无损检测的方法和测厚仪

      无损检测技术是一门理论上综合性较强，又非常重视实践环节的很有发展前途的学科。它涉及到材料的物理性质、产品设计、制造工艺、断裂力学以及有限元计算等诸多方面。 在化工、电子、电力、金属等行业中，为了实现对各类材料的保护或装饰作用，通常要采用喷涂、有色金属覆盖以及磷化、阳极氧化处理等方法，这样，便出现了涂层、镀层、敷层、贴层或化学生成膜等概念，我们称之为“覆层”。 覆层的厚度测量已成为金属加工工业已用户进行成品质量检测必备的*重要的工序。是产品达到上等标准的必备手段。目前，国内外已普遍按统一的国际标准测定涂镀层厚度，覆层无损检测的方法和仪器的选择随着材料物理性质研究方面的逐渐进步而更加至关重要。 有关覆层无损检测方法，主要有：楔切法、光截法、电解法、厚度差测量法、称重法、X射线莹光法、β射线反射法、电容法、磁性测量法及涡流测量法等。这些方法中除了后五种外大多都要损坏产品或产品表面，系有损检测，测量手段繁琐，速度慢，多适用于抽样检验。 X射线和β射线反射法可以无接触无损测量，但装置复杂昂贵，测量范围小。因有放射源，故，使用者必须遵守射线防护规范，一般多用于各层金属镀层的厚度测量。 电容法一般仅在很薄导电体的绝缘覆层厚度测试上应用。 磁性测量法及涡流测量法，随着技术的日益进步，特别是近年来引入微处理机技术后，测厚仪向微型、智能型、多功能、高精度、实用化方面迈进了一大步。测量的分辨率已达0.1μm，精度可达到1％。又有适用范围广，量程宽、操作简便、价廉等特点。是工业和科研使用*广泛的仪器。 采用无损检测方法测厚既不破坏覆层也不破坏基材，检测速度快，故能使大量的检测工作经济地进行。以下分别介绍几种常规测厚的方法。 磁性测量原理 一、磁吸力原理测厚仪 利用长久磁铁测头与导磁的钢材之间的吸力大小与处于这两者之间的距离成一定比例关系可测量覆层的厚度，这个距离就是覆层的厚度，所以只要覆层与基材的导磁率之差足够大，就可以进行测量。鉴于大多数工业品采用结构钢和热轧冷轧钢板冲压成形，所以磁性测厚仪应用*广。测量仪基本结构是磁钢，拉簧，标尺及自停机构。当磁钢与被测物吸合后，有一个弹簧在其后逐渐拉长，拉力逐渐增大，当拉力钢大于吸力磁钢脱离的一瞬间记录下拉力的大小即可获得覆层厚度。一般来讲，依不同的型号又不同的量程与适应场合。在一个约350º角度内可用刻度表示0～100µm；0～1000µm；0～5mm等的覆层厚度，精度可达5％以上，能满足工业应用的一般要求。这种仪器的特点是操作简单、强固耐用、不用电源和测量前的校准，价格也较低，很适合车间作现场质量控制。 二、磁感应原理测厚仪         磁感应原理是利用测头经过非铁磁覆层而流入铁基材的磁通大小来测定覆层厚度的，覆层愈厚，磁通愈小。由于是电子仪器，校准容易，可以实多种功能，扩大量程，提高精度，由于测试条件可降低许多，故比磁吸力式应用领域更广。         当软铁芯上绕着线圈的测头放在被测物上后，仪器自动输出测试电流，磁通的大小影响到感应电动势的大小，仪器将该信号放大后来指示覆层厚度。早期的产品用表头指示，精度和重复性都不好，后来发展了数字显示式，电路设计也日趋完善。近年来引入微处理机技术及电子开关，稳频等*新技术，多种获**的产品相继问世，精度有了很大的提高，达到1%,分辨率达到0.1µm，磁感应测厚仪的测头多采用软钢做导磁铁芯，线圈电流的频率不高，以降低涡流效应的影响，测头具有温度补偿功能。由于仪器已智能化，可以辨识不同的测头，配合不同的软件及自动改变测头电流和频率。一台仪器能配合多种测头，也可以用同一台仪器。可以说，适用于工业生产及科学研究的仪器已达到了了非常实用化的阶段。 利用电磁原理研制的测厚仪，原则上适用所有非导磁覆层测量， 一般要求基本的磁导率达500以上。覆层材料如也是磁性的，则要求与基材的磁导率有足够大的差距（如钢上镀镍层）。磁性原理测厚仪可以应用在**测量钢铁表面的油漆涂层，瓷、搪瓷防护层，塑料、橡胶覆层，包括镍铬在内的各种有色金属电镀层，化工石油行业的各种防腐涂层。对于感光胶片、电容器纸、塑料、聚酯等薄膜生产工业，利用测量平台或辊（钢铁制造）也可用来实现大面积上任一点的测量。 电涡流测量原理 电涡流测厚法主要应用于金属基体上各种非金属涂镀层的测量。利用高频交流电在作为探头的线圈中产生一个电磁场，将探头靠近导电的金属体时，就在金属材料中形成涡流，且随与金属体的距离减小而增大，该涡流会影响探头线圈的磁通，故此反馈作用量是表示探头与基体金属之间间距大小的一个量值，因为该测头用在非铁磁金属基体上测量覆层厚度，所以通常我们称该测头为非磁性测头。非磁性测头一般采用高频高导磁材料做线圈铁芯，常用铂镍合金及其它新材料制作。