關(guān)于鑄件超聲檢測(cè)的探討

摘 要：在鑄造鑄件的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以及時(shí)找出有問(wèn)題的產(chǎn)品，并評(píng)定其質(zhì)量等級(jí)。將問(wèn)題定性定量有助于采用適當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)減少?gòu)U品量、降低成本。超聲波檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)鑄件缺陷的有效方法之一。因?yàn)殍T件本身具有晶粒粗大、組織不致密、組織不均勻和表面粗糙等特點(diǎn)，所以，給超聲檢測(cè)造成了一定的困難，比如超聲波穿透性差、雜波干擾嚴(yán)重等。簡(jiǎn)要探討了鑄件超聲檢測(cè)的相關(guān)內(nèi)容，解讀了鑄件超聲檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，以期為工業(yè)生產(chǎn)中鑄件檢測(cè)工作提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鑄件；超聲檢測(cè)；檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；可探測(cè)性試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.114

在機(jī)器制造業(yè)中，鑄件被廣泛應(yīng)用，它在各種類(lèi)型的機(jī)器設(shè)備中占有較大比例。而在鑄造鑄件的過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，因此，需要采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)確保產(chǎn)品的質(zhì)量及其安全性和可靠性。

由于鑄造生產(chǎn)工序多、工藝復(fù)雜、勞動(dòng)條件差，所以，鑄件容易出現(xiàn)組織疏松、晶粒粗大、縮孔、縮松和氣孔等問(wèn)題，進(jìn)而降低鑄件的沖擊韌性。除此之外，不僅鑄造工藝會(huì)影響鑄件質(zhì)量，鑄型材料、模具、熔煉和澆注等因素都會(huì)影響鑄件質(zhì)量。而鑄件形狀復(fù)雜、表面粗糙等缺陷會(huì)影響超聲檢測(cè)的正常進(jìn)行。

1 鑄件無(wú)損檢測(cè)方法簡(jiǎn)介

截至目前，研究最多且比較有效的鑄件缺陷無(wú)損檢測(cè)方法包括射線照相法、工業(yè)CT層析攝影法和超聲檢測(cè)法。雖然現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)方法有20多種，但是，就鑄件本身來(lái)說(shuō)，主要是用射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)來(lái)檢查其內(nèi)部缺陷，用磁粉、渦流、滲透等方法檢查鑄件表面和近表面的缺陷。因?yàn)殍T件表面比較粗糙，形狀比較復(fù)雜，所以，表面檢測(cè)方法應(yīng)用得并不多。下面簡(jiǎn)要介紹3種鑄件內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)方法。

1.1 射線照相法

當(dāng)射線穿透物體時(shí)，能量會(huì)有一定的衰減，而透過(guò)物體的射線會(huì)在膠片上形成潛影，經(jīng)過(guò)暗室處理后反映在底片上的就是黑度差。所以，有缺陷的鑄件底片上會(huì)呈現(xiàn)黑度差，即缺陷影像。該方法通常用來(lái)檢測(cè)鑄件內(nèi)部缺陷，因?yàn)樗鼘?duì)氣孔和夾雜等體積型缺陷比較敏感，很少會(huì)受到工件外形和表面狀態(tài)的影響。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是缺陷能夠直觀地顯示出來(lái)，便于對(duì)缺陷定性和定量。

1.2 工業(yè)CT層析攝影法

該方法多用于性能要求比較高和形狀復(fù)雜的鑄件缺陷檢測(cè)，它的工作原理與射線照相法相似，但是，它需要利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理能力分層掃查工件，再用相關(guān)算法將各層信息合成起來(lái)，從而準(zhǔn)確描繪出工件缺陷的三維信息。

1.3 超聲檢測(cè)法

利用探頭的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)發(fā)射超聲波穿透工件，

當(dāng)遇到缺陷時(shí)，超聲波反射出的信息會(huì)被探頭接收到，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電信號(hào)顯示在儀器上。該方法能夠檢測(cè)鑄件內(nèi)部和近表面的缺陷，方便快速、靈敏度較高、檢驗(yàn)厚度大、成本低、無(wú)防護(hù)問(wèn)題，通常用于產(chǎn)品的100%初檢。由此可見(jiàn)，這種方法更適用于檢測(cè)厚度大的工件內(nèi)部缺陷。因?yàn)殍T件近表面有盲區(qū)，所以，通常要求雙面或雙側(cè)檢測(cè)。另外，在檢測(cè)過(guò)程中，還可以與射線檢測(cè)相互配合，定位檢測(cè)厚度大的鑄鋼件內(nèi)部缺陷。使用雙晶探頭能有效檢測(cè)鑄件近表面的缺陷。

