TP2銅管渦流探傷的研究及應用

楊國富

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096）

1 引言

TP2銅管由于具有優(yōu)良的焊接性能、導電性能、導熱性和抗腐蝕性，被廣泛地應用于空調(diào)和冰箱用制冷管、蒸發(fā)器和熱交換器用管等［1-2］。近幾年來隨著市場競爭的加劇，生產(chǎn)廠家對TP2銅管的質(zhì)量尤其是表面缺陷要求越來越嚴格，而TP2銅管在生產(chǎn)過程中經(jīng)歷了軋制和多道次的拉拔工序，每道工序都會對TP2銅管的表面質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，主要為針孔、雜渣、裂紋、表面不平、磕碰、劃傷、鋸齒傷等缺陷，最終影響客戶的使用性能。為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量，TP2銅管在出廠前必須進行100%無損探傷。

作為無損檢測方法之一的渦流探傷，它以不破壞被測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為前提，應用物理的方法檢測物體內(nèi)部或表面的缺陷［3-4］，具有探傷精度高、漏檢率低、運行穩(wěn)定的特點，在使用時不要求線圈與TP2銅管接觸，也不需要在線圈與TP2銅管之間充滿耦合劑，容易實現(xiàn)檢測自動化，因此結(jié)合我司目前TP2銅管渦流探傷應用的現(xiàn)狀，研究渦流探傷的關(guān)鍵技術(shù)有著十分重要的意義。

2 渦流探傷原理及在線渦流探傷儀設(shè)備

2.1 原理概述

渦流探傷儀是依據(jù)電磁理論，由激勵線圈發(fā)出交變磁場，并在待檢測的金屬試件表面產(chǎn)生渦流，渦流磁場包含了試件好壞的信息［5］。渦流磁場受金屬材質(zhì)或缺陷的影響反過來使檢測線圈的阻抗發(fā)生變化，通過信號處理電路鑒別出缺陷效應，顯示渦流阻抗變化信號，從而判斷出試件中是否有傷。

2.2 渦流探傷的組成

目前TP2銅管行業(yè)使用的在線渦流探傷儀［6］，由檢測光柵、穿過式線圈、旋轉(zhuǎn)檢測裝置、噴墨裝置、烘干裝置、速度檢測裝置、探傷儀主機和操作顯示單元組成。圖1為實際安裝在水平纏繞機上的探傷組建示意圖。旋轉(zhuǎn)檢測裝置還包括有電氣控制系統(tǒng)和油氣潤滑裝置。

圖1 探傷設(shè)備組建示意圖

光柵起檢測金屬試件在線及測量點零位的作用。穿過式線圈對橫向缺陷、點狀缺陷靈敏，縱向缺陷不敏感。旋轉(zhuǎn)線圈對縱向缺陷靈敏，橫向缺陷不敏感。噴槍在檢測線圈檢測到缺陷后，對準試件的缺陷位置進行噴墨標識。編碼器對試件前進速度進行測量，速度信號對缺陷信號檢測靈敏性和噴墨定位非常重要。評價位置（Result.Position）用于相鄰兩個傷最小距離的判定，也用于操作屏幕上評價曲線開始顯示點的定位。

2.2.1 噴槍

噴槍要距離評價位置有足夠的長度，否則會因噴槍反應過慢造成錯過TP2銅管缺陷噴墨位置。噴槍有響應時間Tr和噴墨持續(xù)時間Td兩個重要參數(shù)。Tr由噴槍延遲時間和控制噴槍的電磁閥延遲時間決定，Td則決定了TP2銅管上噴墨長度。編碼器輸出的脈沖步長參與計算，使得Tr、Td在不同檢測速度下噴墨效果一致。

2.2.2 檢測線圈

檢測線圈按檢測方式分類有：穿過式線圈，內(nèi)插式線圈，點式線圈，扇形線圈，混合式線圈。比較多見的是穿過式線圈和點式線圈，旋轉(zhuǎn)探頭屬于點式線圈。檢測線圈的性能包括靈敏度、分辨率、準確度、檢測速度、穿透能力等方面的評價。

在保證一定信噪比條件下，能探出的傷痕越小，其靈敏度越高。靈敏度與線圈的激勵頻率有關(guān)。激勵頻率越高，渦流越趨于TP2銅管表面，則TP2銅管表面的渦流密度越大，檢測靈敏度就越高。渦流檢測的實質(zhì)是檢測TP2銅管導電性能的變化。TP2銅管的電導率和磁導率都可能引起渦流發(fā)生變化。TP2銅管的溫度、化學成分、尺寸、內(nèi)應力大小、熱處理的不同及缺陷的存在均會影響電導率σ的變化。由于TP2銅管是弱磁物質(zhì)，可以不用考慮磁導率對TP2銅管渦流的變化。

