特種設(shè)備表面電刷鍍層厚度的超聲波評(píng)價(jià)研究

蓋曉東 胡慶賢

（1.廈門市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 廈門 361004）

（2.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

電刷鍍技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備零部件（如鍋爐、重型機(jī)械等）表面修復(fù)與強(qiáng)化的表面工程技術(shù)，由于該技術(shù)具有使用方便、操作靈活、可在復(fù)雜形狀工件表面進(jìn)行刷鍍等優(yōu)點(diǎn)使得該技術(shù)在工件表面的修復(fù)、尺寸補(bǔ)償（由腐蝕、磨損等引起）等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注[1-3]。鍍層厚度是保證修復(fù)后工件尺寸的重要因素，因而如何對(duì)鍍層厚度進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)保證修復(fù)質(zhì)量就顯得非常重要。金相觀察法是目前常用于鍍層厚度測(cè)量的一種方法，但由于該方法是在破壞試樣完整性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鍍層厚度評(píng)價(jià)的，因而并不適于對(duì)刷鍍期間以及所有刷鍍工件鍍層厚度進(jìn)行評(píng)價(jià)，這也就使得尋找可對(duì)鍍層厚度進(jìn)行無(wú)損表征的方法對(duì)推廣電刷鍍技術(shù)在機(jī)械零件表面修復(fù)與強(qiáng)化中的應(yīng)用顯得極為重要。

瑞利波[4]又稱表面波，是沿工件表面?zhèn)鞑サ囊环N超聲波，由于它具有使用方便、安全、無(wú)輻射、檢測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]表明，在瑞利波檢測(cè)范圍內(nèi)，瑞利波信號(hào)只與其檢測(cè)深度范圍內(nèi)材料的特征參數(shù)有關(guān)，即隨著電刷鍍層厚度的改變，在電刷鍍層內(nèi)的瑞利波信號(hào)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，因而如何對(duì)攜帶與鍍層厚度有關(guān)信息的瑞利波信號(hào)進(jìn)行分析處理并提取出可用于評(píng)價(jià)電刷鍍層厚度的參量對(duì)實(shí)現(xiàn)電刷鍍層厚度的無(wú)損評(píng)價(jià)就顯得非常重要。針對(duì)這一問(wèn)題，本試驗(yàn)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(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，在互相關(guān)函數(shù)[6]計(jì)算信號(hào)間時(shí)間差的基礎(chǔ)上得到鍍層厚度-時(shí)間差關(guān)系曲線，并通過(guò)冪函數(shù)擬合函數(shù)得到可用于評(píng)價(jià)鍍層厚度的公式。

1 信號(hào)分析處理方法

根據(jù)瑞利波在介質(zhì)中傳播規(guī)律可知，當(dāng)瑞利波檢測(cè)范圍大于電刷鍍層厚度時(shí)，隨著鍍層厚度的改變，瑞利波在電刷鍍層中的傳播速度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，但由于瑞利波波速對(duì)鍍層厚度的改變并不敏感，以及由于“噪聲”[7-8]信號(hào)對(duì)瑞利波信號(hào)的影響，因而，采用何種信號(hào)分析方法對(duì)電刷鍍層瑞利波信號(hào)進(jìn)行處理對(duì)保證鍍層厚度評(píng)價(jià)結(jié)果就顯得非常重要?；ハ嚓P(guān)函數(shù)法是目前眾多計(jì)算信號(hào)間微小時(shí)間差方法中的一種，由于它具有抗白噪聲干擾能力強(qiáng)，算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在微小時(shí)間差計(jì)算領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[9-12]表明，互相關(guān)函數(shù)法是在估算波形相似程度的基礎(chǔ)上計(jì)算信號(hào)間微小時(shí)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(hào)；

τ——信號(hào)間時(shí)間差。

根據(jù)式（1）可知，x(t)，y(t)信號(hào)幅值不同時(shí)，互相關(guān)函數(shù)值Rxy(τ)也不同，而由于“噪聲”對(duì)電刷鍍層瑞利波信號(hào)的影響，本試驗(yàn)中瑞利波檢測(cè)信號(hào)幅值并不相同，因而為了便于計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，本試驗(yàn)在互相關(guān)函數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行離散歸一化處理并得到互相關(guān)系數(shù)函數(shù)，見式（2）。

