第6章锻件与铸件超声波探伤

第六章锻件与铸件超声波探伤锻件和铸件是各种机械设备及锅炉压力容器的重要毛坯件。它们在生产加工过程中常会产生一些缺陷，影响设备的安全使用。一些标准规定对某些锻件和铸件必须进行超声波探伤。由于铸件晶粒粗大、透声性差，信噪比低，探伤困难大，因此本章重点计论锻件探伤问题，对铸件探伤只做简单介绍。第一节锻件超声波探伤一、锻件加工及常见缺陷锻件是由热态钢锭经锻压变形而成。锻压过程包括加热、形变和冷却。锻件的方式大致分为镦粗、拔长和滚压。镦粗是锻压力施加于坯料的两端，形变发生在横截面上。拔长是锻压力施加于坯料的外圆，形变发生在长度方向。滚压是先镦粗坯料，然后冲孔再插入芯棒并在外圆施加锻压力。滚压既有纵向形变，又有横向形变。其中镦粗主要用于饼类锻件。拔长主要用于轴类锻件，而简类锻件一般先镦粗，后冲孔，再镦压。为了改善锻件的绍织性能，锻后还要进行正火、退火或调质等热处理。锻件缺陷可分为铸造缺陷、锻造缺陷和热处理缺陷。铸造缺陷主要有：缩孔残余、疏松、夹杂、裂纹等。锻造缺陷主要有：折叠、白点、裂纹等。热处理缺陷主要有：裂纹等。缩孔残余是铸锭中的缩孔在锻造时切头量不足残留下来的，多见于锻件的端部。疏松是钢锭在凝固收缩时形成的不致密和孔穴，锻造时因锻造比不足而末全焊合，主要存在于钢锭中心及头部。夹杂有内在夹杂、外来菲金属夹杂栩金属夹杂。内在夹杂主要集中于钢锭中心及头部。裂纹有铸造裂纹、锻造裂纹和热处理裂纹等。奥氏体钢轴心晶间裂纹就是铸造引起的裂纹。锻造和热处理不当，会在锻件表面或心部形成裂纹。白点是锻件含氢最较高，锻后冷却过快，钢中溶解的氢来不及逸出，造成应力过大引起的开裂，白点主要集中于锻件大截面中心。合金总量超过3.5～4.0%和Cr、Ni、Mn的合金钢大型锻件容易产生白点。白点在钢中总是成群出现。二、探伤方法概述按探伤时间分类，锻件探伤可分为原材料探伤和制造过程中的探伤，产品检验及在役检验。原材料探伤和制造过程中探伤的目的是及早发现缺陷，以便及时采取措施避免缺陷发展扩大造成报废。产品检验的目的是保证产品质量。在役检验的目的是监督运行后可能产生或发展的缺陷，主要是疲劳裂纹。1.轴类锻件的探伤轴类锻件的锻造工艺主要以拨长为主，因而大部分缺陷的取向与轴线平行。此类缺陷的探测以纵波直探头从径向探测效果最佳。考虑到缺陪会有其它的分布及取向，因此辅类锻件探伤，还应辅以直探头轴向探测和斜探头周向探测及袖向探测。(1)直探头径向和轴向探测：如图6.1所示，直探作径向探测时将探头置于轴的外缘，沿外缘作全面扫查，以发现轴类锻件中常见的纵向缺陷。直探头作轴向探测时，探头置于轴的端头，并在轴端作全面扫查，以检出与轴线相垂直的横向缺陷。但当轴的长度太长或轴有多个直径不等的轴段时，会有声束扫查不到的死区，因而此方法有一定的局限性。(2)斜探头周向及轴向探测：锻件中若在片状轴向及径同缺陷或轴上有几个不同直径的轴段，用直探头径向或轴向探测都难以检出的，则必须使用斜探头在轴的外圆作周向及轴向探测。考虑到缺陷的取向，探测时探头应作正、反两个方向的全面扫查，如图6.2所示。2.饼类、碗类锻件的探伤饼类和碗类锻件的锻造工艺主要以镦粗为主，缺陷的分布主要平行于端面，所以用直探头在端面探测是检出缺陷的最佳方法。对于上些重要的饼类、碗类锻件，要从两个端面进行探伤，此外有时还要从侧面进行径向探伤，如图6.3所示。从两端面探测时，探头置于锻件端面进行全面探测，以探出与端面平行的缺陷。从锻件侧面进行径向探测时，探头在锻件侧面扫查，以发现某些轴向缺陷。3.筒类锻件的探伤筒类锻件的锻造工艺是先镦粗，后冲孔，再滚压。因此，缺陷的取向比轴类锻件和饼类锻件中的缺陷的取向复杂。但由于铸锭中质量最差的中心部分已被冲孔时去除，因而筒类锻件的质量一般较好。其缺陷的主要取向仍与简体的外圆表面平行，所以筒类锻件的探伤仍以直探头外圆面探测为主，但对于壁较厚的筒类锻件，须加用斜探头探测。(1)直探头探测：如图6.4所示，用直探头从筒体外圆面或端面进行探测。