薄壁扁平不銹鋼管的渦流檢測(cè)工藝

張曉紅 胡文剛 張 琳 劉 偉 楊 帆

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

文 摘 針對(duì)航天專用不銹鋼薄壁扁平管渦流檢測(cè)過(guò)程中存在的工藝難題，通過(guò)分析管材扁平成型工藝特點(diǎn)，采用渦流檢測(cè)線圈的等效填充系數(shù)計(jì)算方法，結(jié)合渦流分布特性制作異型外穿過(guò)式渦流檢測(cè)線圈，根據(jù)型面檢測(cè)靈敏度差異制定合理的檢測(cè)工藝，有效實(shí)現(xiàn)了不銹鋼薄壁扁平管的渦流檢測(cè)。通過(guò)破壞性試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)工藝的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。該檢測(cè)工藝已成功應(yīng)用于各型號(hào)不銹鋼薄壁扁平管的渦流檢測(cè)中。

0 引言

不銹鋼薄壁扁平管專用于航天飛行器分離動(dòng)作組件的制造。薄壁扁平管的制造工藝由圓管在壓力機(jī)上使用專用模具逐段壓制而成。由于管體壓制成形的變形量大而且不對(duì)稱，因此在管體拉拔成型過(guò)程中有可能出現(xiàn)內(nèi)折、內(nèi)結(jié)疤、翹皮、劃傷、磨損等缺陷，并隨著成型過(guò)程不斷被放大、延展，為確保成型后薄壁扁平管的質(zhì)量，需要對(duì)管材進(jìn)行全面的無(wú)損檢測(cè)。

渦流無(wú)損檢測(cè)在金屬管材質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)用中具有檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在航空航天等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。與常規(guī)金屬圓管渦流檢測(cè)相比，檢測(cè)不銹鋼薄壁扁平管時(shí)存在著的磁場(chǎng)分布不均勻、周向檢測(cè)靈敏度差異、標(biāo)準(zhǔn)的穿過(guò)式差動(dòng)檢測(cè)線圈不適用等難題，需要針對(duì)上述難題進(jìn)行渦流檢測(cè)工藝試驗(yàn)。

本文主要介紹這種薄壁異形管子的渦流檢測(cè)方法，從檢測(cè)線圈、對(duì)比樣管的設(shè)計(jì)，到檢測(cè)工藝參數(shù)確定的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，并通過(guò)破環(huán)性驗(yàn)證，該方法能夠有效發(fā)現(xiàn)材質(zhì)缺陷，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 薄壁扁平管的特點(diǎn)及檢測(cè)方案

1.1 薄壁扁平管的特點(diǎn)

不銹鋼薄壁扁平管選用直徑Φ13～Φ16 mm，壁厚0.8～1.2 mm 的1Cr18Ni9Ti 無(wú)縫圓管制造。圓管經(jīng)扁平壓制并校直成型后，設(shè)計(jì)部門要求不銹鋼薄壁扁平管100%進(jìn)行渦流檢測(cè)，不允許出現(xiàn)裂紋、凹坑、折疊、嚴(yán)重劃傷等缺陷。

1.2 檢測(cè)方案

金屬管材渦流檢測(cè)通常采用外穿過(guò)式渦流檢測(cè)方法，在保證足夠線圈填充系數(shù)的條件下，針對(duì)裂紋、劃傷、凹坑等缺陷的檢測(cè)靈敏度高，并有效避免管材尺寸微小變形、管材運(yùn)動(dòng)過(guò)程中抖動(dòng)等影響。

由于產(chǎn)品批量小及現(xiàn)有渦流檢測(cè)設(shè)備能力，采用手動(dòng)檢測(cè)模式實(shí)施檢測(cè)。由于扁平管截面形狀的特殊性，致使渦流磁場(chǎng)分布不均勻，這將導(dǎo)致產(chǎn)品截面靈敏度差異，使得評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不一致的結(jié)果，為此需要計(jì)算渦流檢測(cè)線圈的等效填充系數(shù)，并結(jié)合渦流分布特性制作專用的異型外穿過(guò)式檢測(cè)線圈，根據(jù)管材截面靈敏度差值控制要求制定渦流檢測(cè)工藝。

