鈦合金薄板的渦流陣列檢測

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(1.洛陽船舶材料研究所，洛陽 471000;2.海軍駐四○七廠軍事代表室，洛陽 471039)

鈦合金薄板的渦流陣列檢測

王伏喜1，張代國2，王海登1，鄂楠1

(1.洛陽船舶材料研究所，洛陽 471000;2.海軍駐四○七廠軍事代表室，洛陽 471039)

制作了鈦合金人工缺陷試板(薄板)，通過工藝試驗研究了渦流陣列檢測的技術(shù)特點，并使用滲透檢測方法對含有自然缺陷的成型鈦板進行了對比驗證試驗。結(jié)果表明，渦流陣列能有效地檢測出鈦板的表面、近表面缺陷，為鈦合金薄板渦流陣列檢測的大范圍應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

鈦合金；缺陷試板；工藝試驗；渦流陣列

生產(chǎn)中一般認為厚度小于6 mm的鈦合金板材為薄板，其通常采用冷軋或熱軋工藝制造而成。鈦合金薄板被大量用于艦船結(jié)構(gòu)件的制造中，其質(zhì)量要求高，不允許存在裂紋、起皮、氧化皮、壓折、分層等缺陷。對其缺陷，目前常采用目視法和滲透法檢測，但這兩種方法在應(yīng)用中均存在弊端。目視檢測容易受操作人員經(jīng)驗影響，難以發(fā)現(xiàn)微小缺陷，而滲透檢測過程繁瑣，不利于環(huán)保，且二者均屬于表面缺陷檢測方法，無法檢測內(nèi)部缺陷，極易留下安全隱患，如板材在卷制、壓制、焊接成型時出現(xiàn)表面開裂、甚至斷裂等問題。

渦流檢測適用于鈦及鈦合金材料，能夠檢測表面及近表面缺陷，傳統(tǒng)的軸繞式線圈能夠快速檢測小直徑薄壁管材，但檢測大面積或復(fù)雜形狀構(gòu)件較為困難。隨著傳感器技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展，最大集成線圈數(shù)量超過100個的渦流陣列技術(shù)開始取代傳統(tǒng)渦流檢測方法，在換熱器、汽輪機檢測領(lǐng)域發(fā)揮出獨特的優(yōu)勢，檢測效率提升了數(shù)十倍[1]。筆者通過設(shè)計試塊和工藝試驗，研究了鈦合金薄板的渦流陣列檢測技術(shù)的可行性，結(jié)果表明，渦流陣列檢測技術(shù)能夠用于鈦合金薄板的檢測，檢測效果優(yōu)于目視與滲透檢測。

1 渦流陣列檢測原理

渦流陣列(Eddy Current Array,ECA)檢測技術(shù)是渦流檢測技術(shù)中新興的分支，融合了最新傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，檢測靈敏度與效率有了大幅提高[2]。渦流陣列是對線圈排布形式的直接定義，實際上渦流陣列技術(shù)并非是簡單的由單通道向多通道的升級，而是在多種激勵-接收形式的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)與成像技術(shù)實現(xiàn)結(jié)果可視化的新型檢測技術(shù)[3]。

圖1 渦流陣列線圈激勵-接收方式示意

絕對式線圈的自激勵-接收方式的抗干擾能力較弱，渦流陣列中一般不采用這種工作方式。圖1為加拿大某公司渦流陣列檢測設(shè)備中最為常見的兩種激勵(T)-接收(R)方式的示意，傳感器中線圈排布為A、B、C三行，各行空間位置不同，圖1(a)為長單激勵(Long，single driver，LSD)，圖1(b)為短雙激勵(Short，double driver，SDD)。LSD為單個線圈激勵，多個線圈接收，接收線圈與激勵線圈的間距較大，特別適用于表面大缺陷檢測，并且受提離的影響較?。籗DD為雙線圈激勵，雙線圈接收，小缺陷檢測靈敏度高，但在相同數(shù)量線圈下的通道數(shù)較少；實際檢測時，可根據(jù)檢測條件選擇不同的工作方式。

