王東升，徐可北，陳 星，李碩寧，何躍維

（1.中航工業(yè)北京航空材料研究院 航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；2.常州常寶精特能源管材有限公司，常州 213200）

渦流檢測(cè)由于速度快，且對(duì)管材中存在的點(diǎn)坑、裂紋、折疊、外來(lái)金屬嵌入及某些非金屬夾雜等多種缺陷敏感，是金屬管材制造階段的重要檢測(cè)方法之一。渦流檢測(cè)中一項(xiàng)重要的工作是檢測(cè)結(jié)果的判定。截至目前，渦流檢測(cè)結(jié)果的判定主要借助于對(duì)比試樣人工缺陷與自然缺陷顯示信號(hào)幅值的對(duì)比，即當(dāng)量比較法。而實(shí)際檢測(cè)中，除缺陷因素外，管材的幾何形狀與材質(zhì)、外界環(huán)境等多種因素也會(huì)引起渦流響應(yīng)信號(hào)幅值的變化，加之自然缺陷形狀、性質(zhì)各異，所引起的渦流響應(yīng)信號(hào)并不會(huì)像人工缺陷的響應(yīng)信號(hào)那樣形狀規(guī)則，而可能以各種形式出現(xiàn)。因此，在檢測(cè)中有時(shí)會(huì)遇到難以判別的信號(hào)，這些異常信號(hào)既可能是缺陷信號(hào)又可能是來(lái)自于材質(zhì)或形狀的干擾，當(dāng)這些異常信號(hào)幅值較大時(shí)，其判別結(jié)果將直接影響管材的正確驗(yàn)收，因此，對(duì)于上述信號(hào)產(chǎn)生原因的分析具有十分重要的工程意義。

目前，對(duì)于渦流檢測(cè)中響應(yīng)信號(hào)的解釋及其影響因素的分析，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，不僅分析了管材幾何形狀變化引起異常信號(hào)的情況，而且還研究了材料及表面狀態(tài)與異常信號(hào)的關(guān)系［1－5］。但是，相關(guān)文獻(xiàn)還較少，而且涉及的材料種類(lèi)和影響信號(hào)的因素有限。筆者將在上述工作基礎(chǔ)上，結(jié)合兩種薄壁金屬管材的渦流檢測(cè)，進(jìn)一步開(kāi)展渦流響應(yīng)信號(hào)解釋及其影響因素的分析研究，為渦流檢測(cè)技術(shù)在管材上的應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料分兩種，第一種為φ20mm×1mm的6061鋁合金冷拉管材，熱處理狀態(tài)為T(mén)4態(tài)，來(lái)自同一批次。第二種為φ6mm×0.5mm的0Cr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼冷拔管材，來(lái)自試制階段的兩個(gè)批次。采用自比差動(dòng)式外穿過(guò)式線圈對(duì)上述管材實(shí)施手動(dòng)渦流檢測(cè)，圖1、圖2給出了相關(guān)結(jié)果。其中，時(shí)基圖（圖1（a）、（b），圖2（a）、（b）中左側(cè)圖）水平方向代表線圈沿管材長(zhǎng)度方向掃過(guò)的時(shí)間或距離，垂直方向代表不同時(shí)刻或位置處渦流響應(yīng)信號(hào)幅值的大小信息，考慮到時(shí)基圖中幅值顯示與儀器相位設(shè)定有關(guān)，并不一定能反映渦流響應(yīng)信號(hào)的最大幅值變化，為了更清楚地說(shuō)明情況，針對(duì)時(shí)基圖上虛線框定區(qū)域內(nèi)的渦流響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)給出了幅值顯示不受相位設(shè)置影響的阻抗平面顯示（圖1（a）、（b），圖2（a）、（b）中右側(cè)）。