2 鑄件超聲檢測(cè)的特點(diǎn)

鑄件超聲檢測(cè)具有特殊性和局限性。鑄件晶粒粗大會(huì)導(dǎo)致超聲波嚴(yán)重衰減，進(jìn)而影響超聲波檢測(cè)的指向性，發(fā)生異常反射，例如草狀回波和林狀回波，即干擾信號(hào)。干擾雜波會(huì)降低信噪比，尤其是當(dāng)檢側(cè)頻率比較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的干擾信號(hào)。這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)與頻率成反比，波長(zhǎng)與頻率的乘積是一個(gè)常數(shù)，它與晶片厚度有關(guān)，頻率越大，則波長(zhǎng)越短，超聲波的衍射能力越低，所以，要用較小的頻率檢測(cè)鑄件。由惠更斯原理可知，波的衍射與障礙物尺寸Df和波長(zhǎng)λ有關(guān)——當(dāng)Df遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于λ時(shí)，波的繞射強(qiáng)，反射弱，缺陷回波很低，容易偏檢；當(dāng)Df遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于λ時(shí)，波得反射強(qiáng)，繞射弱，聲波幾乎全反射；當(dāng)Df與λ相當(dāng)時(shí)，既有反射又有繞射。

由上述理論可知，檢測(cè)靈敏度與晶粒大小有密切的關(guān)系，理論上認(rèn)為，小于晶粒尺寸的缺陷是檢測(cè)不出來(lái)的，所以，GB/T 7233中指出，超聲檢測(cè)適用于非奧氏體細(xì)化晶粒鑄件的檢測(cè)。關(guān)于鑄件的超聲可探性，GB/T 7233標(biāo)準(zhǔn)附錄中有詳細(xì)的講解。超聲波用來(lái)檢測(cè)大于晶粒尺寸的缺陷，因此，應(yīng)根據(jù)鑄件特點(diǎn)去分析、排除干擾信號(hào)（比如林狀、草狀雜波）。

鑄件組織的不致密性、不均勻性會(huì)使超聲波能量衰減，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示聲能衰減會(huì)造成聲速差異。由相關(guān)資料和實(shí)際測(cè)定情況可知，聲速最大差異可達(dá)5%.另外，鑄件內(nèi)部各向異性柱狀晶粒還會(huì)改變聲波的傳播途徑，影響鑄件超聲檢測(cè)的缺陷定位。

此外，鑄件毛坯表面比較粗糙，存在游離的石墨。采用超聲波探傷時(shí)，如果超聲波被大量散射，那么，就會(huì)產(chǎn)生大量的干擾信號(hào)，進(jìn)而降低信噪比。如果鑄件近表面干擾信號(hào)的回波高度比較大，那么，近表面的缺陷檢測(cè)會(huì)變得更加困難。

3 鑄件超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

為了進(jìn)一步規(guī)范檢測(cè)秩序，經(jīng)過(guò)相關(guān)部門(mén)的協(xié)商，由公認(rèn)機(jī)構(gòu)制訂、批準(zhǔn)，將相應(yīng)領(lǐng)域共同使用和重復(fù)使用的規(guī)范性文件稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定了操作規(guī)則和操作結(jié)果的特殊值，供各單位使用，進(jìn)而有效規(guī)范預(yù)定領(lǐng)域內(nèi)的活動(dòng)。