外圆探测的目的是发现与轴线平行的周向缺陷。端面探测的目的是发现与轴线垂直的横向缺陷。(2)双晶探头探测：如图6.4所示，为了探测筒体近表面缺陷，需要采用双品探头从外圆面或端面探测。(3)斜探头探测：对于某些重要的筒形锻件还要用斜探头从外圆进行轴向和周向探测，如图6.5所示。轴向探测为了发现与轴线垂直的径向缺陷。周向探测是为了发现与轴线平行的径向缺陷。周向探测时，缺陷定位计算参见第四章第五节。三、探测条件的选择1.探头的选择锻件超声波探伤时，主要使用纵渡直探头，晶片尺寸为φ14～φ28mm，常用φ20mm。对于较小的锻件，考虑近场区和耦合损耗原因，一般采用小晶片探头。有时为了探测与探测面成一定倾角的缺陷，也可采用一定K值的斜探头进行探测。对于近距离缺陷，由于直探头的盲区相近场区的影响。常采用双晶直探头撵测。锻件的晶粒一般比较细小，因此可选用较高的探伤频率，常用2.5～5.0MHz。对于少数材质晶粒粗大衰减严重的锻件，为了避免出现“林状回波”，提高信噪比，应选用较低的频率，一般为1.0～2.5MHz。2.耦合选择在锻件探伤时，为了实现较好的声耦合，一般要求探测面的表面粗糙糙R，不高于6.3um，表面平整均匀，无划伤、油垢、污物、氧化皮、油漆等。当在试块上调节探伤灵敏度时，要注意补偿块与工件之间因曲率半径和表面粗糙度不同引起的耦合损失。锻件探伤时，常用机油、浆糊、甘油等作耦合剂。当锻件表面较粗糙时也可选用水玻璃作耦合剂。3.扫查方法的选择锻件探伤时，原则上应在探测面上从两个相互垂直的方向进行全面扫查。扫查覆盖面应为探头直径的15%，探头移动速度不大于150mm/s。挡查过程中要注意观察缺陷波的情况和底波的变化情况。4.材质衰减系统的测定当锻件尺寸较大时，材质的衰减对缺陷定量百一定的影响。特别是材质衰减严重时，影响更明显。因此，在锻件探伤中有时要测定材质的衰减系数a。衰减系数可利用下式来计算：(6.1)式中：[B]1一[B]2——无缺陷处第一、二次底波高的分贝差：X——底波声程(单程)。值得注意的是：测定衰减系数时，探头所对锻件底面应光洁干净，底面形状为大平底或圆柱面，χ≥3N，测试处无缺陷。一般选取三处进行测试，最后取平均值。5.试块选择锻件探伤中，要根据探头和探测面的情况选择试块。采用纵波直探头探伤时，常选用CS—1和CS一2试块来调节探伤灵敏和对缺陷定量。采用纵波双晶直探头伤时常选用图6.6所示的试块来调节探伤灵敏度和对缺陷定量。该试块的人工缺陷为平底孔，孔径有有φ2、φ3、φ4、φ6等四种，距离L分别为5、10、15、20、25、30、35、40、45mm当探测面为曲面时，应采用曲面对比试块来测定由于曲率不同引起的耦合损失。对比试块如图6.7所示6.探伤时机锻件超声波探伤应在热处理后进行，因为热处理可以细化晶粒，减少衰减。此外，还可以发现热处理过程中产生的缺陷。对于带孔、槽和台阶的锻件，超声波探伤应在孔、槽、台阶加工前进行。因为孔、槽、台阶对探伤不利，容易产生各种非缺陷回波。当热处理后材质衰减仍较大且对于探测结果有较大影响时，应重新进行热处理。四、扫描速度和灵敏度的调节(一)扫描速度的调节锻件探伤前，一般根据锻件要求的探测范围来调节扫描速度，以便发现缺陷，并对缺陷定位。扫描速度的调节可在试块上进行，也可在锻件上尺寸已知的部位上进行，在试块上调节扫描速度时，试块上的声速应尽可能与工件相同或相近。调节扫描速度时，一般要求第一次底波前沿位置不超过水平刻度极限的80%，以利观察一次底波之后的某些信号情况。(二)探伤灵敏度的调节锻件探伤灵敏度是由锻件技术要求或有关标准确定的。一般不低于φ2平底孔当量直径。调节锻件探伤灵敏度的方法有两种，一种是利用锻件底波来调节，另一种是利用试块来调节。1.底波调节法当锻件被探部位厚度χ≥3N，且锻件具有平行底面或圆柱曲底面时，常用底波来调节探伤灵敏度。底波调节法，首先要计算或查AVG曲线求得底面回波与某平底孔回波的分贝差，然后再调节。