檢測線圈有兩個效應：提離效應和趨膚效應。提離效應是探頭由于離開TP2銅管距離變化而引起缺陷信號幅度變化；趨膚效應是激勵頻率越高，渦流越趨于TP2銅管表面。激勵條件相同時，電導率越大，趨膚效應越明顯。

渦流探傷儀利用檢測線圈的阻抗變化來提取缺陷信號。穿過式線圈與旋轉(zhuǎn)探頭的阻抗特性主要不同是：穿過式線圈阻抗變化與填充系數(shù)有關(guān)，旋轉(zhuǎn)探頭阻抗變化與間距有關(guān)。

圖2為穿過式線圈結(jié)構(gòu)示意圖。穿過式線圈在測量繞組上的感應電壓（有TP2銅管穿過時）：

E=2πf×N×H×10-8×π×（R2－ D2）/4

N：繞組匝數(shù)；H：激勵磁場強度，與試件電導率、尺寸等有關(guān)；R：繞組有效直徑的平方；D：試件外徑的平方；f：激勵頻率。（注：無試件穿過時，試件外徑視為0）。

圖2 穿過式線圈結(jié)構(gòu)示意圖

穿過式線圈可以100%覆蓋到TP2銅管表面，能夠檢測到裂紋、夾渣、氣孔、凹坑、碰扁等點狀缺陷或橫向缺陷，較好的控制TP2銅管的泄露，但對縱向缺陷難以發(fā)現(xiàn)。圖3是旋轉(zhuǎn)探頭結(jié)構(gòu)。圖4是旋轉(zhuǎn)探頭探傷過程，檢測到傷時，曲線明顯偏高。

圖3 旋轉(zhuǎn)探頭結(jié)構(gòu)圖

圖4 旋轉(zhuǎn)探頭探傷過程

旋轉(zhuǎn)探頭檢測覆蓋面則與試件前進速度和自身旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，能夠較好地檢測到一定長度以上的長條狀、一定寬度和一定深度的縱向缺陷。比如在對TP2內(nèi)螺紋銅管進行探傷時，對于5mm的探頭掃描寬度，15000rpm的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，要使一對旋轉(zhuǎn)探頭掃描軌跡能100%覆蓋到TP2銅管表面，TP2銅管前進速度應為：

V=15000×0.005×2 ／ 60×60=150（m/min）

實際生產(chǎn)過程中，為提高精整工序的產(chǎn)量，可以適當提高檢測速度，達到300m/min。但要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)探頭能100%覆蓋TP2銅管表面，也應該相應地提高探頭旋轉(zhuǎn)速度和掃描寬度。

3 渦流探傷參數(shù)調(diào)節(jié)

3.1 檢測工裝

選擇檢測工裝時，以與TP2銅管規(guī)格相對應的原則選擇，如果沒有同規(guī)格的檢測線圈，可以用最接近TP2銅管規(guī)格的線圈來代替，但是線圈的導嘴必須與TP2銅管規(guī)格相對應，不得用大規(guī)格的導嘴代替。只有這樣做才能保證檢測的周向靈敏度要求，才能保證靈敏度的一致性。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，一般建議：（1） 穿過式線圈導嘴內(nèi)徑=銅管公稱直徑+（0.30～1.0 mm）。（2）旋轉(zhuǎn)探頭開口直徑＝銅管公稱直徑+（0.6～1.0mm）。（3）旋轉(zhuǎn)探頭導嘴內(nèi)徑=銅管公稱直徑+（0.10～0.20mm）。TP2銅管規(guī)格與工裝選擇對比如表2所示

表1 TP2銅管規(guī)格與工裝選擇對比表

3.2 激勵頻率

在合適的激勵頻率下，標準人工傷檢測信號應該是一個完整的8字波形。如果波形雜亂，噪聲信號較大這就說明激勵頻率不正確。檢測頻率還應該滿足滲透深度的要求，滲透深度必須大于TP2銅管的壁厚，才能保證探傷時的TP2銅管內(nèi)表面質(zhì)量，滲透深度公式如下：

