针孔检测

针孔检测（精选5篇）

针孔检测 篇1

摘要：设计了一种透射式铝箔针孔检测系统, 用于自动检测和识别铝箔带材上的孔洞缺陷。系统利用光源的透射光穿过铝箔带材上的孔洞, 在相机图像中形成孔洞的亮斑区, 以此检测出孔洞。然而由外在因素所产生的伪缺陷会影响孔洞缺陷的识别, 因此构造了一个独特的机械装置屏蔽外来干扰;在此基础上, 采用简单快速有效的检测和分类算法, 以满足检测的实时性和识别率要求;最后根据生产应用需求, 设计了一个新颖算法来进行孔洞缺陷合并。该系统已在某铝厂进行评估和应用, 现场应用结果表明该系统是一个稳定可靠的实时孔洞检测系统。

关键词：铝箔,质量控制,表面缺陷,针孔检测,图像处理,无损检测

0 引言

有色金属行业和钢铁行业对铝箔和板带材表面质量的要求越来越高, 因此需要对表面进行在线检测, 这其中包含对一些特殊用途的薄带材料的检测, 如密封包装料、管料等, 需要对其内部存在的针孔缺陷进行全面准确的检测, 避免由于误检和漏检对后续产品造成损失。基于光学图像的机器视觉检测技术是目前表面质量的主流检测方法［1 －2］, 其检测的高效性和对工作环境要求低的特点使得它正逐步取代人工检测。该检测技术通常分为反射式与透射式两种检测方式。

反射方式是指首先通过表面检测系统将所有表面出现的异常缺陷全部检测出来［3 －4］, 然后计算缺陷的一些特征, 再采用模式分类方法将针孔缺陷与其他缺陷区分开来。由于金属带材表面可能出现的缺陷种类及数量异常繁多, 因此当出现如很多斑点等类似于针孔的缺陷干扰针孔的检测和判定时, 误检和漏检的情况比较容易出现。虽然我们可以对此采用诸如上下表面对应关系等方法来附加鉴别, 但是, 当出现的针孔极其微小时, 还是经常会出现漏检或误判的情况, 因此, 通过反射式表面检测的方式来实现针孔检测, 其准确率以及附加的人工排查所需工作量很大。另外, 由于表面检测处理的数据量很大且需要上下表面同时配置检测装置, 因此, 通过该方式实现高精度的针孔检测不仅不能确保全检, 而且成本代价也大。

透射式针孔检测系统因为其原理简单、实现方便、代价低等优点, 因而很容易被人们想到, 事实上, 已经有一些文献［5 －7］对其进行了介绍和报道, 涉及到的技术及系统都为我们提供了非常好的借鉴和参考价值。然而, 如果直接采用这些技术对铝箔等反光严重的薄金属带材进行检测将会遇到一些问题: 强的环境光投射到高反光带材上容易出现亮的假缺陷干扰; 图像采集触发信号启动时产生出亮条状的假缺陷如何排除; 材料局部内部组织松散出现大面积散点缺陷时, 工艺统计量化指标不一致。这些问题的出现会直接影响系统的工作稳定性和最终检测性能。本文将机械架构设计与软件算法相结合, 通过狭缝装置、缺陷分类及缺陷合并, 设计了一种改进的、非常适用于金属薄带的针孔检测系统。本系统自2012 年3 月在某铝厂投入使用以来, 工作稳定, 完全满足企业对于高速铝箔生产过程质量控制的在线检测需求。该系统设计成本低, 易于推广使用。

1系统总体设计

1. 1系统需求

在有色加工行业, 针孔检测系统一般部署在薄带成品生产线上, 以剪切机组为例, 生产线速度一般达到600 m/min以上, 带材典型宽度范围为600 ~1 800 mm, 目前一般要求检测出的针孔大小为0. 1 mm2。根据生产情况, 为了实现连续实时检测, 一般要求一幅图像的全部处理时间在20 ms以内, 因此在线检测系统对于检测的实时性、检测精度以及系统稳定性均有严格要求。其次对图像处理系统要求处理算法实时性好, 对于实际存在的各种干扰因素可以实时判断和处理。另外, 由于检测的结果数据将作为产品质量综合评估的依据, 因此要求相关缺陷数据的统计方法与工艺质量分析需求相一致。对于检测结果数据需要实时存储并允许一定的存储时间, 便于产品质量跟踪与回溯, 随时可以为下游客户提供检测报告。最后, 系统设计成本控制也是一个需要重点考虑的因素, 应在充分满足实际生产需求的基础上尽量实现成本的有效控制。

1. 2系统设计

系统电气部分由光学图像采集单元、图像处理单元、存储和控制单元组成, 整个系统框架如图1 所示。

光学图像采集单元由条形背光光源 ( HSHPLS1500BW) 、工业线阵相机 ( Dalsa Spyder3 S3-20-04k40) 、编码器 ( OMRON E6C3, 3600ppr) 和Camera Link采集卡 ( NI-PCIe 1427 ) 组成。当机组以最高速度800 m/min运行时, 由于对应相机的最高线扫描频率为18 kHz, 而通过计算可知每次采集期间带材移动不大于0. 74 mm, 因此避免了高速情况下图像拖尾情况的发生。图像采集信号由编码器的脉冲信号给出, 传输给每个相机的采集卡, 可实现多相机同步采集以及图像采集与带材线速度的同步。选择多相机是因为单个相机不能覆盖整个宽度上的铝箔, 因此需使用多个线阵相机采集带材表面各区域图像, 才能构成完整的带材表面图像。

