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使用超声涂层测厚仪

参考的产品。

见于以下期刊。今日精加工》,2008年2月;《材料性能》杂志,2004年9月;《质量摘要》杂志,2004年10月。

使用超声波涂层测厚仪
by David Beamish, DeFelsko公司

使用超声波测量技术的涂层测厚仪正变得越来越流行。它们支持或取代破坏性的方法来测量木材和木制品上的涂层厚度。

涂料有多种功能。有些是为了恢复、保护、防水和美化木材结构。其他的则是专门用来密封和填充孔隙,并提供美观的表面纹理。渗透性涂料被吸收到木材中并硬化,形成一个强大的保护屏障,不会剥落。

为什么要测量厚度?

涂料被设计成在制造商规定的严格的厚度范围内使用时才能发挥其预期功能。例如,转换清漆比其他涂料更硬,不应使用超过5密耳的干燥厚度,以防止开裂或其他表面故障。硝化纤维素漆通常应保持低于3密耳。在使用漆的底层和裂纹层时,一致的密尔厚度是最重要的,以达到理想的裂纹装饰效果。

在中密度纤维板(MDF)上,粉末涂料的厚度通常在3至9密耳之间。通常情况下,密尔覆盖率越厚,表面处理就越耐用。工厂规格通常要求规定±1密耳的公差。这种质量水平不能仅仅通过观察来确定。

精确测量涂层厚度还有其他好处。 当公司不能检查和验证来料的涂层质量时,他们就会浪费金钱来返工。通过检查喷涂操作员的技术,他们确保涂层的应用符合制造商的建议。此外,应用过厚的薄膜会大大降低整体效率。最后,定期检测可以减少内部返工和客户因精加工缺陷而退货的数量。

如何进行最佳测试?

在金属上,为了质量控制和检查的目的,测试涂层的厚度是很常见的。当基本金属是碳钢时,使用磁性方法。涡流设备用于其他金属,如铜和铝。

由于这些仪器不能测量木材上的饰面厚度,因此使用了其他的技术,包括。

  • 光学横断面(切割涂层部分并在显微镜下观察切口)
  • 高度测量(用千分尺测量前后的高度)。
  • 重量测量法(测量涂层的质量和面积以计算厚度)。
  • 将湿膜测厚仪浸入湿涂料中,用固体的体积百分比来计算干膜厚度
  • 替代(将钢券放在木质部分旁边,同时进行涂层)。

这些测试很耗时,难以执行,并受操作员解释和其他测量误差的影响。申请人发现破坏性的方法不切实际。为了得到一个具有统计学代表性的样本,作为破坏性测试过程的一部分,可能需要从一个批次的几个木制品中报废。

随着超声波仪器的到来,许多精加工企业转而采用非破坏性检测。

超声波的突破

质量专家已经熟悉了超声波测试的各个方面,其中高频声能被用来进行检查和测量。超声波测试可以检测和评估金属的缺陷,测量尺寸,确定材料特性等等。

壁厚测量可能是最常见和最简单的超声波测试。精密的超声波壁厚测量仪可以快速测量物体的厚度,而不需要接触到两面。然而,对于涂层测量,这些量具并不理想。它们没有足够的灵敏度来测量丙烯酸填料、工厂底漆、油漆、UV漆、粉末涂料和其他用于木材的材料的厚度。

图1 PosiTector 200 超声波涂层测厚仪。

第一台专门用于涂层厚度测量的手持式仪器14年前出现在市场上,现在已经进入第四代。它使用一个单元素的传感器和advanced 数值技术来过滤和增强数字化回声。今天的手持式超声波涂层测厚仪操作简单,价格合理,而且可靠(图1)。

一种声音测量技术

超声波测试的工作原理是在应用于表面的耦合器的协助下,用一个探头(换能器)向涂层发送超声波振动。

振动穿过涂层,直到它遇到具有不同机械性能的材料--通常是基体,但也可能是不同的涂层。在这个界面上部分反射的振动回到了传感器上。同时,一部分传输的振动继续超越该界面,并在它遇到的任何材料界面经历进一步的反射(图2)。

