaci walca. Materiał niemetaliczny 3 może mieć również inny w zasadzie dowolny kształt, przykładowo prostopadłościanu lub sześcianu. Do elementu metalowego 2 przyłączony jest poprzez falowód 4 przetwornik emisji akustycznej 5, który sprzężony jest ze źródłem emisji akustycznej 6. Do jednej z czołowych powierzchni walca wykonanego z materiału niemetalicznego 3, przyłączony jest drugi przetwornik emisji akustycznej 7, spełniający rolę czujnika sygnału akustycznego. Czujnik ten ściśle przylega do czołowej powierzchni walca i połączony jest z komputerowym urządzeniem kontrolno-pomiarowym 8. Do zewnętrznej powierzchni próbki 1 może być przyłączonych więcej czujników akustycznych, co nie jest uwidocznione na rysunku. Urządzenie 8 zawiera między innymi blok porównywania 9, w którym porównuje się rejestrowane sygnały akustyczne z wzorcowymi sygnałami zapamiętanymi w pamięci urządzenia 8, blok analizy zarejestrowanych sygnałów mierzonych 10 oraz blok kontrolny 11. Do bloku analizy sygnałów mierzonych 10 przyłączone jest urządzenie wizualizacyjne 12, a do bloku kontrolnego 11 urządzenie sterujące 13, za pomocą którego steruje się wielkością źródła emisji akustycznej, wymuszanego w próbce 1. Realizacja wynalazku polega na tym, że dla każdego wyrobu, dla którego chcemy określić jakość połączenia adhezyjnego wykonuje się co najmniej trzy rodzaje wyrobów wzorcowych, dla których empirycznie określa się parametry, na podstawie których klasyfikuje się rodzaj połączenia adhezyjnego. Wyniki pomiarowe uzyskane dla dowolnego wyrobu są przyrównywane do wyników sklasyfikowanych dla wyrobów wzorcowych. W ten sposób, zwłaszcza przy masowej produkcji wyrobów zawierających części metaliczne zatopione w materiale niemetalicznym, łatwo i skutecznie określa się wyroby wadliwe.

Przykład praktycznego wykonania wynalazku.

Badaniu poddano połączenie adhezyjne próbki 1 wykonanej z mosiężnego elementu (wtopki) zatopionej w żywicy araldytowej.

Przygotowano jako wzorce trzy rodzaje połączenia adhezyjnego o kształcie i strukturze próbki 1; bez wady (idealna adhezja na całej powierzchni), z częściową wadą oraz z brakiem połączenia na całej powierzchni.

Oddzielnie dla każdego wzorca za pomocą źródła emisji akustycznej 6 wygenerowano sygnał wymuszający emisji akustycznej EA1 o przebiegu przedstawionym na fig. 2, w układzie amplituda sygnału

PL 204 078 B1 (podana w milivoltach) oraz czas trwania sygnału (podany w milisekundach). Wymuszony sygnał po jego rozprzestrzenieniu się w falowodzie 4 i dotarciu do zatopionej w żywicy części metalowej 2, przechodząc przez połączenie adhezyjne ulega tłumieniu, a kształt fali ulega deformacji. Wytłumiony sygnał następnie odebrano za pomocą czujnika 7, umieszczonego na ukształtowanej powierzchni z żywicy 3.

Po przeprowadzeniu badań otrzymano trzy wzorcowe charakterystyki akustyczne, dotyczące jakości połączenia adhezyjnego. Wzorcowe charakterystyki przedstawione są następująco:

- fig. 4 - nie zawiera wad połączenia adhezyjnego,

- fig. 5 - zawiera częściową wadę,

- fig. 6 - brak połączenia adhezyjnego na całej powierzchni.

Następnie wykonano identyczne jak dla wzorców badanie próbki 1.

Przebieg tego sygnału, przedstawiony na fig. 3, zarejestrowano za pomocą urządzenia komputerowego 8.

Przebieg charakterystyki akustycznej otrzymany dla badanej próbki 1, przedstawiony na fig. 3 porównano z przebiegami uzyskanymi dla wzorcowych próbek. W wyniku takiego porównania okazało się, że badana próbka 1 została zakwalifikowana jako - brak połączenia adhezyjnego na całej powierzchni. Przy porównywaniu wykorzystano następujące parametry sygnału emisji akustycznej: amplituda, energia, czas narastania, czas trwania, ilość zliczeń itd.. Zarejestrowane sygnały przypisuje się do danego wzorca i określa jakość połączenia.

