TP2銅管渦流探傷的研究及應(yīng)用

楊國(guó)富

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096）

1 引言

TP2銅管由于具有優(yōu)良的焊接性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性，被廣泛地應(yīng)用于空調(diào)和冰箱用制冷管、蒸發(fā)器和熱交換器用管等［1-2］。近幾年來(lái)隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，生產(chǎn)廠家對(duì)TP2銅管的質(zhì)量尤其是表面缺陷要求越來(lái)越嚴(yán)格，而TP2銅管在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)歷了軋制和多道次的拉拔工序，每道工序都會(huì)對(duì)TP2銅管的表面質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，主要為針孔、雜渣、裂紋、表面不平、磕碰、劃傷、鋸齒傷等缺陷，最終影響客戶的使用性能。為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量，TP2銅管在出廠前必須進(jìn)行100%無(wú)損探傷。

作為無(wú)損檢測(cè)方法之一的渦流探傷，它以不破壞被測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為前提，應(yīng)用物理的方法檢測(cè)物體內(nèi)部或表面的缺陷［3-4］，具有探傷精度高、漏檢率低、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，在使用時(shí)不要求線圈與TP2銅管接觸，也不需要在線圈與TP2銅管之間充滿耦合劑，容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化，因此結(jié)合我司目前TP2銅管渦流探傷應(yīng)用的現(xiàn)狀，研究渦流探傷的關(guān)鍵技術(shù)有著十分重要的意義。

2 渦流探傷原理及在線渦流探傷儀設(shè)備

2.1 原理概述

渦流探傷儀是依據(jù)電磁理論，由激勵(lì)線圈發(fā)出交變磁場(chǎng)，并在待檢測(cè)的金屬試件表面產(chǎn)生渦流，渦流磁場(chǎng)包含了試件好壞的信息［5］。渦流磁場(chǎng)受金屬材質(zhì)或缺陷的影響反過(guò)來(lái)使檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生變化，通過(guò)信號(hào)處理電路鑒別出缺陷效應(yīng)，顯示渦流阻抗變化信號(hào)，從而判斷出試件中是否有傷。

2.2 渦流探傷的組成

目前TP2銅管行業(yè)使用的在線渦流探傷儀［6］，由檢測(cè)光柵、穿過(guò)式線圈、旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置、噴墨裝置、烘干裝置、速度檢測(cè)裝置、探傷儀主機(jī)和操作顯示單元組成。圖1為實(shí)際安裝在水平纏繞機(jī)上的探傷組建示意圖。旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置還包括有電氣控制系統(tǒng)和油氣潤(rùn)滑裝置。

圖1 探傷設(shè)備組建示意圖

光柵起檢測(cè)金屬試件在線及測(cè)量點(diǎn)零位的作用。穿過(guò)式線圈對(duì)橫向缺陷、點(diǎn)狀缺陷靈敏，縱向缺陷不敏感。旋轉(zhuǎn)線圈對(duì)縱向缺陷靈敏，橫向缺陷不敏感。噴槍在檢測(cè)線圈檢測(cè)到缺陷后，對(duì)準(zhǔn)試件的缺陷位置進(jìn)行噴墨標(biāo)識(shí)。編碼器對(duì)試件前進(jìn)速度進(jìn)行測(cè)量，速度信號(hào)對(duì)缺陷信號(hào)檢測(cè)靈敏性和噴墨定位非常重要。評(píng)價(jià)位置（Result.Position）用于相鄰兩個(gè)傷最小距離的判定，也用于操作屏幕上評(píng)價(jià)曲線開始顯示點(diǎn)的定位。

2.2.1 噴槍

噴槍要距離評(píng)價(jià)位置有足夠的長(zhǎng)度，否則會(huì)因噴槍反應(yīng)過(guò)慢造成錯(cuò)過(guò)TP2銅管缺陷噴墨位置。噴槍有響應(yīng)時(shí)間Tr和噴墨持續(xù)時(shí)間Td兩個(gè)重要參數(shù)。Tr由噴槍延遲時(shí)間和控制噴槍的電磁閥延遲時(shí)間決定，Td則決定了TP2銅管上噴墨長(zhǎng)度。編碼器輸出的脈沖步長(zhǎng)參與計(jì)算，使得Tr、Td在不同檢測(cè)速度下噴墨效果一致。

