專利名稱：在物體上設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)記的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及由具有晶體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料制成的物體的標(biāo)識(shí)標(biāo)記。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于在由含碳鋼和合金制成的各種物體上設(shè)置這種標(biāo)識(shí)標(biāo)記的方法和裝置，這些物體包括管道、工具、配件和其它用于石油工業(yè)、天然氣工業(yè)、重工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)等中的結(jié)構(gòu)。
先前已經(jīng)知道各種對(duì)鋼管和其它結(jié)構(gòu)設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)記的方法。這些方法包括在鋼制物體的表面上進(jìn)行鏤花模板噴涂、將編碼的標(biāo)簽貼在物體上、在物體中植入電子應(yīng)答器、通過(guò)激光束在物體表面上刻上標(biāo)識(shí)標(biāo)記等。這些已知方法有不同缺點(diǎn)。例如，噴涂在物體表面或以標(biāo)簽的形式粘貼在表面的標(biāo)識(shí)標(biāo)記可能會(huì)在其使用期限中可能受到的不慎處理期間意外地部分或完全損壞。電子應(yīng)答器包含敏感電子電路，可能會(huì)在物體使用期限中受到損壞或因其它原因停止正常工作。
GB-A-2340640公開(kāi)了一種在晶體材料、如形狀記憶合金上存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的方法。激光束或電子束按照預(yù)定模式照射到材料表面。各個(gè)晶體受熱到一定程度，每個(gè)晶體內(nèi)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，其中改變的晶體將表示存儲(chǔ)在材料中的信息。然后，可以利用電子束或激光掃描材料表面、分析來(lái)自該表面的反射以及對(duì)信息解碼，從而讀取所存儲(chǔ)的信息。
GB-A-2340640的方法缺點(diǎn)在于，材料的結(jié)構(gòu)修改僅限于材料表層的個(gè)別晶體。因此，如果材料受到不慎處理(比如對(duì)上述任一工業(yè)領(lǐng)域中使用的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行的常見(jiàn)處理)，修改的表層極可能受到損壞，致使其中存儲(chǔ)的信息不可讀。再者，修改是針對(duì)個(gè)別晶體進(jìn)行的，使得該方法僅適用于某種適合的材料、如形狀記憶合金。此外，需要先進(jìn)的高精度設(shè)備來(lái)產(chǎn)生極為局部化的生熱，以便改變個(gè)別晶體的結(jié)構(gòu)。
從整體來(lái)看，上述目的已經(jīng)通過(guò)以下發(fā)明理解來(lái)實(shí)現(xiàn)。物體的標(biāo)識(shí)標(biāo)記可以通過(guò)物體表面區(qū)域上的多個(gè)區(qū)段來(lái)表示，其中在電極和物體表面之間通過(guò)工作流體施加高壓電脈沖，使這些區(qū)段的材料結(jié)構(gòu)局部改變。電脈沖產(chǎn)生通過(guò)工作流體的等離子體通道(高度聚集的能量流)，以能量的形式進(jìn)入物體的表面區(qū)域。物體的材料結(jié)構(gòu)通過(guò)此能量局部改變，其中與材料最初結(jié)構(gòu)相比，修改區(qū)段會(huì)得到加強(qiáng)(硬化)。此外，與原始材料相比，修改區(qū)段的化學(xué)組成和/或機(jī)械性能會(huì)有所不同。
隨后，修改區(qū)段可通過(guò)本身已知的測(cè)量方案來(lái)檢測(cè)。有利的是，標(biāo)識(shí)標(biāo)記可以由多個(gè)修改區(qū)段連同中間的未改區(qū)域來(lái)表示，其中修改區(qū)段可以表示二進(jìn)制代碼的第一類數(shù)字(例如邏輯1)，而未改區(qū)段表示另一類的二進(jìn)制數(shù)字(例如邏輯0)。
通過(guò)根據(jù)所附獨(dú)立專利權(quán)利要求的方法和裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。根據(jù)附圖以及從屬權(quán)利要求，從以下詳細(xì)公開(kāi)中將會(huì)理解本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施例、在物體上設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)記的裝置的示意圖；圖2更詳細(xì)地表示圖1的局部；圖3是流程圖，說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的方法；圖4是說(shuō)明設(shè)置了根據(jù)本發(fā)明的標(biāo)識(shí)標(biāo)記的物體的表面硬度的圖表；圖5是說(shuō)明設(shè)置了根據(jù)本發(fā)明的標(biāo)識(shí)標(biāo)記的物體的殘余應(yīng)力的圖表；圖6是說(shuō)明設(shè)置了根據(jù)本發(fā)明的標(biāo)識(shí)標(biāo)記的物體的微量變形的圖表；圖7是說(shuō)明設(shè)置了根據(jù)本發(fā)明的標(biāo)識(shí)標(biāo)記的物體的抗碎裂性的圖表；圖8是根據(jù)本發(fā)明的示范二進(jìn)制編碼的標(biāo)識(shí)標(biāo)記的圖示。
