6063鋁合金表面缺陷交流電磁場檢測

馮云國，李圣爭，崔偉壇

(山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003)

6×××系鋁合金是以鎂和硅為主要合金化元素并以Mg2Si為強化相的熱處理可強化鋁合金，具有中等強度，耐蝕性高，無應(yīng)力腐蝕破裂傾向，焊接性能良好，焊接區(qū)腐蝕性能不變，成形性和工藝性能良好等優(yōu)點。在含有覆蓋層的鋁合金試件中，表面缺陷使用滲透方法無法檢測，其他無損檢測方法也受到多種因素的制約。本項目引入交流電磁場檢測技術(shù)，通過模擬缺陷，研究覆蓋層厚度對鑄件表面缺陷檢測結(jié)果的影響。交流電磁場檢測(ACFM)屬于電磁無損檢測，其理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理[1]。工作時激勵線圈在工件表面感應(yīng)出均勻交變電流，從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場；工件表面存在缺陷時，由于空氣和工件電阻率的差異，感應(yīng)電流從缺陷的兩邊和底部繞過，引起表面電磁場擾動，這時檢測線圈采集缺陷上方電磁場畸變信號并轉(zhuǎn)換成電壓輸出，分析處理后可得到對應(yīng)缺陷狀態(tài)的相關(guān)信息，從而達(dá)到定量分析的目的。ACFM技術(shù)具有非接觸式檢測、速度快、儀器操控便捷等優(yōu)點，目前在航空[2-3]、石油化工[4～5]、特種設(shè)備[6]等領(lǐng)域一直是研究和應(yīng)用的熱點。

本試驗以含有表面槽型缺陷的6063鋁合金試件為檢測對象，使用ACFM設(shè)備，從檢測有效穿透厚度和深度測量精度兩方面來探討覆蓋層對試件表面缺陷檢測結(jié)果的影響。

1 試驗方法

1.1 設(shè)備與檢測工件

檢測設(shè)備為國產(chǎn)COEST-X1型交流電磁場智能檢測儀，采用單探頭由雷莫線與儀器相連。單探頭由激勵線圈和檢測線圈構(gòu)成，激勵線圈為纏繞在U型錳鋅鐵氧體磁芯上的線圈結(jié)構(gòu)、檢測探頭為纏繞在相互垂直的錳鋅鐵氧體上的線圈結(jié)構(gòu)，檢測線圈位于U型磁芯骨架的正下方，單探頭外部為耐磨的環(huán)氧樹脂材料，探頭檢測面為矩形平面，平面尺寸為23 mm×35 mm。

檢測工件為6063鋁合金試件，規(guī)格為直徑300 mm×壁厚8 mm、長度520 mm，兩端為法蘭結(jié)構(gòu)，其化學(xué)成分見表1。殼體外壁的軸向方向刻有4處人工缺陷，缺陷為槽形結(jié)構(gòu)，寬×深×長尺寸為2 mm×1 mm×50 mm、2 mm×2 mm×50 mm、3 mm×3 mm×50 mm、3 mm×5 mm×50 mm四種。覆蓋層為聚丙烯材料，不同厚度覆蓋層層間密實、無氣泡，檢測時在人工缺陷上方粘貼覆蓋層，確保覆蓋層與殼體外壁緊密貼合。

表1 6063鋁合金工件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 有效穿透厚度測試

選取工件的寬×深×長=2 mm×2 mm×50 mm人工缺陷作為檢測對象，記為檢測試樣1。依次在厚度為0.42 mm、1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm、6.0 mm非導(dǎo)電聚丙烯材料覆蓋層下進(jìn)行測試。固定掃查起始位置和終點位置，以5 mm/s速度勻速掃查，每次掃查能夠同步顯示Bx曲線、Bz曲線和蝶形圖，其中Bx曲線為U型曲線，Bz曲線為類似正弦波曲線，Bx曲線和Bz曲線的橫坐標(biāo)為采樣時間，單位0.1s，縱坐標(biāo)為檢測信號電壓幅值，單位mV。同一次掃查獲得的曲線，在同一時間點Bx曲線和Bz曲線電壓幅值相對應(yīng)。

圖1為沒有覆蓋層和0.42 mm厚覆蓋層下的Bx曲線，其中左側(cè)U型曲線為無覆蓋層缺陷顯示信號、右側(cè)U型曲線為0.42厚覆蓋層缺陷顯示信號。

圖1 無覆蓋層和0.42 mm覆蓋層Bx曲線

圖2為同步顯示的Bz曲線，對應(yīng)圖1橫坐標(biāo)62～72區(qū)間的曲線為無覆蓋層缺陷顯示信號、對應(yīng)橫坐標(biāo)86～96區(qū)間的曲線為0.42 mm厚覆蓋層缺陷顯示信號。0.42 mm厚覆蓋層掃查完成后，去除聚丙烯層，使用95%酒精擦除殘留痕跡，另覆蓋1 mm聚丙烯覆蓋層，點擊開始，進(jìn)行當(dāng)前厚度覆蓋層掃查，掃查結(jié)果見圖3，圖3a為Bx曲線，圖3b為Bz曲線。掃查完成后重復(fù)上述步驟，依次完成覆蓋層為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm的掃查。

