摘 要:我公司的水輪機部件產(chǎn)品,大型工件基本上都是鑄鋼件,大型工件在鑄造過程中常常因為控制難度大,過程中因其結(jié)晶溫度范圍寬容易產(chǎn)生縮松、熱烈紋、偏析、疏松、晶粒粗大等問題,尤其粗晶問題,它直接影響超聲檢測結(jié)果準確性,很容易對缺陷產(chǎn)漏檢或誤判,對材質(zhì)本身進行錯誤評估,同時粗晶會降低了材料的使用性能,在壓力較大的使用條件下發(fā)生滲漏現(xiàn)象,且材料本身的力學(xué)性能及耐腐蝕性能將直線下滑。因此,在鑄件檢測過程中必須考慮聲波衰減因素,衰減對超聲波檢測靈敏度有很大影響。
關(guān)鍵詞:鑄造;粗晶;衰減;超聲檢測
1 超聲檢測的發(fā)展和現(xiàn)狀
采用超聲波技術(shù)來對固體內(nèi)部進行無損檢測,開始于20世紀20、30年代,蘇聯(lián)科學(xué)家Sokolov率先提出了利用超聲波技術(shù)檢查金屬內(nèi)部缺陷的構(gòu)想,在1935年發(fā)表了利用穿透法進行試驗的成果,同時申請了材料中缺陷檢測的權(quán)利。在這種條件下,第一種穿透法檢測儀器應(yīng)運而生,但該技術(shù)采用一發(fā)射和一接收探頭,探頭的擺放位置需要保持相對關(guān)系,因此應(yīng)用范圍受到了很大限制。隨著該技術(shù)發(fā)展,在20世紀40年代,脈沖反射式超聲波探傷儀的出現(xiàn),給無損檢測技術(shù)注入了新的生命力。近年來,超聲檢測技術(shù)層出不窮,從最初穿透式和A脈沖反射式超聲儀器到數(shù)字式超聲儀、衍射時差法超聲儀、相控陣超聲儀等,超聲檢測技術(shù)取得巨大的進步和發(fā)展,該技術(shù)在工業(yè)制造中已確立了極其重要的地位,廣泛應(yīng)用于鋼鐵工業(yè),機器制造業(yè)、特種設(shè)備、船舶航天工業(yè)、核工業(yè)等重要工業(yè)部門。我們公司超聲波技術(shù)主要應(yīng)用在能源設(shè)備(水輪發(fā)電機、汽輪發(fā)電機、核電站)制造過程中,對原材料和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中進行質(zhì)量控制。
2 超聲檢測工作原理和物理基礎(chǔ)
2.1 工作原理
超聲檢測主要利用超聲波在工件中傳播特性,聲波在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)分界面時會發(fā)生發(fā)射現(xiàn)象等。其工作原理是聲源產(chǎn)生的脈沖波進入到工件中,超聲波以一定方向和速度向前傳播,當遇到兩側(cè)聲阻抗不同的界面時部分聲波反射回來被檢測儀器接收,分析反射聲波波幅和位置等數(shù)據(jù),進而評定工件好壞和存在缺陷大小、位置及性質(zhì)等信息,一般情況下發(fā)現(xiàn)缺陷和對其進行評估有以下三方面:(1)是否為來自缺陷的聲波信號和波幅;(2)入射聲波與接收聲波之間距離;(3)聲波通過材質(zhì)后的能量衰減。
2.2 物理基礎(chǔ)
超聲波是一種機械波,是機械振動在介質(zhì)中傳播。超聲檢測中,主要涉及到幾何聲學(xué)和物理聲學(xué)的一些定理和概念。如常規(guī)超聲利用幾何聲學(xué)中的反射、折射定律及波形轉(zhuǎn)換,衍射時差法和相控陣檢測技術(shù)主要利用幾何聲學(xué)中的反射、折射定律及物理聲學(xué)波的衍射和疊加等。機械波的描述主要物理有周期、頻率、波長和速度。其關(guān)系式為:C=λ×f
