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1、.带涂层金属零件表面缺陷的无损检测综述Research on NDT for Coated Metal Surface Detects张颖志徐志祥(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024)摘要现阶段，对带涂层的金属零件表面进行探伤检测时，需要去除表面涂层以保证 检测的精确性。然而涂层的去除会严重地降低检测效率，增加繁琐工序。因此，研究带 涂层金属表面缺陷的直接检测已经成为新课题。针对国内外一些可行的直接检测方法进 行了综述。介绍金属表面裂纹的成因、特点，对现有的多种检测方法进行了详细概述，并且总结了直接检测方法的问题与趋势。为今后带涂层金属表面探伤方法的深入研究提 供可鉴之处。关键词涂
2、层；金属表面缺陷；直接检测；无损检测 中图分类号TG115.28文献标识码A*;引言近年来，无损检测技术在航空航天、铁路运 输、管道运输等诸多领域发挥着巨大作用。不仅 对保障设备的可靠运行和人身安全有重大意义， 为国家和企业也带来了更多经济效益。金属作为常用的材料被广泛地应用于工业生 产制造中。然而金属零件在交变载荷等的作用 下，易产生疲劳裂纹损伤，进而引发重大事故。 疲劳裂纹多由微裂纹萌生于零件表面，继而扩 展，最后导致零件断裂。现阶段，对表面带涂层 的金属零件表面探伤时，需要去除表面涂层来保 证检测的准确性。这样做造成工序繁琐，检测效 率低。因此，针对免去除涂层而直接检测的研究 迫在眉睫。
3、本文基于五大无损检测方法对带涂层金属表 面缺陷的直接检测进行综述，以检测原理的不同 分为热像、电磁、声波三类。详细介绍了各种检 测方法及其对比分析，总结了直接检测存在的问题及发展趋势。1带涂层金属表面裂纹检测概况目前，普遍采用的五大常规无损检测方法为： 超声检测；射线检测；涡流检测；磁粉检测；渗 透检测。近些年来，又不断涌出新的检测技术如 扰动磁场检测技术（ACFM);微波技术；红外技 术等。对于带涂层金属表面缺陷的直接检测，受限 于涂层使得常规检测方法不再适用。常规超声检测是目前应用较广的_种检测方 法，但是超声存在近场盲区，主要用于零件的内 部缺陷检测，对于表面缺陷检测效果较差；磁粉 检测
4、应用于大型铁磁类零件的表面及近表面探伤， 对被检件的表面光滑度要求较高，当检测表面带 涂层时，为防止产生伪裂纹信号需要去除表面保 护层；渗透检测仅适合表面开口裂纹检测，对表 面带涂层的零件不能检测；射线较适合于内部缺 陷的检测。由此可知，涂层的存在使得一些常规的检测 方法不再适用。因此，本文就近些年发展出的一 些可行的无损检测方法进行了总结，并对其进行 了对比分析。2热像法热像检测法基于热力学第二定律1，通过热像 仪来记录因缺陷引起的零件表面温度变化，经过 信号处理和图像处理，分析温度云图来判断试件 有无缺陷。根据热激励源的不同，详细介绍脉冲 热像法和涡流热像法。两种方法的特点及应用范 围的比
5、较见表1。2.1脉冲热像法脉冲热像检测也称红外热像检测。使用脉冲闪 光灯对试件进行加热，应用热像仪对采集到的温度 信号进行分析，判断缺陷的有无。当被检件带涂 层时，由于涂层的发射率大于金属的发射率，所以 涂层的存在相当于增加了金属的发射率。因发射 率的不同会对温度值的测量有很大影响，在检测 时，需准确设定发射率。同时需要根据涂层的特 性来确定脉冲闪光灯的加热强度和加热时间。当 检测金属材料时，由于金属导热快，易达到热平 衡，所以需要辅助更加快速高效的冷却手段和加 热手段。国外C. Dalton等2利用红外扫描系统对黒漆下 钢板表面裂纹进行了研究，分析了裂纹与热流方 向呈不同角度时对检测结果的影
6、响。美国TWI公 司开发了一套便携式的热探测系统，采用全新的 处理方法，对每个像元方程进行微分到图像序列 重组并显示，与传统的红外检测技术相比大大缩减 了检测时间3。红外热像检测的不足之处是灵敏度易受背景 辐射干扰和裂纹深度的影响，微小裂纹的探出能 力较弱，所以其适用于材料表面及近表面大裂纹 缺陷的检测。2.2涡流热像法涡流热像法是涡流检测技术和热成像技术相 结合的一项新的无损检测方法。利用高频探头线 圈，在被测件上感应涡流，缺陷的存在将改变局 部涡流分布，即缺陷附近有涡流损失，消耗更多 电能，从而导致温度变化来判定缺陷的有无。与红外热像检测法相比，涡流热像法更适合 小裂纹类缺陷的检测。对于带
