特種設備表面電刷鍍層厚度的超聲波評價研究

蓋曉東 胡慶賢

（1.廈門市特種設備檢測研究院 廈門 361004）

（2.江蘇科技大學 材料科學與工程學院 鎮江 212003）

電刷鍍技術是一種廣泛應用于特種設備零部件（如鍋爐、重型機械等）表面修復與強化的表面工程技術，由于該技術具有使用方便、操作靈活、可在復雜形狀工件表面進行刷鍍等優點使得該技術在工件表面的修復、尺寸補償（由腐蝕、磨損等引起）等領域得到了廣泛關注[1-3]。鍍層厚度是保證修復后工件尺寸的重要因素，因而如何對鍍層厚度進行評價對保證修復質量就顯得非常重要。金相觀察法是目前常用于鍍層厚度測量的一種方法，但由于該方法是在破壞試樣完整性的基礎上實現鍍層厚度評價的，因而并不適于對刷鍍期間以及所有刷鍍工件鍍層厚度進行評價，這也就使得尋找可對鍍層厚度進行無損表征的方法對推廣電刷鍍技術在機械零件表面修復與強化中的應用顯得極為重要。

瑞利波[4]又稱表面波，是沿工件表面傳播的一種超聲波，由于它具有使用方便、安全、無輻射、檢測范圍廣等優點，因而在無損檢測領域得到廣泛應用。文獻[5]表明，在瑞利波檢測范圍內，瑞利波信號只與其檢測深度范圍內材料的特征參數有關，即隨著電刷鍍層厚度的改變，在電刷鍍層內的瑞利波信號也會發生相應的變化，因而如何對攜帶與鍍層厚度有關信息的瑞利波信號進行分析處理并提取出可用于評價電刷鍍層厚度的參量對實現電刷鍍層厚度的無損評價就顯得非常重要。針對這一問題，本試驗在45鋼表面制備出厚度不同的電刷鍍層，采用雙瑞利波探頭對其進行檢測，在互相關函數[6]計算信號間時間差的基礎上得到鍍層厚度-時間差關系曲線，并通過冪函數擬合函數得到可用于評價鍍層厚度的公式。

1 信號分析處理方法

根據瑞利波在介質中傳播規律可知，當瑞利波檢測范圍大于電刷鍍層厚度時，隨著鍍層厚度的改變，瑞利波在電刷鍍層中的傳播速度會發生相應的變化，但由于瑞利波波速對鍍層厚度的改變并不敏感，以及由于“噪聲”[7-8]信號對瑞利波信號的影響，因而，采用何種信號分析方法對電刷鍍層瑞利波信號進行處理對保證鍍層厚度評價結果就顯得非常重要。互相關函數法是目前眾多計算信號間微小時間差方法中的一種，由于它具有抗白噪聲干擾能力強，算法簡單等優點，因而在微小時間差計算領域得到廣泛關注。文獻[9-12]表明，互相關函數法是在估算波形相似程度的基礎上計算信號間微小時間差的一種方法，見式（1）。

式中：

x(t)，y(t)——在不同厚度電刷鍍層試樣中傳播的瑞利波信號；

τ——信號間時間差。

根據式（1）可知，x(t)，y(t)信號幅值不同時，互相關函數值Rxy(τ)也不同，而由于“噪聲”對電刷鍍層瑞利波信號的影響，本試驗中瑞利波檢測信號幅值并不相同，因而為了便于計算結果的對比分析，本試驗在互相關函數的基礎上對其進行離散歸一化處理并得到互相關系數函數，見式（2）。