本發(fā)明的詳細(xì)公開(kāi)圖1是用于在物體2上設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)記的根據(jù)最佳實(shí)施例的裝置的示意圖。在圖1中，物體2被表示為一根鋼管。但是，正如先前所提到的，本發(fā)明同樣適用于由具有晶體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料制成的各種其它類型的物體。
鋼管2被放置于支承件3上，而支承件3則擱置在地面或地板4上。標(biāo)記室1沿著鋼管外表面的一部分放置于鋼管2之上。標(biāo)記室1的底部對(duì)應(yīng)于鋼管2的曲面而彎曲，以便穩(wěn)固地停留在鋼管2上。有利的是，還設(shè)有外部緊固裝置，用以將標(biāo)記室1固定于鋼管2上。
多個(gè)標(biāo)記電極5透過(guò)標(biāo)記室1頂面的各個(gè)開(kāi)口部分地插入標(biāo)記室1的內(nèi)部。如下文所詳細(xì)說(shuō)明的，各個(gè)電極在高壓電脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)動(dòng)作，從而在鋼管2的表面區(qū)域中產(chǎn)生等離子體通道。等離子體通道將以圖2中的修改區(qū)段12的形式局部修改鋼管2的材料結(jié)構(gòu)，而這些修改區(qū)段將構(gòu)成鋼管的標(biāo)識(shí)標(biāo)記。
各個(gè)電極5具有上端5a和下端5b，后者將被設(shè)置為距鋼管2的表面只有很小的距離，詳情如圖2所示。上端5a用于與活動(dòng)觸頭16建立瞬間電連接，活動(dòng)觸頭以可在直線導(dǎo)軌15上滑動(dòng)的方式安裝在圖1的21處。活動(dòng)觸頭16又連接到電脈沖發(fā)生器20。在圖中未公開(kāi)的電極控制器設(shè)置的控制下，活動(dòng)觸頭16按照不同電極5的各個(gè)上端5a之間的預(yù)先編程的順序移動(dòng)，以便將各電脈沖施加到鋼管2的表面區(qū)域。
電脈沖發(fā)生器20包括諸如電容器之類的構(gòu)件23，該構(gòu)件能夠蓄積用于通過(guò)電極5產(chǎn)生電脈沖的電能。它還包括放電開(kāi)關(guān)22，當(dāng)處于斷開(kāi)位置時(shí)，讓電容器23蓄積由圖中未公開(kāi)的外部電源供給的電能。當(dāng)放電開(kāi)關(guān)22閉合時(shí)，蓄積的電能將快速?gòu)碾娙萜?3釋放，并通過(guò)活動(dòng)觸頭16傳遞到這些電極5其中之一，下文將詳細(xì)說(shuō)明。為此，電脈沖發(fā)生器20將作為陰極，經(jīng)由活動(dòng)觸頭16和電極5，而鋼管2的表面作為陽(yáng)極，經(jīng)由標(biāo)記室1的外殼和電線到電脈沖發(fā)生器20的電容器23的另一端。如此所述的電脈沖發(fā)生器20并非本發(fā)明的不可或缺的部件。它也可通過(guò)各種不同市面上可購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備中任一種來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里就省略其內(nèi)部部件的詳細(xì)說(shuō)明。
容器18和泵17用于通過(guò)導(dǎo)管19向標(biāo)記室1供給工作流體10(參見(jiàn)圖2)。工作流體10的目的是將電脈沖發(fā)生器20所產(chǎn)生的電脈沖從電極5的下端5b引導(dǎo)至鋼管2的局部表面區(qū)域12。如下文所作的詳細(xì)說(shuō)明，工作流體必須具有導(dǎo)電性，但是除此要求必須滿足外，各種不同液體都可用作工作流體。自來(lái)水、油、惰性氣體或鹽溶液是若干可想到的工作流體實(shí)例。標(biāo)記室1內(nèi)的工作流體的量并非特別關(guān)鍵，只要它完全覆蓋鋼管2的表面以及電極5的下端5b即可。當(dāng)產(chǎn)生電脈沖時(shí)，相當(dāng)大的反作用力將施加于所涉及的電極5和標(biāo)記室1頂端之間的連接。結(jié)果，各個(gè)電極5透過(guò)各個(gè)開(kāi)口穩(wěn)固地裝入標(biāo)記室1。再者，所有電極5都位于距標(biāo)記室1的內(nèi)壁至少一定的最小距離，使得電脈沖不會(huì)被吸收到標(biāo)記室的內(nèi)壁，而是被引導(dǎo)到鋼管2的表面區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn)，約4cm是標(biāo)記室1的內(nèi)壁與最接近的電極5之間的適當(dāng)?shù)淖钚【嚯x。
