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 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；2.常州常寶精特能源管材有限公司，常州 213200）

渦流檢測由于速度快，且對管材中存在的點坑、裂紋、折疊、外來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方法之一。渦流檢測中一項重要的工作是檢測結果的判定。截至目前，渦流檢測結果的判定主要借助于對比試樣人工缺陷與自然缺陷顯示信號幅值的對比，即當量比較法。而實際檢測中，除缺陷因素外，管材的幾何形狀與材質、外界環(huán)境等多種因素也會引起渦流響應信號幅值的變化，加之自然缺陷形狀、性質各異，所引起的渦流響應信號并不會像人工缺陷的響應信號那樣形狀規(guī)則，而可能以各種形式出現(xiàn)。因此，在檢測中有時會遇到難以判別的信號，這些異常信號既可能是缺陷信號又可能是來自于材質或形狀的干擾，當這些異常信號幅值較大時，其判別結果將直接影響管材的正確驗收，因此，對于上述信號產(chǎn)生原因的分析具有十分重要的工程意義。

目前，對于渦流檢測中響應信號的解釋及其影響因素的分析，國內(nèi)外已經(jīng)開展了相關的研究工作，不僅分析了管材幾何形狀變化引起異常信號的情況，而且還研究了材料及表面狀態(tài)與異常信號的關系［1－5］。但是，相關文獻還較少，而且涉及的材料種類和影響信號的因素有限。筆者將在上述工作基礎上，結合兩種薄壁金屬管材的渦流檢測，進一步開展渦流響應信號解釋及其影響因素的分析研究，為渦流檢測技術在管材上的應用提供借鑒。

1 試驗材料與方法

試驗材料分兩種，第一種為φ20mm×1mm的6061鋁合金冷拉管材，熱處理狀態(tài)為T4態(tài)，來自同一批次。第二種為φ6mm×0.5mm的0Cr21Ni6Mn9N奧氏體不銹鋼冷拔管材，來自試制階段的兩個批次。采用自比差動式外穿過式線圈對上述管材實施手動渦流檢測，圖1、圖2給出了相關結果。其中，時基圖（圖1（a）、（b），圖2（a）、（b）中左側圖）水平方向代表線圈沿管材長度方向掃過的時間或距離，垂直方向代表不同時刻或位置處渦流響應信號幅值的大小信息，考慮到時基圖中幅值顯示與儀器相位設定有關，并不一定能反映渦流響應信號的最大幅值變化，為了更清楚地說明情況，針對時基圖上虛線框定區(qū)域內(nèi)的渦流響應信號，同時給出了幅值顯示不受相位設置影響的阻抗平面顯示（圖1（a）、（b），圖2（a）、（b）中右側）。

鋁合金管的渦流檢測參照標準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人工通孔的對比試樣，經(jīng)調試，該對比試樣經(jīng)檢測其通長出現(xiàn)了密集分布的類似干擾噪聲的異常信號，如圖1（a）所示。上述異常信號幅值較高并與通孔信號疊加在一起，使得在時基圖上幾乎無法分辨出通孔的信號，在阻抗平面圖上利用信號相位和形狀的差異也只能準確分辨出通孔的信號。按照與對比試樣檢測時相同的靈敏度檢測其余鋁合金管材，其中有多數(shù)管材也出現(xiàn)了與對比試樣上相類似的異常信號，如圖1（b）所示。

圖1 6061鋁合金管渦流檢測信號

圖2 0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管渦流檢測信號

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

由于對同種牌號管材進行檢測的儀器條件和時段相同，可以排除外界電磁干擾引起異常信號的可能。鋁合金管由于來自同一批次，因此由材質波動引起異常信號的可能性相對小，異常信號更可能來自于缺陷或幾何形狀因素。不銹鋼管由于包含不同批次，因此異常信號既可能由缺陷或幾何形狀因素引起，也可能與材質波動有關。根據(jù)以上初步分析，進一步通過目視檢查、熒光滲透檢查、金相分析等對異常信號產(chǎn)生的原因進行了探究。

2 試驗結果與分析

2.1 鋁合金管異常信號產(chǎn)生原因

該批次T4態(tài)6061鋁合金管材外表面狀態(tài)不好，目視檢查渦流檢測有明顯異常信號的鋁合金管材外壁，可看到一些細小擦痕，對照無明顯異常信號管材，也可看到類似擦痕，甚至更多，說明擦痕不是引起該批次管材異常信號的主要因素。分別取有無明顯異常信號的管材各一段沿縱向剖開查看壁厚均勻性，可見壁厚均勻性都比較好，進一步觀察管材內(nèi)壁表面狀況，有明顯異常信號的管材內(nèi)壁到處是面積大且淺的凹痕，而且有多處縱向開裂痕跡，無明顯異常信號的管材內(nèi)壁則相對平整光滑。對上述剖切后的管材進行熒光滲透檢查，圖3給出檢測結果，渦流檢測無明顯異常信號的管材的內(nèi)壁以及所有管材的外壁均未發(fā)現(xiàn)異常顯示，在有明顯異常信號的管材內(nèi)壁上則出現(xiàn)多處異常顯示（見圖3管內(nèi)壁高亮區(qū)域），其位置多與目視開裂的部位相一致，可見內(nèi)表面質量對管材渦流檢測信號有較大影響，內(nèi)壁縱向開裂應是引起本次檢測中信號異常的主要原因。

