船用铸钢件无损检测技术

黄峻渊,符成志,李成元,张伟

(上海外高桥造船海洋工程有限公司,上海 201306)

船舶艉轴套、舵架等所用铸钢件是组成船体结构的重要和关键性部件,质量要求高,而在铸钢件铸造过程中又不可避免地存在着气孔、夹砂以及裂纹和缩松等缺陷[1],它使金属的强度、塑性及冲击韧性降低,力学性能受到破坏,缺陷严重时将影响其使用寿命。为了控制质量、降低成本,常在制造过程中进行多次检测,不同工序对铸件表面和某一部位的内在质量都必须运用不同的检测方法确定其是否存在超标缺陷,以及时进行必要处理,避免造成不必要的损失。由于船用铸钢件(艉轴套、舵架)在船舶航行中发生较大的振动和海浪的冲击力[2],另外内孔表面受到艉轴、舵销的转动摩擦等的影响,所以要求内孔表面及近表面部位不允许存在较大的缺陷,为此要加大对铸件表面及近表面的检测[3],以使最终状态下内孔表面、近表面无大面积缩松和线状缺陷。因此,考虑当铸件还处于毛坯、粗加工状态以及保留有一定的加工余量时,利用超声和磁粉检测对所发现的缺陷进行清除、焊补。

1.1 检测的必要性

船用大型铸件一般在生产厂家完成浇筑后都会进行首次目视检查和机械粗加工。艉轴套、舵架内孔表面存在较为严重的缺陷时,由于受到艉轴、舵销的转动摩擦和振动的影响,这些缺陷在其表面就会产生延伸、扩展,从而造成艉轴套、舵架的损坏。为此,要在铸件粗加工后,在铸件内孔保留着单面20～30 mm的加工余量时,通过超声检测来发现在精加工后可能处于内孔表面的缺陷,确定好缺陷的深度后,通过批凿、焊补的方式予以消除[4]。同时也要考虑在整船拉线照光后,内孔圆心点可能会存在偏离,为此,要控制在15～35 mm的深度范围内不存在超标缺陷。因为内孔有一定的曲率,按ASTM A609的规范要求,一般在直探头的近场范围内探伤,为此,通过对探测频率、探头型式、灵敏度调节、曲率补偿(耦合剂)、探测方向与缺陷的判定等问题,结合所需探测的缺陷特征(缩松、气孔、夹杂和裂纹等)[5],制定出较为严密的检测工艺。

1.2 探头型式及频率的选择

铸件检测的探头选用是以纵波直探头为主,横波斜探头为辅。根据艉轴套、舵架在粗镗孔后还有20～30 mm左右的余量及铸件的特点(晶粒粗、内部组织不致密),根据ASTM A609的规范要求,以及需要探测存在于一定深度位置的面积型缺陷,为了缩小工件中近场长度、提高灵敏度、缩小盲区、减少杂波,纵波探头选择双晶直探头,频率4 MHz;而单晶探头灵敏度相对较低,杂波多,有盲区。双晶探头的晶片角度选择10～12°,这样在20～30 mm左右的探测区域反射信号最强,探测灵敏度最高[6]。横波斜探头(70°、2.5 MHz),进行纵、横向扫查。

1.3 灵敏度的调节

1.3.1 按美国ASTM A609的规范,考虑常规参考试块的材质与工件主体材质偏差较大,灵敏度调试过程中很难确保后续缺陷的定位、定量。为此,选用与工件相同的材料(在工件多余部位取样)制作参考试块(图1)进行灵敏度调节。

图1 参考试块

1.3.2 仪器面板曲线

根据参考试块,运用双晶直探头制作DAC曲线。经过探头试块的调试,在仪器屏幕上可以看到在10～35 mm的深度范围内,曲线幅度最高,也就反应在该区域内,检测灵敏度最高。

1.4 检测要求

检测前需对内孔进行网格划线,以确保全部覆盖,不漏检。同时根据规范要求,探头每次移动至少覆盖10%,扫查速度不应该超过100 mm/s,同时考虑到检测面存在曲率,为了探头能够更好地与工件表面耦合,选用软保护膜以及晶片尺寸较小的探头,并作适当的曲率补偿。

1.5 基于ASTM-A609标准制定验收要求

1)缺陷回波超过DAC曲线的作为评定对象。

2)缺陷的指示长度以连续出现,超过DAC曲线的缺陷回波,并以探头的中心用6 dB法测定缺陷长度。

3)评定缺陷总面积,采用长、宽均300 mm评定框,将评定框置于缺陷最严重的位置,根据评定框内缺陷尺寸总和按表1要求评定。

表1 超声波检测质量分级

4)任何被判定为裂纹的缺陷应评为不合格。

1.6 根据设计要求及相关标准制定检测工艺

相关检测工艺见表2。

表2 相关检测工艺

在前期超声波检测后,处于铸件内部的超标缺陷基本都已经清除。为了能够进一步控制产品质量,消除在机械加工过程中可能出现的磨削裂纹或由于组织晶粒粗大导致的声波衰减而未能发现的较小缺陷[7];同时也为了避免如果在工件精加工后的表面再进行缺陷的焊补,破坏表面光洁度,在精加工还保留0.2～0.3 mm的余量时将镗排拉出,进行磁粉检测,对于发现的线状或相对密集型的疏松等缺陷也采用批凿、焊补的方式予以消除。