在图像处理单元中, 通过前端机程序对来自各采集通道的图像进行实时处理、针孔缺陷检测与提取、针孔在带材上的定位, 并将获取到的缺陷图像数据和特征数据在线传输至服务器。

在存储和控制单元, 通过服务器对所有通道接收到的缺陷数据进行分析、汇总、显示以及存储, 并提供各类检测报表的生成。用户可以通过控制台进行操作控制和数据查询。

系统机械结构设计如下: 光源采用高亮LED条形背光光源, 安装在铝箔带材的下方, 由一个机架支撑; 相机安装在铝箔带材上方的横梁上, 横梁与辊面相平行; 在带材和相机之间安装了一个狭缝装置。均匀而强的光照可以确保即使铝箔上的针孔很小, 但只要有缝隙, 光线就能穿过带材, 透射到铝箔上方。

2图像处理

透射式针孔检测系统采集的图像为8 b的灰度图。灰度水平为255, 灰度范围为[0, 255], 图像分辨率为4 096 像素 × 2 048 像素。每个相机采集的图像均包含铝箔表面和辊面两部分, 一部分背景是均匀的黑色, 一部分是均匀的白色, 如图2 所示。当铝箔表面没有针孔时, 透射到下表面的光源的光照不会透射到上表面到达相机, 因而正常的铝箔表面的图像是均匀的黑色背景, 辊面部分的图片由于LED光直接进入相机, 因此呈现高亮白色, 这一部分称为图像的边部, 图像中辊面和铝箔表面之间有一条明显的直线边界。当带材存在针孔时, 光照从该孔穿过, 到达相机成像, 针孔缺陷在图像中表现为亮斑, 图2 中箭头所指的图片正是从原图提取出的孔洞缺陷所在的区域部分。

图像的处理流程为: 将图像去除边部, 进行缺陷检测, 判断是否有缺陷, 若无缺陷则丢弃该图片; 若有缺陷, 则进行缺陷分类, 判别出孔洞缺陷, 然后合并缺陷并计算合并后的缺陷在带材上的位置。

2. 1缺陷检测

首先通过边界探测方法, 找出图像中铝箔与辊面之间明显的直线边界, 然后将图像中对应辊面的边部部分去除, 再对所得图像进行缺陷检测。

如前所述, 对于透射式针孔检测系统, 正常铝箔表面图像是均匀的黑色背景, 针孔在图像上表现为亮斑, 因此, 根据针孔缺陷的灰度与背景灰度的差异就能够将针孔缺陷检测出来。我们采用单阈值图像分割算法对图像进行分割, 区分灰度差异。设去除边部所得的图像在 ( x, y) 处的像素值为i, 设定阈值d, 对图像进行二值化处理, 二值化函数为

式中, 1 表示针孔缺陷目标; 0 表示背景。

2. 2缺陷分类

缺陷分类主要是对检测出的缺陷进行判断, 识别出真正的孔洞缺陷。

一般的透射式针孔检测系统, 干扰孔洞的判定主要来自两类缺陷, 一类是外界干扰光所产生的灰白图片; 另一类是出现在图像上的假缺陷。

当带材本身与地面成一定角度或成像面的带材与厂房屋顶距离较近, 受外界灯光的反光影响或带材板型不好导致反光时, 容易出现灰白的背景图像或部分灰白部分黑色的背景图像, 这种图片在自动检测时会被作为缺陷检测出来。这类缺陷通常可以根据形状和灰度这两类特征来判别。形状特征包括缺陷长度、宽度、面积、长宽比和缺陷所在带材的位置; 灰度特征包括缺陷的平均灰度和方差等。但这种分类精度难以达到100% 。因此, 如上所述, 我们在带料上方设置了一个由金属板构成的狭缝装置, 用来屏蔽外界干扰源, 避免灰白图及这类缺陷图片的产生, 从而大大降低了分类器的工作量。

至于出现在图像上的假缺陷, 是采集刚启动时触发信号所产生的亮白横条, 如图3 所示, 这种假缺陷, 易于从几何特征上与孔洞缺陷相区别。我们采用基于长宽比、宽度和填充比 ( 缺陷与其最小外接矩形面积之比) 3 个特征的决策树分类器［8 －9］分离孔洞缺陷与假缺陷, 用样本属性作为结点, 用属性取值作为分支的树结构, 采用分级形式, 根据对大量样本属性的分析和归纳设定属性取值, 解决分类问题。首先利用宽度特征值判断, 如果是假缺陷, 则结束分类过程; 否则, 进一步通过长宽比特征判断, 如果判断为假缺陷, 则结束; 否则, 继续使用填充比特征值判断, 并给出结果缺陷的真假类型。这种方法的特点是, 首先保证不会将真孔洞判断成假孔洞, 其次可以将这种横条假缺陷完全分离出来, 避免了误判。

