无损检测技术:金属产品的健康顾问

作为一名质量控制人员,最担心的事情莫过于自己最好的客户拿着自己公司生产的,却带有裂缝或者其他质量问题的产品来“拜访”自己。你的客户肯定会很生气的想知道在你们生产过程中,这些缺陷或者质量问题是如何产生的,以及你如何保证下次不会再发生类似情况。

没有人会希望生产出带有缺陷,甚至损坏的制件,但是我们的原材料、生产工艺流程、机械设备以及生产人员都不可能是十全十美的,这也就是为什么我们要对制件进行检测并且密切关注生产流程的原因。

无损检测技术用于检测金属制品中的缺陷已经有几十年的历史了。不同的无损检测方法适用于不同的金属制件,并且,有些适用于离线批处理检测,有些适用于连续在线检测。本文将主要介绍几种比较受欢迎的无损检测技术,包括渗透检测、磁粉检测、超声检测和涡流检测技术;以及这些技术各自最适宜的应用范围、优缺点以及最新进展等。

渗透和磁粉检测技术

渗透检测(PT)是对视觉检测的一种补强,主要适用于检测无孔金属材料的表面缺陷。关于这种技术的一个早期说法是该技术在1800年就结合重油、煤油和白粉笔等被用于检测机车部件上的裂纹。在20世纪40年代,荧光染料开始被加入到渗透检测技术中,在紫外光的照射下能够大大提高金属制件表面缺陷的能见度。

渗透检测技术要求待检测样品表面清洗干净,以保证染料能够顺利进入到缺陷当中。清洗干净后,在表面上施加渗透剂,施加完毕后将多余的渗透剂清除干净并涂覆显影剂。随后,在合适的灯光照射下进行观察。在检测结束后,再次清洗样品以去除渗透剂和显影剂。

主要优势如下:

操作相对简单且成本低廉

高度便携

对于表面上细小、紧密的不连续处高度敏感

可用于检测一些含有复杂外形的制件

同时也存在一些缺点和不足,主要为:

测试件表面必须高度清洁,无污垢、油脂、油漆、锈迹及其它污染物

不能用于检测多孔样品,对于粗糙表面检测较困难

检测完毕后通常需要清理掉所有的渗透液和显影剂

难以记录数据和实现自动化等

磁粉检测技术

磁粉检测(MT)主要是利用磁场和小磁粉颗粒检测铁磁材料中的缺陷。这项技术早在19世纪末期就被人们研究:当枪筒被磁化后,将磁罗盘沿着枪筒移动并观察磁场的变化。在1920年,人们就发现有色金属碎屑可以用于检测金属制品中的缺陷。

磁粉检测技术能够检测到金属表面或者次表面上存在的缺陷。其检测过程大致为:首先利用一个永磁体或者电磁铁对测试样品进行磁化作用,随后将在白光条件或者紫外光条件下可视的干磁粉或湿磁粉铺到测试样品的表面上,这些磁粉会形成一种视觉指示——和缺陷具有近似形状和大小的磁痕。在检测结束后,通常需要对测试样品进行消磁作用。

优势主要包括:

操作简单,成本低廉

是检测铁磁材料中表面及次表面上缺陷的最佳方法

能够通过在材料表面涂上涂层(如油漆)的方法进行更加明显的观察

不需要严格的表面预清洗工作等

局限性主要包括:

检测材料仅限于铁磁性材料

只能用于检测表面及近表面上的不连续处

测试样品通常需要进行消磁作用,可能会带来一些困难

对于高速测试样品或在线测试样品难以实现自动化等

紫外辐照LED光源的新发展显著提高了渗透检测技术和磁粉检测技术的灵敏度。紫外辐照LED灯能够提高光强度及效率,提供均匀的光束模式,并且使用方便。这种光源使得检测过程中可以更多的借助可见光,而不用继续在黑暗环境中进行检测。

