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扣件(Fasteners)之非破壞檢測 |
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中 鋼 公 司 非 破 壞 檢 驗 課 課 長 陳必貴
工研院量測中心工程師/CNLA秘書 廖光磊 |
| 一.前言
非破壞檢測，係來自原文Nondestructive Testing，簡稱NDT，現在亦有稱為NDI (Inspection)或NDE(Examination;Evaluation)。 非破壞一詞，顧名思義是指針對工業材料、零組件或成品，在不破壞其結構，不影響其 功能之原則下來檢視其品質狀況，如瑕庛之存在、物性之變化及尺寸之變動。與一般材 料之破壞性試驗，如硬度、彎曲、拉伸、壓縮、剪斷等截然不同。 非破壞檢測不僅可確保工業產品在製造過程所需之品質符合有關規範、法規或標準之需 求，而且在使用階段方可確保其安全性、完整性、可靠性。諸如與民眾生命財產息息相關之交通工具、核電廠、壓力容器、鍋爐、瓦斯管線、建築物、橋樑等皆需仰賴非破壞 檢測來掌握其品質狀況，以便事先或及時予以修理或更換。 非破壞檢測工作需要合格之人員、適當之設備以及可靠的程序書，其中以人之因素 (Human Factor)為最重要，合格之專業人員不但需具有廣泛之知識與技術來進行檢 測，並且還要有豐富之經驗來判讀訊號或資料結果。因此非破壞檢測人員皆需經過訓 練、考試、授証過程。 目前各工業先進國家對非破壞檢測人員資格之鑑定皆已建立 了良好制度，並進一步走向國際化、統一化。非破壞檢測設備包括儀器及週邊器材隨 著科技之發展，不斷地在更新，逐漸走向電腦化、影像化、自動化，使檢測人員易於操 作及判讀，以減少人為錯誤。 二.非破壞檢測簡介 非破壞檢測是藉著某種媒介物(Medium)所進行之一種間接檢測方式，與一般直接檢測 如使用量規、卡尺、分厘卡、高度規、硬度計等有所不同，該媒介物可歸納為下列諸範圍： 波動者(Wave)：伽馬射線、X射線、紫外線、光、紅外線、微波、渦電流 (以上為電磁波)、聲波、超音波。 凡能運用不同之媒介物，在不破壞被檢測料件之完整性及使用性原則下進行檢測，皆屬於非破壞檢測之範疇，現以所運用之不同媒介物列出下列各種已在應用之方法： 1.波動媒介物 電磁波 射線照相檢測法 聲波① 音洩檢測法② 2.質點媒介物
3.物質媒介物
目前工業界常用之基本非破壞檢測方法為下列六種： 射線照相測法(RT) 一般而言，不同的檢測方法各有不同的用途，例如：VT與PT適合於檢測工作之表面品質；MT與ET適於檢測表面與次表面；UT與RT適用於檢測工件之內部品質。 要讓非破壞檢測的結果具有公信力，首先在人員的素質方面，必須十分注重；其次在設備 校正及實驗室管理方面，必須有一套合格的制度。以現今全球檢測服務的趨勢來看，前者 依靠擁有證照的專業人員；後者則有賴實驗室認證制度的推行。 三.扣件之非破壞檢測方法 針對「扣件」的非破壞檢測而言，可由液滲與磁粒二種方法就可過濾大部份瑕疵，僅剩 少許之內部瑕疵無法檢測，然依扣件之用途主要是避免外表之瑕疵，故基本上採用 液滲與磁粒二種方法就可以滿足品保的需求。 液滲檢測法 著色液滲檢測技術(圖一) 原理：施加含有染料之滲透液在料件表面上，若表面有微小之開口瑕 疵存在，則滲透液藉毛細作用(產生毛細吸力及沾溼能力)滲入表面瑕疵內部，然後再使用乾性或水 性或 非水性之顯像劑將瑕疵內之滲透液吸附出回到表面，並予以蔓延，提供高對比之背 影，在一般光線下形成明顯可見之瑕疵指示(通常為紅色)。 應用：可對固態、均勻性、非多孔性、非吸收性之料件進行表面探傷 ，包括裂縫、針孔、摺疊、縫隙、冷斷(Cold Shut)、洩漏等。 限制：僅限於質料密實均勻物件上表面探傷。 檢測表面需要光滑與潔淨，不得有髒物、油污、纖維或鬆脫之銹皮，以 免形成錯誤指示。 表面瑕疵須有開口。 無法探測瑕疵深度。 表面氣孔易遮蔽重要之指示。 