張曉陽(yáng)

（中國(guó)工程物理研究院材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621908）

作為一種常見(jiàn)的檢測(cè)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(cè)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(qiáng)、靈敏度高的特點(diǎn)，一般情況下可進(jìn)行數(shù)米深探測(cè)，尤其是對(duì)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(wú)損探傷技術(shù)，可在不損害檢測(cè)對(duì)象的前提下，測(cè)試零部件表面與內(nèi)部質(zhì)量。常見(jiàn)的金屬探傷技術(shù)有超聲波探傷、X光射線(xiàn)探傷、磁粉探傷等。

1.1 超聲波探傷

超聲波探傷原理是通過(guò)超聲波到達(dá)被檢測(cè)物的內(nèi)部，從一個(gè)截面到達(dá)另一個(gè)截面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射，而反射光將會(huì)產(chǎn)生脈沖波形，并在熒光屏幕上顯示，然后根據(jù)波形來(lái)對(duì)缺陷的范圍及所在位置進(jìn)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(huì)損害操作人員身體健康，成本較低，但要求被檢測(cè)對(duì)象的表面光滑，在辨別缺陷時(shí)需要工作人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，直觀性不強(qiáng)。

1.2 X光射線(xiàn)探傷

X射線(xiàn)的穿透力較強(qiáng)，屬于電磁波的一種，其波長(zhǎng)較短，多用于金屬部件的探傷。在實(shí)際操作中，在電離作用下，X射線(xiàn)被物質(zhì)吸收時(shí)，可被分解為正負(fù)離子，通過(guò)測(cè)量?jī)x表可以測(cè)量電離層，并計(jì)算出X射線(xiàn)的實(shí)際量，完美展現(xiàn)出金屬內(nèi)部的損傷和缺陷。X射線(xiàn)的特征以及金屬零部件的厚度密度決定了X射線(xiàn)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(cè)中，常使用磁粉探傷技術(shù)。其原理是當(dāng)被檢測(cè)物發(fā)生磁化后，如果存在缺陷，那么缺陷處的磁場(chǎng)會(huì)因磁阻的產(chǎn)生而變大，所以可以通過(guò)磁粉來(lái)檢測(cè)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(qiáng)，對(duì)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(shí)也不易檢測(cè)出零部件深處缺陷。

2 超聲波金屬探傷技術(shù)特點(diǎn)

超聲波的本質(zhì)就是機(jī)械振動(dòng)，其傳播介質(zhì)為彈性介質(zhì)，傳播形式為波動(dòng)形式，其振動(dòng)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(duì)缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)定量、定位，同時(shí)具有檢測(cè)速度快、成本低等特點(diǎn)，并對(duì)人體無(wú)任何傷害，可在很大程度上使得大面積缺陷的檢測(cè)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(diǎn)有：①在介質(zhì)中，一旦超聲波遇到界面攔截，便會(huì)產(chǎn)生發(fā)射；②對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)材料而言，通過(guò)超聲波傳播力大的特點(diǎn)，可以對(duì)內(nèi)部深處的缺陷進(jìn)行檢測(cè)[2]；③超聲波振動(dòng)頻率越高，指向性越強(qiáng)；④在超聲波運(yùn)用過(guò)程中可根據(jù)超聲波的衰減、聲速以及阻抗等情況進(jìn)行合理判斷。

3 超聲波金屬探傷常見(jiàn)問(wèn)題探討

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)中探頭的選擇

探頭在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)揮著十分重要的作用，甚至還會(huì)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(shí)，則選用頻率在5MHz~10MHz的晶片探頭?？傊?，對(duì)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(guò)程中，試塊可以對(duì)工件內(nèi)部的缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)定位和快速評(píng)估，缺陷診斷率較高。為確保檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)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(jìn)行，然后調(diào)整掃描速度，接著調(diào)整相關(guān)比值，如實(shí)際聲程/水平刻度值；最后，檢驗(yàn)是否可以繪制出波復(fù)曲線(xiàn)圖，以精確定量金屬容器內(nèi)部缺陷。從校準(zhǔn)技術(shù)要求層面來(lái)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(cè)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(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性。在手動(dòng)接觸法超聲波探傷法中，常用耦合劑有工業(yè)機(jī)油和化學(xué)漿糊兩種。其中粗加工工件檢測(cè)，即存在加工余量或是對(duì)檢測(cè)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(cè)的耦合劑則多使用機(jī)油，主要是因工業(yè)機(jī)油的附著力較強(qiáng)，且潤(rùn)濕度良好，尤其是表明耦合非常穩(wěn)定，可將對(duì)工件表面的腐蝕降至最低，在重復(fù)檢測(cè)時(shí)誤差相對(duì)較小。

