張曉陽
(中國工程物理研究院材料研究所,四川 綿陽 621908)
作為一種常見的檢測技術,超聲波金屬探傷儀在工業(yè)領域被廣泛應用,尤其是在壓力容器制造、材料焊接等檢測中發(fā)揮著非常重要的作用。超聲波金屬探傷技術具有穿透能力強、靈敏度高的特點,一般情況下可進行數(shù)米深探測,尤其是對于一些反射體的反射能力與空氣隙相當,能夠輕易發(fā)現(xiàn)。
金屬探傷是一種無損探傷技術,可在不損害檢測對象的前提下,測試零部件表面與內部質量。常見的金屬探傷技術有超聲波探傷、X光射線探傷、磁粉探傷等。
超聲波探傷原理是通過超聲波到達被檢測物的內部,從一個截面到達另一個截面時,會產生反射,而反射光將會產生脈沖波形,并在熒光屏幕上顯示,然后根據(jù)波形來對缺陷的范圍及所在位置進行判斷[1]。超聲波探傷與其他技術相比,其靈敏度較高,且不會損害操作人員身體健康,成本較低,但要求被檢測對象的表面光滑,在辨別缺陷時需要工作人員有豐富的經(jīng)驗積累,直觀性不強。
X射線的穿透力較強,屬于電磁波的一種,其波長較短,多用于金屬部件的探傷。在實際操作中,在電離作用下,X射線被物質吸收時,可被分解為正負離子,通過測量儀表可以測量電離層,并計算出X射線的實際量,完美展現(xiàn)出金屬內部的損傷和缺陷。X射線的特征以及金屬零部件的厚度密度決定了X射線的影像形成原理,其作用有穿透作用、電離作用、熒光作用、熱作用等等。
在磁性材料檢測中,常使用磁粉探傷技術。其原理是當被檢測物發(fā)生磁化后,如果存在缺陷,那么缺陷處的磁場會因磁阻的產生而變大,所以可以通過磁粉來檢測是否存在缺陷以及缺陷所在位置。通常,磁粉探傷設備不復雜,操作性較強,對于某些合金缺陷可以很好發(fā)現(xiàn),但是很難發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷,同時也不易檢測出零部件深處缺陷。
超聲波的本質就是機械振動,其傳播介質為彈性介質,傳播形式為波動形式,其振動頻率不低于20KHZ。在厚度較大的金屬結構材料中,使用超聲波金屬探傷技術,可對缺陷進行精準定量、定位,同時具有檢測速度快、成本低等特點,并對人體無任何傷害,可在很大程度上使得大面積缺陷的檢測效率提升。在金屬結構材料中使用超聲波探傷技術的特點有:①在介質中,一旦超聲波遇到界面攔截,便會產生發(fā)射;②對于金屬結構材料而言,通過超聲波傳播力大的特點,可以對內部深處的缺陷進行檢測[2];③超聲波振動頻率越高,指向性越強;④在超聲波運用過程中可根據(jù)超聲波的衰減、聲速以及阻抗等情況進行合理判斷。
探頭在檢測過程中發(fā)揮著十分重要的作用,甚至還會影響缺陷的檢出率。通常,鍛鋼件探傷選擇頻率2MHz~5MHz,晶片直徑10mm~30mm的直探頭。薄工件探傷時,則選用頻率在5MHz~10MHz的晶片探頭??傊?,對于探頭的選擇,盡量在確保探傷靈敏度的前提下,選用直徑較小的探頭,晶片尺寸Φ14、Φ20直探頭最為適宜[3]。
探頭確定后需要選擇相匹配的試塊,在探傷過程中,試塊可以對工件內部的缺陷進行精準定位和快速評估,缺陷診斷率較高。為確保檢測結果更加準確,必須要選擇合適的試塊。在超聲探傷前,試塊靈敏度的調整需要借助人工反射體進行,然后調整掃描速度,接著調整相關比值,如實際聲程/水平刻度值;最后,檢驗是否可以繪制出波復曲線圖,以精確定量金屬容器內部缺陷。從校準技術要求層面來看,電磁軛提升力至少為45N,靈敏度試片刻槽顯示清晰。
