磁粉探伤及渗透技术的发展

2018-11-22

      磁粉检测(MT)和渗透检测(PT)技术均为表面检测技术,分别采用漏磁场和毛细管作用的原理,检测固体材料及其制件的表面与近表面缺陷。新中国成立的第一个五年计划期间,航空、机械等行业的大型国有企业开始筹建磁粉检测和渗透检测部门。此后几十年来,特别是中国机械工程学会无损检测分会成立30年以来,在全体从业人员的共同努力下,我国磁粉、渗透检测技术从无到有,历经起步、发展和成熟阶段,在基础理论与应用技术研究、标准化、人员队伍建设、仪器设备和器材研制等方面取得了很大的进步和发展。目前,作为我国五大常规检测技术中的两项,磁粉和渗透检测技术在航空、航天、兵器、船舶、铁路和特种设备等领域得到了广泛的应用。

1 磁粉、渗透检测技术发展简史
20世纪50年代,部分大型国有企业设立无损检测部门,新中国磁粉检测和渗透检测工作开始起步。
20世纪60年代,在仿制的基础上,研制出大型交流磁粉探伤机。设备与器材研制工作初露端倪。
1978年,中国机械工程学会无损检测分会磁粉、渗透检测专业委员会成立,并首次召开全国性技术交流会。
1982年,国内首次开办磁粉、渗透检测专业Ⅱ级人员培训班,结束了检测人员无证操作的历史。
20世纪80年代,随着改革开放的深入开展,通过引进吸收和再创新,我国的磁粉、渗透检测技术获得快速发展,迅速缩短了与先进国家间的差距。
20世纪90年代,标准化工作取得重要进展,磁粉、渗透检测技术标准化体系基本形成。
2000年以来,随着数字化技术的发展,磁粉、渗透检测技术开始进入半自动/自动化和图像化时代。
2 基础理论与应用技术研究
我国磁粉、渗透检测技术从业人员高度重视基础理论与应用技术研究,取得了一系列重要成果,部分成果已在实际检测工作中获得应用。据对相关院校、十大军工集团、机械、石油、化工、铁路、民航和建筑等行业所属科研院所与大型企业的不完全统计,仅“十五”期间所开展的与磁粉、渗透检测技术相关的基础理论与应用技术研究项目就达30余项。
在20世纪50年代开展磁粉、渗透检测专业时,我国既无技术,又无设备和器材。磁粉检测工作依靠从前苏联引进的简易设备完成;渗透检测采用最原始的“油-白”方法,所用渗透液是由检验人员用煤油和滑油配制而成的黑色液体,检测时须在白光下,检测灵敏度很低。
20世纪60年代,在仿制的基础上,国内研制出DZ-9000型交流磁粉探伤机,可用于中型零件的磁粉检测。1977年国内又研制出第一台断电相位控制器,解决了交流电
剩磁法检验时剩磁不稳定的技术难题。
20世纪60年代至80年代,通过系统研究渗透检测原理、渗透技术、显像技术、乳化技术以及相应材料,国内成功研制出系列(低、中、高和超高)灵敏度渗透液(着色
/荧光)、乳化剂、清洗/去除剂、显像剂等渗透检测用材料,各项性能接近或达到国外同类产品水平。
研制出的YC-2型等牌号荧光磁粉的检测灵敏度达到国外同类产的水平。自行研制的LPW-3型磁粉检验用油基载液(无味煤油)具有高闪点、无荧光、低粘度、无味、无
毒和无刺激等特点,各项性能具国际领先水平。
20世纪80年代,基础理论研究取得重要进展,先后涌现出缺陷漏磁场有限元解析、磁偶极子等漏磁场理论,对磁化场中缺陷漏磁分布、磁粉颗粒的受力等进行了模拟和计算,并在此基础上发展出磁化磁场分布分析、缺陷漏磁信号特征分析、漏磁场测试和复合磁化等技术。
1985年,研制成功CZQ-6000型超低频退磁三相全波整流磁粉探伤机,工件近表面缺陷的检测能力得到大幅度提高。直流磁粉探伤机快速断电装置的研制成功,解决了线圈纵向磁化检测时工件端头横向缺陷的漏检难题。
