光干涉法在彩涂板涂層厚度檢測(cè)中的應(yīng)用研究

張小塔,范 純,任玉苓,張廣政

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.制造管理部,上海 201900;2.冷軋廠,上海 201900)

1 概述

涂層厚度是彩涂板產(chǎn)品檢測(cè)中一個(gè)非常重要的指標(biāo),它直接影響產(chǎn)品的其他性能,包括耐劃傷性、硬度、耐腐蝕性、耐老化性[1]等各項(xiàng)指標(biāo)。所以,彩涂板生產(chǎn)企業(yè)涂層厚度的準(zhǔn)確測(cè)量和控制意義十分重大。

目前,國(guó)內(nèi)外彩涂板涂層厚度的檢測(cè)方法主要有五種(GB/T 13448—2019 彩色涂層鋼板及鋼帶試驗(yàn)方法),即磁性測(cè)厚儀法、千分尺法、鉆孔破壞式顯微觀察法、金相顯微鏡法和磁性—渦流儀法,幾種檢測(cè)方法比較[2]見(jiàn)表1。從表1可以看出,這幾種檢測(cè)方法的檢測(cè)精度約為2 μm,基本為同一水平;金相顯微鏡法和千分尺法檢測(cè)速度比較慢,檢測(cè)效率低,不能很好滿足工業(yè)化快速檢測(cè)的需求;除磁性測(cè)厚儀法和磁性—渦流儀法外,其他三種方法檢測(cè)時(shí)均破壞涂層;在具體檢測(cè)過(guò)程中,這五種檢測(cè)方法均有局限性。目前,千分尺法和磁性—渦流儀法在寶鋼股份公司檢化驗(yàn)中心應(yīng)用比較廣泛。但是,隨著時(shí)代的發(fā)展,這兩種檢測(cè)方法不能很好滿足彩涂機(jī)組對(duì)涂層厚度工藝控制的精度需求和速度需求。所以,探索彩涂板涂層厚度又準(zhǔn)又快的檢測(cè)方法,是檢測(cè)技術(shù)人員當(dāng)務(wù)之急的工作。

表1 彩涂板涂層厚度檢測(cè)方法的比較Table 1 Comparison of detection methods for coating thickness of color coated plates

涂層厚度先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)包括β射線法、X射線法、紅外光譜法、激光法和光干涉法等。其中β射線法和X射線法通過(guò)對(duì)涂層中某一特征元素含量的測(cè)定來(lái)計(jì)算涂層厚度,對(duì)于涂料配方不固定的彩涂板來(lái)說(shuō)不適用[2];紅外光譜方法必須對(duì)每一種涂料每一種顏色制定標(biāo)定方法,對(duì)于顏色眾多的彩涂板來(lái)說(shuō),測(cè)量方法制定非常繁雜,可操作性比較低,而且該方法的檢測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)比較大;激光法是一種破壞式的方法,對(duì)檢測(cè)點(diǎn)涂層造成損傷,檢測(cè)精度也不高。本文重點(diǎn)研究光干涉法在彩涂板涂層厚度檢測(cè)中的應(yīng)用。

2 光干涉法的應(yīng)用及原理

2.1 光干涉法的應(yīng)用

光干涉法在潤(rùn)滑油膜厚度測(cè)量[3],玻璃或玻璃薄膜厚度測(cè)量[4-6],透明電極薄膜[7]、透明塑料共擠制品每層厚度測(cè)量[8]等方面都有較為廣泛應(yīng)用或研究。

光干涉法測(cè)定彩涂板涂層厚度,目前已經(jīng)在美國(guó)、德國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家比較大的彩涂板生產(chǎn)企業(yè)中開(kāi)始嘗試投入使用,包括安米、塔塔等國(guó)際知名大型鋼鐵公司。

中國(guó)國(guó)內(nèi)的彩涂板生產(chǎn)企業(yè),目前沒(méi)有采用干涉法進(jìn)行彩涂板涂層厚度的檢測(cè),這主要有兩方面原因:首先,該技術(shù)前幾年剛剛突破在彩涂板涂層厚度檢測(cè)的技術(shù)瓶頸;其次,與其他涂層厚度檢測(cè)設(shè)備相比,該設(shè)備價(jià)格比較昂貴。

從檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)角度來(lái)說(shuō),近兩年國(guó)外有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將光干涉法納入涂層厚度的檢測(cè)方法。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)ISO 2808:2019《涂料和清漆 膜厚度的測(cè)定》,2019版換版時(shí)新增加了光干涉法(6C條款),由于白光干涉法在涂層厚度檢測(cè)尚未廣泛應(yīng)用,不同的設(shè)備廠家具體應(yīng)用和軟件算法具有自己的特色,所以該標(biāo)準(zhǔn)僅介紹了測(cè)定原理,未對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行規(guī)定。ASTM D8331/D8331M-20《Standard Test Method for Measurement of Film Thickness of Thin-Film Coatings by Non-Destructive Means Using Ruggedized Optical Interference》第1版于2020年生效實(shí)施,標(biāo)準(zhǔn)中指出,測(cè)定涂層厚度的重復(fù)性為0.5 μm,再現(xiàn)性為1.5 μm。該ASTM檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)就是在美國(guó)SpecMerix光干涉測(cè)厚儀應(yīng)用的基礎(chǔ)上編制的,近兩年該設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)換代,檢測(cè)精度由原來(lái)的3%提高至1%,可測(cè)的彩涂板厚度可達(dá)75 μm,檢測(cè)時(shí)間不超過(guò)0.5 min。本文對(duì)光干涉在彩涂板涂層厚度測(cè)定的應(yīng)用研究,也是基于這款設(shè)備進(jìn)行的。

2.2 光干涉法的原理

光干涉法采用可見(jiàn)光或者近紅外光線檢測(cè)中的光干涉原理,檢測(cè)過(guò)程中不破壞涂層,對(duì)人體無(wú)害,且對(duì)涂層品種和顏色敏感性低。該檢測(cè)方法的原理見(jiàn)圖1和圖2[9]。當(dāng)光束照射在覆蓋涂層的試樣上,部分光線會(huì)從試樣表面反射出去,部分光線在有機(jī)涂層內(nèi)發(fā)生折射,經(jīng)折射的部分光束又會(huì)再次從基板反射出去。這兩束反射光振動(dòng)頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定,就會(huì)形成干涉光譜[10]。

圖1 光干涉示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical interference

圖2 光干涉光路圖Fig.2 Light path diagram of optical interference

根據(jù)圖2的有機(jī)涂層的光干涉光路圖,得到A1和A2兩束光的干涉相位差[9]見(jiàn)式(1):

(1)

式中:λ為光波波長(zhǎng);d為涂層薄膜的厚度;n為涂層薄膜的折射率;β為光束在涂層下表面的反射角。其中β的大小與入射角α和涂層薄膜折射率n有關(guān),當(dāng)入射角α為0°時(shí),即光束垂直試樣表面照射,SpecMerix光干涉測(cè)厚儀就是這種光束照射角度,則β=α=0°。所以,該干涉法測(cè)定的彩涂板涂層厚度,與涂層折射率、光波波長(zhǎng)等因素有關(guān)。

當(dāng)SpecMerix干涉測(cè)厚儀探頭接收到光譜圖數(shù)據(jù)之后,傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng),就會(huì)自動(dòng)對(duì)干涉條紋進(jìn)行分析,反推出涂層厚度d。經(jīng)多次重復(fù)計(jì)算,排除噪聲干擾后,最后可得出一個(gè)誤差在1%左右的精確數(shù)值,這是光干涉法測(cè)定彩涂板涂層厚度的最大優(yōu)勢(shì),其檢測(cè)精度明顯優(yōu)于目前的檢測(cè)方法。由于光束穿過(guò)大于75 μm的不透明涂層后,再次反射光的強(qiáng)度與噪聲相當(dāng),則無(wú)法測(cè)定其涂層厚度,這也是光干涉法目前測(cè)定彩涂板涂層厚度的局限性。