在超聲波金屬探傷檢測中,耦合劑的選擇是極為重要的環(huán)節(jié),耦合劑選擇是否正確將直接決定著檢測結果的精準性。在手動接觸法超聲波探傷法中,常用耦合劑有工業(yè)機油和化學漿糊兩種。其中粗加工工件檢測,即存在加工余量或是對檢測精度要求不高,耦合劑使用化學漿糊;精加工工件缺陷檢測的耦合劑則多使用機油,主要是因工業(yè)機油的附著力較強,且潤濕度良好,尤其是表明耦合非常穩(wěn)定,可將對工件表面的腐蝕降至最低,在重復檢測時誤差相對較小。
在金屬探傷時,對于缺陷當量值的計算涉及較多,在對金屬結構材料質量存在爭議的點也在于缺陷當量值的大小。通常,計算缺陷當量值的常用方法有:
(1)通過基準平底孔和缺陷回聲波壓差進行計算。
(2)通過大平底面回波與缺陷回波聲壓差進行計算。
但這兩種計算方法所得出的結果也存在一定差異,甚至有時差異較大,因此要想保證檢測結果的準確性,就需要選擇波底良好的點作為參照點,根據(jù)實際情況選擇正確的測定方法。
A型脈沖反射式儀器是超聲金屬探傷常用的檢測儀器,但其在缺陷形貌的描述中有一定局限性,且受分辨力的影響較大,采用該儀器進行探傷時,對于缺陷多以點線面的形式進行描述,無法準確判斷缺陷性質,且多依賴于檢測人員的客觀經(jīng)驗來進行定性分析,要求檢測人員不僅要熟知回波波形,還需要了解工件的制造工藝,逐步積累相關經(jīng)驗,從而對缺陷類型進行綜合分析。尤其是在白點缺陷與偏析缺陷的辨別,使用超聲波檢測非常容易混淆,因為白點缺陷很可能與偏析缺陷同時存在,而白點缺陷對于工件基體具有較大的破壞力。當回波尖突、缺陷方位為受壓方向且呈輻射狀分布時,其多為工件破壞后的截面,白點缺陷量值較大,且分布于工件一端??梢姡谌毕菪再|辨別時要充分了解工件的工藝流程,進行綜合全面的分析,只有這樣在使用超聲波金屬探傷時才能更加確定缺陷的性質。在實際中,對于一個因內部缺陷而報廢的工件,只要我們確定金屬內部組織未出現(xiàn)夾渣缺陷,通過合理工藝是可以將其重新鍛制成合格的坯件,這也表明缺陷性質的辨別是非常重要的。
在金屬結構材料缺陷檢測過程中,使用超聲波探傷技術主要包括兩個環(huán)節(jié),一是準備階段,二是現(xiàn)場檢測環(huán)節(jié)。在檢測準備階段需要對檢測面進行清理,除掉檢測表面的油垢、銹蝕等物質,同時補焊探頭移動區(qū)深坑,并用砂輪進行打磨。超聲波金屬探傷技術對金屬容器寬度主要通過板厚t和探頭斜率K進行計算[4],公式如下:
K值可通過對探頭聲速在金屬容器中折射角的正切值計算而獲得,K值是否準確將直接影響金屬容器缺陷定位的精準度。
現(xiàn)場檢測環(huán)節(jié)使用超聲波金屬探傷技術檢測缺陷時,首先要檢查檢測表面外觀是否合格,并了解金屬結構材料的材質、厚度、焊接方法、曲率等信息,并根據(jù)結果繪制DAC曲線,以此來確定缺陷的位置和大小,為質量評級提供數(shù)據(jù)參考。
