无损检查就是指在检测机械材料内部不损害或不影响被测量对象使用性能,不伤害被测量对象内部组织的前提下,借助材料内部结构异常或缺陷存在造成的热、声、光、电、磁等反应的变化,以化学或物理方式为手段,利用现代化的技术和设备器材,对试件内部及表面的结构、状态及缺陷的类型、数量、形状、性质、位置、尺寸、分布及其变化进行检测和测试的方式。
无损检查是工业发展必不可少的有效工具,在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平,无损测量的重要性已得到公认。
五大常规无损测量技术:
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下边将逐一介绍五种测量技术:
射线检查(RT)的原理和特征
射线检查(),业内人士简称RT,是工业无损检查()的一个重要专业门类。
射线检查主要的应用是侦测型腔内部的宏观几何缺陷。根据不同特点,可将射线检查分为多种不同的方式,比如:X射线层析拍照(X-CT)、计算机射线拍照技术(CR)、射线拍照法,等等。
右图:
第一行左起一:固定式磁粉探伤机;第一行左起二:射线检查室的防护屏蔽门。
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。
射线拍照法,借助X射线管形成的X射线或放射性核素形成的γ射线穿透型腔,以胶卷作为记录信息的器材的无损检查方式。该方式是最基本、应用最广泛的的一种射线检查方式,也是射线测量专业培训的主要内容。
射线拍照法的原理1:
射线检查,本质上是借助电磁波或则电磁幅射(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互相作用,因吸收和散射使其硬度减慢。硬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长度。
射线拍照法的原理2::
倘若被透照物体(制件)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(比如在熔池中,气孔缺陷上面的空气衰减系数远远高于钢的衰减系数),该局部区域的透过射线硬度都会与周围形成差别。把胶卷放到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。
射线穿透型腔后,因为缺陷部位和完好部位的透射射线硬度不同,底片上相应部位等会出现黑度差别。射线检查员通过对底片的观察,依照其黒度的差别,便能辨识缺陷的位置和性质。
以上描述的基本原理和诊所拍X中信同小异。
射线拍照
射线拍照法的特征
1、适用范围
适用于各类融化点焊方式(电弧焊、气体保护焊、电渣焊、气焊等)的对接接头,也能检测铸件件,在特殊情况下也可用于测量角熔池或其他一些特殊结构制件。
2、射线拍照法的优点
a)缺陷显示直观:射线拍照法用底片作为记录介质,通过观察底片才能比较确切地判定出缺陷的性质、数量、尺寸和位置。
b)容易检出这些产生局部长度差的缺陷:对气孔和缩孔之类缺陷有很高的检出率。
c)射线拍照能检出的宽度和长度规格分别为毫米数目级和亚毫米数目级,甚至更少,且几乎不存在测量长度下限。
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疗效,该方式对试件的形状、表面粗糙度没有严格要求,材料碳化物度对其不形成影响。
3、射线拍照法的局限
a)对裂缝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,比如厚板的分层。
b)测量长度上限受射线穿透能力的限制,比如420kv的X射线机能穿透的最大钢长度约80mm,钴60放射性核素(Co60)γ射线穿透的最大钢长度约150mm,更大长度的螺孔则须要使用特殊的设备——加速器,其最大穿透长度可达400mm以上。
c)通常不适合厚板、钢管、锻件的检查,也较少用于焊接、摩擦焊等点焊方式的接头的监测。
d)射线拍照法测量成本较高,测量速率较慢。
e)射线对人体有伤害,须要采取防护举措。
超声检查(UT)的原理和特征
超声检查(),业内人士简称UT,是工业无损检查()中应用最广泛、使用频度最高且发展较快的一种无损测量技术光折射的原理和应用,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。
超声检查主要的应用——检测型腔内部宏观缺陷和材料长度检测。
根据不同特点,可将超声检查分为多种不同的方式:
(1)按原理分类:超声波脉冲反射法、衍射时差法(Time,简称TOFD)等。
(2)按显示方法分类:A型显示、超声成像显示(B、C、D、P扫描成像、双控阵成像等)。
超声检查原理
超声检查,本质上是借助超声波与物质的互相作用:反射、折射和衍射。
(1)哪些是超声波?
我们把能导致触觉的机械波称为声波,频度在20-之间,而频度低于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测量,我们常用频度为0.5~10MHz的超声波。(1MHz=10的六次方Hz)
(2)怎样发出和接收超声波?
