薄壁扁平不銹鋼管的渦流檢測工藝

張曉紅 胡文剛 張 琳 劉 偉 楊 帆

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

文 摘 針對航天專用不銹鋼薄壁扁平管渦流檢測過程中存在的工藝難題，通過分析管材扁平成型工藝特點，采用渦流檢測線圈的等效填充系數(shù)計算方法，結(jié)合渦流分布特性制作異型外穿過式渦流檢測線圈，根據(jù)型面檢測靈敏度差異制定合理的檢測工藝，有效實現(xiàn)了不銹鋼薄壁扁平管的渦流檢測。通過破壞性試驗及飛行試驗，對檢測工藝的可靠性進行了驗證。該檢測工藝已成功應(yīng)用于各型號不銹鋼薄壁扁平管的渦流檢測中。

0 引言

不銹鋼薄壁扁平管專用于航天飛行器分離動作組件的制造。薄壁扁平管的制造工藝由圓管在壓力機上使用專用模具逐段壓制而成。由于管體壓制成形的變形量大而且不對稱，因此在管體拉拔成型過程中有可能出現(xiàn)內(nèi)折、內(nèi)結(jié)疤、翹皮、劃傷、磨損等缺陷，并隨著成型過程不斷被放大、延展，為確保成型后薄壁扁平管的質(zhì)量，需要對管材進行全面的無損檢測。

渦流無損檢測在金屬管材質(zhì)量檢測應(yīng)用中具有檢測靈敏度高、檢測效率高、成本低等優(yōu)勢，已經(jīng)在航空航天等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。與常規(guī)金屬圓管渦流檢測相比，檢測不銹鋼薄壁扁平管時存在著的磁場分布不均勻、周向檢測靈敏度差異、標(biāo)準(zhǔn)的穿過式差動檢測線圈不適用等難題，需要針對上述難題進行渦流檢測工藝試驗。

本文主要介紹這種薄壁異形管子的渦流檢測方法，從檢測線圈、對比樣管的設(shè)計，到檢測工藝參數(shù)確定的整個試驗過程，并通過破環(huán)性驗證，該方法能夠有效發(fā)現(xiàn)材質(zhì)缺陷，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 薄壁扁平管的特點及檢測方案

1.1 薄壁扁平管的特點

不銹鋼薄壁扁平管選用直徑Φ13～Φ16 mm，壁厚0.8～1.2 mm 的1Cr18Ni9Ti 無縫圓管制造。圓管經(jīng)扁平壓制并校直成型后，設(shè)計部門要求不銹鋼薄壁扁平管100%進行渦流檢測，不允許出現(xiàn)裂紋、凹坑、折疊、嚴(yán)重劃傷等缺陷。

1.2 檢測方案

金屬管材渦流檢測通常采用外穿過式渦流檢測方法，在保證足夠線圈填充系數(shù)的條件下，針對裂紋、劃傷、凹坑等缺陷的檢測靈敏度高，并有效避免管材尺寸微小變形、管材運動過程中抖動等影響。

由于產(chǎn)品批量小及現(xiàn)有渦流檢測設(shè)備能力，采用手動檢測模式實施檢測。由于扁平管截面形狀的特殊性，致使渦流磁場分布不均勻，這將導(dǎo)致產(chǎn)品截面靈敏度差異，使得評判標(biāo)準(zhǔn)不一致的結(jié)果，為此需要計算渦流檢測線圈的等效填充系數(shù)，并結(jié)合渦流分布特性制作專用的異型外穿過式檢測線圈，根據(jù)管材截面靈敏度差值控制要求制定渦流檢測工藝。

2 檢測工藝

2.1 檢測線圈

常規(guī)金屬圓管檢測用外穿過式線圈，其填充系數(shù)越高、渦流檢測靈敏度就越高［1］。實際操作中推薦的填充系數(shù)需要大于0.7 才能保證足夠高的檢測靈敏度。

不銹鋼薄壁扁平管屬于異性尺寸管材，長短軸尺寸存在很大差異，如果使用圓管檢測線圈，會出現(xiàn)由于長軸面位置距離線圈遠(yuǎn)而檢測靈敏度大幅度降低的情況。為達(dá)到不同尺寸扁平管各面檢測靈敏度一致的要求，訂制了等效填充系數(shù)＞0.8的特殊型面繞組的扁平管專用手動檢測線圈。檢測線圈與被檢扁平管間的等效填充系數(shù)線圈的按公式（1）計算：

式中，η為填充系數(shù)，S1為管材截面面積，S2為線圈截面面積。

2.2 對比樣管

根據(jù)薄壁扁平管形狀尺寸、壁厚尺寸和檢測要求不同，用于調(diào)試渦流檢測儀檢測靈敏度用的對比樣管也選用與實際產(chǎn)品有相同或相似的合金成分、表面狀態(tài)、熱處理狀態(tài)、電磁特性等。在實際檢測工作中，選取某一批次送檢扁平管，任意截取一段無影響正常檢測本底噪聲和缺陷的管子，制作檢測對比樣管。與常規(guī)金屬圓管渦流檢測用對比樣管不同，為保證扁平管截面徑向長軸、短軸雙向靈敏度的均勻性，以及軸向分辨率，在對比樣管管壁的不同方向、不同位置上制作了一組通孔形人工缺陷。如圖1所示，是以壁厚為δ=0.85 mm 扁平管制作的對比樣管，它是采用機械加工方式制作了4 個Φ0.6 mm 人工通孔。