重覆檢測時靈敏度漸次降低。 檢測靈敏度較低於螢光液滲檢測。 料件檢測後，需進行表面清潔復原。 螢光液滲檢測技術(圖二) 原理：施加含有螢光劑之滲透液在料件表面上，若表面有微小之開口 瑕疵存在，則滲透液 藉毛細作用(產生毛細吸力及沾溼能力)滲入表面瑕疵內部，然後再使用乾性或水性 或非水性 之顯像劑將瑕疵內之滲透液吸附出回到表面，並予以蔓延，提供高對比之背影， 在黑光燈(Black Light)照射下形成明顯可見之瑕疵指示(螢光)。 應用：可對固態、均勻性、非多孔性、非吸收性之料件進行表面探傷 ，包括較細之裂縫、針孔、摺疊、縫隙、冷斷(Cold Shut)、洩漏等。 限制：僅限於質料密實均勻物件上表面探傷。 檢測表面需要光滑與潔淨，不得有髒物、油污、纖維或鬆脫之銹皮，以 免形成錯誤指示。 表面瑕疵須有開口。 無法探測瑕疵深度。 表面氣孔易遮蔽重要之指示。 重覆檢測時靈敏度漸次降低。 使用黑光燈時需注意其紫外線之傷害。 磁粒檢測法 著色磁粒檢測技術(圖三) 原理：運用磁化電流(交、直流、半波直流)或磁鐵來磁化鐵磁性材料 ，使產生磁力線(以料 件表面之磁力線強度最大)，若表面或次表面有瑕疵存在，磁力線分佈將會畸形而 形成局部 微小南北磁極(磁漏)，漏出之磁力線有吸引表面所施加著色鐵屑磁粒(通常為黑色 、灰色、 紅色之乾式碳粒或溼式(磁浴)之作用，其堆積處在一般光線下有明顯之指示，以目 視或照 相或磁帶等來判讀。 應用：可對鐵磁性料件進行表面，次表面探傷，包括裂縫、縫隙、細孔、夾雜物等。 可對材料之導磁率變化進行量度。 限制：僅限於鐵磁性材料之表面、次表面探傷。 檢測表面需要光滑與潔淨，不得有髒物、油污、纖維或鬆脫之銹皮(油漆或鍍膜厚度最好在0.004吋以內)。 磁力線需與瑕疵方向垂直才有最佳之檢測靈敏度。 料件檢測後，需進行表面清潔復原並視需要進行消磁。 螢光磁粒檢測技術(圖四) 原理：運用磁化電流(交、直流、半波直流)或磁鐵來磁化鐵磁性材料 ，使產生磁力線(以料 件表面之磁力線強度最大)，若表面或次表面有瑕疵存在，磁力線分佈將會畸形而 形成局部 微小南北磁極(磁漏)，漏出之磁力線有吸引表面所施加螢光鐵屑磁粒(含螢光劑之乾式磁粒 或濕式磁浴)之作用，其堆積處在黑光燈照射下有明顯之指示，以目視或照相等來判讀。 應用：可對鐵磁性料件進行表面，次表面探傷，包括裂縫、縫隙、細 孔、夾雜物等。 可對材料之導磁率變化進行量度。 限制：僅限於鐵磁性材料之表面，次表面探傷。 檢測表面需要光滑與潔淨，不得有髒物、油污、纖維或鬆脫之銹皮(油 漆或鍍膜厚最好在 0.004吋以內)。 磁力線需與瑕疵方向垂直才有最佳之檢測靈敏度。 料件檢測後，需進行表面清潔復原，並視需要進行消磁。 四.相關規範或標準之應用 茲將NIST/NVLAP Fasteners and Metals一書中有關扣件液滲檢測法 及磁粒檢測法之內容 擇要敘述如下： 液滲檢測法 引用之規範或標準 AMS 2645 H.1-1-83 ASTM E165-80 FED No. 1516, 24. Nov., 1967 ISO 3452,1984-10-15 MIL-STD-271F(SH),27.June,1986 MIL-STD-686,29 Nov., 1985 SAE J426, Dec. 1988 檢測法概述 液滲檢測法(Penetrant Testing)，簡單、易學而又有效，可檢測出非多孔性(non-porous)、 均質(Homogeneous)、固相(SolidPhase)材料開口於表面之瑕疵。 如：扣件(螺栓、螺絲、螺帽)的裂縫、爆裂、線縫、壘痕、孔洞、工具壓痕、破口 、溝痕等 等。凡是開口於表面的瑕疵對材料之使用而言是相當不利的，其嚴重性較位於材料 內部之瑕 疵為大，因而如何有效地將開口於表面之瑕疵定位(Locating)，判讀與評估 (Interpretation & Evaluation)及採取補救之措施對於任一材料製造商而言都是當務 之急。 