圖2詳細(xì)說(shuō)明電極5的下端5b以及工作流體10和鋼管2的表面區(qū)域。電極5具有絕緣涂層7和導(dǎo)電芯8，末端為電極頭9。如圖2所示，電極5的下部完全被工作流體10包圍。再者，電極5的電極頭9位于距鋼管2表面一定距離D之處。距離D的實(shí)際值必須在對(duì)若干應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行應(yīng)有的考慮之后進(jìn)行選擇，這些參數(shù)諸如電脈沖的電壓U0、工作流體10的特性和鋼管2的材料。距離D對(duì)于40-50kV的電壓U0可以大到80-100mm。在此情況中，修改區(qū)段的表面面積通常為2-3mm2。另一方面，如果電極5的電極頭9與鋼管2之間的距離D明顯較小，比如D＝5-10mm，則修改區(qū)段12的表面面積可能約為2-2.5cm2。
當(dāng)電脈沖通過(guò)電極5供給發(fā)生器20時(shí)，將從電極5的電極頭9通過(guò)工作流體10形成電等離子體的通道11，并以能量的形式進(jìn)入鋼管2的表面區(qū)域。因此，鋼管2的局部區(qū)域?qū)⒈坏入x子體通道11快速加熱，緊接著又由于工作流體10而導(dǎo)致所述局部區(qū)域的快速冷卻。鋼管2的局部表面區(qū)域的脈沖加熱的速度可達(dá)到50-1000×105K/秒，而冷卻的速度可以是20-1000×103K/秒。等離子體通道11所提供到鋼管2的局部表面區(qū)域的電能的密度可以為40-1100×108W/m2。
在電等離子體11到達(dá)鋼管2之處的局部表面區(qū)域12中，材料結(jié)構(gòu)將局部地改變。修改區(qū)段12的直徑δdiam和穿透深度δdepth尤其取決于電極5的類型和尺寸、距離D、鋼管2的材料以及電脈沖的特征。例如，直徑δdiam可為5-20mm，穿透深度δdepth可大約為100μm-1cm或更深。
有關(guān)響應(yīng)所加電脈沖在導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電等離子體通道的具體細(xì)節(jié)可參見(jiàn)GB-1429464(標(biāo)題為“在液體中產(chǎn)生高壓”)、US-3997468(標(biāo)題為“產(chǎn)生高壓和超高壓的方法和分配不含金屬材料的方案”)以及GB-1428253(標(biāo)題為“有關(guān)管道清洗的改進(jìn)技術(shù)”)，所有這些都通過(guò)引用完整地結(jié)合于此。因此，本發(fā)明創(chuàng)新地利用通過(guò)施加電脈沖在導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電等離子體通道。通常，在本發(fā)明的上下文中，等離子體通道的產(chǎn)生過(guò)程可以分為三個(gè)主要階段。
在階段1，在陰極蓄積超過(guò)工作介質(zhì)(工作流體10)的擊穿電力閾值的電力，最終達(dá)到其最大值。在短暫的延遲階段中，小股電流開(kāi)始在陰極和陽(yáng)極之間流過(guò)。
然后，在階段2，在階段1開(kāi)始的小股電流開(kāi)始在陰極和陽(yáng)極之間形成通道。當(dāng)電力達(dá)到其最大值時(shí)，工作介質(zhì)的擊穿開(kāi)始發(fā)生，其中開(kāi)始形成高導(dǎo)電性通道。功率稍微降低而電流增加，其中通道的導(dǎo)電性也在此階段中增加。
最后，在階段3，所有蓄積的電力(建立通道所消耗的小部分除外)在非常短的時(shí)間(大約10-100μs)內(nèi)從陰極傳送到陽(yáng)極。這是由通道的高導(dǎo)電性所致。通道的物質(zhì)溫度一直上升到(15-40)×103K，而壓力增加到300-1000MPa。因?yàn)閮?nèi)部壓力增加，通道以非常高速度徑向增長(zhǎng)。增長(zhǎng)的通道迫使工作介質(zhì)壓縮，從而在工作介質(zhì)中產(chǎn)生反壓力，這又限制了通道的徑向增長(zhǎng)。如上所述，因通過(guò)等離子體通道傳遞到陽(yáng)極的高能量，致使陽(yáng)極材料的局部結(jié)構(gòu)改變(即鋼管2的表面區(qū)域的局部區(qū)段12)。如前文所述，修改區(qū)段12中的局部結(jié)構(gòu)性的材料改變將形成鋼管2的標(biāo)識(shí)標(biāo)記的碼元。
現(xiàn)在參考圖3，概要地說(shuō)明圖1和圖2所示裝置的操作方法。在下列部分，假定要為鋼管2設(shè)置簡(jiǎn)單的二進(jìn)制標(biāo)識(shí)標(biāo)記，其值為“11011011”。實(shí)際上，這樣的短標(biāo)識(shí)標(biāo)記可用性是有限的，因?yàn)樗荒鼙硎?56個(gè)不同代碼值之一。在實(shí)際應(yīng)用中，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知道的，標(biāo)識(shí)標(biāo)記將會(huì)用到相當(dāng)大數(shù)量的代碼位置(二進(jìn)制數(shù)字)?，F(xiàn)在參考圖3，在第一步驟30，標(biāo)識(shí)標(biāo)記裝置的操作員將通過(guò)適當(dāng)?shù)妮斎胙b置、如計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)輸入所需的標(biāo)識(shí)標(biāo)記(本例為“11011011”)。然后，輸入的所需標(biāo)識(shí)標(biāo)記值將被電極控制器(圖中未顯示)讀取，在步驟31，電極控制器將生成控制指令，所述指令是關(guān)于將要激活哪些個(gè)別電極5以便生成所需標(biāo)識(shí)標(biāo)記中的各個(gè)二進(jìn)制值。在本實(shí)例中，二進(jìn)制“1”由鋼管2上的修改區(qū)段12表示，而二進(jìn)制“0”由未改區(qū)段表示。因此，在此情況中，電極控制器將確定第1、2、4、5、7和8電極必須被依次激活，以便生成所需的標(biāo)識(shí)標(biāo)記“11011011”。
