吳振成，王 飛，李來(lái)平，陳 杰

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

工業(yè)上為了使零部件具有更高的性能，如耐高溫、抗氧化、防腐蝕、抗疲勞、防輻射等，通常采用表面涂層技術(shù)在基體材料表面涂覆一層功能性涂層。當(dāng)前具有特殊防護(hù)性作用的涂層已廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、汽車(chē)、電子、信息技術(shù)等眾多領(lǐng)域。表面涂層對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能具有十分重要的影響，涂層的局部缺陷與損傷往往會(huì)使零部件和整體設(shè)備失效及損壞。因此，對(duì)涂層質(zhì)量的檢測(cè)和分析評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。目前，用于涂層非破壞性檢測(cè)與分析的主要技術(shù)有渦流法、X射線法、超聲法、紅外熱成像法、滲透法等，這些無(wú)損檢測(cè)方法各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)[1-2]。

筆者主要介紹了利用渦流陣列檢測(cè)技術(shù)和水浸超聲掃描對(duì)某種表面覆銅薄鋼板材料進(jìn)行檢測(cè)的原理，分析評(píng)價(jià)了表層銅薄膜的涂覆質(zhì)量。介紹了渦流陣列技術(shù)和水浸超聲C掃描檢測(cè)的原理，然后通過(guò)合理設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，對(duì)試樣開(kāi)展檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，渦流陣列檢測(cè)技術(shù)可望用于金屬表面涂覆層質(zhì)量的成像檢測(cè)和性能評(píng)估。

1 基本原理

1.1 渦流陣列檢測(cè)技術(shù)

基于常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)，渦流陣列檢測(cè)(ECAT)是電磁檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，通過(guò)合理的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使檢測(cè)探頭陣列化，并利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)完成信號(hào)的激勵(lì)、運(yùn)放、采集、調(diào)理、顯示等功能，從而實(shí)現(xiàn)快速、高效、數(shù)字化檢測(cè)。與常規(guī)單探頭渦流檢測(cè)相比，渦流陣列探頭由多個(gè)線圈組成，有效檢測(cè)覆蓋區(qū)域大，通過(guò)單次掃查就能達(dá)到傳統(tǒng)單線圈探頭渦流檢測(cè)的多次掃查[3-4]，常規(guī)渦流單探頭與渦流陣列探頭掃查原理示意如圖1所示。

圖1 常規(guī)渦流單探頭與渦流陣列探頭掃查原理示意

渦流檢測(cè)技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，適用于導(dǎo)電材料的無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中通過(guò)儀器測(cè)量檢測(cè)線圈中阻抗或電壓的變化，對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行特性表征，主要用于材料的缺陷檢測(cè)、涂層厚度測(cè)量、電導(dǎo)率測(cè)量等。

1.2 水浸超聲掃描檢測(cè)技術(shù)

水浸超聲檢測(cè)技術(shù)利用水作為耦合劑，將工件和探頭全部或部分置于水中，超聲波通過(guò)水進(jìn)入工件進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。水浸超聲自動(dòng)檢測(cè)成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)、厚度測(cè)量、涂層質(zhì)量檢測(cè)等最為有效的手段之一。水浸超聲自動(dòng)檢測(cè)原理示意如圖2所示[5-6]。

圖2 水浸超聲自動(dòng)檢測(cè)原理示意

超聲檢測(cè)技術(shù)利用檢測(cè)探頭產(chǎn)生超聲波進(jìn)行檢測(cè)，由于聲波在涂層及工件中傳播會(huì)產(chǎn)生反射、折射與散射等，這些聲傳播信號(hào)與被檢材料的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，并攜帶著大量的涂層結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)提取聲速、聲衰減系數(shù)、幅值、相位等超聲參量可以實(shí)現(xiàn)涂層特性的表征。

2 檢測(cè)過(guò)程

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 渦流陣列檢測(cè)系統(tǒng)

使用的渦流陣列檢測(cè)系統(tǒng)型號(hào)為Ectane2，由檢測(cè)主機(jī)、渦流陣列探頭、便攜式計(jì)算機(jī)等3大部分組成，渦流陣列檢測(cè)系統(tǒng)外觀如圖3所示。渦流陣列檢測(cè)主機(jī)高度集成，內(nèi)置高頻信號(hào)激勵(lì)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、高速信號(hào)采集模塊等。渦流陣列探頭由渦流陣列線圈傳感器與編碼器組成，探頭為柔性封裝結(jié)構(gòu)，可以適用于非平整表面的檢測(cè)。便攜式計(jì)算機(jī)安裝有渦流陣列檢測(cè)分析軟件，與檢測(cè)設(shè)備主機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接，可以實(shí)現(xiàn)渦流檢測(cè)信號(hào)的高效、穩(wěn)定、快速采集和分析，有阻抗圖、二維和三維等多種數(shù)據(jù)處理顯示模式。

2.1.2 水浸超聲掃描檢測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)所用水浸超聲檢測(cè)系統(tǒng)為自主設(shè)計(jì)研發(fā)的平板超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，型號(hào)為AFIS-01，主要由超聲波探傷儀主機(jī)、超聲探頭、機(jī)械掃查裝置、檢測(cè)軟件等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示[5-6]。該系統(tǒng)基于水浸超聲脈沖反射技術(shù)，可用于板材、鍛件的自動(dòng)檢測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)時(shí)記錄A掃描波形，同時(shí)還能顯示B掃描和C掃描圖像。

