五大常规无损检测技术:射线检测(Radiographic Testing)、超声检测(Ultrasonic Testing)、磁粉检测(Magnetic Particle Testing)、渗透检测(Penetrant Testing)、涡流检测(Eddy Current Testing)。
一:射线检测(RT)的原理和特点
射线检测(Radiographic Testing),业内人士简称RT,是工业无损检测(Nondestructive Testing)的一个重要专业门类。
射线检测主要的应用是探测工件内部的宏观几何缺陷。按照不同特征,可将射线检测分为多种不同的方法,例如:X射线层析照相(X-CT)、计算机射线照相技术(CR)、射线照相法,等等。
下图:
第一行左起一:固定式磁粉探伤机;第一行左起二:射线检测室的防护屏蔽门。
第二行左起一:便携式X射线管;第二行左起二:A型显示的模拟式超声波探伤仪。
射线照相法,利用X射线管产生的X射线或放射性同位素产生的γ射线穿透工件,以胶片作为记录信息的器材的无损检测方法。该方法是最基本、应用最广泛的的一种射线检测方法,也是射线检测专业培训的主要内容。
射线照相法的原理
射线检测,本质上是利用电磁波或者电磁辐射(X射线和γ射线)的能量。
射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用,因吸收和散射使其强度减弱。强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿透的厚度。
射线照相法的原理:如果被透照物体(工件)的局部存在缺陷,且构成缺陷的物质的衰减系数又不同于试件(例如在焊缝中,气孔缺陷里面的空气衰减系数远远低于钢的衰减系数),该局部区域的透过射线强度就会与周围产生差异。把胶片放在适当位置使其在透过射线的作用下感光,经过暗室处理后得到底片。
射线穿透工件后,由于缺陷部位和完好部位的透射射线强度不同,底片上相应部位等会出现黑度差异。射线检测员通过对底片的观察,根据其黒度的差异,便能识别缺陷的位置和性质。
以上描述的基本原理和医院拍X光大同小异。
射线照相法的特点
1、适用范围
适用于各种熔化焊接方法(电弧焊、气体保护焊、电渣焊、气焊等)的对接接头,也能检查铸钢件,在特殊情况下也可用于检测角焊缝或其他一些特殊结构工件。
2、射线照相法的优点
a)缺陷显示直观:射线照相法用底片作为记录介质,通过观察底片能够比较准确地判断出缺陷的性质、数量、尺寸和位置。
b)容易检出那些形成局部厚度差的缺陷:对气孔和夹渣之类缺陷有很高的检出率。
c)射线照相能检出的长度和宽度尺寸分别为毫米数量级和亚毫米数量级,甚至更少,且几乎不存在检测厚度下限。
d)几乎适用于所有材料,在钢、钛、铜、铝等金属材料上使用均能得到良好的效果,该方法对试件的形状、表面粗糙度没有严格要求,材料晶粒度对其不产生影响。
3、射线照相法的局限
a)对裂纹类缺陷的检出率则受透照角度的影响,且不能检出垂直照射方向的薄层缺陷,例如钢板的分层。
b)检测厚度上限受射线穿透能力的限制,例如420kV的X射线机能穿透的最大钢厚度约80mm,钴60放射性同位素(Co60)γ射线穿透的最大钢厚度约150mm,更大厚度的工件则需要使用特殊的设备——加速器,其最大穿透厚度可达400mm以上。
c)一般不适宜钢板、钢管、锻件的检测,也较少用于钎焊、摩擦焊等焊接方法的接头的检测。
d)射线照相法检测成本较高,检测速度较慢。
e)射线对人体有伤害,需要采取防护措施。
二:超声检测(UT)的原理和特点
超声检测(Ultrasonic Testing),业内人士简称UT,是工业无损检测(Nondestructive Testing)中应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术,可以用于产品制造中质量控制、原材料检验、改进工艺等多个方面,同时也是设备维护中不可或缺的手段之一。
超声检测主要的应用是检测工件内部宏观缺陷和材料厚度测量。
按照不同特征,可将超声检测分为多种不同的方法:
(1)按原理分类:超声波脉冲反射法、衍射时差法(Time ofFlight Diffraction,简称TOFD)等。
(2)按显示方式分类:A型显示、超声成像显示(B、C、D、P扫描成像、双控阵成像等)。
超声检测原理
超声检测,本质上是利用超声波与物质的相互作用:反射、折射和衍射。
(1)什么是超声波?