由我国始创的磁粉探伤-橡胶铸型法(MT-RC)具有检测灵敏度高、检测结果可长期保存的特点,解决了细深孔内壁表面和近表面缺陷的无损检测难题,具有国际先进水平。
通过磁化技术研究,发展出平板线圈法和空间异形线圈法、快速断电法、开路磁轭法和闭路磁轭法,从过去的单回路磁化技术发展到今天的多回路、多形式、多方向
立体型复合磁化技术,复杂形零件一次复合磁化即可完成全表面检测。
开发出渗透检测静电喷涂技术与设备,提高了工艺质量和可靠性,节约了检测材料。
此外,还研制出特斯拉计、各种试片(块)、紫外灯、紫外强度计和白光照度计等大量辅助器材,确保磁粉和渗透检测过程质量。进入2000年后,随着数字化技术的发展和我国经济实力的提高,检测人员的劳动条件和环境保护受到重视,半自动/自动化检测技术、检测废水处理技术的研究得到广泛开展,开发成功大量半自动/自动磁粉、渗透检测线和废水处理设备,获得广泛应用。
3 检测设备和器材
3.1 磁粉检测
经过几十年的发展,我国已经形成了由便携式磁轭探伤装置、移动式磁粉探伤装置、固定式磁粉探伤机、专用及半自动化磁粉探伤机构成的磁粉检测设备系列,部分产品的性能指标达到国际先进水平。
我国固定式磁粉探伤机的种类较多,如CJW交流型系列、CEW交直流型系列、CXW复合磁化型系列、CZQ直流探伤-超低频退磁型系列以及CDG多功能型系列等,可满足各种中小型零件的磁粉检测需求。
近十年来,专用及半自动化磁粉探伤机发展迅速,数十个种类产品已面市,如螺栓磁粉探伤机、管端荧光磁粉探伤机、齿轮磁粉探伤机和轴颈磁粉探伤机等,满足了特定工件大批量生产时的半自动化检测需求。
此外,我国还发展了数十种移动式和便携式磁轭探伤装置,以满足外场检测及大型工件的局部检测需求。
我国研制的高灵敏度荧光磁粉、油基载液以及缺陷显示膜等具有国际先进水平。自行研制的特斯拉计(CT,HT102及TYU-2000H)、JXC袖珍式磁强计、ST白光照度计、UV-A辐射照度计、磁粉性能测定装置、标准试片(A,C,D型)和标准试块(B,E型)等辅助器材的性能与国外同类产品的水平相当。
近几年磁粉检测设备的发展,主要得益于以下技术的进步:
(1) 主电路的改进 随着大功率可控整流元件(简称可控硅)和大功率晶体管模块的性能越来越完善,磁粉检测设备的主电路由过去的调压器无级调压法发展到可控无级调压法。目前的磁粉检测设备大部分采用可控硅无级调压主电路,根据磁化电流性质的不同,主电路形式也不一样,主要有单相交流无级调压、多相交流无级调压、单相半波可控整流、单相全波可控整流及带平衡电抗器的双反星形三相全波整
流主电路等。通过对主电路的精确控制,使设备的剩磁稳定性、退磁效果和快速断电等特性均有了较大的提高。
(2) 控制电路的发展 控制电路的发展经历了模拟电路→数字电路→超大规模集成电路的过程。尤其是计算机技术的成功应用,使磁粉检测设备有了长足的进步。在触发控制方面,由过去的开环控制逐步发展到采用计算机技术实现闭环控制,控制精度和响应速度达到国际先进水平。设备可根据所要求的规范(宽松规范、标准规范和严格规范)和零件的相关特征参数,自动给出磁化参数和磁化工艺,并精确
控制磁化过程(电流、时间等参数误差<3%,响应速度达60 ms),改变了过去由人工计算磁化参数并进行现场调节时易出现误差的现象,为智能化检测的发展垫定了良好的基础。
随着工业可编程顺序控制器(简称PLC)和触摸式工业人机界面(简称HMI或触摸屏)在磁粉检测设备上的成功应用,设备自动化程度有了较大的提高,目前的磁粉检测设备已能实现从上料→喷淋磁化→零件缺陷自动识别→后处理等全部工艺过程的自动控制,并具磁悬液浓度和紫外线强度等的实时监控功能,大大地提高了系统的检测效率和可靠性。