与磁性测量原理比较，他们的电原理基本一样，主要区别是测头不同，测试电流的频率大小不同，信号大小、标度关系不同。在*新的测厚仪中，通过不断改进测头结构，在配合微电脑技术，由自动识别不同测头来调用不同的控制程序，分别输出不同的测试电流和改变标度变换软件，终于使两种不同类型的的测头接与同一台测厚仪上，降低了用户负担，基于同一思想，可配接达10种侧头的测厚仪极大地扩展了测厚范围（达10万倍以上），可测包括导磁材料表面上的非导磁覆层，导电材料上的非导电覆层及不导电材料上的导电层，基本上满足了工业生产多数行业的需要。        采用电涡流原理的测厚仪，原则上所有导电体上的非导电体覆层均可测量，如航天航空器表面、车辆、家电、铝合金门窗及其他铝制品表面的漆，塑料涂层及阳极氧化膜。有些特种用途如某种金属上的金刚石镀层及其它喷镀不导电层。覆层材料也可以有一定的导电性，通过校准同样也可以测量，但要求两者的导电率之比至少相差3～5倍以上（如铜上镀铬）。         校准的原则是没有覆层的校准试样与被测物的基材应有：成分相同，厚度相同（主要在于厚度小于仪器规定的*小值约0.5mm以下时），有相同的曲率半径，如被测面积小于仪器技术参数的要求（直径约20mm以下），还应有相同的被测面积。如覆层含有导电成份，校准试样的覆层也应与被测物的覆层有相同的导电性能。校准试样的覆层经过其它（包括有损测试方法）测试后标定厚度或用已标定的校准薄片做覆层，就可以在其上面按说明书的方法校准测厚仪。校准后就可以在被测产品上进行快速无损检测。校准薄片一般用三醋酸酯薄膜或经苯酚树脂浸渍过的硬纸。         微电脑测厚一般有多个校准值存贮。随着被测产品的不同位置、材料变化、更换测头等均可分别校准并存贮。实际使用时直接调用各校准值，就无须重新调校了。这即是所谓“速换基准”。大大提高了检测效率。         测试数据在智能化仪器里一般可以存贮、打印、计算统计数据供分析，还有可以打印直方图的功能使覆层厚度分布一目了然。如设置了上下极限还可以使统计数据更加准确，测量时所有超限的点都有声响提醒注意并不取入做统计计算用。 影响测量值的因素与解决方法          使用测厚仪与使用其他仪器一样，既要掌握仪器性能，也需了解测试条件。使用磁性原理和涡流原理的覆层测厚仪都是基于被测基体的电、磁特性及与探头的距离来测量覆层厚度的，所以，被测基体的电磁物理特性与物理尺寸都要影响磁通与电涡流的大小。即影响到测量值的可靠性，下面就这方面的问题作一下介绍。 1.边界间距 如果探头与被测体边界、孔眼、空腔、其他截面变化处的间距小于规定的边界间距，由于磁通或涡流载体截面不够将导致测量误差。如必须测量该点的覆层厚度，只有预先在相同条件的无覆层表面进行校准，才能测量。（注：*新的产品有透过覆层校准的独特功能可达3～10％的精度） 2.基体表面曲率 在一个平直的对比试样上校准好一个初始值，然后在测量覆层厚度后减去这个初始值。或参照下条。 3.基体金属*小厚度 基体金属必须有一个给定的*小厚度，使探头的电磁场能完全包容在基体金属中，*小厚度与测量器的性能及金属基体的性质有关，在这个厚度之上刚好可以进行测量而不用对测量值修正。对于基体厚度不够而产生的影响，可以采取在基材下面紧贴一块相同材料的措施予以消除。如难以决断，或无法加基材则可以通过与已知覆层厚度的试样进行对比来确定与额定值的差值。并且在测量中考虑这点而对测量值作相应的修正或参考第2条修正。而那些可以标定的仪器通过调整旋钮或按键，便可以得到准确的直读厚度值。 反之利用厚度太小产生的影响又可以研制直接测铜箔厚度的测厚仪，如前所述。 4.表面粗糙度和表面清洁度 在粗糙度表面上为获得一个有代表性的平均测量值必须进行多次测量才行。显而易见，不论是基体或是覆层，越粗糙，测量值越不可靠。为获得可靠的数据，基体的平均粗糙度Ra应小于覆层厚度的5％。而对于表面杂质，则应予去除。有的仪表上下限，以剔除那些“飞点”。 5.探头测量板的作用力 探头测量时的作用力应是恒定的。并应尽可能小。才不致使软的覆层发生形变，以致测量值下降。活产生大的波动，必要时，可在两者之间垫一层硬的，不导电的，具有一定厚度的硬性薄膜。这样通过减去薄膜厚度就能适当地得到剩磁。 6.外界恒磁场、电磁场和基体剩磁 应该避免在有干扰作用的外界磁场附近进行测量。残存的剩磁，根据检测器的性能可能导致或多或少的测量误差，但是如结构钢，深冲成形钢板等一般不会出现上述现象。 7.覆层材料中的铁磁成份和导电成份 覆层中存在某些铁磁成分，如某种颜料时，会对测量值产生影响，在这种情况下，对用作校准的对比试样覆层应具有与被测物覆层相同的电磁特性，经校准后使用。使用的方法可以是将同样的覆层涂在铝或铜板试样上，用电涡流法测试后获得对比标准试样。也可向有关计量测试部门购得。