2 工藝試驗

2.1 人工缺陷試板

將鈦合金薄板中的常見類型缺陷簡化為條形和圓形缺陷，條形缺陷用于模擬裂紋、起皮等缺陷，圓形缺陷用于模擬分層、夾雜等缺陷，并選擇2,4,6 mm厚鈦合金薄板制作人工缺陷試板，分別命名為E2-1,E4-1,E6-1。試板長×寬均為400 mm×300 mm，并分別加工兩行缺陷，其中2 mm厚試板中每行包括2個圓形缺陷、3個條形缺陷，4 mm和6 mm厚試板中每行包括3個圓形缺陷和4個條形缺陷，條形缺陷寬度均為0.1 mm。圖2為人工缺陷試板缺陷分布示意及試板實物圖。各試板的人工缺陷參數(shù)如表1所示。

圖2 試板缺陷分布示意及實物圖

試板編號缺陷位置圓形缺陷(直徑×深度)/mm條形缺陷(長度×深度)/mm圓形1圓形2圓形3條形1條形2條形3條形4行12×0.51×0.5-4×0.52×0.51×0.5-E2-1行22×11×1-4×12×11×1-行14×1.52×1.51×1.56×1.54×1.52×1.51×1.5E4-1行24×22×21×26×24×22×21×2行14×22×21×26×24×22×21×2E6-1行24×42×41×46×44×42×41×4

2.2 工藝參數(shù)

與放置式線圈類似，渦流陣列檢測時的缺陷信號強弱不僅取決于工件本身電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度及缺陷類型等因素，同時也受檢測設(shè)備的校準、探頭激勵電壓和激勵頻率的影響[4]。試驗采用加拿大Eddyfi公司的Ectane-E128RNMI型設(shè)備，并配備柔性探頭(I-Flex)，可對非平面結(jié)構(gòu)進行檢測；試驗用探頭內(nèi)部集成48個線圈(分為3排，具有多種激勵-接收模式)，為提高檢測效果，試驗統(tǒng)一采用SDD驅(qū)動模式。

(1) 設(shè)備校準

渦流陣列設(shè)備校準包括提離校準和平衡校準。提離高度發(fā)生變化時，渦流陣列信號拾取線圈的阻抗變化很大，會產(chǎn)生影響缺陷信號識別的干擾信號，而采用柔性探頭能夠保證各個通道與試板表面的均勻接觸，消除提離干擾。該型渦流陣列設(shè)備自帶平衡校準功能，檢測前按照設(shè)備的校準流程要求進行平衡校準。

(2) 激勵電壓

渦流陣列探頭激勵電壓可調(diào)，電壓越高檢測線圈的感應(yīng)電動勢也就越高，但由于線圈集成在柔性基材上，較為脆弱，采用過大的電壓激勵很容易影響使用壽命，試驗統(tǒng)一采用5 V的激勵電壓。

(3) 激勵頻率

根據(jù)渦流檢測理論，頻率越高，趨膚效應(yīng)越強，表面缺陷的檢測靈敏度也就越高，但近表面缺陷檢測的靈敏度會下降。采用不同的激勵頻率對E4-1試板中的行1缺陷進行檢測，圖3為缺陷感應(yīng)信號電壓幅值與頻率的關(guān)系曲線。由圖3可知，隨著激勵頻率的增大，圓形缺陷信號幅值增大很快，條形缺陷信號幅值增大并不明顯。考慮到信噪比及近表面缺陷檢測，試驗激勵頻率定為300 kHz。

圖3 缺陷感應(yīng)信號幅值與激勵頻率關(guān)系曲線

2.3 工藝試驗

根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)對人工缺陷試板進行渦流陣列檢測，為驗證渦流陣列近表面缺陷檢測能力，將試板的缺陷所在面定為近端，背面定為遠端，分別從近端和遠端進行檢測。檢測時分別對各個試板的兩行人工缺陷進行掃查，且圓形缺陷1為掃查起始點，如圖4所示。

圖4 試板渦流陣列檢測工藝試驗現(xiàn)場

圖5 人工缺陷試板的渦流陣列檢測結(jié)果

圖5為各個鈦合金人工缺陷試板的檢測結(jié)果，為保證試板檢測結(jié)果顯示的完整性，對兩行分別掃查的結(jié)果圖像進行了拼接。渦流陣列檢測結(jié)果圖像中缺陷顯示清晰，其中近端檢測時，各個規(guī)格試板中的缺陷均能被檢測出，信噪比高，缺陷輪廓清晰；遠端檢測時，靈敏度降低，缺陷的檢出率受缺陷自身尺寸和埋藏深度的影響很大，信噪比低，根據(jù)圖像顯示統(tǒng)計，能夠檢測出長度不小于4 mm或直徑不小于2 mm，且埋藏深度不大于2 mm的條形或圓形缺陷。