我国所研制的磁粉检测设备与器材,除满足本国的需求外,还部分出口到国外。
3.2 渗透检测
渗透检测用设备已经从简单的刷刷涂涂的手动设备发展成为采用各种压力喷涂、静电喷涂或浸涂等不同施加方式的专用设施。近年来,一些渗透检测设备生产厂家已
应用了微机技术,设计和制造出各种通用或专用,半自动或全自动的渗透检测设备或生产线。随着人们对环境保护意识的增强,专用于渗透检测的荧光废水处理设备也有了极大的发展,专业厂家已有商品供应。

国内渗透检测材料研制已有30多年的历史,到20世纪80年代开始出现商品化产品。20世纪80年代末期,一些厂家的产品逐步向系列化发展,产品的性能已接近或达到国际同类产品水平,满足了国内工业渗透检测的部分需求。近几年来,渗透检测的材料、设备进展主要体现在以下几个方面:
(1) 环保设备与材料的研制与应用 研制出多种专用渗透废水处理设备并被广泛应用。由于三氯乙烯对人体有毒,破坏大气臭氧层,环保型水基清洗剂已经完全代替了传统的三氯乙烯蒸汽,对零件进行除油去污处理。出现了能够适应各种零件材料和污染物的环保型清洗剂、以及与之相应的预清洗设备。
国内多个厂家制造的环保型预清洗设备获得了GE和RR等公司的认证。
(2) 荧光渗透检测线的研制与应用 半自动渗透检测线被广泛研制和运用,代替了大多数手动设备,提高了检测效率和可靠性,改善了劳动条件。
半自动渗透检测线的多数工位装置(如除油、水洗、干燥和显像等)单机既可自动,又可手动。可按预先设定的程序和工艺参数自动完成操作,自动显示工艺参数,显示设备的当前状态,自动声光报警;检测线的零件传输系统是半自动的;时间、压力和温度等工艺参数的设置和显示可以集成在检测线总电气控制柜上,也可以分布在各个工位装置的电气控制器上;工艺品质保证和环境保护辅助设施(如除油装置的槽液加热、净化和循环装置,干粉显像的暴粉罐,除尘装置等)也可预先设定,自动完成操作。
国内各厂家采用人性化的设计,已研制出多种形式的荧光渗透检测线,较好地满足了国内渗透检测技术的需求。
4 标准化工作
随着磁粉、渗透检测技术的广泛应用,相关的检测标准与规范工作也取得了较大进展,所制订的各种标准和规范涵盖了设备器材、检验方法、产品检查及验收、质量控制及人员要求等各个方面,已形成了由国家标准GB、国军标GJB、行业标准(如HB,JB,QJ,WJ,CB和EJ等)和企业标准所构成的较完整的标准(规范)体系。
通用检验方法和专用检验方法标准等在磁粉、渗透检测标准(规范)体系中占了较大比例。通用检验方法标准规定了检测的一般技术和要求,但不针对某一具体产品,如GB/T 15822《磁粉探伤方法》、GJB 2028《磁粉检验》、GB/T1885《无损检测 渗透检测》和GJB2367A《渗透检验》等;专用检验方法标准除了采用通用检验方法标准的相关条文外,还针对本行业(专业)产品的技术要求增加了特殊的检查和验收技术条件,如HB/Z72《磁粉检验》、JB/T 8468《锻钢件磁粉检验方法》和JB/T 8466《锻钢件 液体渗透检验方法》等。
在标准(规范)体系中,设备器材标准(规范)占了一定的比例。该类标准(规范)主要是针对各种主要检测设备(检测线)、辅助设备、标准试片与试块、主辅材料的构成、性能与评定方法等做出具体的规定。如JB/T 6063《磁粉探伤用磁粉技术条件》、JB/T 7523《渗透检验用材料技术要求》等。
