雙晶直探頭對(duì)船用鑄鋼件的超聲波檢測(cè)

于學(xué)峰

（上海重型機(jī)械廠有限公司，上海 200245）

目前關(guān)于船用鑄鋼件（掛舵臂、后軸殼、上鑄鋼件和下鑄鋼件等）的機(jī)加工面（主要是內(nèi)孔近表面）的檢驗(yàn)主要是采用超聲波檢測(cè)技術(shù)。尤其是對(duì)要進(jìn)行精加工的鑄鋼件，更要在精加工前用雙晶直探頭超聲波檢測(cè)法來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷，然后返修、復(fù)探，直至合格，以保證工件精加工后的表面質(zhì)量。筆者介紹了采用雙晶直探頭對(duì)配套118000～400000t的散貨船和集裝箱船的大型船用鑄鋼件（材質(zhì)為ZG16Mn）的內(nèi)孔機(jī)加工面的超聲檢測(cè)方法，引入蜂窩狀缺陷的概念，以區(qū)別于單個(gè)點(diǎn)狀缺陷，并且探討了對(duì)缺陷的定性問(wèn)題。

1 超聲檢測(cè)的準(zhǔn)備

掛舵臂簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。要求檢測(cè)面的粗糙度應(yīng)≤6.3μm；使用的雙晶直探頭規(guī)格為φ20×2／2～4MHz，焦距為15～20mm；超聲波探傷儀為A型脈沖反射式CTS－2200型；耦合劑為機(jī)油；雙晶直探頭用對(duì)比試塊如圖2所示，要求其檢測(cè)面粗糙度≤6.3μm，平底孔直徑為φ3mm，深度L分別為5，10，15，20，25，30，35，40，45mm。

圖1 掛舵臂簡(jiǎn)圖

圖2 雙晶探頭平底孔試塊

2 超聲檢測(cè)過(guò)程

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試

2.1.1 制作 DAC曲線

將雙晶直探頭和超聲波探傷儀連接好后在雙晶試塊上進(jìn)行調(diào)試。令對(duì)應(yīng)于探頭焦距深度的平底孔的反射波高達(dá)熒光屏的80%，保持靈敏度不變，依次搜索到其它平底孔的反射波，并將各個(gè)波的最高點(diǎn)標(biāo)注在熒光屏上，然后依次圓滑連接各點(diǎn)，制成DAC曲線。

2.1.2 耦合補(bǔ)償

視工件檢測(cè)面光潔度的具體情況，適當(dāng)進(jìn)行耦合補(bǔ)償，一般表面耦合補(bǔ)償4～6dB。

2.2 檢測(cè)方法

2.2.1 探頭掃查方式

對(duì)檢測(cè)面進(jìn)行分段掃查，并對(duì)每段分別進(jìn)行兩個(gè)方向互相垂直的掃查。掃查速度≤150mm／s，并應(yīng)有10%的覆蓋率。探頭掃查時(shí)要使雙晶的隔聲層與掃查方向垂直。

2.2.2 偽缺陷波

一般情況下，雙晶探頭掃查時(shí)出現(xiàn)在始波之后的反射波基本上都是缺陷反射波。但是也有多種情況導(dǎo)致產(chǎn)生偽缺陷波。

（1）粗糙的機(jī)加工面引起的反射波，其特征是波形較寬，而且靜態(tài)波形有些顫抖。探頭掃查起來(lái)，其波形更寬或更高。而真正的缺陷反射波的靜態(tài)波形是比較穩(wěn)定的。

（2）檢測(cè)面上局部凹凸不平引起的反射波與正常缺陷反射波沒(méi)有明顯區(qū)別，其波形與單個(gè)的點(diǎn)狀缺陷的反射波很相似，其靜態(tài)波形較穩(wěn)定且獨(dú)立，或高或低，不過(guò)可重復(fù)性差。

對(duì)于上述兩種情形引起的偽缺陷波，只要將探測(cè)面修整到符合檢測(cè)要求即可防止偽缺陷波的出現(xiàn)。

2.2.3 缺陷的評(píng)定

實(shí)踐證明，雙晶直探頭檢測(cè)鑄件時(shí)最好結(jié)合缺陷的動(dòng)態(tài)波形來(lái)評(píng)定缺陷。缺陷的動(dòng)態(tài)波形即隨著探頭的移動(dòng)，反射波在熒光屏上的變化軌跡，亦即回波的包絡(luò)線。從動(dòng)態(tài)波形上可以得知缺陷的分布情況、走向和缺陷的大致深度范圍以及特征。與只靠觀察缺陷的靜態(tài)波形來(lái)分析缺陷的方法相比，通過(guò)觀察缺陷的動(dòng)態(tài)波形有助于提高檢測(cè)速度和對(duì)缺陷的準(zhǔn)確定性。

