特大型鑄鋼件超聲縱波分層檢測技術

王中

【摘? 要】隨著機械設備大型化的發展，機械制造業對機械設備的鑄鋼零部件產品質量要求越來越高。本文結合產品檢測實際，提出了特大型鑄鋼件的超聲縱波分層檢測方法。

【關鍵詞】特大型鑄鋼件;超聲縱波分層檢測;探傷靈敏度。

0? 前言

隨著機械設備大型化的發展，機械制造業對機械設備的鑄鋼零部件產品質量要求越來越高。過去許多依賴進口的大型鑄鋼件現在已經在國內生產，如大型軋鋼機架、大型軸承座以及其它大型冶金機械設備等。由于鑄鋼件金屬晶粒粗大，且存在各向異性，超聲波衰減嚴重，加之鑄鋼件體積龐大、形狀復雜，且缺陷種類繁多等特點，給超聲波探傷帶來很大的困難。

由于鑄鋼件的制造工藝和成形特點，使鑄鋼件中的組織不致密和不均勻，鑄鋼件金屬晶粒粗大、晶界面上散射強烈，造成草狀雜波，且使超聲波的穿透性和信噪比降低。隨著鑄鋼件厚度增大及探測頻率的增高，這種草狀回波也更加強烈，從而妨礙缺陷波信號的識別。因此不得不使用較低的探測頻率，但使用較低頻率，聲束指向性變差，也會降低缺陷的分辨能力和檢測精度。為準確檢測特大型鑄鋼件的內部缺陷，保證產品質量，本文結合產品檢測實際，對特大型鑄鋼件采用超聲縱波分層檢測方法進行分析探討。

1? 特大型鑄鋼件超聲縱波分層檢測技術

1.1 鑄鋼件超聲波探傷前準備

1.1.1 儀器的選擇：依據GB/T7233.1-2009、JB/T5000.14-2007以及 EN12680-1：2003.6等標準對儀器性能的要求，儀器選用PXUT-350⁺型數字式超聲波探傷儀。

1.1.2 探頭的選擇：探頭頻率的選擇是在保證足夠的信噪比的基礎上盡可能選擇較高的探傷頻率，考慮工件形狀及表面狀況、工件厚度、缺陷定位、缺陷類型等因素，采用2MHZ（Φ10～Φ20）單晶縱波直探頭和2.5P（Φ10～Φ20）FG20 雙晶縱波直探頭以及2.5P13×13（K1.0、K2.5）單晶橫波斜探頭。

1.1.3 試塊的選擇：試塊選用CSK-ZB、RB-2、專用對比試塊以及工件本體。

1.1.4 耦合劑的選擇：采用機油。

1.1.5 專用對比試塊的制作：鑄鋼件的超聲波探傷靈敏度視鑄件質量要求而定，可利用試塊或工件底面回波進行調整。難于用工件底面回波調整探傷靈敏度時，應使用對比試塊進行調整。對比試塊采用與機架材料相同的鑄鋼件制成，最好與鑄件用同一工藝鑄出。對比試塊的材料預先進行超聲探傷檢查，不允許存在等于或大于同聲程φ2當量平底孔缺陷。自備對比試塊規格尺寸見圖1、表1

1.2 儀器的校準

1.2.1? 距離的校準：

采用單直探頭時，探傷儀示波屏上距離的校準在鑄鋼件本體上進行;

采用單斜探頭時，探傷儀示波屏上距離的校準在CSK-ZB、RB-2型標準試塊上進行;

采用雙晶直探頭時，探傷儀示波屏上距離的校準在自制專用對比試塊上進行;

1.2.2 ?探傷靈敏度校準：對特大型鑄鋼件的探傷靈敏度校準視對鑄鋼件的質量要求而定，采用工件底面或平底孔試塊進行校準。

1.3 ?特大型鑄鋼件超聲波檢測技術

對特大型鑄鋼件如用一般的缺陷回波法進行檢測，探測靈敏度必按工件的最大厚度校正，這樣勢必造成靠近表面位置的信號幅度過高導致缺陷回波可能無法辯認。因此對特大厚度的鑄鋼件用縱波分層法進行檢測，檢測時將鑄鋼件厚度分為若干層，每一層分別采用該層的深度調節靈敏度進行檢測，僅檢測該層中的缺陷狀況。

實例：對圖2軋鋼機架超聲縱波分層檢測

1.3.1 對機架內部非延伸性缺陷的檢測

1.3.1.1 機架檢測時以縱波直探頭檢測為主.