2. 3缺陷合并

实际应用中, 材料局部内部组织松散出现大面积散点缺陷时, 存在工艺统计量化指标不一致的问题, 比如, 进行产品质量量化分析时, 缺陷数量是一个必须采用的指标, 这时如果料卷在局部小范围内出现数量众多的微小针孔, 就会对产品质量全自动评估及报表带来误导, 因此, 我们需要采用相应的自动缺陷合并策略对这些缺陷进行自动合并, 这意味着相邻的零散的几个孔洞缺陷将可能根据加工工艺要求被作为一个整体从带材上剔除。本文设计了一种以缺陷分布位置为依据的重组合并方法, 该方法以位置相邻度为主要判断依据, 结合实际生产工艺需要与缺陷分布特点, 对相邻缺陷最小外接矩形框进行尺度放大, 再根据扩展矩形框之间的位置重叠情况按一定标准构成自动合并策略。缺陷合并过程如下。

设分割后的图像有K个缺陷, 计算每个缺陷目标的最小外接矩形。令第i个缺陷的最小外接矩形坐标为RCTi= ( x1i, y1i, x2i, y2i) , i = 1, 2, …, K, 其中 ( x1i, y1i) 为第i个缺陷矩形左上顶点坐标, ( x2i, y2i) 为右下顶点坐标, 则矩形宽度为 ( x2i- x1i) , 矩形高度为 ( y2i- y1i) 。根据孔洞缺陷切除要求, 设定孔洞缺陷的最小外接矩形放大参数 ( w1, w2, a) , 其中w1< w2, 单位是像素。w1表示矩形边长的参考值, 当矩形边长不大于w1时, 对该条边的缩放值为2w2－ w1, 而w2对这类矩形的缩放程度确定了一个度; 当矩形边长大于w1时, 该条边的缩放值为设置的固定值a。这些参数值通过对现场孔洞缺陷样本的大小和分布特点进行统计分析来设定。为方便叙述, 设分割出来的缺陷图像为M行N列, 即其右下角端点坐标为 ( N, M) , 并令最小外接矩形放大后的新矩形坐标为ROIi= ( x'1i, y'1i, x'2i, y'2i) , 则可以得到其各顶点坐标的计算公式如下:

不同缺陷是否合并, 取决于各个放大后的矩形是否相交。比如对缺陷i与缺陷j, 若ROIi与ROIj所表示的矩形相交, 则合并后新缺陷的

而合并后缺陷的最小外接矩形坐标

若ROIi与ROIj所表示的矩形不相交, 则ROIi与ROIj相互独立, 不合并。

缺陷合并的算法流程图如图4所示。图中矩阵C和R初始值为空, 用于合并过程中分别存放计算出的新目标缺陷i的RCTi和ROIi值, C和R的每一行分别表示一个RCTi和ROIi的值, 即 (x1i, y1i, x2i, y2i) 和 (x'1i, y'1i, x'2i, y'2i) , 矩阵C的行数J表示当前新缺陷个数, Cj和Rj分别表示矩阵C和R中的第j个RCTi和ROIj, 当J>0时,

合并算法如下:

( 1) 初始化参数 ( w1, w2, a) 和缺陷个数K, 使i =1, 矩阵R和C均为空矩阵, 令J =0。

( 2) 计算缺陷i的RCTi和ROIi, 以及矩阵R的行数J值。

( 3) 若i = 1, 则C = [RCT1]= [C1], R =[ROI1]=[R1]; 若i > 1 , 则判断ROIi表示的矩形与Rj表示的矩形是否相交, 其中j = 1, 2, …, J, 若存在j, j ∈ { 1, 2, …, J} , 使得ROIi表示的矩形与Rj表示的矩形相交, 则ROIi和Rj所对应的缺陷合并为一个新缺陷, 该新缺陷的ROI和RTC按式 ( 6) 与式 ( 7 ) 进行计算, 则Rj= ROI , Cj= RCT ; 若ROIi与R中的所有矩形均不相交, 则R = [R1, R2, …, RJ, ROI], C = [C1, C2, …, CJ, RCT]。