這里不對(duì)電極控制器的實(shí)現(xiàn)給予說(shuō)明，因?yàn)槭聦?shí)上任何市面上可購(gòu)買(mǎi)到的工業(yè)控制器裝置都可以用于此目的。因此，為了實(shí)現(xiàn)本文所述的發(fā)明，選擇適合的控制器裝置并進(jìn)行編程，相信這是本領(lǐng)域的技術(shù)人員力所能及的。
接下來(lái)，在步驟32，操作員通過(guò)啟動(dòng)圖中未公開(kāi)的主電源開(kāi)關(guān)來(lái)啟動(dòng)電脈沖發(fā)生器20。然后，如步驟33-37所示，電極控制器執(zhí)行多次循環(huán)，直到得到輸入的所需標(biāo)識(shí)標(biāo)記中的二進(jìn)制數(shù)字。這樣，因?yàn)楸纠兴捎玫乃铇?biāo)識(shí)標(biāo)記包含8個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，所以循環(huán)33將重復(fù)8次，如圖3所示。
在步驟34，電極控制器判斷輸入的所需標(biāo)識(shí)標(biāo)記值中比特位置1-8中的各個(gè)比特是否等于1。如果是，則繼續(xù)執(zhí)行步驟35，其中活動(dòng)觸頭16沿直線導(dǎo)軌15移動(dòng)到各電極5，以便使電極與電脈沖發(fā)生器20之間可以電接觸。接下來(lái)，電脈沖發(fā)生器20，更具體來(lái)說(shuō)是其中所含的電容器23在步驟36被充電。當(dāng)電容器23在步驟36充滿電時(shí)，開(kāi)關(guān)22在步驟37閉合，以便對(duì)各電極5施加電脈沖，其中將執(zhí)行上述等離子體通道處理，而且將在鋼管2上形成材料結(jié)構(gòu)改變的局部表面區(qū)域12，作為各別比特值i的表示。
當(dāng)步驟37完成時(shí)，執(zhí)行返回到步驟33，以便可以再次重復(fù)循環(huán)，直到i的值達(dá)到8為止。i在每次完成步驟37時(shí)遞增，直到i等于9。這樣，就不再執(zhí)行循環(huán)33-37，而在最后的步驟38程序結(jié)束。
如果步驟34的判斷是相應(yīng)比特值i不等于1(即等于0)，則不執(zhí)行步驟35-37。而是執(zhí)行立即返回到循環(huán)的引入步驟33。這樣，在此情況中，不對(duì)所涉及的個(gè)別電極5施加電脈沖，結(jié)果，鋼管2在所涉及電極5以下的對(duì)應(yīng)局部表面區(qū)域?qū)⒈３植蛔円宰鳛槎M(jìn)制值0的表示。
對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，電脈沖和等離子體通道所導(dǎo)致的材料結(jié)構(gòu)的改變包括施加電脈沖的局部表面區(qū)域的顯著加強(qiáng)(變硬)。此外，改變的材料結(jié)構(gòu)可能包括化學(xué)成分和/或除硬度之外的其它機(jī)械特性的改變，稍后在此部分將參考多個(gè)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。一般特征是，具有局部改變的材料結(jié)構(gòu)的修改區(qū)段12將是永久性的，不會(huì)對(duì)標(biāo)記的物體2造成任何損傷或者其特性的劣化。
下表是結(jié)合本發(fā)明測(cè)試過(guò)的三種典型工業(yè)類型的鋼材。

材料結(jié)構(gòu)改變的區(qū)段12的穿透深度δdepth通常對(duì)于鋼材1是90-200μm，對(duì)于鋼材2是30-200μm以及對(duì)于鋼材3是40-350μm。但是，其它測(cè)試證明，在某些情況下，材料結(jié)構(gòu)改變穿透得比這些值要深得多。最終，修改區(qū)段12的直徑δdiam及其穿透深度δdepth取決于各種因素，比如電脈沖的幅度、鋼材的類型和特性、電極的幾何形狀以及工作流體的特性。
對(duì)上述及其它類型的鋼材還進(jìn)行了各種測(cè)試，下面參考圖4-7進(jìn)一步說(shuō)明。
1.視覺(jué)效果對(duì)于觀察者來(lái)說(shuō)，修改區(qū)段12的可見(jiàn)部分看上去象一個(gè)圓。在修改區(qū)段12周?chē)?，可以看到一組彩虹色同心圓，這種效果是由于等離子體通道周?chē)訜釡囟鹊淖兓?。發(fā)現(xiàn)對(duì)于所有研究過(guò)的類型的鋼材來(lái)說(shuō)，受影響區(qū)段的表面粗糙度為Rz＝60-100μm。