2.2.2 檢測(cè)線圈

檢測(cè)線圈按檢測(cè)方式分類有：穿過(guò)式線圈，內(nèi)插式線圈，點(diǎn)式線圈，扇形線圈，混合式線圈。比較多見(jiàn)的是穿過(guò)式線圈和點(diǎn)式線圈，旋轉(zhuǎn)探頭屬于點(diǎn)式線圈。檢測(cè)線圈的性能包括靈敏度、分辨率、準(zhǔn)確度、檢測(cè)速度、穿透能力等方面的評(píng)價(jià)。

在保證一定信噪比條件下，能探出的傷痕越小，其靈敏度越高。靈敏度與線圈的激勵(lì)頻率有關(guān)。激勵(lì)頻率越高，渦流越趨于TP2銅管表面，則TP2銅管表面的渦流密度越大，檢測(cè)靈敏度就越高。渦流檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是檢測(cè)TP2銅管導(dǎo)電性能的變化。TP2銅管的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率都可能引起渦流發(fā)生變化。TP2銅管的溫度、化學(xué)成分、尺寸、內(nèi)應(yīng)力大小、熱處理的不同及缺陷的存在均會(huì)影響電導(dǎo)率σ的變化。由于TP2銅管是弱磁物質(zhì)，可以不用考慮磁導(dǎo)率對(duì)TP2銅管渦流的變化。

檢測(cè)線圈有兩個(gè)效應(yīng)：提離效應(yīng)和趨膚效應(yīng)。提離效應(yīng)是探頭由于離開TP2銅管距離變化而引起缺陷信號(hào)幅度變化；趨膚效應(yīng)是激勵(lì)頻率越高，渦流越趨于TP2銅管表面。激勵(lì)條件相同時(shí)，電導(dǎo)率越大，趨膚效應(yīng)越明顯。

渦流探傷儀利用檢測(cè)線圈的阻抗變化來(lái)提取缺陷信號(hào)。穿過(guò)式線圈與旋轉(zhuǎn)探頭的阻抗特性主要不同是：穿過(guò)式線圈阻抗變化與填充系數(shù)有關(guān)，旋轉(zhuǎn)探頭阻抗變化與間距有關(guān)。

圖2為穿過(guò)式線圈結(jié)構(gòu)示意圖。穿過(guò)式線圈在測(cè)量繞組上的感應(yīng)電壓（有TP2銅管穿過(guò)時(shí)）：

E=2πf×N×H×10-8×π×（R2－ D2）/4

N：繞組匝數(shù)；H：激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度，與試件電導(dǎo)率、尺寸等有關(guān)；R：繞組有效直徑的平方；D：試件外徑的平方；f：激勵(lì)頻率。（注：無(wú)試件穿過(guò)時(shí)，試件外徑視為0）。

圖2 穿過(guò)式線圈結(jié)構(gòu)示意圖

穿過(guò)式線圈可以100%覆蓋到TP2銅管表面，能夠檢測(cè)到裂紋、夾渣、氣孔、凹坑、碰扁等點(diǎn)狀缺陷或橫向缺陷，較好的控制TP2銅管的泄露，但對(duì)縱向缺陷難以發(fā)現(xiàn)。圖3是旋轉(zhuǎn)探頭結(jié)構(gòu)。圖4是旋轉(zhuǎn)探頭探傷過(guò)程，檢測(cè)到傷時(shí)，曲線明顯偏高。

圖3 旋轉(zhuǎn)探頭結(jié)構(gòu)圖

圖4 旋轉(zhuǎn)探頭探傷過(guò)程

旋轉(zhuǎn)探頭檢測(cè)覆蓋面則與試件前進(jìn)速度和自身旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，能夠較好地檢測(cè)到一定長(zhǎng)度以上的長(zhǎng)條狀、一定寬度和一定深度的縱向缺陷。比如在對(duì)TP2內(nèi)螺紋銅管進(jìn)行探傷時(shí)，對(duì)于5mm的探頭掃描寬度，15000rpm的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，要使一對(duì)旋轉(zhuǎn)探頭掃描軌跡能100%覆蓋到TP2銅管表面，TP2銅管前進(jìn)速度應(yīng)為：

