磁粉檢測在焊縫缺陷檢測中的應(yīng)用

趙志強(qiáng) 于鵬祖 王成 張鵬林 劉祎

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)；3.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司）

1 前言

在特種設(shè)備的生產(chǎn)、安裝和使用過程中，焊縫裂紋、未焊透、未熔合等缺陷問題，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全性能和使用壽命。據(jù)統(tǒng)計，在鍋爐、壓力容器、壓力管道和結(jié)構(gòu)件的破壞性事故中， 因母材失效引起的事故占少數(shù)，絕大部分是由于焊縫缺陷造成的。特別是焊縫裂紋，不僅使材料的連續(xù)性遭到破壞，有效截面積減小，尖端部位也會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，隨著設(shè)備的持續(xù)使用，微裂紋在循環(huán)應(yīng)力的作用下，形成疲勞裂紋，并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致設(shè)備斷裂失效。 裂紋引起的材料失效事故，往往是破壞性地脆斷，危害性極大[1]。 因此，應(yīng)該對裂紋缺陷給予足夠的重視，并確保一定的裂紋缺陷檢出率。 磁粉檢測作為一種對表面和近表面裂紋相對敏感的檢測方法， 能夠較好的檢測出鐵磁性材料表面和近表面缺陷的位置、大小、形狀，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、電力、機(jī)車、石油、化工等領(lǐng)域[2]。 但是，對于磁粉檢測初學(xué)者或新員工來說，對磁粉檢測原理和特點認(rèn)識不夠，導(dǎo)致部分員工將磁粉檢測混同為目視觀察， 在工作中思想松懈，隨意簡化操作工藝。 為此，本文對存在天然缺陷的對接焊縫表面， 分別進(jìn)行目視觀察和磁粉檢測，并對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，對磁粉檢測特點和缺陷敏感性進(jìn)行了驗證。

2 試驗條件

2.1 試板

本試驗主要考慮到熱交換器用無縫鋼管、 石油裂化用板子和管子、 鍋爐用無縫鋼管和水煤氣管等的中低壓鋼管都廣泛使用20 鋼，該材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中應(yīng)用最廣泛的材料[3]，因此，本試驗選用20鋼作為焊接板材， 采用手工焊條電弧焊， 采用J422焊條（圖2）。熔敷金屬的化學(xué)成分如表1、表2 所示。

表1 20 鋼的化學(xué)成分（ω/%）

表2 J422 焊條（E4303）熔敷金屬的化學(xué)成分

2.2 坡口形式

坡口形式為：V 型，c=1.5 mm， p=1.6 mm， α=68°。坡口形式如圖1 所示。

圖1 焊縫坡口示意圖

圖2 20 鋼板對接焊縫

3 對比試驗

3.1 檢測原理

目視觀察指對焊縫表面不做任何處理，直接對焊縫表面缺陷進(jìn)行識別，并按照磁粉檢測對缺陷的驗收規(guī)范進(jìn)行評定，這種方式是作為不規(guī)范磁化和磁化不到位狀態(tài)的極端設(shè)定形式， 用以比較其極限識別能力，實現(xiàn)與規(guī)范磁粉檢測效果的直觀對比。

磁粉檢測是指鐵磁性材料通電磁化后， 其被測工件表面和近表面存在不連續(xù)性， 因此在該區(qū)域的表面和近表面處產(chǎn)生了漏磁場， 再施加磁粉或磁懸液，磁粉顆粒被漏磁場吸附聚集，在一定的光源下，出現(xiàn)直接目視可見的磁痕， 從而直觀地反應(yīng)出材料不連續(xù)性的位置、大小、形狀和嚴(yán)重程度。 圖3 顯示了漏磁場分布和磁痕的聚集情況[2]。

圖3 缺陷的漏磁場及磁粉分布

磁粉檢測特點： 適合檢測鐵磁性材料的表面和近表面缺陷；較其他表面檢測方法靈敏度較高；能直觀顯示缺陷的位置、大小、形狀及嚴(yán)重程度；檢測速度較快，成本較低，工藝簡單；檢測范圍廣泛，缺陷顯示重復(fù)性好；也可檢測經(jīng)腐蝕處理的表面；但是，檢測靈敏度與磁化方向有密切關(guān)系， 如果缺陷方向與磁化方向接近平行或與工件表面的夾角小于20°，缺陷就很難被發(fā)現(xiàn)。另外，對于表面淺而寬的劃傷和鍛造皺折也不易發(fā)現(xiàn)。