3.4 缺陷測(cè)定

在金屬探傷時(shí)，對(duì)于缺陷當(dāng)量值的計(jì)算涉及較多，在對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量存在爭(zhēng)議的點(diǎn)也在于缺陷當(dāng)量值的大小。通常，計(jì)算缺陷當(dāng)量值的常用方法有：

（1）通過(guò)基準(zhǔn)平底孔和缺陷回聲波壓差進(jìn)行計(jì)算。

（2）通過(guò)大平底面回波與缺陷回波聲壓差進(jìn)行計(jì)算。

但這兩種計(jì)算方法所得出的結(jié)果也存在一定差異，甚至有時(shí)差異較大，因此要想保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，就需要選擇波底良好的點(diǎn)作為參照點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的測(cè)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(cè)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(jìn)行探傷時(shí)，對(duì)于缺陷多以點(diǎn)線(xiàn)面的形式進(jìn)行描述，無(wú)法準(zhǔn)確判斷缺陷性質(zhì)，且多依賴(lài)于檢測(cè)人員的客觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行定性分析，要求檢測(cè)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(yàn)，從而對(duì)缺陷類(lèi)型進(jìn)行綜合分析。尤其是在白點(diǎn)缺陷與偏析缺陷的辨別，使用超聲波檢測(cè)非常容易混淆，因?yàn)榘c(diǎn)缺陷很可能與偏析缺陷同時(shí)存在，而白點(diǎn)缺陷對(duì)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(shí)，其多為工件破壞后的截面，白點(diǎn)缺陷量值較大，且分布于工件一端。可見(jiàn)，在缺陷性質(zhì)辨別時(shí)要充分了解工件的工藝流程，進(jìn)行綜合全面的分析，只有這樣在使用超聲波金屬探傷時(shí)才能更加確定缺陷的性質(zhì)。在實(shí)際中，對(duì)于一個(gè)因內(nèi)部缺陷而報(bào)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(guò)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(cè)準(zhǔn)備

在金屬結(jié)構(gòu)材料缺陷檢測(cè)過(guò)程中，使用超聲波探傷技術(shù)主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是準(zhǔn)備階段，二是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)節(jié)。在檢測(cè)準(zhǔn)備階段需要對(duì)檢測(cè)面進(jìn)行清理，除掉檢測(cè)表面的油垢、銹蝕等物質(zhì)，同時(shí)補(bǔ)焊探頭移動(dòng)區(qū)深坑，并用砂輪進(jìn)行打磨。超聲波金屬探傷技術(shù)對(duì)金屬容器寬度主要通過(guò)板厚t和探頭斜率K進(jìn)行計(jì)算[4]，公式如下：

K值可通過(guò)對(duì)探頭聲速在金屬容器中折射角的正切值計(jì)算而獲得，K值是否準(zhǔn)確將直接影響金屬容器缺陷定位的精準(zhǔn)度。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)節(jié)使用超聲波金屬探傷技術(shù)檢測(cè)缺陷時(shí)，首先要檢查檢測(cè)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(xiàn)，以此來(lái)確定缺陷的位置和大小，為質(zhì)量評(píng)級(jí)提供數(shù)據(jù)參考。

