成 奇

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

銅和銅基合金的鍛件及軋制件作為槽楔、端環(huán)、導(dǎo)電排、軸向引線等零部件的基本材料被廣泛應(yīng)用于我公司的電動機(jī)及汽輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造中。例如，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的端環(huán)采用T2銅(紫銅)，汽輪發(fā)電機(jī)的槽楔采用鋁青銅(QAl 9-5-1-1)、鈹鈷鋯銅、鎳硅青銅(841銅)等。銅和銅基合金質(zhì)量的好壞，直接影響到電動機(jī)及汽輪發(fā)電機(jī)的質(zhì)量。對這些材料的質(zhì)量控制，超聲波探傷無疑是一種最有效的方法之一。

我廠在1991年曾對鋁青銅槽楔超聲波探傷的方法進(jìn)行過研究并且制定了相應(yīng)的工藝檢測規(guī)范(0A931.092)，上述其他材料相應(yīng)的超聲波探傷檢測規(guī)范國內(nèi)目前還沒有。我們在無損檢測工作中發(fā)現(xiàn)，不同材質(zhì)的衰減系數(shù)相差相當(dāng)大，甚至影響了對產(chǎn)品的超聲波檢測，從而無法用探傷的途徑來保證他的質(zhì)量，特別是T2銅。T2銅被廣泛用于轉(zhuǎn)子的端環(huán)制造中，如三菱電機(jī)、TMEIC電機(jī)、軋鋼電機(jī)等產(chǎn)品。電動機(jī)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電排與端環(huán)是通過釬焊連接成一體的，釬焊的質(zhì)量至關(guān)重要，端環(huán)釬焊部位需要通過超聲波檢測評判。由于端環(huán)材質(zhì)的衰減對探傷的影響特別大，常造成無法對銅排與端環(huán)釬焊的超聲波探傷。并且按照GB/T 3310—2010《銅及銅合金棒材超聲波探傷方法》的要求，也不符合其標(biāo)準(zhǔn)。針對這些狀況并結(jié)合我廠產(chǎn)品制造的實(shí)際情況，我們對銅及銅基合金探傷方法進(jìn)行了進(jìn)一步的探討及研究，在此過程中積累了大量的工作經(jīng)驗(yàn)，并形成相應(yīng)的探傷方法，從而加強(qiáng)對以上材料質(zhì)量的控制，保證了電機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量。本文通過化學(xué)成分、鍛造工藝和機(jī)械性能進(jìn)行比較，對不同材質(zhì)相同厚度的銅和銅基合金進(jìn)行了衰減測定，對超聲波探傷的方法進(jìn)行了研究與探討，為超聲波探頭的選擇以及檢測結(jié)果的判定提供了依據(jù)。

1 鈹鈷鋯銅、鎳硅青銅與鋁青銅的比較

1.1 鈹鈷鋯銅、鎳硅青銅與鋁青銅的產(chǎn)品特性基本一致，其加工工藝及成型狀況都比較類同。通過對這些材料的化學(xué)成分、鍛造工藝和機(jī)械性能進(jìn)行比較(分別見表1～表3)，以及對鈹鈷鋯銅及鎳硅青銅的缺陷解剖試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)其缺陷性質(zhì)與鋁青銅槽楔超聲波探傷方法研究中所得出的結(jié)論基本相吻合。我們認(rèn)為采用鋁青銅槽楔的超聲波探傷方法對鈹鈷鋯銅、鎳硅青銅進(jìn)行超聲波檢測是可行的。

1.2 對質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一些探討

我們在檢測中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下用2.5 MHz、Φ20 mm的直探頭、Φ2 mm+6dB的靈敏度檢測工件時，第一次底波均高于屏高的100%，但有時也會出現(xiàn)第二次底波消失的狀況。也就是說存在材質(zhì)衰減的狀況(這情況在我們檢測鎳硅青銅時特別明顯)。在我廠已有的鋁青銅槽楔超聲波探傷方法的研究中，并沒有對這種情況進(jìn)行進(jìn)一步的說明，為此，需要我們進(jìn)一步的探討和研究。

表1 化學(xué)成份

表2 鍛造工藝

表3 機(jī)械性能

2 T2銅與銅基合金的比較

我們在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)銅基合金的底波高達(dá)100%，而T2銅與其相差20～30 dB；銅基合金的底波反射次數(shù)可以達(dá)到5次以上，而T2銅最多只出現(xiàn)三次底波，軋制成形的T2銅端環(huán)底波有時一次也沒有。也就是說聲能在T2銅這種材料的探傷過程中存在很強(qiáng)的衰減。

3 衰減系數(shù)的測定

3.1 探頭的選取

銅及銅基合金的縱波聲速一般在3 800～5 000 m/s范圍內(nèi)，我們常用的超聲波探頭為2.5 MHz、Φ20 mm的直探頭，根據(jù)近場公式：

N=D2/4λ，λ=C/f

式中，N為近場距離(mm)；D為探頭直徑(mm)；λ為超聲波的波長(m)；C為超聲波的波速(m/s)；f為探頭的頻率(Hz)。

我們可計算出超聲波在銅材料中的近場距離為50～65 mm，根據(jù)反射波束D>3 N的規(guī)定，應(yīng)選定探測厚度大于200 mm的銅制材料。而在我廠的實(shí)際生產(chǎn)中，所選材料的厚度一般為36～50 mm，這顯然很難達(dá)到我們的試驗(yàn)要求。為了更加真實(shí)地體現(xiàn)材質(zhì)的衰減系數(shù)，我們選用1 MHz、Φ12 mm的超聲波探頭作試驗(yàn)。

