大直徑 TC4鈦合金鑄錠冒口超聲波探傷方法

鞠 巖

(寶雞鈦業(yè)集團公司,陜西 寶雞 721014)

大直徑 TC4鈦合金鑄錠冒口超聲波探傷方法

鞠 巖

(寶雞鈦業(yè)集團公司,陜西 寶雞 721014)

大直徑鈦合金鑄錠超聲波探傷確定冒口時,常遇到組織粗大導致的晶界反射嚴重、聲波衰減大的難題。通過對特大直徑 TC4鑄錠冒口探傷方法試驗,提出了正確識別雜波和冒口缺陷的方法,建立了特大直徑鈦合金鑄錠冒口超聲波探傷的方法。

超聲波;組織粗大;鑄錠;冒口探傷

1 前 言

金屬鑄錠一般采用超聲脈沖縱波入射接觸法探傷。由于鑄錠內(nèi)部晶粒粗大,不致密,致使超聲波衰減嚴重。另外,超聲波在粗晶界面上會產(chǎn)生漫反射,導致熒光屏上顯現(xiàn)出雜亂的林狀波[1]。這些林狀反射回波又會與缺陷回波混雜在一起,致使大直徑 (Φ518～Φ820 mm)的合金鑄錠探傷困難,而對于特大直徑例如 Φ1 000 mm的 TC4鈦合金鑄錠尤為顯著。本文依據(jù)球面波在凹柱曲面上的反射特點,介紹利用鑄錠本身超聲波傳播特性調(diào)節(jié)探傷靈敏度進行鑄錠冒口探傷的方法。

2 探傷原理

當超聲波徑向探傷直徑 >3N(N為近場區(qū)長度)的鑄錠時,其聲波在工件中的傳播方式類似于球面波在凹柱曲面上反射 (見圖 1)[2-3]。

圖1 球面波在凹面上的反射Fig.1 Reflection of sphere wave on concave

從圖1看,球面波入射凹柱曲面時,其反射波并不會聚焦于F點,而聚于B點。據(jù)此,波束軸線上距頂點為 x處的反射波聲壓為:

式中,P為曲面頂點處入射波聲壓,x為波束軸線上某點至曲面頂點距離,f為焦距,a為波源至曲面頂點的距離。

通過相關(guān)參數(shù)代換可以得出鑄錠曲底面回波聲壓與大平底回波聲壓相同,因此可用鑄錠本身底面反射回波來調(diào)節(jié)探傷靈敏度。

3 探傷方法

3.1 儀器的選擇

由于鑄錠內(nèi)部組織粗大,致使超聲波傳播衰減嚴重,穿透力弱。通常市面上常用的探傷儀因穿透能力差,往往得不到探傷需要的底面回波,不能滿足探傷要求?？紤]到鑄錠尺寸較大,又由于鑄錠生產(chǎn)工藝決定了冒口的基本位置在徑向是處在心部,所以對盲區(qū)可不作考慮。關(guān)鍵是探傷儀的信噪比、穿透能力。

本實驗選用一種進口的M340超聲波探傷儀作為探傷用儀器。該儀器具有較高的發(fā)射電壓,且與探頭匹配的阻尼、脈寬可調(diào)等特性,經(jīng)全面調(diào)試可滿足檢測要求。

3.2 探頭的選擇

鑄錠冒口探傷采用縱波直探頭。

3.2.1 探頭頻率的選擇

分別選 3種不同頻率的探頭,在同一合金鑄錠上測得底面回波高度值,結(jié)果見表 1。

表1 探頭頻率及鑄錠底波回波高度Table 1 Frequencyof the probe and echo height from the ingot bottom

從表中的實驗數(shù)據(jù)可以看出,較低的探頭頻率穿透能力強有利于粗晶材料的探傷。

選用的頻率越低,波長就越長,這樣的超聲波有利于粗晶材料中信噪比的提高,減少林狀回波。但過低的頻率又有不利的一面,從理論公式θ0=arcsin1.22λ/D(θ0為半擴散角,D為探頭直徑)分析,晶片輻射聲場的指向性又會變差,特別在鈦合金鑄錠探傷金屬聲程特別大的情況下,過低的探頭頻率降低了缺陷的分辨能力和定位精度又是我們不希望的。

通過上述理論分析和經(jīng)過大量的探傷實踐,選用頻率為 1.25 MHz的探頭時,探傷效果較為理想。

3.2.2 探頭晶片尺寸的選擇

從理論公式θ0=arcsin1.22λ/D分析,晶片尺寸增加,半擴散角θ0減小,波束指向性變好,超聲波能量集中,探傷有利。但探頭在曲面上探傷時晶片尺寸太大又不利于保持穩(wěn)定的接觸,耦合損失加大。

