唐愛(ài)國(guó)，孫存忠

(浙江佳力風(fēng)能技術(shù)有限公司, 杭州 311241)

鑄件缺陷的超聲波定性檢測(cè)

唐愛(ài)國(guó)，孫存忠

(浙江佳力風(fēng)能技術(shù)有限公司, 杭州 311241)

利用超聲波檢測(cè)鑄件的中心區(qū)和邊緣區(qū)缺陷，對(duì)鑄件上不同缺陷的回波波形進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)缺陷部位進(jìn)行解剖驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用不同型號(hào)的探頭從不同方向?qū)﹁T件檢測(cè)時(shí)，要結(jié)合鑄造工藝、缺陷特征、缺陷波形和底波情況來(lái)綜合分析、評(píng)估缺陷性質(zhì)，才能提高檢測(cè)的可靠性，給工藝、管理的改進(jìn)提供可靠依據(jù)。

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(jiàn)的有夾渣、夾砂、氣孔、縮孔、疏松、冷隔、裂紋等，這些缺陷會(huì)減少鑄件承受的載荷截面面積，引起局部應(yīng)力集中，嚴(yán)重降低鑄件的使用性能，導(dǎo)致關(guān)鍵承力鑄件過(guò)早失效而發(fā)生破壞。利用超聲波探傷可以檢測(cè)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(chǎng)區(qū)，檢測(cè)人員要據(jù)此判定缺陷的種類就更加困難。這就要求檢測(cè)人員熟悉在實(shí)際檢測(cè)中鑄件的工藝特性，以及不同部位易產(chǎn)生缺陷的特征，并能通過(guò)對(duì)缺陷波形和底波回波的細(xì)微差別來(lái)分析估計(jì)缺陷的性質(zhì)。缺陷很多的鑄件要報(bào)廢，檢測(cè)人員對(duì)是否報(bào)廢有分歧時(shí)，可以對(duì)鑄件進(jìn)行解剖驗(yàn)證，從而提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

通過(guò)準(zhǔn)確判定缺陷的種類，可以及時(shí)制定正確的檢測(cè)方案、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)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(chǎng)區(qū)的疏松、夾渣、夾砂三種相似波形的缺陷，并通過(guò)解剖、滲透檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)對(duì)象與儀器

試驗(yàn)材料牌號(hào)為QT400-18AL，選用型號(hào)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(hù)膜的B2S直探頭與雙晶縱波SEB2直探頭，耦合劑采用化學(xué)漿糊。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1校正儀器3件鑄件被檢測(cè)區(qū)域總厚度在100250 mm以內(nèi)，鑄件上、下平面基本平行，總聲程對(duì)應(yīng)設(shè)定在150300 mm之間。測(cè)量低溫風(fēng)電球墨鑄鐵件的聲速時(shí)，參考標(biāo)準(zhǔn)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(gè)背面回波與噪聲信號(hào)進(jìn)行比較，背面回波至少應(yīng)比噪聲信號(hào)高6 dB，靈敏度要求是φ8 mm平底孔，但靈敏度應(yīng)放大到可以看到噪聲，約為平底孔φ2φ3 mm之間。

2.2檢測(cè)方向的選擇結(jié)合鑄件工藝澆注方向(見(jiàn)圖1)，一般鑄件上表面邊緣區(qū)氧化渣多，且屬于檢測(cè)近場(chǎng)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(wú)氧化渣，所以應(yīng)選擇從下往上檢測(cè)。實(shí)際檢測(cè)中，檢測(cè)人員要視鑄件外形結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)具體狀況來(lái)判斷從哪個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于形狀特殊的鑄件無(wú)法將底平面朝上放置，只能從上表面往下檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常波時(shí)，再?gòu)南峦蠙z測(cè)。檢測(cè)應(yīng)在外觀目視檢驗(yàn)合格后進(jìn)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(chǎng)盲區(qū)就開(kāi)始，而底波不可見(jiàn)(見(jiàn)圖2)。

圖2 鑄件檢測(cè)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(jié)合鑄件工藝特性，鑄件上部易產(chǎn)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(zhǔn)確地分析缺陷性質(zhì)，要進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)和分析。

