解析钽铌铍加工材中的无损检测技术及其应用

1.前言

　　钽铌铍及其合金材料现已被广泛应用在航空、航天、医疗、石油、化工等行业。随着应用领域的不断扩大，对产品的检测要求越来越高，要稳固占领市场，就要有质量稳定的产品，同时要为用户提供各种无损检测报告。国内外用户已明确提出对订购的钽、铌、铍加工材进行无损检测。其中超声波探伤是无损检测的一种重要方法，其次还有着色渗透探伤法，超声波测厚法，耐压水压检测法等。无损检测是始终与材料质量、安全联系在一起的一门极其重要的应用技术，对其质量控制和安全使用起着举足轻重的作用。我分厂钽铌铍及其合金管、棒、板材品种多、规格杂，采用各种无损检测方法可以检测材料内部或外部的缺陷，为提高信誉度、稳定生产工艺、控制中间转料、出厂产品质量提供依据。

　　2各种无损检测方法原理及应用

　　2.1超声波探伤原理及应用

　　探伤仪按缺陷显示方式分类分为：A型、B型、C型、三种显示，我厂采用的均为A型，A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间(或距离)，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。原理如图1：

　　超声波检测仪工作原理：同步电路产生周期性的同步脉冲信号。一方面它触发发射电路(或经触发延迟在时间上做适当延迟后触发发射电路)产生一个持续时间极端的电脉冲加到探头内的压电换能器上，激励品片产生脉冲超声波。另一方面，同步脉冲经过扫描延迟，在时间上适当延迟后控制扫描发生器产生线性较好的锯齿波，经过轴放大器放大后加到示波管Y轴偏转板上，使光点从左到右随时间做线性地移动。超声波透过偶合剂射入试件。在试件内部传播的超声波遇到界面或缺陷时即产生反射，这种超声回波已停止激振的原探头接收，转变成电脉冲输入高频放大器。经检波电路再由祝频放大器进一步放大后加到示波管的Y轴偏转板上，这是光点不仅在水平线上按时间作线性移动而且还要受Y轴偏转板上电压的影响做垂直运动，从而在扫描线上就出现波形。根据反射回波在扫描线上的位置可确定试件中界面或缺陷与换能器间的距离，荧光屏上显示的波高一般与换能器接收到的超声波声压成正比，故可据以评定反射回波的声压大小。

　　1-时基电路2-扫描延迟3-扫描发生器4-X轴放大5-接收电路6-高频放大及衰减器7-检测电路8-视频放大器9-同步电路10-发射电路11-示波管12-示波管荧光屏13-换能器14-试件

　　图1超声波检测仪工作原理图

　　在我们厂超声波探伤法应用几乎涉及了钽、铌、铍及其合金的管、棒、板材，贯穿了整个工艺流程，超声波探伤可以检测出料中的气孔、夹渣、裂纹及组织的不连续。我们厂从原料铸锭的领取到成品发货均需要超声波检测。钽铌铸锭在电弧熔炼过程中会产生封顶缩尾缺陷，如果锯切不干净，那么在以后压力加工中将越裂越大，导致整节铸锭的报废，超声波可发现封顶缩尾缺陷，可以及时切除。钽、铌及其合金棒材在加工过程中，由于前期很多是锻造的，会出现裂，用超声波探伤可以检测出来，并且可以分析裂的产生原因及状态，根据实际情况，判断物料是切除还是改做它用。钽、铌及其合金管材也是我们的主要产品，它们主要应用于化工防腐行业，对超声波探伤这方面要求也比较严格，我们用超声波自动水浸探伤可以大批量的对管材进行内壁和外壁的扫查，可以迅速检测出内壁和外壁的凹坑、夹渣、沟槽、裂纹等等缺陷，并自动剔除。海蓝公司是我们铍铜的最大客户，曾经因为产品的内部缺陷而退货，现在我们在超声波检验铍铜管棒的技术已经比较成熟，海蓝、7103厂、西安煤院等客户对我们的超声波技术也比较认可。

　　2.2着色渗透探伤法原理及应用

　　着色渗透探伤法是在测试材料表面使用一种液态染料，涂上该有色液体染料后，并使其在体表保留至预设时限，然后再涂上显影剂，在正常光照下观察即能辨认的有色液体。可广泛应用于检测大部分的非吸收性物料的表面开口缺陷，无需额外设备，便于现场使用。

　　着色渗透探伤法的优点是灵敏度较高，检测成本低，使用设备与材料简单，操作轻便简易，显示结果直观并可进一步作直观验证，其结果也容易判断和解释，检测效率较高。缺点是受试件表面状态影响很大并只能适用于检查表面开口型缺陷，如果缺陷中填塞有较多杂质时，不容易检出。

　　目前我们的钽、铌、铍及其合金的φ14.4以下的小规格拉制棒材在修料中是工人用肉眼判断表面是否有缺陷，这种目视检测法效率很低并且失误率很高，如果料表面的缺陷没有被发现，没有及时修理干净，那么遗留到后序的继续加工中，缺陷将越来越多，越来越大，如果投入到拉丝工序中，拉出的丝将会断掉，这不仅是人力物力的浪费，成材率也很难上去。目前我们渗透检测应用于钽铌铍φ14.4以下的拉制棒材，检验各种裂纹、麻坑、粘料等开口型缺陷，这就大大减少了工人的劳动强度，并且可以很快很准确的检测出缺陷，及时修理，效率很高。

