鑄件缺陷的超聲波定性檢測

唐愛國，孫存忠

(浙江佳力風能技術有限公司, 杭州 311241)

鑄件缺陷的超聲波定性檢測

唐愛國，孫存忠

(浙江佳力風能技術有限公司, 杭州 311241)

利用超聲波檢測鑄件的中心區(qū)和邊緣區(qū)缺陷，對鑄件上不同缺陷的回波波形進行對比分析，并對缺陷部位進行解剖驗證。結果表明，采用不同型號的探頭從不同方向對鑄件檢測時，要結合鑄造工藝、缺陷特征、缺陷波形和底波情況來綜合分析、評估缺陷性質，才能提高檢測的可靠性，給工藝、管理的改進提供可靠依據。

超聲波；球鐵件；缺陷回波；疏松；夾渣；夾砂；解剖；定性

球墨鑄鐵件的缺陷種類有很多，常見的有夾渣、夾砂、氣孔、縮孔、疏松、冷隔、裂紋等，這些缺陷會減少鑄件承受的載荷截面面積，引起局部應力集中，嚴重降低鑄件的使用性能，導致關鍵承力鑄件過早失效而發(fā)生破壞。利用超聲波探傷可以檢測球墨鑄鐵件中心區(qū)和邊緣區(qū)缺陷，并判定缺陷的位置和大小。然而，目前的A型超聲波探傷儀只能提供缺陷回波的深度和幅度兩方面的信息，特別是有些缺陷回波波形相似，如果缺陷處于邊緣區(qū)或近場區(qū)，檢測人員要據此判定缺陷的種類就更加困難。這就要求檢測人員熟悉在實際檢測中鑄件的工藝特性，以及不同部位易產生缺陷的特征，并能通過對缺陷波形和底波回波的細微差別來分析估計缺陷的性質。缺陷很多的鑄件要報廢，檢測人員對是否報廢有分歧時，可以對鑄件進行解剖驗證，從而提高檢測結果的可靠性。

通過準確判定缺陷的種類，可以及時制定正確的檢測方案、降低成本、提高產品質量和工藝水平。筆者介紹了易出現(xiàn)在鑄件邊緣區(qū)或近場區(qū)的疏松、夾渣、夾砂三種相似波形的缺陷，并通過解剖、滲透檢測進行對比驗證。

1 試驗對象與儀器

試驗材料牌號為QT400-18AL，選用型號為USM35X-S的A型顯示脈沖反射數(shù)字式超聲波探傷儀，探頭選用帶軟保護膜的B2S直探頭與雙晶縱波SEB2直探頭，耦合劑采用化學漿糊。

2 試驗過程

2.1校正儀器3件鑄件被檢測區(qū)域總厚度在100250 mm以內，鑄件上、下平面基本平行，總聲程對應設定在150300 mm之間。測量低溫風電球墨鑄鐵件的聲速時，參考標準EN12680-3:2011《鑄造 超聲波探傷 第三部分：球墨鑄鐵件》，一般要求聲速在5 500 m·s-1以上。需要將其第一個背面回波與噪聲信號進行比較，背面回波至少應比噪聲信號高6 dB，靈敏度要求是φ8 mm平底孔，但靈敏度應放大到可以看到噪聲，約為平底孔φ2φ3 mm之間。

2.2檢測方向的選擇結合鑄件工藝澆注方向(見圖1)，一般鑄件上表面邊緣區(qū)氧化渣多，且屬于檢測近場區(qū)，雜波多而影響判定；鑄型下面的鐵水比較純凈，近表面基本無氧化渣，所以應選擇從下往上檢測。實際檢測中，檢測人員要視鑄件外形結構及現(xiàn)場具體狀況來判斷從哪個方向進行檢測。對于形狀特殊的鑄件無法將底平面朝上放置，只能從上表面往下檢測，當發(fā)現(xiàn)有異常波時，再從下往上檢測。檢測應在外觀目視檢驗合格后進行。

圖1 鑄件工藝澆注方向示意

2.3波形分析

異常波形的表現(xiàn)形式為：一是鑄件背面回波的衰減；二是鑄件中間為異常波形。特別要注意的是異常波形從近場盲區(qū)就開始，而底波不可見(見圖2)。

圖2 鑄件檢測異常波形

圖2為鑄件上部表面和近表面出現(xiàn)的異常波。結合鑄件工藝特性，鑄件上部易產生疏松、夾渣、夾砂等缺陷，而此3類缺陷波形狀又相似，為了更準確地分析缺陷性質，要進一步進行檢測和分析。

2.4缺陷分析

這3種缺陷產生的機理不同。夾渣主要表現(xiàn)為：一是澆注時由于鐵水包中的熔渣沒有與鐵水分離，熔渣混進鑄件而形成氧化夾渣；二是鐵水在型腔內與化合物發(fā)生化學反應生成二次氧化渣，氧化渣的密度較小，浮于上部表面。夾砂是澆鑄時由于砂型型腔內碎砂殘留或砂型強度低，表面砂子剝落，或合型時磕碰掉的砂塊混進鑄件而形成的鐵夾砂、碎砂粒。砂的密度也較小，浮于上部表面。疏松是由鑄件在凝固過程中因補縮不良而在最后凝固區(qū)域形成的細小、分散性的縮孔聚焦而成的，其宏觀斷口形貌呈海綿狀，有時要借助著色試驗才能發(fā)現(xiàn)。疏松、夾渣、夾砂這3種類型缺陷的外觀、波形、滲透檢測結果如圖3～5所示。其中疏松、夾渣、夾砂分別在壁厚192，148.5，105 mm處，疏松、夾渣、夾砂的第一次底波位置分別為192，150.2，109.7 mm。