7、涂层金属零件表面 裂纹的检测，涡流可以透过涂层直接作用于金属 表面4。南京航空航天大学的李托雅等5从仿真和实 验出发对电磁感应激励红外热像无损检测方法进 行研究，对不同材料（铁磁、非铁磁、复合材 料）、不同缺陷（边界裂纹、亚表面裂纹）进行了 相关研究，从实验角度说明了涡流热像法的可行 性及优势。3电磁法3.1涡流检测涡流检测是基于法拉第电磁感应原理。施以 交变信号的激励线圈在被检试件上感应出涡流， 检测缺陷引起的涡流场变化来判别有无缺陷。涡 流检测主要分为单/多频涡流检测、远场涡流检 测、脉冲涡流检测。单频涡流不能抑制和区别提 离、抖动等干扰信号，定量检测较困难。多频涡 流检测克服单频涡流检测
8、获得信息单一的缺点， 检测信号含有丰富信息，可满足更高检测需求6。 远场涡流技术广泛应用于金属腐蚀的检测，有较 高的灵敏度7。脉冲涡流检测激励信号常采用占表1热像检测方法比较检测方法特点应用红外热像法优点：激励受热面积大，检测效率高，数据处理简单。缺点：对热源均匀性要求高，检测的温差小，受试件表面发射率影响。大型飞机、轮船的腐蚀缺陷、面积 性缺陷的检测，不适合小裂纹检测。涡流热像法优点：受热均匀，数据处理的位相图不受表面发射率影响。缺点：数据处理复杂，需选择合适的激励频率，仅适用于导体类材料。导电类材料的表面及近表面裂纹， 腐蚀等缺陷检测。空比可变的方波，涡流衰减慢，可检测金属表面 及较深的缺
9、陷8。涡流检测的优势在于可以在不去除表面涂 层的情况下方便可靠地检测出金属零件的表 面和近表面裂纹，涂层厚度相当于增加了提 离高度。空军工程大学的曹海霞等9运用ANSYS对提 离效应进行了仿真，对于圆柱形激励线圈，铝板 试件随着提离高度增加感应信号的峰值增大，钢 板试件随提离增加感应信号峰值减小。但当涂层 不均、破损时会影响提离效应，使干扰严重，淹 没有用信号，不利于缺陷的检测。所以涡流检测 较适合涂层均匀，被检零件表面结构简单和平整 的导体材料。3.2交流磁场ACFM技术ACFM技术是近些年国内新兴的无损检测技 术。检测时将通交变电流的激励线圈靠近被检零 件，零件表面感应出电流，当零件中无缺
10、陷时， 感应电流线互相平行，试件表面为匀强磁场；有 缺陷时，会影响工件表面感应磁场的分布。通过 检测金属表面的磁场分布情况，就可以实现对表 面缺陷的有无10。ACFM技术利用电磁感应原理，可直接穿透 涂层对涂层下的金属进行探伤。但受涂层厚度 影响，检测灵敏度随涂层厚度的增加呈指数递 减。同时，检测灵敏度还受频率影响，检测时需 根据实际检测情况合理选择频率以达到最优检测 效果10。天津的海洋石油工程公司研究人员将ACFM 运用到带涂层钢结构焊缝的检测中，验证了 ACFM检测的可靠性，为应用于工程现场检验提 供了有效参考11。与涡流技术相比ACFM不需标 定，提离效应不明显，对表面要求低，检测结果
11、 准确。国外的ACFM技术研究较为成熟，英国已 有相关检测设备，国内ACFM研究多在理论和实 验研究阶段。如国防科技大学，南昌航空大学等 对其进行了理论研究，运用仿真软件进行仿真实 验，并对探头设计进行了研制。虽然国内ACFM起步较晚，但ACFM技术可适应水下、油污等恶 劣检测环境的优势，使其在未来的无损检测领域 将发挥重要作用。4声波法4.1微波检测技术微波检测是利用微波对金属材料的反射特性 及对非金属材料的穿透特性，通过接收反射回来 的微波信号，分析反射波能量的特征参数（幅值 等）从而辨别缺陷的一种检测方法17。微波检测灵敏度受涂层厚度和工作频率影响， 在检测时，需根据涂层厚度选择不同的工
12、作频率 探头，以提高检测灵敏度12。微波检测的探头主要有方形波导探头和同轴 线探头。方形波导探头通过检测TM波来判断试 件有无缺陷，较适合大面积的金属表面缺陷检测。 同轴线探头通过直接测量反射系数来判断缺陷有 无，探测信号显著，不需复杂的信号处理和识别 就可判断缺陷位置，可检测曲面或拐角等小面积 金属表面的缺陷13。对带涂层金属表面裂纹的检测中，研究结果 表明，同轴线探头可以较容易地检测涂层下的微 小的裂纹，并且对边缘效应不敏感；方形波导探 头检测涂层下裂纹时受边缘效应和提离效应影响 较显著14。随着研究的深入，研究学者们又尝试使 用双频微波探头实现了对超声波盲区0.2mm的涂 层下裂纹的检测
