張小剛，俞東寶，湯 慧

(中核北方核燃料元件有限公司，包頭 014035)

棒狀鈾合金樣品精加工后需要分別電鍍鎳和鋅兩種組合鍍層。為了提高產(chǎn)品的防腐蝕性能，需確保滿足鍍層厚度的技術(shù)指標，保證電鍍工藝的電鍍質(zhì)量。

用于產(chǎn)品表面鍍層厚度檢測的無損檢測方法有X熒光色散法、磁特性測厚法、超聲測厚法和渦流測厚法等[1-3]。射線法通過典型元素在單位面積上的相對含量來計算鍍層厚度，探頭面積較大，檢測曲面和溝槽樣品的準確性差。超聲法一般用于厚度為0.5～5 mm鍍層的檢測，無法檢測微米級的薄鍍層。磁感應(yīng)法適用于鐵磁性基體表面鍍層的檢測，檢測下限為500 μm。渦流法可用于檢測基體材料與鍍層材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率存在顯著差異的薄鍍層，目前成熟的渦流檢測儀檢測范圍為0～1 250 μm，檢測精度達3%[4]。渦流測厚的另一個顯著優(yōu)點是渦流探頭可以根據(jù)樣品結(jié)構(gòu)制作得盡量小。國軍標中也規(guī)定了鎳鋅組合鍍層厚度的渦流檢測要求。因此為滿足某樣品的鎳鋅鍍層厚度檢測要求，可參照國軍標選用渦流參數(shù)來開展鍍層厚度檢測技術(shù)研究。

1 方法原理

渦流檢測是基于電磁感應(yīng)原理的一種無損檢測方法，適用于各種導(dǎo)電試件(金屬材料、可感生渦流的非金屬材料等)[5]的檢測。當被檢某鈾合金基體電導(dǎo)率σ0、磁導(dǎo)率μ0和幾何形狀一定，且表面鍍層的電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率μ一定，以及檢測線圈的結(jié)構(gòu)、激勵電流I1、激勵頻率f等影響因素一定，只有鍍層厚度h一個變量時，渦流信號Z就可以表示為關(guān)于鍍層厚度的單調(diào)變量(以h為變量的函數(shù))，即

Z=f(h)

(1)

由于某鈾合金產(chǎn)品鍍層厚度檢測位置呈柱狀，相對于平面，該位置由于曲率的影響，渦流信號會發(fā)生一定的變化。鈾合金鍍層厚度渦流檢測原理如圖1所示(圖中x為檢測線圈距離鈾合金基體的距離；r1，r2分別檢測探頭線圈的內(nèi)半徑和外半徑，Rcur為被測位置的曲率半徑)。

圖1 鈾合金鍍層厚度渦流檢測原理示意

由于曲率的存在，渦流探頭與曲面鍍層表面間存在厚為Δx的空隙，其大小為

Δx=x-h

(2)

渦流探頭檢測曲面鍍層厚度時無法緊貼鍍層表面，使得探頭實際檢測的厚度大于鍍層的真實厚度。即使檢測前通過樣品規(guī)格和渦流探頭尺寸計算出空隙Δx，然后用獲取的渦流信號對應(yīng)的厚度值減去Δx，所得到的厚度相對于實際鍍層厚度也存在一定的誤差。

渦流場產(chǎn)生的磁場在檢測線圈中產(chǎn)生電動勢，利用法拉第電磁感應(yīng)定律，對整個導(dǎo)體中的渦流進行體積分可以求解檢測線圈的信號[6]。對于激勵線圈和檢出線圈是同一線圈的渦流點探頭，當激勵電流為I1時，其阻抗變化ΔZ可由式(3)表示。

(3)