3 對比驗證

采用I型柔性渦流陣列探頭對存在自然缺陷的弧狀成型鈦板(4 mm厚)進行檢測，發(fā)現(xiàn)兩處條形缺陷(命為缺陷1和缺陷2)，如圖6(a)所示。由于渦流陣列檢測的線圈直徑僅為幾毫米(采用的I型柔性探頭內(nèi)部集成線圈直徑為2 mm)，對于尺寸遠大于線圈直徑的缺陷，圖6(a)所示的渦流陣列C掃描數(shù)字化成像結(jié)果顯示較為直觀，能夠反映缺陷的幾何形態(tài)，缺陷1與缺陷2的成像顯示尺寸均超過了30 mm。

圖6 成型鈦板渦流陣列與滲透檢測結(jié)果

對該成型板進行滲透檢測，圖6(b)所示為滲透檢測結(jié)果，在相同位置發(fā)現(xiàn)缺陷1和缺陷2，缺陷長度和形態(tài)與渦流陣列C掃描成像結(jié)果的顯示基本一致，進一步分析可知兩個缺陷均為表面裂紋。

與滲透檢測相比，渦流陣列技術(shù)不僅具有較高的表面缺陷檢測靈敏度，且有一定的近表面缺陷檢測能力。除此之外，數(shù)字化成像顯示降低了結(jié)果評判的難度，使得檢測結(jié)果的實時存儲與分析成為可能，而且檢測效率高、無污染。

4 結(jié)論

(1) 渦流陣列檢測的表面缺陷檢測靈敏度很

高，不僅能夠檢測窄而深的條狀缺陷，同樣能夠檢測開口寬大的坑狀缺陷；并且具有近表面缺陷檢測能力，能夠檢測出部分埋藏深度達到2 mm的缺陷，但隨著埋藏深度的增大，靈敏度也逐漸減小。

(2) 渦流陣列技術(shù)能夠取代滲透檢測方法對鈦合金薄板(原材料或成型板)進行檢測，可采用雙面掃查法實施檢測，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對厚度不大于4 mm的鈦合金薄板表面、內(nèi)部的全覆蓋檢測，檢測效率和效果明顯優(yōu)于滲透檢測。

[1] 趙磊.陣列渦流無損檢測技術(shù)的研究及進展[J].無損探傷,2009,33(2):19-21.

[2] 金翠娥，周建平，范晨潔.鋁合金熔焊縫的陣列渦流檢測工藝[J].無損檢測，2017,39(3)：47-50.

[3] 宋凱,劉堂先,李來平,等.航空發(fā)動機渦輪葉片裂紋的陣列渦流檢測仿真[J].航空學(xué)報,2014,35(8):2355-2363.

[4] 陳新波,袁英民,孫宏巖.航空鈦合金構(gòu)件渦流檢測工作頻率的選取[J].無損檢測,2011,33(8):31-33.

EddyCurrentArrayTestingofTitaniumAlloySheet

WANG Fuxi1, ZHANG Daiguo2, WANG Haideng1, E Nan1

(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471000, China;2.Military Representative Office in 407 Factory, Luoyang 471039, China)

Titanium alloy sheet specimens with artificial defects were made, which were used for engineer testing to study the technical characteristics of eddy current array testing. Formed titanium alloy plates with natural detects were inspected by current array testing and penetrant testing, and the detection results were compared. The results show that the eddy current array can effectively detect the surface and near surface defects of titanium alloy sheet, which lays a foundation for widely application of the eddy current array testing of titanium alloy sheet.

titanium alloy; specimen with defect; process test; eddy current array testing

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0044-04

2017-08-22

王伏喜(1963-)，男，學(xué)士，高級工程師，主要從事無損檢測和質(zhì)量管理工作

王海登，15236179377@163.com

10.11973/wsjc201712010