( 4) 令i = i + 1 , 若i ≤ K , 转到 ( 2) ; 若i >K, 则合并过程结束。

最后所得矩阵R的行数为合并后所得缺陷的个数, C中数据表示对应位置缺陷的最小外接矩形, 为缺陷在图像上的位置, 用来计算缺陷在带材上的位置。

2. 4位置计算

对于孔洞缺陷, 用户需要知道它在带材上的纵向位置和横向位置。纵向位置指缺陷距带材头部的距离; 横向位置指缺陷左、右边界距离带材左、右边部的距离。因而需要实时计算带材的长度和宽度, 才能实时定位出缺陷在带材上的位置。下面以只含一个相机的系统为例来说明位置计算, 这种系统一般应用于窄带材, 一个相机可以覆盖带材的整个宽度。设图像的纵向分辨率为r1, 表示在长度方向上一个像素所代表的实际长度, 横向分辨率为r2, 表示在宽度方向上一个像素所代表的实际宽度, 设某缺陷目标的最小外接矩形坐标为RCT = ( x1, y1, x2, y2) , 带材的实时宽度为W, 采集该幅带材图像之前已被采集过的带材的实际长度为L, 则该缺陷在带材上的纵向位置为L + y1r1; 缺陷距离带材左侧的距离为x1r2, 距离带材右侧的距离为W - x2r2。合并后的缺陷更能反映带材局部的表面质量。当带材被纵剪机剪成若干盘后, 根据缺陷在带材上的位置就可判断出缺陷在哪一盘的哪个位置上, 根据局部的缺陷面积以及缺陷在带材上的位置和大小, 评估产品的质量等级, 确定是报废还是作为合格产品或次品来销售该盘料。

3现场应用

实际投入使用时, 该系统被安装在薄纵剪机组上, 对速度为300 ~ 800 m/min的铝箔带材进行针孔检测。用户可以在界面上进行检测控制操作和在线观测检测结果, 并提供数据查询和检测报表生成服务。

在检测过程中通常有两类孔洞缺陷图片 ( 如图5 所示) , 一类是位于带材中间的针孔 ( 图5 中第1 ~5 列) ; 另一类是位于带材边部的针孔, 通常称为边裂 ( 如图5 中的第6, 7 列) 。图5 给出了一些孔洞的形状图以及孔洞缺陷分割和合并的结果, 图中上行为原始图, 下行为分割合并后的结果图。下行图像中缺陷周围的矩形框即为合并后缺陷的最小外接矩形框, 可为用户在切割孔洞所在部分的废料时提供位置依据; 矩形框内各小针孔周围的轮廓线表示分割的结果。

多卷料检测结果表明, 系统对大于0. 1 mm2的针孔检出率为100% 。使用中发现, 带材上的定位误差, 即位置误差, 会影响带材孔洞的切除量。该误差由两个因素组成, 一个是缺陷在图像上的分割定位误差, 一般在1 个像素以内, 可以忽略不计; 另一个是将缺陷在图像上的位置 ( 像素为单位) 转换到在带材上的位置这一过程中产生的误差, 该误差受带材长度和宽度计算误差的影响, 而带材宽度和长度主要受检测时带材来料波动和图像分辨率的影响。图像中带材边界定位误差一般在2 个像素以内, 因而带材宽度误差主要受图像的横向分辨率影响; 带材长度通过图像帧数和分辨率计算, 主要受纵向分辨率的影响。误差是个线性累积过程, 可引入一个增益因子来减小或修正该误差, 该因子可通过统计方法获取。现场大量数据统计表明, 本系统对带材宽度的计算精度为99. 92% , 孔洞缺陷在带材宽度方向上的定位误差不大于0. 5 mm; 其在带材长度方向的纵向定位误差不大于0. 01%, 完全满足企业的生产需求。

4结论

本文设计了一种透射式高速铝箔带材针孔检测系统。该系统通过带有狭缝装置的机械架构屏蔽外部检测环境对检测系统的干扰; 采用快速阈值分割算法满足实时性要求; 用决策树分类器分离出启动时的假横条缺陷, 提高识别率; 通过合并缺陷提供实用的缺陷位置。目前系统已在现场在线运行2 年多, 运行状况良好, 满足现场实时性以及抗干扰能力和检测率的要求。该系统还可以推广到冷轧、拉弯矫直机组、剪切机以及其他精整线上使用, 实现对针孔的有效检测。

参考文献

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针孔检测 篇2

1 仪器及试剂

(1)漏水试验仪器

株洲化学工业乳胶制品质量监督检验中心生产的SYS-1充水仪。精度为±5 mL。

(2)电检试验仪器

避孕套电子测漏仪2台,精度为50 mV,桂林乳胶厂生产。其中,1台配置200 mL电解液,另1台配置300 mL电解液。电解液为NaCl溶液,浓度为10 g/L。

2 样品及处理方法

(1)抽取天然胶乳橡胶避孕套4 500只,均未加润滑剂且无包装(某企业生产,批号为1112163C),长185 mm,宽52 mm。

(2)样品针孔处理

(1)展开避孕套保证其在任何方向上不过度拉伸在正常或矫正视力下检查避孕套,不存在任何可见针孔或撕裂。处理过程均戴手套操作。

(2)使用不同粗细的针(直径分别为Φ0.20 mm、Φ0.25 mm、Φ0.30 mm、Φ0.35 mm、Φ0.45 mm),在展开避孕套的一个特定部位由内向外扎一个小孔,特定部位包括储精囊头部、头身转折部位(R部)和避孕套身部。每个部位各扎取100只避孕套。样品分成三组,一组进行漏水试验,一组进行加入200 mL电解液的标准电检试验,一组进行加入300 mL电解液的改良电检试验。

