65Mn钢板电镀镍层厚度的增量磁导率检测方法

2020-08-14何存富丁冬冬刘秀成

北京工业大学学报 2020年7期

何存富，丁冬冬，刘秀成，马坤，吴斌

(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124)

电磁测量法是评估金属构件表面镀层厚度的常用方法. 例如Li等[1]利用涡流检测技术对燃气轮机叶片上的热障涂层(thermal barrier coating,TBC)厚度进行了定量测试，分析了多层导电结构中涡流对分层导电结构的响应. 楼敏珠等[2]针对碳钢基体上非铁磁性镀层，研制出高精度涡流测厚仪. 但上述应用主要针对非铁磁性镀层，镀层厚度的变化主要改变涡流线圈与试件的提离.

对于铁磁性构件表面的铁磁性镀层测厚问题，涡流法的应用报道较少，有研究表明[3-4]其主要原因是：1) 铁磁性镀层初始磁导率高，采用高频涡流的穿透深度有限；2) 镀层内应力的存在导致各处的初始磁导率存在差异，测量性能与检测位置相关. 因此，一般需采用较强磁场对镀层进行交流磁化，分析磁化过程中的电磁响应对镀层进行表征，克服材料初始磁化状态差异导致的检测性能不同. 针对S25C碳钢(相当于国标25钢)表面的镀镍层测厚，Gotoh等[5]利用U型电磁铁对试件进行磁化，检测频率为1 kHz，通过综合分析磁路内的磁通量密度和涡流信号的相位变化实现了镍层厚度的有效检测.

另一方面，增量磁导率方法也是检测构件表面特征层(如白层、硬化层等)的有效方法[6-8]，主要利用材料低频磁化过程中的高频涡流检测，获取丰富的磁特征信号对表层材料进行无损表征.

本文实验研究增量磁导率检测方法对65Mn钢板表面的镀镍层厚度的表征能力. 重点分析了增量磁导率检测过程中，同时获得的切向磁场强度[9-10]、涡流信号[11-12]和增量磁导率曲线[13-15]的特征参量随镀层厚度的变化规律. 分析的多种参量与镀层厚度间存在良好线性关系，但归一化灵敏度和重复测试结果的变异系数存在差异.

1 检测原理与实验测试

1.1 增量磁导率检测原理

增量磁导率是指铁磁性材料交流磁化过程中，磁感应强度增量与外加磁场增量的比值. 增量磁导率随外加磁场的变化曲线是反映材料磁特性的重要形式之一. 对于含镀层的铁磁性材料而言，镀层材料及其厚度的变化，会改变材料的增量磁导率曲线.

增量磁导率的标准测试技术难以直接用于工程检测，德国Fraunhofer-IZFP提出一种等效测量方法[16]：对材料进行高、低频叠加磁化，一般采用线圈或霍尔元件获取感应电压信号，经过低通滤波处理可得到切向磁场强度H(t)；经带通滤波后的信号，通过正交解调等方式可提取出涡流阻抗的虚部RIM，其与切向磁场强度H(t)的关系曲线即为增量磁导率蝶形曲线.

在增量磁导率测试过程中，可以同步得到切向磁场信号、涡流阻抗信号和增量磁导率曲线，提取丰富的磁参量，对镀层厚度进行无损表征.

1.2 试样制备

采用电解方法在65Mn薄钢板表面形成不同厚度的镀镍层. 将5块65Mn薄钢板试样同时浸入电解槽溶液中进行电镀，每间隔1 h取出1个试样，以得到具有不同厚度镀层的试件. 预留1块未经电镀处理的65Mn薄钢板作为对比试件，其厚度为(598±0.21)μm. 针对5块电镀处理试件，电镀前后采用千分尺对试件厚度进行6次重复测试，试样表面镀层厚度测量结果如表1所示.

1.3 实验系统设计

增量磁导率测试系统如图1所示，其中测试所用的传感器主要包括激励线圈、铁氧体磁芯和霍尔元件. 磁芯的横截面积为13.6 mm×14.3 mm，磁芯顶部的激励线圈由线径为0.38 mm的漆包铜线绕制350匝而成. 霍尔元件(SS39E,Honeywell)放置磁芯的中心位置处，与被测试样表面的提离距离为0.3 mm，用以接收试样磁化过程沿水平方向的磁场强度.

测试系统由基于LabVIEW的主控软件进行参数设置和指令发送，使用National Instruments公司的SCB-68A激励板卡产生高低频叠加正弦波作为激励电压信号. 激励信号通过KEPCO BOP-400L双极性电源进行放大后，施加到激励线圈. 激励信号中的低频成分选用1 Hz、6Vpp的正弦波，主要用于提供低频高强度磁场使被测试件磁化；相对较高频率的正弦波(100 Hz，1Vpp)，用于在材料磁化过程中激发涡流场. 激励信号经双极性电源放大后输出至激励线圈，电流有效值为1.80 A，功率为7.78 W. 激励电压信号U0(t)与霍尔元件输出电压信号U1(t)均被采集板卡同步采集，采样频率为10 kHz. 典型的U0(t)和U1(t)信号波形如图2所示. 可以看出，由于材料具有非线性磁滞特征，在低频正弦励磁场作用下，霍尔元件测得的切向磁场强度信号并非标准正弦而存在波形畸变. 在高频涡流场作用下，检测得到的高频涡流信号也随低频磁化过程而存在差异. 一方面，表明霍尔元件检测的高、低频信号均携带了表层试件信息；另一方面，需讨论磁化周期内低频和高频成分对试件表面镀层厚度变化的灵敏度，以实现镀层厚度的最优表征.