圖1 對比樣管示意圖Fig.1 Schematic diagram of contrast tset

2.3 檢測工藝參數(shù)設(shè)置

2.3.1 檢測頻率

根據(jù)渦流表面密度計算公式，當(dāng)被檢材料的組織成分、熱處理狀態(tài)、渦流檢測儀、檢測線圈等要素確定后，檢測頻率的設(shè)置將直接影響檢測靈敏度和檢測深度，因此結(jié)合被檢管材特征選擇最佳檢測頻率，對于提高缺陷的檢測靈敏度是至關(guān)重要的［2］。

選擇60～300 kHz 的檢測頻率分別對對比樣管進行檢測，部分檢測數(shù)據(jù)見表1。表1的檢測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)檢測頻率＞300 kHz 時，受到渦流趨膚效應(yīng)的影響，渦流密度已無法覆蓋管材的全壁厚，無法滿足管壁下表面區(qū)域的檢測靈敏度要求；當(dāng)檢測頻率為60 kHz 時，等效提離效應(yīng)產(chǎn)生相位角區(qū)分不直觀、不明顯。試驗最終確定的最佳檢測頻率為150 kHz，此檢測頻率可以較靈敏地分辨出Φ0.6 mm人工通孔信號和干擾信號，同時滿足整個管壁厚度范圍內(nèi)的檢測靈敏度要求。

表1 檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

2.3.2 初始相位角

管壁中渦流密度的分布與渦流透入深度有關(guān)，對于同一當(dāng)量尺寸的缺陷，其渦流響應(yīng)信號幅值與其所處的深度存在良好的對應(yīng)關(guān)系［3］。

當(dāng)設(shè)定對比樣管上人工缺陷信號顯示初始相位角為60°時，扁平管中不同深度的缺陷信號相位將與初始相位角有較為顯著的偏差，有利于檢測人員在阻抗平面圖中判別缺陷當(dāng)量尺寸并預(yù)估缺陷的深度。

2.3.3 檢測速度

渦流檢測儀的信號采集頻率、采集精度、管材和檢測線圈之間的相對移動速度都影響著缺陷檢出和檢測結(jié)果的可靠性。經(jīng)試驗確定手動檢測速度應(yīng)不大于50 mm/s，同時在缺陷評定過程中，盡可能保持使用對比樣管調(diào)試檢測靈敏度時檢測速度與扁平管檢測時的一致。

2.3.4 報警門檻值

由于扁平管徑向截面結(jié)構(gòu)的特殊性，使得管壁周向的渦流磁場分布不均勻，使得扁平管長軸、短軸方向檢測靈敏度存在差異。試驗表明，扁平管長軸方向靈敏度比短軸方向低2 dB，因此，在實際檢測過程中，是以長軸方向的人工缺陷幅值報警設(shè)置閘門。

3 試驗驗證

圖2 典型缺陷的渦流信號示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical signal

按設(shè)定的檢測參數(shù)進行檢測，觀察渦流儀屏幕上的渦流信號幅值和相位角，直到屏幕上出現(xiàn)“8”字形軌跡的檢測圖像，并且其幅值超過設(shè)定閘門信號，可初步判定有缺陷存在。進而在報警的缺陷位置左右連續(xù)移動檢測線圈，若報警信號始終固定在某一個位置，找出其信號幅值最強顯示并標(biāo)注在工件的對應(yīng)位置，判定為點狀缺陷。典型的缺陷渦流檢測信號如圖2所示，缺陷處呈現(xiàn)出明顯的“8”字形信號軌跡。為了驗證渦流檢測工藝的可靠性及檢測結(jié)果的正確性，在薄壁扁平管的渦流無損檢測結(jié)束后，將部分具有渦流信號的扁平管進行了冶金分析，確認(rèn)了在檢測標(biāo)注缺陷位置處的管壁內(nèi)側(cè)，發(fā)現(xiàn)了由于氧化皮夾渣造成的結(jié)疤缺陷，以及壓入性機械損傷，如圖3所示。

圖3 薄壁扁平管缺陷示意圖Fig.3 Schematic diagram of drawback of thin-walled flat tubes

4 結(jié)論

針對薄壁扁平管的結(jié)構(gòu)特點，通過設(shè)計檢測線圈、對比樣管，解決了扁平管截面靈敏度差異問題，并通過工藝試驗，確定合理的檢測參數(shù)，將常規(guī)圓管渦流檢測方法應(yīng)用于異形管材的檢測中，實現(xiàn)了薄壁扁平管渦流檢測的工程化應(yīng)用，也獲得了飛行試驗成功的實際驗證。