3 超聲波的衰減因素
3.1 擴散衰減
聲波在介質(zhì)中傳播時,隨著波束的擴散,使波陣面不斷前進擴大,其傳播能量隨距離增加而逐漸減小的現(xiàn)象叫擴散衰減。擴散衰減取決于波陣面的形狀,它與介質(zhì)本身性質(zhì)無關(guān)。平面波波陣面為平面,因此波束不存在擴散,也就不存在擴散衰減。柱面波、球面波波束四周擴散故存在擴散衰減,擴散衰減與聲壓和傳播距離有關(guān)。
3.2 散射衰減
聲波在介質(zhì)中傳播時,遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起的衰減稱為散射衰減。散射衰減與材質(zhì)的晶粒大小密切相關(guān),在鑄鋼或奧氏體不銹鋼上超聲檢測時,材質(zhì)晶粒粗大,直接影響聲波的透聲率,大大提高了散射衰減,散射波沿著不同路徑傳播會探頭,會在示波器上顯示回波,降低信噪比,對缺陷評估造成極大困難。如圖1所示。
3.3 吸收衰減
超聲波在介質(zhì)中傳播時,因介質(zhì)中質(zhì)點間內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)造成的聲波衰減,因此檢測過程中工件溫度發(fā)生變化時,聲波的能量傳播或多或少會被消耗。除了上述衰減之外,還有錯位衰減,磁疇壁引起的衰減及殘余應(yīng)力引起的衰減等。
3.4 衰減系數(shù)
所謂衰減系數(shù)α,不考慮材質(zhì)溫度變化和波源的擴散衰減的影響,只考慮介質(zhì)的散射和吸收衰減,金屬材料等固體介質(zhì)而言,介質(zhì)衰減系數(shù)α等于散射衰減系數(shù)αs和吸收衰減系數(shù)αa之和[1]:α=αs+αa;αa=c1×f
式中:f-超聲波頻率;d-介質(zhì)的晶粒直徑;λ-波長;F-各向異性系數(shù);C1、C2、C3、C4-常數(shù)。
通過衰減系數(shù)公式不難發(fā)現(xiàn),聲波衰減不僅與介質(zhì)本身固有狀態(tài)有關(guān),還與所選擇的聲波頻率有關(guān)。
4 檢測頻率的影響
由上述可知,材料衰減系數(shù)與檢測適用的頻率有關(guān),在這里采用相同晶片尺寸,不同頻率(1-5MHz)的探頭對厚度大于200mm的鑄鋼件(ZG0Cr13Ni4Mo)進行衰減系數(shù)的測定,采用第一、第二底波反射波幅高度來測定,測試描述如圖2所示。
根據(jù)圖中兩次底波高度差來計算,兩次底波差值由擴散衰減、介質(zhì)衰減及反射損失引起的。因此計算公式為[2]:
式中B1、B2-為第一、第二底波高度;6-擴散衰減引起分貝差;δ-反射損失;x-工件厚度。
5 結(jié)束語
在鑄件超聲檢測中,考慮材質(zhì)衰減的影響,探頭頻率的選擇至關(guān)重要。衰減系數(shù)隨著頻率的增加而增加,對超聲檢測靈敏度影響極大。選擇適合的頻率探傷對產(chǎn)品好壞的評估尤為重要。鑄件縱波超聲檢測選擇1-2MHz探頭最佳,使用過低的探頭對發(fā)現(xiàn)小缺陷不利,采用過高頻率的探頭對材質(zhì)衰減系數(shù)影響大,影響檢測靈敏度。
參考文獻
[1]鄭暉.超聲檢測(2版)[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2008. [2]馮若.超生手冊[M].南京:南京大學(xué)出版社,1999:105-107.
作者簡介:褚長春(1979-),男,工程師,無損檢測高級人員(三級),主要從事水輪發(fā)電機行業(yè)無損檢測和引進技術(shù)無損檢測資料的編輯工作。