船用鑄鋼件無損檢測技術(shù)

黃峻淵,符成志,李成元,張偉

(上海外高橋造船海洋工程有限公司,上海 201306)

船舶艉軸套、舵架等所用鑄鋼件是組成船體結(jié)構(gòu)的重要和關(guān)鍵性部件,質(zhì)量要求高,而在鑄鋼件鑄造過程中又不可避免地存在著氣孔、夾砂以及裂紋和縮松等缺陷[1],它使金屬的強(qiáng)度、塑性及沖擊韌性降低,力學(xué)性能受到破壞,缺陷嚴(yán)重時(shí)將影響其使用壽命。為了控制質(zhì)量、降低成本,常在制造過程中進(jìn)行多次檢測,不同工序?qū)﹁T件表面和某一部位的內(nèi)在質(zhì)量都必須運(yùn)用不同的檢測方法確定其是否存在超標(biāo)缺陷,以及時(shí)進(jìn)行必要處理,避免造成不必要的損失。由于船用鑄鋼件(艉軸套、舵架)在船舶航行中發(fā)生較大的振動(dòng)和海浪的沖擊力[2],另外內(nèi)孔表面受到艉軸、舵銷的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦等的影響,所以要求內(nèi)孔表面及近表面部位不允許存在較大的缺陷,為此要加大對(duì)鑄件表面及近表面的檢測[3],以使最終狀態(tài)下內(nèi)孔表面、近表面無大面積縮松和線狀缺陷。因此,考慮當(dāng)鑄件還處于毛坯、粗加工狀態(tài)以及保留有一定的加工余量時(shí),利用超聲和磁粉檢測對(duì)所發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行清除、焊補(bǔ)。

1 船用鑄鋼件的超聲檢測

1.1 檢測的必要性

船用大型鑄件一般在生產(chǎn)廠家完成澆筑后都會(huì)進(jìn)行首次目視檢查和機(jī)械粗加工。艉軸套、舵架內(nèi)孔表面存在較為嚴(yán)重的缺陷時(shí),由于受到艉軸、舵銷的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦和振動(dòng)的影響,這些缺陷在其表面就會(huì)產(chǎn)生延伸、擴(kuò)展,從而造成艉軸套、舵架的損壞。為此,要在鑄件粗加工后,在鑄件內(nèi)孔保留著單面20～30 mm的加工余量時(shí),通過超聲檢測來發(fā)現(xiàn)在精加工后可能處于內(nèi)孔表面的缺陷,確定好缺陷的深度后,通過批鑿、焊補(bǔ)的方式予以消除[4]。同時(shí)也要考慮在整船拉線照光后,內(nèi)孔圓心點(diǎn)可能會(huì)存在偏離,為此,要控制在15～35 mm的深度范圍內(nèi)不存在超標(biāo)缺陷。因?yàn)閮?nèi)孔有一定的曲率,按ASTM A609的規(guī)范要求,一般在直探頭的近場范圍內(nèi)探傷,為此,通過對(duì)探測頻率、探頭型式、靈敏度調(diào)節(jié)、曲率補(bǔ)償(耦合劑)、探測方向與缺陷的判定等問題,結(jié)合所需探測的缺陷特征(縮松、氣孔、夾雜和裂紋等)[5],制定出較為嚴(yán)密的檢測工藝。

1.2 探頭型式及頻率的選擇

鑄件檢測的探頭選用是以縱波直探頭為主,橫波斜探頭為輔。根據(jù)艉軸套、舵架在粗鏜孔后還有20～30 mm左右的余量及鑄件的特點(diǎn)(晶粒粗、內(nèi)部組織不致密),根據(jù)ASTM A609的規(guī)范要求,以及需要探測存在于一定深度位置的面積型缺陷,為了縮小工件中近場長度、提高靈敏度、縮小盲區(qū)、減少雜波,縱波探頭選擇雙晶直探頭,頻率4 MHz;而單晶探頭靈敏度相對(duì)較低,雜波多,有盲區(qū)。雙晶探頭的晶片角度選擇10～12°,這樣在20～30 mm左右的探測區(qū)域反射信號(hào)最強(qiáng),探測靈敏度最高[6]。橫波斜探頭(70°、2.5 MHz),進(jìn)行縱、橫向掃查。

1.3 靈敏度的調(diào)節(jié)

1.3.1 按美國ASTM A609的規(guī)范,考慮常規(guī)參考試塊的材質(zhì)與工件主體材質(zhì)偏差較大,靈敏度調(diào)試過程中很難確保后續(xù)缺陷的定位、定量。為此,選用與工件相同的材料(在工件多余部位取樣)制作參考試塊(圖1)進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)。