(1)计算：对于平底面或实心圆柱体底面，同距离处平底波与平底孔回波的分贝差为：(6.2)式中λ——波长；X——被探部泣的厚度；Df——平底孔直径。对于空心圆柱体，同距离处圆柱曲底面与平底孔回波分贝差为：(6.3)式中d——空心圆柱体内径；D——空心圆柱体外径；“+“——外圆径向探测，内孔凸柱面反射；“－”——内孔径向探测，外圆凹柱面反射。(2)调节：探头对准完好区的底面。衰减(△+5～10)dB，调“增益”使底波B1达基准高，然后用“衰减器”增益△dB，这时灵敏度就调好了。为了便于发现缺陷可再增益5～10dB作为搜索灵敏度，即扫查灵敏度。例1，用2.5P20Z探头径向探伤φ500mm的实心圆柱涔锻件，CL=5900m/S，问如何利用底波调节500/φ2灵敏度？解：由题意得:①计算：50Gmm处底波与φ2平底孔回波分贝差为：②调节；探头对准完好区圆柱底面，衰减55dB，调“增益”使底波B1最高达基准60%高，然后用“衰减器”增益46dB，即去掉46dB，保留9dB，这时φ2灵敏度就调好了。必要时再增益6dB作为扫查灵敏度。例2，用2.5P20Z探头径向探伤外径为φ1000mm，内径为φ100mm的空心圆柱体锻件，CL=5900m/s，问如何利用内孔回波调节450/φ2灵敏度?解：由题意得:①计算：450mm处内孔回波与φ2回波的分贝差为：②调节：探头对准完好区的内孔，衰减45dB，调“增益”使底波B1达基准60%高。然后用“衰减器”增益35dB作为探伤灵敏度，再增益6dB作为扫查灵敏度。2.试块调节法(1)单直探头探伤：当锻件的厚度χ3N或出于几何形状所限或底面粗糙时，应利用具有人工缺陷的试块来调节探伤灵敏度，如CS一1和CS一2试块。调节时将探头对准所需试块的平底孔，调“增益”使平底孔回波达基准离即可。值得注意是，当试块表面形状、粗糙度与锻件不同时，要进行耦合补偿。当试块与工件的材质衰减相差较大时，还要考虑介质衰减补偿。例1，用2.5P20Z探头探伤厚度为50mm的小锻件，采用CS—1试块调节50/φ2灵敏度，试块与锻件表面耦合差3dB，问如何调节灵敏度?解：利用CS—1试块调节灵敏度的方法如下：将探头对准CS—1试块中l号试块的φ2平底孔距离为50mm，衰减10dB，调“增益”使φ52回波达60%高，然后再用“衰减器”增益3dB，这时50/φ2灵敏度就调好了。例2，用2.5P14Z探头探测底面粗糙厚为400mm的锻件，问如何利用100/φ4平底孔试块调节400/φ2灵敏度?试块与工件表面耦合差6dB。解：①计算：100/φ4与400/φ2回波分贝差：②调节：探头对准100/φ4平底孔试块的平底孔、衰减50dB，调“增益”使φ4平底孔回波达基准高，然后用“衰减器”增益42dB，这时400/φ2灵敏度就调好了。这时工件上400φ2平底孔缺陷回波正好达基准高。(2)双晶直探头探伤：采用双晶直探头探伤时，要利用图6.6所示的双晶探头平底孔试块来调节探伤灵敏度。先根据需要选择榴应的平底孔试验块，并测试验一组距离不同直径相同的平底孔的回波，使其中最高回波达满刻度的80%，在此灵敏条件下测出其它平底孔的回波最高点，并标在示波屏上，然后连接这些回波最高点，从而得到一条平底孔距离——波幅曲线，并以此作为探伤灵敏度。五、缺陷位置和大小的测定(一)缺陷位置的测定在锻件探伤中，主要采用纵波直探头探伤，因此可根据示波屏上缺陷波前沿所对的水平刻度值τf和扫描速度1:n来确定缺陷在锻件中的位置。缺陷至探头的距离χf为：χf＝nτf(6.4)(二)缺陷大小的测定在锻件探伤中，对于尺寸小于声束截面的缺陷一般用量法定量。若缺陷位于χ3N区域内时，常用当量计算法和当量AVG曲线法定量：若缺陷位于x3N区域内，常用试块比较法定量。对于尺寸大于声束截面的缺陷一般采用测长法，常用的测长法有6dB法和端点6dB法。必要时还可采用底波高度法来确定缺陷的相对大小。下面重点分绍当量订算法和6dB法在锻件探伤中的应用。1.当量计算法当量计算法利用