2.表面硬度(晶粒結(jié)構(gòu))顯微鏡觀察顯示，在材料表層有非晶體的或者成細(xì)粒的“白色層”。白色層是熱沖擊和撞擊沖擊同時(shí)作用所致。白色層的硬度通常是未改材料的硬度的1.5-3.5倍。再者，在白色層下，還有一個(gè)附加層，其粒度小于白色層中的粒度。圖4說(shuō)明對(duì)于鋼材1(虛線41)和鋼材3(實(shí)線42)進(jìn)行等離子體通道處理之后的表面硬度Hμ。圖4中的δC表示修改區(qū)段的深度(對(duì)應(yīng)于圖2中的穿透深度δdepth)。
再者，鋼材1的白色層比鋼材2的白色層厚。鋼材1中較大含碳量可以對(duì)此作出解釋。含鎳也對(duì)白色層產(chǎn)生起了一定作用，因?yàn)殒嚂?huì)加速奧氏體中碳化物的分解過(guò)程。在等離子體通道處理之后，在低碳鋼中發(fā)現(xiàn)一些鐵素體晶粒。這證明了由于非?？焖俚募訜岷屠鋮s過(guò)程，在沒(méi)有擴(kuò)散的情況下發(fā)生αγ轉(zhuǎn)換。對(duì)于鋼材3(基質(zhì)為鐵素體-珍珠巖)而言，電子顯微鏡觀察表明，其白色層可以識(shí)別為馬氏體和殘余奧氏體以及碳化物(Cr，F(xiàn)e)23C6。
3.殘余應(yīng)力圖5說(shuō)明含4％碳和1％鉻的鋼材(線51)以及含14％碳和17％鉻的鋼材(線52)所對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力。測(cè)試所用的電脈沖的參數(shù)為U0＝30kV和C＝12μF。
圖5說(shuō)明表面上的殘余張應(yīng)力和所述白色層之下的線51的400μm深度的殘余壓縮應(yīng)力。線52的殘余壓縮應(yīng)力始于200μm深度。
4.微量變形圖6說(shuō)明等離子體通道處理之后對(duì)材料中微量變形的調(diào)查結(jié)果。在圖6中，線61表示含4％碳和1％鉻的鋼材，而線62表示上表中的鋼材3。測(cè)量材料樣本的不同層中的變形來(lái)評(píng)估微應(yīng)力的分布，從而確定微量變形。測(cè)量是逐層進(jìn)行的，每層均通過(guò)蝕刻來(lái)去除。采用應(yīng)變計(jì)(stain gauge)來(lái)測(cè)量各層中的變形。在如下假設(shè)下，根據(jù)變形計(jì)算主軸上的殘余應(yīng)力·材料樣本的表面應(yīng)力不超過(guò)屈服極限。
·材料樣本的表面應(yīng)力是均勻分布的。
·表面各作用力是靜態(tài)平衡的。
·邊界效應(yīng)按距離傳播，該距離至多為材料樣本的寬度。
采用如下公式來(lái)計(jì)算主軸上的殘余應(yīng)力σres＝-Bσ(dε/dδi)+∫Aδi-1(dε/dδi-1)dδi-1，其中Bσ和Aδi-1是取決于被去除的層的厚度的因子，ε是變形，δi是被去除的層i的厚度，其中i＝1、2、3、…被去除的層的厚度δi是通過(guò)測(cè)量每個(gè)時(shí)間單位的材料損失(蝕刻速度)來(lái)定義的δi＝R[1-(G1/G2)]；其中R是材料樣本在蝕刻前的寬度，G1是材料樣本在蝕刻之后的重量，G2是材料樣本在蝕刻前的重量。
殘余應(yīng)力分布數(shù)據(jù)是對(duì)三個(gè)或更多材料樣本的平均測(cè)量結(jié)果。
此外，微應(yīng)力還通過(guò)通常稱為德拜-謝樂(lè)法的射線照相法來(lái)研究。被標(biāo)記區(qū)段12中的殘余應(yīng)力是材料的局部塑性變形、相變以及不均勻加熱和冷卻的結(jié)果?；旧?，射線照相法包括通過(guò)測(cè)量衍射圖案的變化Δθ來(lái)分析殘余應(yīng)力。在最簡(jiǎn)單的情況中，法向應(yīng)力σ與衍射圖案變化Δθ是按如下公式相關(guān)聯(lián)的σ＝E·(cosθ/sinθ)·(Δθ/μ)；其中E是楊氏模量，μ是泊松比。微應(yīng)力導(dǎo)致衍射線增寬。通過(guò)按標(biāo)準(zhǔn)程序更改和增寬衍射線來(lái)估計(jì)微應(yīng)力。
5.抗碎裂性圖7說(shuō)明根據(jù)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子估計(jì)的、對(duì)抗碎裂性的測(cè)量結(jié)果。利用靜態(tài)負(fù)荷以0.6m/s的速度將矩形橫截面(18×10mm)的鋼條彎曲。通過(guò)張力計(jì)來(lái)探測(cè)裂痕口。線71、72和73表示含4％碳和1％鉻的鋼材，其中未施加過(guò)等離子體通道處理。相應(yīng)地，線74、75和76表示經(jīng)過(guò)等離子體通道處理的同一種鋼的材料樣本。
6.耐磨性測(cè)量耐磨性采用包含自旋輪和固定塊的磨損測(cè)試設(shè)備(通常所說(shuō)的MI-1M型機(jī)器)。輪的速度為VF＝0.89m/s，并對(duì)固定塊施加作用力PF＝0.3-0.4MPa，用以測(cè)試無(wú)潤(rùn)滑劑時(shí)的摩擦力。將0.1％的石英砂加入標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用油，進(jìn)行研磨潤(rùn)滑劑摩擦測(cè)試。這里，速度為VF＝0.89m/s，施加的力為PF＝2.0-3.9MPa。根據(jù)各個(gè)樣本的重量損失來(lái)估計(jì)磨損。這些試驗(yàn)表明，等離子體處理增加了材料的耐磨性。下表分別表示，在等離子體通道處理前后以及有無(wú)潤(rùn)滑劑時(shí)鋼材樣本和生鐵之間的摩擦嚙合過(guò)程中鋼材2的重量損失(以mg為單位)

