金屬探傷技術(shù)的若干問題探究

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(shù)，超聲波金屬探傷儀在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(shù)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(dāng)，能夠輕易發(fā)現(xiàn)。

1 金屬探傷技術(shù)原理

金屬探傷是一種無損探傷技術(shù)，可在不損害檢測對象的前提下，測試零部件表面與內(nèi)部質(zhì)量。常見的金屬探傷技術(shù)有超聲波探傷、X光射線探傷、磁粉探傷等。

1.1 超聲波探傷

超聲波探傷原理是通過超聲波到達被檢測物的內(nèi)部，從一個截面到達另一個截面時，會產(chǎn)生反射，而反射光將會產(chǎn)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(shù)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。

1.2 X光射線探傷

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(zhì)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(nèi)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。

1.3 磁粉探傷

在磁性材料檢測中，常使用磁粉探傷技術(shù)。其原理是當(dāng)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(chǎn)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(shè)備不復(fù)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。

2 超聲波金屬探傷技術(shù)特點

超聲波的本質(zhì)就是機械振動，其傳播介質(zhì)為彈性介質(zhì)，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(jié)構(gòu)材料中，使用超聲波金屬探傷技術(shù)，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(jié)構(gòu)材料中使用超聲波探傷技術(shù)的特點有：①在介質(zhì)中，一旦超聲波遇到界面攔截，便會產(chǎn)生發(fā)射；②對于金屬結(jié)構(gòu)材料而言，通過超聲波傳播力大的特點，可以對內(nèi)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。

3 超聲波金屬探傷常見問題探討

3.1 檢測系統(tǒng)中探頭的選擇

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。總之，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]。

3.2 試塊的選擇

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(nèi)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(jié)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(diào)整需要借助人工反射體進行，然后調(diào)整掃描速度，接著調(diào)整相關(guān)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(fù)曲線圖，以精確定量金屬容器內(nèi)部缺陷。從校準技術(shù)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。

3.3 耦合劑的影響

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(jié)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(xué)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(xué)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(fù)檢測時誤差相對較小。

3.4 缺陷測定

在金屬探傷時，對于缺陷當(dāng)量值的計算涉及較多，在對金屬結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量存在爭議的點也在于缺陷當(dāng)量值的大小。通常，計算缺陷當(dāng)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(jié)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(jié)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。

3.5 缺陷性質(zhì)的辨別

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(zhì)，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(guān)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(dāng)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。可見，在缺陷性質(zhì)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(zhì)。在實際中，對于一個因內(nèi)部缺陷而報廢的工件，只要我們確定金屬內(nèi)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(zhì)的辨別是非常重要的。

4 金屬結(jié)構(gòu)件中超聲波探傷技術(shù)的應(yīng)用

4.1 檢測準備

在金屬結(jié)構(gòu)材料缺陷檢測過程中，使用超聲波探傷技術(shù)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(zhì)，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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)材料的材質(zhì)、厚度、焊接方法、曲率等信息，并根據(jù)結(jié)果繪制DAC曲線，以此來確定缺陷的位置和大小，為質(zhì)量評級提供數(shù)據(jù)參考。

4.2 初步探傷

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(shù)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。總之，在探傷時操作必須要嚴格按照我國第金屬結(jié)構(gòu)相關(guān)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(dǎo)致產(chǎn)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。

4.3 精確探傷

精確探傷的關(guān)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(fù)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(nèi)的缺陷可適當(dāng)增加探傷比例。

4.4 缺陷的評級

在缺陷評級時，首先應(yīng)將儀器調(diào)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(diào)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(zhuǎn)，待保存標定值從0變?yōu)?時，即可停止旋轉(zhuǎn)。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(diào)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(zhuǎn)動撥輪，待保存標定值從1變?yōu)?時，即可停止旋轉(zhuǎn)[5]。對探頭進行反復(fù)調(diào)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。

4.5 重復(fù)探傷

為提高探傷的準確度，就需要進行重復(fù)探傷，即針對初步探傷和精確探傷后，再次對檢測結(jié)果進行核對，重復(fù)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(chǔ)，重復(fù)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。

4.6 延遲裂紋的超聲波探傷

在多層金屬結(jié)構(gòu)焊縫時，由于會產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，因此具有一定的延時性，但由于金屬結(jié)構(gòu)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(yīng)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]。

5 結(jié)語

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，制造業(yè)技術(shù)也取得突破性進展，在各個領(lǐng)域中對于金屬焊接技術(shù)的使用也極為常見，但在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中依舊存在諸多問題，嚴重影響著產(chǎn)品質(zhì)量，亟待解決。作為一種檢測質(zhì)量的方式，超聲波金屬探傷技術(shù)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(chǎn)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(guān)問題進行探討，以期能夠為行業(yè)發(fā)展提供參考。