超聲檢測(cè)缺陷分析及假象識(shí)別

任 猛 楊春華 章國(guó)偉 彭仁春 周振福

(亞洲重工集團(tuán)有限公司，江蘇214128)

超聲檢測(cè)缺陷分析及假象識(shí)別

任 猛 楊春華 章國(guó)偉 彭仁春 周振福

(亞洲重工集團(tuán)有限公司，江蘇214128)

準(zhǔn)確判別超聲檢測(cè)缺陷并詳細(xì)描述其產(chǎn)生的過(guò)程及原因，是無(wú)損檢測(cè)人員的職責(zé)。準(zhǔn)確的檢測(cè)報(bào)告對(duì)改進(jìn)工藝、控制操作過(guò)程和提高產(chǎn)品質(zhì)量起到關(guān)鍵性的作用。本文根據(jù)多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一些典型實(shí)例進(jìn)行探討。

超聲檢測(cè);缺陷分析;假象識(shí)別

超聲檢測(cè)是一門(mén)專業(yè)性和技術(shù)性都比較強(qiáng)的學(xué)科，除無(wú)損檢測(cè)專業(yè)知識(shí)外，還需要了解冶煉、澆注、金屬凝固、加熱、鍛造、鍛后、熱處理和機(jī)加工等全過(guò)程的情況，熟知鋼錠中原始11種主要缺陷的分類［1］，掌握它們?cè)跓峒庸み^(guò)程中的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工藝及操作過(guò)程不規(guī)范的現(xiàn)象等等。

對(duì)有些缺陷的定性是比較容易的。比如嚴(yán)格按照有效壓實(shí)鍛造法生產(chǎn)的鍛件，如果鍛后熱處理過(guò)程一切正常，那么檢測(cè)顯示的內(nèi)部缺陷就應(yīng)該是冶金缺陷;如果粗加工之后的檢測(cè)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷，而在性能熱處理后出現(xiàn)問(wèn)題，那么缺陷大多與之前的過(guò)程無(wú)關(guān)。除非是這樣的情況:由于鍛后熱處理過(guò)程不充分，或是鋼錠中原始?xì)浜繃?yán)重超標(biāo)，白點(diǎn)會(huì)在產(chǎn)品中延遲產(chǎn)生，但這是比較容易判斷的。

然而，即使是隨著檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和技巧的不斷積累，也仍然不能完全準(zhǔn)確地確定鋼錠中的缺陷顯示。

1 超聲檢測(cè)主要缺陷分類

1.1 底波嚴(yán)重降低或消失

(1)空洞類缺陷

如縮孔、疏松、內(nèi)部裂紋、白點(diǎn)、內(nèi)部撕裂等，該類缺陷大量吸收聲波。這類缺陷波有比較明顯的特征，相對(duì)獨(dú)立，波形尖銳，時(shí)常伴有游動(dòng)信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)F＞B，甚至底波完全消失。

(2)粗晶

波形呈密集草狀波形態(tài)，比較容易識(shí)別。因?yàn)榫Ы缣幵优帕形蓙y，空隙較多，材料的致密度較低，所以吸收聲波情況嚴(yán)重。

1.2 底波降低量不大

(1)固體類缺陷

如密集或單個(gè)夾雜物、鋼錠冒口或底部夾渣、折疊裹入、異金屬、偏析、析出物、局部混晶等。這些缺陷存在于經(jīng)鍛造壓實(shí)后的基體中，由于材料的致密度比較高，所以吸收底波較少，常常會(huì)有二次以上的底波。對(duì)于截面較小的鍛件，甚至?xí)兴拇我陨系撞āｋS著冶煉技術(shù)的提高，像異金屬和偏析一類的缺陷已經(jīng)很少見(jiàn)到了。

(2)應(yīng)力集中缺陷

該類缺陷的波形很像密集夾雜物，通常發(fā)生在軸類鍛件上。因軸類件彎曲較大，若采用冷較直則其內(nèi)部應(yīng)力集中可導(dǎo)致缺陷顯示。一經(jīng)回火便可消除。