式中：N為線圈匝數(shù)；A為鍍層中產(chǎn)生的矢量電磁位[7]；ω為激勵線圈的角頻率。

由式(3)可知，在同一鍍層厚度下，由于曲率的影響，檢出線圈的阻抗變化ΔZ減小，渦流儀得到的鍍層厚度檢出信號也將減小。因此，在使用渦流法進行鈾合金樣品鍍層厚度檢測時，應(yīng)盡量選擇直徑小的渦流探頭，同時確保檢測探頭始終垂直于被檢樣品的橫截面，以保證具有相同的間隙變化量；對比試樣應(yīng)與被檢材料的外形規(guī)格、加工工藝等相同，以保證檢測時除鍍層厚度變化外其他影響檢測結(jié)果的因素均相同。

試驗選用IDEA型便攜式渦流儀及定制探頭，為了便于放置和固定棒狀鈾合金樣品，設(shè)計制作了專用的試驗工裝，檢測設(shè)備如圖2所示。

圖2 鈾合金鍍層厚度渦流檢測設(shè)備

2 試驗設(shè)備與工藝

2.1 渦流探頭研制

渦流探頭是鍍層測厚的關(guān)鍵，其性能直接影響檢測結(jié)果的準確性。由渦流測厚原理可知，鍍層測厚時應(yīng)選用點探頭，即渦流線圈應(yīng)與被檢鍍層表面平行；探頭應(yīng)為一發(fā)一收模式。為使檢測表面感應(yīng)出足夠強的渦流信號，用一組直徑較大的線圈作為激勵線圈。在測厚時為確保感應(yīng)線圈與被檢表面接觸以減小提離效應(yīng)帶來的影響，激勵線圈應(yīng)采用盡可能小的線圈。根據(jù)被檢表面的渦流密度分布，感應(yīng)線圈應(yīng)與激勵線圈同心，以保證感應(yīng)線圈置于被檢測表面渦流密度盡可能大的位置[8]。

為進一步提高感應(yīng)線圈的靈敏度和信噪比，需在感應(yīng)線圈中插入磁芯，以增強線圈電感，減少線圈電容分布，增大線圈間的電磁耦合，并限定磁場范圍[9]。渦流探頭具有低電平工作的特點，其處于電磁環(huán)境下時對電磁干擾比較敏感，因此電磁干擾是鍍層渦流測厚的主要干擾源。為有效屏蔽電磁干擾，分別在激勵線圈和感應(yīng)線圈上增加屏蔽材料。為確保感應(yīng)線圈基坑緊貼被檢表面，渦流探頭中還增加了彈簧。設(shè)計的鍍層厚度渦流探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鍍層厚度渦流探頭結(jié)構(gòu)示意

感應(yīng)線圈直徑應(yīng)小于被檢鈾合金棒材直徑的1/7[9]，試驗中檢測樣品的最小外徑為9 mm，因此感應(yīng)線圈的外徑應(yīng)小于2.5 mm。感應(yīng)線圈越小檢測靈敏度也越高，最終確定感應(yīng)線圈外徑為1.5 mm，內(nèi)徑為1.0 mm，軸向厚度為2 mm。由此可以確定磁芯外徑為1.0 mm，長度為8 mm。磁芯材料為三氧化二鐵和其他金屬氧化物的粉末混合燒結(jié)而成的錳鋅鐵氧體，其特點是易磁化，剩磁和矯頑力較小，磁導(dǎo)率、電阻率高，磁芯渦流損耗小。激勵線圈外徑為10 mm，內(nèi)徑為8 mm，軸向厚度為2 mm。

在測厚過程中，渦流探頭的激勵線圈和感應(yīng)線圈均有電流通過，線圈之間存在靜電、互感和漏電流耦合作用，這些相互作用是檢測信號的主要干擾源。為有效增加探頭的電磁兼容性，采用銅箔作屏蔽層，將銅箔卷成圓筒狀，使其緊貼激勵線圈內(nèi)側(cè)，激勵線圈和感應(yīng)線圈的外側(cè)也增加銅箔以隔離激勵線圈與感應(yīng)線圈，從而削弱激勵線圈與感應(yīng)線圈間的電磁耦合作用，起到電磁屏蔽的作用。

根據(jù)渦流激勵頻率和最佳渦流探頭線圈線徑的關(guān)系[10]，試驗采用的激勵線圈導(dǎo)線直徑為0.25 mm，匝數(shù)為64；感應(yīng)線圈導(dǎo)線直徑為0.05 mm，匝數(shù)為200。