3 光干涉法的影響因素

采用光干涉法測(cè)定彩涂板涂層厚度的影響因素主要有涂層折射率、波長(zhǎng)范圍和膜厚范圍等。

3.1 涂層折射率

為了考察光干涉法涂層折射率對(duì)涂層厚度測(cè)定結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)如下試驗(yàn):在SpecMerix干涉測(cè)厚儀軟件中建立不同的測(cè)量方法,分別設(shè)定不同的折射率參數(shù),膜厚范圍設(shè)定均為9.5～31.5 μm,同時(shí)確保其他參數(shù)均相同(波長(zhǎng)范圍和其他對(duì)有效數(shù)據(jù)比率有影響的參數(shù)),分別測(cè)定某灰色家電彩涂板的涂層厚度。設(shè)定不同折射率與涂層厚度測(cè)定結(jié)果,見(jiàn)圖3。從圖3可知,該彩涂板涂層厚度測(cè)定結(jié)果與折射率成線性負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)接近-1。這個(gè)測(cè)定結(jié)果與本文公式(1)的描述是一致的,涂層厚度的測(cè)定結(jié)果與折射率的設(shè)定有直接關(guān)系。

圖3 涂層厚度與折射率的線性回歸Fig.3 Linear regression between coating thickness and refractive index

雖然近兩年采用干涉法測(cè)定彩涂板涂層厚度在歐美等國(guó)家有了應(yīng)用實(shí)例,但畢竟還是處于起步階段,其檢測(cè)結(jié)果與其他方法存在一定的差異。主要原因是采用干涉法時(shí),需要知道被測(cè)試樣涂層的折射率。而對(duì)于不透明的有機(jī)涂層來(lái)說(shuō),目前沒(méi)有技術(shù)手段測(cè)定其折射率。所以大部分情況是依據(jù)檢測(cè)者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估值,這樣就會(huì)造成檢測(cè)誤差。另外,一些有經(jīng)驗(yàn)、有數(shù)據(jù)積累的鋼鐵公司會(huì)把相關(guān)參數(shù)作為機(jī)密。所以,要確保干涉法檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確,折射率參數(shù)需要不斷摸索。

折射率與介質(zhì)的電磁性質(zhì)密切相關(guān),可由相對(duì)電容率和相對(duì)磁導(dǎo)率來(lái)表征。影響介質(zhì)折射率的主要因素是分子團(tuán)、分子、原子、原子中的電子和原子核的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及相互間的約束關(guān)系。分子與原子在空間上的排列組合結(jié)構(gòu)越緊湊,折射率就越高。對(duì)于彩涂板來(lái)說(shuō),影響涂層折射率的因素主要有顏基比、涂料類型和涂料顏色等,而其中的關(guān)鍵影響因素是涂料的顏基比。所以,可以按照涂料顏基比的大小,估計(jì)其涂層的折射率。采用經(jīng)估計(jì)折射率的干涉法,其測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性,可用目前彩涂板涂層厚度測(cè)定方法來(lái)驗(yàn)證。

另外,在實(shí)際的檢測(cè)工作中,發(fā)現(xiàn)彩涂板某些特殊涂層,如部分金屬漆,其折射率與涂層厚度線性不相關(guān)。這可能是由于涂層中的金屬鋁粉的含量、顆粒大小及排列方式等,影響到光的折射。關(guān)于這類問(wèn)題的解決,我們的探索工作仍在進(jìn)行。

