淺談超聲波檢測在大型鑄鋼件的應(yīng)用

1.陳 皓 2.李 艷

1.沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司檢測中心 2.北方重工集團(tuán)有限公司工程成套分公司

淺談超聲波檢測在大型鑄鋼件的應(yīng)用

1.陳 皓 2.李 艷

1.沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司檢測中心 2.北方重工集團(tuán)有限公司工程成套分公司

一、前言

大型鑄鋼件因其尺寸大、形狀復(fù)雜，它的內(nèi)部質(zhì)量多采用超聲波檢測。超聲波檢測與其它檢測方法相比具有費(fèi)用低廉，操作簡便，檢測范圍大，周期短、缺陷定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。但是，由于鑄鋼件與鍛、軋鋼、焊縫等相比，有它一定的特殊性，如工件形狀復(fù)雜，缺陷相對探測面的形狀復(fù)雜，晶粒較粗大，組織不均勻，不致密，致使超聲波衰減很大等，這些客觀條件必然會使鑄鋼件的超聲波檢測有很大的困難。

本文通過對大型鑄鋼件常見缺陷進(jìn)行分析，提出一個在鑄鋼件超聲波探傷時，根據(jù)實(shí)際情況來選擇探頭頻率、晶片尺寸、檢測靈敏度。這樣有利于缺陷大小、性質(zhì)的判斷。對大型鑄鋼件，為使探傷操作方便，一般用縱波直接接觸脈沖反射法探傷。

二、大型鑄鋼件的常見缺陷

大型鑄鋼件常見的缺陷有氣孔、縮孔、夾砂、夾渣、裂紋、疏松等缺陷。鑄鋼件的缺陷大多數(shù)為體積型，也有面狀缺陷，這些缺陷的方向性不明顯，出現(xiàn)的部位卻有一定的規(guī)律。如氣孔常位于鑄鋼件的上部或表面層，有時也產(chǎn)生在中心部位。集中縮孔是在某一部位產(chǎn)生的大空洞，中心縮孔則是沿鑄件中心軸形成的多孔性組織。

鑄鋼件內(nèi)部常見有晶粒粗大，組織不均勻，不致密，致使超聲波衰減很大，超聲波在粗晶界面上產(chǎn)生的漫反射，在屏幕上顯現(xiàn)出雜亂的林狀波，這些林狀波與缺陷波混雜在一起，使探傷困難。探測頻率越高，雜波就越顯著。

三、大型鑄鋼件常見缺陷的檢測

1.氣孔。可分布在鑄件任意部位，形狀多為卵石型，數(shù)個或密集分布，大小不等。氣孔的反射壁較光滑，當(dāng)探測靈敏度增高時，反射波清晰。一般情況下，氣孔對底波的衰減作用不大。

2.夾砂、夾渣。這種缺陷可單獨(dú)或密集存在，可分布在鑄件任意部位，它的反射面粗糙，曲面形狀復(fù)雜。在探測靈敏度高時，才能見到叢林狀反射波。當(dāng)存在密集夾雜時，底波亦明顯降低。由于反射面是不平整光滑的緣故，這類缺陷的缺陷波往往不高，與平底孔當(dāng)量比較有很大的差異，常會漏檢。

3.裂紋(或大塊夾雜物)。此類缺陷的反射面大且較平整，當(dāng)入射波方向與其反射面垂直時，反射波高大，底波嚴(yán)重衰減直至消失，但如果入射波方向傾斜于反射面，這時主要依靠底波的衰減來判定，若檢測面與底面不平行，尚需用折射角探頭輔助探傷加以判定。

4.疏松。這種缺陷在大型鑄鋼件中是常見的，當(dāng)縮松嚴(yán)重時將會產(chǎn)生大的縮孔。它常在鑄件截面的中心或冒口部位，有較大的體積，實(shí)際上是微小孔穴的密集區(qū)，對超聲波能量的吸收、散射作用是很大的。因此，對這類缺陷進(jìn)行探傷時，往往無缺陷波，底波降低很大或者消失，進(jìn)一步提高增益時，出現(xiàn)大量的雜亂反射波，而限制了探測靈敏度的增加。對此種現(xiàn)象，通過更換不同頻率的探頭，通常可以檢測出缺陷的深度。

5.縮孔。當(dāng)縮松嚴(yán)重時，就會在鑄件中出現(xiàn)較大的孔洞。它常在鑄件的中心，有單個球形、管狀，或多個連通的。由于縮孔的投影面積較大，孔洞阻止了超聲波的繼續(xù)傳播，當(dāng)探傷面平行于底面時，常伴隨有無底波，只有缺陷波的現(xiàn)象。