3 试验步骤

3.1 漏水试验

(1)展开避孕套,使其在任何方向不受到过度伸张,如果发现任何小孔或撕裂,则认为该避孕套为不合格,剔出本试验。

(2)将避孕套的开口端固定到固定装置上,开口端朝上悬挂。

(3)在避孕套内加入20.5℃的水300 mL,检查避孕套上可见的渗漏迹象。

(4)从避孕套距开口端小于25 mm处扭转一圈半左右以封闭避孕套,从固定装置上取下,用一只手或合适的夹具抓住避孕套的开口端。

(5)将封口的避孕套移到一张干燥的吸水纸上,拧转闭口端至少一周,然后将它平放在吸水纸上,用手在纸上方30 mm处对避孕套施加压力并加以滚动。

(6)检查避孕套在吸水纸上的漏水痕迹。若存在漏水,则记下针孔的位置,在倒空水后测量其距开口端的距离,距开口端25 mm以外的针孔记为不合格品。

3.2 电检试验

(1)展开避孕套,使其在任何方向不受到过度伸张。

(2)将避孕套开口端固定在固定架上,使它的开口端向上悬挂。

(3)在避孕套内分别加入200 mL和300 mL的电解液,检查是否渗漏。如有渗漏的话,判定该避孕套不合格。

(4)对充入300 mL电解液试验组的避孕套进行入水前挤压,挤压方法参照ASTM D3492-2008《橡胶避孕用品(男用避孕套)规格》充水挤压法,仔细检查整个避孕套表面是否存在孔洞。如发现有孔洞,标记针孔的位置,距开口端25 mm以外的针孔记录为不合格品。将不渗漏的避孕套浸入电解液槽中,但开口端与液面距离为至少25 mm,记录电检仪测试的电压值,如结果大于或等于50 mV,排空避孕套,按下述方法测试。

(5)往避孕套中注入300 mL水,将它拧转大约一周半封闭其开口端,然后从固定架上取下,用软布或让其在吸水纸上轻轻滚动擦去避孕套上的电解液,最后按3.1中的(5)和(6)的实验步骤,记录针孔个数及位置。

4 试验结果与讨论

4.1 试验结果

数据如表1所示。因为0.20 mm直径的针孔试验组用三种方法测试,检出率均较低,且不稳定;部分试验结果显示,电检法(300 mL)在身部检出率较漏水法高,重复进行平行试验,试验数据没有复现性,其结果有失客观。因此认为0.2 mm针孔太细,不具有统计意义,故没有列入试验结果中。

4.2 试验结论

(1)漏水法总体优于电检法。电检法依赖仪器的灵敏度和稳定性,仪器的电极长时间浸泡在电解质中,如果没有进行定期的清洗保养,则会降低仪器的灵敏度。

(2)充入300 mL电解液的试验组检出率明显高于200 mL的对照组。在现行国家标准中,电检法充入电解液的体积仅为(200±10)mL是不够的,可见电解液的充入体积为电检法的重要影响因素。但是电解液又不是越多越好,因为太多的电解液会使乳胶过度膨胀,容易引起破裂、滑落。而且,容易产生误检,即不属于处理区域的乳胶薄点被当作针孔检出。

(3)实践证明,在入水前增加一个ASTM标准的挤压处理,可提高检出率。采用300 mL电解液配合ASTM标准的挤压法,使得检出率大为提高。

(4)无论采用何种检验方法,避孕套身部的检出率最高,头身转折位置次之,储精囊部位的检出率最低。咎其原因,可能是由于生产工艺环节中浸胶模具垂直向下,胶液在重力的作用下使储精囊部分的乳胶较厚。

(5)储精囊部位的针孔检出试验,漏水法明显优于电解法。通过增加入水前对储精囊部位的挤压,可以改善电检法的这一缺陷。而在避孕套身部的检测中,电检法与漏水法的试验结果非常接近。

三种实验方法的检出率曲线对比图见图1,三根曲线代表了不同的检出方法。检测部位比对中,身部检出率最高,头身转折位次之,储精囊头部最低。在方法比对中,检出率最高的是漏水法,其次是改良电检法,检出率最低的是电检法。

5 结语

本文通过试验,比较了天然胶乳橡胶避孕套现行国家标准针孔试验的两种方法的检出率,并提出了一种改进的电检方法。该电检法结合了美国标准中充水挤压法的优点,通过增加100 mL电解质的体积,并增加一个入水前对避孕套的挤压处理过程,提高了电检法的检出率。建议国家标准中对电检法的电解液增加体积,以提高检测精度。

摘要：设计了漏水法、电检法和改进电检法三种方法的比对针孔检出试验,得出的结论是漏水法最适合作为仲裁法,并建议国家标准中对电检法增加电解液充入量,以提高检测精度。

关键词：针孔试验,仲裁法,漏水法,电检法

参考文献

[1]GB7544-2009,天然胶乳橡胶避孕套技术要求和试验方法[S].

[2]ASTM D3492-2008,Standard specification for rubber contraceptives(Male condoms)[S].

[3]SO/DIS4074.2:2010,Natural latex rubber condoms-Requirements and test methods[S].

