薄鑄鋼件超聲波缺陷檢測及驗收方法

摘要：由于近年來對鑄鋼件產品需求日益增加，質量要求也不斷提高，如何對薄壁鑄鋼件利用超聲波檢測進行質量控制成為無損檢測人員急需研究和解決的難題.

關鍵詞：超聲波檢測 近場區 薄壁 鑄鋼件 驗收

機械制造行業的許多零部件是由鑄鋼件材料制作的，近年來隨著制造行業市場對鑄鋼件產品需求的日益增加， 其質量要求也在不斷地提高，如何對薄壁鑄鋼件產品進行檢測已經成為產品質量控制的關鍵點。超聲波檢驗作為無損檢測的一種方法，這種檢測方法具有方便、快捷、安全等特點，目前廣泛地應用于鋼結構和焊接件的無損檢測。那么如何有效地利用和發揮超聲波檢測的這些優勢和特點，實現對薄鑄鋼件的內部質量進行有效地和客觀地評價，成為無損檢測人員需要研究和解決的問題.

鑄鋼件的特點是形狀復雜，表面粗糙，壁厚不均，內部晶粒組織粗大，超聲波在鑄鋼件中傳播的過程中衰減嚴重，同時鑄鋼件成形過程中由于熔點高，鋼液易氧化，流動性差，收縮大，其體收縮率為10—14%，線收縮率為1.8—2.5%，在冷卻過程中會產生冷隔，縮孔，氣孔，疏松，裂紋等鑄造工藝中特有的缺陷，這些都給超聲波檢測帶來很大的難度。國內鑄鋼件的超聲波檢測標準常用的標準是GB/T7233-1987，但該標準適用范圍是T≥30mm的碳鋼和低合金鋼鑄件，對薄壁鑄鋼件不合適，查閱其他標準都沒有適合的標準可用。以往人們往往選用射線檢測的方法對薄鑄鋼件進行檢測，這種方法不但檢測周期長、檢測成本高，更重要的是對輻射安全防護和操作人員的要求嚴格，如何有效的利用超聲波檢測實現有效控制質量、降低檢測成本、提高檢測效率成為一個很重要的課題。本文將在實際工作中遇到的薄鑄鋼件超聲波檢測為例，和大家一起交流和分享。

在現場檢測時，挖掘機上有一零部件叫俯仰臂，其材質為ZG340-640，壁厚為22-28mm，該部件在使用過程中經常斷裂，經常遭到用戶投訴以至于索賠，通過對破損件的斷口觀察及金相分析得出的結論是由于工件內部存在縮孔，疏松，偏析等缺陷造成局部強度下降而引起失效。超聲波對該類型的工件檢測的難點是：近場區大，波幅在檢測范圍內存在極大和極小值，難以根據波幅當量法對缺陷的尺寸進行有效的定量分析。

那么通過制作含有人工和自然缺陷的參考對比試塊，利用這些試塊來建立起距離波幅曲線，以距離波幅曲線作為驗收的基準靈敏度可以作為嘗試解決以上問題的方法。

基于以上的思路，我們進行如下操作：

第一個步驟要制作含有缺陷的參考對比試塊。

利用參考對比試塊比較法檢測，就是將工件中的自然缺陷回波波幅與參考對比試塊上的人工缺陷回波波幅進行比較，只要工件中的自然缺陷的回波波幅大于參考對比試塊的人工缺陷回波波幅，那么該工件的缺陷需要用6 dB法進行測量，這種方法作為來對缺陷定量的一種方法，最為直觀有效。

那么如何正確合理的制定人工缺陷的尺寸大小非常關鍵，只有確定合適尺寸的人工缺陷，才能合理控制質量。缺陷尺寸大，容易造成零部件繼續斷裂失效，控制過程形同虛設；缺陷尺寸小，則使得大量可用工件報廢，造成浪費，同時給檢測帶來很大困難。

試塊選材與制作也是制作參考對比試塊時不容忽視的問題，為了避免由于材質和表面狀態的不同而導致超聲波的傳遞耦合衰減不同，參考對比試塊選用的材料與被檢工件的材料和表面狀態要保持一致，這里我們直接選用典型的工件進行參考試塊的制作。參考對比試塊分為兩種，第一種在沒有缺陷工件上加鉆平底孔用于分散性缺陷的比對；第二種試塊是由射線檢測發現的存在典型密集縮孔或疏松的工件作為模擬對比試塊，用于密集性缺陷的比對。

針對上述考慮，我們對多個含有人工缺陷和自然缺陷的工件進行斷裂試驗和金相分析，通過實驗結果得到的數據統計，確定出檢測用參考對比試塊的人工缺陷尺寸為Φ2.5平底孔。確定以該人工缺陷的回波波幅作為驗收的參考標準。為了建立不同深度的人工缺陷參考標準，我們在距離上表面5mm、10mm、15mm、20mm的深度位置上分別制作了該尺寸的平底孔。這些不同深度的平底孔用于不同深度的分散性缺陷比對的參考標準。

第二個步驟：儀器和探頭的選擇

超聲波探傷儀選用A型顯示脈沖反射式數字式超聲波探傷儀，頻率覆蓋范圍為1-6MHz。

檢測探頭選用頻率為2-2.5MHz，直徑為20mm的單晶直探頭或雙晶直探頭。

耦合劑選用粘度大的耦合劑如水玻璃、黃油，以利于粗糙表面的良好耦合。

第三個步驟：靈敏度的調整和掃查

探傷靈敏度調整時，要利用試塊上不同深度的平底孔的反射回波制作距離波幅曲線，此曲線作為基準靈敏度，為避免漏檢，掃查時提高6dB，進行缺陷判定時，增加的6 dB要調整回去。

儀器調整與現場檢測必須使用相同的耦合劑。

工件的掃查要在任何可以接近的表面進行，選擇有規律的路徑進行掃查，相鄰兩次掃查應相互重疊至少為探頭晶片尺寸的15%。

工件掃查時，探頭移動的速度不得大于150mm/s。

第四個步驟：缺陷檢測和判定

零部件中如果存在以下指示，則認為不合格：

a 缺陷回波幅度大于或等于距離波幅曲線的位置都要做標記，并用6 dB法進行測量，若單個缺陷的面積超過75mm2，則該工件判定為不合格。

B如果檢測過程中，出現底波消失或者密集縮孔、疏松的波形位置要做標記，底波消失或密集缺陷的面積超過15mmX20mm（由大量的失效工件統計得到） 判為不合格

經過實際的超聲波檢測挑選，發現每批俯仰臂都有5%---10%的上述不合格品，超聲檢測合格的工件經過射線抽檢檢測也未發現較大缺陷，基本與實測值相似。更重要的是，后續經過檢測合格的工件通過長時間使用，再未出現由于俯仰臂失效造成用戶投訴和索賠的事情發生。為公司降低了成本，提高了信譽。

總結：該方法突破了超聲波探傷中近場區對波幅的影響，有效的利用了實際聲場和理想聲場存在較大差異的原理，利用參考對比試塊比較法，對近場區不同距離的人工缺陷的波幅進行了相對精確的設定，通過與實測波幅的對比，簡單有效的控制了質量，取得了很大的成功，該方法和思路還可推廣應用在其他類似的受到近場區影響的超聲波探傷，該方法在一定程度上，解決了薄鑄鋼件的超聲波探傷問題。