2.2 對比試樣設(shè)計

渦流法鍍層厚度檢測是一種相對檢測法。其通過建立一組對比試樣標準鍍層厚度值與渦流信號幅值的關(guān)系曲線，來實現(xiàn)鍍層厚度的實時準確檢測。對比試樣的形狀、電鍍工藝、基體材料(電導(dǎo)率約為2.84 mS/m)須與被檢樣品的相同，以保證有相同的邊界條件、電磁感應(yīng)系數(shù)及基體電磁感應(yīng)貢獻。鍍層對比試樣的鍍層表面應(yīng)光滑(表面粗糙度不大于3.2 μm)，無劃傷、點坑、開裂以及鍍層脫落、鍍層聚集等影響鍍層均勻性的缺陷。

某鈾合金對比試樣結(jié)構(gòu)如圖4，5所示，參數(shù)如表1所示。表1中“1+1”表示每種對比試樣制作2根，其中一根為最終留存的對比試樣，另一根為解剖驗證試樣。在解剖試樣上選擇與留存試樣等厚的鍍層解剖點3處，用解剖檢測值對留存對比試樣進行賦值。

圖4 溝槽鍍層厚度對比試樣結(jié)構(gòu)示意

圖5 柱面鍍層厚度對比試樣結(jié)構(gòu)示意

表1 對比試樣制作參數(shù)

賦值過程為：使用渦流鍍層厚度檢測設(shè)備直接對對比試樣的鎳鍍層進行檢測，從每組的2個樣品上找到4處鍍層厚度相同點，包含留存試樣上的1個點及待金相解剖試樣上的3個點；用記號筆標記為探頭直徑大小的圓圈并編號，將3個解剖點的檢測平均值作為鍍層厚度賦值給留存試樣。金相解剖檢驗時，應(yīng)注意在圓圈內(nèi)均勻取6個點，將多點平均值做為該點的金相解剖值(因為渦流信號幅值是有效面積內(nèi)的平均效應(yīng))。

柱面對比試樣4個階梯厚度的設(shè)計值與最終賦值如表2所示；溝槽對比試樣4個階梯厚度的設(shè)計值與最終賦值如表3所示。

表2 柱面對比試樣4個階梯厚度的設(shè)計值與最終賦值

表3 溝槽對比試樣4個階梯厚度的設(shè)計值與最終賦值

由表2，3可看出，對比試樣鎳鍍層厚度均能覆蓋6 μm的鎳厚度值；鎳鋅總厚度均能覆蓋8 μm的總鍍層厚度，滿足使用要求。

2.3 檢測頻率確定

由渦流的趨膚效應(yīng)可知，若被檢材料確定，則其電磁特性(電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率)就可確定，此時，激勵頻率越高，滲透深度越小，渦流的檢測范圍越??；而激勵頻率過低，雖然渦流的滲透深度較大，但會使激勵線圈與被檢試件之間的耦合度降低，從而影響檢測系統(tǒng)的靈敏度，降低檢測精度。因此，選擇合適的激勵頻率也是實現(xiàn)精確檢測的關(guān)鍵。

在渦流測厚時，渦流信號幅值與鍍層厚度呈一一對應(yīng)關(guān)系。對于同一個測厚點，渦流信號幅值的大小主要取決于檢測頻率。因此，文章改變檢測頻率，通過評價對比試樣的鍍層厚度與渦流信號幅值的相關(guān)性來確定最佳檢測頻率[9]。

在渦流檢測中，渦流信號和鍍層厚度之間的二項式相關(guān)程度越好會越有利于涂層厚度的檢測[10]。文章針對不同頻率下的渦流信號進行相關(guān)性分析。在渦流檢測中，檢測頻率為特征頻率的3～4倍[14]，因此試驗以50 kHz為步長，從50 kHz～500 kHz對對比試樣進行標定，計算渦流信號與鍍層厚度的相關(guān)系數(shù)。每個頻率重復(fù)10次，不同頻率下渦流信號與鍍層厚度的相關(guān)系數(shù)如表4所示(“—”表示該頻率下渦流信號無法正常讀取)，相關(guān)系數(shù)隨檢測頻率變化的關(guān)系曲線如圖6所示。