4.2 初步探傷

在初步探傷開(kāi)始前，首先必須要對(duì)圖紙進(jìn)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(cè)時(shí)，需要采取不同的探頭掃查方式來(lái)檢測(cè)不同的缺陷。如鋸齒掃查用于檢測(cè)縱向缺陷，平行掃查則檢測(cè)橫向缺陷?？傊谔絺麜r(shí)操作必須要嚴(yán)格按照我國(guó)第金屬結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，切記不可憑借經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展工作，否則將會(huì)降低檢測(cè)效率，從而導(dǎo)致產(chǎn)生極為嚴(yán)重的后果。同時(shí)，探傷人員必須要具備過(guò)硬的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，才能做好探傷檢測(cè)。在初探時(shí)，需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)記錄，確保數(shù)據(jù)不錯(cuò)不漏，從而為后續(xù)檢測(cè)提供更加精準(zhǔn)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(shí)速度下降，捋檢測(cè)更加詳細(xì)，以避免出現(xiàn)漏測(cè)情況。在初探時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，精探時(shí)必須要再次進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)存在問(wèn)題的地方要著重標(biāo)記，以便后續(xù)找到問(wèn)題所在原因，為今后工藝水平的改進(jìn)提供依據(jù)。對(duì)于存在缺陷的地方要重復(fù)檢測(cè)，以免偽缺陷存在。同時(shí)，在精確探傷時(shí)要求工作人員保持注意力集中，不可根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)計(jì)算探傷比例，而需要根據(jù)實(shí)際的焊縫長(zhǎng)度計(jì)算。對(duì)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(píng)級(jí)

在缺陷評(píng)級(jí)時(shí)，首先應(yīng)將儀器調(diào)整為DAC功能，同時(shí)開(kāi)啟超聲波探傷儀，并將探頭放置在已選試塊上，選擇A門(mén)起始功能后做好調(diào)節(jié)，回波至少為滿(mǎn)屏80%左右。然后保存標(biāo)定，將撥輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，待保存標(biāo)定值從0變?yōu)?時(shí)，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(duì)A門(mén)起始門(mén)位進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到將反射回波套住為止，保存標(biāo)定后采取順時(shí)針?lè)轿晦D(zhuǎn)動(dòng)撥輪，待保存標(biāo)定值從1變?yōu)?時(shí)，即可停止旋轉(zhuǎn)[5]。對(duì)探頭進(jìn)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(duì)標(biāo)定進(jìn)行依次保存。對(duì)于金屬工件的缺陷、缺陷分區(qū)以及定量都需要通過(guò)繪制DAC曲線(xiàn)進(jìn)行。其中，l區(qū)指定線(xiàn)和定量線(xiàn)之間的區(qū)域，Ⅱ區(qū)指的是定量線(xiàn)與判廢線(xiàn)之間的區(qū)域；Ⅲ區(qū)則指的是判廢線(xiàn)以上的區(qū)域。如果探傷波線(xiàn)處于l區(qū)，那么該缺陷可忽略；如果波線(xiàn)處于Ⅲ區(qū)，則工件不合格；如果波線(xiàn)處于Ⅱ區(qū)，需根據(jù)允許長(zhǎng)度來(lái)判定是否需要返修。

4.5 重復(fù)探傷

為提高探傷的準(zhǔn)確度，就需要進(jìn)行重復(fù)探傷，即針對(duì)初步探傷和精確探傷后，再次對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行核對(duì)，重復(fù)探傷時(shí)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(shí)可提高檢測(cè)速度，但也需要對(duì)前兩次檢測(cè)出缺陷的地方進(jìn)行仔細(xì)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(shí)，由于會(huì)產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，因此具有一定的延時(shí)性，但由于金屬結(jié)構(gòu)自身存在時(shí)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(shí)對(duì)于應(yīng)力相對(duì)集中的焊縫位置，可在完成焊接后1個(gè)月再次進(jìn)行探傷檢測(cè)，以避免出現(xiàn)裂紋延遲，從而漏探[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)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(jìn)展，在各個(gè)領(lǐng)域中對(duì)于金屬焊接技術(shù)的使用也極為常見(jiàn)，但在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中依舊存在諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響著產(chǎn)品質(zhì)量，亟待解決。作為一種檢測(cè)質(zhì)量的方式，超聲波金屬探傷技術(shù)在檢測(cè)時(shí)能夠做到非常精確，且與其他檢測(cè)方法相比更加便捷，也不會(huì)對(duì)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(duì)金屬探傷的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討，以期能夠?yàn)樾袠I(yè)發(fā)展提供參考。