(1) 從解剖圖來看，疏松缺陷目視分辨不明顯，借助放大鏡可見枝晶狀孔洞，內壁與基體顏色一致，沒有被氧化的痕跡；氧化夾渣目視有花斑，與基體顏色不一致，有打磨過燒的痕跡；夾砂內含砂粒、砂塊、涂料粉沫，表面非常松散，有大小不一致的凹坑、顆粒狀小白點，內壁有發(fā)黑。

(2) 從B2S靜態(tài)圖可看出，第一次底波消失或基本消失，缺陷所處的位置都在邊緣區(qū)，潛在風險比較大，需要具體分析缺陷性質和波形關系。

第一，重點分析B1的聲程?？梢赃m當提高增益或在這缺陷區(qū)域內稍微移動探頭，找到B1波，會發(fā)現(xiàn)只有疏松部位的B1聲程為192 mm，等于本體壁厚192 mm；而夾渣、夾砂位置的B1聲程為150.2，109.7 mm，都要大于本體壁厚148.5，105 mm。說明氧化夾渣、夾砂的部位的聲波傳播時發(fā)生了反射、透射現(xiàn)象，其聲速都要小于鑄鐵，而采用鑄鐵的聲速測量，總的聲程必然大于總壁厚。而疏松部位B1聲程為什么沒有變大，主要是因為疏松內含有氣體，因其聲阻抗與鑄鐵聲阻抗相差很大，可以近似地認為聲波在缺陷表面是全反射，沒有發(fā)生透射，反射波是經過無疏松的位置傳播過去的，所以B1的聲程等于本體壁厚。從以上分析可知，疏松與夾渣、夾砂的區(qū)別就在于疏松總的聲程等于檢測區(qū)域的本體壁厚。

第二，從缺陷波的高低來區(qū)分是氧化渣還是夾砂。從兩張缺陷圖形來看，夾砂的缺陷波很高，與底波很難分辨出來，如果不仔細看缺陷波，會認為是B1底波。從超聲波的聲壓分配比例來講，聲波垂直入射時，在界面的反射率是由界面兩邊介質的聲阻抗決定的。說明夾砂的聲阻抗與工件材料之間的聲阻抗差異較大，反射聲壓大；反之，透射的聲壓小，而聲壓的大小直接反映在波高上。氧化夾渣的聲阻抗與鑄件本體之間的聲阻抗相差不大，所以反射的聲壓不大，缺陷波不高。

圖3 疏松缺陷的外觀、波形、滲透檢測結果

圖4 夾渣缺陷的外觀、波形、滲透檢測結果

圖5 夾砂缺陷的外觀、波形、滲透檢測結果

第三，從雙晶直探頭靜態(tài)波形可看出，疏松部位缺陷波高較高，當量可以達到φ4 mm，離表面有一定距離。而氧化夾渣、夾砂缺陷波高都比較低，當量達不到φ2 mm。

最后，從滲透檢測結果來看：疏松部位顏色很深的紅點只是個別，其余都是淡紅色的芝麻點；氧化夾渣部位紅色都比較鮮艷、邊界清晰；夾砂部位紅色比較淡、邊界模糊。

3 結論

(1) 球鐵件的聲波穿透性差，雜波干擾嚴重，形狀復雜，易產生外輪廓回波及遲到波，這些干擾信號可能會妨礙缺陷信號的識別，給超聲波檢測帶來一定的難度[1]。

(2) 球鐵件中主要的缺陷類型比較多，當存在某一處缺陷時，單一缺陷類型情況較少，多數(shù)情況下是多種缺陷交匯在一起，在辨別時要分清主次，分析解決主要缺陷。

(3) 雖然從超聲波檢測標準EN12680-3中對球鐵件檢測靈敏度要求的規(guī)定，能夠看出對球鐵件檢測的要求不高。而影響缺陷的當量尺寸(鑄鐵/缺陷的界面反射聲壓)的因素較多，除了設備儀器、工件本身狀態(tài)(平行、粗糙度、衰減系數(shù)等)、耦合的影響外，還有缺陷本身的影響，如缺陷的形狀、方位、指向性、表面粗糙度、性質、位置等。當發(fā)現(xiàn)缺陷時，僅僅從缺陷的位置、形狀、及動態(tài)波形來判定，準確分析其性質并不容易，而要采用不同型號的探頭從不同的方向檢測，并結合鑄造工藝、缺陷特征、缺陷波形和底波情況進行綜合分析、評估缺陷性質，以提高檢測的可靠性，為工藝、管理改進提供可靠依據。

[1] 中國機械工程學會無損檢測分會.無損檢測Ⅱ級培訓教材：超聲波檢測(第2版)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2000.

UltrasonicQualitativeTestingofCastingDefects

TANG Aiguo, SUN Cunzhong

(Zhejiang Jiali Wind Power Technology Co., Ltd., Hangzhou 311241, China)

The defects both in the edge and central areas of the casting products were detected by using ultrasonic testing. Based on the comparative analysis on the echo waveforms of different defects and on the dissection validation of a defect part, it was found that, while detecting the casting parts from different directions and using different types of probes, it was necessary to comprehensively analyze and evaluate the defect through the combination of casting process, the defect characteristics, the defect waveforms and the bottom wave. All the above mentioned measures can raise the inspection accuracy and reliability and provide bases for improving the manage level and product quality.

ultrasonic; ductile iron casting; defect echo; loose；slag inclusion；sand inclusion; anatomy; qualitative

TB553；TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0054-03

2017-03-20

唐愛國(1974-),男，主要從事超聲檢測工作

唐愛國，724426956@qq.com

10.11973/wsjc201709013