一種非鐵磁性金屬上非鐵磁性金屬涂鍍層厚度的測量方法

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(中國核動力研究設計院，成都 610041)

基體金屬涂鍍有薄的涂層時，測量薄涂鍍層的厚度是非常重要的。

涂鍍層的電導率與基體金屬明顯不同時(比如基體金屬和涂渡層金屬兩者中，其中一種金屬的電導率至少是另外一種金屬電導率的1.5倍)，涂鍍層厚度的測量是用一般方法進行的，例如相敏渦流方法。

但在涂鍍某些金屬時，基體金屬與涂鍍層金屬的電導率只有較小的差別(例如基體金屬和涂渡層金屬兩者中，其中一種金屬的電導率不大于另外一種金屬電導率的1.5倍)，例如用鋯金屬涂鍍鋯錫合金管材就是這種情況。

電導率差別很小時，涂鍍層厚度的測量很困難。另外，在某些特殊應用中，除基體與涂鍍層金屬的電導率有很小的差別外，還允許基體金屬電導率在一定范圍內發生變化，涂鍍層的測量就更加困難。

筆者在分析基體金屬和涂鍍層金屬電導率(差別很小的情況下)的幅值和相位變化規律的基礎上，提出了一種非鐵磁性金屬上非鐵磁性金屬涂鍍層厚度的測量方法。該方法尤其適用于基體金屬和涂鍍層金屬電導率相近時，涂鍍層厚度的測量。試驗結果表明，該方法的測量誤差≤0.03 mm，滿足工程應用的需求。

1 檢測原理

當施加于鋁、黃銅和鉛等基體材料上的銀鍍層厚度增加時，探頭線圈阻抗會呈現一定的規律[1]，如圖1所示。其中試驗頻率為30 kHz。

圖1 探頭線圈阻抗平面圖(鋁、黃銅和鉛等基體銀鍍層厚度增加時)

圖1為各種基體材料上的銀鍍層厚度對檢測線圈阻抗的影響曲線。其中，軌跡線P0,P1,P2,…,Ag表示在沒有基體金屬時，銀層厚度與檢測線圈阻抗變化的曲線。“P0”點是檢測線圈空載時的歸一化阻抗。“Ag”點是當銀層“無限厚”(當進一步增加銀層厚度時，不再影響檢測線圈阻抗)時，檢測線圈阻抗值。“Al”點、“黃銅”點和“Pb”點分別是鋁、黃銅和鉛“無限厚”時，檢測線圈的阻抗值。

從圖中可以看出，當在Al上鍍銀時，從“Ag”點到不同“Ag”鍍層(95,50,20,10 μm)的檢測線圈阻抗值連線的相位角不同，相位角隨銀鍍層厚度單調增加。同樣地，在黃銅或者鉛上鍍銀時，也呈現出與Al上鍍銀時相同的規律。而且，從“Ag”點到基體金屬是“黃銅”的區間，隨著基體金屬電導率的不斷減小，阻抗點上移；在一定的基體金屬電導率范圍內，不同“Ag”覆蓋層(從10～95 μm)的相位不同，但同一覆蓋層的相位基本相等。而且覆蓋層金屬電導率和基體金屬電導率愈接近，同一覆蓋層厚度的阻抗點連線愈接近一條直線，也就是說阻抗點相位愈接近。在圖1中，Al和Ag的電導率相差43%， 基體金屬電導率在Al(61.05%IACS)和Ag(108%IACS)電導率之間時，同一Ag覆蓋層厚度的阻抗點相位基本相同。

由上述規律，可以得到下述兩點：

(1) 當基體金屬和覆蓋層金屬的電導率相近時，可以利用覆蓋層厚度和渦流信號相位之間的單調關系，測量覆蓋層厚度；

(2) 在覆蓋層金屬相同，基體金屬電導率在一定范圍內變化的情況下(≤43%)，可以利用覆蓋層厚度和渦流信號相位之間的關系，測量覆蓋層金屬厚度。

據此，筆者提出了一種非鐵磁性金屬上非鐵磁性金屬涂鍍層厚度的測量方法(以下簡稱“相位法”)，申報了國家發明專利(2016109389828)。

2 試驗及驗證

2.1 覆蓋層金屬電導率和基體金屬電導率分析

被檢對象的覆蓋層金屬是鋯合金，電導率4.3%IACS；基體金屬為Zr-2合金，電導率為2.8%IACS。覆蓋層金屬和基體金屬的電導率相差35%。根據第1節中的原理分析，滿足“相位法”的檢測條件。