式中：

n——參考函數(shù)步長(zhǎng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 結(jié)果及理論分析

圖1是采用電刷鍍?cè)?5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(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，本試驗(yàn)采用中心頻率為5MHz的一發(fā)一收模式的雙瑞利波探頭對(duì)不同厚度的電刷鍍?cè)嚇舆M(jìn)行檢測(cè)，結(jié)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(shí)電刷鍍層試樣的瑞利波信號(hào)。根據(jù)圖2中瑞利波信號(hào)可知，隨著電刷鍍層厚度的增加，瑞利波信號(hào)逐漸向右移動(dòng)，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(guò)相同距離所用的時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，即傳播速度逐漸變小，但其變化速率并不相同。對(duì)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(huì)發(fā)生一定的“畸變”。對(duì)其分析認(rèn)為這主要是由于電刷鍍技術(shù)是以“尖端放電”效應(yīng)[13]為理論基礎(chǔ)，通過(guò)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(jù)瑞利波在介質(zhì)中傳播規(guī)律可知，瑞利波會(huì)在聲阻抗不同的物質(zhì)所形成的界面處發(fā)生反射、散射等現(xiàn)象，并形成干擾信號(hào)即“噪聲”，從而使原有信號(hào)波形發(fā)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(hào)

圖3 電刷鍍層微觀組織

根據(jù)圖2中瑞利波信號(hào)可知，當(dāng)鍍層厚度不同時(shí)，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(wú)損表征的一個(gè)參量，而由于鍍層厚度的改變對(duì)瑞利波波速的影響較小以及瑞利波信號(hào)中存在較多“噪聲”信號(hào)，因而由鍍層厚度改變而引起的信號(hào)間時(shí)間差的計(jì)算精度也就成為保證鍍層厚度評(píng)價(jià)結(jié)果的重要因素。式（2）表明，當(dāng)“噪聲”信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，互相關(guān)步長(zhǎng)n值是影響互相關(guān)系數(shù)函數(shù)計(jì)算結(jié)果的重要因素，因而本試驗(yàn)分別計(jì)算了不同n值時(shí)，不同厚度鍍層的瑞利波信號(hào)與參考信號(hào)間的時(shí)間差，并建立了鍍層厚度-時(shí)間差關(guān)系曲線，結(jié)果如圖4所示。為了便于描述，本試驗(yàn)假設(shè)瑞利波信號(hào)波形符合正弦規(guī)律。

圖4 電刷鍍層厚度-時(shí)間差關(guān)系曲線

以鍍層厚度為零時(shí)的瑞利波信號(hào)為參考信號(hào)，分別計(jì)算不同厚度鍍層的瑞利波信號(hào)與參考信號(hào)間的時(shí)間差。當(dāng)互相關(guān)系數(shù)函數(shù)步長(zhǎng)n值分別為1/4、1/2、3/4、1、5/4、3/2和7/4周期時(shí)，鍍層厚度-時(shí)間差曲線如圖4所示。對(duì)比分析可知，隨著鍍層厚度的增加，瑞利波在鍍層中通過(guò)相同距離所用的時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，這與圖2中瑞利波信號(hào)變化規(guī)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(hào)間時(shí)間差的變化速率逐漸變大。對(duì)比不同n值時(shí)鍍層厚度-時(shí)間差曲線可知，當(dāng)n值較小時(shí)，鍍層厚度-時(shí)間差曲線波動(dòng)較大，而隨著n值的增加，鍍層厚度-時(shí)間差曲線逐漸趨于平穩(wěn)；當(dāng)n值達(dá)到1時(shí)，再隨著n值的增加，鍍層厚度-時(shí)間差曲線基本重合，并且波動(dòng)較小。這主要是因?yàn)殡娝㈠儗咏M織中的“孔洞”缺陷引起的“噪聲”會(huì)使瑞利波波形發(fā)生一定程度的“畸變”，而由于互相關(guān)函數(shù)是在對(duì)比波形相似程度的基礎(chǔ)上計(jì)算信號(hào)間時(shí)間差的一種方法，因而當(dāng)n值較小時(shí)，波形“畸變”對(duì)互相關(guān)函數(shù)值影響較大，并且互相關(guān)函數(shù)最大值不明顯，即鍍層厚度-時(shí)間差曲線波動(dòng)較大；而隨著n值的增加，波形“畸變”對(duì)互相關(guān)系數(shù)函數(shù)值的影響逐漸變小，即互相關(guān)函數(shù)曲線逐漸趨于平穩(wěn)，如圖5所示。

