大型锻件超声检测缺陷逆向跟踪及分析

门正兴 李 其 房 鑫 徐志敏

(中国二重集团公司，四川618013)

随着石化、电力、冶金、运输等行业的快速发展，锻件大型化和高标准化成为未来锻造行业发展的必然趋势，这使得达到大型锻件质量要求的难度越来越大，迫使大型锻件的成形工艺设计必须不断的向前发展。首先，锻件重量和尺寸的增大直接导致制造这些锻件的钢锭也相应增大，而随着钢锭吨位和截面积的增加，与金属结晶过程有关的缺陷，如非金属夹杂、偏析、疏松组织、缩孔等越明显，为大型锻件的产品合格率带来很大困难[1]。其次，随着锻件重量和尺寸的增大，现有设备的成形能力无法满足锻件成形要求，造成压不实、操作困难等问题。锻件重量和尺寸的增大也导致锻件加热及热处理困难。在成形的某个阶段，锻件几何尺寸可能超过加热炉尺寸，造成锻件温度降低，加热时间延长，加热不均匀现象明显等问题，为成形工艺留下隐患。新材料的不断出现及产品生产周期的缩短也是导致锻件合格率下降的重要原因。由于不能完全掌握材料锻造及热处理性能，使得工艺确定带有盲目性。由于不同专业的限制，目前对大型锻件的研究分为炼钢、锻造、热处理三个部分，各自独立，也无法对锻造缺陷进行系统的分析和研究。想要大幅提高大型锻件的合格率，必须从炼钢、锻造、热处理三个方面

同时入手，将实践经验、物理模拟、数值模拟三者相结合，才能对大型锻件的成形进行系统的掌握。

本文以探讨大型锻件缺陷产生原因为主要研究目标，通过了解超声检测缺陷在整个成形过程中的位置、位移及应力应变状态，对超声检测缺陷产生的原因进行分析。该方法还建立了超声检测缺陷与钢锭质量之间的关系，在目前文献中还未被提及。在大型锻件成形缺陷分析中应用该方法，可以使得对钢锭质量和锻造工艺的改进更具有针对性，对大型锻件质量及合格率的提高都有重大意义。

1 提出问题

对我厂生产的某大型矩形截面锻件在粗加工后进行超声检测，发现锻件内有大量密集性缺陷，在锻件整个长度方向上都有分布。该锻件锻造过程由4火完成，主要成形工序有压钳把、滚圆拔长、漏盘镦粗拔长、修整及最后气割两端出成品。缺陷产生的原因可能是钢锭本身存在缺陷、锻造工艺不当、热处理工艺不当等。采用传统的分析方法很难对缺陷的产生作出定性的判断，从而为工艺方案的改进增加困难。

2 有限元分析

为了对锻件从钢锭到热处理前的成形过程进行全面的了解，采用Deform 3D软件对锻件成形过程中的主要成形工序——钢锭滚圆拔长、漏盘镦粗、拔长、修整进行有限元分析。由于钳把的材料来自钢锭的冒口端，对锻件整体质量影响不大，因此未对压钳把工序进行数值模拟。为了减少计算时间，对钢锭的滚圆拔长工序进行了简化，将实际生产中的窄砧多次旋转局部下压简化为宽砧一次旋转下压。由于钢锭体积较大，根据现场情况，在拔长过程中采用2 000 mm上砧及下平台进行拔长。为了便于对超声检测缺陷进行点跟踪，在模拟过程中将漏盘镦粗、拔长及修整过程在同一模型下依次完成。各成形工序的有限元模型如图1所示。在实际生产中，对锻件进行拔长后，锻件会发生一定的弯曲及侧边鼓形，需要进行局部修整，这种现象在数值模拟过程中也会出现。

图1 成形模拟过程有限元模型Figure 1 Finite element model of formation simulation process

图2 超声检测缺陷在最终锻件中的分布Figure 2 Distribution of ultrasonically tested defects in the finished forging

3 结果分析

将超声检测结果中的缺陷坐标通过换算导入未气割两端的成形锻件中，如图2所示。采用Deform软件中的点跟踪技术，对成形过程中缺陷的点应力、应变、位移等参数进行逆向跟踪，对缺陷产生的原因进行分析。为了对缺陷点的应力应变情况进行对比，选取锻件中心11个点作为参考点，各点均匀分布在锻件中。

3.1 拔长过程分析

拔长过程中缺陷在锻件中相对位置的变化如图3所示。从图3可以发现，在整个拔长过程中缺陷点分布都比较集中，主要分布在锻件中心附近的矩形框中。

图3 拔长过程中超声检测缺陷在锻件中的分布Figure 3 Distribution of ultrasonically tested defects in the forging during stretching

图4 典型缺陷点在静水压力拔长过程中的分布Figure 4 Distribution of classical defects points during stretching by hydrostatic pressure

图4、图5对典型缺陷点及中心点拔长过程中静水压力的情况进行了比较。随着拔长过程的继续，两典型点静水压力都在0点上下震荡。其中缺陷点最大静水压力为33.2 MPa，最小为-60.9 MPa。而中心点最大静水压力为34.5 MPa，最小为-73.9 MPa。

3.2 漏盘镦粗过程分析

漏盘镦粗过程前后，缺陷点在锻件中相对位置的变化如图6(a)、图6(b)所示。由于漏盘镦粗前后锻件为回转体，为了对缺陷点的分布规律有更加直观的认识，可以将所有缺陷点的三维坐标转换为极轴坐标并投影在同一面上，如图6(c)、图6(d)所示。从图6可以明显的发现，缺陷点成带状分布。图6(c)也可以理解为超声检测缺陷在钢锭中的原始位置，从而建立了最终锻件内部缺陷与钢锭内部质量的联系。结合金相检验结果，可以对缺陷产生的原因与钢锭质量之间的关系给出较准确的判断。

图5 典型中心点在静水压力拔长过程中的分布Figure 5 Distribution of classical center points during stretching by hydrostatic pressure

4 结论

通过对大型矩形截面锻件自由锻成形全过程的数值模拟，将节点逆向跟踪技术应用到超声检测缺陷产生原因的分析中，得到以下结论：

(1)通过变换参考点及坐标，将最终零件超声检测结果引入锻件成形过程，建立了锻件检验与锻件成形过程的关系。采用节点跟踪技术得到了缺陷点在锻造全过程中的相对位置和应力应变状态等参数，为判断缺陷产生的原因提供依据。

(2)通过对锻件滚圆、镦粗及拔长工艺的数值模拟，得到了缺陷点在钢锭中的相对位置，确定了锻件缺陷与钢锭缺陷的联系。

[1] 《锻件质量分析》编写组.锻件质量分析.北京：机械工业出版社[M]，1983.

[2] 刘助柏,倪利勇，刘国晖.大锻件形变新理论新工艺.北京：机械工业出版社[M]，2009.