通常情況下，為了保證船用件精加工后的表面質(zhì)量應(yīng)按下述原則評(píng)定缺陷：

（1）反射波達(dá)到或超過(guò)DAC線并且為非點(diǎn)狀的缺陷為不合格。

（2）反射波雖然未達(dá)到DAC線但屬于蜂窩狀的缺陷為不合格。

3 幾種典型鑄造缺陷反射波的特征及其機(jī)理

由于鑄件具有組織疏松、不均勻、晶粒粗大的材質(zhì)特點(diǎn)，所以容易形成所謂的蜂窩狀缺陷。蜂窩狀缺陷即由集中或分散的縮孔、氣孔和夾渣所組成，缺陷形狀多像蜂窩。蜂窩狀缺陷可以分為縮孔型、氣孔型和夾渣型三種?？s孔型蜂窩狀缺陷主要由縮孔組成，伴有氣孔和夾渣；氣孔型蜂窩狀缺陷主要由氣孔組成，伴有縮孔和夾渣；夾渣型蜂窩狀缺陷主體是夾渣或同時(shí)伴有其它缺陷。下面是用雙晶直探頭對(duì)大量船用鑄鋼件機(jī)加工面進(jìn)行檢測(cè)后，所發(fā)現(xiàn)的三種蜂窩狀缺陷的波形特征。

3.1 縮孔型蜂窩狀缺陷的波形特征

縮孔型蜂窩狀缺陷的反射波呈束狀，波底寬大，波峰分枝，主反射波有時(shí)出現(xiàn)幾個(gè)，在主反射波附近常伴有小反射波。這是因?yàn)榭s孔型蜂窩狀缺陷以縮孔為主，縮孔內(nèi)壁凹凸不平，同時(shí)由于鋼液收縮而出現(xiàn)孔洞，樹(shù)枝狀晶在這里可以自由生長(zhǎng)，所以縮孔壁上都有發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶。另外縮孔中存在氣體或處于真空狀態(tài)，聲壓反射率很高。雖然聲波在介面上的散射嚴(yán)重，但在同一波陣面上的反射體仍能形成較強(qiáng)的反射信號(hào)，因此缺陷波強(qiáng)烈，主缺陷波1～2個(gè)。再因?yàn)榭s孔周圍常伴有夾渣、夾雜物和不同波陣面反射波的時(shí)間不同，在主缺陷波周圍形成了許多小缺陷波，同時(shí)造成了波峰分枝的特征?？s孔型蜂窩狀缺陷的波形及實(shí)物見(jiàn)圖3。

3.2 氣孔型蜂窩狀缺陷的波形特征

氣孔型蜂窩狀缺陷的反射波不高，波峰尖銳，缺陷反射波為多個(gè)尖脈沖成撮分布。這是因?yàn)闅饪變?nèi)壁光滑，多呈球形，其反射聲壓與球形反射體相似。入射到氣孔上的超聲波向各個(gè)方向反射，返回探頭的聲波較少。在缺陷直徑相同的情況下，球形缺陷反射波的聲壓與直徑成正比，而圓形平面反射體的反射波聲壓則與直徑的平方成正比。因而氣孔型缺陷反射波聲壓比同直徑的平面缺陷反射波小得多，其波形及實(shí)物見(jiàn)圖4。

3.3 夾渣型蜂窩狀缺陷的波形特征

夾渣型蜂窩狀缺陷的反射波特征是缺陷波呈束狀，一兩個(gè)主缺陷波附近常伴有許多小缺陷波，波峰分枝，波頭圓鈍而不清晰。缺陷波幅度較高，但降低靈敏度時(shí)，缺陷波下降速度較快。這是因?yàn)閵A渣型蜂窩狀缺陷具有大塊夾渣物的聲學(xué)特征。夾渣雖然破壞了鋼的連續(xù)性，但缺陷處仍填有固體物質(zhì)，具有一定的透聲性能。而由于夾渣與鋼的聲阻抗之差異，使得夾渣又具有良好的聲學(xué)反射特性。其波形及實(shí)物見(jiàn)圖5。

4 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)了用雙晶直探頭檢測(cè)鑄鋼件所得反射波的特征，有助于對(duì)缺陷正確定性，從而正確評(píng)定缺陷。

結(jié)合觀察缺陷反射波的動(dòng)態(tài)波形有助于快速缺陷定位、定量和定性（單個(gè)點(diǎn)狀或密集或蜂窩狀等）。

采用2～4MHz、焦距15～20mm雙晶直探頭，φ3mm靈敏度，對(duì)船用鑄鋼件粗加工面進(jìn)行超聲檢測(cè)，是確保精加工后無(wú)缺陷外露的較好的檢測(cè)技術(shù)。

［1］曾義雄，陳雷.1000WM中壓外缸的超聲波檢查與缺陷處理［J］.無(wú)損檢測(cè)，2010，32（5）：27.

［2］石劍.超聲波檢測(cè)中61°和45°缺陷發(fā)射波形的識(shí)別［J］.無(wú)損檢測(cè)，2009，31（5）：367.