高合金鑄鋼件超聲波檢測及波形識別

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

高合金鑄鋼件超聲波檢測及波形識別

拓凌璽，李飛，李磊，蘇星星

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

對高合金鑄鋼件超聲波檢測的方法、典型缺陷及實(shí)際檢測中缺陷波形的特征，進(jìn)行了總結(jié)，可供同行參考。

高合金；超聲波檢測；鑄鋼件；缺陷波形

隨著國家對能源設(shè)備質(zhì)量要求越來越高，國家質(zhì)量以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，能源設(shè)備必須進(jìn)行超聲檢測以保證質(zhì)量安全。本文主要介紹與能源設(shè)備有關(guān)的高合金鑄鋼件的不同缺陷所對應(yīng)的超聲波形特征。在材料學(xué)領(lǐng)域中規(guī)定：鋼鐵中只要有一種合金元素的含量在10%以上的合金鋼就被稱為高合金鋼。

超聲檢測主要是基于超聲波在工件中的傳播特性以及在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)分界面時(shí)會發(fā)生反射[1]，從而可以檢測出缺陷。

超聲波以耦合劑為中介進(jìn)入鑄鋼件內(nèi)部，如果遇到工件內(nèi)的缺陷（如裂紋、氣孔、夾渣等）其聲阻抗會發(fā)生變化，從而使超聲波的傳播方向和特征被改變，改變后的超聲波通過檢測設(shè)備被接收并對其進(jìn)行處理和分析。檢測人員可以根據(jù)回波的特征，評估工件內(nèi)部是否存在缺陷以及缺陷危害程度，同時(shí)可以結(jié)合鑄造工藝對缺陷的大小、位置和性質(zhì)做進(jìn)一步判斷。

1 高合金鑄鋼件常規(guī)缺陷的來源

高合金鑄鋼件的常規(guī)缺陷主要分為5大類，分別是：縮松、縮孔、裂紋（熱裂和冷裂）、夾渣、以及氣孔等。

裂紋分為熱裂與冷裂兩大類，兩者的主要區(qū)別就是裂紋出現(xiàn)時(shí)機(jī)不同。熱裂主要發(fā)生在工件凝固后期，而冷裂是在鑄造過程中產(chǎn)生的。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高合金鑄鋼件相對碳鋼來說后期更容易出現(xiàn)冷裂現(xiàn)象。

縮松是鑄鋼件內(nèi)外表面存在的一種大量的密集且分散的小縮孔，縮孔處晶粒粗大，超聲底波損失嚴(yán)重。形成的原因：主要是液態(tài)合金充滿模型腔后，最外層液態(tài)合金向模型壁散熱較快，因此外壁合金很快凝固。鑄鋼件最后凝固的地方，溫度差異幾乎沒有，所有液態(tài)合金幾乎同時(shí)凝固，因而各處液態(tài)合金收縮得不到外部補(bǔ)償，各晶粒之間就形成了許多密集小孔洞。這些缺陷常發(fā)生在鑄件內(nèi)澆道附近、冒口根部、厚大部位以及鑄件大截面或鑄件截面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的部位。

縮孔集中在鑄件上部和最后凝固的部位，通常隱藏在在鑄件內(nèi)，有時(shí)縮孔也會出現(xiàn)在在鑄件的上表面，呈明顯凹坑?？s孔的特征是：形狀不規(guī)則，多數(shù)近于倒圓錐形，內(nèi)表面粗糙[2]。

夾雜主要來源于兩個(gè)方面：第一，鋼水的純凈度以及返回料的比例；第二，模型中型砂表面強(qiáng)度及型腔的干凈程度。

氣孔的形成原因是：①模具排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良，導(dǎo)致氣體不能順利排出。②模型上的涂料性能不好，本身排氣性不佳甚至自身揮發(fā)出氣體，導(dǎo)致成形后內(nèi)部存在氣孔。

我們只有了解了高合金鑄鋼件缺陷產(chǎn)生的原因，才能更好地通過超聲波形判定缺陷種類以及危害程度。

2 鑄鋼件超聲檢測方案

當(dāng)量法是超聲波檢測鑄件缺陷時(shí)常用的方法，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及客戶對產(chǎn)品的質(zhì)量要求來確定當(dāng)量。根據(jù)缺陷定量方法，當(dāng)量法可以分為當(dāng)量試塊比較法、當(dāng)量計(jì)算法和當(dāng)量A V G曲線法三種。

1）當(dāng)量試塊比較法是利用加工有人工缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試塊，通過人工缺陷波高與被檢缺陷波高的比對，用實(shí)測方法完成對缺陷的定量。

2）當(dāng)量計(jì)算法利用缺陷波高與人工缺陷波高的差異，通過計(jì)算完成對缺陷的定量，定量當(dāng)量計(jì)算可以利用平底孔與平底孔的換算，也可以利用平底孔與大平底的換算。

3）當(dāng)量A V G曲線法綜合了當(dāng)量試塊比較法和當(dāng)量計(jì)算法，通過圖表的方法完成對缺陷的定量。

2.1 距離波幅曲線法（DAC法）

利用與工件材質(zhì)相同，且可以覆蓋鑄件最大截面厚度的試塊進(jìn)行對比，制作曲線時(shí)需要注意以下3點(diǎn)內(nèi)容：

1）在超聲波顯示屏上記錄試塊各平底孔反射波高達(dá)到滿屏80%的各點(diǎn)，然后利用曲線依次連接這些點(diǎn)，此曲線即為距離波幅曲線。

2）試塊材質(zhì)必須與工件材質(zhì)一致，且試塊最大平底孔深度必須大于鑄件最大截面厚度。

3）檢測前要考慮試塊表面與鑄件表面粗糙度的影響，必要的時(shí)候進(jìn)行耦合補(bǔ)償。

距離波幅曲線的優(yōu)點(diǎn)是：該方法對缺陷定量、定位比較直觀且易操作；缺點(diǎn)是：此種方法不適合野外檢測，由于對工件進(jìn)行檢測時(shí)需要攜帶大量的對比試塊，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2.2 距離波幅當(dāng)量曲線（AVG曲線）

