船用鑄鋼件無損檢測技術

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構的重要和關鍵性部件,質量要求高,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],它使金屬的強度、塑性及沖擊韌性降低,力學性能受到破壞,缺陷嚴重時將影響其使用壽命。為了控制質量、降低成本,常在制造過程中進行多次檢測,不同工序對鑄件表面和某一部位的內在質量都必須運用不同的檢測方法確定其是否存在超標缺陷,以及時進行必要處理,避免造成不必要的損失。由于船用鑄鋼件(艉軸套、舵架)在船舶航行中發生較大的振動和海浪的沖擊力[2],另外內孔表面受到艉軸、舵銷的轉動摩擦等的影響,所以要求內孔表面及近表面部位不允許存在較大的缺陷,為此要加大對鑄件表面及近表面的檢測[3],以使最終狀態下內孔表面、近表面無大面積縮松和線狀缺陷。因此,考慮當鑄件還處于毛坯、粗加工狀態以及保留有一定的加工余量時,利用超聲和磁粉檢測對所發現的缺陷進行清除、焊補。

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廠家完成澆筑后都會進行首次目視檢查和機械粗加工。艉軸套、舵架內孔表面存在較為嚴重的缺陷時,由于受到艉軸、舵銷的轉動摩擦和振動的影響,這些缺陷在其表面就會產生延伸、擴展,從而造成艉軸套、舵架的損壞。為此,要在鑄件粗加工后,在鑄件內孔保留著單面20～30 mm的加工余量時,通過超聲檢測來發現在精加工后可能處于內孔表面的缺陷,確定好缺陷的深度后,通過批鑿、焊補的方式予以消除[4]。同時也要考慮在整船拉線照光后,內孔圓心點可能會存在偏離,為此,要控制在15～35 mm的深度范圍內不存在超標缺陷。因為內孔有一定的曲率,按ASTM A609的規范要求,一般在直探頭的近場范圍內探傷,為此,通過對探測頻率、探頭型式、靈敏度調節、曲率補償(耦合劑)、探測方向與缺陷的判定等問題,結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(晶粒粗、內部組織不致密),根據ASTM A609的規范要求,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、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較低,雜波多,有盲區。雙晶探頭的晶片角度選擇10～12°,這樣在20～30 mm左右的探測區域反射信號最強,探測靈敏度最高[6]。橫波斜探頭(70°、2.5 MHz),進行縱、橫向掃查。

1.3 靈敏度的調節

1.3.1 按美國ASTM A609的規范,考慮常規參考試塊的材質與工件主體材質偏差較大,靈敏度調試過程中很難確保后續缺陷的定位、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)進行靈敏度調節。

圖1 參考試塊

1.3.2 儀器面板曲線

根據參考試塊,運用雙晶直探頭制作DAC曲線。經過探頭試塊的調試,在儀器屏幕上可以看到在10～35 mm的深度范圍內,曲線幅度最高,也就反應在該區域內,檢測靈敏度最高。

1.4 檢測要求

檢測前需對內孔進行網格劃線,以確保全部覆蓋,不漏檢。同時根據規范要求,探頭每次移動至少覆蓋10%,掃查速度不應該超過100 mm/s,同時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,選用軟保護膜以及晶片尺寸較小的探頭,并作適當的曲率補償。

1.5 基于ASTM-A609標準制定驗收要求

1)缺陷回波超過DAC曲線的作為評定對象。

2)缺陷的指示長度以連續出現,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)評定缺陷總面積,采用長、寬均300 mm評定框,將評定框置于缺陷最嚴重的位置,根據評定框內缺陷尺寸總和按表1要求評定。

表1 超聲波檢測質量分級

4)任何被判定為裂紋的缺陷應評為不合格。

1.6 根據設計要求及相關標準制定檢測工藝

相關檢測工藝見表2。

表2 相關檢測工藝

2 船用鑄鋼件的磁粉檢測

在前期超聲波檢測后,處于鑄件內部的超標缺陷基本都已經清除。為了能夠進一步控制產品質量,消除在機械加工過程中可能出現的磨削裂紋或由于組織晶粒粗大導致的聲波衰減而未能發現的較小缺陷[7];同時也為了避免如果在工件精加工后的表面再進行缺陷的焊補,破壞表面光潔度,在精加工還保留0.2～0.3 mm的余量時將鏜排拉出,進行磁粉檢測,對于發現的線狀或相對密集型的疏松等缺陷也采用批鑿、焊補的方式予以消除。

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

若被檢對象體積大、形狀復雜、檢測環境較差,則采用船舶磁粉檢測。因此,在檢測時多采用便攜式設備,如便攜式交直流磁軛、十字交叉旋轉磁軛、通電支桿觸頭。經過實際現場測試后發現,由于艉軸套、舵架內孔帶有曲率,檢測面積也大,原先考慮選用十字交叉旋轉磁軛,因其通電磁化時可以同時滿足縱向與橫向,而且自帶滾輪,可以提高檢測速度。但在實際的檢測中發現交叉旋轉磁軛受到曲率的影響,4個接觸腳無法改變方向,擺放不平穩,與工件形成點接觸,降低了檢測靈敏度,影響檢驗結果。支桿觸頭法因其無法控制有效磁化區域,而且在觸頭接觸工件通電磁化時易產生金屬碰撞打火,灼傷機加工面。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,輕巧,所以選擇便攜式交直流磁軛設備。

2.2 電流

直流電磁化時,滲透深度大,能夠發現一些埋藏較深的缺陷。但是磁化過程中脈動性小,導致磁粉的流動性較差;而且剩磁大,退磁困難,容易在后續吸附金屬顆粒。

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

2.3 磁懸液

為了防止對內孔產生銹蝕,在磁懸液的選用上必須使用油基磁懸液;同時,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。調配后的磁懸液須按標準要求進行濃度測試,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,盡可能擴大一次檢測范圍,以提高檢測效率。同時為了防止大面積磁粉檢測時局部區域的漏檢,利用A型靈敏度試片和磁場指示器,使用CDX-5型磁軛設備,反復對比測試后獲得當磁軛間距D在180 mm,橫向約為D/2時,一次覆蓋有效磁化面積最大,平行檢測時還要注意覆蓋重疊。由于是單向磁軛,所以必須進行二次大致互相垂直的檢測。磁軛的接觸點可采用圖2所示的圖形。

圖2 掃查圖形

2.5 質量驗收

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,評定要求見表3。

表3 磁粉檢測質量分級

表4 磁粉檢測工藝

2.6 磁粉檢測工藝

2.7 后續處理

在上述檢測后,出現不允許的缺陷將進行清除,修補焊點必須高于檢測面,然后將內孔加工至精確尺寸。

在精加工結束后,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狀縮松等缺陷,對工件質量沒有影響,只要將其打磨光順即可。打磨的允許度應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 結論

實踐表明,在船用鑄鋼件機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發現潛在缺陷并為低成本消除創造條件,并在精加工階段通過磁粉檢測彌補超聲波未檢出的較小且存在于產品表面及近表面的缺陷(如點狀的夾雜、縮松等),確保產品交付質量與使用可靠性。

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

在磁粉檢測階段,當產品精加工到尚有0.2～0.3 mm的余量時,便攜式交直流磁軛設備可有效發現線狀或相對密集型的疏松等缺陷;合理使用具有適當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,反復對比測試后發現,當磁軛間距D在180 mm,橫向約為D/2時,一次覆蓋有效磁化面積最大,平行檢測時還要注意覆蓋重疊。