在初步探傷開始前,首先必須要對圖紙進行全面了解,明確圖紙中工件的制造工藝與技術要求。在缺陷探測時,需要采取不同的探頭掃查方式來檢測不同的缺陷。如鋸齒掃查用于檢測縱向缺陷,平行掃查則檢測橫向缺陷??傊?,在探傷時操作必須要嚴格按照我國第金屬結構相關規(guī)范進行,切記不可憑借經(jīng)驗開展工作,否則將會降低檢測效率,從而導致產生極為嚴重的后果。同時,探傷人員必須要具備過硬的專業(yè)知識,才能做好探傷檢測。在初探時,需要對回波信號進行詳細記錄,確保數(shù)據(jù)不錯不漏,從而為后續(xù)檢測提供更加精準的數(shù)據(jù)參考。
精確探傷的關鍵就在于“精確”,精確探傷與初步探傷方法一致,只是在探傷時速度下降,捋檢測更加詳細,以避免出現(xiàn)漏測情況。在初探時發(fā)現(xiàn)的問題,精探時必須要再次進行檢測,對存在問題的地方要著重標記,以便后續(xù)找到問題所在原因,為今后工藝水平的改進提供依據(jù)。對于存在缺陷的地方要重復檢測,以免偽缺陷存在。同時,在精確探傷時要求工作人員保持注意力集中,不可根據(jù)工作經(jīng)驗來計算探傷比例,而需要根據(jù)實際的焊縫長度計算。對于允許范圍內的缺陷可適當增加探傷比例。
在缺陷評級時,首先應將儀器調整為DAC功能,同時開啟超聲波探傷儀,并將探頭放置在已選試塊上,選擇A門起始功能后做好調節(jié),回波至少為滿屏80%左右。然后保存標定,將撥輪順時針旋轉,待保存標定值從0變?yōu)?時,即可停止旋轉。接著在試塊上用探頭尋找最高反射回波,使用撥輪對A門起始門位進行調節(jié),直到將反射回波套住為止,保存標定后采取順時針方位轉動撥輪,待保存標定值從1變?yōu)?時,即可停止旋轉[5]。對探頭進行反復調整,確保在試塊上找到最高反射回波的距離,并對標定進行依次保存。對于金屬工件的缺陷、缺陷分區(qū)以及定量都需要通過繪制DAC曲線進行。其中,l區(qū)指定線和定量線之間的區(qū)域,Ⅱ區(qū)指的是定量線與判廢線之間的區(qū)域;Ⅲ區(qū)則指的是判廢線以上的區(qū)域。如果探傷波線處于l區(qū),那么該缺陷可忽略;如果波線處于Ⅲ區(qū),則工件不合格;如果波線處于Ⅱ區(qū),需根據(jù)允許長度來判定是否需要返修。
為提高探傷的準確度,就需要進行重復探傷,即針對初步探傷和精確探傷后,再次對檢測結果進行核對,重復探傷時所采用的探傷方法與前面探傷方法基本一致,有前兩次探傷數(shù)據(jù)為基礎,重復探傷時可提高檢測速度,但也需要對前兩次檢測出缺陷的地方進行仔細檢查。
在多層金屬結構焊縫時,由于會產生較大的收縮應力,因此具有一定的延時性,但由于金屬結構自身存在時效性,因此裂紋多在焊縫完成后幾周甚至幾月后才出現(xiàn)。因此,在探傷時對于應力相對集中的焊縫位置,可在完成焊接后1個月再次進行探傷檢測,以避免出現(xiàn)裂紋延遲,從而漏探[6]。
隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展,制造業(yè)技術也取得突破性進展,在各個領域中對于金屬焊接技術的使用也極為常見,但在產品生產過程中依舊存在諸多問題,嚴重影響著產品質量,亟待解決。作為一種檢測質量的方式,超聲波金屬探傷技術在檢測時能夠做到非常精確,且與其他檢測方法相比更加便捷,也不會對操作者產生危害,因此有著廣闊的發(fā)展前景。本文著重對金屬探傷的相關問題進行探討,以期能夠為行業(yè)發(fā)展提供參考。