2.4缺陷分析

這3種缺陷產(chǎn)生的機(jī)理不同。夾渣主要表現(xiàn)為：一是澆注時(shí)由于鐵水包中的熔渣沒(méi)有與鐵水分離，熔渣混進(jìn)鑄件而形成氧化夾渣；二是鐵水在型腔內(nèi)與化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(shí)由于砂型型腔內(nèi)碎砂殘留或砂型強(qiáng)度低，表面砂子剝落，或合型時(shí)磕碰掉的砂塊混進(jìn)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(guò)程中因補(bǔ)縮不良而在最后凝固區(qū)域形成的細(xì)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(shí)要借助著色試驗(yàn)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(cè)結(jié)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(lái)看，疏松缺陷目視分辨不明顯，借助放大鏡可見(jiàn)枝晶狀孔洞，內(nèi)壁與基體顏色一致，沒(méi)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(guò)燒的痕跡；夾砂內(nèi)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(diǎn)，內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)比較大，需要具體分析缺陷性質(zhì)和波形關(guān)系。

第一，重點(diǎn)分析B1的聲程。可以適當(dāng)提高增益或在這缺陷區(qū)域內(nèi)稍微移動(dòng)探頭，找到B1波，會(huì)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(shuō)明氧化夾渣、夾砂的部位的聲波傳播時(shí)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(cè)量，總的聲程必然大于總壁厚。而疏松部位B1聲程為什么沒(méi)有變大，主要是因?yàn)槭杷蓛?nèi)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(rèn)為聲波在缺陷表面是全反射，沒(méi)有發(fā)生透射，反射波是經(jīng)過(guò)無(wú)疏松的位置傳播過(guò)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(cè)區(qū)域的本體壁厚。

第二，從缺陷波的高低來(lái)區(qū)分是氧化渣還是夾砂。從兩張缺陷圖形來(lái)看，夾砂的缺陷波很高，與底波很難分辨出來(lái)，如果不仔細(xì)看缺陷波，會(huì)認(rèn)為是B1底波。從超聲波的聲壓分配比例來(lái)講，聲波垂直入射時(shí)，在界面的反射率是由界面兩邊介質(zhì)的聲阻抗決定的。說(shuō)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(cè)結(jié)果

圖4 夾渣缺陷的外觀、波形、滲透檢測(cè)結(jié)果

圖5 夾砂缺陷的外觀、波形、滲透檢測(cè)結(jié)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(dāng)量可以達(dá)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(dāng)量達(dá)不到φ2 mm。

最后，從滲透檢測(cè)結(jié)果來(lái)看：疏松部位顏色很深的紅點(diǎn)只是個(gè)別，其余都是淡紅色的芝麻點(diǎn)；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(jié)論

(1) 球鐵件的聲波穿透性差，雜波干擾嚴(yán)重，形狀復(fù)雜，易產(chǎn)生外輪廓回波及遲到波，這些干擾信號(hào)可能會(huì)妨礙缺陷信號(hào)的識(shí)別，給超聲波檢測(cè)帶來(lái)一定的難度[1]。

(2) 球鐵件中主要的缺陷類型比較多，當(dāng)存在某一處缺陷時(shí)，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(shí)要分清主次，分析解決主要缺陷。

(3) 雖然從超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)EN12680-3中對(duì)球鐵件檢測(cè)靈敏度要求的規(guī)定，能夠看出對(duì)球鐵件檢測(cè)的要求不高。而影響缺陷的當(dāng)量尺寸(鑄鐵/缺陷的界面反射聲壓)的因素較多，除了設(shè)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(zhì)、位置等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，僅僅從缺陷的位置、形狀、及動(dòng)態(tài)波形來(lái)判定，準(zhǔn)確分析其性質(zhì)并不容易，而要采用不同型號(hào)的探頭從不同的方向檢測(cè)，并結(jié)合鑄造工藝、缺陷特征、缺陷波形和底波情況進(jìn)行綜合分析、評(píng)估缺陷性質(zhì)，以提高檢測(cè)的可靠性，為工藝、管理改進(jìn)提供可靠依據(jù)。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì).無(wú)損檢測(cè)Ⅱ級(jí)培訓(xùn)教材：超聲波檢測(cè)(第2版)[M]．北京：機(jī)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(ài)國(guó)(1974-),男，主要從事超聲檢測(cè)工作

唐愛(ài)國(guó)，724426956@qq.com

10.11973/wsjc201709013