檢測人員可以直接利用鑄件的大平面進(jìn)行A V G曲線的繪制，具有不攜帶對比試塊，無需再進(jìn)行耦合補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。

3 高合金鑄鋼件常見缺陷的波形特征

在檢測過程中，對于高合金鑄鋼件缺陷性質(zhì)與位置的判斷是依據(jù)缺陷回波的強(qiáng)弱、形狀以及底波的變化情況進(jìn)行綜合考慮的。在下文中列舉出鑄鋼件常見缺陷的回波特征，這些波形可作為判別缺陷性質(zhì)的參考。

3.1 鑄鋼件中線性裂紋

線狀裂紋超聲回波特征（如圖1所示）：

圖1 線性裂紋其波形

1）缺陷回波幅度較大，波峰尖銳。

2）當(dāng)移動探頭時(shí)，缺陷動態(tài)波形最上端沿包絡(luò)線來回移動。

3）橫波斜探頭掃查方向平行于缺陷延伸方向時(shí)，一般無缺陷回波（除過裂隙）；只有當(dāng)橫波探頭掃查方向垂直于缺陷延伸方向時(shí)才會出現(xiàn)缺陷回波。

3.2 鑄鋼件中網(wǎng)狀擴(kuò)散裂紋缺陷

網(wǎng)狀擴(kuò)散裂紋超聲回波特征（如圖2所示）：

圖2 網(wǎng)狀擴(kuò)散裂及其波形

1）橫波斜探頭掃查缺陷時(shí)，缺陷四周幾乎都有缺陷回波。

2）缺陷回波反射強(qiáng)烈，波峰尖銳。

3.3 鑄鋼件中的點(diǎn)狀型缺陷

點(diǎn)狀型夾渣超聲回波特征（如圖3所示）：

1）在移動探頭時(shí)缺陷回波出現(xiàn)或者消失速度極快。

2）底波高度基本沒有損失。

3）缺陷回波的波峰尖銳且清晰，反射強(qiáng)烈。

3.4 鑄鋼件中的面積型夾渣缺陷

面積型夾渣超聲回波特征（如圖4所示）：

圖3 點(diǎn)狀缺陷及其波形

圖4 面積型夾渣缺陷及波形

圖5 線型夾渣缺陷及波形

1）缺陷回波高低隨著探頭的移動時(shí)高時(shí)低，回波占寬比大。

2）缺陷回波波峰比較圓滑，無尖銳現(xiàn)象，且反射波比較雜亂。

3）底波高度降低明顯甚至消失。

3.5 線型夾渣缺陷

線型夾雜缺陷超聲回波特征（如圖5所示）：

1）缺陷回波高低隨著探頭的移動時(shí)高時(shí)低，回波顯示較為獨(dú)立，底波損失嚴(yán)重。

2）利用雙晶斜探頭檢測時(shí)缺陷回波動態(tài)波形的包絡(luò)線非常顯著，但是利用直探頭檢測時(shí)幾乎沒有回波顯示。

3.6 鑄鋼件中的縮松缺陷

縮松缺陷回波特征（如圖6所示）：

圖6 縮松缺陷及波形

1）缺陷回波伴隨著許多雜波以及草狀回波，缺陷回波占寬比大。

2）缺陷回波波幅相對縮孔波幅低、當(dāng)量小。

3）底波高度損失加劇，底波反射次數(shù)明顯減少。

3.7 鑄鋼件中的縮孔缺陷

縮孔缺陷超聲回波特征（如圖7所示）：

圖7 縮松缺陷及波形

1）缺陷回波較高，回波占寬比相對于其它類型缺陷最大。

2）底波無顯示，完全消失。

3.8 鑄鋼件中的氣孔

氣孔缺陷超聲回波特征（如圖8所示）：

圖8 縮松缺陷及波形

1）直探頭檢測時(shí)，單個(gè)氣孔缺陷出現(xiàn)時(shí)，底波完全顯示，幾乎無損失。

2）密集氣孔和線性氣孔出現(xiàn)時(shí)，底波隨著氣孔的嚴(yán)重程度逐漸降低，直到全部消失。

4 結(jié)語

高合金鑄鋼件由于材質(zhì)的原因?qū)е氯毕莩暡ㄐ螐?fù)雜，因此在實(shí)際檢測中給操作者評判缺陷帶來了很大的困難。在本文中將缺陷與超聲波形進(jìn)行對比，這些對比結(jié)論可以在實(shí)際檢測中為高合鑄鋼件缺陷判定提供一種參考。

［1］鄭暉.超聲檢測［M］.第二版.北京：中國勞動社會保障出版社，2007：3

［2］梁戈.機(jī)械工程材料與熱加工工藝［M］.第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006:135.

Ultrasonic Test and Waveform Recognition for High Alloy Steel Casting Defects

TA Ling-xi，LI Fei，LI Lei，SU Xing-xing
（Kocel Steel Foundry CO.，LTD.，Yinchuan Ningxia 750021，China）

The paper reviews ultrasonic test methods，typical defects and characteristics of defects waveform during practical detection for steel casting，which may provide a reference for other counterparts.

high alloy，ultrasonic testing，steel casting，defect waveform

TG247

A

1674-6694（2016）06-0041-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.06.013

2016-07-07

拓凌璽（1979-），男，助理工程師，主要從事無損檢測及研究工作。