張侃 張昕

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司,四川 德陽 618000)

薄壁球殼鍛鋼件是某大型壓力容器的重要部件,是壓力容器的主承力結(jié)構(gòu)件,如圖1所示。其功能主要用于承受載荷,其內(nèi)部質(zhì)量關(guān)系著整個(gè)壓力容器的安全。該研究鍛件的外表面包含凸球面和凹球面,屬于易生銹的大規(guī)格薄壁鍛鋼件,設(shè)計(jì)對(duì)鍛件內(nèi)部質(zhì)量提出很高要求,但單邊余量較小。在制定超聲檢測(cè)方案時(shí),考慮了水浸法和接觸法兩種方案。若采用水浸法需解決鍛件生銹問題,若采用接觸法需解決探頭與工件間的耦合問題和穩(wěn)定性問題,兩種方案還均需解決超高靈敏度可檢性問題和盲區(qū)問題,除了保證鍛件各個(gè)部位潛在不連續(xù)能夠被準(zhǔn)確識(shí)別并檢出,還需保證檢測(cè)效率可滿足正常生產(chǎn)要求。

圖1 研究對(duì)象Figure 1 Object of study

本文針對(duì)大規(guī)格薄壁球殼鍛鋼件超高靈敏度超聲檢測(cè)精確度高,dB誤差允許范圍小等特點(diǎn),提出一種可靠的檢測(cè)工藝方案,根據(jù)鍛件的結(jié)構(gòu)、鍛件的成型方式和鍛件流線,設(shè)計(jì)和制作了專用的對(duì)比試塊,保證鍛件各個(gè)部位的潛在缺陷能夠被準(zhǔn)確識(shí)別并檢出,在一定程度上提升了大規(guī)格薄壁球殼鍛鋼件超高靈敏度超聲檢測(cè)的可靠性,保證了鍛件內(nèi)部質(zhì)量。

1 檢測(cè)方案

1.1 薄壁球殼鍛鋼件超聲檢測(cè)基本原則

鍛件流線與鍛件結(jié)構(gòu)隨形。根據(jù)鍛件缺陷與鍛件流線之間的關(guān)系,鍛件潛在內(nèi)部缺陷的主要方向與鍛件流線平行或接近平行,即該鍛件潛在內(nèi)部缺陷的主要方向與鍛件外表面平行或接近平行。

根據(jù)潛在內(nèi)部缺陷特征和超聲檢測(cè)要求,該薄壁球殼鍛件擬采用超聲縱波脈沖反射法進(jìn)行檢測(cè)。耦合方面,雖然水浸法可以解決聲束與球殼表面良好接觸和垂直問題,但由于鍛件材質(zhì)易生銹(經(jīng)過銹蝕試驗(yàn),鍛件入水30 min表面會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕),根據(jù)交付時(shí)鍛件表面不允許存在銹蝕的要求,該鍛件不宜采用水浸法。為保證產(chǎn)品生產(chǎn)周期和控制生產(chǎn)成本,該項(xiàng)目鍛件采用非水耦合劑的接觸法進(jìn)行超聲檢測(cè)[1]。

1.2 人工缺陷試塊制備

如圖1所示,鍛件外表面(檢測(cè)面)包含凸球面和凹球面,為保證檢測(cè)靈敏度的可靠性和缺陷評(píng)定的準(zhǔn)確性,項(xiàng)目在鍛件凸球面和凹球面部位分別截取了部分設(shè)計(jì)和制作了人工缺陷試塊[2-3]。根據(jù)鍛件驗(yàn)收要求,設(shè)置平底孔當(dāng)量尺寸分別為?0.5 mm和?2.0 mm。

凸球面試塊按照上盲區(qū)、下盲區(qū)和中間部位設(shè)置埋深分別為5 mm、14 mm和22 mm。試塊組包含3塊試塊,每塊試塊上加工兩個(gè)大小分別為?0.5 mm和?2.0 mm的平底孔,兩孔埋深相同,兩孔均勻分布于試塊的對(duì)角線上。含有人工缺陷的凸球面試塊實(shí)物如圖2(a)所示,從左到右,分別為?0.5 mm-14 mm和?2.0 mm-14 mm,?0.5 mm-5 mm和?2.0 mm-5 mm,?0.5 mm-22 mm和?2.0 mm-22 mm。

對(duì)于凹球面試塊,根據(jù)鍛件驗(yàn)收要求,設(shè)置平底孔當(dāng)量尺寸分別為?0.5 mm和?2.0 mm,按照工件的上盲區(qū)、下盲區(qū)和中間部位設(shè)置埋深分別為5 mm、9 mm和12 mm。試塊組包含2塊試塊,一塊設(shè)置?0.5 mm平底孔,另一塊設(shè)置?2.0 mm平底孔。每塊試塊上的3個(gè)孔均勻分布于試塊寬度方向的中心線上。含有人工缺陷的凹球面試塊實(shí)物如圖2(b)所示,左側(cè)為?0.5 mm平底孔試塊,埋深分別為5 mm、9 mm和12 mm;右側(cè)為?2.0 mm平底孔試塊,埋深分別為5 mm、9 mm和12 mm。