超声检查用探头的核心器件是压电晶圆,其具有压电效应:在交变拉压挠度的作用下,晶体可以形成交变电场。
当高频电脉冲激励压电晶圆时,发生逆压电效应,将电能转换成声能(机械能),探头以脉冲的形式间歇发射超声波,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。
超声检查所用的常规探头,通常由压电晶圆、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和壳体组成,通常分为直探头和斜探头两个类别,前者的话一般还有一个使晶圆与入射面成一定角度的斜锲块。
右图为典型的斜探头结布光
右图为斜探头的实物图:
该探头机型:2.5P8*12K2.5,其参数为:
a)2.5代表频度f:2.5MHz;
b)P代表晶圆材料为:锆锰酸铅陶瓷,具有体温稳定性好、电性能优异、容易制造并且价钱低廉等优点;
c)8*12代表圆形晶圆规格为:8mm*12mm;
d)K2.5代表:斜探头折射角的余弦值为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:
声源形成的脉冲波步入到制件中,超声波在型腔中以一定方向和速率往前传播。当遇见两边声阻抗有差别的界面时(声阻抗存在差别常常是由于材料中某种不连续性导致,如裂痕、气孔、夹渣等)部份声波被反射,检查设备接受和显示:剖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征
1、适用范围
适用于金属、非金属和复合材料等多种壳体。
a)原材料、零部件检查:厚板、钢铸件、铝及铝合金薄板、钛及钛合金薄板、复合板、无缝铁管等。
b)对接钎焊接头检查:钢制对接接头(包括管座角熔池、T形钎焊接头,支撑架和结构件),铝及铝合金对接接头
右图为钢制对接接头:T形钎焊接头。
2、A型显示的超声波脉冲反射法的优点
a)穿透能力强,可对较大长度范围内的螺孔内部缺陷进行检查。如对于金属材料,可测量长度为1~2mm的薄壁型材和刨花板,也可测量几米长的钢铸件。
b)缺陷定位较确切。
c)对面积型缺陷的检出率较高。
d)灵敏度高,可测量型腔内部规格很小的缺陷。超声检查理论灵敏度约为超声波波长的一半,当测量对象为钢铸锭,采用2.5MHz频度的超声斜探头,其灵敏度约为0.65mm。
e)测量成本低、速度快,设备轻便,对人体及环境无害,现场使用较便捷。
3、A型显示的超声波脉冲反射法的局限
a)对型腔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型的螺孔进行超声检查有困难。
c)缺陷的位置、取向和形状对检查结果有一定影响。
d)型腔材质、晶粒度等对检查有较大影响。
e)测量结果显示不直观,检查结果无直接见证记录。
渗透检查(PT)的原理和特征
渗透检查(),业内人士简称PT,是工业无损检查()应用最早的无损检查方式,因为渗透检查简单易操作,其在现代工业的各个领域都有广泛的应用。
渗透检查主要的应用——检查金属(钢、铝合金、镁合金、铜合金、耐热合金等)和非金属(塑胶、陶瓷等)型腔的表面开口缺陷,比如表面裂痕等。
工业产品在制造和运行过程中,可能在表面形成长度零点几微米的表面裂痕,破裂热学研究表明,在恶劣的工作条件下,这种微细裂缝就会是造成设备破坏的裂痕源。
根据不同特点,可将渗透检查分为多种不同的方式:
按显示材料,分为萤光法()和非萤光法(Non-)。
后者称为“荧光渗透检查”,前者称为“着色渗透检查”。
典型的萤光渗透检查缺陷示意图。(图片来始于网路)
肉眼难以察觉的微裂缝,经萤光渗透检,在紫外线灯的照射下,黄红色萤光分外显眼,如右图所示:
渗透测量原理
渗透检查,本质上是借助液体的表面能。
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。如右图所示:
(a)θ=0°,全部润湿;(b)θ<90°,部份润湿;(c)θ>90°,不润湿。
对某一液体而言,表面张力越小,当液体在界面映照时克服这个力做功越少,则润湿疗效越好。
——表面张力,是液体表面层因为分子引力不均衡而形成的沿表面作用于任一界线上的张力。