3.2 材質(zhì)的衰減系數(shù)我們可用下列公式進(jìn)行測定：

式中，α為材質(zhì)衰減系數(shù)(dB/mm);B1/B2為第一次底波與第二次底波的百分比;D為被測材料的距離(mm)。

3.3 測試與比較

我們測試了厚度均為50 mm的T2銅、鋁青銅、鈹鈷鋯銅及鎳硅青銅，得出的結(jié)果見表4。

從測得的數(shù)據(jù)說明：T2銅的衰減系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅基合金的衰減系數(shù)。

3.4 原因分析

我們知道，超聲波的聲能在固有介質(zhì)中引起衰減的主要原因是波束的擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收。

散射衰減主要與金屬材料的晶粒度有關(guān)。在軋制、鍛造的過程中，由于形變的不均勻性導(dǎo)致材料晶粒的粗細(xì)不均勻。但是，當(dāng)材料受到很大的變形應(yīng)力的作用時，最終會得到晶粒均勻分布并且晶粒尺寸比入射波的波長小的材料。

表4 材料衰減系數(shù)

吸收衰減與材料的黏滯性有關(guān)。由于T2銅是單相г固溶體，其晶界的黏滯系數(shù)很大，產(chǎn)生晶界的內(nèi)耗，從而造成超聲波在傳播過程中聲能消耗很大。銅基合金是多相固溶體，其黏滯系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于T2銅的黏滯系數(shù)。

從以上分析看，T2銅存在很大的黏滯性，導(dǎo)致聲能被嚴(yán)重吸收，這是造成T2銅的衰減系數(shù)遠(yuǎn)大于銅基合金的衰減系數(shù)的主要原因。

4 T2銅的超聲波探傷

我們廠的端環(huán)材料是采用T2銅，有的產(chǎn)品是鍛造而成，有的是利用軋制材料加熱彎曲成形，然后通過熔接焊成的。過去對端環(huán)不要求進(jìn)行超聲波探傷。為了保證端環(huán)與銅排的釬焊質(zhì)量，而且端環(huán)的材料質(zhì)量還直接影響到超聲波探傷效果，這樣對端環(huán)材料也要求應(yīng)滿足一定的超聲波探傷要求。

端環(huán)在轉(zhuǎn)子中的結(jié)構(gòu)和特性決定它對機(jī)械性能等方面的要求并不高，但要有高的導(dǎo)電率。根據(jù)我們對多臺轉(zhuǎn)子銅排與釬焊的超聲波探傷(用5 MHz、Φ12 mm的直探頭)中可以看出：對端環(huán)進(jìn)行超聲波探傷時發(fā)現(xiàn)，第二次底波達(dá)到40%以上的端環(huán)通過釬焊后完全能夠滿足銅排與端環(huán)釬焊的超聲波探傷要求。

鑒于上述問題的探討，我們對工廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新修訂，編制了0A931.092—2015《銅及銅合金的超聲波探傷檢測規(guī)程》。

5 GB/T 3310—2010《銅及銅合金棒材超聲波探傷方法》與0A931.092—2015《銅及銅合金的超聲波探傷檢測規(guī)程》的比較

5.1 GB/T 3310—2010國家標(biāo)準(zhǔn)中，檢測靈敏度是將單晶直探頭在棒料短橫孔的試塊上以人工缺陷的反射波高為滿屏的80%在矩形、方形、正六邊形上進(jìn)行檢測。

0A931.092—2015是將Φ2 mm平底孔試塊的回波調(diào)到基準(zhǔn)波高(80%)，再增益6 dB進(jìn)行探傷。若試塊與被檢工件的材質(zhì)衰減相差4 dB以上則應(yīng)考慮材質(zhì)補(bǔ)償。

0A931.092—2015工廠標(biāo)準(zhǔn)采用的檢測靈敏度與GB/T 3310—2010國家標(biāo)準(zhǔn)相比更符合材料的實(shí)際狀態(tài)。

5.2 GB/T 3310—2010國家標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個缺陷反射波高度高于滿屏的50%時應(yīng)判以不合格；用6 dB測長測定缺陷指示，若缺陷指示長度大于探頭晶片尺寸則為不合格；對底波消失或底波前移，若確認(rèn)是內(nèi)部缺陷所致，缺陷指示長度大于探頭晶片尺寸則為不合格，否則就應(yīng)判以合格。

0A931.092—2015工廠標(biāo)準(zhǔn)中有下列情況的應(yīng)判以不合格：當(dāng)量等于或大于Φ1.6 mm的缺陷；缺陷波波高高于第一次底波波高的一半(即第一次底波衰減6dB后波高低于未衰減前的缺陷波波高)；第二次底波低于探傷儀屏幕高度的100%；不考慮缺陷當(dāng)量的情況下，不允許存在大于30 mm的條狀缺陷。

通過以上的比較，我們認(rèn)為工廠標(biāo)準(zhǔn)在制定過程中明顯高于國家標(biāo)準(zhǔn)。也更符合我們電機(jī)所需要的產(chǎn)品質(zhì)量要求。

6 結(jié)語

通過對不同材質(zhì)銅和銅基合金的衰減系數(shù)的測定，實(shí)樣的檢測，缺陷的解剖分析，確定了這幾種銅及銅基合金的探傷方法；驗(yàn)證了紫銅(T2)的衰減量不利于超聲波探傷，需要進(jìn)一步通過鍛造工藝及熱處理改善材質(zhì)，滿足超聲波探傷的要求。