鋁合金管的渦流檢測(cè)參照標(biāo)準(zhǔn)GB／T 5126—2001《鋁及鋁合金冷拉薄壁管材渦流探傷方法》制作了含φ0.9mm、φ0.6mm人工通孔的對(duì)比試樣，經(jīng)調(diào)試，該對(duì)比試樣經(jīng)檢測(cè)其通長(zhǎng)出現(xiàn)了密集分布的類(lèi)似干擾噪聲的異常信號(hào)，如圖1（a）所示。上述異常信號(hào)幅值較高并與通孔信號(hào)疊加在一起，使得在時(shí)基圖上幾乎無(wú)法分辨出通孔的信號(hào)，在阻抗平面圖上利用信號(hào)相位和形狀的差異也只能準(zhǔn)確分辨出通孔的信號(hào)。按照與對(duì)比試樣檢測(cè)時(shí)相同的靈敏度檢測(cè)其余鋁合金管材，其中有多數(shù)管材也出現(xiàn)了與對(duì)比試樣上相類(lèi)似的異常信號(hào)，如圖1（b）所示。

圖1 6061鋁合金管渦流檢測(cè)信號(hào)

圖2 0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管渦流檢測(cè)信號(hào)

0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管材對(duì)比試樣外壁表面加工有3.15mm×0.1mm×0.1mm、3.15mm×0.1mm×0.05mm（長(zhǎng)×寬×深）兩種規(guī)格刻槽，經(jīng)渦流檢測(cè)信噪比好。如圖2（a）所示，兩個(gè)人工刻槽信號(hào)顯示清楚，保持儀器設(shè)置不變檢測(cè)其余管材，同批次管材信噪比好，而另一批次管材則通長(zhǎng)出現(xiàn)較明顯的異常信號(hào)，典型如圖2（b）所示。

由于對(duì)同種牌號(hào)管材進(jìn)行檢測(cè)的儀器條件和時(shí)段相同，可以排除外界電磁干擾引起異常信號(hào)的可能。鋁合金管由于來(lái)自同一批次，因此由材質(zhì)波動(dòng)引起異常信號(hào)的可能性相對(duì)小，異常信號(hào)更可能來(lái)自于缺陷或幾何形狀因素。不銹鋼管由于包含不同批次，因此異常信號(hào)既可能由缺陷或幾何形狀因素引起，也可能與材質(zhì)波動(dòng)有關(guān)。根據(jù)以上初步分析，進(jìn)一步通過(guò)目視檢查、熒光滲透檢查、金相分析等對(duì)異常信號(hào)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了探究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋁合金管異常信號(hào)產(chǎn)生原因

該批次T4態(tài)6061鋁合金管材外表面狀態(tài)不好，目視檢查渦流檢測(cè)有明顯異常信號(hào)的鋁合金管材外壁，可看到一些細(xì)小擦痕，對(duì)照無(wú)明顯異常信號(hào)管材，也可看到類(lèi)似擦痕，甚至更多，說(shuō)明擦痕不是引起該批次管材異常信號(hào)的主要因素。分別取有無(wú)明顯異常信號(hào)的管材各一段沿縱向剖開(kāi)查看壁厚均勻性，可見(jiàn)壁厚均勻性都比較好，進(jìn)一步觀察管材內(nèi)壁表面狀況，有明顯異常信號(hào)的管材內(nèi)壁到處是面積大且淺的凹痕，而且有多處縱向開(kāi)裂痕跡，無(wú)明顯異常信號(hào)的管材內(nèi)壁則相對(duì)平整光滑。對(duì)上述剖切后的管材進(jìn)行熒光滲透檢查，圖3給出檢測(cè)結(jié)果，渦流檢測(cè)無(wú)明顯異常信號(hào)的管材的內(nèi)壁以及所有管材的外壁均未發(fā)現(xiàn)異常顯示，在有明顯異常信號(hào)的管材內(nèi)壁上則出現(xiàn)多處異常顯示（見(jiàn)圖3管內(nèi)壁高亮區(qū)域），其位置多與目視開(kāi)裂的部位相一致，可見(jiàn)內(nèi)表面質(zhì)量對(duì)管材渦流檢測(cè)信號(hào)有較大影響，內(nèi)壁縱向開(kāi)裂應(yīng)是引起本次檢測(cè)中信號(hào)異常的主要原因。