　　2.3超声波测厚原理

　　测量超声波在工件上下底面之间往返一次传播的时间来求得工件的厚度。

　　数字超声测厚仪内部有计算电路，可以计算出来时间，再换算成工件厚度显示出来。如图2

　　图2超声波测厚原理示意图

　　我们的壁厚仪范围在0.102mm~254.00mm之间,精度达±0.025mm。目前我们应用它来检测各种规格材质的管材壁厚，如在调轧过程中，需要时时监控管材的壁厚，原来是调一段，切下来有尺子量，这样效率低浪费材料准确度还差，用超声波测厚效率很高而且可以整根测量。管材和板材的中间部位或是很厚的材料，壁厚尺根本量不到，用壁厚仪就很轻松的量到任何一个需要控制的点。

　　2.4渗漏试验的原理及应用

　　渗漏试验是专门检验液体或气体从承压容器中漏出或从外面渗入真空容器中的无损检测技术。渗漏试验分为不用示踪气体的压力系统和利用示踪气体检测器的压力系统。我们所选的是不用示踪气体的压力系统的气密性试验。

　　下面介绍我们所用的三种压力系统检测法：水压测试、气压检测和氦质谱检漏法。

　　2.4.1水压测试的原理及应用

　　如图，盛放在密闭容器内的液体，其外加压强p0发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体中任一点的压强均将发生同样大小的变化。即帕斯卡定律(在密闭容器内，施加于静止液体上的压强将以等值同时传到各点p=p0+ρgh)，利用水为工作介质静压力传递进行工作如图3。该方法主要是检验料的强度。

　　图3帕斯卡定律P1/S1=P2/S2

　　我们所检测直径φ4-φ60、长度≤6米钽、铌及其合金管，铍青铜管材，水压额定试验压力2.0Mpa,工作试验压力10Mpa。我们用泵把压力加到8Mpa-10Mpa时，保持10S，当发现管材表面有渗水或管材破裂扭曲时，说明它的强度达不到标准，将判该管材不合格。

　　2.4.2气压检测原理及应用

　　气压检测是来自空压机产生的高压气源，经控制系统测控后，经高压软管输送给试样，当漏孔的两侧存在压差时，气体就通过漏孔从高压侧向低压侧流动，如果在低压侧施加适当液体后，漏孔处将会吹起一个个气泡，从而可以发现漏孔的存在。类似于自行车补车胎。

　　我们所检测直径φ4-φ60、长度≤6米钽、铌及其合金管，铍青铜管材的气压额定试验压力1Mpa,工作试验压力0.7Mpa。该方法主要是检验料的气密性，它简单可靠、使用方便、能定出漏孔的位置，成本低。

　　需要强调的是：水压试验千万不能用气压试验代替!!!水压试验为强度试验，气压试验为密封试验。一般气体容器先强度试验而后气密试验。若反之，一旦容器强度失误，它的爆炸威力“一个压力”在一平方厘米的面积上的压力是1公斤。也是现在说的一个大气压。

　　2.4.3氦质谱检漏法原理及应用

　　该方法是通过质谱室是用来检测氦的分压强。当质谱室内的总压强(真空度)低于10Mpa时，电离室中由钨丝制成的灯丝启动，加热后产生高速电子轰击离子源中的气体分子，使分子电离。大部分的气体分子都能变成离子，离子在电场中被(加速电压)加速，从而进入与其垂直的偏转磁场，不同质量数的离子其偏转半径不同。加速电压使得氦离子可以打到放大器的入口(电子倍增器)，从而检测出氦离子流的强度，氦离子流与容器内的氦分压成正比，因此对氦离子的测量可以确定被检件的漏率。氮质谱检漏仪是用氦气为示漏气体的专门用于检漏的仪器，它具有性能稳定、灵敏度高的特点。是真空检漏技术中灵敏度最高，用得最普遍的检漏仪器。其灵敏可达10～10Pa.m/s。如图4。由于氦气的分子直径很小，本身是惰性气体，很安全，用它可以检测出很小的漏点，该方法在我厂常用于φ10---φ60mm钽、铌及其合金管材的漏点。

　　图4质谱室工作原理图

　　3展望

　　近几年NDT技术无论是在声学、电学还是磁学方面都有很大的进步，NDT技术有广泛的应用，应用NDT可以用较少的劳力和开支对钽铌铍加工材的质量进行动态或静态，长期或短期的测量和监控，目前我们厂在加工材方面的无损检测技术起步较晚比较薄弱，主要表现在人员素质还不是很高，数量偏少，设备陈旧落后，资金欠缺，技术不成熟，还未形成规模化系统化检测流水线。随着科技的不断发展，客户对NDT技术提出了更高更严的要求，由于我们的技术达不到，很多客户因此流失，在产值和声誉方面受到了很大的损失。因此我要努力向同行学习，多做实验多看资料，提高我们的技术水平和人员素质，我们的NDT技术现在仍有很多问题极具挑战性，鼓励我们要投入更大的热情和人力物力来促进它的发展。

　　参考文献

　　1 中国机械工程学会无损检测学会编.超声波检测.第2版.北京:机械工业出版社,2000

　　2 超声波探伤》编写组编著.超声波探伤.北京:电力工业出版社,1980

　　3 郭成彬等。认识数字超声探伤仪.无损检测,2004,26(3):149-154

　　4 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材.超声检测,机械工业出版社,2008

　　5 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材.渗透检测,机械工业出版社,2008

　　6 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材.泄漏检测,机械工业出版社,2008