圖1 參考試塊

1.3.2 儀器面板曲線

根據(jù)參考試塊,運(yùn)用雙晶直探頭制作DAC曲線。經(jīng)過探頭試塊的調(diào)試,在儀器屏幕上可以看到在10～35 mm的深度范圍內(nèi),曲線幅度最高,也就反應(yīng)在該區(qū)域內(nèi),檢測靈敏度最高。

1.4 檢測要求

檢測前需對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行網(wǎng)格劃線,以確保全部覆蓋,不漏檢。同時(shí)根據(jù)規(guī)范要求,探頭每次移動(dòng)至少覆蓋10%,掃查速度不應(yīng)該超過100 mm/s,同時(shí)考慮到檢測面存在曲率,為了探頭能夠更好地與工件表面耦合,選用軟保護(hù)膜以及晶片尺寸較小的探頭,并作適當(dāng)?shù)那恃a(bǔ)償。

1.5 基于ASTM-A609標(biāo)準(zhǔn)制定驗(yàn)收要求

1)缺陷回波超過DAC曲線的作為評(píng)定對(duì)象。

2)缺陷的指示長度以連續(xù)出現(xiàn),超過DAC曲線的缺陷回波,并以探頭的中心用6 dB法測定缺陷長度。

3)評(píng)定缺陷總面積,采用長、寬均300 mm評(píng)定框,將評(píng)定框置于缺陷最嚴(yán)重的位置,根據(jù)評(píng)定框內(nèi)缺陷尺寸總和按表1要求評(píng)定。

表1 超聲波檢測質(zhì)量分級(jí)

4)任何被判定為裂紋的缺陷應(yīng)評(píng)為不合格。

1.6 根據(jù)設(shè)計(jì)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定檢測工藝

相關(guān)檢測工藝見表2。

表2 相關(guān)檢測工藝

2 船用鑄鋼件的磁粉檢測

在前期超聲波檢測后,處于鑄件內(nèi)部的超標(biāo)缺陷基本都已經(jīng)清除。為了能夠進(jìn)一步控制產(chǎn)品質(zhì)量,消除在機(jī)械加工過程中可能出現(xiàn)的磨削裂紋或由于組織晶粒粗大導(dǎo)致的聲波衰減而未能發(fā)現(xiàn)的較小缺陷[7];同時(shí)也為了避免如果在工件精加工后的表面再進(jìn)行缺陷的焊補(bǔ),破壞表面光潔度,在精加工還保留0.2～0.3 mm的余量時(shí)將鏜排拉出,進(jìn)行磁粉檢測,對(duì)于發(fā)現(xiàn)的線狀或相對(duì)密集型的疏松等缺陷也采用批鑿、焊補(bǔ)的方式予以消除。

為了更好地檢測表面的缺陷,通過儀器、電流、磁粉以及掃查方式的選擇來提高磁粉檢測靈敏度。

2.1 儀器

若被檢對(duì)象體積大、形狀復(fù)雜、檢測環(huán)境較差,則采用船舶磁粉檢測。因此,在檢測時(shí)多采用便攜式設(shè)備,如便攜式交直流磁軛、十字交叉旋轉(zhuǎn)磁軛、通電支桿觸頭。經(jīng)過實(shí)際現(xiàn)場測試后發(fā)現(xiàn),由于艉軸套、舵架內(nèi)孔帶有曲率,檢測面積也大,原先考慮選用十字交叉旋轉(zhuǎn)磁軛,因其通電磁化時(shí)可以同時(shí)滿足縱向與橫向,而且自帶滾輪,可以提高檢測速度。但在實(shí)際的檢測中發(fā)現(xiàn)交叉旋轉(zhuǎn)磁軛受到曲率的影響,4個(gè)接觸腳無法改變方向,擺放不平穩(wěn),與工件形成點(diǎn)接觸,降低了檢測靈敏度,影響檢驗(yàn)結(jié)果。支桿觸頭法因其無法控制有效磁化區(qū)域,而且在觸頭接觸工件通電磁化時(shí)易產(chǎn)生金屬碰撞打火,灼傷機(jī)加工面。而便攜式交直流磁軛能有效的接觸工件,而且支腿間距可調(diào),輕巧,所以選擇便攜式交直流磁軛設(shè)備。

