CN110470727B - 一种电磁检测用管状自然缺陷试样及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁无损检测领域，公开了一种电磁检测用管状自然缺陷试样制作方法，包括以下步骤：S1：选取棒材并以预设直径在棒材上开设轴向通孔后作为母材；或直接选取预设尺寸的管材作为母材；S2：抛光母材内、外表面，在母材表面上开设若干轴向槽和若干径向槽；S3：将所有轴向槽和所有径向槽均重新焊接，并打磨焊缝余高；S4：抛光S3处理后的母材焊缝区域，得到电磁检测用管状自然缺陷试样。本发明电磁检测用管状自然缺陷试样制作过程简单，成本低，得到的自然缺陷试样包含径向和轴向凹槽缺陷，且可以做为磁粉检测和涡流检测这两种电磁检测方法的教学试样，便于进行电磁检测的教学和培训。

Description

一种电磁检测用管状自然缺陷试样及制作方法

技术领域

本发明属于电磁无损检测领域，涉及一种电磁检测用管状自然缺陷试样及制作方法。

背景技术

电磁检测是以材料电磁性能变化为判断依据来对材料及构件实施缺陷探测和性能测试的一类检测方法，其基本原理是以电磁学的理论为基础的。常用的电磁检测方法有磁粉检测和涡流检测。磁粉检测(Magnetic Particle Testing，缩写为MT)是铁磁材料被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而形成漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，在适当的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示不连续性的位置、大小、形状和严重程度。涡流检测(Eddy Current Testing，缩写为ET)是以电磁感应为基础的无损检测方法，当载有交变电流的试验线圈靠近导体试件时，由于线圈内产生的交变磁场的作用会在导体中感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到试件性能及有无缺陷的影响，而涡流的反作用磁场又使线圈的阻抗发生变化，通过测量阻抗的变化，就可以判断试件有无缺陷。

电磁检测教学和考核工作需要使用大量的包含自然缺陷的试样提供教学案例和让学员实操。由于电磁检测多应用于航空航天等保密性行业，以及教学和培训与其他行业的无损检测工作缺乏联系，导致无损检测教学和考核工作缺少急需的包含自然缺陷的试样。

目前市场上存在一些厂家制作的磁粉检测试样多是包含表面裂纹的铁磁性焊缝试样，涡流检测试样多是包含内外壁用刻槽模拟自然裂纹的有色金属管状试样。这些试样不仅制作过程复杂而且价格昂贵，且通用性差，如使用涡流检测方法检测铁磁性焊缝试样，则信号干扰非常大，通常无法检测；使用磁粉检测方法则完全无法检测有色金属管状试；同时，包含自然缺陷的试样又不易收集，导致电磁检测项目往往不能开展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电磁检测试样制作过程复杂而且价格昂贵，且不能同时满足磁粉检测和涡流检测两种电磁检测方法，进而导致缺少适合开展电磁检测教学和培训项目的自然试样的缺点，提供一种电磁检测用管状自然缺陷试样及制作方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，一种电磁检测用管状自然缺陷试样制作方法，包括以下步骤：

S1：选取棒材并以预设直径在棒材上开设轴向通孔后作为母材；或直接选取预设尺寸的管材作为母材；

S2：抛光母材内、外表面，在母材表面上开设若干轴向槽和若干径向槽；

S3：将所有轴向槽和所有径向槽均重新焊接，并打磨焊缝余高；

S4：抛光S3处理后的母材焊缝区域，得到电磁检测用管状自然缺陷试样。

本发明电磁检测用管状自然缺陷试样制作方法进一步的改进在于：

所述S1还包括：在母材上加工若干阶梯面。

所述S1中在母材上加工第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面；第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面满足以下条件：