考慮以上方面,在鑄錠實際探傷中我們選用的探頭直徑為 20 mm。

3.3 耦合劑的選擇

考慮到曲面表面不可能有較高光潔度,我們選用粘性較大的機油作為耦合劑。

3.4 對探傷鑄錠的要求

按實踐經(jīng)驗,對鑄錠頭部 300 mm范圍內(nèi)的周面進行機加工。加工后的表面光潔度基本達到 6.3μm,可滿足冒口探傷的要求。

3.5 掃查面的選擇

鑄錠探傷時,在鑄錠頭部經(jīng)過機加工的周面上,沿周向均勻選取 3～5處作為軸向掃查面。

3.6 探傷

(1)將適量的耦合劑均勻涂抹在確定的探傷掃查面上。

(2)將探頭置于鑄錠完好部位的圓周表面上,調(diào)節(jié)儀器,找出底面反射回波,將一次底面回波對準熒光屏時基線刻度按照 1∶n掃描比例調(diào)節(jié) (便于觀察即可)。

(3)靈敏度調(diào)節(jié)。首先讓儀器保留足夠的衰減余量,再將探頭置于鑄錠完好區(qū),調(diào)節(jié)增益使一次底面回波最高達刻度 50%基準高。

3.7 掃查方式

在選定的 3～5個掃查面上,先后按順序從鑄錠頭部沿軸線方向移動探頭,直至缺陷回波由高到低直至消失。

4 缺陷回波的判別

大直徑 TC4鑄錠探傷時,會出現(xiàn)嚴重的雜波(林狀回波),林狀回波與缺陷回波混雜在一起,需要仔細識別。圖 2為典型的 TC4鑄錠超聲波探傷波譜圖?？梢钥闯?缺陷回波的波形 (圖 2b)相對于雜波 (圖 2a)較寬,隨著探頭的移動,波高有明顯變化且探傷重現(xiàn)性較好,一般出現(xiàn)在熒光屏水平時基掃描線中部附近 (見圖 2c),且在徑向和軸向有一定體積范圍。

圖2 TC4鈦合金鑄錠的典型波形圖:(a)林狀回波;(b)缺陷回波 +底面回波;(c)缺陷回波 (底面回波消失)Fig.2 Typical spectrograms of TC4 titanium alloy ingot: (a)grass echo; (b)flaw echo+bottom echo; (c)flaw echo(bottom echo disappeared)

5 缺陷定位

5.1 徑向定位

當熒光屏上出現(xiàn)缺陷反射波時,則缺陷至探測面距離 xf有如下關(guān)系:

式中,xb為缺陷波前沿在時基線上的讀數(shù),n為水平線性比例。

5.2 軸向冒口切除線確定

從鑄錠頭部沿軸線方向移動探頭,在缺陷回波由高到低直至消失時,找到鑄錠周向的探頭中軸線,并在探頭中軸線處劃線確定冒口缺陷的末端位置。以上述方式探測后,從多個掃查面掃查確定的位置中選擇距頭部最遠一點探頭中軸線即確定為該鑄錠冒口切除線位置。

6 探傷結(jié)果

對 6個鑄錠進行探傷檢驗,并根據(jù)檢驗結(jié)果對冒口進行切剖。表 2為 6個鑄錠的探傷結(jié)果。從表 2可以看出,采用本文所述探傷方法確定的鑄錠冒口位置準確。從后序切除處理的鑄錠冒口情況能直觀的看到探傷結(jié)果的準確性 (見圖 3)。

表2 TC4鈦合金的探傷檢驗結(jié)果Table 2 Test result of the TC4 alloy ingots

圖3 TC4合金鑄錠冒口宏觀照片F(xiàn)ig.3 Macrograph of riser in TC4 alloy ingot

7 結(jié) 論

通過對鑄錠組織粗大導致的晶界反射嚴重、聲波衰減較大等特點的分析,結(jié)合大量的探傷試驗,建立了切實可行的探傷方法。采用該方法能準確的確定鑄錠冒口位置。

[1]全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會.超聲波探傷 [M].北京:中國鍋爐壓力容器安全雜志社,1995.

[2]全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格鑒定考核委員會.超聲波探傷[M].北京:勞動人事出版社,1988.

[3]超聲波探傷編寫組.超聲波探傷[M].北京:水利電力出版社,1980.

UTM ethod for Allocat ing Ingot Riser of TC4 Titan ium Alloy

Ju Yan
(Baoji Titanium Group,Baoji 721014,China)

While allocating the ingot riser for titanium alloys,reflections be tween the crystal interfaceswere serious and the sound waves attenuated greatly because of the coarse structure.Through testsonUTmethod for allocating the riserof super big diameter TC4 ingot,the method to properly identify the noise and riser defectwas proposed,and the UTmethod for riser-allocating of super big diameter titanium alloy ingotwas established.

ultrasonic;coarse structure;ingot;riser allocating

2010-01-20

鞠 巖 (1965-),女,工程師,電話:0917-3382392。