爆炸焊復(fù)合鋼板超聲波相控陣檢測

By 增宜檢測技術(shù)（上海）有限公司

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包覆金屬越來越廣泛地應(yīng)用于多種行業(yè)中，其中包括：石油和天然氣生產(chǎn)、電力生產(chǎn)、化工、甚至船舶制造行業(yè)。使用包覆金屬的主要目的是提高金屬結(jié)構(gòu)的成本效益，同時(shí)還可以保持或提高產(chǎn)品或設(shè)備的安全性和耐久性。

包覆金屬

一種材料可以包覆兩個(gè)或多個(gè)不同的金屬層，多個(gè)包覆金屬層通常具有互補(bǔ)作用。例如：一層金屬可能具有防腐性能，而另一層金屬可能有助于保持材料所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這種包覆金屬組合在海上石油工業(yè)中較為常見。例如：薄層鉻鎳鐵合金（Inconel）或超級雙相合金經(jīng)常會與碳鋼或不銹鋼合金組合在一起使用。在其他情況下，在碳鋼結(jié)構(gòu)上覆蓋一層不銹鋼，則是一種即可提高材料的防腐性能，又可將成本保持在合理水平的折衷辦法。

還可以使用以下金屬組合：鈦/碳鋼、鈦/不銹鋼、鋁青銅/碳鋼、不銹鋼/碳鋼、鎳合金/碳鋼、雙相或超級雙相鋼/碳鋼、鋁/碳鋼等。可以得益于金屬包覆工藝的結(jié)構(gòu)類型包括管板、反應(yīng)器容器、熱交換器、冷凝器等。

焊接工藝

一種用于將兩種金屬接合在一起的方法被稱為“爆炸焊接法”（EXW），也被稱為“爆炸包覆”。爆炸焊接是一種使用受控的爆炸能量將兩層金屬粘接在一起的固態(tài)工藝。這種焊接工藝的對象是兩塊金屬板或金屬片。一個(gè)金屬板一般由“常規(guī)”金屬制成，如：碳鋼；另一個(gè)金屬板由“高質(zhì)量”金屬制成，如：超級雙相鋼。焊接之前，要對兩塊金屬板進(jìn)行清潔，并去除上面的氧化層，然后將它們上下對齊疊放在一起，兩塊板的中間放上塑料墊片。接下來，將一個(gè)裝有Z藥和Y爆裝置的框架放置在上層板的上面。當(dāng)Z藥被Y爆時(shí)，會在兩塊金屬板之間產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力波，壓力波在將金屬板之間的任何氧化層排擠出去的同時(shí)，會使金屬板以原子方式粘接在一起（圖1）。

這種工藝可以在露天環(huán)境或真空球形罩中完成。

	爆炸焊接 包覆層（耐腐蝕合金） 粘接 母體材料（碳鋼） 爆炸 爆炸層 壓力波
圖1. 爆炸焊接工藝

質(zhì)量控制

爆炸焊接工藝對金屬粘接的質(zhì)量和一致性都會產(chǎn)生影響。由此產(chǎn)生的制造缺陷可能包括細(xì)微的剪切裂紋和脫粘區(qū)域。

通常可以使用有損檢測方式發(fā)現(xiàn)細(xì)微的裂紋，而通過無損超聲檢測方式則可以有效地發(fā)現(xiàn)脫粘缺陷。使用64晶片或128晶片探頭進(jìn)行的相控陣超聲檢測，可以有效地探測到脫粘缺陷，特別是在探頭被安裝在電動掃查器上的情況下。

圖2. 一個(gè)奧林巴斯的MapROVER電動掃查器

使用相控陣技術(shù)檢測包覆金屬板

在這個(gè)示例中，我們使用了一臺OmniScan相控陣探傷儀，以及一個(gè)與電動掃查器配套使用的7.5 MHz、64晶片相控陣探頭。此應(yīng)用所要求的探測靈敏度為5毫米脫粘區(qū)域。探頭和金屬的耦合應(yīng)用了一種無需使用楔塊的水層概念（HydroFORM解決方案）。整個(gè)探頭組裝件被安裝在一個(gè)托架中，并集成到掃查器的撐臂中。

圖3. HydroFORM探頭，左圖中顯示有聲束，右圖中顯示有水艙和托架。

使用水中聲程的優(yōu)點(diǎn)是在高速掃查的過程中保持優(yōu)質(zhì)的耦合性能，并提供非常好的近表面分辨率（約1.5毫米）。由于本例中的包覆層只有5毫米厚，因此可提供優(yōu)質(zhì)近表面分辨率的特性尤其重要。圖4（下圖）為聲束傳播到包覆金屬工件中的示意圖：由水和金屬、金屬和金屬、金屬和空氣的界面產(chǎn)生的3個(gè)回波以零度角出現(xiàn)在扇形掃描圖中。

圖4. 聲束的傳播（左圖）和扇形掃描圖中幾個(gè)來自交界面的0度回波（右圖）。掃描圖的大小經(jīng)過修改，不同于原圖。

圖5. 包覆金屬層的示例

在掃查的過程中，使用了一個(gè)帶有600毫米長光柵臂的電動掃查器，掃查器通過4個(gè)磁輪牢固地貼附在被測金屬材料上。如果所要求的分辨率較低，如：5毫米，則數(shù)據(jù)采集速率可以達(dá)到1016毫米/秒。使用MapROVER掃查器，探頭可以沿著光柵臂的方向以900毫米/秒的速度行駛，而且仍然可以清楚地探測到5毫米寬的脫粘區(qū)域。OmniScan探傷儀屏幕上的不同掃描視圖有助于用戶輕松地辨別缺陷指示。厚度編碼C掃描可使用戶清晰地定位被檢金屬板上的缺陷指示，而B掃描和D掃描則可以幫助操作人員確認(rèn)缺陷的性質(zhì)，例如：脫粘缺陷位于兩種金屬的交界面上，還是位于其中一個(gè)金屬層的內(nèi)部。例如，圖6中清楚地顯示了一個(gè)位于兩種不同金屬交界面上的缺陷指示。用戶甚至可以對檢測系統(tǒng)進(jìn)行配置，使其在掃查過程中探測到缺陷指示時(shí)觸發(fā)報(bào)警。在本示例中，不到一分鐘的檢測覆蓋了600 mm × 4000 mm的區(qū)域。

掃查完成后，可以在儀器上或使用OmniPC軟件的PC機(jī)上方便地將數(shù)據(jù)制作成報(bào)告。

圖6. 通過OmniScan探傷儀采集到的包覆金屬板的檢測數(shù)據(jù)。請注意圖中的缺陷指示位于兩種金屬的交界面上。

結(jié)語

爆炸焊接方法在石油和天然氣等行業(yè)中變得越來越重要。在制造過程中，需要一種快速可靠的方法檢測兩層金屬之間的粘接質(zhì)量。相控陣超聲檢測由于檢測速度快，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，而成為一種理想的檢測解決方案。當(dāng)相控陣技術(shù)與電動掃查器結(jié)合在一起使用時(shí)，用戶可以獲得更高的檢測速度。本文所講述示例中的檢測方法的主要優(yōu)勢特性如下：

• 速度快：在不到1分鐘的時(shí)間內(nèi)，檢測了600 mm × 4000 mm區(qū)域
• 使用所需的分辨率，覆蓋了整個(gè)需要檢測的區(qū)域（由小可接受缺陷尺寸決定）
• 通過直觀的圖像，獲得更高的檢出率
• 以數(shù)字形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)
• 快速制作報(bào)告