式中：

n——參考函數步長。

2 試驗結果及分析

2.1 結果及理論分析

圖1是采用電刷鍍在45鋼表面制備得到的厚度分別為62、70、78和90μm的電刷鍍鍍層金相組織。

為了避免瑞利波傳播聲程的改變對評價結果的影響，本試驗采用中心頻率為5MHz的一發一收模式的雙瑞利波探頭對不同厚度的電刷鍍試樣進行檢測，結果如圖2所示。

圖1 不同厚度電刷鍍層的金相組織

圖2是厚度分別為62、70、78和90μm時電刷鍍層試樣的瑞利波信號。根據圖2中瑞利波信號可知，隨著電刷鍍層厚度的增加，瑞利波信號逐漸向右移動，而由于瑞利波在電刷鍍層中的傳播聲程以及始波位置固定不變，這也就表明，隨著電刷鍍層厚度的增加，瑞利波通過相同距離所用的時間逐漸變長，即傳播速度逐漸變小，但其變化速率并不相同。對比不同厚度電刷鍍層的瑞利波波形可知，瑞利波在鍍層中傳播一定距離后，波形會發生一定的“畸變”。對其分析認為這主要是由于電刷鍍技術是以“尖端放電”效應[13]為理論基礎，通過鍍液中金屬離子在基體表面沉積而得到金屬鍍層的一種方法，而由于金屬離子沉積速率不同，因而鍍層組織較疏松，即鍍層中存在較多“孔洞”，如圖3所示。根據瑞利波在介質中傳播規律可知，瑞利波會在聲阻抗不同的物質所形成的界面處發生反射、散射等現象，并形成干擾信號即“噪聲”，從而使原有信號波形發生一定程度的“畸變”，這也是引起“噪聲”的主要原因。

圖2 電刷鍍層的瑞利波信號

圖3 電刷鍍層微觀組織

根據圖2中瑞利波信號可知，當鍍層厚度不同時，瑞利波在其中的傳播速度也不同，這就表明瑞利波在電刷鍍層中的傳播速度可作為鍍層厚度無損表征的一個參量，而由于鍍層厚度的改變對瑞利波波速的影響較小以及瑞利波信號中存在較多“噪聲”信號，因而由鍍層厚度改變而引起的信號間時間差的計算精度也就成為保證鍍層厚度評價結果的重要因素。式（2）表明，當“噪聲”信號較強時，互相關步長n值是影響互相關系數函數計算結果的重要因素，因而本試驗分別計算了不同n值時，不同厚度鍍層的瑞利波信號與參考信號間的時間差，并建立了鍍層厚度-時間差關系曲線，結果如圖4所示。為了便于描述，本試驗假設瑞利波信號波形符合正弦規律。

圖4 電刷鍍層厚度-時間差關系曲線

以鍍層厚度為零時的瑞利波信號為參考信號，分別計算不同厚度鍍層的瑞利波信號與參考信號間的時間差。當互相關系數函數步長n值分別為1/4、1/2、3/4、1、5/4、3/2和7/4周期時，鍍層厚度-時間差曲線如圖4所示。對比分析可知，隨著鍍層厚度的增加，瑞利波在鍍層中通過相同距離所用的時間逐漸變長，這與圖2中瑞利波信號變化規律是相同的，并且隨著鍍層厚度的增加，由鍍層厚度改變而引起的信號間時間差的變化速率逐漸變大。對比不同n值時鍍層厚度-時間差曲線可知，當n值較小時，鍍層厚度-時間差曲線波動較大，而隨著n值的增加，鍍層厚度-時間差曲線逐漸趨于平穩；當n值達到1時，再隨著n值的增加，鍍層厚度-時間差曲線基本重合，并且波動較小。這主要是因為電刷鍍層組織中的“孔洞”缺陷引起的“噪聲”會使瑞利波波形發生一定程度的“畸變”，而由于互相關函數是在對比波形相似程度的基礎上計算信號間時間差的一種方法，因而當n值較小時，波形“畸變”對互相關函數值影響較大，并且互相關函數最大值不明顯，即鍍層厚度-時間差曲線波動較大；而隨著n值的增加，波形“畸變”對互相關系數函數值的影響逐漸變小，即互相關函數曲線逐漸趨于平穩，如圖5所示。

圖5是鍍層厚度為78μm時，不同n值時的互相關函數曲線。對比分析可知，當n值較小時，曲線波動較大，最大值不明顯，并且計算結果誤差較大；而隨著n值的增加，曲線逐漸趨于平緩，并且最大值較明顯，這與圖4中曲線變化規律是相同的。綜合上述分析結果認為，采用互相關系數函計算由于鍍層厚度變化而引起的瑞利波信號間時間差時，當n值為1時，即參考函數長度為1個周期時最佳。