2 超聲波檢測(cè)假象實(shí)例

超聲檢測(cè)假象最常見(jiàn)于異形、有臺(tái)階或表面粗糙的鍛件，如筒類鍛件、矩形鍛件、黑皮檢測(cè)薄管板、軸類鍛件靠近臺(tái)階附近等。因表面粗糙或存在臺(tái)階、棱角、錘印、斜面等因素，致使聲波大量反射、折射，形成類似“海市蜃樓”的現(xiàn)象。最典型的檢測(cè)假象是:只在一個(gè)方向上發(fā)現(xiàn)缺陷，而其它方向沒(méi)有。但對(duì)于黑皮檢測(cè)的薄管板和軸類鍛件靠近臺(tái)階附近的缺陷顯示，就需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和熟知熱加工過(guò)程來(lái)判斷了。下面列舉6種超聲檢測(cè)假象。

2.1 單方向缺陷波

20世紀(jì)80年代，某重機(jī)廠在對(duì)一個(gè)鍛件進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有一個(gè)?26 mm的單個(gè)缺陷，而基體中其它地方?jīng)]有顯示缺陷。更奇怪的是，缺陷波只在一個(gè)方向有，其它兩個(gè)方向沒(méi)有。于是，在質(zhì)量分析會(huì)上，根據(jù)該爐鋼水的冶煉、精煉、澆注過(guò)程分析，認(rèn)為不可能有這么大的非金屬夾雜混入。況且，如果真是非金屬夾雜物，那么在檢測(cè)的三個(gè)方向都應(yīng)該有缺陷波顯示才對(duì)。最后，大家比較傾向于一種說(shuō)法:可能是一塊沒(méi)有充分溶解的異金屬，在鍛造過(guò)程中，由于某方向變形比較集中，被壓成非常薄的扁片，所以只能在一個(gè)方向顯示缺陷。為了驗(yàn)證這個(gè)推斷，決定進(jìn)行認(rèn)真的解剖。首先鋸切到接近缺陷的截面，然后再用銑床邊銑邊腐蝕觀察。不料，直到銑過(guò)了位置許多，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)基體材料中有什么異常或缺陷。

還有兩次類似的經(jīng)歷，一次是在一件42CrMo鍛件中發(fā)現(xiàn)?30 mm的單個(gè)缺陷，也是只有一個(gè)方向檢測(cè)有顯示，其它兩個(gè)方向上沒(méi)有;另一次在一件32CrNi3MoV鍛件中出現(xiàn)?32 mm的單個(gè)缺陷。經(jīng)過(guò)正火+回火處理后，沒(méi)有任何變化。最后用小變形改鍛成其它形狀的鍛件，再檢測(cè)時(shí)缺陷便消失得無(wú)影無(wú)蹤。顯然這兩次也都為檢測(cè)假象。

2.2 大型薄管板的檢測(cè)假象

2003年某廠生產(chǎn)了3件20#鋼大型薄管板，鍛件尺寸為?3 100 mm×210 mm。管板經(jīng)鍛后熱處理后，表面打磨十字黑皮超聲檢測(cè)。不料在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部密集缺陷十分嚴(yán)重。整個(gè)鍛件體積內(nèi)，除去靠近表面的幾十毫米外，底波幾乎完全消失，缺陷當(dāng)量達(dá)?10 mm～?20 mm。

對(duì)此我們進(jìn)行了認(rèn)真分析。制造鍛件的鋼坯質(zhì)量一直比較穩(wěn)定。鍛造時(shí)，為了防止內(nèi)部撕裂，嚴(yán)格按照工藝規(guī)定的窄進(jìn)砧進(jìn)行操作，鍛后熱處理也一切正常?？紤]到金屬流動(dòng)的規(guī)律，像這種截面比較大的薄餅類鍛件，成形時(shí)心部的料不容易向外趕出，自然會(huì)形成外圓薄、中間厚的傘狀斜面形狀，再加上由于窄進(jìn)砧造成的無(wú)數(shù)個(gè)錘印，在超聲波檢測(cè)時(shí)，會(huì)形成底波多次斜面反射，這樣就極易出現(xiàn)檢測(cè)假象。于是，我們決定先加工一個(gè)平面再進(jìn)行檢測(cè)。在車光一個(gè)平面復(fù)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，3件管板中，一共只存在6個(gè)單個(gè)超標(biāo)缺陷。等到再車光另一個(gè)平面后，鍛件內(nèi)已無(wú)任何檢測(cè)缺陷，可謂干干凈凈同白紙一般。