2.2 電流

直流電磁化時(shí),滲透深度大,能夠發(fā)現(xiàn)一些埋藏較深的缺陷。但是磁化過程中脈動(dòng)性小,導(dǎo)致磁粉的流動(dòng)性較差;而且剩磁大,退磁困難,容易在后續(xù)吸附金屬顆粒。

交流電磁化時(shí),由于趨膚效應(yīng)的影響,表面磁場最大,有利于磁粉遷移,表面缺陷反應(yīng)靈敏,易退磁。相對(duì)直流電而言,檢測深度淺,但考慮最終機(jī)加工僅保留0.3 mm余量的情況下,無需選用直流電去發(fā)現(xiàn)較深的缺陷,只需選用交流電即可。

2.3 磁懸液

為了防止對(duì)內(nèi)孔產(chǎn)生銹蝕,在磁懸液的選用上必須使用油基磁懸液;同時(shí),為了提高油基的粘度以利于磁粉的懸浮,采用無味煤油與變壓器油按一定比例的混合液作為載體。調(diào)配后的磁懸液須按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行濃度測試,以確保檢測靈敏度。

2.4 掃查方式

在確保檢測靈敏度的情況下,盡可能擴(kuò)大一次檢測范圍,以提高檢測效率。同時(shí)為了防止大面積磁粉檢測時(shí)局部區(qū)域的漏檢,利用A型靈敏度試片和磁場指示器,使用CDX-5型磁軛設(shè)備,反復(fù)對(duì)比測試后獲得當(dāng)磁軛間距D在180 mm,橫向約為D/2時(shí),一次覆蓋有效磁化面積最大,平行檢測時(shí)還要注意覆蓋重疊。由于是單向磁軛,所以必須進(jìn)行二次大致互相垂直的檢測。磁軛的接觸點(diǎn)可采用圖2所示的圖形。

圖2 掃查圖形

2.5 質(zhì)量驗(yàn)收

任何裂紋、熱撕裂和冷斷裂,以及其他裂紋類缺陷都是不合格的,評(píng)定要求見表3。

表3 磁粉檢測質(zhì)量分級(jí)

表4 磁粉檢測工藝

2.6 磁粉檢測工藝

2.7 后續(xù)處理

在上述檢測后,出現(xiàn)不允許的缺陷將進(jìn)行清除,修補(bǔ)焊點(diǎn)必須高于檢測面,然后將內(nèi)孔加工至精確尺寸。

在精加工結(jié)束后,必須再作一次磁粉檢測,以確定不存在裂紋類線狀缺陷。如果表面還存在較小的點(diǎn)狀縮松等缺陷,對(duì)工件質(zhì)量沒有影響,只要將其打磨光順即可。打磨的允許度應(yīng)為半徑是深度的二倍,深度最大不超過25 mm,邊緣圓滑過渡。

3 結(jié)論

實(shí)踐表明,在船用鑄鋼件機(jī)加工過程中尤其是鏜孔階段,通過超聲波與磁粉兩種檢測方法組合使用,可在粗加工階段通過超聲波檢測及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在缺陷并為低成本消除創(chuàng)造條件,并在精加工階段通過磁粉檢測彌補(bǔ)超聲波未檢出的較小且存在于產(chǎn)品表面及近表面的缺陷(如點(diǎn)狀的夾雜、縮松等),確保產(chǎn)品交付質(zhì)量與使用可靠性。

在超聲波檢測階段,采用頻率4 MHz、晶片角度10°～12°的雙晶直探頭在產(chǎn)品20～30 mm深度區(qū)域的檢測效果最佳,同時(shí)選用橫波斜探頭(70°、2.5 MHz)可發(fā)現(xiàn)雙晶探頭檢測不到的、垂直于檢測面的裂紋類平面型缺陷。檢測過程中還應(yīng)考慮檢測面存在曲率并作適當(dāng)補(bǔ)償。

在磁粉檢測階段,當(dāng)產(chǎn)品精加工到尚有0.2～0.3 mm的余量時(shí),便攜式交直流磁軛設(shè)備可有效發(fā)現(xiàn)線狀或相對(duì)密集型的疏松等缺陷;合理使用具有適當(dāng)油基粘度的磁懸液可有效防止檢測面銹蝕,利于磁粉懸浮,提高檢測效果。此外,反復(fù)對(duì)比測試后發(fā)現(xiàn),當(dāng)磁軛間距D在180 mm,橫向約為D/2時(shí),一次覆蓋有效磁化面積最大,平行檢測時(shí)還要注意覆蓋重疊。