超声检测技术

超声检测(UT)主要是利用高频率声波寻找材料中的缺陷和不连续处。最早使用超声波检测固体材料中的缺陷可以追溯到上个世纪30年代。电子工业的快速发展以及超声波在医学诊断方面的研究使用极大地推动了这项技术的发展。现在,超声检测已经成为一种成熟的无损检测技术,主要用于检测焊缝和一些具有复杂外形的样品。此外,这项技术的一大特点是可以用于研究和检测样品的内部结构。

一套完整的超声检测体系包括一个脉冲发生器/接收器、一个换能器和一个显示器。脉冲发生器产生高压电脉冲,并被换能器转换成高频率超声能量。换能器通过水或者凝胶耦合到材料之上,材料中的缺陷或者不连续处反射出来的信号通过换能器转换为电信号,经过放大和处理,传送到显示器上。最终接收到的信号信息能够用于计算缺陷的位置、尺寸和取向等。超声检测技术能够用于厚度测量,以及材料的力学性能和晶体结构的测定。

图:一套超声波检测设备 图片来源:Sonatest

优点主要包括:

检测灵敏度高,能够用于检测微小缺陷

能够精确检测出缺陷的位置和尺寸

允许快速检测和自动化检测

只需要检测测试样品的一个表面

能够检测出次表面缺陷

存在的不足主要有:

需要用到耦合剂

检测设备较昂贵

要求高度熟练的检测人员

需要参考标准和校准工作

对于实现在线生产检测自动化成本较高

电脑软件、模型建造以及相控阵技术的发展为快速、高分辨率的缺陷绘图铺平了道路。超声检测技术能够结合材料处理系统和水浴槽一起集成到生产线上,对产品质量实现更好的监测。

涡流检测技术

涡流检测(ET)主要是采用电磁场检测金属制品表面和次表面上的缺陷。电磁感应科学是在19世纪中期发展而来,在19世纪后期,人们发现将线圈与具有不同电导率的金属接触时得到的实验数据会发生改变。在19世纪50年代到60年代,涡流技术逐渐成了一种广泛应用于核能和航空工业领域的新兴技术。

在涡流检测技术中,将通电线圈放置在待检测金属样品附近,金属样品内会感应出涡流。与不含有缺陷的同种金属制品对比,被测制品中若存在缺陷或者结构发生改变都会导致涡流变化。因为涡流的分布和大小,除了与线圈的形状和尺寸、电流的大小和频率等有关外,还取决于试件的电导率、磁导率、形状和尺寸、与线圈的距离以及表面有无裂纹缺陷等。因而,在保持其他因素相对不变的条件下,用一探测线圈测量涡流所引起的磁场变化,可推知试件中涡流的大小和相位变化,进而获得有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量(如形状、尺寸等)的变化或缺陷存在等信息。

涡流检测通常能够在几秒钟内完成,这使得它可以很方便的被整合到生产线中,并且,检测过程不需要用到耦合剂,检测之前也不需要对样品进行预清洗工作。此外,由于涡流还受电导率影响,这种技术还可以用来检测合金之间的差异性等。

优势主要包括:

瞬时响应

检测表面缺陷极度敏感

绿色、环保,不需要耦合剂等化学试剂

结果可靠,可重复性高

易于整合到生产线上

存在的不足主要有:

只适用于金属检测

只能用于检测表面缺陷

仪器设备较为昂贵

需要有经验的操作员装配仪器设备

电子工业及电脑技术的发展已经为涡流阵列、多频检测、数据分类和存储等方面铺好了道路,从而推动涡流检测技术的进一步发展。

总结

对于特定的产品,不同检测技术间的选择主要取决于待检测产品的几何外形、材料组成,以及你可能检测到的缺陷类型等因素。上述的几种检测方法中,一些适合作为离线检测选择;其他的更加适合集成到生产线中,可以检测到所有产品。除了上述几类无损检测技术外,还有很多其他检测技术可供选择,例如射线检测、声发射检测和红外/热成像检测等。

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