對(duì)其它類型鋼材進(jìn)行的調(diào)查表明，等離子體通道處理之后耐磨因子增加大約1.5-2.5倍。
除如上面實(shí)施例所述改變材料的材料結(jié)構(gòu)外，還可能在本發(fā)明的范圍內(nèi)改變材料的化學(xué)成分。例如，對(duì)于某些鋼材來(lái)說(shuō)，由于材料中加速擴(kuò)散和化學(xué)元素有效傳遞到材料中，經(jīng)處理的區(qū)段可以在等離子體通道處理過(guò)程中從環(huán)境中吸收成合金元素。改變材料的化學(xué)成分還可以增加標(biāo)識(shí)標(biāo)記的對(duì)比度和耐久性。
對(duì)于含碳量低的鋼材，一種選擇是，在電極5前面插入非常小片的具有高含量錳或鎳鉻鋼或一些其它類型的合金的絲。這允許在區(qū)段12中進(jìn)行合金化處理。直徑為例如0.05-0.15mm的細(xì)絲將很快因電脈沖的作用而蒸發(fā)，并進(jìn)入等離子體狀態(tài)。金屬等離子體中的活性成合金元素會(huì)在等離子體與新生表面接觸過(guò)程中轉(zhuǎn)移到鋼結(jié)構(gòu)中。細(xì)絲的這種爆炸發(fā)生在工作流體10中，將產(chǎn)生密度高達(dá)0.01g/cm2的等離子體和大約20-35×103K的溫度。這種等離子體具有高的電離度，非常活躍且非常積極地與鋼材發(fā)生相互作用。
或者，可以根據(jù)如下方式得到材料的化學(xué)成分。通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)在材料表面上涂敷一薄層(1μm)的同位素Fe55、Fe59(OD為12mm)。同位素的薄層應(yīng)該根據(jù)標(biāo)識(shí)標(biāo)記的預(yù)期圖案放置于預(yù)定的位置。具有同位素圖案的樣本應(yīng)該浸沒(méi)在水下。兩個(gè)標(biāo)記電極(陽(yáng)極和陰極)放置于樣本表面上并彼此相對(duì)，以便防止在放電過(guò)程中等離子體和同位素層之間的直接接觸。從電極到樣本表面的距離應(yīng)該為電極之間距離的1.5倍。
在啟動(dòng)電脈沖發(fā)生器并且在該對(duì)電極之間產(chǎn)生電脈沖之后，這對(duì)電極最好沿著標(biāo)記緩慢地來(lái)回移動(dòng)數(shù)次。
對(duì)殘余積累到樣本的金屬表面的同位素進(jìn)行逐層分析(按0.3-0.7μm的步長(zhǎng))。得出的結(jié)論是，放射性同位素Fe55+59最小積累深度大約為20μm。
這種物質(zhì)的轉(zhuǎn)移不是兩種固態(tài)成分混合的結(jié)果，因?yàn)榉e累深度應(yīng)該只是0.1μm左右。假定填隙原子對(duì)該處理起了最大的作用。各個(gè)標(biāo)記區(qū)段的弱放射性會(huì)使其可容易地利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來(lái)識(shí)別。上文證實(shí)了可以按照預(yù)定規(guī)范超過(guò)最大固態(tài)累積率和對(duì)材料添加成合金元素以便在局部表面區(qū)域中產(chǎn)生新合金。
現(xiàn)在給出上述情況的另一個(gè)實(shí)例。電脈沖過(guò)程中的超高速熱循環(huán)(加熱和冷卻)導(dǎo)致初始結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)研磨。這增加晶體缺陷(在晶粒和塊的邊界)的數(shù)量以及位錯(cuò)密度，從而促進(jìn)擴(kuò)散過(guò)程。除熱因素外，電脈沖在材料表面上還產(chǎn)生壓力沖擊，這激發(fā)了位錯(cuò)移動(dòng)。也增加了位錯(cuò)密度。由此，通過(guò)金屬中的位錯(cuò)過(guò)程加速了擴(kuò)散過(guò)程。在電脈沖期間，電等離子體激發(fā)這些過(guò)程。因此，通過(guò)這種快速擴(kuò)散過(guò)程，可以在表示標(biāo)識(shí)標(biāo)記部分的局部表面區(qū)域中改變材料的化學(xué)成分。這可以通過(guò)將成合金元素從工作介質(zhì)轉(zhuǎn)移到該局部區(qū)段來(lái)實(shí)現(xiàn)。工作介質(zhì)中的活性化學(xué)成分將浸入材料的表層。為此，可以采用溶解在水中的合金鹽。例如，如果用鉻的氯化物的水溶液替代普通水，會(huì)將由鋼L-80制成的樣本的表層中鉻的含量增加多達(dá)450％。再者，可以采用其它液體。變壓器油(高分子烴)會(huì)將由鋼L-80制成的樣本的表層中碳的含量增加多達(dá)400％。
推測(cè)起來(lái)，由電等離子體產(chǎn)生的新生表面會(huì)作為從工作介質(zhì)擴(kuò)散原子到被處理材料的催化劑。試驗(yàn)研究的結(jié)果證實(shí)，利用上述電脈沖法對(duì)鋼表面合金化和通過(guò)處理工作介質(zhì)來(lái)預(yù)定義新合金的化學(xué)特征是可行的。
