吳振成，王 飛，李來平，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、電子、信息技術(shù)等眾多領(lǐng)域。表面涂層對整個結(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使零部件和整體設(shè)備失效及損壞。因此，對涂層質(zhì)量的檢測和分析評價具有十分重要的意義。目前，用于涂層非破壞性檢測與分析的主要技術(shù)有渦流法、X射線法、超聲法、紅外熱成像法、滲透法等，這些無損檢測方法各有優(yōu)勢和劣勢[1-2]。

筆者主要介紹了利用渦流陣列檢測技術(shù)和水浸超聲掃描對某種表面覆銅薄鋼板材料進(jìn)行檢測的原理，分析評價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掃描檢測的原理，然后通過合理設(shè)置檢測參數(shù)，對試樣開展檢測，并將檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，渦流陣列檢測技術(shù)可望用于金屬表面涂覆層質(zhì)量的成像檢測和性能評估。

1 基本原理

1.1 渦流陣列檢測技術(shù)

基于常規(guī)渦流檢測技術(shù)，渦流陣列檢測(ECAT)是電磁檢測技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，通過合理的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計使檢測探頭陣列化，并利用數(shù)字信號處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)完成信號的激勵、運(yùn)放、采集、調(diào)理、顯示等功能，從而實現(xiàn)快速、高效、數(shù)字化檢測。與常規(guī)單探頭渦流檢測相比，渦流陣列探頭由多個線圈組成，有效檢測覆蓋區(qū)域大，通過單次掃查就能達(dá)到傳統(tǒng)單線圈探頭渦流檢測的多次掃查[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

渦流檢測技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，適用于導(dǎo)電材料的無損檢測，檢測過程中通過儀器測量檢測線圈中阻抗或電壓的變化，對被檢對象進(jìn)行特性表征，主要用于材料的缺陷檢測、涂層厚度測量、電導(dǎo)率測量等。

1.2 水浸超聲掃描檢測技術(shù)

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

圖2 水浸超聲自動檢測原理示意

超聲檢測技術(shù)利用檢測探頭產(chǎn)生超聲波進(jìn)行檢測，由于聲波在涂層及工件中傳播會產(chǎn)生反射、折射與散射等，這些聲傳播信號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，通過提取聲速、聲衰減系數(shù)、幅值、相位等超聲參量可以實現(xiàn)涂層特性的表征。

2 檢測過程

2.1 檢測系統(tǒng)

2.1.1 渦流陣列檢測系統(tǒng)

使用的渦流陣列檢測系統(tǒng)型號為Ectane2，由檢測主機(jī)、渦流陣列探頭、便攜式計算機(jī)等3大部分組成，渦流陣列檢測系統(tǒng)外觀如圖3所示。渦流陣列檢測主機(jī)高度集成，內(nèi)置高頻信號激勵模塊、信號調(diào)理模塊、高速信號采集模塊等。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。便攜式計算機(jī)安裝有渦流陣列檢測分析軟件，與檢測設(shè)備主機(jī)通過網(wǎng)線連接，可以實現(xiàn)渦流檢測信號的高效、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 水浸超聲掃描檢測系統(tǒng)

試驗所用水浸超聲檢測系統(tǒng)為自主設(shè)計研發(fā)的平板超聲波檢測系統(tǒng)，型號為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、鍛件的自動檢測，在檢測過程中，通過計算機(jī)技術(shù)實時記錄A掃描波形，同時還能顯示B掃描和C掃描圖像。

2.2 檢測方法

待檢測試樣為上下表面均涂覆有一層銅膜的薄鋼板(編號為TGB-1)，基體厚度為1 mm，涂層厚度約為50 mm，其中試驗的上表面(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 渦流陣列檢測方法

在渦流陣列檢測過程中，對檢測結(jié)果影響較大的工藝參數(shù)主要包括：激勵頻率、激勵電壓、增益等，對于不同的檢測對象、不同的檢測探頭，檢測工藝參數(shù)也不相同。試驗分別采用渦流陣列TFC(T型柔性探頭)和CUS(定制柔性探頭)兩種探頭對試樣表面進(jìn)行對比檢測，以驗證檢測結(jié)果是否相同。

渦流陣列檢測過程中，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探頭檢測結(jié)果

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

圖6 TGB-1試樣的TFC探頭檢測結(jié)果

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

(2) TGB-1試樣的CUS探頭檢測結(jié)果

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

圖7 CUS探頭檢測B面結(jié)果

圖8 CUS探頭檢測A面結(jié)果

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

2.2.2 水浸超聲檢測方法

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

根據(jù)水浸超聲檢測工藝的要求、產(chǎn)品的尺寸以及檢測標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置合理的檢測參數(shù)。通過調(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。檢測過程中需要對檢測靈敏度進(jìn)行復(fù)查，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9 水浸超聲C掃描檢測結(jié)果

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

2.3 檢測結(jié)果對比分析

可以發(fā)現(xiàn)渦流陣列檢測方法和水浸超聲檢測方法均可以實現(xiàn)試樣的二維成像檢測，檢測結(jié)果與實際產(chǎn)品表面狀況相吻合。然而，通過對比分析可看出，渦流陣列檢測得到的圖像中，涂層不良區(qū)域里紅色信號十分明顯，幅值高，與綠色的低幅值背景噪聲信號很容易區(qū)分開，有較高的信噪比，顯示的位置也與試樣實際情況相對應(yīng)，且同時顯示三維圖像，能夠更加準(zhǔn)確有效地對涂層質(zhì)量不好的區(qū)域進(jìn)行表征。由超聲檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，背景噪聲信號雜亂，幅值較高，異常信號幾乎湮沒在噪聲信號之中，信噪比低。

因此，對于此類檢測對象，渦流陣列檢測結(jié)果優(yōu)于水浸超聲掃描檢測結(jié)果。

3 結(jié)語

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

(2) 對比兩種方法的檢測結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，對于此類檢測對象，渦流陣列檢測圖像信噪比高，檢測結(jié)果能同時顯示二維與三維圖像，相比水浸超聲檢測方法，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。