薄鋼板涂層質量的渦流陣列檢測與超聲檢測

吳振成，王 飛，李來平，陳 杰

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

工業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在基體材料表面涂覆一層功能性涂層。當前具有特殊防護性作用的涂層已廣泛應用于航空、航天、機械、汽車、電子、信息技術等眾多領域。表面涂層對整個結構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備失效及損壞。因此，對涂層質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勢和劣勢[1-2]。

筆者主要介紹了利用渦流陣列檢測技術和水浸超聲掃描對某種表面覆銅薄鋼板材料進行檢測的原理，分析評價了表層銅薄膜的涂覆質量。介紹了渦流陣列技術和水浸超聲C掃描檢測的原理，然后通過合理設置檢測參數，對試樣開展檢測，并將檢測結果進行對比分析，結果表明，渦流陣列檢測技術可望用于金屬表面涂覆層質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

基于常規渦流檢測技術，渦流陣列檢測(ECAT)是電磁檢測技術發展的一個重要方向，通過合理的傳感器結構設計使檢測探頭陣列化，并利用數字信號處理技術和計算機技術完成信號的激勵、運放、采集、調理、顯示等功能，從而實現快速、高效、數字化檢測。與常規單探頭渦流檢測相比，渦流陣列探頭由多個線圈組成，有效檢測覆蓋區域大，通過單次掃查就能達到傳統單線圈探頭渦流檢測的多次掃查[3-4]，常規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 常規渦流單探頭與渦流陣列探頭掃查原理示意

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

1.2 水浸超聲掃描檢測技術

水浸超聲檢測技術利用水作為耦合劑，將工件和探頭全部或部分置于水中，超聲波通過水進入工件進行非接觸式檢測。水浸超聲自動檢測成像技術是實現產品內部質量檢測、厚度測量、涂層質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

超聲檢測技術利用檢測探頭產生超聲波進行檢測，由于聲波在涂層及工件中傳播會產生反射、折射與散射等，這些聲傳播信號與被檢材料的組織結構密切相關，并攜帶著大量的涂層結構信息，通過提取聲速、聲衰減系數、幅值、相位等超聲參量可以實現涂層特性的表征。

2 檢測過程

2.1 檢測系統

2.1.1 渦流陣列檢測系統

使用的渦流陣列檢測系統型號為Ectane2，由檢測主機、渦流陣列探頭、便攜式計算機等3大部分組成，渦流陣列檢測系統外觀如圖3所示。渦流陣列檢測主機高度集成，內置高頻信號激勵模塊、信號調理模塊、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，探頭為柔性封裝結構，可以適用于非平整表面的檢測。便攜式計算機安裝有渦流陣列檢測分析軟件，與檢測設備主機通過網線連接，可以實現渦流檢測信號的高效、穩定、快速采集和分析，有阻抗圖、二維和三維等多種數據處理顯示模式。

2.1.2 水浸超聲掃描檢測系統

試驗所用水浸超聲檢測系統為自主設計研發的平板超聲波檢測系統，型號為AFIS-01，主要由超聲波探傷儀主機、超聲探頭、機械掃查裝置、檢測軟件等部分組成，系統結構示意如圖4所示[5-6]。該系統基于水浸超聲脈沖反射技術，可用于板材、鍛件的自動檢測，在檢測過程中，通過計算機技術實時記錄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，對檢測結果影響較大的工藝參數主要包括：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行對比檢測，以驗證檢測結果是否相同。

渦流陣列檢測過程中，需要確保系統正常運行，每次掃查之前要在試塊完好區域進行“平衡”。

(1) TGB-1試樣的TFC探頭檢測結果

通過設備進行調試，頻率為300 kHz，增益為40 dB，激勵電壓為5 V，對試樣的A、B面進行掃查，掃查方向均為從左側到右側，檢測結果如圖6所示。

圖6 TGB-1試樣的TFC探頭檢測結果

通過TFC探頭檢測鋼板A面，得到二維與三維圖像，發現有效檢測區域內沒有異常信息，可知試樣A面涂層質量均勻完好。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面進行掃查，掃查方向同樣為從左側到右側，檢測結果如圖7，8所示。

圖7 CUS探頭檢測B面結果

圖8 CUS探頭檢測A面結果

通過CUS探頭檢測鋼板的A、B面，可以發現檢測結果與TFC探頭檢測結果基本一致，涂層質量較差區域檢測信號明顯，利用渦流陣列檢測技術可以直觀有效地對試樣涂層質量進行成像分析與評價。

2.2.2 水浸超聲檢測方法

對試樣進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，優先考慮選用高頻率的寬頻窄脈沖水浸點聚焦探頭。

根據水浸超聲檢測工藝的要求、產品的尺寸以及檢測標準，設置合理的檢測參數。通過調試，設定頻率為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，步進分辨率為0.5 mm。檢測過程中需要對檢測靈敏度進行復查，以確保系統的穩定性與可靠性，檢測結果如圖9所示。

圖9 水浸超聲C掃描檢測結果

由超聲檢測結果可以看出，在C掃描圖像的一側有缺陷信號顯示，但信噪比比較低。

2.3 檢測結果對比分析

可以發現渦流陣列檢測方法和水浸超聲檢測方法均可以實現試樣的二維成像檢測，檢測結果與實際產品表面狀況相吻合。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，且同時顯示三維圖像，能夠更加準確有效地對涂層質量不好的區域進行表征。由超聲檢測結果發現，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，渦流陣列檢測結果優于水浸超聲掃描檢測結果。

3 結語

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

(2) 對比兩種方法的檢測結果可發現，對于此類檢測對象，渦流陣列檢測圖像信噪比高，檢測結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、準確、有效地表征涂層質量。

(3) 渦流陣列成像檢測得到的結果與試樣表面涂層質量狀態一致，可以很明顯地區分出涂層質量不良區域，有助于快速判定涂層缺陷的位置及大小。