大型鑄件超聲檢測(cè)

陳劉輝

摘要：本文研究了大型鑄件的超聲波檢測(cè)方法，對(duì)鑄鋼件中的超聲縱波聲速和衰減系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，并采取直接接觸法用PZT和1-3壓電復(fù)合材料型雙晶探頭進(jìn)行了超聲波檢測(cè)。根據(jù)大型鑄件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的靈敏度要求和掃查方式，確定了檢測(cè)探頭的中心頻率2.5MHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明1-3壓電復(fù)合材料型雙晶探頭能夠有效分辨深度為 5mm 的孔。

關(guān)鍵詞：大型鑄件；雙晶探頭；超聲波檢測(cè)；靈敏度

1.前言

鑄件被廣泛應(yīng)用制造業(yè)中，它在各種類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備中占比較大。而在鑄造鑄件的過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)孔洞類(lèi)缺陷，裂紋、冷隔類(lèi)缺陷，夾雜類(lèi)缺陷等，導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)品不合格造成重大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。因此，需要研究鑄件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)確保鑄件的安全性和可靠性具有重要的實(shí)際意義。

當(dāng)前比較有效的鑄件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括超聲檢測(cè)、X射線(xiàn)透射檢測(cè)及射線(xiàn)層析攝影法等[1]，它們各有其自身的特點(diǎn)，在鑄件檢測(cè)中都得到了不同程度的應(yīng)用，根據(jù)具體被測(cè)鑄件的材料、幾何形狀等特征選擇合適的缺陷檢測(cè)方法是很重要的。但是對(duì)于大型鑄件來(lái)說(shuō)，其特殊的聲學(xué)特性，比如晶粒粗大、組織不致密性等，會(huì)造成超聲波在傳播的過(guò)程中衰減嚴(yán)重。如果對(duì)其采用一般的超聲檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)則很容易造成漏檢和誤檢的危險(xiǎn)。 因此本文采用底波衰減法對(duì)大鑄件質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)

2.鑄件超聲波探傷

超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強(qiáng)、檢測(cè)速度快、成本低和對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)時(shí)，超聲波會(huì)從缺陷處反射而在熒光屏上出現(xiàn)缺陷波，缺陷波的波形及波幅因缺陷的幾何形狀不同而發(fā)生變化，可根據(jù)缺陷波波形特性來(lái)評(píng)判缺陷性質(zhì)。

對(duì)于大厚度的大型鑄件，超聲檢測(cè)則是很有效的，可以比較精確地測(cè)出內(nèi)部缺陷的位置、當(dāng)量大小和分布的情況。鑄件內(nèi)部組織粗大、致密性差，致使超聲波的衰減大、穿透性差。超聲波在粗大的晶粒界面上會(huì)產(chǎn)生雜亂的晶界反射，使聲能衰減嚴(yán)重，檢測(cè)頻率越高衰減越大，由晶界反射產(chǎn)生的雜波干擾越嚴(yán)重，因此，在鑄件檢測(cè)時(shí)，一般選用較低的超聲波頻率。經(jīng)過(guò)表面加工的鑄件可用機(jī)油作偶合劑采用直接接觸法進(jìn)行超聲檢測(cè)，表面粗糙的鑄件可采用水浸法。對(duì)不同類(lèi)型和材質(zhì)的鑄件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，除內(nèi)部質(zhì)量好的鑄件可采用反射法外，一般采用底波衰減法，根據(jù)底波衰減的程度來(lái)評(píng)價(jià)鑄件質(zhì)量。

3.實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)鑄件進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，一般要對(duì)聲速、聲阻抗和材質(zhì)衰減系數(shù)等聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，以便于選擇K 值、頻率、晶片尺寸等探頭參數(shù)。但同種材料不同工件的聲學(xué)特性參數(shù)都有細(xì)微的差別。因此，下面就其聲速和聲阻抗進(jìn)行了測(cè)量。

3.1大型鑄鋼件聲速的測(cè)量

聲速的測(cè)量有很多方法，如共振法、示波器法和用測(cè)速儀直接測(cè)試等。本文采用PXUT-27型數(shù)字探傷儀對(duì)工件進(jìn)行示波器法聲速測(cè)量。

測(cè)試原理為：

3.2大型鑄鋼件試樣檢測(cè)

影響探頭檢測(cè)效果的因數(shù)很多，檢測(cè)效果是否達(dá)到最佳狀態(tài)需要經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試才能獲取，所以檢測(cè)時(shí)采用不同頻率的探頭分別調(diào)節(jié)一下靈敏度以選擇適當(dāng)?shù)念l率參數(shù)。