3.2 波長(zhǎng)范圍

為考察SpecMerix干涉測(cè)厚儀軟件中波長(zhǎng)范圍設(shè)定對(duì)涂層厚度測(cè)定結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案:采用相同的試樣,在干涉測(cè)厚儀軟件中建立測(cè)量方法時(shí),分別設(shè)定不同的波長(zhǎng)范圍,膜厚范圍設(shè)定均為9.5～31.5 μm,同時(shí)確保其他參數(shù)均相同(折射率和其他對(duì)有效數(shù)據(jù)比率有影響的參數(shù))。該試樣涂層厚度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知,波長(zhǎng)范圍的改變對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響有限,這也許是因?yàn)?在儀器允許設(shè)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi),波長(zhǎng)范圍的改變對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響貢獻(xiàn)很小。一般情況下,采用SpecMerix干涉測(cè)厚儀測(cè)定彩涂板正面涂層厚度時(shí),波長(zhǎng)范圍在500～700 nm范圍內(nèi)選取。若波長(zhǎng)范圍設(shè)定過(guò)小,如表2中的最后一組數(shù)據(jù),會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果有明顯影響,這主要是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)范圍設(shè)定太小,遺漏很多有效的干涉信號(hào)。一般情況下,波長(zhǎng)范圍設(shè)定需滿足最大波長(zhǎng)和最小波長(zhǎng)的差不小于100 nm。若波長(zhǎng)范圍設(shè)定過(guò)大,接收到大量干擾信號(hào),影響到有效數(shù)據(jù)的比例(儀器有效數(shù)據(jù)比例一般設(shè)定為20%),會(huì)造成干涉測(cè)厚儀無(wú)讀數(shù)。

表2 不同波長(zhǎng)范圍的涂層厚度檢測(cè)結(jié)果Table 2 Testing results of coating thickness in different wavelength ranges

3.3 膜厚范圍

為考察干涉測(cè)厚儀軟件中厚度范圍設(shè)定的影響,設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案:采用相同的試樣,在干涉測(cè)厚儀軟件中建立測(cè)量方法時(shí),分別設(shè)定不同的膜厚范圍,波長(zhǎng)范圍設(shè)定均為540～675 nm,同時(shí)確保其他參數(shù)均相同(折射率和其他對(duì)有效數(shù)據(jù)比率有影響的參數(shù))。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。若膜厚設(shè)定范圍過(guò)窄,檢測(cè)到的厚度值為比較窄的范圍,這樣就會(huì)遺失大部分真實(shí)厚度值的信號(hào),檢測(cè)結(jié)果偏離了真實(shí)情況,會(huì)造成測(cè)定結(jié)果偏差大。一般情況下,測(cè)定彩涂板正面涂層厚度時(shí),膜厚范圍設(shè)定需不小于10 μm。若膜厚范圍設(shè)定過(guò)大,對(duì)于干涉光譜圖不復(fù)雜的產(chǎn)品來(lái)說(shuō),對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響不大,對(duì)于光譜圖復(fù)雜的產(chǎn)品來(lái)說(shuō),受到峰值容差和邊緣容差的影響就比較明顯,最終會(huì)影響有效讀數(shù)的比例,若該比例下降到一定比例,就會(huì)造成設(shè)備無(wú)讀數(shù)。

表3 不同膜厚范圍的涂層厚度檢測(cè)結(jié)果Table 3 Testing results of coating thickness in different film thickness ranges μm

除以上折射率、波長(zhǎng)范圍設(shè)定和膜厚范圍設(shè)定影響到涂層厚度檢測(cè)結(jié)果外,還有探頭高度、高度閾值、峰值容差、邊緣容差和平滑的參數(shù),這些參數(shù)是設(shè)備檢測(cè)時(shí)的設(shè)定條件,會(huì)影響到光譜圖數(shù)據(jù)及儀器軟件對(duì)光譜數(shù)據(jù)的計(jì)算分析,若設(shè)定不當(dāng),儀器沒(méi)有讀數(shù)或有讀數(shù)但讀數(shù)偏差較大。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 測(cè)量系統(tǒng)分析

采用不同涂層厚度的彩涂板,分別用光干涉法和目前常用的檢測(cè)方法千分尺法和磁性—渦流儀法進(jìn)行MSA分析,分析結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可知,光干涉儀的R&R分析結(jié)果為3.4%,遠(yuǎn)小于千分尺的12.3%和磁性—渦流儀的9.8%,且小于對(duì)檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)10%的要求,所以該檢測(cè)方法是可被接受的。