液滲檢測常用於檢測下列材料：鋁及鋁合金；鎂及鎂合金；各種不銹鋼；鈾及其合金；鎢及 其合金；複合材料；鈦及其合金；鎳及其合金；司特拉耐磨合金(Stellite)；銅及其合金(包含 青銅(Bronze)及黃銅(Brass)；各類碳化物(Carbides)；玻璃類；高級工程用塑膠；工業 陶瓷材料，以上所列都是非鐵磁性金屬材料及非金屬材料，至於用量最大的鋼鐵材料一般 使用磁粒檢測較有利。 PT檢測基本上有7個步驟： ① 表面清理；② 乾燥；③ 施加滲透液；④ 滲透液清除；⑤ 乾燥；⑥ 顯像；⑦ 檢視； 技術要求與必需要件 人員：如依ASTM E543；SNT-TC-lA；MIL-STD-410D等所建立之擁有證照的專業人員。 檢測程序書：敘述檢測實施的步驟及結果判釋。 檢測設備與材料： a.黑光燈：每月查核一次其亮度至少為l000μw/cm2 b.白光照度計：檢視工件之表面亮度至少為3501x/cm2(32.5燭光)。 c.系統查核：每班以已知缺陷之參考試片來查核系統是否正常，若發現異常，則必須改正全合格後方可繼續執行檢測，同時並應追溯複查在此之前所檢測過的工件。 d.液滲材料：檢測者必須掌握會影響檢測特性之液滲材料的任何物理性質，以免其影響檢測 作業。 表面清理：此是PT極為重的步驟，若清理不當，可能會因以下之原因 造成檢測失敗： a.滲透液因污染物之阻礙而無法滲透進入瑕疵內。 b.與污染物、殘留物發生化學反應而喪失滲透液之特性。 c.造成錯誤顯示。 清理方式不外乎機械方式及化學方式兩大類，有時需兩大類並用，有時僅需擇一即可，然而兩類並用之情況較多。 施加滲透液：施加方式可為浸入法、噴灑法、塗刷法、流過法等四種 。滲透時間是一項極為 重要的PT變數，所需考慮的因素包含材質、尺寸，可能存在的瑕疵、溫度、PT材料 的特性等。 清除表面剩餘滲透液：達成滲透時間則滲透作業完成，接著須將附著 於被檢物上的滲透液完全予以清除，清除方式係依所使用滲透液而不同，分述如下： a.水洗式滲透液：清除之方式為直接以壓力水噴除，所使用之壓力水其壓力不得超過50psi， 平均值約30psi， 水溫為16℃至43℃，通常清洗時間在15秒至2分鐘之間。 b.後乳化式滲透液：後乳化滲透液的清洗過程分為兩步驟，一為乳化，一為清洗。所需乳化 時間依乳化劑製造廠說 明書及工件物表面情況而定；故正確的乳化時間需經程序檢定之過程而決定。清洗 的方式與水 洗式滲透液清洗方法完全相同。 c.溶劑清除式滲透液： 對溶劑清除式滲透液而言，最可靠的清除方法就是溶劑拭法，詳述如下：將乾淨無脫毛具吸水 性之清潔布將被檢物面殘餘之滲透液反覆擦拭至幾乎肉眼無法看出有滲透液之存在。再用清潔布 沾以清潔液擦拭被檢區，清潔布勿重覆使用以免清潔布上的污染物又污染了被檢區；另換新布沾 清潔液再度擦拭，直至沾上清潔液的布上看不出有滲透液之痕跡為止。 乾燥：扣件可置於70℃以內之室溫下風乾。 施加顯像劑：通常可供選用的顯像劑有乾粉式、水性懸浮式，溶劑懸浮式，依顯像劑之不同其施加方式亦有所不同；顯像劑形成之乾膜有吸附及擴散之功能因而造成利於肉眼辨認之顯示。 檢視與評估：開始檢視時，應對顯示之發生及其蔓延擴散之過程密切 注意，並判別是否 為檢測作業不良所造成的顯示，或者是真正由瑕疵所造成的顯示；如果屬於前者則 需將 整個檢測過程重新再來一次。為了增加檢視工作之正確性應注意要有充足的光線(或黑光) ，以及一些輔助器材。評估是將瑕疵之尺寸與規範、標準等做一比較，以判定被檢 物是 否可用。於檢視時，發現顯示出現待顯像時間過後立即量測瑕疵之尺寸並做成記錄 ，記錄 務必詳盡並不得遺漏。 檢測報告：瑕疵顯示之記錄應以照相、描繪、謄繪或敘述之，檢測報告須含下列項目： a.檢測日期； b.液滲材料廠牌型號； c.被檢物名稱、材質、形狀、尺寸及檢測區域； d.被檢物表 面情況； e.檢測方法與作業條件； f.應用規範判定結果： g.檢測人員之姓名與資格。 