圖5 不同n值時互相關系數函數曲線

2.2 結果驗證

為了實現電刷鍍層厚度的無損評價，結合圖4中電刷鍍層厚度-時間差關系曲線變化趨勢，本試驗采用冪函數對計算結果進行擬合，擬合結果如圖6所示。

圖6 鍍層厚度-時間差擬合及驗證結果

形式冪函數對電刷鍍層厚度-時間差結果擬合得到的結果，可表示為：

圖6為采用

式中：

t——瑞利波在電刷鍍試樣中通過相同距離所用的時間差；

h——電刷鍍層厚度。

為了驗證采用式（3）對電刷鍍層厚度進行評價的可行性，本試驗采用相同工藝制備了測量厚度分別為34、42、55和83μm的電刷鍍試樣，并采用式（2）計算了不同厚度鍍層的瑞利波信號與參考信號間的時間差，計算結果分別為36、56、68和192ns，將其帶入式（3）得到鍍層厚度理論值分別為38.9、47.0、51.2和80.0μm，其相對誤差最大值為12.6%，在誤差允許范圍內。分析可知由于“尖端放電”效應，鍍層表面并不平整，因而瑞利波在鍍層中傳播時，瑞利波通過的實際聲程并不完全相同，因而鍍層厚度評價結果會有偏差。但相對于鍍層厚度而言，鍍層平整度對計算結果造成的影響非常小，因而可忽略不計。綜合上述分析結果認為采用該方法對電刷鍍層厚度進行無損表征是可行的。

3 結論

1）隨著電刷鍍層厚度的增加，瑞利波在電刷鍍層中的傳播速度逐漸變小，但其改變速率卻逐漸變大；

2）隨著互相關函數步長n值的增加，電刷鍍層厚度-時間差曲線波形逐漸趨于平穩，當n值達到1時，再隨著n值的增加，電刷鍍層厚度-時間差曲線基本重合，因而認為n值為1時，參考函數長度最佳；

3）試驗結果表明，在互相關函數計算時間差的基礎上，采用聲程固定不變一發一收模式的雙瑞利波探頭對電刷鍍層厚度進行檢測，并通過鍍層厚度-時間差的冪函數擬合結果可實現電刷鍍層厚度的無損表征。

[1]徐濱士，朱紹華，劉世參，等. 表面工程的理論與技術[M]. 北京： 國防工業出版社，2010.

[2]董允. 現代表面工程技術[M]. 北京： 機械工業出版社，1999.

[3]徐龍堂. 電刷鍍鎳基含納米粉復合鍍層性能、結構和沉積機理[D]. 北京： 北京工業大學，2000.

[4]張連芳，柯偉平. 超聲波波型轉換與表面波的檢測[J]. 物理試驗，2006，26(02)：8-10.

[5]王寅觀，田沖，姚國民，等. 利用Rayleigh表面波無損檢測熱套圓盤的平面殘余應力的研究[J]. 聲學學報，1999，24(01)：53-58.

[6]吳正毅. 測試技術與測試信號處理[M]. 北京：清華大學出版社，2001.

[7]Fedi M. Localized denoising filtering using the wavelet transform[J]. Pure and Applied Geophysics， 2000，157(09)： 1463-1469.

[8]Perov D V， Rinkevich A B. Wavelet filtering of signals from ultrasonic flaw detector[J]. Russian Journal of Nondestructive Testing， 2002， 38(12)： 869-882.

[9]向陽，彭勇，趙國文. 互相關與應力波波速估計的研究[J]. 無損探傷，2004，28(04)：4-6.

[10]張曉東，高波，宋之平. 互相關函數法在聲學測溫技術中的應用研究[J]. 中國電機工程學報，2003，23(04)：185-188.

[11]王萍，萬柏坤，程燁. 精確的互相關算法在超聲波流速測量中的應用[J]. 傳感器與微系統， 2007，26(09)：107-112.

[12]苗錦，劉志強，張跟鵬. 基于互相關的時延估計方法及其精度分析[J]. 艦船電子工程，2008(06)：98-100.

[13]蔣斌，徐濱士，董世運，等. 電刷鍍納米顆粒復合鍍層的組織與沉積過程[J]. 表面技術，2005，34(03)：16-17.