2 檢測(cè)工藝

2.1 檢測(cè)線圈

常規(guī)金屬圓管檢測(cè)用外穿過(guò)式線圈，其填充系數(shù)越高、渦流檢測(cè)靈敏度就越高［1］。實(shí)際操作中推薦的填充系數(shù)需要大于0.7 才能保證足夠高的檢測(cè)靈敏度。

不銹鋼薄壁扁平管屬于異性尺寸管材，長(zhǎng)短軸尺寸存在很大差異，如果使用圓管檢測(cè)線圈，會(huì)出現(xiàn)由于長(zhǎng)軸面位置距離線圈遠(yuǎn)而檢測(cè)靈敏度大幅度降低的情況。為達(dá)到不同尺寸扁平管各面檢測(cè)靈敏度一致的要求，訂制了等效填充系數(shù)＞0.8的特殊型面繞組的扁平管專用手動(dòng)檢測(cè)線圈。檢測(cè)線圈與被檢扁平管間的等效填充系數(shù)線圈的按公式（1）計(jì)算：

式中，η為填充系數(shù)，S1為管材截面面積，S2為線圈截面面積。

2.2 對(duì)比樣管

根據(jù)薄壁扁平管形狀尺寸、壁厚尺寸和檢測(cè)要求不同，用于調(diào)試渦流檢測(cè)儀檢測(cè)靈敏度用的對(duì)比樣管也選用與實(shí)際產(chǎn)品有相同或相似的合金成分、表面狀態(tài)、熱處理狀態(tài)、電磁特性等。在實(shí)際檢測(cè)工作中，選取某一批次送檢扁平管，任意截取一段無(wú)影響正常檢測(cè)本底噪聲和缺陷的管子，制作檢測(cè)對(duì)比樣管。與常規(guī)金屬圓管渦流檢測(cè)用對(duì)比樣管不同，為保證扁平管截面徑向長(zhǎng)軸、短軸雙向靈敏度的均勻性，以及軸向分辨率，在對(duì)比樣管管壁的不同方向、不同位置上制作了一組通孔形人工缺陷。如圖1所示，是以壁厚為δ=0.85 mm 扁平管制作的對(duì)比樣管，它是采用機(jī)械加工方式制作了4 個(gè)Φ0.6 mm 人工通孔。

圖1 對(duì)比樣管示意圖Fig.1 Schematic diagram of contrast tset

2.3 檢測(cè)工藝參數(shù)設(shè)置

2.3.1 檢測(cè)頻率

根據(jù)渦流表面密度計(jì)算公式，當(dāng)被檢材料的組織成分、熱處理狀態(tài)、渦流檢測(cè)儀、檢測(cè)線圈等要素確定后，檢測(cè)頻率的設(shè)置將直接影響檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)深度，因此結(jié)合被檢管材特征選擇最佳檢測(cè)頻率，對(duì)于提高缺陷的檢測(cè)靈敏度是至關(guān)重要的［2］。

選擇60～300 kHz 的檢測(cè)頻率分別對(duì)對(duì)比樣管進(jìn)行檢測(cè)，部分檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。表1的檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)檢測(cè)頻率＞300 kHz 時(shí)，受到渦流趨膚效應(yīng)的影響，渦流密度已無(wú)法覆蓋管材的全壁厚，無(wú)法滿足管壁下表面區(qū)域的檢測(cè)靈敏度要求；當(dāng)檢測(cè)頻率為60 kHz 時(shí)，等效提離效應(yīng)產(chǎn)生相位角區(qū)分不直觀、不明顯。試驗(yàn)最終確定的最佳檢測(cè)頻率為150 kHz，此檢測(cè)頻率可以較靈敏地分辨出Φ0.6 mm人工通孔信號(hào)和干擾信號(hào)，同時(shí)滿足整個(gè)管壁厚度范圍內(nèi)的檢測(cè)靈敏度要求。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