毛细现象:当液体润湿毛细管或富含细微空隙的物体,液体沿毛细空隙流动的现象。
假如液体能润湿毛细管,则液体在细管上升,管子的外径越小,它上面上升的湖面也越高。诸如水在玻璃毛细管内,液面是上升的,相当于水溶入毛细管内。
假如液体不能润湿毛细管,则液体在细管减少。诸如水银(Hg)在玻璃毛细管内,液面是增长的。
渗透测量基本原理:
因为毛细现象的作用,当人们将溶有萤光颜料或着色颜料的渗透剂施加于试件表面时,渗透剂都会溶入到各种开口于表面的细小缺陷中(细小的开口缺陷相当于毛细管,渗透剂溶入细小开口缺陷相当于润湿现象),之后去除屈从在试件表面上多余的渗透剂,经干燥后再施加显像剂,缺陷中的渗透剂在毛细现象的作用下重新吸附到试件的表面上,产生放大的缺陷显示。用目视检查即可观察出缺陷的形状、大小及分布情况。
渗透检查特性
1、适用范围
渗透检查可以应用于各类金属、非金属、磁性及非磁性材料型腔的表面开口缺陷的测量。不仅微孔性的材料难以或无法检查外,几乎所有材料的表面开口缺陷都可以使用此方式,获得令人满意的检查结果。
2、渗透检查优点
(a)不受被检型腔磁性、形状、大小、组织结构、化学成份及缺陷方位的限制,一次操作能检测出各个方向的缺陷。
(b)操作简便,设备简单。
(c)缺陷显示直观,灵敏度高。
3、渗透检查局限
(a)只能测量出材料的表面开口缺陷,对于潜藏在材料内部的缺陷,渗透检查就无能为力了。必须强调,因为微孔性材料的缺陷图象显示无法判定,所以渗透检查并不适宜微孔性材料表面缺陷。
(b)渗透剂成份对被检型腔具有一定腐蚀性,必须严格控制硫、钠等微量元素的存在。
(c)渗透剂所用的有机溶剂具有挥发性,工业颜料对人体有毒性,必须注意吸入防护。
涡流检查(ET)的原理和特征
涡流检查(Eddy),业内人士简称ET,在工业无损检查()领域中具有重要的地位,在民航航天、冶金、机械、电力、化工、核能等领域中发挥着越来越重要的作用。
涡流检查主要的应用——检测导电金属材料表面及近表面的宏观几何缺陷和镀层测厚。
根据不同特点,可将涡流检查分为多种不同的方式:
(1)按检查线圈的方式分类:
a)外穿式:将被检试样置于线圈内进行检查,适用于管、棒、线材的外壁缺陷。
b)内穿式:置于管子内部进行检查,专门拿来检测厚壁管子内壁或钻孔内壁的缺陷。
c)探头式:放置在试样表面进行检查,除了适用于形状简单的薄板、棒材及大半径型材的表面扫查检查,也适用于形状西安的机械零件的测量。
(2)按检查线圈的结构分类:
a)绝对形式:线圈由一只线圈组成。
b)差动方法:由两只反相联接的线圈组成。
c)自比较方法:多个线圈绕在一个骨架上。
d)标准比较方法:绕在两个骨架上,其中一个线圈中倒入早已样品光折射的原理和应用,另一个拿来进行实际测量。
(3)按测量线圈的电气联接分类:
a)自感形式:测量线圈使用一个定子,既起激励作用又起测量作用。
b)互感形式:激励定子和测量定子分开。
c)参数型式:线圈本身是电路的一个组成部份。
涡流测量原理:涡流检查,本质上是借助电磁感应原理。
无论哪些缘由,只要穿过闭合回路所包围曲面的磁路量发生变化,回路中都会有电压形成,这些因为回路磁路量变化而迸发电压的现象称作电磁感应现象,回路中所形成的电压称作感应电压。
电路中富含两个互相耦合的线圈,若在原边线圈通以交流电,在电磁感应的作用下,在副边线圈中形成感应电压;反过来,感应电压又会影响原边线圈中的电压和电流的关系。如右图所示:
涡流测量的基本工作原理:
当载有交变电压的试验线圈紧靠导体型腔时,因为线圈形成的交变磁场会使导体感生出电压(即涡流)。涡流的大小、相位及流动方式深受型腔性质(浊度率、磁导率、形状、尺寸)及有无缺陷的影响形成变化,反作用于磁场使线圈的电流和阻抗发生变化。
因而通过仪器测出试验线圈电流或阻抗的变化,就可以判定被检型腔的性质、状态及有无缺陷。
涡流检查特性:
1、适用范围
a)工艺检测和最终产品检查:在制造工艺过程中进行质量控制,或在成品剔除不合格品。
b)在役检查:为机械零部件及热交换管等设施进行定期检验。
c)其他应用:金属板材及镀层的测厚、材质分选、电导率检测等。
2、涡流检查的优点