针孔检测 篇3

关键词：电铸件,针孔,形成,消除

一、引言

受操作条件、工艺参数及人为因素影响, 制备的宏观电铸层或微细零部件或多或少存在针孔缺陷, 致使电铸件本征性能的彰显与结构功能的发挥受到严重制约。这一棘手难题长期以来一直困扰着电铸制造业界, 且至今仍未很好解决。为清晰针孔缺陷形成机理并探寻破解之道, 本文分析了针孔形成的直接原因和根本原因, 从优化电铸参与要素 (添加剂、电流施加方式、电解液酸碱度及类型) 、强化液相传质、改变电铸体系气压等方面提出了消除措施。

二、形成机理

针孔缺陷形成的直接原因是电铸过程中产生的氢气聚集成泡长时间附着于阴极表面, 未能及时有效且彻底排离。随着铸层的叠加式生长, 未排离的气泡被包裹于金属层内, 并在外力作用下破灭。

根本原因在于, 电极过程液相传质受限, 致使阴极面临近液层中参与电化学反应的特定金属离子得不到及时足量补充, 在过电势场力的强势驱动下, 以水化形式存在的H3O+不得不作为替补者参与反应:H3O++e→H+H2O, 脱水还原生成氢原子吸附于阴极表面并结合成氢分子, 进一步聚合成泡。

三、消除措施

电铸过程中, 不论采用酸性还是碱性水基电解液, 氢气的产生均无法避免。为此, 消除针孔缺陷的关键注焦于尽可能抑制氢气产生, 同时加快逸离速度。截至目前, 已报道的典型措施如下:

1. 使用添加剂

添加适量表面活性剂 (如整平剂、润湿剂、纳米氧化镧等) 降低阴极面/电解液界面张力, 减小润湿角, 是解决电铸件针孔缺陷问题最常用的工艺手段。然而, 添加剂的负面效应往往也给电铸工艺带来不少麻烦:易消耗、难维持恒量;遇高温易分解, 产物硫、磷等通常是电铸件夹杂物的重要来源。另外, 添加剂发挥作用仅限于电铸制备宏观尺度结构和低深宽比微结构, 对复杂形状微结构或高深宽比 (100:1) 微结构的电铸则收效甚微。综合而言, 电铸工艺中, 尽可能少用乃至不用添加剂。

2. 优化电流施加方式

采用脉冲电流 (正向间断脉冲、正反向脉冲等) 替代直流电源进行电铸, 借助周期性间歇过程, 可为阴极面附近所消耗反应金属离子的补充赢得时间, 一定程度减少氢气产生量。另外, 反向电解过程能改善表面凹凸不平状况, 降低气泡吸附的可能性。

3. 控制电解液p H值

电铸镍时, 需控制电解液p H值稳定, 使镍离子的析出电位高于氢离子的析出电位, 可优先析出。一般而言, 25℃时, 合理组分的氨基磺酸镍型电解液中镍离子的活度系数约为0.05, 利用能斯特方程计算得镍的平衡电位接近-0.3V。因实际电铸过程中电解液温度高于25℃, 离子活度系数增大, 镍离子析出电位升高, 故综合考虑, 控制电解液p H值在4~5范围内。

4. 采用非水基电解液

理论上, 采用水基电解液 (水配置的电解液) 电铸必然会产生氢气。但基于有机溶剂、熔盐等非水基电解液, 可最大限度避免电铸过程中氢气的形成。正因如此, 这一美好设想吸引着电沉积领域研究学者不断进行大胆尝试与积极探索。然而, 复杂的配置工艺、高昂的工艺成本、有限的电铸金属种类等不足严重制约着非水基电解液的应用与推广。

5. 强化液相传质

施加超声振动、喷射给液、磁致对流、机械研磨等一些独特的工艺方法, 能加速扩散传质过程, 减弱浓差极化, 一定程度抑制氢气产生, 并且驱使气泡逸离。但需指出的是, 这些强化液相传质的措施在带来积极作用的同时, 亦会诱发某些不良后果, 如微结构筋断裂、铸层呈现流纹、晶粒粗化等。因此, 它们在微细电铸中的应用须极为慎重。

6. 改变电铸体系气压

理论与实践已充分证明, 真空环境下气泡更易膨胀, 滞留时间大幅缩短, 为减少针孔缺陷奠定了良好环境基础。依托这一特殊环境优势开展电铸试验, 所得镍钯合金层近无针孔缺陷。在此基础上, 于体液和阴极面间施加垂直温度梯度, 协同利用真空抽吸效应和温差强化自然对流作用, 在加速气泡逸离的同时减少产生量, 制备的宏观镍铸层和微细镍铸件均无针孔缺陷。

同样, 增大电铸体系气压亦可为减少针孔缺陷创造利好条件。但不同于降压加速气泡逸离的作用机理, 增压驱动参与反应金属离子向阴极面周围传输, 迫使氢气泡难吸附于铸层表面。自然, 高压环境下电沉积的铸层针孔缺陷极少。

四、结论

基于合理组分的氨基磺酸镍型电解液电铸, 采用脉冲电流、稳定p H值4~5、施加适宜措施强化液相传质、降低或增大电铸体系气压至特定标准, 是消除电铸件上针孔缺陷的极有效措施。

参考文献

[1]肖日松, 杜立群, 刘海军, 等.微电铸的析氢现象研究[J].中国机械工程, 2005 (, 16增刊) :446-448.