2.2 檢測頻率分析

根據圖1，當測量的銀覆蓋層最大厚度在0.095 mm≈0.1 mm時，采用的頻率為30 kHz。渦流檢測中，對非鐵磁性材料，電導率和頻率乘積的平方根和滲透深度成反比[2]，由此計算覆蓋層最大厚度為0.5 mm時，采用的合理檢測頻率。

根據計算，覆蓋層厚度在0.5 mm時，所用的檢測頻率在30 kHz左右。經過試驗，在該頻率下信號分辨力較好，故在后續工作中，均采用該頻率。

2.3 標準樣板制作

采用不同厚度的覆蓋層金屬和基體金屬組合，進行熱軋和冷軋，然后進行熱處理后，制成編號分別為15，16，17，19的樣板。

采用“相位法”對這些試板進行檢測，在每個樣板上找出相位相等的兩點，解剖其中的一點，得到其覆蓋層厚度，以其作為另一點的覆蓋層厚度。

根據檢測結果，檢測點15#-11(橫杠前面的數字表示樣板的編號，橫杠后面的數字表示該樣板上的檢測點的序號)和15#-12、16#-10和16#-11、16#-8和16#-16、17#-11和17#-12、19#-3和19#-4，相位兩兩相等。相位相等的兩點中，選其中的一點進行解剖，其覆蓋層厚度作為另一點的覆蓋層厚度。故選取了15#-11、16#-10、16#-8、17#-11、19#-3進行解剖驗證，而15#-12、16#-11、16#-16、17#-12、19#-4作為對應的標準包殼厚度留存。表1是其解剖結果。

表1 樣板解剖點的覆蓋層厚度及其對應的標準樣點

2.4 標定曲線制作

完成標準樣板制作后，使用標準樣板對檢測系統進行了標定。標定時所采用的檢測參數為：頻率，30 kHz;增益,43.5 dB，相位90°;前置增益,25 dB;驅動,8 V。對各標準樣點進行檢測，采用插值法，得到的標定曲線如圖2所示。

圖2 檢測標準樣點得到的標定曲線

由圖2可看出：隨著覆蓋層厚度的增加，相位單調增加，覆蓋層和相位之間呈一一對應關系。

2.5 方法驗證

2.5.1 基體材料相同時的覆蓋層厚度測量

標定曲線制作完成后，采用和標定狀態相同的參數，對編號為C1、C3、C4、3#、5#的樣品板，在其上各取一個點進行覆蓋層厚度測量，然后對該點進行金相解剖，驗證“相位法”的可靠性。上述樣品板的覆蓋層材料和基體材料同標準樣板的材料，制造時覆蓋層厚度控制在設計范圍內(0.3～0.5 mm)。驗證結果見表2。

表2 基體材料相同時的覆蓋層厚度測量驗證結果 mm

由表2可見，該方法最大測量偏差為0.03 mm，滿足該種板材覆蓋層厚度測量的技術要求。

2.5.2 基體材料電導率輕微變化時的覆蓋層厚度測量

在制造標準樣板所用的基體材料中，添加不同含量的雜質(雜質含量體積比≤18%)，經過熱軋、冷軋及熱處理工藝，制造出三塊基體材料電導率輕微變化的樣品板D1、D2、D3。D1、D2、D3的覆蓋層材料同標準樣板，制造時覆蓋層厚度控制在設計范圍內(0.3～0.5 mm)。驗證前，對基體材料的電導率進行測量，其值在2.9%IACS～3.0%IACS之間，滿足“相位法”應用條件。在三塊板上各取一個點進行覆蓋層厚度測量，然后對該點進行金相解剖，驗證“相位法”測量的準確性。驗證結果見表3。

表3 基體電導率輕微變化時覆蓋層厚度測量的驗證結果 mm

由表3可見，該方法最大偏差為0.03 mm，滿足該種板材覆蓋層厚度測量的技術要求。

3 結論

提出了一種非鐵磁性基體金屬上非鐵磁性涂鍍層厚度的測量方法，該方法適用于以下兩種情況：

(1) 當基體金屬和覆蓋層金屬電導率相近時，可以利用覆蓋層厚度和渦流信號相位之間的單調關系，測量覆蓋層厚度；

(2) 在覆蓋層金屬相同，基體金屬電導率在一定范圍內變化的情況下(≤43%)，可以利用覆蓋層厚度和渦流信號相位之間的關系，測量覆蓋層金屬厚度。

[1] 美國無損檢測學會.美國無損檢測手冊：電磁卷[M].《美國無損檢測手冊》譯審委員會,譯.上海：世界圖書出版公司，1999.

[2] 徐可北，周俊華.渦流檢測[M].北京：機械工業出版社，2007.