a)测量时既不须要接触型腔也不须要耦合剂,可在低温下进行检查。同时探头可延展至远处检查,可有效对型腔的窄小区域及深孔壁等进行测量。
b)对表面和近表面缺陷的测量灵敏度很高。
c)对管、棒、线材的测量便于实现高速、高效率的手动化测量,可对测量结果进行数字化处理,之后存放、再现及数据处理。
3、涡流测量的局限
a)只适用于导电金属材料或能感生涡流的非金属材料的测量。
b)只适用于测量型腔表面及近表面缺陷,不能测量型腔深层的内部缺陷。
c)涡流效应的影响诱因多,目前对缺陷的定性和定量还比较困难。
磁粉检查(MT)的原理和特征
磁粉检查(),业内人士简称MT,是工业无损检查()的一种成熟的无损检查方式,在民航航天、兵器、船舶、火车、汽车、石油、化工、锅炉压力容器、压力管线等各个领域都得到广泛应用。
磁粉检查主要的应用——探测铁磁性型腔表面和近表面的宏观几何缺陷,比如表面气孔、裂纹等。
根据不同特点,可将磁粉检查分为多种不同的方式:
(1)按施加磁粉的时间分为:连续法和剩磁法。
a)连续法:磁化型腔的同时,施加磁粉。
b)剩磁法:先磁化型腔,停止磁化后借助型腔的剩磁,之后再施加磁粉。
(2)按显示材料,分为萤光法()和非萤光法(Non-)。
a)萤光法:采用萤光磁粉,在黑光灯下观察磁痕。
b)非萤光法:采用普通红色磁粉或则黑色磁粉,在正常光照条件下观察磁痕。
(3)按磁粉的载体,分为干法和湿法。
a)干法:磁粉的载体为液体(油或水)。
b)湿法:直接以干粉的方式涂装在型腔上,只有特殊情况下才能采用这些技巧。
举个反例,通常压力容器熔池的磁粉检查会采用:干法+非萤光法+连续法,这意味着我们将在正常的光照条件下,把红色或则黑色的磁粉分散在以水或则油的载体(即磁悬液),之后磁化熔池的同时施加磁悬液,一边磁化一边观察是否有磁痕产生。
下边就是典型的干法+非萤光法+连续法的磁粉检查,工艺为:交叉磁轭机磁化,配合红色磁粉。
磁粉检查裂痕缺陷示意图,储罐的环型对接熔池,磁痕粗大显著。
右图为一条对接熔池管,图片来始于网路,
磁痕没有上图这么显著,你们能够找到磁痕吗?
磁粉测量原理
磁粉检查,本质上是借助材料磁性变化。
当铁磁性型腔被磁化时,若型腔材质是连续、均匀的,则型腔中的磁感应线将基本被约束在型腔内,几乎没有磁感应线从被检表面穿出或步入型腔,被检表面不会产生显著的泄露磁场。如右图所示:
当型腔的表面存在着切割磁力线的不连续性时,因为不连续性部位的磁导率低,磁阻很大,磁感应线将会改变途径。
大部份改变途径的磁路将优先从磁阻较低的不连续性顶部的型腔内通过,当型腔磁感应硬度比较大,螺孔不连续性处顶部无法接受更多的铁损,或不连续性部位的规格较大时,部份磁路都会从不连续性部位逸出键槽,跨过不连续性上方之后再步入型腔,这些磁路的泄露同时会使不连续性两侧部位形成了磁极化,产生所谓的漏磁场。如右图所示:
磁粉测量基本原理:当型腔被磁化后,若型腔表面及近表面存在不连续性(如裂痕),都会在不连续性部位的表面产生泄露磁场(即漏磁场),通过漏磁场吸附、聚集检查过程施加的磁粉,最终产生磁痕,便可提供缺陷的位置、形状、大小的显示。
磁粉检查特性
1、适用范围
磁粉检查可用于薄板、型材、管材、锻造毛坯等原材料和半成品的检测,也可用于锻钢件、焊接件、铸钢件加工制造过程工序间检测和最终加工检测,还可用于重要设备机械、压力容器、石油气柜等工业设施在役检测等。
2、磁粉检查的优点
a)能直观显示缺陷的形状、位置、大小和严重程度,并可大致确定缺陷的性质。
b)具有高灵敏度,磁粉在缺陷上集聚产生的磁痕有放大作用,可检出缺陷的最小长度约0.1μm,能发觉深度约10μm的微裂痕。
c)适应性好,几乎不受试件大小和形状的限制,综合采用多种磁化方式,可测量型腔上的各个方向的缺陷。
d)测量速率快,工艺简单,操作便捷,效率高,成本低。
3、磁粉检查的局限
a)只能用于测量铁磁性材料,如不锈钢、合金结构钢等,不能用于测量非铁磁性材料,如镁、铝、铜、钛及奥氏体碳钢等。
b)只能拿来测量表面和近表面缺陷,不能测量潜藏较深的缺陷,可测量的皮下缺陷的潜藏深度通常不超过1~2mm。
c)难于定量确定缺陷潜藏的深度和缺陷自身的高度。
d)一般采用目视法检测缺陷,磁痕的判定和解释须要有技术经验和素养。