2 信号处理方法与特征参量提取

图2(b)所示信号中包含丰富的材料磁特性信息. 为分析该信号对65Mn钢板表面镀镍层的敏感性，分别对信号的高、低频成分进行数字信号处理和特征参量提取.

2.1 切向磁场谐波分析

对图2(b)信号进行低通滤波处理，滤波器类型为巴特沃斯，截止频率为9 Hz，得到低频切向磁场H(t). 以未经电镀处理的原试样表面测得的切向磁场强度信号H(t)为基准，对其余5个电镀镍层试样表面测得的H(t)进行求差处理，计算结果如图3(a)所示. 由图可见，材料表面的切向磁场强度信号均存在波形畸变，且畸变程度与镀层厚度相关.

切向磁场强度信号包含大量谐波成分，对H(t)进行频谱分析，如图3(b)所示，在频域内对切向磁场强度信号的谐波成分进行统计观察，提取基波幅值A1和3、5、7阶奇次谐波幅值A3、A5、A7，用于镀层厚度的表征参量.

2.2 涡流阻抗幅值

将图2(b)所示信号输入二阶巴特沃斯带通滤波器，中心频率为100 Hz，通带带宽为10 Hz，处理得到高频涡流信号，时域波形如图4(a)所示. 可以看出，在不同磁化时刻(外加磁场强度不同，材料的磁导率也不同)，涡流信号的幅值存在较大波动. 在时域内提取参量对镀层厚度进行表征与磁化时刻有关. 这里采用频谱分析方法，计算涡流阻抗幅值. 图4(b)所示为图4(a)信号的幅频谱，通过提取主频(100 Hz)幅值B1、一阶和频分量(102 Hz)幅值B2和一阶差频分量(98 Hz)幅值B3，作为镀层厚度表征参量.

2.3 增量磁导率曲线

为分析图4(a)所示信号波形随磁化时刻的变化规律，依据文献[17]，采用正交解调方法计算波形的虚部分量，其随低频切向磁场的变化规律即为蝴蝶形增量磁导率曲线. 增量磁导率曲线反映了不同磁化状态下材料中的磁导率信息，典型结果如图5所示. 具体分析过程如下：

1) 将两组相位相差90°的谐波信号r1(t)=Arsin 200πt，r2(t)=Arcos 200πt分别与图4(a)信号相乘，得到时域信号R1(t)和R2(t).

2) 对R1(t)和R2(t)进行低通滤波，可分别得到U1(t)和U2(t).

图5给出了所有试样中检测得到的增量磁导率曲线，从图中可以观察得出，不同磁化强度条件下，虚部与镀层厚度的关系存在差异. 这里通过提取曲线的峰值μmax及峰值位置Hmax、半峰宽DH50max作为后续分析参量.

3 结果与讨论

对所有试样逐一进行增量磁导率检测，共重复进行5次实验. 采用第2节所述方法提取多类特征参量，分析它们与镀层厚度的关系.

3.1 镀层厚度的切向磁场检测结果

分析结果显示，切向磁场的基波幅值A1以及奇次谐波幅值A3、A5和A7均随镀层厚度变化呈现近似线性变化规律. 图6(a)给出A1、A5与镀层厚度的关系，利用线性方程拟合谐波幅值与镀层厚度的关系，方程的拟合优度系数分别为R2=0.992 8、R2=0.990 3，可见切向磁场的奇次谐波幅值可近似线性表征镀层厚度.

3.2 镀层厚度的涡流阻抗幅值表征

图7给出涡流信号主频及和频、差频分量幅值的分析结果. 可以看出，3个幅值(B1、B2、B3)与镀层厚度存在良好线性关系(R2>0.980 0)，均可作为镀层厚度的表征参数. 相比和频与差频而言，主频幅值与镀层厚度的线性相关程度更高(R2=0.994 2).

3.3 镀层厚度的增量磁导率检测方法

图8给出了增量磁导率曲线中提取参量与镀层厚度的关系. 增量磁导率峰值对应的磁场强度Hmax与材料矫顽力有关. 由于镍的矫顽力小于65Mn钢，当从无镀层试件过渡至有镀层试件时，Hmax取值下降. 随着镍层厚度的增加，峰值μmax的位置Hmax往低磁场强度偏移，且偏移规律可以用线性近似描述. 半峰宽重复检测结果的均值随镍层厚度增加也呈近似线性下降趋势. 利用线性方程拟合峰值与镀层厚度的关系，方程的拟合优度系数为R2=0.030 2，可见峰值μmax对镍层厚度变化不敏感.

为对比上述分析参量对镀层厚度的表征效果，选取归一化灵敏度和重复测试结果的变异系数为指标. 归一化灵敏度的计算步骤为：

1) 针对单一参量，以参量均值中最大值为基准，对所有结果进行归一化.

2) 利用线性拟合方法确定镀层厚度与归一化均值间的关系方程y=kx+b.

3) 方程的系数k即代表参量对镀层厚度的归一化灵敏度，反映了单位镀层厚度变化引起的参量取值变化百分比S.S取值越大，表明参量对镀层厚度变化更灵敏.