圖5是鍍層厚度為78μm時(shí)，不同n值時(shí)的互相關(guān)函數(shù)曲線。對(duì)比分析可知，當(dāng)n值較小時(shí)，曲線波動(dòng)較大，最大值不明顯，并且計(jì)算結(jié)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(guī)律是相同的。綜合上述分析結(jié)果認(rèn)為，采用互相關(guān)系數(shù)函計(jì)算由于鍍層厚度變化而引起的瑞利波信號(hào)間時(shí)間差時(shí)，當(dāng)n值為1時(shí)，即參考函數(shù)長(zhǎng)度為1個(gè)周期時(shí)最佳。

圖5 不同n值時(shí)互相關(guān)系數(shù)函數(shù)曲線

2.2 結(jié)果驗(yàn)證

為了實(shí)現(xiàn)電刷鍍層厚度的無(wú)損評(píng)價(jià)，結(jié)合圖4中電刷鍍層厚度-時(shí)間差關(guān)系曲線變化趨勢(shì)，本試驗(yàn)采用冪函數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 鍍層厚度-時(shí)間差擬合及驗(yàn)證結(jié)果

形式冪函數(shù)對(duì)電刷鍍層厚度-時(shí)間差結(jié)果擬合得到的結(jié)果，可表示為：

圖6為采用

式中：

t——瑞利波在電刷鍍?cè)嚇又型ㄟ^(guò)相同距離所用的時(shí)間差；

h——電刷鍍層厚度。

為了驗(yàn)證采用式（3）對(duì)電刷鍍層厚度進(jìn)行評(píng)價(jià)的可行性，本試驗(yàn)采用相同工藝制備了測(cè)量厚度分別為34、42、55和83μm的電刷鍍?cè)嚇?，并采用式?）計(jì)算了不同厚度鍍層的瑞利波信號(hào)與參考信號(hào)間的時(shí)間差，計(jì)算結(jié)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(duì)誤差最大值為12.6%，在誤差允許范圍內(nèi)。分析可知由于“尖端放電”效應(yīng)，鍍層表面并不平整，因而瑞利波在鍍層中傳播時(shí)，瑞利波通過(guò)的實(shí)際聲程并不完全相同，因而鍍層厚度評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)有偏差。但相對(duì)于鍍層厚度而言，鍍層平整度對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響非常小，因而可忽略不計(jì)。綜合上述分析結(jié)果認(rèn)為采用該方法對(duì)電刷鍍層厚度進(jìn)行無(wú)損表征是可行的。

3 結(jié)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(guān)函數(shù)步長(zhǎng)n值的增加，電刷鍍層厚度-時(shí)間差曲線波形逐漸趨于平穩(wěn)，當(dāng)n值達(dá)到1時(shí)，再隨著n值的增加，電刷鍍層厚度-時(shí)間差曲線基本重合，因而認(rèn)為n值為1時(shí)，參考函數(shù)長(zhǎng)度最佳；

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，在互相關(guān)函數(shù)計(jì)算時(shí)間差的基礎(chǔ)上，采用聲程固定不變一發(fā)一收模式的雙瑞利波探頭對(duì)電刷鍍層厚度進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)鍍層厚度-時(shí)間差的冪函數(shù)擬合結(jié)果可實(shí)現(xiàn)電刷鍍層厚度的無(wú)損表征。

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