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無損檢測的方法和覆層測厚儀
2015-01-12
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節的很有發展前途的學科。它涉及到材料的物理性質、產品設計、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、金屬等行業中為了實現對各類材料的保護或裝飾作用通常要采用噴涂、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已用戶進行成品質量檢測必備的最重要的工序。是產品達到優質標準的必備手段。目前國內外已普遍按統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品或產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。是工業和科研使用最廣泛的儀器。
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濟地進行。以下分別介紹幾種常規測厚的方法。
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的鋼材之間的吸力大小與處于這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。鑒于大多數工業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場質量控制。
二、磁感應原理測厚儀
磁感應原理是利用測頭經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。早期的產品用表頭指示精度和重復性都不好后來發展了數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頻等最新技術多種獲專利的產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。可以說適用于工業生產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的各種有色金屬電鍍層化工石油行業的各種防腐涂層。對于感光膠片、電容器紙、塑料、聚酯等薄膜生產工業利用測量平臺或輥（鋼鐵制造）也可用來實現大面積上任一點的測量。
三、電渦流原理測厚儀
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生產多數行業的需要。
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的要求（直徑約20mm以下），風速儀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。實際使用時直接調用各校準值就無須重新調校了。這即是所謂“速換基準”。大大提高了檢測效率。
測試數據在智能化儀器里一般可以存貯、打印、計算統計數據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計數據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定的邊界間距由于磁通或渦流載體截面不夠將導致測量誤差。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。為獲得可靠的數據基體的平均粗糙度Ra應小于覆層厚度的5%。而對于表面雜質，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生形變以致測量值下降。活產生大的波動必要時，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地得到剩磁。
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上述現象。
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、金屬等行業中為了實現對各類材料的保護或裝飾作用通常要采用噴涂、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已用戶進行成品質量檢測必備的最重要的工序。是產品達到優質標準的必備手段。目前國內外已普遍按統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品或產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。是工業和科研使用最廣泛的儀器。
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濟地進行。以下分別介紹幾種常規測厚的方法。
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的鋼材之間的吸力大小與處于這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。鑒于大多數工業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場質量控制。
二、磁感應原理測厚儀
磁感應原理是利用測頭經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。早期的產品用表頭指示精度和重復性都不好后來發展了數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頻等最新技術多種獲專利的產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。可以說適用于工業生產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的各種有色金屬電鍍層化工石油行業的各種防腐涂層。對于感光膠片、電容器紙、塑料、聚酯等薄膜生產工業利用測量平臺或輥（鋼鐵制造）也可用來實現大面積上任一點的測量。
三、電渦流原理測厚儀
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生產多數行業的需要。
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的要求（直徑約20mm以下），風速儀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。實際使用時直接調用各校準值就無須重新調校了。這即是所謂“速換基準”。大大提高了檢測效率。
測試數據在智能化儀器里一般可以存貯、打印、計算統計數據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計數據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定的邊界間距由于磁通或渦流載體截面不夠將導致測量誤差。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。為獲得可靠的數據基體的平均粗糙度Ra應小于覆層厚度的5%。而對于表面雜質，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生形變以致測量值下降。活產生大的波動必要時，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地得到剩磁。
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上述現象。
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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