(a)凸球面試塊

1.3 耦合分析

如圖3(a)所示,當(dāng)采用硬膜平探頭檢測(cè)凸球面時(shí),探頭中心與被檢工件成點(diǎn)接觸,以探頭中心為起點(diǎn),越往外,耦合劑的厚度逐漸增厚。如圖3(b)所示,當(dāng)采用硬膜平探頭檢測(cè)凹球面時(shí),探頭邊緣與被檢工件成兩點(diǎn)接觸,其余部位不接觸[4]。

常用規(guī)格圓形晶片硬膜探頭與被檢工件凹、凸球面接觸時(shí),探頭晶片與被檢工件之間的最大間距如表1所示。

表1 探頭晶片與被檢工件最大間距Table 1 The maximum distance between the probewafer and the workpiece to be tested

超聲檢測(cè)時(shí),需要在探頭和被檢測(cè)工件間涂一層透聲性能良好的耦合劑,探頭、耦合劑和被檢工件之間形成聲阻抗Z1≠Z2≠Z3的非均勻介質(zhì)中的薄層。檢測(cè)研究對(duì)象時(shí),不論檢測(cè)凸球面還是凹球面,超聲波均是以一定的傾斜角穿過耦合劑進(jìn)入工件內(nèi),此時(shí)聲強(qiáng)透射率的情況相對(duì)復(fù)雜,但因?yàn)閮A斜角度不大,因此以0°入射角分析超聲波縱波通過不同厚度耦合劑層的狀態(tài),了解聲強(qiáng)透射率的變化規(guī)律。

如圖4所示,超聲波縱波以0°入射角通過耦合層時(shí)的聲強(qiáng)透射率T為[5-6]:

式中,Z1、Z2、Z3分別代表探頭、耦合劑層、被檢工件的聲阻抗;d2為耦合劑層厚度;λ2為耦合劑層波長(zhǎng)。

圖4 薄層界面的反射與透射示意圖Figure 4 Schematic diagram of reflection and transmission at the thin layer interface

由上式可知,當(dāng)耦合劑薄層厚度d2?λ2時(shí),式中cos2(2πd2/λ2)→1,sin2(2πd2/λ2)→0,聲強(qiáng)透射率T→4Z1Z3/(Z1+Z3)2,即耦合劑層越薄,其聲阻抗Z2對(duì)聲強(qiáng)透射率影響越小[7]。因此在檢測(cè)異形入射面工件時(shí),探頭與工件之間的間隙越小越好。

如果采用機(jī)油作為耦合劑,其縱波聲速CL=1434 m/s[8],不同頻率對(duì)應(yīng)的耦合劑層波長(zhǎng)λ2如表2所示。

表2 不同頻率對(duì)應(yīng)的耦合劑波長(zhǎng)Table 2 The wavelengths of the coupling agentcorresponding to different frequencies

1.4 探頭的選擇

1.4.1 探頭的類型

根據(jù)缺陷的特點(diǎn)和鍛件結(jié)構(gòu),選擇縱波單晶探頭或/和雙晶探頭。如果縱波單晶探頭近場(chǎng)分辨率不滿足要求,可選用雙晶探頭附加檢測(cè),或直接選用合適的雙晶探頭進(jìn)行檢測(cè)[9]。

1.4.2 探頭的頻率

用于該鍛件檢測(cè)的探頭選擇需考慮以下幾點(diǎn)[1,9]:

(1)由于波的繞射,使超聲檢測(cè)靈敏度約為λ/2,提高頻率,有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺陷;

(2)頻率越高,脈沖寬度越小,分辨力就越高,有利于分辨相鄰缺陷且缺陷定位精度高;

(3)根據(jù)θ0=arcsin(1.22λ/2),頻率越高,波長(zhǎng)越短,半擴(kuò)散角就越小,聲束指向性也就越好,能力集中,發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力也就越強(qiáng),但是相對(duì)的檢測(cè)區(qū)域也就越小,僅能發(fā)現(xiàn)聲束軸線附近的缺陷;

(4)根據(jù)N=D2/4λ,頻率越高,近場(chǎng)區(qū)越大,對(duì)檢測(cè)不利。

鍛件要求能夠發(fā)現(xiàn)?0.5 mm當(dāng)量尺寸的缺陷,根據(jù)a)λ/2=v/2f=0.5 mm,對(duì)于鍛鋼件f=v/(2×0.5)=5.9 MHz,因此應(yīng)盡量選擇中心頻率>5.9 MHz的探頭。但對(duì)于5 MHz探頭,根據(jù)頻譜分析,包括了大部分>5.9 MHz,理論上是可以發(fā)現(xiàn)0.5 mm的缺陷,但因每個(gè)探頭具有差異性,每個(gè)類型的探頭實(shí)際檢測(cè)能力需要根據(jù)其帶寬情況和實(shí)際檢測(cè)效果得出。根據(jù)上述選擇要點(diǎn)和鍛件材質(zhì),最終選擇5 MHz、7.5 MHz和10 MHz探頭進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4.3 帶寬的選擇

