無損檢測(cè)在塑料制品中的應(yīng)用研究

秦亞 王進(jìn)

【摘 要】綜合分析了塑料制品在成型和使用過程中存在的缺陷及缺陷產(chǎn)生原因，指出成型工藝、原料因素等是其成型過程中產(chǎn)生缺陷的主要原因。無損檢測(cè)是塑料制品質(zhì)量保證的必要手段，對(duì)國(guó)內(nèi)外用于塑料制品的幾種無損檢測(cè)方法進(jìn)行比較，認(rèn)為射線檢測(cè)是塑料產(chǎn)品常見缺陷檢測(cè)的有效方法。并介紹了射線檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】塑料制品 無損檢測(cè) 應(yīng)用

【Abstract】Reasons of formation of defects in plastic products during manufacturing process and service are analyzed， which can be attributed to the manufacturing process， poor quality of raw and processing materials. Non-destructive testing is an important method of insuring quality of the plastic product. Comparing with other nondestructive testing methods， the Radiographic testing can be considered an effective method of checking the common defects and damages in plastic， and its development of studying and application is introduced in this paper.

【Key Words】Plastic products； Non-destructive testing； Application

隨著塑料工業(yè)[1，2]的迅速發(fā)展，塑料制品日益普及，其不僅密度低、比強(qiáng)度高，且具有優(yōu)異的耐腐蝕性和絕緣性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，塑料制品作為高分子材料的主要產(chǎn)品，是當(dāng)今人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中不可缺少的，其[3，4]被廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑、包裝、國(guó)防尖端工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。塑料加工業(yè)中，80%[5，6]采用注塑成型，由于成型材料、成型模具、注塑機(jī)、成型環(huán)境等多種因素的影響，注塑制品的內(nèi)在及外觀質(zhì)量往往存在一定的缺陷。為確保塑料制品的安全使用，通過必要的無損檢測(cè)方法控制塑料制品的質(zhì)量是十分必要的。

1 塑料制品的缺陷

1.1 成型過程中產(chǎn)生的缺陷

塑料在成型[7]過程中由于原料、工藝、模具等的不完備性而產(chǎn)生缺陷，塑料原料的聚合方法、結(jié)構(gòu)、分子量及分子量分布對(duì)產(chǎn)品性能有較大的影響，一般聚合度越大，平均分子量越高，制品的力學(xué)性能越好，耐低溫、耐熱及耐老化性能越高，但同時(shí)熔體的流動(dòng)性差，粘度[8]高，成型加工困難，物料在機(jī)頭內(nèi)容易分布不勻，造成局部缺料。如果原料中水分含量高，則樹脂的流動(dòng)性差，容易粘著而產(chǎn)生凝聚，在加工中容易引起氣泡，原料中的雜質(zhì)對(duì)制品的外觀影響較大，加工后在制品表面上形成疵點(diǎn)，還可能引起制品開裂。塑料顆粒大小不均也影響加工時(shí)添加劑的分布，而添加劑的分布不均易導(dǎo)致制品表面的缺陷[9，10]。

塑料制品中的常見缺陷現(xiàn)象有氣泡、龜裂、焊接痕等。塑料管材[11]中常見的缺陷現(xiàn)象有光澤不良、表面水紋云紋、熔接痕、內(nèi)外壁氣泡、內(nèi)壁裂紋、壁厚不均、彎曲等。塑料板材[11]中的常見缺陷現(xiàn)象有斷裂、厚度不均勻、氣泡、表面斑點(diǎn)、表面粗糙、翹曲等[12，13]。塑料制品中常見缺陷、產(chǎn)生原因如下表1-1：

配混料時(shí)的轉(zhuǎn)速、溫度會(huì)影響配混料中各組分的分散均勻性及配混料的凝膠化程度；螺桿轉(zhuǎn)速不僅影響擠出量，也會(huì)影響熔融物料的流動(dòng)性，轉(zhuǎn)速過高，會(huì)引起物料塑化不良，制品表面粗糙、強(qiáng)度降低；機(jī)筒、螺桿和機(jī)頭溫度過低，物料在機(jī)筒內(nèi)塑化不良，制品外觀和力學(xué)性能較差，易形成熔接痕并影響強(qiáng)度，溫度過高，會(huì)造成物料分解，產(chǎn)生變色、焦燒、氣泡等。此外， 模具溫度太低易出現(xiàn)氣泡；模具排氣不良，分流道、澆口太小，澆口離拼縫處太遠(yuǎn)等會(huì)產(chǎn)生熔接痕[14，15]。

1.2 使用過程中產(chǎn)生的缺陷

塑料制品在使用過程中由于受內(nèi)外因素的綜合作用，其性能會(huì)逐漸變壞，出現(xiàn)老化[16]現(xiàn)象，且一般塑料膨脹系數(shù)大，溫度變形大，長(zhǎng)期負(fù)重會(huì)有蠕變，容易變形。塑料制品缺陷或損傷的產(chǎn)生、擴(kuò)展與積累會(huì)加劇塑料的老化，大大降低塑料制品的使用壽命，甚至?xí)粘蔀?zāi)難性后果，因此塑料制品在使用過程中的定期檢測(cè)極為重要，越來越受到人們的重視。

