爆炸焊復合鋼板超聲波相控陣檢測

By 增宜檢測技術（上海）有限公司

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

包覆金屬

一種材料可以包覆兩個或多個不同的金屬層，多個包覆金屬層通常具有互補作用。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構強度。這種包覆金屬組合在海上石油工業中較為常見。例如：薄層鉻鎳鐵合金（Inconel）或超級雙相合金經常會與碳鋼或不銹鋼合金組合在一起使用。在其他情況下，在碳鋼結構上覆蓋一層不銹鋼，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構類型包括管板、反應器容器、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工藝。這種焊接工藝的對象是兩塊金屬板或金屬片。一個金屬板一般由“常規”金屬制成，如：碳鋼；另一個金屬板由“高質量”金屬制成，如：超級雙相鋼。焊接之前，要對兩塊金屬板進行清潔，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，將一個裝有Z藥和Y爆裝置的框架放置在上層板的上面。當Z藥被Y爆時，會在兩塊金屬板之間產生強大的壓力波，壓力波在將金屬板之間的任何氧化層排擠出去的同時，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

質量控制

爆炸焊接工藝對金屬粘接的質量和一致性都會產生影響。由此產生的制造缺陷可能包括細微的剪切裂紋和脫粘區域。

通常可以使用有損檢測方式發現細微的裂紋，而通過無損超聲檢測方式則可以有效地發現脫粘缺陷。使用64晶片或128晶片探頭進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. 一個奧林巴斯的MapROVER電動掃查器

使用相控陣技術檢測包覆金屬板

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

使用水中聲程的優點是在高速掃查的過程中保持優質的耦合性能，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，因此可提供優質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生的3個回波以零度角出現在扇形掃描圖中。

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

 

圖5. 包覆金屬層的示例

在掃查的過程中，使用了一個帶有600毫米長光柵臂的電動掃查器，掃查器通過4個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，則數據采集速率可以達到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缺陷的性質，例如：脫粘缺陷位于兩種金屬的交界面上，還是位于其中一個金屬層的內部。例如，圖6中清楚地顯示了一個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進行配置，使其在掃查過程中探測到缺陷指示時觸發報警。在本示例中，不到一分鐘的檢測覆蓋了600 mm × 4000 mm的區域。

掃查完成后，可以在儀器上或使用OmniPC軟件的PC機上方便地將數據制作成報告。

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

結語

爆炸焊接方法在石油和天然氣等行業中變得越來越重要。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量。相控陣超聲檢測由于檢測速度快，數據質量高，而成為一種理想的檢測解決方案。當相控陣技術與電動掃查器結合在一起使用時，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勢特性如下：

• 速度快：在不到1分鐘的時間內，檢測了600 mm × 4000 mm區域
• 使用所需的分辨率，覆蓋了整個需要檢測的區域（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
• 以數字形式呈現數據
• 快速制作報告