圖8說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明在鋼管2上設(shè)置的另一種更為實(shí)際的標(biāo)識(shí)標(biāo)記實(shí)例。在圖8中，假定操作員要對(duì)鋼管2標(biāo)記上十進(jìn)制值“9356097”，表示例如鋼管2的產(chǎn)品號(hào)或序列號(hào)、它的制造商、所有者等。在圖8中，標(biāo)識(shí)碼中的每個(gè)十進(jìn)制數(shù)字是由相應(yīng)的六位二進(jìn)制數(shù)的組81-87、即二進(jìn)制六重線表示的。因此，整個(gè)標(biāo)識(shí)碼(其中包含七個(gè)十進(jìn)制數(shù)字)將由七個(gè)二進(jìn)制六重線81-87構(gòu)成，它們各包含對(duì)應(yīng)于各個(gè)十進(jìn)制值的六個(gè)二進(jìn)制數(shù)字。如已經(jīng)參照前面所有附圖所述，如果所涉及的二進(jìn)制數(shù)字為1，則這些二進(jìn)制數(shù)字各由一個(gè)材料結(jié)構(gòu)被改變的局部表面區(qū)段12表示。另一方面，如果對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字為0，則鋼管2上對(duì)應(yīng)的局部表面區(qū)段不經(jīng)過(guò)等離子體通道處理，因此其材料結(jié)構(gòu)保持不變。
為便于今后讀取標(biāo)識(shí)標(biāo)記81-87，各二進(jìn)制六重線總是以二進(jìn)制1開(kāi)頭并且總是以二進(jìn)制1結(jié)尾。實(shí)際上，各二進(jìn)制六重線所表示的信息是由第一個(gè)和最后一個(gè)二進(jìn)制1之間的四個(gè)中間二進(jìn)制數(shù)組成的，如圖8所示。例如，圖8中，標(biāo)識(shí)標(biāo)記中的第一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字，即9，由二進(jìn)制六重線81表示，它以二進(jìn)制1開(kāi)頭和結(jié)尾，中間包含二進(jìn)制值“1001”。作為本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的，二進(jìn)制值“1001”等于十進(jìn)制值9。
再者，為了改進(jìn)標(biāo)識(shí)標(biāo)記的讀取，最好可以在標(biāo)識(shí)碼之前加上總是具有二進(jìn)制值“111111”的單獨(dú)的開(kāi)始六重線80。相應(yīng)地，標(biāo)識(shí)碼總是以總是具有二進(jìn)制值“111001”的結(jié)尾六重線88結(jié)束。
但是，圖3和圖8所示的標(biāo)識(shí)碼格式的實(shí)例僅代表實(shí)際無(wú)限數(shù)量的可能代碼格式中的幾個(gè)實(shí)例。再者，即使二進(jìn)制標(biāo)識(shí)碼格式至少目前是一種實(shí)際方法，本發(fā)明也可設(shè)想基于非二進(jìn)制記數(shù)系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)碼格式。例如，通過(guò)利用參照上述實(shí)施例所述的合金化特點(diǎn)(即不僅材料結(jié)構(gòu)而且材料的化學(xué)成分也發(fā)生改變)，可以將其它非2(二進(jìn)制)基數(shù)用作標(biāo)識(shí)碼的記數(shù)系統(tǒng)。在此情況中，所得的修改區(qū)段中的第一類化學(xué)成分可以表示記數(shù)系統(tǒng)中的第一個(gè)數(shù)字，而第二種化學(xué)成分則表示第二個(gè)數(shù)字，依此類推。
對(duì)于個(gè)別電極5的設(shè)置，本發(fā)明顯然不限于所給出的實(shí)例。該組電極5的數(shù)量、距離和設(shè)置均可在本發(fā)明范圍內(nèi)基本不受限制地根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行更改。而且，除采用多個(gè)電極5之外，同樣也可以只采用一個(gè)電極5，它在相應(yīng)的標(biāo)識(shí)碼位置之間移動(dòng)，以便產(chǎn)生相應(yīng)的局部標(biāo)記。
最后，再次強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明完全不限于鋼材或鋼管。實(shí)際上，具有晶體結(jié)構(gòu)的任何導(dǎo)電材料的物體在理論上均可以根據(jù)本發(fā)明設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)記。
本發(fā)明是參考一些實(shí)施例來(lái)說(shuō)明的。但是，上述實(shí)施例之外的其它實(shí)施例同樣屬于本發(fā)明的范圍，本發(fā)明范圍由所附權(quán)利要求書(shū)來(lái)最佳定義。
權(quán)利要求