为了更好地检测表面的缺陷,通过仪器、电流、磁粉以及扫查方式的选择来提高磁粉检测灵敏度。

2.1 仪器

若被检对象体积大、形状复杂、检测环境较差,则采用船舶磁粉检测。因此,在检测时多采用便携式设备,如便携式交直流磁轭、十字交叉旋转磁轭、通电支杆触头。经过实际现场测试后发现,由于艉轴套、舵架内孔带有曲率,检测面积也大,原先考虑选用十字交叉旋转磁轭,因其通电磁化时可以同时满足纵向与横向,而且自带滚轮,可以提高检测速度。但在实际的检测中发现交叉旋转磁轭受到曲率的影响,4个接触脚无法改变方向,摆放不平稳,与工件形成点接触,降低了检测灵敏度,影响检验结果。支杆触头法因其无法控制有效磁化区域,而且在触头接触工件通电磁化时易产生金属碰撞打火,灼伤机加工面。而便携式交直流磁轭能有效的接触工件,而且支腿间距可调,轻巧,所以选择便携式交直流磁轭设备。

2.2 电流

直流电磁化时,渗透深度大,能够发现一些埋藏较深的缺陷。但是磁化过程中脉动性小,导致磁粉的流动性较差;而且剩磁大,退磁困难,容易在后续吸附金属颗粒。

交流电磁化时,由于趋肤效应的影响,表面磁场最大,有利于磁粉迁移,表面缺陷反应灵敏,易退磁。相对直流电而言,检测深度浅,但考虑最终机加工仅保留0.3 mm余量的情况下,无需选用直流电去发现较深的缺陷,只需选用交流电即可。

2.3 磁悬液

为了防止对内孔产生锈蚀,在磁悬液的选用上必须使用油基磁悬液;同时,为了提高油基的粘度以利于磁粉的悬浮,采用无味煤油与变压器油按一定比例的混合液作为载体。调配后的磁悬液须按标准要求进行浓度测试,以确保检测灵敏度。

2.4 扫查方式

在确保检测灵敏度的情况下,尽可能扩大一次检测范围,以提高检测效率。同时为了防止大面积磁粉检测时局部区域的漏检,利用A型灵敏度试片和磁场指示器,使用CDX-5型磁轭设备,反复对比测试后获得当磁轭间距D在180 mm,横向约为D/2时,一次覆盖有效磁化面积最大,平行检测时还要注意覆盖重叠。由于是单向磁轭,所以必须进行二次大致互相垂直的检测。磁轭的接触点可采用图2所示的图形。

图2 扫查图形

2.5 质量验收

任何裂纹、热撕裂和冷断裂,以及其他裂纹类缺陷都是不合格的,评定要求见表3。

表3 磁粉检测质量分级

表4 磁粉检测工艺

2.6 磁粉检测工艺

2.7 后续处理

在上述检测后,出现不允许的缺陷将进行清除,修补焊点必须高于检测面,然后将内孔加工至精确尺寸。

在精加工结束后,必须再作一次磁粉检测,以确定不存在裂纹类线状缺陷。如果表面还存在较小的点状缩松等缺陷,对工件质量没有影响,只要将其打磨光顺即可。打磨的允许度应为半径是深度的二倍,深度最大不超过25 mm,边缘圆滑过渡。

实践表明,在船用铸钢件机加工过程中尤其是镗孔阶段,通过超声波与磁粉两种检测方法组合使用,可在粗加工阶段通过超声波检测及时发现潜在缺陷并为低成本消除创造条件,并在精加工阶段通过磁粉检测弥补超声波未检出的较小且存在于产品表面及近表面的缺陷(如点状的夹杂、缩松等),确保产品交付质量与使用可靠性。

在超声波检测阶段,采用频率4 MHz、晶片角度10°～12°的双晶直探头在产品20～30 mm深度区域的检测效果最佳,同时选用横波斜探头(70°、2.5 MHz)可发现双晶探头检测不到的、垂直于检测面的裂纹类平面型缺陷。检测过程中还应考虑检测面存在曲率并作适当补偿。

在磁粉检测阶段,当产品精加工到尚有0.2～0.3 mm的余量时,便携式交直流磁轭设备可有效发现线状或相对密集型的疏松等缺陷;合理使用具有适当油基粘度的磁悬液可有效防止检测面锈蚀,利于磁粉悬浮,提高检测效果。此外,反复对比测试后发现,当磁轭间距D在180 mm,横向约为D/2时,一次覆盖有效磁化面积最大,平行检测时还要注意覆盖重叠。

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