涂鍍層的無損檢測方法
2015-09-24
無損檢測技術是一門理論上綜合性較強，又非常重視實踐環(huán)節(jié)的很有發(fā)展前途的學科。它涉及到材料的物理性質(zhì)，產(chǎn)品設計，制造工藝，斷裂力學以及有限元計算等諸多方面。
在化工，電子，電力，金屬等行業(yè)中，為了實現(xiàn)對各類材料的保護或裝飾作用，通常采用噴涂有色金屬覆蓋以及磷化、陽極氧化處理等方法，這樣便出現(xiàn)了涂層、鍍層、敷層、貼層或化學生成膜等概念，我們稱之為“覆層”。
覆層的厚度測量已成為金屬加工工業(yè)已用戶進行成品質(zhì)量檢測必備的最重要工序。是產(chǎn)品達到優(yōu)質(zhì)標準的必備手段。目前，國內(nèi)外已普遍按統(tǒng)一的國際標準測定涂鍍層厚度，覆層無損檢測的方法和儀器的選擇隨著材料物理性質(zhì)研究方面的逐漸進步而更加至關重要。
有關覆層無損檢測方法，主要有：楔切法、光截法、電解法、厚度差測量法、稱重法、X射線瑩光法、β射線反射法、電容法、磁性測量法及渦流測量法等。這些方法中除了后五種外大多都要損壞產(chǎn)品或產(chǎn)品表面，系有損檢測，測量手段繁瑣，速度慢，多適用于抽樣檢驗。
X射線和β射線反射法可以無接觸無損測量，但裝置復雜昂貴，測量范圍小。因有放射源，故，使用者必須遵守射線防護規(guī)范，一般多用于各層金屬鍍層的厚度測量。
電容法一般僅在很薄導電體的絕緣覆層厚度測試上應用。
磁性測量法及渦流測量法，隨著技術的日益進步，特別是近年來引入微處理機技術后，測厚儀向微型、智能型、多功能、高精度、實用化方面邁進了一大步。測量的分辨率已達0.1μm，精度可達到1％。又有適用范圍廣，量程寬、操作簡便、價廉等特點。是工業(yè)和科研使用最廣泛的儀器。超聲波物位計,超聲波液位計,超聲波測厚儀。
采用無損檢測方法測厚既不破壞覆層也不破壞基材，檢測速度快，故能使大量的檢測工作經(jīng)濟地進行。以下分別介紹幾種常規(guī)測厚的方法。
磁性測量原理
一、磁吸力原理測厚儀
利用永久磁鐵測頭與導磁鋼材之間的吸力大小與處于兩者之間的距離成一定比例關系可測量覆層的厚度，這個距離就是覆層的厚度，所以只要覆層與基材的導磁率之差足夠大，就可以進行測量。鑒于大多數(shù)工業(yè)品采用結構鋼和熱軋冷軋鋼板沖壓成形，所以磁性測厚儀應用最廣。測量儀基本結構是磁鋼，拉簧，標尺及自停機構。當磁鋼與被測物吸合后，有一個彈簧在其后逐漸拉長，拉力逐漸增大，當拉力鋼大于吸力磁鋼脫離的一瞬間記錄下拉力的大小即可獲得覆層厚度。一般來講，依不同的型號又不同的量程與適應場合。在一個約350o角度內(nèi)可用刻度表示0～100μm；0～1000μm；0～5mm等的覆層厚度，精度可達5％以上，能滿足工業(yè)應用的一般要求。這種儀器的特點是操作簡單、強固耐用、不用電源和測量前的校準，價格也較低，很適合車間作現(xiàn)場質(zhì)量控制。
二、磁感應原理測厚儀
磁感應原理是利用測頭經(jīng)過非鐵磁覆層而流入鐵基材的磁通大小來測定覆層厚度的，覆層愈厚，磁通愈小。由于是電子儀器，校準容易，可以實多種功能，擴大量程，提高精度，由于測試條件可降低許多，故比磁吸力式應用領域更廣。