2.3 矩形鍛件檢測(cè)假象

2009年，某廠生產(chǎn)兩件矩形截面閥體，鍛件單重約4.7 t。在六面見(jiàn)光后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)整個(gè)體積內(nèi)布滿密集缺陷。根據(jù)底波降低量不大的情況分析，應(yīng)該定性為固態(tài)缺陷，也就是非金屬夾雜物缺陷。

但是考慮到生產(chǎn)鍛件的鋼錠質(zhì)量一向比較穩(wěn)定，似乎還未出現(xiàn)過(guò)如此大面積的超標(biāo)缺陷。此外還注意到，除了主平面顯示的缺陷比較嚴(yán)重外，另外兩個(gè)平面的檢測(cè)結(jié)果有所差異，而且與主平面檢測(cè)對(duì)應(yīng)的嚴(yán)重缺陷位置，在側(cè)面檢測(cè)時(shí)卻并不明顯。所以，懷疑此缺陷可能為檢測(cè)假象。

檢測(cè)人員反復(fù)觀察對(duì)比幾個(gè)平面的光潔度，感覺(jué)有一個(gè)側(cè)面似乎粗糙了一點(diǎn)點(diǎn)。于是，他安排車工將這一個(gè)側(cè)面重新光刀。結(jié)果，再次檢測(cè)時(shí)，鍛件內(nèi)部竟然也干凈得像一張白紙，找不到一個(gè)明顯缺陷。

2.4 帶錐度的鍛件檢測(cè)假象

某大型管箱座鍛件材料為20MnMo，重量12 567 kg，鍛件帶錐度主要檢測(cè)面規(guī)定為端面。當(dāng)加工至內(nèi)外表面見(jiàn)光、進(jìn)行端面檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部密集缺陷嚴(yán)重超標(biāo)，并且從外圓檢測(cè)也有缺陷。

分析認(rèn)為，鍛件所用的真空精煉鋼錠質(zhì)量十分可靠，幾年來(lái)未出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。端面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的密集缺陷，可能與鍛件帶有錐度、又被車成許多小臺(tái)階棱面有關(guān)。另外還發(fā)現(xiàn)，從上端面檢測(cè)時(shí)，缺陷最嚴(yán)重的區(qū)域位于產(chǎn)品的下半部，而從下端面檢測(cè)時(shí)，缺陷的嚴(yán)重區(qū)域又轉(zhuǎn)移到了上半部，并且與外圓復(fù)驗(yàn)的結(jié)果也不太吻合。據(jù)此，判斷為檢測(cè)假象，指示車間繼續(xù)加工，直至內(nèi)外表面全部光滑、沒(méi)有任何臺(tái)階時(shí)，再進(jìn)行復(fù)檢，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)任何明顯的缺陷信號(hào)。

2.5 長(zhǎng)筒類鍛件端面檢測(cè)假象

2012年12月，某公司生產(chǎn)3件帶臺(tái)階的泵殼體，材料為A105MY，鍛件單重19 640 kg。經(jīng)過(guò)鍛造和鍛后熱處理之后，毛坯檢測(cè)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷。但是在加工出臺(tái)階、進(jìn)行端面檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)底波衰減約10 dB。分析認(rèn)為是內(nèi)部存在輕微粗晶混晶，以為經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后自然會(huì)得到改善。但沒(méi)有料到的是，調(diào)質(zhì)后再進(jìn)行端面檢測(cè)時(shí)，底波衰減反而增大到30 dB。為保證最后處理一次合格，又增加了一次正火，然后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)。結(jié)果事與愿違，出爐冷卻后發(fā)現(xiàn)，底波衰減程度不但沒(méi)有得到改善，反而因?yàn)闊釕B(tài)變形，使筒子的高度減少了100 mm左右，致使3個(gè)鍛件因尺寸不足全部報(bào)廢。

事后分析認(rèn)為，這3個(gè)鍛件應(yīng)該都是質(zhì)量合格的產(chǎn)品，因?yàn)閺耐鈭A檢測(cè)是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何缺陷的。但是在加工出臺(tái)階時(shí)，從端面的檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)效果:①如前所述，帶有臺(tái)階的長(zhǎng)筒端面檢測(cè)時(shí)極易出現(xiàn)假象;②對(duì)長(zhǎng)度為1 700 mm的長(zhǎng)筒進(jìn)行端面檢測(cè)，不但對(duì)儀器的靈敏度是個(gè)考驗(yàn)，而且聲波需要穿透數(shù)以萬(wàn)計(jì)的晶界，由于在晶界處原子排列紊亂、空隙較多，必然要吸收或損失掉一部分底波，造成底波衰減的現(xiàn)象。所以，建議對(duì)長(zhǎng)度較大的筒體檢測(cè)時(shí)，應(yīng)以壁厚方向?yàn)橹?，端面檢測(cè)只作為參考。