筆者采用外穿過(guò)式線圈檢測(cè)，每一時(shí)刻獲得的信息是管材整個(gè)圓周上影響因素的累積效果，上述管材內(nèi)壁的縱向開(kāi)裂缺陷經(jīng)進(jìn)一步觀察，盡管分布于管材圓周的不同位置，但沿管材長(zhǎng)度方向的分布尚比較連貫，因此對(duì)于檢測(cè)線圈而言可近似視為同一個(gè)長(zhǎng)條狀缺陷。對(duì)于深度較一致的沿管材縱向分布的長(zhǎng)條狀缺陷，自比差動(dòng)式線圈難以產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，但自然開(kāi)裂深度不可能完全一致，因此，極可能產(chǎn)生類(lèi)似于沿管材縱向分布的密集點(diǎn)狀缺陷的效果，當(dāng)線圈沿管材掃查移動(dòng)時(shí)，這些點(diǎn)狀缺陷會(huì)不斷引起渦流信號(hào)響應(yīng)，形成密集分布的貌似干擾噪聲的信號(hào)。

圖3 6061鋁合金管內(nèi)壁熒光滲透檢測(cè)結(jié)果

2.2 不銹鋼管異常信號(hào)產(chǎn)生原因

渦流檢測(cè)一般要求對(duì)比試樣與被檢制件的電磁特性應(yīng)相同或相似。由于制作對(duì)比試樣的不銹鋼管材與出現(xiàn)明顯異常信號(hào)的不銹鋼管材不屬于同一生產(chǎn)批次，且了解到這兩個(gè)批次管材間制造工藝也有一定差別，因此需要評(píng)估由此可能對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生的影響。設(shè)計(jì)以下試驗(yàn)，首先從與對(duì)比試樣同批次的Z71號(hào)管以及圖2中117號(hào)管上各取一段并加工φ0.8mm、φ0.6mm人工通孔，然后，針對(duì)這兩段管材分別調(diào)整儀器參數(shù)，使得兩段管材上同規(guī)格通孔的信號(hào)幅值均達(dá)到較接近的某一值（筆者取通孔信號(hào)幅值達(dá)到儀器滿屏幕的50%左右），此時(shí)記錄下對(duì)應(yīng)于兩段管材的儀器增益值以及異常信號(hào)幅值，結(jié)果如表1。表1中，當(dāng)兩段管材上同規(guī)格通孔的信號(hào)幅值達(dá)到基本相同時(shí)，對(duì)應(yīng)的儀器增益值最大只相差1.5dB，同時(shí)，兩段管材上通孔以外部位渦流響應(yīng)信號(hào)的幅值對(duì)比依然符合圖2規(guī)律?？梢?jiàn)，對(duì)于筆者所檢測(cè)不銹鋼管材，即便被檢管材與對(duì)比試樣不屬同一批次，也不會(huì)對(duì)渦流檢測(cè)的結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，并由此可確認(rèn)圖2中117號(hào)管材上所出現(xiàn)異常信號(hào)并非是由于對(duì)比試樣選擇不當(dāng)而導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度過(guò)高引起。

表1 不同批次0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管材渦流響應(yīng)信號(hào)幅值對(duì)比

兩批不銹鋼管材之間表面光滑程度有差異但相差不大，從無(wú)明顯異常信號(hào)的一批抽取管材用硬物在其表面劃出多道較明顯劃痕，經(jīng)檢測(cè)也未見(jiàn)有可識(shí)別的信號(hào)出現(xiàn)，因此可確認(rèn)表面光滑程度的差異不是管材產(chǎn)生異常信號(hào)的原因。另外從Z71號(hào)管上截取了無(wú)明顯異常信號(hào)的一段和從117號(hào)管截取了有明顯異常信號(hào)的一段分別沿縱向剖開(kāi)，進(jìn)行熒光滲透檢查均沒(méi)有任何異常顯示，進(jìn)一步排除了管材內(nèi)外表面開(kāi)裂引起異常信號(hào)的可能。對(duì)兩批不銹鋼管材用肉眼初步觀測(cè)圓度看不出明顯差別，在Z71號(hào)管和117號(hào)管剖開(kāi)的縱截面上用肉眼初步觀測(cè)壁厚均勻性也看不出明顯差別。但當(dāng)用檢測(cè)線圈滑過(guò)管材時(shí)，在有明顯異常信號(hào)的管材部位普遍有波浪感，在無(wú)明顯異常信號(hào)的管材部位則感覺(jué)不到。隨后，在燈光下對(duì)管材外壁進(jìn)行觀察，可看到有明顯異常信號(hào)的管材部位存在直徑的輕微波動(dòng)，而無(wú)明顯異常信號(hào)的管材表面比較平整。