V=15000×0.005×2 ／ 60×60=150（m/min）

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為提高精整工序的產(chǎn)量，可以適當(dāng)提高檢測(cè)速度，達(dá)到300m/min。但要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)探頭能100%覆蓋TP2銅管表面，也應(yīng)該相應(yīng)地提高探頭旋轉(zhuǎn)速度和掃描寬度。

3 渦流探傷參數(shù)調(diào)節(jié)

3.1 檢測(cè)工裝

選擇檢測(cè)工裝時(shí)，以與TP2銅管規(guī)格相對(duì)應(yīng)的原則選擇，如果沒(méi)有同規(guī)格的檢測(cè)線圈，可以用最接近TP2銅管規(guī)格的線圈來(lái)代替，但是線圈的導(dǎo)嘴必須與TP2銅管規(guī)格相對(duì)應(yīng)，不得用大規(guī)格的導(dǎo)嘴代替。只有這樣做才能保證檢測(cè)的周向靈敏度要求，才能保證靈敏度的一致性。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般建議：（1） 穿過(guò)式線圈導(dǎo)嘴內(nèi)徑=銅管公稱直徑+（0.30～1.0 mm）。（2）旋轉(zhuǎn)探頭開口直徑＝銅管公稱直徑+（0.6～1.0mm）。（3）旋轉(zhuǎn)探頭導(dǎo)嘴內(nèi)徑=銅管公稱直徑+（0.10～0.20mm）。TP2銅管規(guī)格與工裝選擇對(duì)比如表2所示

表1 TP2銅管規(guī)格與工裝選擇對(duì)比表

3.2 激勵(lì)頻率

在合適的激勵(lì)頻率下，標(biāo)準(zhǔn)人工傷檢測(cè)信號(hào)應(yīng)該是一個(gè)完整的8字波形。如果波形雜亂，噪聲信號(hào)較大這就說(shuō)明激勵(lì)頻率不正確。檢測(cè)頻率還應(yīng)該滿足滲透深度的要求，滲透深度必須大于TP2銅管的壁厚，才能保證探傷時(shí)的TP2銅管內(nèi)表面質(zhì)量，滲透深度公式如下：

δ=5.03/√συf

由此可以推出頻率公式：

f=(5.03)2/συδ2

f：激勵(lì)頻率；σ：材料的電導(dǎo)率；υ：材料的磁導(dǎo)率；δ：滲透深度。

3.3 相位

缺陷信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)之間一般有30°～45°之間的差別，在坐標(biāo)軸上，把缺陷信號(hào)調(diào)之Y軸，盡可能地把缺陷信號(hào)放大，而把振動(dòng)信號(hào)減小，以此來(lái)提高探傷靈敏度。

3.4 報(bào)警電平和增益的大小

為了選擇合適的靈敏度，達(dá)到較好的探傷效果，一般調(diào)整時(shí)，報(bào)警電平參數(shù)為30%～70%，而對(duì)增益適當(dāng)調(diào)節(jié)，使標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷信號(hào)正好達(dá)到報(bào)警電平，再增加2dB余量時(shí)，保證人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷信號(hào)正好報(bào)警。

3.5 帶通濾波器的調(diào)節(jié)