我们把能引起听觉的机械波称为声波,频率在20-20000Hz之间,而频率高于20000Hz的机械波称为超声波,人类是听不到超声波的。对于钢等金属材料的检测,我们常用频率为0.5~10MHz的超声波。(1MHz=10的六次方Hz)
(2)如何发出和接收超声波?
超声检测用探头的核心元件是压电晶片,其具有压电效应:在交变拉压应力的作用下,晶体可以产生交变电场。
当高频电脉冲激励压电晶片时,发生逆压电效应,将电能转换成声能(机械能),探头以脉冲的方式间歇发射超声波,即脉冲波。当探头接受超声波时,发生正压电效应,将声能转换成电能。
超声检测所用的常规探头,一般由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳组成,一般分为直探头和斜探头两个类别,后者的话通常还有一个使晶片与入射面成一定角度的斜锲块。
下图为典型的斜探头结构图(图片来源于网络)。
下图为斜探头的实物图:
该探头型号:2.5P8*12 K2.5,其参数为:
a)2.5代表频率f:2.5MHz;
b)P代表晶片材料为:锆钛酸铅陶瓷,具有温度稳定性好、电性能优异、容易制造而且价格低廉等优点;
c)8*12代表矩形晶片尺寸为:8mm*12mm;
d)K2.5代表:斜探头折射角的正切值为2.5,即tan(68.2°)=2.5,其折射角为68.2°。
A型显示的超声波脉冲反射法工作原理:
声源产生的脉冲波进入到工件中,超声波在工件中以一定方向和速度向前传播。当遇到两侧声阻抗有差异的界面时(声阻抗存在差异往往是因为材料中某种不连续性造成,如裂纹、气孔、夹渣等)部分声波被反射,检测设备接受和显示:分析声波幅度和位置等信息,评估缺陷是否存在或存在缺陷的大小位置等。
A型显示的超声波脉冲反射法的特点
1、适用范围
适用于金属、非金属和复合材料等多种制件。
a)原材料、零部件检测:钢板、钢锻件、铝及铝合金板材、钛及钛合金板材、复合板、无缝钢管等。
b)对接焊接接头检测:钢制对接接头(包括管座角焊缝、T形焊接接头,支撑架和结构件),铝及铝合金对接接头
下图为钢制对接接头:T形焊接接头。
2、A型显示的超声波脉冲反射法的优点
a)穿透能力强,可对较大厚度范围内的工件内部缺陷进行检测。如对于金属材料,可检测厚度为1~2mm的薄壁管材和板材,也可检测几米长的钢锻件。
b)缺陷定位较准确。
c)对面积型缺陷的检出率较高。
d)灵敏度高,可检测工件内部尺寸很小的缺陷。超声检测理论灵敏度约为超声波波长的一半,当检测对象为钢制件,采用2.5MHz频率的超声斜探头,其灵敏度约为0.65mm。
e)检测成本低、速度快,设备轻便,对人体及环境无害,现场使用较方便。
3、A型显示的超声波脉冲反射法的局限
a)对工件中的缺陷进行精确的定性、定量仍需作深入研究。
b)对具有复杂形状或不规则外形的工件进行超声检测有困难。
c)缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响。
d)工件材质、晶粒度等对检测有较大影响。
e)检测结果显示不直观,检测结果无直接见证记录。
三:渗透检测(PT)的原理和特点
渗透检测(Penetrant Testing),业内人士简称PT,是工业无损检测(Nondestructive Testing)应用最早的无损检测方法,由于渗透检测简单易操作,其在现代工业的各个领域都有广泛的应用。
渗透检测主要的应用是检查金属(钢、铝合金、镁合金、铜合金、耐热合金等)和非金属(塑料、陶瓷等)工件的表面开口缺陷,例如表面裂纹等。
工业产品在制造和运行过程中,可能在表面产生宽度零点几微米的表面裂纹, 断裂力学研究表明,在恶劣的工作条件下,这些微细裂纹都会是导致设备破坏的裂纹源。
按照不同特征,可将渗透检测分为多种不同的方法:
按显示材料,分为荧光法(Fluorescent)和非荧光法(Non-Fluorescent)。前者称为“荧光渗透检测”,后者称为“着色渗透检测”。
典型的荧光渗透检测缺陷示意图。(图片来源于网络)
肉眼无法察觉的微裂纹,经荧光渗透检,在紫外线灯的照射下,黄绿色荧光格外醒目,如下图所示:
渗透检测原理
渗透检测,本质上是利用液体的表面能。
当液体和固体界面接触时会出现以下三种现象,θ称为接触角。如下图所示:
(a)θ=0°,全部润湿;(b)θ