[2]孙广毅.高深宽比微纳结构模拟、加工及应用[D].天津:南开大学, 2010.

[3]Seung-Eun Nam, Kew-Ho Lee.Preparation and characterization of palladium alloy Composite membranes with a diffusion barrier for hydrogen separation[J].Ind.Eng.Chem.Res, 2005, (44) :100-105.

[4]P.M.Ming, D.Zhu, Y.Y.Hu, et al.Micro-electroforming under periodic vacuum-degassing and temperature-gradient conditions[J].Vacuum, 2009, 8 (39) :1191-1199.

针孔检测 篇4

关键词：涂层针孔,车身天窗,机器人,旋杯

0前言

汽车涂层针孔是致命的质量缺陷之一, 不仅明显影响车身外观质量, 还会引起车身锈蚀穿孔、涂层脱落, 直接严重降低车身的防腐蚀性能, 造成隐患。造成汽车涂层针孔的主要成因:空气或溶剂未按规定的梯度自然挥发;涂层过厚, 溶剂挥发不充分;色漆闪干或流平时间不足, 溶剂挥发不充分;烘烤升温过急, 涂层表干过快, 导致溶剂被封闭在漆膜内, 受热膨胀。

某汽车制造厂涂装车间采用常见的3C2B涂装工艺, 采用传统溶剂油漆和机器人喷涂, 结果在汽车天窗四周涂层处出现大量的针孔, 造成大量返工。以下对其原因进行分析, 并提出对应措施。

1 针孔原因寻找

1.1 喷涂工艺

中涂线、面漆线主要喷涂工艺流程:手工喷涂车身内表面中涂→机器人喷涂车身外表面中涂 (中涂机器人La1喷涂车身左侧, Ra1喷涂车身右侧, Ra2喷涂车身机盖、顶盖、背门) →人工喷涂车身内表面色漆→机器人喷涂车身外表面色漆 (色漆机器人Lb1喷涂车身左侧第一遍, Rb1喷涂车身右侧第一遍, Lb2喷涂车身左侧第二遍, Rb2喷涂车身左侧第二遍) →人工喷涂车身内表面清漆→机器人喷涂车身外表面清漆 (清漆机器人Lc1喷涂车身左侧, Rc1喷涂车身右侧, Lc2喷涂车身机盖、顶盖、背门) →流平→双烘道烘烤 (140℃, 30 min) 。

1.2 问题排查

1.2.1 中涂层、电泳层质量

前期中涂车身出现过针孔、打磨不到位导致面漆针孔。先对带天窗的车身和不带天窗的中涂车身进行整车检查, 未发现针孔, 车身漆膜质量正常。故排除中涂导致针孔。再对天窗部位的电泳漆进行检查, 也未发现缺陷。

1.2.2 烘房温度

烘房升温过急也是针孔的一大成因, 对烘房设备进行检查和试验, 炉温正常, 烘烤时间也正常。炉温曲线与前期的曲线比较也无明显异常。炉温测定数据见表1:1号烘炉针孔时温度为140℃, 2号烘炉针孔时温度为142℃, 温度降低和温度升高均出现了针孔。

为了进一步验证炉温对针孔的影响, 将炉温大幅度下调, 结果见表2:炉温不是造成涂层针孔的根本原因, 且下调炉温后, 漆膜性能不达标, 故不能降温。

1.2.3 油漆材料

涂装油漆材料对涂层的质量至关重要, 对油漆批次和黏度进行了排查, 结果见表3。

表3显示, 油漆材料没有变化点和异常。为此, 向油漆中加入慢干助剂, 其效果见表4。由表4可知, 调整油漆不能解决天窗四周的针孔缺陷。

1.2.4 涂层厚度

涂层厚度对针孔也有一定的影响, 天窗部位的漆膜厚度见表5:车门部位的漆膜厚度属正常波动, 无异常, 但天窗四周的漆膜厚度在针孔期间骤增30μm, 明显异常。

对电泳车身、中涂车身, 色漆车身, 清漆车身的天窗部位各涂层厚度进行检测, 结果见表6:清漆层厚度明显增加, 明显异常。至此, 将目标锁定在清漆顶喷机Lc2。

2 机器人调整

2.1 参数调整

顶喷机导致漆膜增厚的原因涉及机器人的电压、转速、出漆量、成形空气压等常规因素及静电分散工装试验。机器人喷涂的漆雾离子是带电的, 其移动轨迹受电场的影响, 电场越高其运动轨迹越接近电场分布线, 漆膜越厚。机器人旋杯转速快时油漆雾化较细小, 漆雾离子在达到工件的过程中溶剂挥发较充分, 不易出现针孔。出漆量大则单位时间内喷涂到车身上的漆膜就厚。成形空气压越大喷涂雾幅越小, 喷涂重叠量越低, 漆膜越薄, 据上对清漆顶喷机Lc2做如下调整, 各因素分开单独调整, 调整内容和结果见表7。由表7可知, 各项单独调整对针孔无明显的改善。各项同时调整时, 天窗漆膜厚度下降13μm左右, 但是车身顶盖的漆膜厚度也下降到膜厚要求底线, 车身光泽下降, 而天窗部位的针孔仅有轻微减少, 仍需返修。