0.105T＜D₁＜0.111T，D₂＝3D₁+1，D₃＝9D₁+4

其中，T为线圈法检测时线圈的直径，D₁为第一阶梯面的直径，D₂为第二阶梯面的直径，D₃为第三阶梯面的直径。

所述母材的材质为铁磁性的20号钢或45号钢。

所述母材的外径为25～50mm。

所述S2的具体方法为：

采用车床抛光母材内、外表面，粗糙度为3.6～6.3μm，采用电火花加工方法在母材表面上开设若干轴向槽和若干径向槽；轴向槽和径向槽的宽度均不大于深度或1mm；轴向槽和径向槽的槽深均为工件公称壁厚的5％、10％、12.5％或15％且0.3mm≤槽深≤1.5mm；轴向槽和径向槽的槽长大于检测探头长度的两倍，且小于50mm；轴向槽平行母材母线分布，径向槽垂直母材母线分布。

所述S1中选取四个母材；所述S2中在每个母材表面上均开设一条轴向槽和一条径向槽，每个母材上的轴向槽和径向槽的槽长为该母材的内径长度，四个母材上的轴向槽的槽深分别为壁厚的5％、10％、12.5％和15％，每个母材上的径向槽和轴向槽槽深相同，每个母材上的轴向槽和径向槽的轴向间距均不小于200mm，轴向槽和径向槽距离母材两端均不少于100mm，且轴向槽和径向槽成180°分布在母材两侧。

所述S3的具体方法为：

通过钨极氩弧焊的方式将所有轴向槽和所有径向槽均重新焊接，并通过砂轮打磨焊缝余高。

所述S4的具体方法为：

通过车床抛光S3处理后的母材表面，车床进刀量小于0.5mm，抛光后母材表面粗糙度为3.2μm。

本发明另一方面，一种电磁检测用管状自然缺陷试样，所述电磁检测用管状自然缺陷试样采用上述方法制作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明电磁检测用管状自然缺陷试样制作方法以铁磁性管材或铁磁性棒材加工成为管材，在管材表面上开设若干轴向槽和若干径向槽，在此基础上采用氩弧焊焊接之后抛光的方法，把槽的开口封装起来，成功制作了表面不开口的槽型缺陷，更接近真实缺陷的样式，且该试样也可作为磁粉检测试样使用。氩弧焊是以惰性气体氩气作为保护气体的一种电弧焊接方法，以钨棒作为电极，在氩气保护下，靠钨极与工件之间产生的电弧热，熔化基本金属进行焊接，由于氩弧焊电弧稳定，可使用小电流焊接薄工件，使用氩弧焊焊接可以快速将尺寸较小的槽型缺陷表面开口焊平，减小母材受到加热的区域，从而减小磁导率发生变化的区域，且焊缝区域小，容易打磨和抛光。

进一步的，在母材上加工若干阶梯面，各阶梯的直径可以由周向磁化规范和纵向磁化规范联立公式导出，根据导出公式计算所得各阶梯直径，使用计算得到的类似于塔型试样，可以在实际检测中，不论使用通电法还是线圈法检测各个阶梯面所需要的磁化工艺均不相同，可以起到锻炼学员熟练计算磁化工艺能力的作用，并可以使用实际工件验证。

进一步的，径向槽和轴向槽的尺寸设定均参考涡流检测标准中的相关规定，因此所制成的试样可以作为涡流检测标准试样的验证试样，涡流设备在使用标准试样完成调试之后，可以使用本发明验证在更接近真实缺陷情况下的涡流设备检出能力。

本发明电磁检测用管状自然缺陷试样，材料成本低，容易获得，制作简单且成本低，包含径向和轴向凹槽缺陷，能够进行远场涡流检测法和外穿检测法的涡流检测，周向磁化方法和纵向磁化方法的磁粉检测，进而可以对远场涡流检测法、外穿检测法的检出能力作出对比，可以对磁粉检测的不同磁化方法的检出能力作出对比，满足培训和教学需要。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的母材上开设若干阶梯面的示意图；

图3为本发明的偏置中心导体法磁化示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明电磁检测用管状自然缺陷试样制作方法，包括以下步骤：