筆者采用外穿過式線圈檢測，每一時刻獲得的信息是管材整個圓周上影響因素的累積效果，上述管材內(nèi)壁的縱向開裂缺陷經(jīng)進一步觀察，盡管分布于管材圓周的不同位置，但沿管材長度方向的分布尚比較連貫，因此對于檢測線圈而言可近似視為同一個長條狀缺陷。對于深度較一致的沿管材縱向分布的長條狀缺陷，自比差動式線圈難以產(chǎn)生響應信號，但自然開裂深度不可能完全一致，因此，極可能產(chǎn)生類似于沿管材縱向分布的密集點狀缺陷的效果，當線圈沿管材掃查移動時，這些點狀缺陷會不斷引起渦流信號響應，形成密集分布的貌似干擾噪聲的信號。

圖3 6061鋁合金管內(nèi)壁熒光滲透檢測結果

2.2 不銹鋼管異常信號產(chǎn)生原因

渦流檢測一般要求對比試樣與被檢制件的電磁特性應相同或相似。由于制作對比試樣的不銹鋼管材與出現(xiàn)明顯異常信號的不銹鋼管材不屬于同一生產(chǎn)批次，且了解到這兩個批次管材間制造工藝也有一定差別，因此需要評估由此可能對檢測產(chǎn)生的影響。設計以下試驗，首先從與對比試樣同批次的Z71號管以及圖2中117號管上各取一段并加工φ0.8mm、φ0.6mm人工通孔，然后，針對這兩段管材分別調整儀器參數(shù)，使得兩段管材上同規(guī)格通孔的信號幅值均達到較接近的某一值（筆者取通孔信號幅值達到儀器滿屏幕的50%左右），此時記錄下對應于兩段管材的儀器增益值以及異常信號幅值，結果如表1。表1中，當兩段管材上同規(guī)格通孔的信號幅值達到基本相同時，對應的儀器增益值最大只相差1.5dB，同時，兩段管材上通孔以外部位渦流響應信號的幅值對比依然符合圖2規(guī)律?？梢?，對于筆者所檢測不銹鋼管材，即便被檢管材與對比試樣不屬同一批次，也不會對渦流檢測的結果產(chǎn)生顯著影響，并由此可確認圖2中117號管材上所出現(xiàn)異常信號并非是由于對比試樣選擇不當而導致檢測靈敏度過高引起。

表1 不同批次0Cr21Ni6Mn9N不銹鋼管材渦流響應信號幅值對比

兩批不銹鋼管材之間表面光滑程度有差異但相差不大，從無明顯異常信號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)檢測也未見有可識別的信號出現(xiàn)，因此可確認表面光滑程度的差異不是管材產(chǎn)生異常信號的原因。另外從Z71號管上截取了無明顯異常信號的一段和從117號管截取了有明顯異常信號的一段分別沿縱向剖開，進行熒光滲透檢查均沒有任何異常顯示，進一步排除了管材內(nèi)外表面開裂引起異常信號的可能。對兩批不銹鋼管材用肉眼初步觀測圓度看不出明顯差別，在Z71號管和117號管剖開的縱截面上用肉眼初步觀測壁厚均勻性也看不出明顯差別。但當用檢測線圈滑過管材時，在有明顯異常信號的管材部位普遍有波浪感，在無明顯異常信號的管材部位則感覺不到。隨后，在燈光下對管材外壁進行觀察，可看到有明顯異常信號的管材部位存在直徑的輕微波動，而無明顯異常信號的管材表面比較平整。

進一步從Z71號、117號已剖開管材中各取80mm長的一段，做縱剖面的金相觀察，顯微鏡放大倍數(shù)取500，結果如圖4（a）、（b）所示，在117號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)沒有孿晶分布。Z71號管上也有變形孿晶，但數(shù)量較少。此外，如圖4（c）、（d）SEM照片所示，在117號管壁內(nèi)可觀察到一些寬數(shù)微米長200μm以內(nèi)的，沿管材縱向的分散的條狀夾雜，對照Z71號管也看到有類似夾雜，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，從而由此類夾雜物引起本次檢測中異常信號的可能性很小。在Z71號、117號管縱剖面的金相觀察中沒有看到有管壁內(nèi)開裂及其它宏觀缺陷情況，進一步補充做了Z71號、117號管材多個橫斷面的金相觀察，也沒有看到上述缺陷。此外，文獻［2］曾指出奧氏體不銹鋼形變中誘發(fā)的鐵磁性馬氏體會引起明顯的檢測噪聲，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與渦流檢測異常信號之間存在明顯的對應關系：有明顯異常信號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；無明顯異常信號的管材變形孿晶少，且直徑尺寸沒有波動。變形孿晶是奧氏體不銹鋼塑性變形過程的典型產(chǎn)物［6－7］，組織差異反映出117號管組織有更明顯的變形跡象，而直徑尺寸的波動應是管材變形不均勻的外在表現(xiàn)。變形不均勻對渦流檢測的影響可能包括管材尺寸波動帶來的提離信號響應，以及幾何尺寸變化影響渦流場分布所帶來的信號響應，以上兩點因素應是引起檢測異常信號的主要原因。

3 結論

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

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