表4 不同頻率下渦流信號與鍍層厚度的相關(guān)系數(shù)

圖6 相關(guān)系數(shù)隨檢測頻率變化的關(guān)系曲線

為進一步優(yōu)化檢測頻率，試驗從300 kHz～400 kHz，每隔10 kHz重復(fù)上述試驗，得到鍍層厚度與渦流信號的相關(guān)系數(shù)如表5所示。

從表5可以看出，檢測頻率為320 kHz～340 kHz時，鍍層厚度和渦流信號的相關(guān)系數(shù)大于0.999。這表明該頻率范圍內(nèi)，鍍層厚度和渦流信號有很好的相關(guān)性，最終試驗確定的檢測頻率為320 kHz～340 kHz。

表5 300 kHz～400 kHz頻率下鍍層厚度與渦流信號的相關(guān)系數(shù)

3 檢測結(jié)果驗證

采用330 kHz的頻率分別對直徑為15 mm產(chǎn)品的柱面鎳鍍層、柱面鎳鋅組合鍍層、溝槽鎳鍍層和溝槽鎳鋅組合鍍層對比試樣進行標定，標定曲線如圖7所示。

圖7 各類型鍍層試樣330 kHz頻率下的標定曲線

標定后對相應(yīng)標定模式下的對比試樣進行厚度檢測，每個厚度位置檢測6次。依據(jù)標準GB/T 4957-2003 《非磁性基體金屬上非導(dǎo)電覆蓋層 覆蓋層厚度檢測 渦流法》 對檢測精度的評價要求，用6次檢測的最大偏離值相對于名義值的百分數(shù)表示檢測精度。當檢測精度不大于10%則認為檢測方法滿足要求，檢測結(jié)果如表6,7所示。

表6 直徑為15 mm樣品的柱面對比試樣鍍層厚度檢測結(jié)果

表7 直徑為15 mm樣品的溝槽對比試樣鍍層厚度檢測結(jié)果

從表6,7可知，柱面對比試樣標定后6次連續(xù)檢測結(jié)果的相對偏差最大為6.5%，溝槽對比試樣檢測結(jié)果的最大相對偏差為5.2%；2種規(guī)格的6組對比試樣上任意一個標定點的連續(xù)6次檢測結(jié)果的相對偏差均小于10%，滿足標準要求。

為驗證檢測方法的準確性，文章開展了盲樣驗證試驗。取正常生產(chǎn)工藝條件下的柱面鎳鍍層、鎳鋅組合鍍層產(chǎn)品各1根，溝槽鎳鍍層、鎳鋅組合鍍層產(chǎn)品各1根。使用對應(yīng)的對比試樣標定后，檢測每個樣品上的3個不同位置并標記，每個位置檢測6次，取平均值。對各標記位置取12個點進行金相檢測，同樣取平均值。各檢測位置的渦流檢測結(jié)果與金相檢測結(jié)果如表8所示。

由表8可知，采用渦流法對某鈾合金鍍層的同一位置進行多次檢測，多次檢測的平均值與該位置鍍層金相解剖結(jié)果的一致性良好，最大相對偏差為1.6%，檢測方法滿足使用需求。

表8 各檢測位置的渦流檢測結(jié)果與金相檢測結(jié)果

4 結(jié)論

確定了某鈾合金的鎳鋅鍍層厚度的渦流檢測頻率為320 kHz～340 kHz。在檢測頻率為330 kHz條件下開展了檢測精度、檢測重復(fù)性和穩(wěn)定性驗證試驗，對于鍍層厚度為4～15 μm的試樣，檢測精度可達6.5%，優(yōu)于國標標準指標和國軍標指標。該方法已實際應(yīng)用于生產(chǎn)檢測中。