第1步：首先选取20号钢或45号钢棒材，然后按照预设尺寸将内部掏空，制作成筒状母材；或直接选用预设尺寸的20号钢或45号钢的圆管作为母材；母材内外表面均使用车床表面抛光，粗糙度为3.6～6.3μm。

第2步：使用电火花加工技术将加工好的母材延轴向和径向开槽，轴向槽和径向槽的宽度均不大于深度或1mm；轴向槽和径向槽的槽深均为工件公称壁厚的5％、10％、12.5％或15％且0.3mm≤槽深≤1.5mm；轴向槽和径向槽的槽长大于检测探头长度的两倍，且小于50mm；轴向槽平行母材母线分布，径向槽垂直母材母线分布。本实施例中选取四个母材，母材的外径为25～50mm，每个母材上的轴向槽和径向槽的槽深分别为0.5mm、1.0mm、1.25mm和1.5mm，轴向槽和径向槽的槽长均为母材内径尺寸，轴向槽和径向槽的槽宽均为0.5～1mm；每个母材上的径向槽和轴向槽槽深相同，每个母材上的轴向槽和径向槽的轴向间距均不小于200mm，轴向槽和径向槽距离母材两端均不少于100mm，且轴向槽和径向槽成180°分布在母材两侧。本发明的轴向槽和径向槽均参照GB/T 7735-2016/ISO 10893-2：2011(无缝和焊接(埋弧焊除外)钢管缺欠的自动涡流检测)关于对比样管“N”型刻槽的规定。

第3步：通过钨极氩弧焊的方式将所有轴向槽和所有径向槽均重新焊接。

第4步：使用砂轮将第3步焊好的焊缝余高磨掉。

第5步：将第4步处理过的母材使用车床抛光表面，进刀量控制在0.5mm以内，表面粗糙度为3.2μm，得到电磁检测用管状自然缺陷试样。

使用上述制作方法，在第1步时，参见图2，在母材上加工多个阶梯面，将母材加工为阶梯轴，并在母材除两端之外的其它阶梯面和外圆面上均制作自然缺陷。制作完成后，由于该自然缺陷试样有多个尺寸(不同的阶梯具有不同直径、以及阶梯的长度)，因此在磁粉检测时每个阶梯都要计算磁化电流，可以锻炼学员对知识的掌握能力，涡流检测也可以使用。本实施例中，在母材上加工第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面；第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面满足以下条件：

0.105T＜D₁＜0.111T，D₂＝3D₁+1，D₃＝9D₁+4

其中，T为线圈法检测时线圈的直径，D₁为第一阶梯面的直径，D₂为第二阶梯面的直径，D₃为第三阶梯面的直径。

制作完成的自然缺陷试样可以使用中心导体法进行磁粉检测，同时也可以进行涡流检测，参见图3，偏置中心导体法磁化示意图，图中a区域表示缺陷，b区域表示磁场。如钢筒外径30mm，钢筒壁厚2mm，长为500mm则制作出的四个缺陷试样的径向槽和轴向槽的长度均为26毫米，槽深分别为0.5mm、1.0mm、1.25mm和1.5mm。制作完成后使用固定式磁粉探伤机对上述自然缺陷试样进行检测，周向磁化时可以检出轴向缺陷，如钢筒直径100mm，钢筒壁厚5mm，钢筒长250mm，使用铜棒直径20mm，使用偏置中心导体法磁化选择使用如表1所列经验公式。使用交流电连续法周向磁化，则D＝2T+d＝30mm，其中T为壁厚，d为铜棒直径，D为试样横截面上最大尺寸，单位：mm，磁化电流I＝(8～15)D＝(8～15)×30＝(240～450)A，实际检测时使用A1型标准试片试验灵敏度。