13、，得出反射系数范围是0.37 0.43dB15。微波技术也存在着局限性，在检测长裂纹时 仅可给出裂纹长度和位置，不能确定裂纹深度； 在检测复合材料的脱粘情况时，仅可确定是否存 在脱粘情况而不能确定脱粘面积16。因此，可将微 波检测技术与其他无损检测技术相结合，发挥其 检测的优势。4.2激光超声技术激光超声检测是集光、声、热、电等多个学 科交叉的无损检测技术。利用高能量的激光源激励 被测试件表面，从而产生表面局部温度的变化，表2部分检测方法对比检测方法特点应用红外检测优缺检测效率高，对复杂零件的表面、近表面缺陷敏感，检测范围广。 检测精度低，缺陷定量分析困难。复合材料中的分层、脱粘；金属 材料的
14、点蚀、腐蚀类缺陷。涡流检测优缺非接触测量，检测效率高。受干扰因素较多，对表面复杂零部件无法检测，提离效应严重。形状简单的导电材料表面裂纹、 凹坑等缺陷。ACFM检测优缺设备简单，对被检表面要求不高。 仅适合铁磁类材料的缺陷检测。恶劣环境下的金属材料缺陷，带有保 护层下的铁磁类材料等的裂纹缺陷。微波检测优缺:非接触测量，贯穿非金属材料能力强，易于实现自动化。不能检测金属类材料的内部缺陷，灵敏度受频率限制，分辨率低。金属表面裂纹，航空复合材料的 气孔、脱粘等，材料的在线控制。激光超声检测优：无需耦合剂，非接触检测，灵敏度高。 缺：光声转换效率低，超声接收灵敏度较低。表面残余应力，材料厚度，温度 等
15、；薄壁管道、板材、飞机组合 部件等的探伤。?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, -9-产生的热膨胀作用在试件中形成了弹性应力波， 即超声波。当超声波遇到缺陷时，会发生反射， 对反射信号进行数据处理和分析，从而判断有无 缺陷同。检测带涂层零件时，激光能量选择至关重 要。能量较大会对涂层产生烧蚀作用，较小则激 发的超声波较少，不利于缺陷探伤。为了达到较 好的检测效果，可通过其他增强技术来控制激光 能量。可通过使用线性光束代替点源激励，不仅 不会增加激光能量密度，而且对被
16、检件表面无损。 此时的近场区超声表面波振幅随接收距离的变化 影响较小，对表面及近表面缺陷可实现大范围的 扫描18。还可通过聚光强的干涉仪增加激光的入 射能力19。激光超声技术与常规超声相比，无需耦合 剂，克服了超声的近场盲区，使得检测精度可 达微米级，实现微裂纹的准确检测。不过在光 声能量转换效率低和超声波接收灵敏度低的问 题上还有待进一步深入研究。但激光超声技术 的诸多优势和无限潜力将会使其在无损检测领 域发展更为广阔。红外、涡流、ACFM、微波和激光超声等5 种检测方法对比见表2。5结束语本文总结了带涂层金属零件表面裂纹直接检 测的特点，对可行的无损检测方法进行了详细介 绍和对比分析。热像
17、检测需综合考虑选择适当的 激励能量以不损伤涂层表面；涡流检测在涂层不 均匀、破损的情况下会使提离效应显著，对探伤 不利；ACFM的磁场灵敏度随着涂层厚度变化成 指数递减。微波检测技术需要通过涂层厚度来选 择不同的工作频率才能达到较好的检测灵敏度。 激光超声技术的声波在涂层中衰减较大，需在激 光聚光技术上加以增强，以增加涂层对激光的吸 收量。由上可知，带涂层金属零件的表面探伤技 术还有待深入研究。对带涂层的大型金属零件表面缺陷进行直接 检测已经成为发展趋势。在直接检测技术上， 检测系统灵敏度、参数设置等需与涂层物理特 性结合研究，以提高对缺陷的分辨力和灵敏度， 从而更准确地反映金属表面质量情况。
18、另外， 随着高精度图像传感器、信号处理技术以及精 密缺陷分类处理算法等技术的不断发展，为进 步对带涂层金属表面缺陷早期检测提供可行。参考文献：1 白利兵.电涡流脉冲热成像无损检测技术研究D.电 子科技大学，2013.2 Dalton C R， Olson B W， Lai F C. Nondestructive evaluation of surface defects using scanning infrared thermography J. Journal of Thermophysics and Heat Transfer，2009, 23(4): 7167243 孙全胜，李涛.红外
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