2 無損檢測(cè)

近年來，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使無損檢測(cè)技術(shù)獲得了快速發(fā)展[18-20] ，不僅射線、超聲等傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，還產(chǎn)生了激光全息干涉、激光超聲、紅外、聲發(fā)射、微波、磁記憶、超聲相控陣等眾多的無損檢測(cè)新方法、新技術(shù)[17，18]。無損檢測(cè)[19，20]是利用聲、光、電、磁等特性，在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，檢測(cè)被檢對(duì)象是否存在缺陷或不均勻性，并對(duì)缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評(píng)價(jià)[21]，進(jìn)而判定被檢對(duì)象所處的技術(shù)狀態(tài)的所有技術(shù)手段的總稱，是建立在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的一門應(yīng)用型技術(shù)學(xué)科[22]，其重要性已得到公認(rèn)[23，24] ，具體體現(xiàn)在保證機(jī)器零件、最終產(chǎn)品的可靠性和安全性上[25，26]。

無損檢測(cè)技術(shù)雖然發(fā)展歷史較久，但每種方法既有優(yōu)點(diǎn)也存在局限性，其在金屬、復(fù)合材料應(yīng)用較多，在高分子材料方面的應(yīng)用處于起始階段，通過查閱大量文獻(xiàn)資料[27-30]總結(jié)出各方法適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，以下為國(guó)內(nèi)外常用的無損檢測(cè)方法、適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，常用的無損檢測(cè)方法如下表2-1：

從上表可以看出，超聲檢測(cè)需要使用耦合劑，且很難檢測(cè)出近距離缺陷；滲透檢測(cè)只能檢測(cè)表面開口缺陷；聲發(fā)射檢測(cè)必須把材料置于一定的載荷環(huán)境中，這對(duì)某些成品構(gòu)件和裝備好的產(chǎn)品是不現(xiàn)實(shí)的；激光全息檢測(cè)對(duì)工作環(huán)境要求高，不利于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，對(duì)內(nèi)部缺陷檢測(cè)靈敏度不高；紅外檢測(cè)費(fèi)用高，對(duì)內(nèi)部缺陷的形狀和定位不精確；熱成像法要求工件表層有較好的熱吸收率。綜合分析知射線檢測(cè)結(jié)果直觀易于觀察和保存，且對(duì)缺陷定性容易，定量定位方便，現(xiàn)在發(fā)展起來的數(shù)字射線自動(dòng)探傷系統(tǒng)可對(duì)塑料制品進(jìn)行批量檢測(cè)，故得出結(jié)論：射線檢測(cè)是塑料制品最適合的無損檢測(cè)方法。

3 塑料制品的射線檢測(cè)

3.1 射線無損檢測(cè)的特點(diǎn)

射線[31]是指波長(zhǎng)較短的電磁波，或運(yùn)動(dòng)速度高、能量大的粒子流，射線在穿過物質(zhì)的過程中將發(fā)生衰減而使其強(qiáng)度降低，衰減的程度取決于被檢材料的種類、射線種類以及所穿透的距離。當(dāng)把強(qiáng)度均勻的射線照射到物體上一個(gè)側(cè)面時(shí)，由于各部位對(duì)入射射線的衰減不同，透射射線的強(qiáng)度分布將不均勻，采用照相、熒光觀察等手段，通過在物體的另一側(cè)檢測(cè)射線在穿透物體后的強(qiáng)度分布，就可檢測(cè)出物體表面或內(nèi)部的缺陷，包括缺陷的種類、大小和分布情況。

射線檢測(cè)[32]（Radiographic testing， RT）是基于被檢測(cè)件對(duì)透入射線的不同吸收來檢測(cè)零件內(nèi)部缺陷[33]的檢測(cè)方法，其[34-36]幾乎適用于所有材料，能直觀地顯示缺陷影像，便于對(duì)缺陷進(jìn)行定性、定量分析，射線底片可長(zhǎng)期保存，對(duì)體積型缺陷比較靈敏，但難于發(fā)現(xiàn)垂直射線方向的薄層缺陷，檢測(cè)費(fèi)用較高，同時(shí)射線對(duì)人體模型有害，需作特殊防護(hù) [37]。最近幾年數(shù)字X射線直接成像技術(shù)[38，39]發(fā)展十分迅速，從王曉飛等人[40-42]對(duì)X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)的研究可知，與傳統(tǒng)的膠片成像相比，其有快速實(shí)時(shí)成像、安全環(huán)保無耗材等優(yōu)點(diǎn)[43-46]，贏得了很多企業(yè)的青睞。