表1周向磁化电流计算表

使用固定式磁粉探伤机对上述自然缺陷试样进行检测，纵向磁化时可以检出径向缺陷，使用线圈法纵向磁化：自然缺陷试样偏心放置，使用交流电连续法轴向磁化，线圈直径450mm，线圈5匝，线圈的横截面积大于被检自然缺陷试样横截面积的10倍以上，使用式(1)计算，式(1)中D按照式(5)计算，为31.2mm，可知磁化电流约为1123A。

当线圈的横截面积大于或等于被检自然缺陷试样横截面积的10倍时，当自然缺陷试样偏心放置时，线圈的磁化电流按式(1)计算(误差为10％)：

当自然缺陷试样正中放置时，线圈的磁化电流按式(2)计算(误差为10％)：

式中：I为施加在线圈上的磁化电流，A；N为线圈匝数；L为自然缺陷试样长度，mm；D为试样横截面上最大尺寸，mm；R为线圈半径，mm。

若线圈的截面积小于或等于2倍被检自然缺陷试样截面积(包括中空部分)，磁化时，可按式(3)计算磁化电流(误差10％)：

当线圈大于2倍而小于10倍被检自然缺陷试样截面积时，磁化时，可按式(3)计算磁化电流(误差10％)：

NI＝[(NI)_h(10-Y)+(NI)₁(Y-2)]/8(4)

式中：(NI)_h为式(3)高充填因数线圈计算的NI值；(NI)₁为式(1)或式(2)低充填因数线圈计算的NI值；Y为线圈的横截面积与工件横截面积之比。

使用连续法交流电磁化，I＝(8～15)D，电磁检测试块的两个台阶直径D₁，D₂，则I₁＝(8～15)D₁，I₂＝(8～15)D₂，若要I₁和I₂没有重合，则8D₂＞15D₁，即D₂＞15/8D₁，为方便计算取D₂＞2D₁。使用连续法直流电磁化，同理可知，使用连续法直流电磁化时，D₂＞8/3D₁，为方便计算取D₂＞3D₁。使用剩磁法检测，同理可知，使用剩磁法磁化时，D₂＞9/5D₁，为方便计算取D₂＞2D₁。

综合以上三种情况，若想让两个直径不同的区域进行通电法磁化时所选电流不重合，取D₂＞3D₁即可。

综合线圈法对于三个台阶直径的选择原则：当D₁≤0.316T时，0.316T＜D₂＜0.707T线圈，D₃≥0.707T线圈，可以保证三个台阶选择不重复的磁化规范计算公式，得到三个磁化电流；

直接通电法磁化时：9D₁＜3D₂＜D₃即可保证三个台阶选择不重复的磁化规范计算公式，得到三个磁化电流。

推导：磁化时设D₁为x，根据直接通电法要求，D₂＞3x，D₃＞9x。取D₂＝3x+a；D₃＝9x+b(a、b为正整数，且b＞3a)。

根据线圈法对于三个台阶直径的选择原则：

x≤0.316T

0.316T＜3x＜0.707T

0.707T≤9x＜T

解得0.105T＜x＜0.111T。

实际取值时：0.105T＜D₁＜0.111T，D₂＝3D₁+1，D₃＝9D₁+4。

假设线圈直径T＝400mm，0.105T＜D₁＜0.111T，即42＜D₁＜44.4，取D₁＝43mm，D₂＝3D₁+1＝130mm，D₃＝9D₁+4＝391mm。

其中，计算空心自然缺陷试样时，此时自然缺陷试样直径D应由有效直径D_eff代替，对于圆筒形自然缺陷试样：

D_eff＝[(D₀)²-(D_i)²]^1/2 (5)

