劉向明, 王 偉, 朱啟茂, 苑小倩

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司, 唐山 063200)

汽車鋼板表面輪廓形貌的指標(biāo)有宏觀方面的形狀誤差，也有微觀方面的幾何形狀誤差，即粗糙度，以及介于宏觀形狀誤差及粗糙度之間的形狀誤差，即波紋度。大量的試驗及研究表明，汽車鋼板經(jīng)涂裝工藝后，粗糙度輪廓能夠被漆層所覆蓋，而波紋度輪廓被保留下來，容易造成鮮映性降低等問題[1-4]。

隨著國家對企業(yè)環(huán)保要求的不斷提高，各大車企的涂裝都采用了新工藝。新工藝降低了涂料的用量，減少了揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)及二氧化碳的排放量，但對鋼廠原材料鋼板的表面質(zhì)量要求越來越高[5-6]。

目前，波紋度指標(biāo)的檢測方法主要包括接觸式及非接觸式測量。接觸式測量通過探針在鋼板上接觸，記錄鋼板的表面信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到波紋度;非接觸式測量通過光的干涉原理獲得鋼板表面信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到波紋度。非接觸式測量法不僅可以得到波紋度，而且可以得到具體的三維輪廓圖像，同時可以輸出表面輪廓偏斜度及表面輪廓峭度等數(shù)據(jù)。

1 白光的干涉原理及檢測方法

1.1 白光的干涉原理

采用白光為光源進(jìn)行干涉，白光光源包含多個可見光譜區(qū)域的光譜成分，發(fā)生干涉時，各波長光譜將產(chǎn)生各自的一組干涉條紋。在光程完全相等、光程差為零，即零級條紋處，不同成分的光譜完全重合，此處光強(qiáng)最大。隨著光程差及干涉級數(shù)的增加，各波長的干涉條紋彼此錯開，條紋對比度逐漸下降，最終干涉條紋消失。白光干涉光強(qiáng)度隨光程差變化曲線如圖1所示。

圖1 白光干涉光強(qiáng)度隨光程差的變化曲線

1.2 檢測方法

通過識別光強(qiáng)最大處的零級條紋，可得到零光程差位置。將白光光源通過鏡頭內(nèi)部的分光鏡分成兩個光束，一束投射到試樣表面，另一束投射到參考面。設(shè)置參考鏡位置，使得從試樣表面反射回的光線同參考鏡反射光線到CCD攝像頭的光程差為零，即使得聚焦距離同參考鏡反射光線到CCD攝像頭的距離相等，三維輪廓儀工作原理如圖2所示。將鏡頭上下移動可改變試樣相對于鏡頭的位置，從而達(dá)到掃描的目的，將不同高度視野下的試樣信息進(jìn)行疊加，得到試樣表面的三維輪廓信息[7-8]。

圖2 三維輪廓儀工作原理示意

2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

波紋度指標(biāo)可以理解為:在一個取樣長度內(nèi)，實際表面信號經(jīng)濾波處理后得到的波紋度曲線W(x)偏離最小二乘中心線的平均距離[7]。目前，與測量表面波紋度相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)較多，其中應(yīng)用較普遍、具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)主要有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12085-1996GeometricalProductSpecifications(GPS)-SurfaceTexture:ProfileMethod-MotifParameters、日標(biāo)JIS B0610-2001ProfileMethod-DefinitionsandDesignationofRollingCircleWaviness、 國標(biāo)GB/T 2523-2008 《冷軋金屬薄板(帶)表面精糙度和峰值數(shù)測量方法》、德國鋼鐵行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1941-2012MesurementoftheWavinessCharacteristicValueWsa(1-5)onColdRol-ledMetalicFlatProducts等。影響波紋度檢測結(jié)果的因素主要有濾波器類型、截止波長、檢測長度等。不同標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示[8]。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)設(shè)置 mm

3 分析過程

以某鋼鐵廠生產(chǎn)的鍍鋅板為例，采用Wsa1-5指標(biāo)的檢測步驟，介紹非接觸式白光干涉法的分析過程曲線(見圖3)。三維光學(xué)輪廓儀設(shè)備型號為Bruker GT-K，該設(shè)備具備自動聚焦功能。使用拼接測試及自動聚焦功能，可得到所要求的30 mm檢測長度內(nèi)的原始輪廓信息。

(1) 經(jīng)過一次多項式處理，消除水平方向不確定度，即排除試樣水平方向傾斜對檢測結(jié)果帶來的干擾?？梢钥吹捷喞蚊睬€整體保持水平，但在宏觀形貌上存在波動，呈現(xiàn)出中間高兩邊低的情況。

(2) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 16610-21GeometricalProductSpecifications(GPS)-FiltrationPart21:LinearProfileFilters:GaussianFilters，利用高斯濾波器進(jìn)行低通濾波，截止波長λf為5 mm，去除試樣在宏觀上的幾何形狀誤差對檢測結(jié)果的影響，其輪廓如圖3b)所示，可以看到輪廓曲線的輕微弧度消失，去除了宏觀上的幾何形狀誤差。

(3) 去除λf入口和出口各2.5 mm長度內(nèi)的數(shù)據(jù)。

(4) 利用高斯濾波器進(jìn)行高通濾波，截止波長λc為1 mm, 去除1 mm以下短波部分細(xì)微輪廓。經(jīng)過兩次濾波后得到波紋度輪廓，如圖3c)所示，二維輪廓如圖3d)所示。

圖3 鍍鋅板表面波紋度Wsa1-5分析過程曲線

(5) 波紋度Wsa1-5如式(1)所示。

(1)

lm=lt-λf

(2)

式中：lt為取樣長度；λf為截止波長(高通)；lm為評定長度；Zm為表面輪廓曲線中線的縱坐標(biāo)；Zw(x)為x方向輪廓曲線的縱坐標(biāo)。

計算出波紋度為0.149 μm。為驗證白光干涉法測量波紋度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用接觸式波紋度儀及非接觸式三維輪廓儀對沖壓變形后的試樣進(jìn)行比對測試，接觸式波紋度儀型號為HOMMEL T8000。為盡量減小試樣的表面波動，鎖定中心部位的一個小區(qū)域進(jìn)行測量，共取5組試樣，每個試樣取3點進(jìn)行試驗，具體檢測結(jié)果如表2所示。

表2 波紋度儀和三維輪廓儀對多個試樣的波紋度檢測結(jié)果 μm

對兩組檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價，結(jié)果表明，兩種方法的檢測結(jié)果無明顯差異，一致性較好。采用非接觸式白光干涉法檢測波紋度具有有效性。

4 結(jié)語

(1) 采用白光干涉法檢測波紋度指標(biāo)時，只要識別零級條紋就可得到零光程差位置。

(2) 鏡頭的移動可帶動零級條紋的上下移動，從而對試樣表面進(jìn)行掃描，將掃描結(jié)果進(jìn)行疊加可獲得試樣的表面輪廓信息。

(3) 一次多項式處理可消除水平方向的不確定度。利用高斯濾波器進(jìn)行低通濾波，可去除樣品在宏觀上的幾何形狀誤差對檢測結(jié)果造成的影響；利用高斯濾波器進(jìn)行高通濾波，可去除1 mm以下短波部分的細(xì)微輪廓，得到波紋度輪廓。

(4) 采用t檢驗分析白光干涉測量法及接觸式測量法的檢測數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示白光干涉法測量波紋度具有有效性。