那么，為什么調(diào)質(zhì)處理后，底波衰減會(huì)進(jìn)一步增大呢?這個(gè)現(xiàn)象就是與假象有關(guān)。因?yàn)樵跓釥顟B(tài)下，筒體會(huì)因自重而產(chǎn)生變形，在壁厚方向發(fā)生彎曲，使得端面檢測(cè)時(shí)聲波發(fā)生折射，使假象進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.6 不規(guī)范的熱處理過(guò)程造成的檢測(cè)假象

2012年，某廠生產(chǎn)一件20MnMo管板，鍛件尺寸為?2 300 mm×600 mm，交貨重量超過(guò)17 t。材料選用真空精煉鋼錠。在經(jīng)過(guò)鍛造和熱處理之后，毛坯檢測(cè)結(jié)果非常好，幾乎未發(fā)現(xiàn)任何很小的缺陷。在粗加工見(jiàn)光后復(fù)檢，情況仍然如此。但由于出現(xiàn)其他特殊情況，該管板只能在容積只有40 t的水槽內(nèi)淬火，這遠(yuǎn)少于該鍛件所需大約120 t水的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在強(qiáng)行淬火調(diào)質(zhì)后，復(fù)檢時(shí)發(fā)現(xiàn):除去靠近外圓100 mm左右、靠近上下表面幾十毫米外，整個(gè)鍛件內(nèi)部布滿了密集缺陷。從波形和底波降低量不大的情況看，很像是彌散分布的夾雜物，但這顯然與先前3次檢測(cè)的結(jié)果不符。當(dāng)然也不會(huì)是白點(diǎn)，因?yàn)閺腻懞鬅崽幚沓鰻t至調(diào)質(zhì)前，已經(jīng)過(guò)一個(gè)多月，且該鍛件為真空精煉鋼錠，氫含量本來(lái)就不高，正回火工藝又很充分。

最后，決定將該鍛件改制成一個(gè)中心帶有小孔的圓餅類鍛件。加熱保溫后，只施加了不大的變形量。鍛后熱處理結(jié)束后的無(wú)損檢測(cè)，又與前幾次的良好結(jié)果相同，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

分析認(rèn)為，該鍛件在不規(guī)范熱處理之后生產(chǎn)的大量?jī)?nèi)部缺陷，極可能是某種熱態(tài)組織。原因是由于水槽太小，淬火時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重“開(kāi)鍋”現(xiàn)象，使得鍛件內(nèi)部溫度場(chǎng)產(chǎn)生紊亂，熱流來(lái)回涌動(dòng)，造成了非正常組織的出現(xiàn)。

當(dāng)然，從今天我們所掌握的熱處理理論知識(shí)來(lái)看，對(duì)于這種帶有熱態(tài)組織的鍛件，只需加熱到大約1 030℃高溫，先將組織還原，然后再細(xì)化晶粒、重新調(diào)質(zhì)處理，又可重新獲得組織正常的合格產(chǎn)品。

3 結(jié)論

準(zhǔn)確識(shí)別和判定超聲檢測(cè)缺陷需要以廣博的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)做基礎(chǔ)。熟悉冶煉、澆注、熱加工過(guò)程及鋼錠內(nèi)部原始缺陷的種類分布，了解鍛造及熱處理過(guò)程中的異常現(xiàn)象，有助于準(zhǔn)確判別缺陷，并且能為企業(yè)采取正確的處理方法提供有效的幫助。

［1］ 任猛，王祖唐，劉莊.有效壓實(shí)鍛造法.中國(guó)發(fā)明專利第10650號(hào)。

編輯 肖紅原

Defect Analysis and False Recognition in Ultrasonic Testing

Ren M eng，Yang Chunhua，Zhang Guowei，Peng Renchun，Zhou Zhenfu

It is the duty of NDT personnel to determine the defects in ultrasonic testing and to describe their causes and formation process in detail.Accurate reportof the testingwill be useful to improve the quality of products andmanufacture process.Typical examples based on experience will be offered as follows.

ultrasonic testing;defect analysis;false recognition

TG316

B

2013—05—24