此外,有关产品检查与验收、人员资格鉴定与认证、术语、图谱等方面的标准(规范),是磁粉、渗透检测标准(规范)体系的重要组成部分。
标准(规范)体系的建立,对磁粉、渗透检测技术在工程中的正确应用、设备器材质量的提高、人员培训工作的开展起到了促进作用。
5 人员队伍建设
目前,我国磁粉、渗透检测从业人员有数万人之众。其中,大部分人员分布在各工业部门的制造企业,在工业产品的制造和使用过程中从事检测服务,或参与检测设备与器材的开发与生产工作;少部分人员分布在大学和科研院所,从事磁粉、渗透检测理论和技术研究工作。
国内有十多所高等院校开设了无损检测课程,培养了大批无损检测人才。目前,新加入的从业人员基本拥有大专以上学历,骨干人员大多拥有大学本科、硕士、博士学位。
自1982年首次开办磁粉、渗透检测技术Ⅱ级人员培训班以来,全国无损检测学会、各工业部门建立起相应的人员资格鉴定与认证委员会,制定出人员资格鉴定与认证的相关标准,如GB/T 9445《无损检测人员技术资格鉴定通则》、GJB9712《无损检测人员的资格鉴定与认证》等,完成了Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ考试大纲与培训教材的编写出版、习题库、试样库及人员管理信息系统的建立等多项工作,确保了检测人员培训与认证工作公正、科学、顺利地开展。
在20多年的时间内,已先后有十多万人次接受磁粉、渗透检测技术各级培训与资格认证考核。目前,约有两万多名从业人员持有有效的Ⅰ~Ⅲ级资格证书。
6 学术交流工作
磁粉、渗透检测技术专业委员会自1978年成立以来,已组织召开了九次全国性技术交流会和十多次专题技术研讨会。
全国性会议往往集技术交流、设备、仪器和材料展示于一身,来自全国各地各行业的代表参加大会。会议期间采取大会论文宣读、专题报告等形式,就基础理论与新技术和新方法研究、新产品研制、质量管理及标准化等议题展开广泛而深入的探讨,并出版论文集。专题技术研讨会往往就当时所关注的热点技术问题展开交流,会议主题单一、明确,参会人员数量相对较少。2004年9月在哈尔滨举行的“荧光渗透检测线技术研讨会”,来自航空、铁道、机械等行业的32名代表参加了会议。与会代表就渗透检测线技术、渗透检测线技术标准研究与制定、污水处理技术等议题进行了研讨。

7 结语
几十年来,特别是学会成立30年来,我国磁粉、渗透检测技术获得了快速的发展,基础理论与应用技术研究、人员队伍建设、设备与器材研制、标准化等工作均取得显著成果,检测技术在工业产品的生产与使用中获得充分应用。总结过去,展望未来,有必要开展以下几个方面的工作:
(1) 实现多种技术的融合,提高技术的能力。如采用超声波振动-PT技术,增加渗透剂的渗透能力,提高PT检测灵敏度和检测速度;采用遥控机器人-PT技术,实
行远距离PT检测,完成核反应系统等特殊条件的内部表面检测任务;采用MT/PT-内窥镜技术,完成深孔、腔内壁检测等。
(2) 充分利用数字化技术,进一步提高自动化水平。
( 3 ) 开展微缺陷检测技术研究,提高检测灵敏度。高推重比航空发动机等高端产品对零件表面的质量要求十分苛求,如要求发现陶瓷零件表面15 μm的缺陷,飞机全寿命设计也要求发现尽可能小的萌生缺陷。因此,现阶段所采用的磁粉与渗透剂已不能胜任如此微小缺陷的检测工作,应尽快开发纳米级材料,并开展相应的检测技术研究。
未来表面检测技术水平的提高,有赖于新技术的突破。唯有创新,才能实现我国从无损检测大国到无损检测强国的转变。
 


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