3.2 射線無損檢測(cè)的應(yīng)用

沈振等人[47]提出了運(yùn)用X射線照相對(duì)鋁塑復(fù)合管中的缺陷進(jìn)行檢測(cè)的方法，該方法是將感光材料置于被檢工件后面，利用穿透工件后強(qiáng)度不同的射線使膠片感光，得到黑度不同的底片，以此來評(píng)價(jià)工件內(nèi)部缺陷。工件內(nèi)部缺陷處衰減小，到達(dá)膠片的射線強(qiáng)度大，膠片感光強(qiáng)，底片黑度大；無缺陷處，衰減大，到達(dá)膠片的射線強(qiáng)度小，膠片感光弱，底片黑度小，從而在缺陷和缺陷周圍形成黑度差，產(chǎn)生缺陷影像。據(jù)影像的形狀和黑度情況可判別工件內(nèi)部缺陷有無、大小、位置和形狀等。該方法靈敏度高，直觀可見，重復(fù)性好，結(jié)果可保存，適用于各種工件。

有資料[48]顯示了一種對(duì)聚氨酯泡沫塑料的X射線檢測(cè)方法，聚氨酯泡沫塑料是一種多泡性的低密度材料，對(duì)其工件內(nèi)部單個(gè)氣孔體積、金屬和非金屬夾雜物等有一定要求，需要進(jìn)行X射線探傷，由于該材料密度低，X射線吸收系數(shù)小，因此必須選用軟X射線進(jìn)行透照。探傷時(shí)選用比利進(jìn)三角牌D7型或性能相似的細(xì)微膠粒膠片，不使用增感屏。在聚氨酯泡沫塑料件中，除了均勻分布的二氧化碳外，還經(jīng)常含有一些金屬和非金屬夾雜物，這些夾雜物的密度大于聚氨酯泡沫塑料的密度，在底片上以亮點(diǎn)的形式出現(xiàn)。

程剛[49]總結(jié)了數(shù)字射線照相成像技術(shù)在無損檢測(cè)中的應(yīng)用，他指出數(shù)字射線直接成像技術(shù)具有一系列的優(yōu)勢(shì)，可長(zhǎng)期重復(fù)使用CR（Computed Radiography，計(jì)算機(jī)X射線成像系統(tǒng)）和DR（Digital Radiography，數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)）成像[50]，射線有很好的感光靈敏度，利于環(huán)境保護(hù)，使用方便，且攝像處理比較便捷。通常情況下，數(shù)字射線照相技術(shù)有很多成像系統(tǒng)和成像方法：①底片掃描法：采用較高的分辨率來掃描射線照相底片，然后轉(zhuǎn)換射線照相底片上的影像，使其成為數(shù)字圖像，將生成的數(shù)字圖像儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，由監(jiān)視器顯示屏觀察和評(píng)定。②CR成像系統(tǒng)：是將載體定義為一些可以記錄的熒光成像板，激光可以將射線影像信息讀出，后由掃描器進(jìn)行掃描，計(jì)算機(jī)處理圖像，可形成一個(gè)平面圖像。③DR成像系統(tǒng)：將原來的工業(yè)射線膠片替換成了影像檢測(cè)器，以便對(duì) X 射線影像進(jìn)行很好的捕獲，且可以將其直接轉(zhuǎn)化，計(jì)算機(jī)會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行處理和儲(chǔ)存。

美國(guó)Tietek公司[51]已經(jīng)開發(fā)出一種材料出廠前的X射線檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)被檢材料通過X射線檢測(cè)機(jī)器時(shí)，可同時(shí)生成多個(gè)X射線圖像。檢測(cè)結(jié)果由內(nèi)部軟件數(shù)字化并以圖片形式顯示在屏幕上。缺陷的位置與大小可通過屏幕上的圖像估計(jì)，檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)部軟件決定缺陷的大小，位置和類型，允許用戶確定生產(chǎn)產(chǎn)品是否合格，并為生產(chǎn)工藝調(diào)整提供信息。額外的專有軟件可確定產(chǎn)品是否符合供應(yīng)商和客戶制定的規(guī)格。為確保缺陷檢測(cè)的靈敏度，應(yīng)通過已知的缺陷校正來滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，不同的尺寸和密度檢測(cè)結(jié)果可能不同，這需要靠?jī)?yōu)化內(nèi)部軟件系統(tǒng)來完善。

4 展望

目前，我國(guó)塑料制品的無損檢測(cè)處于起步階段，未廣泛應(yīng)用于塑料制品缺陷的檢測(cè)。射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)[52]是核心的無損檢測(cè)方法，近年來，國(guó)內(nèi)外各種無損檢測(cè)方法迅速發(fā)展，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的數(shù)字射線照相成像技術(shù)[53]，以其快速實(shí)時(shí)成像、安全環(huán)保無耗材等優(yōu)點(diǎn)贏得眾多企業(yè)的青睞。該項(xiàng)射線檢測(cè)新技術(shù)有希望于為提高塑料制品質(zhì)量，確保塑料制品使用安全性，做出重大貢獻(xiàn)，并能促進(jìn)塑料制品行業(yè)快速健康發(fā)展。

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