1.3.1.2 檢測面為機架上、下表面掃查時，采用普

通單直探頭分3層靈敏度對各層厚度范圍檢測見圖4：

F1 探傷靈敏度B50%+33dB（900/φ6），

檢測范圍300-900mm;（波形見圖（a））

F2 探傷靈敏度B50%+14dB（300/φ6），

檢測范圍150-300mm;（波形見圖（b））

F3 探傷靈敏度B50%+2dB（150/φ6），

檢測范圍150mm以內;（波形見圖（c））

1.3.1.3 檢測面為機架內、外側表面時參照機架上下面檢測。

1.3.1.4? 機架內側特別表面區檢測時，采用雙晶直探頭進行檢測，探傷靈敏度采用自制對比試塊②調節。

1.3.2? 對垂直或傾斜于探傷面的表面延伸性缺陷檢測見圖3示：

1.3.2.1 用直探頭沿工件位置1、2、3、4方向檢測與超聲波方向垂直或傾斜于探傷面的表面延伸性缺陷。

1.3.2.2 用斜探頭沿工件位置5方向檢測與超聲波方向垂直或傾斜于探傷面的表面延伸性缺陷，由于鑄件大而厚，斜探頭可使用45°～63.4°折射角探頭，φ3×40-16dB探傷靈敏度探測。

1.3.2.3 對直探頭檢出的工件近表面缺陷（1）、（2），采用橫波斜探頭對垂直超聲波方向或傾斜于探傷面的表面延伸性缺陷進行補充檢測及定位。

1.3.3? 利用工件大平底調節靈敏度采用以下計算公式：

同距離的大平底與平底孔回波差：△dB=20lg（2λx/πd²）?? （x≥3N）

不同距離與同一大小平底孔回波差：△dB= 20lg（πd₁²x₂/2λx²₁）（x≥3N）

不同大小平底孔與同一距離回波差：△dB=40lgd₁x₂/d_2? x_{1???????? （}x≥3N）

1.3.4? 鑄件中缺陷的測量與評定：

1.3.4.1 缺陷大小的評定：用當量法和測長法來評定缺陷當量和面積大小，評定缺陷當量時需考慮工件材質的衰減。

1.3.4.2 缺陷位置的測定：對鑄鋼件探傷時缺陷的定位要求比定量為高，精確定位可提供挖除區的具體位置。

3.5 對工件表面無法檢測部位做好詳細的原始記錄，并對超標的缺陷在工件上標示清楚。

2? 鑄鋼件中常見缺陷的分析判斷

1 裂紋

裂紋屬平面缺陷，在不同方向探測，反射波高度明顯不同。平行缺陷方向探測，反射波很低，甚至無反射波。垂直缺陷方向探測，反射波則很高，其反射波峰一般較尖銳且較單一。有些情況下兩相互垂直面無法檢測時，只能用斜探頭探測才能發現裂紋的反射，因為多數裂紋的取向與工件表面成垂直分布。

2 氣孔和砂眼

氣孔指氣體在鋼液凝固時滯留在鑄鋼件中所形成的中空孔洞。由于氣孔具有球狀體反射特性，故其平底孔當量不大，但波峰尖銳，脈沖窄，移動探頭時缺陷波迅速下降，無長度和面積感，降低靈敏度時缺陷波下降不很快。氣孔一般是以單個缺陷波形式存在，但有時附近也可能會出現幾個類似的缺陷波。大多數情況下波與波界線較清晰，氣孔數量及面積不大時對底波影響不太大。

3 夾雜

夾雜的形狀一般具有一定棱角，此類缺陷反射波形大多數是主峰的旁邊有很多較矮的次峰，波根較寬，回波高度也不太高。它與氣孔反射波不同的是當探頭移動時回波高度變化較大，主波峰與次波峰交錯變換迅速，對底波反射高度有一定影響。

4 晶粒粗大

鑄件由于冷卻慢，容易產生粗大晶粒。對2MH的探傷頻率，當晶粒度級別小于2級時，散射較強，反射波表現為密集的草狀波，波幅高，波與波之間難以分辯，底波降低明顯或消失。但它對探傷頻率敏感，如果換用低頻探頭如1.25MH，則草狀波將大幅降低或消失，底波反射清晰可見且反射次數增多。

5 縮孔

鑄件在凝固過程中，液態和凝固收縮使鑄件在最后凝固的地方無液體補充而出現孔洞。孔洞大且集中的稱為縮孔。縮孔表面粗糙不平，形狀不規則，其分布位置多為壁相交處、鑄件肥厚處、靠近冒口腳部位。縮孔的波形特點是反射波較強，由于縮孔壁常伴有夾雜物有時附近還伴有小缺陷波。而且使底波幅度嚴重下降，底波多次反射次數減少，即使提高靈敏度也無法明顯改善底波狀況。

6 疏松

疏松是由于金屬液在冷卻凝固收縮過程中得不到充分補充而形成的細微密集的小孔穴，一般分布在最后凝固的部位，如冒口、截面較大的部位。探傷時，缺陷波多而且密，波幅很低，多數情況下無缺陷波。缺陷區對底波影響很大，大多數情況下底波很低甚至消失。

7 冷隔

這是鑄件中特有的一種分層性缺陷，主要與鑄件的澆鑄工藝設計有關，它是在澆注液態金屬時，來自不同方向的金屬流相遇等原因，形成一種隔膜狀的面積型缺陷。波形特點是：在不同方向探測，反射波高度明顯不同。平行缺陷方向探測，反射波很低，甚至無反射波。垂直缺陷方向探測，反射波則很高，其反射波峰一般較尖銳。

3? 結論

通過軋鋼機架的實際檢測，利用超聲縱波分層法可以比較準確的檢測特大型鑄鋼件的內部缺陷。

參考文獻：

[1]鄭暉 林樹青 主編，超聲檢測（第二版）[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008

[2]袁東?? 鑄鋼件超聲波探傷的傷波定性[DB].杭州汽輪動力集團有限公司

（作者單位：馬鞍山十七冶工程科技有限責任公司）