當軟鐵芯上繞著線圈的測頭放在被測物上后，儀器自動輸出測試電流，磁通的大小影響到感應電動勢的大小，儀器將該信號放大后來指示覆層厚度。早期的產(chǎn)品用表頭指示，精度和重復性都不好，后來發(fā)展了數(shù)字顯示式，電路設計也日趨完善。近年來引入微處理機技術及電子開關，穩(wěn)頻等最新技術，多種獲專利的產(chǎn)品相繼問世，精度有了很大的提高，達到1%,分辨率達到0.1μm，磁感應測厚儀的測頭多采用軟鋼做導磁鐵芯，線圈電流的頻率不高，以降低渦流效應的影響，測頭具有溫度補償功能。由于儀器已智能化，可以辨識不同的測頭，配合不同的軟件及自動改變測頭電流和頻率。一臺儀器能配合多種測頭，也可以用同一臺儀器。可以說，適用于工業(yè)生產(chǎn)及科學研究的儀器已達到了了非常實用化的階段。
利用電磁原理研制的測厚儀，原則上適用所有非導磁覆層測量， 一般要求基本的磁導率達500以上。覆層材料如也是磁性的，則要求與基材的磁導率有足夠大的差距（如鋼上鍍鎳層）。磁性原理測厚儀可以應用在精確測量鋼鐵表面的油漆涂層，瓷、搪瓷防護層，塑料、橡膠覆層，包括鎳鉻在內(nèi)的各種有色金屬電鍍層，化工石油行業(yè)的各種防腐涂層。對于感光膠片、電容器紙、塑料、聚酯等薄膜生產(chǎn)工業(yè)，利用測量平臺或輥（鋼鐵制造）也可用來實現(xiàn)大面積上任一點的測量。
電渦流測量原理
電渦流測厚法主要應用于金屬基體上各種非金屬涂鍍層的測量。利用高頻交流電在作為探頭的線圈中產(chǎn)生一個電磁場，將探頭靠近導電的金屬體時，就在金屬材料中形成渦流，且隨與金屬體的距離減小而增大，該渦流會影響探頭線圈的磁通，故此反饋作用量是表示探頭與基體金屬之間間距大小的一個量值，因為該測頭用在非鐵磁金屬基體上測量覆層厚度，所以通常我們稱該測頭為非磁性測頭。非磁性測頭一般采用高頻高導磁材料做線圈鐵芯，常用鉑鎳合金及其它新材料制作。與磁性測量原理比較，他們的電原理基本一樣，主要區(qū)別是測頭不同，測試電流的頻率大小不同，信號大小、標度關系不同。在最新的測厚儀中，通過不斷改進測頭結構，在配合微電腦技術，由自動識別不同測頭來調(diào)用不同的控制程序，分別輸出不同的測試電流和改變標度變換軟件，終于使兩種不同類型的的測頭接與同一臺測厚儀上，降低了用戶負擔，基于同一思想，可配接達10種側(cè)頭的測厚儀極大地擴展了測厚范圍（達10萬倍以上），可測包括導磁材料表面上的非導磁覆層，導電材料上的非導電覆層及不導電材料上的導電層，基本上滿足了工業(yè)生產(chǎn)多數(shù)行業(yè)的需要。
采用電渦流原理的測厚儀，原則上所有導電體上的非導電體覆層均可測量，如航天航空器表面、車輛、家電、鋁合金門窗及其他鋁制品表面的漆，塑料涂層及陽極氧化膜。有些特種用途如某種金屬上的金剛石鍍層及其它噴鍍不導電層。覆層材料也可以有一定的導電性，通過校準同樣也可以測量，但要求兩者的導電率之比至少相差3～5倍以上（如銅上鍍鉻）。
校準的原則是沒有覆層的校準試樣與被測物的基材應有：成分相同，厚度相同（主要在于厚度小于儀器規(guī)定的最小值約0.5mm以下時），有相同的曲率半徑，如被測面積小于儀器技術參數(shù)的要求（直徑約20mm以下），還應有相同的被測面積。如覆層含有導電成份，校準試樣的覆層也應與被測物的覆層有相同的導電性能。校準試樣的覆層經(jīng)過其它（包括有損測試方法）測試后標定厚度或用已標定的校準薄片做覆層，就可以在其上面按說明書的方法校準測厚儀。校準后就可以在被測產(chǎn)品上進行快速無損檢測。校準薄片一般用三醋酸酯薄膜或經(jīng)苯酚樹脂浸漬過的硬紙。