進(jìn)一步從Z71號(hào)、117號(hào)已剖開(kāi)管材中各取80mm長(zhǎng)的一段，做縱剖面的金相觀察，顯微鏡放大倍數(shù)取500，結(jié)果如圖4（a）、（b）所示，在117號(hào)管上可看到大量變形孿晶，這些孿晶分布不均勻，有的晶粒內(nèi)孿晶分布較密集，有的晶粒內(nèi)沒(méi)有孿晶分布。Z71號(hào)管上也有變形孿晶，但數(shù)量較少。此外，如圖4（c）、（d）SEM照片所示，在117號(hào)管壁內(nèi)可觀察到一些寬數(shù)微米長(zhǎng)200μm以?xún)?nèi)的，沿管材縱向的分散的條狀?yuàn)A雜，對(duì)照Z(yǔ)71號(hào)管也看到有類(lèi)似夾雜，且數(shù)量更多，經(jīng)能譜分析，所有看到的夾雜均為鋁的氧化物，成分相同，從而由此類(lèi)夾雜物引起本次檢測(cè)中異常信號(hào)的可能性很小。在Z71號(hào)、117號(hào)管縱剖面的金相觀察中沒(méi)有看到有管壁內(nèi)開(kāi)裂及其它宏觀缺陷情況，進(jìn)一步補(bǔ)充做了Z71號(hào)、117號(hào)管材多個(gè)橫斷面的金相觀察，也沒(méi)有看到上述缺陷。此外，文獻(xiàn)［2］曾指出奧氏體不銹鋼形變中誘發(fā)的鐵磁性馬氏體會(huì)引起明顯的檢測(cè)噪聲，但0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼屬于高穩(wěn)定奧氏體型不銹鋼，相變產(chǎn)生馬氏體的概率比較小，且金相觀察中也未看到此類(lèi)情況發(fā)生。

圖4 不同批次0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管材組織

綜合以上所有因素分析，只有管材組織差異和尺寸波動(dòng)與渦流檢測(cè)異常信號(hào)之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系：有明顯異常信號(hào)的管材上看到了密集不均勻分布的變形孿晶，且直徑尺寸存在波動(dòng)；無(wú)明顯異常信號(hào)的管材變形孿晶少，且直徑尺寸沒(méi)有波動(dòng)。變形孿晶是奧氏體不銹鋼塑性變形過(guò)程的典型產(chǎn)物［6－7］，組織差異反映出117號(hào)管組織有更明顯的變形跡象，而直徑尺寸的波動(dòng)應(yīng)是管材變形不均勻的外在表現(xiàn)。變形不均勻?qū)u流檢測(cè)的影響可能包括管材尺寸波動(dòng)帶來(lái)的提離信號(hào)響應(yīng)，以及幾何尺寸變化影響渦流場(chǎng)分布所帶來(lái)的信號(hào)響應(yīng)，以上兩點(diǎn)因素應(yīng)是引起檢測(cè)異常信號(hào)的主要原因。

3 結(jié)論

6061鋁合金冷拉薄壁管材、0Cr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼冷拔薄壁管材，在渦流檢測(cè)中異常信號(hào)產(chǎn)生原因認(rèn)為：前者異常信號(hào)是由于管材內(nèi)壁開(kāi)裂引起，后者異常信號(hào)是由于管材變形不均勻引起。

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