表4 MSA分析結(jié)果比較Table 4 Comparison of results of MSA analysis

為了進(jìn)一步考察光干涉法測(cè)定彩涂板涂層厚度的重復(fù)性,分別采用光干涉儀設(shè)備自帶標(biāo)樣(4.03 μm)和熱鍍鋅基板彩涂板(18.7 μm),同一人短時(shí)間內(nèi)重復(fù)檢測(cè)膜厚14次,并與磁性—渦流儀法進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)表5。光干涉儀測(cè)定設(shè)備標(biāo)樣(4.03 μm)的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.01和0.005 μm,符合該設(shè)備說(shuō)明書(shū)中檢測(cè)精度1%的要求。這說(shuō)明只要干涉儀的檢測(cè)條件設(shè)定合適,可以確保較高的檢測(cè)精度。光干涉儀測(cè)定熱鍍鋅基板彩涂板(18.7 μm)的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.16和0.044 μm,而磁性—渦流儀的測(cè)定結(jié)果分別為1.00和0.250 μm,光干涉儀的測(cè)定結(jié)果明顯優(yōu)于磁性—渦流儀的測(cè)定結(jié)果,光干涉儀測(cè)定結(jié)果受儀器自身波動(dòng)影響更小,結(jié)果更穩(wěn)定。

表5 重復(fù)性結(jié)果比較Table 5 Comparison of repeatability μm

4.2 對(duì)比試驗(yàn)

取不同時(shí)間生產(chǎn)的PE白灰彩涂板,分別采用光干涉法和目前方法(千分尺法和磁性—渦流儀法)測(cè)定其涂層厚度,共收集75對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)。然后在這75對(duì)數(shù)據(jù)中,將干涉法測(cè)定膜厚結(jié)果與目前方法測(cè)定結(jié)果的差值,作直方圖見(jiàn)圖4。從直方圖看出,這些差值數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布。再對(duì)這些差值數(shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)的符號(hào)秩檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量P=0.193大于0.05,說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)差異中位數(shù)與0不存在明顯差異,即干涉法的測(cè)定結(jié)果與目前方法沒(méi)有明顯差異。

圖4 光干涉法與目前方法涂層厚度差值的直方圖Fig.4 Histogram of the difference in coating thickness between optical interferometry and current methods

圖5 光干涉法與目前方法涂層厚度差值的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Fig.5 Statistical test of coating thickness difference between optical interference method and current method

從上述75個(gè)試樣中,抽取一個(gè)試樣,分別采用干涉法和其他檢測(cè)方法測(cè)定其涂層厚度,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6,金相顯微鏡法的測(cè)定結(jié)果另見(jiàn)圖6。從表6和圖6可知,該試樣干涉法測(cè)定結(jié)果與千分尺法、鉆孔破壞式顯微觀察法和金相顯微鏡法測(cè)定結(jié)果差異不超過(guò)1 μm,該差異是可以接受的。

表6 不同方法涂層厚度檢測(cè)結(jié)果比較Table 6 Comparison of test results of coating thickness by different methods μm

圖6 金相顯微鏡法測(cè)定結(jié)果Fig.6 Results of determination by metallographic microscope

5 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,近兩年光干涉法測(cè)定涂層厚度的應(yīng)用,被檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)ISO 2808和ASTM D8331納入到其中,該檢測(cè)方法的重復(fù)性為0.5 μm,再現(xiàn)性為1.5 μm,優(yōu)于目前彩涂板涂層厚度的檢測(cè)方法。本文采用SpecMerix干涉測(cè)厚儀對(duì)彩涂板涂層厚度的測(cè)定進(jìn)行研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1) 一般情況下,彩涂板涂層厚度測(cè)定結(jié)果與折射率成線性負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)接近-1,而波長(zhǎng)范圍和膜厚范圍設(shè)定對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響很有限,但其設(shè)定范圍要合適。

(2) 通過(guò)MSA分析,光干涉儀測(cè)定彩涂板的R&R分析結(jié)果為3.4%,明顯優(yōu)于目前彩涂板的檢測(cè)設(shè)備。

(3) 本文以PE白灰彩涂板為例,采用光干涉法和目前方法進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn),經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)兩者檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有明顯差異,這種既準(zhǔn)又快的檢測(cè)方法可以應(yīng)用于彩涂板涂層厚度檢測(cè)(不超過(guò)75 μm)。