微電腦測厚一般有多個校準值存貯。隨著被測產(chǎn)品的不同位置、材料變化、更換測頭等均可分別校準并存貯。實際使用時直接調(diào)用各校準值，就無須重新調(diào)校了。這即是所謂“速換基準”。大大提高了檢測效率。
測試數(shù)據(jù)在智能化儀器里一般可以存貯、打印、計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)供分析，還有可以打印直方圖的功能使覆層厚度分布一目了然。如設置了上下極限還可以使統(tǒng)計數(shù)據(jù)更加準確，測量時所有超限的點都有聲響提醒注意并不取入做統(tǒng)計計算用。
影響測量值的因素與解決方法
使用測厚儀與使用其他儀器一樣，既要掌握儀器性能，也需了解測試條件。使用磁性原理和渦流原理的覆層測厚儀都是基于被測基體的電、磁特性及與探頭的距離來測量覆層厚度的，所以，被測基體的電磁物理特性與物理尺寸都要影響磁通與電渦流的大小。即影響到測量值的可靠性，下面就這方面的問題作一下介紹。
1.邊界間距
如果探頭與被測體邊界、孔眼、空腔、其他截面變化處的間距小于規(guī)定的邊界間距，由于磁通或渦流載體截面不夠?qū)е聹y量誤差。如必須測量該點的覆層厚度，只有預先在相同條件的無覆層表面進行校準，才能測量。（注：最新的產(chǎn)品有透過覆層校準的獨特功能可達3～10％的精度）
2.基體表面曲率
在一個平直的對比試樣上校準好一個初始值，然后在測量覆層厚度后減去這個初始值。或參照下條。
3.基體金屬最小厚度
基體金屬必須有一個給定的最小厚度，使探頭的電磁場能完全包容在基體金屬中，最小厚度與測量器的性能及金屬基體的性質(zhì)有關，在這個厚度之上剛好可以進行測量而不用對測量值修正。對于基體厚度不夠而產(chǎn)生的影響，可以采取在基材下面緊貼一塊相同材料的措施予以消除。如難以決斷，或無法加基材則可以通過與已知覆層厚度的試樣進行對比來確定與額定值的差值。并且在測量中考慮這點而對測量值作相應的修正或參考第2條修正。而那些可以標定的儀器通過調(diào)整旋鈕或按鍵，便可以得到準確的直讀厚度值。
反之利用厚度太小產(chǎn)生的影響又可以研制直接測銅箔厚度的測厚儀，如前所述。
4.表面粗糙度和表面清潔度
在粗糙度表面上為獲得一個有代表性的平均測量值必須進行多次測量才行。顯而易見，不論是基體或是覆層，越粗糙，測量值越不可靠。為獲得可靠的數(shù)據(jù)，基體的平均粗糙度Ra應小于覆層厚度的5％。而對于表面雜質(zhì)，則應予去除。有的儀表上下限，以剔除那些“飛點”。
5.探頭測量板的作用力
探頭測量時的作用力應是恒定的。并應盡可能小。才不致使軟的覆層發(fā)生形變，以致測量值下降?；町a(chǎn)生大的波動，必要時，可在兩者之間墊一層硬的，不導電的，具有一定厚度的硬性薄膜。這樣通過減去薄膜厚度就能適當?shù)氐玫绞４拧?br />
6.外界恒磁場、電磁場和基體剩磁
應該避免在有干擾作用的外界磁場附近進行測量。殘存的剩磁，根據(jù)檢測器的性能可能導致或多或少的測量誤差，但是如結構鋼，深沖成形鋼板等一般不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。
7.覆層材料中的鐵磁成份和導電成份
覆層中存在某些鐵磁成分，如某種顏料時，會對測量值產(chǎn)生影響，在這種情況下，對用作校準的對比試樣覆層應具有與被測物覆層相同的電磁特性，經(jīng)校準后使用。使用的方法可以是將同樣的覆層涂在鋁或銅板試樣上，用電渦流法測試后獲得對比標準試樣。也可向有關計量測試部門購得。