3.2.1 頻率的選擇

對(duì)鑄件檢測(cè)來(lái)說(shuō)探頭頻率的選擇是最為重要的工作之一，檢測(cè)頻率一般為0.5～5MHz。厚度較大的可在此范圍內(nèi)選擇較低一點(diǎn)的頻率，厚度較小或經(jīng)過(guò)晶粒細(xì)化處理的工件可在此范圍內(nèi)選擇較高一點(diǎn)的頻率。

按照 3.1 節(jié)中測(cè)量的聲速我們可以算出超聲波在不同頻率下在工件中的波長(zhǎng)。當(dāng)？=1.25MHz 時(shí)，λ=4.76mm；當(dāng)？=2.5MHz 時(shí)，λ=2.38mm；當(dāng)？=5.0MHz 時(shí)，λ=1.19mm。利用 PXUT-27 型數(shù)字機(jī)在不同的頻率對(duì)探傷靈敏度進(jìn)行了調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)靈敏度是先按照工件兩平行面的底波來(lái)調(diào)整，再按照φ2當(dāng)量的平底孔進(jìn)行修正。

3.2.2 探頭選擇和掃查方式

對(duì)于外徑和厚度較大的管類(lèi)鑄件其受力部位一般都在管的內(nèi)表面，如果管的外壁較為光滑耦合較好，則除了在兩端面用直探頭掃查外還要從管外用直探頭和斜探頭徑向掃查，斜探頭要正反兩個(gè)方向掃查，以便發(fā)現(xiàn)不同取向的缺陷。但是大型鑄件的外表面一般很粗糙，模砂和坑凹很多探頭難以耦合，遇到這種情況可以從內(nèi)表面徑向探測(cè)。但是一般的直探頭有一定的盲區(qū)和始波占寬，很難保證內(nèi)近表面缺陷的檢測(cè)，如此可選擇雙晶直探頭從內(nèi)表面進(jìn)行掃查。

雙晶探頭尺寸參數(shù)的也很重要，主要是根據(jù)工件的形狀和尺寸來(lái)選擇。對(duì)于曲率半徑大或厚度較大的工件可選擇較大的晶片尺寸；對(duì)于曲率半徑較小的工件則要選擇小尺寸的晶片，如果選的過(guò)大則耦合不好。

用兩種不同的雙晶探頭，一種晶片為 1-3 壓電復(fù)合材料）對(duì)工件的離內(nèi)表面不同深度的φ3 長(zhǎng)橫孔進(jìn)行了掃查。

普通的 PZT 雙晶探頭對(duì) 5mm 深的孔也難以分辨，而1-3 壓電復(fù)合材料雙晶探頭對(duì)深度為 5mm 的孔能很好的分辨出來(lái)且波形很尖銳。這是因?yàn)?1-3 壓電復(fù)合材料晶片有高阻尼、低機(jī)械 Q 值等優(yōu)良特性，使回波的波形尖銳而且可以很好的抑制雜波。

4.結(jié)論

本文采用底波衰減法研究大鑄件超聲波探傷，得出以下結(jié)論：

（1） 測(cè)試出大型筒類(lèi)鑄鋼件的聲速為5955m/s，材質(zhì)衰減系數(shù)為0.071dB/mm。

（2） 說(shuō)明了探測(cè)大型鑄鋼件時(shí)選擇探頭頻率的原則，在大致確定頻率范圍的情況下，要根據(jù)靈敏度的要求從低頻到高頻逐個(gè)選擇探頭進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保在靈敏度滿(mǎn)足要求的條件下盡量選擇頻率較低的探頭進(jìn)行檢測(cè)。靈敏度的調(diào)節(jié)一般是根據(jù)被檢工件的兩平行底面的底面波來(lái)調(diào)節(jié)，以保證材質(zhì)的同一性。探頭晶片的尺寸要根據(jù)工件的大小和形狀來(lái)選擇，主要是要滿(mǎn)足能量和耦合的要求。

（3） 針對(duì)文中所涉及的筒類(lèi)鑄件，介紹了探頭和掃查方式的選擇原則。除了平行端面要用直探頭雙面掃查外，當(dāng)外表面光滑時(shí)從外表面用直探頭和斜探頭掃查，當(dāng)外表面粗糙時(shí)從內(nèi)表面用雙晶探頭掃查。

（4） 使用1-3壓電復(fù)合材料晶片可以有效地抑制草狀回波而且可以銳化波形。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐麗，剛鐵，張明波，郭立偉. 鑄件缺陷無(wú)損檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀[J]. 鑄造，2002，09：535-540.