四、鑄鋼件超聲波探傷靈敏度的選擇

探測靈敏度的選擇主要包括兩個方面，即探傷工作頻率和儀器增益。其它如探頭芯片大小則常由零件的體積和探頭的通用性等選擇。以上內(nèi)容選擇得當(dāng)，就能最大限度地發(fā)揮超聲波探傷的優(yōu)越性，給探傷人員的分析判斷帶來很大方便。

1.超聲波探測頻率：探傷時頻率很大程度上決定了超聲探測的能力。頻率高時，波長短，聲束窄，能量集中，便于發(fā)現(xiàn)小的缺陷。并且分辨力好，定位準(zhǔn)確。但是高頻率的聲波在鑄鋼中衰減大，穿透能力差，容易產(chǎn)生雜波，嚴(yán)重時，使探傷無法進(jìn)行。同樣，頻率低時，發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力差。但是衰減小，穿透力大，對晶粒粗大，壁厚的鑄鋼有它的特殊優(yōu)點(diǎn)。超聲波探傷能夠發(fā)現(xiàn)的最小缺陷，在λ/2左右，因此1～4MHz的頻率都能達(dá)到探傷要求，但在大型鑄鋼件的檢測中，多采用2～2.5MHz的頻率。對于晶粒粗大，散射強(qiáng)烈的鑄鋼件，可能難以得到底面回波，并且會出現(xiàn)晶界反射產(chǎn)生的草叢回波，使無法探傷，這時可選擇1～1.25MHz等更低頻率探傷。

2.儀器靈敏變的調(diào)整：超聲波探傷操作中，探測靈敏度的調(diào)整，主要的就是儀器增益。由于鑄鋼容易在粗大結(jié)構(gòu)的接口上產(chǎn)生漫散射，而在示波屏上出現(xiàn)雜亂的草狀波。妨礙缺陷的判別。因此，要把儀器增益控制在一個合適的度值，使之既能保證產(chǎn)品質(zhì)量要求，又能排除妨礙探傷的雜波。由于鑄鋼生產(chǎn)工藝、材質(zhì)不同，產(chǎn)品質(zhì)量要求的不同及缺陷類型的不同，儀器靈敏度不應(yīng)該是固定的。當(dāng)然鑄態(tài)的組織可用熱處理的方法使之晶粒細(xì)化，組織成分較為均勻。但是，超聲探傷的主要對象如縮孔、砂孔、疏松并無改變。因此，探傷靈敏度的建立主要的依據(jù)應(yīng)該是產(chǎn)品的使用要求，當(dāng)然這要求應(yīng)與生產(chǎn)工藝水平相當(dāng)。在條件具備時，選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)將給探傷帶來方便。

美國ASTM A609 標(biāo)準(zhǔn)中，對碳鋼和低合金鋼鑄件的超聲檢驗(yàn)使用的是一組平底孔直徑為1/4±0.002英時(6.35毫米)的與被測鑄件厚度相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)鑄鋼試塊，當(dāng)缺陷波高超過平底孔當(dāng)量波高時，計算面積評級。在檢驗(yàn)具有平行探測面的底面的鑄件時，對不足由于接觸不良或耦合劑不足等原因造成的沒有背面反射的區(qū)域認(rèn)為是有問題的。參照A609標(biāo)準(zhǔn)1/4英時平底孔探測靈敏度對鑄鋼探傷，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)這個靈敏度對縮孔、疏松等缺陷有時見不到傷波，而底波消失的區(qū)域均存在。而氣孔、夾砂等缺陷則常無法探測到，即缺陷波很小甚至沒有，底波的降低也不明顯。因此，我們在實(shí)踐中采用按零件的要求和需要控制的缺陷類型與大小選擇不同儀器增益的方法進(jìn)行探傷。

五、結(jié)束語

綜合大型鑄鋼件的超聲波檢測經(jīng)驗(yàn)，大型鑄鋼件的超聲波檢測是能夠達(dá)到較高的質(zhì)量要求的，其關(guān)鍵是探傷系統(tǒng)建立靈活、合理的檢測靈敏度。

1.檢測靈敏度應(yīng)視零件的情況確定合適的值。對晶粒較為細(xì)小，組織致密的重要鑄鋼件，在可能的情況下，適當(dāng)提高探測頻率和儀器增益，對發(fā)現(xiàn)缺陷是有利的。

2.在零件檢測面與底面平行時，要多注意底面反射波的衰減。當(dāng)探測面與底面不是平行時，如由于材料原因，無法采用較高的靈敏度時，則往往容易漏檢。

[1]ASTM A609《碳鋼和低合金鋼鑄件的超聲波探傷》。

[2]《超聲波探傷》勞動部鍋爐壓力容器安全雜志社 1995年

[3]《超聲波探傷原理及其應(yīng)用》北京市技術(shù)交流站編。

[4]《鑄工手冊》機(jī)械工業(yè)出版社鑄工手冊編寫組編。