在化工，電子，電力，金屬等行業(yè)中，為了實現(xiàn)對各類材料的保護或裝飾作用，通常采用噴涂有色金屬覆蓋以及磷化、陽極氧化處理等方法，這樣便出現(xiàn)了涂層、鍍層、敷層、貼層或化學生成膜等概念，我們稱之為“覆層”。
覆層的厚度測量已成為金屬加工工業(yè)已用戶進行成品質(zhì)量檢測必備的最重要工序。是產(chǎn)品達到優(yōu)質(zhì)標準的必備手段。目前，國內(nèi)外已普遍按統(tǒng)一的國際標準測定涂鍍層厚度，覆層無損檢測的方法和儀器的選擇隨著材料物理性質(zhì)研究方面的逐漸進步而更加至關重要。
有關覆層無損檢測方法，主要有：楔切法、光截法、電解法、厚度差測量法、稱重法、X射線瑩光法、β射線反射法、電容法、磁性測量法及渦流測量法等。這些方法中除了后五種外大多都要損壞產(chǎn)品或產(chǎn)品表面，系有損檢測，測量手段繁瑣，速度慢，多適用于抽樣檢驗。
X射線和β射線反射法可以無接觸無損測量，但裝置復雜昂貴，測量范圍小。因有放射源，故，使用者必須遵守射線防護規(guī)范，一般多用于各層金屬鍍層的厚度測量。
電容法一般僅在很薄導電體的絕緣覆層厚度測試上應用。
磁性測量法及渦流測量法，隨著技術的日益進步，特別是近年來引入微處理機技術后，測厚儀向微型、智能型、多功能、高精度、實用化方面邁進了一大步。測量的分辨率已達0.1μm，精度可達到1％。又有適用范圍廣，量程寬、操作簡便、價廉等特點。是工業(yè)和科研使用最廣泛的儀器。超聲波物位計,超聲波液位計,超聲波測厚儀。
采用無損檢測方法測厚既不破壞覆層也不破壞基材，檢測速度快，故能使大量的檢測工作經(jīng)濟地進行。以下分別介紹幾種常規(guī)測厚的方法。
磁性測量原理
一、磁吸力原理測厚儀
利用永久磁鐵測頭與導磁鋼材之間的吸力大小與處于兩者之間的距離成一定比例關系可測量覆層的厚度，這個距離就是覆層的厚度，所以只要覆層與基材的導磁率之差足夠大，就可以進行測量。鑒于大多數(shù)工業(yè)品采用結構鋼和熱軋冷軋鋼板沖壓成形，所以磁性測厚儀應用最廣。測量儀基本結構是磁鋼，拉簧，標尺及自停機構。當磁鋼與被測物吸合后，有一個彈簧在其后逐漸拉長，拉力逐漸增大，當拉力鋼大于吸力磁鋼脫離的一瞬間記錄下拉力的大小即可獲得覆層厚度。一般來講，依不同的型號又不同的量程與適應場合。在一個約350o角度內(nèi)可用刻度表示0～100μm；0～1000μm；0～5mm等的覆層厚度，精度可達5％以上，能滿足工業(yè)應用的一般要求。這種儀器的特點是操作簡單、強固耐用、不用電源和測量前的校準，價格也較低，很適合車間作現(xiàn)場質(zhì)量控制。
二、磁感應原理測厚儀
磁感應原理是利用測頭經(jīng)過非鐵磁覆層而流入鐵基材的磁通大小來測定覆層厚度的，覆層愈厚，磁通愈小。由于是電子儀器，校準容易，可以實多種功能，擴大量程，提高精度，由于測試條件可降低許多，故比磁吸力式應用領域更廣。
當軟鐵芯上繞著線圈的測頭放在被測物上后，儀器自動輸出測試電流，磁通的大小影響到感應電動勢的大小，儀器將該信號放大后來指示覆層厚度。早期的產(chǎn)品用表頭指示，精度和重復性都不好，后來發(fā)展了數(shù)字顯示式，電路設計也日趨完善。近年來引入微處理機技術及電子開關，穩(wěn)頻等最新技術，多種獲專利的產(chǎn)品相繼問世，精度有了很大的提高，達到1%,分辨率達到0.1μm，磁感應測厚儀的測頭多采用軟鋼做導磁鐵芯，線圈電流的頻率不高，以降低渦流效應的影響，測頭具有溫度補償功能。由于儀器已智能化，可以辨識不同的測頭，配合不同的軟件及自動改變測頭電流和頻率。一臺儀器能配合多種測頭，也可以用同一臺儀器。可以說，適用于工業(yè)生產(chǎn)及科學研究的儀器已達到了了非常實用化的階段。