我國(guó)現(xiàn)行的一般用途鑄鋼件超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)歐洲鑄件超聲標(biāo)準(zhǔn)翻譯、改編的。其中，《鑄鋼件超聲波探傷及質(zhì)量評(píng)定方法》（GB/T 7233—2009）是由《鑄鋼件超聲檢測(cè)》（EN 12680—2003）改編而來(lái)，歐標(biāo)原文包括3個(gè)部分，而我國(guó)取用前兩部分，并將其改編為《鑄鋼件超聲檢測(cè)第一部分：一般用途鑄鋼件》（GB/T 7233—2009）和《鑄鋼件超聲檢測(cè)第二部分：高承壓鑄鋼件》（GB/T 7233—2010）。歐標(biāo)的第三部分是《球墨鑄鐵件》。EN 12680—2003不僅適用于歐盟內(nèi)部，澳大利亞、新西蘭等國(guó)家也采用此標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，使用最多的是第一部分。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，我國(guó)用《鑄鋼件超聲波探傷及質(zhì)量評(píng)定方法》（GB/T 7233—2009）代替了《鑄鋼件超聲探傷及質(zhì)量評(píng)定方法》（GB/T 7233—1987）。新修訂的版本全面調(diào)整了標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，并與國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌。這樣做的目的是使鑄鋼件超聲檢測(cè)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相一致，消除技術(shù)壁壘，為我國(guó)加入WTO后的國(guó)際貿(mào)易需求奠定基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)的第一部分規(guī)定了一般用途鑄鋼件的超聲檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)的第二部分規(guī)定了高承壓鑄鋼件的超聲檢測(cè)。不同用途的鑄鋼件有其相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，它的存在能夠滿(mǎn)足鑄鋼件在更多領(lǐng)域的使用需求。

4 鑄件可探測(cè)性測(cè)試

同一個(gè)鑄件用不同的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，再通過(guò)檢測(cè)結(jié)果分析它們的異同，從而進(jìn)一步解釋差異的原因。試驗(yàn)時(shí)，使用5個(gè)經(jīng)過(guò)機(jī)加工的鑄鋼件，它們都存在自然缺陷或人工缺陷（Φ2 mm平底孔），尺寸分別為102 mm×80 mm×96 mm、103 mm×95 mm×86 mm、103 mm×97 mm×80 mm、Φ102 mm×86 mm和Φ100 mm×81 mm。

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，在鑄件超聲檢測(cè)之前應(yīng)測(cè)量超聲的可探測(cè)性。GB/T 7233—2009中明確規(guī)定，Φ3 mm平底孔（厚度≤300 mm的鑄鋼件）回波高度應(yīng)高于同聲程雜波回波高度6 dB；JB/T 5000則規(guī)定，當(dāng)探傷靈敏度反射回波（Φ6 mm平底孔）比同聲程噪聲信號(hào)回波高8 dB以上時(shí)，其可探性符合要求。

通過(guò)比較、參考反射體回波高度（本試驗(yàn)為第一次底波）和噪聲信號(hào)來(lái)確定鑄鋼件可探測(cè)性的準(zhǔn)確度。比較時(shí)，應(yīng)選擇鑄鋼件中最具代表性的區(qū)域——該區(qū)域必須是上下面平行的最大厚度處。根據(jù)GB/T 7233對(duì)厚度要求的不同，超聲可探性要求如表1所示，測(cè)試結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，5個(gè)工件全部滿(mǎn)足可探性要求。

5 總結(jié)

鑄件超聲檢測(cè)的要求比較低，主要是因?yàn)殪`敏度要求比較低，所以，需要測(cè)試材料的超聲可探測(cè)性。檢測(cè)要點(diǎn)是，采用低頻率（1～2.5 MHz）、小晶片（Φ10～Φ20 mm）探頭檢測(cè)，當(dāng)雜波信號(hào)過(guò)大時(shí)，應(yīng)降低檢測(cè)靈敏度，關(guān)注底波劇烈衰減區(qū)域。GB/T 7233更新后，最主要的變化是修改了其適用范圍和質(zhì)量分級(jí)。質(zhì)量分級(jí)由原來(lái)的1級(jí)至4級(jí)增加到1級(jí)至5級(jí)。此外，新標(biāo)準(zhǔn)把鑄鋼件分為內(nèi)外兩層，并分別評(píng)級(jí)。這樣修改的好處是區(qū)別對(duì)待不同層區(qū)工件的2個(gè)性能，使其更加符合鑄件自身的質(zhì)量要求。修改后的標(biāo)準(zhǔn)逐漸與歐洲標(biāo)準(zhǔn)接軌，有利于對(duì)外技術(shù)交流和對(duì)外貿(mào)易的順利進(jìn)行。

作者簡(jiǎn)介：王洪良（1964—），男，工程師，畢業(yè)于南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事射線和超聲無(wú)損檢測(cè)方面的工作。

〔編輯：白潔〕