一种灰口铸铁内在缺陷的超声波检测方法

杨志鹏，田学森，张会贤，王国亮，王海波

（共享装备股份有限公司，宁夏 银川 750021）

普通灰口铸铁主要是碳以片状石墨形式析出的铸铁。灰口铸铁应用很广，在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁约占80%以上。灰口铸铁件常见的不连续有气孔、缩松、裂纹、缩孔、夹渣等，其中缺陷气孔、裂纹、缩孔占据了60%以上。对此类不连续的检测有很多方法，但因有效性、成本控制及技术原因往往无法实现，灰口铸铁件可以使用敲击法、射线检测、磁粉检测、渗透检测等发现不连续，对各类方法比较分析，选择适合有效的方法。论文主要研究了如何在保证低成本高准确性的前提下完成检测。

1 不同检测方法对内在缺陷的识别对比

锤击法：适用于材料产生大的不连续，根据音响回声清脆或沉闷来判断不连续是否存在及确定不连续的大致位置，如裂纹等，复杂结构的铸件敲击法作用不大。同时，使用锤击法对零件本身有损害，如果敲击使用的力过大，敲击方法不当，可能会对零件造成机械损伤以及微裂纹等缺陷。

射线探伤：是很有效的探伤方法，但是受到结构及成本控制很难大规模开展，通常，只有对于非常重要的零件和局部才选择进行射线探伤，对于大批量生产的产品无法满足。

磁粉探伤：在零件表面形成连续的磁场，由于异物（不连续）与零件本身的磁导率差异，形成漏磁场从而显示出零件表面不连续的形状及位置，但仅能检测距表面1 mm～2 mm 深处，且受不连续形状的影响，夹渣、裂纹、冷隔类的缺陷容易检出。

渗透探伤：工件表面被施涂含有荧光染料或者着色染料的渗透剂后，在毛细作用下，经过一定时间，渗透剂可以渗入表面开口缺陷中；去除工件表面多余的渗透剂，经过干燥后，再在工件表面施涂吸附介质显像剂；同样在毛细作用下，显像剂将吸引缺陷中的渗透剂，即渗透剂回渗到显像中；在一定的光源下（黑光或白光），缺陷处的渗透剂痕迹被显示，从而探测出缺陷的形貌及分布状态。渗透检测适合检测气孔、裂纹、夹渣类的缺陷，比较磁粉探伤仅能检测表面开口的缺陷。

超声波探伤：是高能量的超声波入射到异质界面（两种不同声阻抗的材料）产生反射折射，利用返回的超声波及穿透的超声波高低来判断产品内部有无不连续。超声波检测用于焊接件、锻件、管材、铸钢及球磨铸铁件，但不适合检测灰口铸铁。因为：1）灰口铸铁中石墨呈现长条状杂乱无章，球墨铸铁中石墨呈现球状规律性分布，如图1 所示，灰口铸铁石墨形状分布不利于超声波的反射、穿透，有大的阻尼能力，能量衰减严重；2）从表1 来看灰口铸铁与球墨铸铁在同一探头检测下，波长接近，但是石墨尺寸相差较大，如果把石墨尺寸的大小看做是不连续的大小，超声波在入射到片状石墨上时相比较球墨铸铁，波的绕射能力变弱，发现尺寸较小缺陷能力减弱；3）声速越大超声波探伤相对越容易，而灰铸铁共晶团粗大，且有石墨存在对基体起到一定的割裂作用，现场实测灰口铸铁声速明显偏低（见表1）.但是灰口铸铁件可以进行超声波测厚，其原理是利用超声波入射铸件与空气界面形成反射波测量得到时间，再根据声速计算得到壁厚，而孔洞类的不连续缺陷实质就是铸件与空气界面形成的，因此可以对灰口铸铁孔洞类缺陷进行检测，尤其是一些缺陷尺寸较大的缺陷进行超声波检测是可以探讨的。