式中：D₀为空心自然缺陷试样外直径，mm；D_i为空心自然缺陷试样内直径，mm。

钢管试样可以使用远场涡流内穿检测：远场涡流-检测频率范围：64-5kHz；一般用到1kHz的频率，增益则根据对比缺陷大小调整，建议不超过40db。

钢管试样可以使用涡流外穿检测：常规涡流-检测频率范围：1-50kHz；一般采用10kHz的频率，增益根据对比缺陷大小调整，建议不超过40db。

钢管试样可以使用点式探头检测：检测频率采用500kHz-2MHz的探头，中心频率做到1MHz左右，增益根据对比缺陷大小调整，建议不超过40db。

由于涡流检测使用的远场涡流检测法、外穿检测法对径向缺陷和纵向缺陷检出能力不一致，因此电磁检测用管状自然缺陷试样可以对远场涡流检测法、外穿检测法的检出能力作出对比，同时，由于磁粉检测的周向磁化方法和纵向磁化方法对于径向缺陷和纵向缺陷检出能力不一致，因此电磁检测用管状自然缺陷试样同样可以对磁粉检测的不同磁化方法的检出能力作出对比。根据实验室已有的涡流检测的外穿式和内穿式探头的尺寸，可以根据上文提供的方法制作出供涡流检测教学用的铁磁性管状试样，该试样可以用于磁粉检测的中心导体法、直接通电法教学使用，也可以作为涡流检测点式探头教学使用。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电磁检测用管状自然缺陷试样制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选取棒材并以预设直径在棒材上开设轴向通孔后作为母材；或直接选取预设尺寸的管材作为母材；

S2：抛光母材内、外表面，在母材表面上开设若干轴向槽和若干径向槽；

S3：将所有轴向槽和所有径向槽均重新焊接，并打磨焊缝余高；

S4：抛光S3处理后的母材焊缝区域，得到电磁检测用管状自然缺陷试样；

所述S1还包括：在母材上加工若干阶梯面；

所述S1中在母材上加工第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面；第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面满足以下条件：

0.105T＜D₁＜0.111T，D₂＝3D₁+1，D₃＝9D₁+4

其中，T为线圈法检测时线圈的直径，D₁为第一阶梯面的直径，D₂为第二阶梯面的直径，D₃为第三阶梯面的直径；

所述S2的具体方法为：

采用车床抛光母材内、外表面，粗糙度为3.6～6.3μm，采用电火花加工方法在母材表面上开设若干轴向槽和若干径向槽；轴向槽和径向槽的宽度均不大于深度或1mm；轴向槽和径向槽的槽深均为工件公称壁厚的5％、10％、12.5％或15％且0.3mm≤槽深≤1.5mm；轴向槽和径向槽的槽长大于检测探头长度的两倍，且小于50mm；轴向槽平行母材母线分布，径向槽垂直母材母线分布；

所述S1中选取四个母材；所述S2中在每个母材表面上均开设一条轴向槽和一条径向槽，每个母材上的轴向槽和径向槽的槽长为该母材的内径长度，四个母材上的轴向槽的槽深分别为壁厚的5％、10％、12.5％和15％，每个母材上的径向槽和轴向槽槽深相同，每个母材上的轴向槽和径向槽的轴向间距均不小于200mm，轴向槽和径向槽距离母材两端均不少于100mm，且轴向槽和径向槽成180°分布在母材两侧；

所述S3的具体方法为：

通过钨极氩弧焊的方式将所有轴向槽和所有径向槽均重新焊接，并通过砂轮打磨焊缝余高。

2.根据权利要求1所述的电磁检测用管状自然缺陷试样制作方法，其特征在于，所述母材的材质为铁磁性的20号钢或45号钢。

3.根据权利要求1所述的电磁检测用管状自然缺陷试样制作方法，其特征在于，所述母材的外径为25～50mm。

4.根据权利要求1所述的电磁检测用管状自然缺陷试样制作方法，其特征在于，所述S4的具体方法为：

通过车床抛光S3处理后的母材表面，车床进刀量小于0.5mm，抛光后母材表面粗糙度为3.2μm。

5.一种电磁检测用管状自然缺陷试样，其特征在于，所述电磁检测用管状自然缺陷试样采用权利要求1～4任一项所述方法制作。

Images