利用電磁原理研制的測厚儀，原則上適用所有非導磁覆層測量， 一般要求基本的磁導率達500以上。覆層材料如也是磁性的，則要求與基材的磁導率有足夠大的差距（如鋼上鍍鎳層）。磁性原理測厚儀可以應用在精確測量鋼鐵表面的油漆涂層，瓷、搪瓷防護層，塑料、橡膠覆層，包括鎳鉻在內(nèi)的各種有色金屬電鍍層，化工石油行業(yè)的各種防腐涂層。對于感光膠片、電容器紙、塑料、聚酯等薄膜生產(chǎn)工業(yè)，利用測量平臺或輥（鋼鐵制造）也可用來實現(xiàn)大面積上任一點的測量。
電渦流測量原理
電渦流測厚法主要應用于金屬基體上各種非金屬涂鍍層的測量。利用高頻交流電在作為探頭的線圈中產(chǎn)生一個電磁場，將探頭靠近導電的金屬體時，就在金屬材料中形成渦流，且隨與金屬體的距離減小而增大，該渦流會影響探頭線圈的磁通，故此反饋作用量是表示探頭與基體金屬之間間距大小的一個量值，因為該測頭用在非鐵磁金屬基體上測量覆層厚度，所以通常我們稱該測頭為非磁性測頭。非磁性測頭一般采用高頻高導磁材料做線圈鐵芯，常用鉑鎳合金及其它新材料制作。與磁性測量原理比較，他們的電原理基本一樣，主要區(qū)別是測頭不同，測試電流的頻率大小不同，信號大小、標度關系不同。在最新的測厚儀中，通過不斷改進測頭結構，在配合微電腦技術，由自動識別不同測頭來調(diào)用不同的控制程序，分別輸出不同的測試電流和改變標度變換軟件，終于使兩種不同類型的的測頭接與同一臺測厚儀上，降低了用戶負擔，基于同一思想，可配接達10種側(cè)頭的測厚儀極大地擴展了測厚范圍（達10萬倍以上），可測包括導磁材料表面上的非導磁覆層，導電材料上的非導電覆層及不導電材料上的導電層，基本上滿足了工業(yè)生產(chǎn)多數(shù)行業(yè)的需要。
采用電渦流原理的測厚儀，原則上所有導電體上的非導電體覆層均可測量，如航天航空器表面、車輛、家電、鋁合金門窗及其他鋁制品表面的漆，塑料涂層及陽極氧化膜。有些特種用途如某種金屬上的金剛石鍍層及其它噴鍍不導電層。覆層材料也可以有一定的導電性，通過校準同樣也可以測量，但要求兩者的導電率之比至少相差3～5倍以上（如銅上鍍鉻）。
校準的原則是沒有覆層的校準試樣與被測物的基材應有：成分相同，厚度相同（主要在于厚度小于儀器規(guī)定的最小值約0.5mm以下時），有相同的曲率半徑，如被測面積小于儀器技術參數(shù)的要求（直徑約20mm以下），還應有相同的被測面積。如覆層含有導電成份，校準試樣的覆層也應與被測物的覆層有相同的導電性能。校準試樣的覆層經(jīng)過其它（包括有損測試方法）測試后標定厚度或用已標定的校準薄片做覆層，就可以在其上面按說明書的方法校準測厚儀。校準后就可以在被測產(chǎn)品上進行快速無損檢測。校準薄片一般用三醋酸酯薄膜或經(jīng)苯酚樹脂浸漬過的硬紙。
微電腦測厚一般有多個校準值存貯。隨著被測產(chǎn)品的不同位置、材料變化、更換測頭等均可分別校準并存貯。實際使用時直接調(diào)用各校準值，就無須重新調(diào)校了。這即是所謂“速換基準”。大大提高了檢測效率。