帶通濾波器有高通濾波和低通濾波組成，高通濾波電路通過(guò)高頻信號(hào)，阻礙低頻信號(hào)；低通濾波電路通過(guò)低頻信號(hào)，阻礙高頻信號(hào)。在調(diào)整時(shí)，按下列公式執(zhí)行：

fc=V/〔g（d）L+W〕

fc：缺陷中心頻率；g（d）：是一個(gè)與線圈有關(guān)的常數(shù)；L：缺陷的長(zhǎng)度；W：檢測(cè)線圈的寬度。

在確定濾波高、低通濾波頻率時(shí)，根據(jù)檢測(cè)速度的變化，代入上述公式就可以計(jì)算出頻帶的寬度。

4 標(biāo)準(zhǔn)樣管［5-6］

（1）標(biāo)準(zhǔn)樣管是一段帶有標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷的直條銅管材，用于調(diào)節(jié)探傷靈敏度；測(cè)試探傷系統(tǒng)的綜合性能；確定產(chǎn)品探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的樣管。

（2）標(biāo)準(zhǔn)樣管上的人工缺陷，定為垂直于管壁的徑向通孔和縱向刻槽，各種規(guī)格的TP2銅管標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷的大小如表2、表3和表4所示。

表2 TP2內(nèi)螺銅管人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷孔徑 mm

表3 TP2內(nèi)螺紋銅管人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷刻槽（長(zhǎng)）20（寬）0.1槽深 mm

表4 TP2光面銅管人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷孔徑 mm

5 渦流探傷儀的校準(zhǔn)方法及標(biāo)準(zhǔn)

TP2銅管在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行渦流探傷時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)報(bào)警、連續(xù)不報(bào)警或功能異常時(shí)，需要按照以下步驟對(duì)渦流探傷儀進(jìn)行校準(zhǔn)：

5.1 校準(zhǔn)方法

5.1.1 周向靈敏度差

將探傷儀調(diào)至手動(dòng)狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)探傷靈敏度，使標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷在探頭中周向任何位置都能報(bào)警，連續(xù)測(cè)試3次無(wú)誤差時(shí)記錄此時(shí)的dB值為a；逐步降低增益值，使標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷剛好在周向任一方向都不會(huì)報(bào)警，連續(xù)測(cè)試3次無(wú)誤差時(shí)記錄此時(shí)的dB值為b，周向靈敏度差= |a-b|dB。

5.1.2 信噪比

使標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷正好報(bào)警后，記錄此時(shí)的dB值為c，調(diào)高靈敏度，使靜噪信號(hào)正好報(bào)警，記錄此時(shí)的增益值為d，則信噪比=|c-d|dB 。

5.1.3 漏誤報(bào)率

調(diào)整探傷儀上的靈敏度，使標(biāo)準(zhǔn)樣管上的人工缺陷在周向任何位置都能報(bào)警，將增益提高2dB，按照調(diào)整參數(shù)時(shí)的速度測(cè)試 ，分別記錄標(biāo)準(zhǔn)缺陷的漏誤報(bào)次數(shù)，按下列公式計(jì)算漏報(bào)率及誤報(bào)率：

5.1.4 管端不可探區(qū)

用一根中間加工一標(biāo)準(zhǔn)孔200mm長(zhǎng)的標(biāo)樣管，連續(xù)測(cè)試3次無(wú)誤報(bào)，則管端不可測(cè)區(qū)小于100mm。

5.1.5 缺陷大小分辨率

調(diào)節(jié)靈敏度，使標(biāo)準(zhǔn)樣管上φ0.5的標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷正好報(bào)警，φ0.4的標(biāo)準(zhǔn)人工傷正好不報(bào)警，測(cè)試3次均應(yīng)如此，則缺陷大小分辨率為＜0.1mm。

5.1.6 穩(wěn)定性

探傷儀連續(xù)工作24h，重新測(cè)試周向靈敏度差和信噪比。

5.2 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

表5 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

在TP2銅管生產(chǎn)過(guò)程中使用旋轉(zhuǎn)式和穿過(guò)式渦流探傷儀，并對(duì)渦流探傷儀各種參數(shù)的設(shè)定及校準(zhǔn)進(jìn)行控制，可以及時(shí)判斷實(shí)際缺陷傷的位置、大小及缺陷所產(chǎn)生的原因，并報(bào)警噴墨提醒盤拉或成型工序檢查工裝模具或調(diào)整工藝參數(shù)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了不合格產(chǎn)品的數(shù)量，提高了成品率，降低了生產(chǎn)成本。