2.2 檢測(cè)方法

待檢測(cè)試樣為上下表面均涂覆有一層銅膜的薄鋼板(編號(hào)為T(mén)GB-1)，基體厚度為1 mm，涂層厚度約為50 mm，其中試驗(yàn)的上表面(A面)涂層質(zhì)量較差，含有起泡等缺陷，下表面(B面)涂層均勻分布，無(wú)明顯缺陷，試樣外觀如圖5所示。

圖5 TGB-1試樣外觀

2.2.1 渦流陣列檢測(cè)方法

在渦流陣列檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大的工藝參數(shù)主要包括：激勵(lì)頻率、激勵(lì)電壓、增益等，對(duì)于不同的檢測(cè)對(duì)象、不同的檢測(cè)探頭，檢測(cè)工藝參數(shù)也不相同。試驗(yàn)分別采用渦流陣列TFC(T型柔性探頭)和CUS(定制柔性探頭)兩種探頭對(duì)試樣表面進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，以驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果是否相同。

渦流陣列檢測(cè)過(guò)程中，需要確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，每次掃查之前要在試塊完好區(qū)域進(jìn)行“平衡”。

(1) TGB-1試樣的TFC探頭檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，頻率為300 kHz，增益為40 dB，激勵(lì)電壓為5 V，對(duì)試樣的A、B面進(jìn)行掃查，掃查方向均為從左側(cè)到右側(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 TGB-1試樣的TFC探頭檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)TFC探頭檢測(cè)鋼板A面，得到二維與三維圖像，發(fā)現(xiàn)有效檢測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有異常信息，可知試樣A面涂層質(zhì)量均勻完好。對(duì)比分析B面檢測(cè)得到的掃描圖像，可以明顯看到試樣B面的右側(cè)有清晰的異常信號(hào)顯示，與試樣表面的實(shí)際狀況相符。

(2) TGB-1試樣的CUS探頭檢測(cè)結(jié)果

選擇頻率為250 kHz，增益為35 dB，激勵(lì)電壓為5 V，對(duì)試樣的A、B面進(jìn)行掃查，掃查方向同樣為從左側(cè)到右側(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖7，8所示。

圖7 CUS探頭檢測(cè)B面結(jié)果

圖8 CUS探頭檢測(cè)A面結(jié)果

通過(guò)CUS探頭檢測(cè)鋼板的A、B面，可以發(fā)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果與TFC探頭檢測(cè)結(jié)果基本一致，涂層質(zhì)量較差區(qū)域檢測(cè)信號(hào)明顯，利用渦流陣列檢測(cè)技術(shù)可以直觀有效地對(duì)試樣涂層質(zhì)量進(jìn)行成像分析與評(píng)價(jià)。

2.2.2 水浸超聲檢測(cè)方法

對(duì)試樣進(jìn)行水浸超聲檢測(cè)試驗(yàn)，由于試樣厚度很薄，為了提高檢測(cè)分辨力和靈敏度，優(yōu)先考慮選用高頻率的寬頻窄脈沖水浸點(diǎn)聚焦探頭。

根據(jù)水浸超聲檢測(cè)工藝的要求、產(chǎn)品的尺寸以及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置合理的檢測(cè)參數(shù)。通過(guò)調(diào)試，設(shè)定頻率為30 MHz，增益為50 dB，聲速為5 900 m·s-1，脈沖寬度為17 ns，脈沖電壓為200 V，掃查分辨率為0.5 mm，步進(jìn)分辨率為0.5 mm。檢測(cè)過(guò)程中需要對(duì)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行復(fù)查，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 水浸超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果

由超聲檢測(cè)結(jié)果可以看出，在C掃描圖像的一側(cè)有缺陷信號(hào)顯示，但信噪比比較低。

2.3 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

可以發(fā)現(xiàn)渦流陣列檢測(cè)方法和水浸超聲檢測(cè)方法均可以實(shí)現(xiàn)試樣的二維成像檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品表面狀況相吻合。然而，通過(guò)對(duì)比分析可看出，渦流陣列檢測(cè)得到的圖像中，涂層不良區(qū)域里紅色信號(hào)十分明顯，幅值高，與綠色的低幅值背景噪聲信號(hào)很容易區(qū)分開(kāi)，有較高的信噪比，顯示的位置也與試樣實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)，且同時(shí)顯示三維圖像，能夠更加準(zhǔn)確有效地對(duì)涂層質(zhì)量不好的區(qū)域進(jìn)行表征。由超聲檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，背景噪聲信號(hào)雜亂，幅值較高，異常信號(hào)幾乎湮沒(méi)在噪聲信號(hào)之中，信噪比低。

因此，對(duì)于此類(lèi)檢測(cè)對(duì)象，渦流陣列檢測(cè)結(jié)果優(yōu)于水浸超聲掃描檢測(cè)結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 采用渦流陣列檢測(cè)系統(tǒng)和水浸超聲檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)試選取合適的檢測(cè)參數(shù)，均可以實(shí)現(xiàn)金屬薄板涂層質(zhì)量的成像檢測(cè)。

(2) 對(duì)比兩種方法的檢測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于此類(lèi)檢測(cè)對(duì)象，渦流陣列檢測(cè)圖像信噪比高，檢測(cè)結(jié)果能同時(shí)顯示二維與三維圖像，相比水浸超聲檢測(cè)方法，其可以更加直觀、準(zhǔn)確、有效地表征涂層質(zhì)量。

(3) 渦流陣列成像檢測(cè)得到的結(jié)果與試樣表面涂層質(zhì)量狀態(tài)一致，可以很明顯地區(qū)分出涂層質(zhì)量不良區(qū)域，有助于快速判定涂層缺陷的位置及大小。