Wyniki badania przedstawiono również w tabelach.

Tabela 1 przedstawia przedziały wartości amplitud charakterystyk akustycznych dla trzech wzorcowych charakterystyk akustycznych wad połączenia adhezyjnego:

T a b e l a 1

Wzorzec bez wady (idealna adhezja na całej powierzchni),	Wzorzec z częściową wadą	Wzorzec z wadą: braki połączenia na całej powierzchni
powyżej 90 dB(A)	80 - 90 dB(A)	poniżej 80 dB(A)

Tabela 2 przedstawia wybrane parametry sygnałów emisji akustycznej EA2 dla trzech wzorcowych charakterystyk akustycznych wad połączenia adhezyjnego.

T a b e l a 2

Parametry sygnału EA	Wzorzec z wadą: (brak połączenia na całej powierzchni)	Wzorzec z częściową wadą	Wzorzec bez wady (idealna adhezja na całej powierzchni)
Amplituda, A [dB(A)]	71,7 dB(A)	83,0 dB(A)	91,3 dB(A)
Energia, E [mV*t]	270 000	1 200 000	3 100 000
Czas narastania, tn [με]	26,8	37,4	42,2
Czas trwania, tt, [μβ]	362	452,2	520,2
Ilość zliczeń, N [-]	46	63	67

Tabela 3 przedstawia wybrane parametry sygnału emisji akustycznej EA3 dla badanej próbki 1.

T a b e l a 3

Parametr sygnału EA	Wartość parametru
Amplituda, A [dB(A)]	72,9
Energia, E [mV*t]	450 000
Czas narastania, tn ^s]	27
Czas trwania, tt, [μ8]	357,2
Ilość zliczeń, N [-]	52

Badaną próbkę 1 przyporządkowano do wzorca połączenia adhezyjnego z brakiem połączenia na całej powierzchni, przedstawioną w kolumnie pierwszej tabeli 2.

Claims

1. Sposób określania jakości połączenia adhezyjnego pomiędzy materiałem metalicznym a polimerem, polegający na przepuszczeniu przez badany obszar sygnału emisji akustycznej, znamienny tym, że badanie przeprowadza się w dwóch etapach i tak w etapie pierwszym wykonuje się co najmniej trzy wzorce próbek o empirycznie wyznaczonych cechach, które to cechy określają jakość połączenia adhezyjnego, przy czym dla każdego wzorca do wewnętrznej struktury elementu metalowego zatopionego w materiale niemetalicznym, dostarcza się za pomocą zewnętrznego źródła emisji akustycznej (EA), zadany sygnał wejściowy emisji akustycznej (EA1) w postaci fali akustycznej o parametrach uzależnionych od wymiarów i materiału wzorca, a na zewnętrznej powierzchni materiału niemetalicznego, mierzy się sygnał wyjściowy emisji akustycznej (EA2), po jego propagacji w strukturze elementu metalowego, połączeniu adhezyjnym i materiale niemetalicznym, po czym wyniki pomiarów klasyfikuje się według przyjętych empirycznie kryteriów określających jakość połączenia dla każdego wzorca, a następnie w etapie drugim ustawia się sygnał wejściowy emisji akustycznej określony w etapie pierwszym, który nastę pnie dostarcza się do badanego połączenia adhezyjnego i mierzy się sygnał wyjściowy emisji akustycznej (EA3), po jego propagacji w strukturze elementu metalowego, połączeniu adhezyjnym i materiale niemetalicznym przy użyciu co najmniej jednego czujnika emisji akustycznej ściśle przylegającego do powierzchni materiału niemetalicznego, po czym zmierzony sygnał lub sygnały wyjściowe porównuje się ze wzorcowymi wartościami sygnałów emisji akustycznej, które uzyskuje się w etapie pierwszym dla połączeń adhezyjnych o znanych własnościach i na podstawie podobieństwa pomiędzy tymi wynikami określa się jakość badanego połączenia adhezyjnego.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zadany sygnał wejściowy emisji akustycznej (EA1) wprowadza się do części metalowej połączenia adhezyjnego za pomocą falowodu połączonego z przetwornikiem emisji akustycznej, sprzężonym ze ź ródł em wytwarzania sygnał u akustycznego.