2.3.2 初始相位角

管壁中渦流密度的分布與渦流透入深度有關(guān)，對(duì)于同一當(dāng)量尺寸的缺陷，其渦流響應(yīng)信號(hào)幅值與其所處的深度存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系［3］。

當(dāng)設(shè)定對(duì)比樣管上人工缺陷信號(hào)顯示初始相位角為60°時(shí)，扁平管中不同深度的缺陷信號(hào)相位將與初始相位角有較為顯著的偏差，有利于檢測(cè)人員在阻抗平面圖中判別缺陷當(dāng)量尺寸并預(yù)估缺陷的深度。

2.3.3 檢測(cè)速度

渦流檢測(cè)儀的信號(hào)采集頻率、采集精度、管材和檢測(cè)線圈之間的相對(duì)移動(dòng)速度都影響著缺陷檢出和檢測(cè)結(jié)果的可靠性。經(jīng)試驗(yàn)確定手動(dòng)檢測(cè)速度應(yīng)不大于50 mm/s，同時(shí)在缺陷評(píng)定過(guò)程中，盡可能保持使用對(duì)比樣管調(diào)試檢測(cè)靈敏度時(shí)檢測(cè)速度與扁平管檢測(cè)時(shí)的一致。

2.3.4 報(bào)警門檻值

由于扁平管徑向截面結(jié)構(gòu)的特殊性，使得管壁周向的渦流磁場(chǎng)分布不均勻，使得扁平管長(zhǎng)軸、短軸方向檢測(cè)靈敏度存在差異。試驗(yàn)表明，扁平管長(zhǎng)軸方向靈敏度比短軸方向低2 dB，因此，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，是以長(zhǎng)軸方向的人工缺陷幅值報(bào)警設(shè)置閘門。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖2 典型缺陷的渦流信號(hào)示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical signal

按設(shè)定的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，觀察渦流儀屏幕上的渦流信號(hào)幅值和相位角，直到屏幕上出現(xiàn)“8”字形軌跡的檢測(cè)圖像，并且其幅值超過(guò)設(shè)定閘門信號(hào)，可初步判定有缺陷存在。進(jìn)而在報(bào)警的缺陷位置左右連續(xù)移動(dòng)檢測(cè)線圈，若報(bào)警信號(hào)始終固定在某一個(gè)位置，找出其信號(hào)幅值最強(qiáng)顯示并標(biāo)注在工件的對(duì)應(yīng)位置，判定為點(diǎn)狀缺陷。典型的缺陷渦流檢測(cè)信號(hào)如圖2所示，缺陷處呈現(xiàn)出明顯的“8”字形信號(hào)軌跡。為了驗(yàn)證渦流檢測(cè)工藝的可靠性及檢測(cè)結(jié)果的正確性，在薄壁扁平管的渦流無(wú)損檢測(cè)結(jié)束后，將部分具有渦流信號(hào)的扁平管進(jìn)行了冶金分析，確認(rèn)了在檢測(cè)標(biāo)注缺陷位置處的管壁內(nèi)側(cè)，發(fā)現(xiàn)了由于氧化皮夾渣造成的結(jié)疤缺陷，以及壓入性機(jī)械損傷，如圖3所示。

圖3 薄壁扁平管缺陷示意圖Fig.3 Schematic diagram of drawback of thin-walled flat tubes

4 結(jié)論

針對(duì)薄壁扁平管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)檢測(cè)線圈、對(duì)比樣管，解決了扁平管截面靈敏度差異問(wèn)題，并通過(guò)工藝試驗(yàn)，確定合理的檢測(cè)參數(shù)，將常規(guī)圓管渦流檢測(cè)方法應(yīng)用于異形管材的檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了薄壁扁平管渦流檢測(cè)的工程化應(yīng)用，也獲得了飛行試驗(yàn)成功的實(shí)際驗(yàn)證。