δ=5.03/√συf

由此可以推出頻率公式：

f=(5.03)2/συδ2

f：激勵頻率；σ：材料的電導率；υ：材料的磁導率；δ：滲透深度。

3.3 相位

缺陷信號與振動信號之間一般有30°～45°之間的差別，在坐標軸上，把缺陷信號調(diào)之Y軸，盡可能地把缺陷信號放大，而把振動信號減小，以此來提高探傷靈敏度。

3.4 報警電平和增益的大小

為了選擇合適的靈敏度，達到較好的探傷效果，一般調(diào)整時，報警電平參數(shù)為30%～70%，而對增益適當調(diào)節(jié)，使標準人工缺陷信號正好達到報警電平，再增加2dB余量時，保證人工標準缺陷信號正好報警。

3.5 帶通濾波器的調(diào)節(jié)

帶通濾波器有高通濾波和低通濾波組成，高通濾波電路通過高頻信號，阻礙低頻信號；低通濾波電路通過低頻信號，阻礙高頻信號。在調(diào)整時，按下列公式執(zhí)行：

fc=V/〔g（d）L+W〕

fc：缺陷中心頻率；g（d）：是一個與線圈有關(guān)的常數(shù)；L：缺陷的長度；W：檢測線圈的寬度。

在確定濾波高、低通濾波頻率時，根據(jù)檢測速度的變化，代入上述公式就可以計算出頻帶的寬度。

4 標準樣管［5-6］

（1）標準樣管是一段帶有標準人工缺陷的直條銅管材，用于調(diào)節(jié)探傷靈敏度；測試探傷系統(tǒng)的綜合性能；確定產(chǎn)品探傷驗收標準的樣管。

（2）標準樣管上的人工缺陷，定為垂直于管壁的徑向通孔和縱向刻槽，各種規(guī)格的TP2銅管標準人工缺陷的大小如表2、表3和表4所示。

表2 TP2內(nèi)螺銅管人工標準缺陷孔徑 mm

表3 TP2內(nèi)螺紋銅管人工標準缺陷刻槽（長）20（寬）0.1槽深 mm

表4 TP2光面銅管人工標準缺陷孔徑 mm

5 渦流探傷儀的校準方法及標準

TP2銅管在生產(chǎn)過程中進行渦流探傷時，當出現(xiàn)連續(xù)報警、連續(xù)不報警或功能異常時，需要按照以下步驟對渦流探傷儀進行校準：

5.1 校準方法

5.1.1 周向靈敏度差

將探傷儀調(diào)至手動狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)探傷靈敏度，使標準人工缺陷在探頭中周向任何位置都能報警，連續(xù)測試3次無誤差時記錄此時的dB值為a；逐步降低增益值，使標準人工缺陷剛好在周向任一方向都不會報警，連續(xù)測試3次無誤差時記錄此時的dB值為b，周向靈敏度差= |a-b|dB。

5.1.2 信噪比

使標準人工缺陷正好報警后，記錄此時的dB值為c，調(diào)高靈敏度，使靜噪信號正好報警，記錄此時的增益值為d，則信噪比=|c-d|dB 。

5.1.3 漏誤報率

調(diào)整探傷儀上的靈敏度，使標準樣管上的人工缺陷在周向任何位置都能報警，將增益提高2dB，按照調(diào)整參數(shù)時的速度測試 ，分別記錄標準缺陷的漏誤報次數(shù)，按下列公式計算漏報率及誤報率：

5.1.4 管端不可探區(qū)

用一根中間加工一標準孔200mm長的標樣管，連續(xù)測試3次無誤報，則管端不可測區(qū)小于100mm。

5.1.5 缺陷大小分辨率

調(diào)節(jié)靈敏度，使標準樣管上φ0.5的標準人工缺陷正好報警，φ0.4的標準人工傷正好不報警，測試3次均應如此，則缺陷大小分辨率為＜0.1mm。

5.1.6 穩(wěn)定性

探傷儀連續(xù)工作24h，重新測試周向靈敏度差和信噪比。

5.2 校準標準

校準標準見表5。

表5 校準標準

5 結(jié)論

在TP2銅管生產(chǎn)過程中使用旋轉(zhuǎn)式和穿過式渦流探傷儀，并對渦流探傷儀各種參數(shù)的設(shè)定及校準進行控制，可以及時判斷實際缺陷傷的位置、大小及缺陷所產(chǎn)生的原因，并報警噴墨提醒盤拉或成型工序檢查工裝模具或調(diào)整工藝參數(shù)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了不合格產(chǎn)品的數(shù)量，提高了成品率，降低了生產(chǎn)成本。