めっき厚測定のための渦電流試験と信号解析
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カテゴリ: 第15回
めっき厚測定のための渦電流試験と信号解析
Eddy Current Testing and Signal Analysis for Plating Thickness Measurement
職業能力開発総合大学校
小坂
大吾
Daigo KOSAKA
Member
職業能力開発総合大学校
守安
奎裕
Keisuke MORIYASU
Non Member
職業能力開発総合大学校
柿下
和彦
Kazuhiko KAKISHITA
Non Member
Abstract. This paper is motivated by the desire to evaluate thickness of zinc layer on steel in a manufacturing process of zinc plating. We are trying to apply the eddy current testing for measuring thickness of a zinc layer with vibration. This paper shows simulated eddy current within specimens. These results demonstrate the possibility of making thickness measurements using an eddy current with high liftoff.
Keywords: Eddy current testing, Plating, Thickness measurement, Vibration, High liftoff
1 緒言
連続亜鉛めっき製造工程では鋼板をめっき槽に漬け、 その直後にガスワイパーからの空気圧で亜鉛の付着量を コントロールしている。めっき厚さはその後にあるめっ き厚さゲージで測定され、その結果がガスワイパーの空 気圧に反映される。このようなフィードバック制御によ り、均ーなめっき厚さを持つめっき鋼板が製造されてい る。より均ーなめっき厚さを得るためには、ガスワイパ ーとめっき厚さゲージの距離は短くすることが望ましい。 現行の製造工程では蛍光X 線を用いてめっき厚さを評価している。しかしながら蛍光X 線装置はガスワイパー付近の鋼板の振動の影響 [1]で、ガスワイパー付近に設置することができず、ガスワイパーから数十m 下流に設置されている。
蛍光X 線を用いないめっき厚測定法として渦電流試験を用いた手法が使われている [2-3]。高リフトオフ環境下では信号強度がリフトオフに反比例して減少するため、ー般的には、リフトオフが大きくなるほど測定は困難に
そこで我々はガスワイパー付近に用いるめっき厚測定センサに渦電流試験の適用を試みた。本研究での目標は、 リフトオフ40mm のとき数十?m のめっき厚が判別できること、とした。最初に、有限要素法による数値解析を用いて検出原理を示す。次に実験によりめっき厚の異なる試験体の測定結果を示す。これにより提案する手法の有用性を示す。
2 試験体内部の渦電流分布
励磁コイルが作る試験体の渦電流及び磁界の分布を可視化することは現象の理解につながる。そこで、渦電流が作る磁界と試験体内部の渦電流分布を、磁気ベクトルポテンシャルA と電気スカラーポテンシャル?を変数とするA?法を用いた軸対象周波数応答解析ソフトウェア[4]を用いて可視化した。計算条件をTable 1 に示す。
Table 1 Simulation conditions
ItemsDetails
なる。よってこれらの先行研究では、渦電流試験はセン サと試験体の距離を十分に近づけた状態で、めっきの厚 さを定量的に評価している。
連絡先: 小坂 大吾、〒187-0035 東京都小平市小川西町
、職業能力開発総合大学校
Parameters of specimen Shape of specimens Mesh of
specimen
Zinc: σ = 1.66×107 S/m, μr = 1 Steel: σ = 7.46×106 S/m, μr = 3600 Plating thickness: 0, 10 or 20μm Steel thickness: 1mm
Radius direction: 0.5mm
Depth direction: 1μm (from surface to 30μm)
E-mail: kosaka@uitec.ac.jp
Excitation force100turns, 200mA
10μm zinc sheet(b) 1mm steel sheet(a) 10μm zinc on steel Fig.1 Simulated magnetic flux distributions at 10kHz excitation frequency
Fig. 2 Simulated distributions of eddy current within specimens at 40mm liftoff
Fig. 1 は励磁電流を に位相が0 度の の磁束線を示
している。磁束線の間隔は 10nWb とした。Fig. 1(a) は、半径100mm、厚さ10?m の亜鉛シートの中央の高さ40mm の位置に検出コイルの底面があるときの磁束線を示している。試験体表面と裏面の磁束の分布は均等である。これは表面と裏面で渦電流の強さの差、及び位相の差が存在しないことを示している。亜鉛の渦電流の表皮深さは励磁周波数 10kHz のときの 1.2mm であるので、Fig. 1(a)は な結果である。Fig. 2(b) は、厚さ 1mm の炭素鋼のみの磁束線を示している。試験体裏面より表面に磁束が集中している。炭素鋼の表皮深さは 0.07mm である。裏面まで渦電流が浸透しないため、試験体の表面と裏面で渦電流の強度に差が生じる。よってFig. 1(b)は
な結果である。Fig. 1(c) は炭素鋼の表面に10?m の亜鉛が存在する の磁束線を示している。Fig. 3(b) より試験体表面の磁束線の密度が高い。炭素鋼表面に集中した磁束により、Fig. 1(a)より亜鉛に渦電流が生じていることを示している。Fig. 2 はリフトオフを40mm 定とし、亜鉛の厚さを変化させた の試験体の深さ方向の渦電流分布を示している。亜鉛の厚さごとに渦電流の大きさと位相が大きく変化していることが確認できる。Fig. 3 は亜鉛の厚さを10?m 定とし、リフトオフを変化させた の試験体の深さ方向の渦電流分布を示している。リフトオフは渦電流の大きさに大きな影響を与えるー方、位相はめっき厚さほど変化が大きくない。これらの違いは、リ
Fig. 3 Simulated distributions of eddy current within specimens at 10μm plating thickness
フトオフとめっき厚さの変化が検出信号に与える影響が
異なることを示している。
3 結言
めっき厚さとリフトオフ変化は試験体内部の渦電流密 度に異なる影響を与えることは、検出信号からめっき厚 さとリフトオフ信号を分離して評価できる可能性を示し ている。発表では提案する評価方法と、その手法を実の試験体に適用した結果について述べる。
参考文献
壁矢 和, 石田 匡平, 鈴木 秀和, 石垣 雄亮, 石野 和成, 石井 俊夫, “CGL ワイピング部における電磁石を用いた鋼板の振動および形状制御,' 鉄と鋼, Vol. 99, No. 10, pp. pp.
18-24, 2013.
E. U. a. J. H. R. J.C. Moulder, “Thickness and conductivity of metallic layers from eddy current measurements,” Review of Scientific Instruments, Vol. 63, No. 6, p. pp. 3455?3465, 1992.
O. Bruchwald, “Applications of High Frequency Eddy Current Technology for Material Characterization of Thin Coatings,” Journal of Materials Science and Engineering A 6, 7?8, p. pp. 185?191, 2016.
JSOL Corporation, “JMAG-Designer,'
http://www.jmag-international.com.