2.2 旋杯调整及验证

针孔解决问题一度陷入困境, 再次深入现场, 仔细调查、询问发现, 出现针孔当天机器人与车顶有过碰撞。对顶喷机器人的旋杯用10倍放大镜进行查看, 发现旋杯内壁的漆槽损坏严重, 但旋杯无明显的变形。为此, 调整旋杯, 结果见表8。由表8可知, 针孔发生部位随损坏旋杯位置发生同步转移, 可见问题出现在旋杯上。

3 结语

被撞的旋杯内部漆槽发生严重破坏, 对油漆的雾化造成不良影响, 使得漆雾离子变大, 油漆在到达工件表面的过程中溶剂挥发不充分, 加之静电边角效应, 使得天窗四周漆膜厚度进一步加厚, 加剧了溶剂的挥发不良, 天窗部位的漆膜厚度已达130μm, 已经临近该厂家油漆的针孔容忍上限, 所以旋杯损坏后出现了针孔的问题。通过更换新旋杯, 天窗针孔问题得到消除。

针孔检测 篇5

涂装车间反映涂装后的驾驶室局部表面出现非常明显的针孔缺陷, 出现缺陷的车型基本都为同一种车型, 而且该车型几乎所有的车辆都出现了针孔缺陷。由于产生针孔缺陷的车辆都需要修整, 造成了大量的人力物力浪费, 而且已经影响到生产进度。

现场检查, 出现针孔缺陷的车型均为新近小批量投产的新车型, 该车型分为单排、排半和双排3种类型, 这些车辆均出现了针孔缺陷, 而且出现针孔缺陷的位置基本都位于顶盖与侧围后立柱的连接部分区域。该针孔缺陷有以下两种不同的表现。

a.第1种表现 (图1) , 目视有些气泡已经破裂, 泡的中央呈针孔状, 四周鼓起;有些气泡没有破裂, 中部鼓起。这些气泡呈密密麻麻堆积状分布, 用手触摸有明显的凹凸感。该缺陷经打磨、抛光后, 目视针孔仍然明显。

b.第2种表现 (图2) , 漆膜表面呈明显的针孔状, 针孔分布稀疏、孔径较大, 用手触摸没有突起的感觉。通过刀片分割法和砂纸打磨法分析, 该针孔缺陷已经穿透面漆层和中涂层深入到原子灰涂层。

上述缺陷严重影响了车辆的漆膜外观质量, 必须返到修补线进行修整。

2 问题产生的原因

出现针孔缺陷的车型为刚刚小批量试生产的新车型, 该车型与正常生产的其他车型涂装工艺完全相同, 但其他车型没有出现此类缺陷。

测量新车型缺陷位置与其他车型相同位置的涂层总厚度, 发现其他车型的涂层总厚度为180~220μm, 而缺陷车型的涂层总厚度为750~850μm之间。该位置刮涂有原子灰, 去除底漆、中涂和面漆层的厚度约80μm, 则其他车型的原子灰厚度为120μm左右, 而缺陷车型的原子灰厚度为720μm左右, 是前者的近6倍。刮涂原子灰的原因是顶盖与侧围后立柱的连接处由于焊接而变形, 需要通过刮涂原子灰来整形;而出现问题的车型该位置变形严重, 原子灰刮涂过厚而导致产生缺陷。通过调查及现场了解, 最终确定导致出现缺陷问题的具体原因主要有以下几点。

a.原子灰存放时间较长, 桶盖密封不良, 出现分层、结胶 (图3) 现象。操作者使用时将结胶部分扔掉。由于结胶的都是树脂成分, 导致原子灰的颜料成分提高, 而剩余部分又没有充分混合均匀就使用, 使刮涂过程中极易产生气泡针孔。

b.操作者更换频繁或操作手法不熟练, 对“一次到位, 填平补齐”的要点理解不清, 第1遍原子灰刮涂施工刮灰不到位, 致使第2遍灰过厚, 从而形成大量新的砂眼、针孔, 收光不好, 使面漆后的工件出现超量针孔。

c.刮涂原子灰位置的中涂漆喷涂过厚 (中涂漆与面漆是“湿碰湿”涂装) , 涂层间闪干时间短, 使面漆涂层表面出现超量溶剂气泡针孔。

3 解决措施

a.要求原子灰供应商更换包装桶, 解决因密封不良而导致的结胶问题;在不改变原子灰打磨的前提下, 适当提高树脂组分, 降低颜基比;提高原子灰的触变性, 减少分层现象。

b.根据每月产量采购相应数量的原子灰, 仅保持1个月的库存, 避免使用贮存期过长的产品。

c.加强对新员工和操作不熟练人员的培训工作, 严格操作工艺要求。

d.喷涂中涂漆时, 防止涂刮原子灰位置喷涂过厚及闪干时间短的情况。

采取上述措施后, 因原子灰刮涂过厚而导致的针孔缺陷问题得以圆满解决。

4 结束语