1.一種在由具有晶體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料制成的物體(2)上設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)記(81-87)的方法，其特征在于以下步驟在所述物體(2)的表面上選定至少一個(gè)區(qū)域(12)；對(duì)于所述的一個(gè)或各個(gè)選定區(qū)域?qū)㈦姌O(5)放置在靠近所述選定區(qū)域之處；在所述電極和所述選定區(qū)域之間供給流體(10)；以及通過(guò)所述流體在所述電極和所述選定區(qū)域之間產(chǎn)生電脈沖；其中在所述一個(gè)或各個(gè)選定區(qū)域(12)處局部地發(fā)生材料結(jié)構(gòu)改變，并且所述物體的標(biāo)識(shí)標(biāo)記(81-87)由材料結(jié)構(gòu)改變的所述一個(gè)或各個(gè)選定區(qū)域來(lái)表示。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述物體(2)是由金屬制成的。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述物體(2)是由鋼材制成的。
4.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述物體(2)是管道。
5.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述一個(gè)或各個(gè)選定區(qū)域(12)處的材料結(jié)構(gòu)改變的特點(diǎn)在于強(qiáng)度或硬度增加。
6.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于還包括在產(chǎn)生電脈沖之前在所述電極(5)和所述選定區(qū)域(12)之間提供成合金元素的步驟，其中至少一部分成合金元素被所述物體(2)吸收，并且在所述一個(gè)或各個(gè)選定區(qū)域(12)處發(fā)生化學(xué)成分的局部改變。
7.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述工作流體是具有導(dǎo)電特性的流體。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述流體(10)是水。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述流體(10)是鹽溶液。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述流體(10)是油。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述流體(10)是惰性氣體。
12.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，各個(gè)選定區(qū)域(12)表示所述標(biāo)識(shí)標(biāo)記(81-87)中的相應(yīng)二進(jìn)制值。
13.一種用于在由具有晶體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料制成的物體(2)上設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)記(81-87)的裝置，其特征在于適合于安裝在所述物體(2)的表面上并且適合于容納導(dǎo)電流體(10)的室(1)；端部(5b、9)與所述室中的流體接觸的電極(5)；以及電脈沖發(fā)生器(20)，它與所述電極耦合，并且適合于通過(guò)所述流體從所述電極向所述物體表面上接近所述電極端部的局部區(qū)域(12)提供電脈沖，以便在所述局部區(qū)域中導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)改變；其中所述物體的標(biāo)識(shí)標(biāo)記(81-87)由材料結(jié)構(gòu)改變的這種區(qū)域來(lái)表示。
全文摘要
提出一種用于在物體(2)上設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)記的方法和裝置，所述物體由具有晶體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料制成。在物體表面上選定多個(gè)區(qū)域。對(duì)于各個(gè)選定區(qū)域，將電極(5)放置于靠近選定區(qū)域之處。在電極和選定區(qū)域之間提供流體，通過(guò)流體在電極和選定區(qū)域之間產(chǎn)生電脈沖。作為響應(yīng)，形成等離子體通道，其中在各個(gè)選定區(qū)域中局部地發(fā)生材料結(jié)構(gòu)改變。物體的標(biāo)識(shí)標(biāo)記由材料結(jié)構(gòu)改變的選定區(qū)域來(lái)表示。
文檔編號(hào)G06K1/12GK1461450SQ00820084
公開(kāi)日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2000年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月23日
發(fā)明者P·馬盧舍夫斯基, V·賴爾布特塞夫, M·霍伊達(dá)爾, T·霍伊達(dá)爾 申請(qǐng)人:國(guó)際管道技術(shù)及管理(愛(ài)爾蘭)有限公司