图1 铸铁件石墨形状及分布

表1 灰口铸铁与球墨铸铁石墨尺寸的比对

2 利用超声波检测内在缺陷的原理简述

超声波从声阻抗Z1 入射到声阻抗Z2 界面，如图2a），会发生发射、透射，根据声阻抗的差异，即可获得不连续的波幅及位置。当超声波入射灰口铸铁跟空气的界面时，如图2b）（参考《超声检测技术》表2-2、表2-4、2-38）：

图2 超声波受阻及超声波反射原理示意图

式中Pr—反射声压，P0—入射声压，Z灰取值4×106g/（cm2·s）.

声压反射率为-1，意味着声压几乎全反射，无透射，那么对于孔洞类缺陷会形成明显的界面回波，利用回波的幅度及位置对此类不连续检测，从而降低因此类不连续造成的损失，从理论上来讲是应该可以检测出来的。

3 超声波检测灰口铸铁内在缺陷试验验证

首先，选用CTS-2020 数字超声波探伤仪，频率2 MHz，晶片尺寸7×18 的双晶直探头；频率2 MHz，晶片尺寸9×13 的双晶斜探头。自制HT300 试块，试块直径为4 mm，长度4mm～50 mm 的试块一块，作为建立基准灵敏度的试块，并使用超声波探伤仪生成DAC（Distance Amplitude Curve）曲线。同时，选取9 种不同类型的灰铁产品进行缺陷检测，测量数据如表2 不同超声波不连续波形显示结果对比。

表2 不同超声波不连续波形显示结果对比

根据检测结果显示，其中1#，2#，3#超声波检测时发现有明显的回波显示，波形独立不拖沓，在使用超声波检测后，分别对1#，2#，3#，采用锤击、加工以及打磨验证，验证后发现明显的气孔、塌陷以及砂块缺陷，且直径在15 mm～30 mm 不等，如图3所示。

图3 灰铁内在缺陷超声波不连续波形显示及验证结果

为进一步验证超声波检测内在缺陷的有效性，在铸件外观面寻找六处缺陷4#，5#，6#，7#，8#，9#，分别为砂眼、裂纹、渣孔、砂块等缺陷，使用超声波探伤仪进行检测，发现4#，5#，7#有明显的回波显示，波形显示独立。同时，6#，9#反射波幅不高，缺陷类型为裂纹缺陷，虽然波形有显示，但在实际灰铸铁缺陷检测中，受灰铁本身内在组织的影响，对此类缺陷的鉴别十分困难，鉴别出的概率较小。8#缺陷直径约6 mm 较小，缺陷深度3 mm，使用直探头从缺陷背离面进行超声波探伤时无回波显示，因此超声波无法分辨灰铁件此类缺陷，对此类缺陷的鉴别效果不明显，如图三所示。

结合试验验证结果，在实际生产验证过程中，对不同灰口铸铁产品收集了200 组检测结果发现，其中186 组产品检测出内在缺陷与实际加工验证后缺陷一致，14 组缺陷存在差异，检测出内在孔洞类缺陷的概率超过93%.

4 结论

结合超声波检测原理，通过建立标准试块和实际铸件缺陷检测对比，结果显示超声波不连续波形的显示对于灰铸铁内在缺陷的检验可以进行有效的检测，检测出缺陷的准确性超过90%，其检测结果总结如下：

1）直径大于15 mm 的孔洞类缺陷可以有效探测，基本不受壁厚限制；

2）对壁厚小于等于40 mm 的试块中大于φ10孔洞类缺陷有较强的反射；

3）对夹渣类缺陷反射较弱，几乎无反射，同时需要事先知道缺陷位置；

4）平行部位采用底波监控，如果损失大于14dB时需要进行重点确认；

5）裂纹类缺陷反射较弱，因此要结合目视探伤、磁粉探伤、渗透探伤综合判断。