圖2 無覆蓋層和0.42 mm覆蓋層Bz曲線

圖3 厚度1 mm覆蓋層的Bx和Bz曲線

覆蓋層厚度為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm時，依次得到與圖3類似掃查結(jié)果，其中5 mm厚覆蓋層掃查結(jié)果見圖4，圖4a為Bx曲線、圖4b為Bz曲線。當(dāng)覆蓋層厚度提高到6 mm后，探頭經(jīng)過缺陷上方時，Bx信號電壓幅值的降低幅度和Bz信號電壓幅值的變化幅度均淹沒在晃動信號中，無法顯示出U型曲線和類似正弦波曲線。

圖4 厚度5 mm覆蓋層的Bx和Bz曲線

1.3 不同厚度覆蓋層深度測試

首先進(jìn)行深度標(biāo)定，將工件中的人工缺陷寬×深×長=2 mm×1 mm×50 mm的刻槽作為標(biāo)定試樣，以5mm/s速度勻速掃查，掃查完成后點擊停止，得到試樣掃查曲線，其中Bx曲線見圖5。針對圖5，使用鼠標(biāo)框選橫坐標(biāo)范圍28～38的曲線，點擊標(biāo)定，輸入標(biāo)定深度1，完成儀器深度校準(zhǔn)。

圖5 標(biāo)定試樣Bx曲線

在當(dāng)前靈敏度下，對人工刻槽寬深長分別為2 mm×2 mm×50 mm、3 mm×3 mm×50 mm、3 mm×5 mm×50 mm的3處缺陷在覆蓋層厚度為0.42 mm、0.56 mm、0.70 mm、1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm的條件下進(jìn)行檢測。第一處刻槽為檢測試樣1，后兩處刻槽分別標(biāo)記為檢測試樣2和檢測試樣3，檢測完成后對深度加以測量。深度測量過程為當(dāng)次掃查完成后點擊停止，框選Bx曲線在掃查時間范圍內(nèi)的U型顯示區(qū)域，點擊測量，可直接顯示測量結(jié)果。

2 結(jié)果分析

2.1 有效穿透厚度

針對檢測試樣1，在無覆蓋層和覆蓋層分別為0.42 mm、1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm、6.0 mm條件下進(jìn)行了缺陷檢測。對于Bx曲線，取缺陷信號U型曲線谷底段電壓幅值平均值和檢測開始前探頭處于靜止位置時電壓幅值平均值之差記為ΔBx；對于Bz曲線，取檢測開始前探頭處于靜止位置時電壓幅值平均值和波谷最低點電壓幅值之差記為ΔBz1；檢測開始前探頭處于靜止位置時電壓幅值平均值和波峰最高點電壓幅值之差記為ΔBz2。檢測結(jié)果見表2。

表2 電壓對覆蓋層的響應(yīng)

由表2可見，對于檢測試樣1，隨著覆蓋層厚度的增加，ΔBx值、ΔBz1值和ΔBz2值逐步降低，當(dāng)覆蓋層增加到5 mm時，ΔBx值、ΔBz1值和ΔBz2值已經(jīng)降到20 mV以內(nèi)，U型曲線和類似正弦波曲線特征已經(jīng)不明顯，見圖4。覆蓋層繼續(xù)增加到6 mm時，由于電壓幅值差值過小，缺陷信號與探頭移動產(chǎn)生的晃動信號無法分別，鑄件表面缺陷已經(jīng)無法體現(xiàn)在檢測曲線中。

2.2 深度測試結(jié)果

分別對檢測試樣1、檢測試樣2、檢測試樣3在0.42 mm～5.0 mm等8種厚度的覆蓋層條件下進(jìn)行了缺陷深度檢測，檢測結(jié)果見圖6。

圖6 覆蓋層厚度與檢測深度的關(guān)系曲線

分析3處檢測試樣,在覆蓋層厚度為0.42 mm時，測量深度與實際深度相差不大，其中檢測試樣1的誤差為3%，檢測試樣2存在正偏差，檢測試樣3誤差為9.2%；當(dāng)覆蓋層厚度增加時，檢測試樣的缺陷深度測量值開始降低，增加到1 mm以上時，降低幅度開始增大。覆蓋層達(dá)到3 mm時，檢測試樣1的誤差達(dá)到59.5%，檢測試樣2的誤差為59.3%，檢測試樣3的誤差為65.4%，在此厚度覆蓋層下有可能檢測到缺陷的存在，但深度的測量結(jié)果失去了參考價值。當(dāng)覆蓋層繼續(xù)增加，達(dá)到5 mm時，缺陷深度的測量值已經(jīng)與缺陷的真實深度無明顯對應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié) 論

1)在不破壞鋁合金鑄件非導(dǎo)電涂層的情況下，對表面缺陷進(jìn)行快速、有效檢測是ACFM方法的優(yōu)勢所在。

2)對于寬×深×長為2 mm×2 mm×50 mm的人工刻槽缺陷，檢測最大穿透聚丙烯覆蓋層厚度為5 mm；在深度的測量方面，當(dāng)聚丙烯覆蓋層厚度小于1 mm時，表面缺陷深度的測量結(jié)果具有一定參考價值，對于表面缺陷深度在3 mm以內(nèi)的缺陷，覆蓋層厚度小于0.5 mm時，深度測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。