浅谈超声波检测在大型铸钢件的应用

1.陈 皓 2.李 艳

1.沈阳铸锻工业有限公司检测中心 2.北方重工集团有限公司工程成套分公司

浅谈超声波检测在大型铸钢件的应用

1.陈 皓 2.李 艳

1.沈阳铸锻工业有限公司检测中心 2.北方重工集团有限公司工程成套分公司

一、前言

大型铸钢件因其尺寸大、形状复杂，它的内部质量多采用超声波检测。超声波检测与其它检测方法相比具有费用低廉，操作简便，检测范围大，周期短、缺陷定位准确的特点。但是，由于铸钢件与锻、轧钢、焊缝等相比，有它一定的特殊性，如工件形状复杂，缺陷相对探测面的形状复杂，晶粒较粗大，组织不均匀，不致密，致使超声波衰减很大等，这些客观条件必然会使铸钢件的超声波检测有很大的困难。

本文通过对大型铸钢件常见缺陷进行分析，提出一个在铸钢件超声波探伤时，根据实际情况来选择探头频率、晶片尺寸、检测灵敏度。这样有利于缺陷大小、性质的判断。对大型铸钢件，为使探伤操作方便，一般用纵波直接接触脉冲反射法探伤。

二、大型铸钢件的常见缺陷

大型铸钢件常见的缺陷有气孔、缩孔、夹砂、夹渣、裂纹、疏松等缺陷。铸钢件的缺陷大多数为体积型，也有面状缺陷，这些缺陷的方向性不明显，出现的部位却有一定的规律。如气孔常位于铸钢件的上部或表面层，有时也产生在中心部位。集中缩孔是在某一部位产生的大空洞，中心缩孔则是沿铸件中心轴形成的多孔性组织。

铸钢件内部常见有晶粒粗大，组织不均匀，不致密，致使超声波衰减很大，超声波在粗晶界面上产生的漫反射，在屏幕上显现出杂乱的林状波，这些林状波与缺陷波混杂在一起，使探伤困难。探测频率越高，杂波就越显著。

三、大型铸钢件常见缺陷的检测

1.气孔。可分布在铸件任意部位，形状多为卵石型，数个或密集分布，大小不等。气孔的反射壁较光滑，当探测灵敏度增高时，反射波清晰。一般情况下，气孔对底波的衰减作用不大。

2.夹砂、夹渣。这种缺陷可单独或密集存在，可分布在铸件任意部位，它的反射面粗糙，曲面形状复杂。在探测灵敏度高时，才能见到丛林状反射波。当存在密集夹杂时，底波亦明显降低。由于反射面是不平整光滑的缘故，这类缺陷的缺陷波往往不高，与平底孔当量比较有很大的差异，常会漏检。

3.裂纹(或大块夹杂物)。此类缺陷的反射面大且较平整，当入射波方向与其反射面垂直时，反射波高大，底波严重衰减直至消失，但如果入射波方向倾斜于反射面，这时主要依靠底波的衰减来判定，若检测面与底面不平行，尚需用折射角探头辅助探伤加以判定。

4.疏松。这种缺陷在大型铸钢件中是常见的，当缩松严重时将会产生大的缩孔。它常在铸件截面的中心或冒口部位，有较大的体积，实际上是微小孔穴的密集区，对超声波能量的吸收、散射作用是很大的。因此，对这类缺陷进行探伤时，往往无缺陷波，底波降低很大或者消失，进一步提高增益时，出现大量的杂乱反射波，而限制了探测灵敏度的增加。对此种现象，通过更换不同频率的探头，通常可以检测出缺陷的深度。

5.缩孔。当缩松严重时，就会在铸件中出现较大的孔洞。它常在铸件的中心，有单个球形、管状，或多个连通的。由于缩孔的投影面积较大，孔洞阻止了超声波的继续传播，当探伤面平行于底面时，常伴随有无底波，只有缺陷波的现象。

四、铸钢件超声波探伤灵敏度的选择

探测灵敏度的选择主要包括两个方面，即探伤工作频率和仪器增益。其它如探头芯片大小则常由零件的体积和探头的通用性等选择。以上内容选择得当，就能最大限度地发挥超声波探伤的优越性，给探伤人员的分析判断带来很大方便。

1.超声波探测频率：探伤时频率很大程度上决定了超声探测的能力。频率高时，波长短，声束窄，能量集中，便于发现小的缺陷。并且分辨力好，定位准确。但是高频率的声波在铸钢中衰减大，穿透能力差，容易产生杂波，严重时，使探伤无法进行。同样，频率低时，发现小缺陷的能力差。但是衰减小，穿透力大，对晶粒粗大，壁厚的铸钢有它的特殊优点。超声波探伤能够发现的最小缺陷，在λ/2左右，因此1～4MHz的频率都能达到探伤要求，但在大型铸钢件的检测中，多采用2～2.5MHz的频率。对于晶粒粗大，散射强烈的铸钢件，可能难以得到底面回波，并且会出现晶界反射产生的草丛回波，使无法探伤，这时可选择1～1.25MHz等更低频率探伤。

2.仪器灵敏变的调整：超声波探伤操作中，探测灵敏度的调整，主要的就是仪器增益。由于铸钢容易在粗大结构的接口上产生漫散射，而在示波屏上出现杂乱的草状波。妨碍缺陷的判别。因此，要把仪器增益控制在一个合适的度值，使之既能保证产品质量要求，又能排除妨碍探伤的杂波。由于铸钢生产工艺、材质不同，产品质量要求的不同及缺陷类型的不同，仪器灵敏度不应该是固定的。当然铸态的组织可用热处理的方法使之晶粒细化，组织成分较为均匀。但是，超声探伤的主要对象如缩孔、砂孔、疏松并无改变。因此，探伤灵敏度的建立主要的依据应该是产品的使用要求，当然这要求应与生产工艺水平相当。在条件具备时，选择适当的标准将给探伤带来方便。

美国ASTM A609 标准中，对碳钢和低合金钢铸件的超声检验使用的是一组平底孔直径为1/4±0.002英时(6.35毫米)的与被测铸件厚度相适应的标准铸钢试块，当缺陷波高超过平底孔当量波高时，计算面积评级。在检验具有平行探测面的底面的铸件时，对不足由于接触不良或耦合剂不足等原因造成的没有背面反射的区域认为是有问题的。参照A609标准1/4英时平底孔探测灵敏度对铸钢探伤，试验后发现这个灵敏度对缩孔、疏松等缺陷有时见不到伤波，而底波消失的区域均存在。而气孔、夹砂等缺陷则常无法探测到，即缺陷波很小甚至没有，底波的降低也不明显。因此，我们在实践中采用按零件的要求和需要控制的缺陷类型与大小选择不同仪器增益的方法进行探伤。

五、结束语

综合大型铸钢件的超声波检测经验，大型铸钢件的超声波检测是能够达到较高的质量要求的，其关键是探伤系统建立灵活、合理的检测灵敏度。

1.检测灵敏度应视零件的情况确定合适的值。对晶粒较为细小，组织致密的重要铸钢件，在可能的情况下，适当提高探测频率和仪器增益，对发现缺陷是有利的。

2.在零件检测面与底面平行时，要多注意底面反射波的衰减。当探测面与底面不是平行时，如由于材料原因，无法采用较高的灵敏度时，则往往容易漏检。

[1]ASTM A609《碳钢和低合金钢铸件的超声波探伤》。

[2]《超声波探伤》劳动部锅炉压力容器安全杂志社 1995年

[3]《超声波探伤原理及其应用》北京市技术交流站编。

[4]《铸工手册》机械工业出版社铸工手册编写组编。