3.2 檢測工藝

本試驗共使用焊板10 塊，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，制定了探傷工藝流程， 分別進(jìn)行目視識別和磁粉進(jìn)行連續(xù)法交叉磁軛磁粉探傷。

工藝及設(shè)備：20# 鋼對焊試板， 規(guī)格為360×250×10（mm），原焊接面，CJE-2A（磁粉探傷機(jī)），A1-30/100（標(biāo)準(zhǔn)試片），磁極間距 141（mm）；黑磁膏，水懸液（濃度10-25g/l）；交叉磁軛法，環(huán)境溫度18℃，提升力118 N，濕法連續(xù)檢測。

懸液；施加方法采用噴灑法，要注意控制檢測面磁懸液流速，不能太快；4 個磁極端面與檢測面之間應(yīng)盡量貼合，最大間隙不超過0.5 mm，移動速度要盡量均勻，一般不應(yīng)超過4 m/min；檢測環(huán)境的光照度要不低于1 000 Lx； 統(tǒng)一要求試板在焊后24 h 之后檢測。

3.3 檢測結(jié)果

針對以上磁粉檢測方法得到的結(jié)果 （圖2 給出了試板焊縫外形狀況）， 我們對制作的10 塊存在表面和近表面缺陷的焊板，進(jìn)行數(shù)量、分布情況以及類型特征的分類和統(tǒng)計。 目視查看16 條（個），其中裂紋15 條，圓形缺陷1 個。 磁粉檢測共發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)29處，缺陷83 個，其中線性缺陷磁痕79 條，圓形缺陷磁痕4 個，條形磁痕平均長度3.78 mm。 結(jié)果見表4。

表4 缺陷數(shù)量與長度統(tǒng)計

密度分布：10 個試板的焊縫中， 單個缺陷存在區(qū)共有缺陷8 個，密集區(qū)共有缺陷83 個，平均單個區(qū)域存在缺陷3.14 個。 密集區(qū)當(dāng)中90.36%的缺陷以群簇的形式出現(xiàn)在51%的密集區(qū)。

區(qū)域分布：焊縫中部共有缺陷8 處共8 個，邊緣缺陷27 處共79 個。 缺陷部位占比為中部23%，邊緣77%。缺陷數(shù)量占比為中部10%，邊緣90%。絕大多數(shù)缺陷處于焊縫邊緣附近，并向內(nèi)部延伸。中部缺陷以單個形式為主。

類型分布：各試板線性缺陷主要是裂紋，占缺陷總數(shù)的95.2%，且成簇出現(xiàn)。 缺陷形態(tài)表現(xiàn)為，主干缺陷周圍均勻分布數(shù)條短線型裂紋， 部分缺陷呈分叉和折現(xiàn)分布。

4 結(jié)論

（1）通過量化統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)目視檢查的缺陷發(fā)現(xiàn)率僅為19.3%，細(xì)微裂紋幾乎無法發(fā)現(xiàn)，近表面缺陷更是不可能被發(fā)現(xiàn)， 而通過磁粉檢測可以發(fā)現(xiàn)大部分裂紋缺陷。

（2）缺陷絕大多數(shù)為裂紋缺陷，且大多成簇出現(xiàn)，橫向、縱向及成一定角度等各種取向的都有，脈絡(luò)清晰。 磁粉檢測法對表面開口和近表面的裂紋類缺陷靈敏度高這一特點，通過本試驗得到了直觀驗證。

（3） 試驗可以加強(qiáng)初學(xué)者和相關(guān)員工對磁粉檢測方法、工藝和缺陷特點的正確認(rèn)識和理解，提高其質(zhì)量意識和規(guī)范操作紀(jì)律， 為以后的規(guī)范化檢測工作打好基礎(chǔ)。

（4）本次試驗制作的試板缺陷為自然缺陷，貼合焊縫缺陷實際情況， 試板可用于人員培訓(xùn)和考核工作， 也可以在工程實踐中用作相關(guān)材料工況檢測靈敏度對比，為優(yōu)化檢測工藝提供參考。