图2 超声波振动在涂层界面上的反射。

由于可能会出现大量的回音,测量仪的设计是选择最大或 "最响亮 "的回音来计算厚度测量。在多层应用中测量各层的仪器也倾向于选择最响亮的回音。用户只需输入要测量的层数,例如三层,测厚仪就会测量三个最响的回音。测量仪忽略了来自涂层缺陷和基材层的较柔和的回声。

测量精度

任何超声波测量的准确性都直接与被测材料的声速相关。因为超声波仪器测量的是超声波脉冲的传输时间,它们必须根据该特定材料的 "声速 "进行校准。

从实用的角度来看,声速值在木材工业中使用的涂层材料之间没有很大的差异。因此,超声波涂层测厚仪通常不需要对工厂校准设置进行调整。

涂层与基材的结合处

影响超声波测量的准确性和可重复性的一个因素是这些涂层如何与木材基材接合。图3显示了两个涂层木材的例子。这些照片的分辨率比大多数现场破坏性试验所能达到的要高,清楚地显示了饰面和木材之间的界限。饰面涂层可能在上面看起来很光滑,但厚度可能不一致。木质基材通常都是颗粒状的,有不同程度的表面粗糙度和底漆渗透性。这种多孔性和粗糙度可能会促进附着力,但它们增加了通过任何手段获得可重复厚度测量的难度。

图3 两个不均匀的涂层/基底区域的例子。

超声波测量仪的设计是对小的不规则进行平均,以产生一个有意义的结果。在特别粗糙的表面或基体上,单个读数可能看起来不具有可重复性,比较一系列的平均结果往往能提供可接受的重复性。

图4 一些仪器测量多层系统中的各个层。 在这个例子中,第1层的厚度是1.5密尔。第2层是1.5密耳,总厚度是3.0密耳。 图形化的LCD显示两个 "峰",代表两个材料界面。

确保正确的声音

超声波检测给木材行业带来明显的好处。家具、地板和乐器制造商经常使用几层漆或类似的装饰材料。有些工艺要求能够识别个别层或系列层的厚度。当涂抹的厚度不对时,例如,美化和保护高质量吉他的涂层就很容易减弱其声音。太多的涂层会抑制吉他的声学共鸣;太少则会产生相反的效果。

图5 木质吉他上的漆面厚度的无损测量。

乐器制造商现在使用超声波测量仪来准确和无损地测量他们宝贵产品的漆面。使用这种新技术的结果是,他们不仅减少了漆的用量,而且能够在不过度干扰生产过程的情况下进行有意义的测量。没有必要为测量涂层厚度而破坏产品,整个表面的厚度可以很容易地被测量出来,以确保涂层的光滑、均匀。由于控制涂层过程的能力增强,返工率也降到了最低。

图6 一些仪器提供统计分析。在这个例子中,已经进行了10次测量。最后一次测量的18.2密耳与所有10个读数的平均值、standard 偏差和最大/最小值一起显示。
图7 这些仪器操作简单,价格合理且可靠。

最后的回声

超声波涂层厚度测量现在是木材工业中使用的一种公认的、可靠的测试程序。standard 测试方法在ASTM D6132-04中描述。"Standard 使用超声波测量仪无损测量有机涂层的干膜厚度的测试方法"(2004,ASTM)。为了验证量具的校准,可以使用环氧树脂涂层厚度标准,其认证可追溯到国家标准组织。

现在可以对以前需要破坏性测试或实验室分析的材料进行快速、非破坏性的厚度测量。这项新技术提高了精加工车间的一致性和产量。潜在的成本降低包括。

  • 通过控制涂抹的厚度,将过度涂抹造成的浪费降到最低。
  • 通过对操作者的直接反馈和改进的过程控制,尽量减少返工和维修
  • 无需通过破坏性的涂层厚度测量来破坏或修复物体

今天,这些仪器操作简单,价格低廉,性能可靠。

DAVID BEAMISH(1955 - 2019),DeFelsko公司的前总裁,该公司是一家总部设在纽约的手持式涂层测试仪器制造商,产品销往世界各地。他拥有土木工程学位,在这些测试仪器的设计、制造和销售方面拥有超过25年的经验,涉及各种国际行业,包括工业涂装、质量检测和制造业。他主持培训研讨会,是各种组织的积极成员,包括NACE、SSPC、ASTM和ISO。

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