磁粒檢測法 引用之規範或標準 AMS 2640J, 10-1-83 ASTM E709-80 FED No.1516,24.Nov., 1967 MIL-STD-271F(SH), 27 Jun, 1986 MIL-STD-1949A,15 May, 1989 SAE J420, Mar. 1981 檢測法概述 磁粒檢測法(Magnetic Particle Testing)，係藉由磁力線在物件內分佈的情況，吸引表面 磁粒形成顯示，能迅速、有效地檢測物件表面及次表面瑕疵。如：扣件(螺栓、螺絲、螺帽) 的裂縫、爆裂、線縫、壘痕、孔洞、工具壓痕、破口、溝痕等等。其原理非常簡單，並不 需要高深的學問與技術，檢測結果又能立接顯示在物件的表面，易為一般人所接受和 學習，設備費用與耗材均少。 磁粒檢測可應用於不同階段的製造或加工過程中，通常分為下列四個主要步聯： 檢驗前，被檢物表面需充分清潔，乾淨，不得有鬆脫之銹皮、油污或 其他雜質。 對被檢物施加適當方向和強度的磁場。 將磁粒均勻散佈於被檢物表面上。 觀察碳粒分佈情況並加以判釋及評估。 技術要求與必需要件 人員：如依ASTM E549；SNT-TC-1A；MIL-STD-410D等所建立之擁有證照的專業人員。 檢測程序書：敘述檢測實施的步驟及結果判釋。 檢測設備與材料： a.簡便型裝備：可產生縱向磁場之線圈與磁軌。 b.攜帶/活動型裝備：使用110或220V交流電源，可輸出電流500∼600安 培，裝備包含交流 或半波直流輸出，可由面板接頭隨意選擇其輸出電流的型式。通常把電纜線捲繞成線圈以 產生縱向磁化，亦可使用接觸棒以產生周向磁化。 c.固定型裝備：此類裝備類似工作母機中之車床，可持檢測物件夾於兩 接觸頭之間，通電流 施以周向磁化，或將線圈移至待測部位，施以縱向磁化，也可輸出不同種類可控制的交流或 直流電。 d.黑光燈：每月查核一次，其亮度至少為1000μW/cm 2。 e.白光照度計：檢視工件之表面亮度至少為3501x/cm 2(32.5燭光)。 f.磁性介質：可分為乾式和濕式磁粒與螢光及非螢光之磁粒。 g.系統查核：每班以已知缺陷之參考試片來查核系統是否正常，若發現異常，則必須改正 至合格後才可繼續執行檢測，同時並應追溯複查在此之前所檢測過的工件。 檢測前表面處理：被檢物表面是經銲接、滾軋、鑄造或鍛造後，通常 是即可檢測。若表面之不規則狀況會遮 蓋瑕疵所形成之顯示時，則須用研磨或其他機械加工，先做表面處理。 磁化：考慮被檢物之材質、形狀、瑕疵的形式及位置等，選擇磁化電流的種類、磁化方 向、磁化強度。 施加磁性介質：施加磁粒裝備須能穩定及均勻地散佈磁料於被檢物，且不干擾所形成的 磁粒顯示。 顯示評估：顯示評估時機為磁化並噴灑磁粒後，立即檢視評估。 後處理：當被檢物中之剩磁會干擾後續作業或使用時，須在完成檢測後的適當時間內退磁，同時檢視完成後視需要以適當方法清潔工件。 檢測記錄：瑕疵顯示之記錄得以照相：描繪、謄繪或敘述之。 檢測記錄/報告：檢測記錄/報告須含下列項目 A.檢測物：須註明名稱、尺寸、材質、熱處理與表面狀況。 B.檢測條件： (a)檢測設備：須註明名稱、種類與製造廠名稱。若用接觸棒法，尚須註明電極間距。 (b)磁粒種類：須註明製造廠名稱、代表符號、顆粒、尺寸、螢光或非 螢光性、顏色、 乾式用或濕式用等。 (c)磁粒分散劑與在懸浮液中磁粒濃度，均須依所用規範之規定。 (d)磁化電流之種類及數量，使用連續法或剩磁法。 (e)磁化法 C.應用之規範與判定結果。 D.檢測人員之姓名與資格 E.檢測日期與地點。 五.結論 扣件之非破壞檢測技術在我國螺絲工業之應用尚未普及，原因之一是目前螺絲製造廠對扣件之 品管檢驗較偏重於機械性之破壞試驗或材質分析，另一原因就是美國螺絲品質法亦未特別要求 ，然而在高科技之航太工業上則有特別要求，我國業者若要追求高品質之扣件及提升扣件之附 加價值，如何引進非破壞檢測技術及建立檢測能量仍有其必要。 參考資料： 品管檢測技術與校正實務：非破壞檢測運用，黃純夫，中華民國品質 學會，1996。
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