測試數(shù)據(jù)在智能化儀器里一般可以存貯、打印、計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)供分析，還有可以打印直方圖的功能使覆層厚度分布一目了然。如設置了上下極限還可以使統(tǒng)計數(shù)據(jù)更加準確，測量時所有超限的點都有聲響提醒注意并不取入做統(tǒng)計計算用。
影響測量值的因素與解決方法
使用測厚儀與使用其他儀器一樣，既要掌握儀器性能，也需了解測試條件。使用磁性原理和渦流原理的覆層測厚儀都是基于被測基體的電、磁特性及與探頭的距離來測量覆層厚度的，所以，被測基體的電磁物理特性與物理尺寸都要影響磁通與電渦流的大小。即影響到測量值的可靠性，下面就這方面的問題作一下介紹。
1.邊界間距
如果探頭與被測體邊界、孔眼、空腔、其他截面變化處的間距小于規(guī)定的邊界間距，由于磁通或渦流載體截面不夠?qū)е聹y量誤差。如必須測量該點的覆層厚度，只有預先在相同條件的無覆層表面進行校準，才能測量。（注：最新的產(chǎn)品有透過覆層校準的獨特功能可達3～10％的精度）
2.基體表面曲率
在一個平直的對比試樣上校準好一個初始值，然后在測量覆層厚度后減去這個初始值。或參照下條。
3.基體金屬最小厚度
基體金屬必須有一個給定的最小厚度，使探頭的電磁場能完全包容在基體金屬中，最小厚度與測量器的性能及金屬基體的性質(zhì)有關，在這個厚度之上剛好可以進行測量而不用對測量值修正。對于基體厚度不夠而產(chǎn)生的影響，可以采取在基材下面緊貼一塊相同材料的措施予以消除。如難以決斷，或無法加基材則可以通過與已知覆層厚度的試樣進行對比來確定與額定值的差值。并且在測量中考慮這點而對測量值作相應的修正或參考第2條修正。而那些可以標定的儀器通過調(diào)整旋鈕或按鍵，便可以得到準確的直讀厚度值。
反之利用厚度太小產(chǎn)生的影響又可以研制直接測銅箔厚度的測厚儀，如前所述。
4.表面粗糙度和表面清潔度
在粗糙度表面上為獲得一個有代表性的平均測量值必須進行多次測量才行。顯而易見，不論是基體或是覆層，越粗糙，測量值越不可靠。為獲得可靠的數(shù)據(jù)，基體的平均粗糙度Ra應小于覆層厚度的5％。而對于表面雜質(zhì)，則應予去除。有的儀表上下限，以剔除那些“飛點”。
5.探頭測量板的作用力
探頭測量時的作用力應是恒定的。并應盡可能小。才不致使軟的覆層發(fā)生形變，以致測量值下降?；町a(chǎn)生大的波動，必要時，可在兩者之間墊一層硬的，不導電的，具有一定厚度的硬性薄膜。這樣通過減去薄膜厚度就能適當?shù)氐玫绞４拧?br />
6.外界恒磁場、電磁場和基體剩磁
應該避免在有干擾作用的外界磁場附近進行測量。殘存的剩磁，根據(jù)檢測器的性能可能導致或多或少的測量誤差，但是如結構鋼，深沖成形鋼板等一般不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。
7.覆層材料中的鐵磁成份和導電成份
覆層中存在某些鐵磁成分，如某種顏料時，會對測量值產(chǎn)生影響，在這種情況下，對用作校準的對比試樣覆層應具有與被測物覆層相同的電磁特性，經(jīng)校準后使用。使用的方法可以是將同樣的覆層涂在鋁或銅板試樣上，用電渦流法測試后獲得對比標準試樣。也可向有關計量測試部門購得。
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