探頭發(fā)射的超聲脈沖頻率不是單一的,而是具有一定帶寬的。寬帶探頭對(duì)應(yīng)的脈沖寬度較小,深度分辨力好,但由于探頭使用的阻尼較大,通常靈敏度較低;窄帶探頭則脈沖較寬,深度分辨力變差,盲區(qū)大,但靈敏度較高,穿透能力強(qiáng)。

該項(xiàng)目鍛件厚度較小,選擇寬帶探頭和窄帶探頭最終效果區(qū)別不大,可任意選擇。

1.4.4 探頭晶片尺寸的選擇

不考慮與鍛件間的耦合問題時(shí),選擇探頭晶片尺寸要求考慮以下因素[5-6]:

(1)根據(jù)θ0=arcsin(1.22λ/2),晶片尺寸越大,半擴(kuò)散角越小,波束指向性越好,超聲波能量就會(huì)越集中,這對(duì)聲束線附近的缺陷檢出十分有利;

(2)根據(jù)N=D2/4λ,晶片尺寸越大,近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度越大,這對(duì)檢測(cè)不利;

(3)晶片尺寸越大,輻射的超聲波能力就越大,探頭未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍就越大,而遠(yuǎn)距離掃查范圍相對(duì)就會(huì)變小,發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷的能力就會(huì)增強(qiáng)。

該項(xiàng)目鍛件主要為薄球壁,厚度小,為了更容易發(fā)現(xiàn)埋深較小的缺陷,探頭晶片尺寸不宜過大。又因?yàn)轫?xiàng)目鍛件為球形鍛件,檢測(cè)面包含凸球面和凹球面,從探頭與工件間耦合考慮,根據(jù)表1、表2和表3,對(duì)于硬膜探頭,探頭晶片尺寸不宜超過10 mm。

根據(jù)以上原則,選擇表3所述探頭進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

表3 工藝試驗(yàn)探頭Table 3 Process test probe

2 結(jié)果與分析

2.1 不同探頭的檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)V110不能分辨?0.5 mm-5 mm平底孔,且由于探頭尺寸太小,不方便檢測(cè)人員持握,若檢測(cè)人員長(zhǎng)時(shí)間采用該探頭進(jìn)行檢測(cè),很難保證檢測(cè)結(jié)果可靠。MB5S探頭為軟膜探頭,探頭晶片不直接與工件接觸,超聲波從晶片發(fā)出后,需要依次穿過耦合劑、軟膜和耦合劑,方可進(jìn)入工件,加之因?yàn)槿肷涿鏋楫愋蚊?導(dǎo)致上盲區(qū)太大,不能分辨?0.5 mm-5 mm平底孔,如圖5所示。探頭7.5P10F10和探頭10.0 MHz 0.25″D(USA)可正常檢測(cè)。

圖5 MB5S探頭檢測(cè)結(jié)果Figure 5 Test results by MB5S Probe

圖6是探頭7.5P10F10、凹球面試塊、不同埋深的檢測(cè)結(jié)果?？梢钥吹?7.5P10F10對(duì)不同埋深均能夠準(zhǔn)確分辨,滿足對(duì)近表面、下盲區(qū)的檢測(cè)要求。

圖7是探頭7.5P10F10、凸球面試塊、不同埋深的檢測(cè)結(jié)果?？梢钥吹?7.5P10F10對(duì)不同埋深均能夠準(zhǔn)確分辨,滿足對(duì)近表面、下盲區(qū)的檢測(cè)要求。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,7.5P10F10雙晶硬膜縱波探頭可用于鍛件全表面超聲檢測(cè)。

圖8是探頭10.0 MHz 0.25″D(USA)、凸球面試塊、不同埋深的檢測(cè)結(jié)果。探頭楔塊可根據(jù)鍛件表面異型情況適當(dāng)磨削[10-11],檢測(cè)效果更好?？梢钥吹?當(dāng)埋深為5 mm,分辨力滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)近表面分辨力的要求;埋深為14 mm,能夠分辨出該孔,且分辨力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但是缺陷孔的回波出現(xiàn)在楔塊二次回波之后,影響檢測(cè),不符合要求;埋深為22 mm,能夠分辨出該孔,且分辨力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但是缺陷孔的回波出現(xiàn)在楔塊三次回波之后,影響檢測(cè),不符合要求。

圖9是探頭10.0 MHz 0.25″D(USA)、凹球面試塊、不同埋深的檢測(cè)結(jié)果?？梢钥吹?當(dāng)埋深為5 mm,分辨力滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)近表面分辨力的要求;埋深為9 mm,能夠分辨出該孔,且分辨力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;埋深為12 mm,能夠分辨出該孔,且分辨力滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)下盲區(qū)的要求。

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),10.0 MHz 0.25″D(USA)單晶楔塊縱波直探頭只能檢測(cè)埋深不超過15 mm的孔,檢測(cè)埋深超過15 mm的孔會(huì)受到楔塊非第一次回波影響,不能檢測(cè),因此該探頭僅可用于凹球面區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。

結(jié)合理論分析和10.0 MHz 0.25″D(USA)單晶楔塊縱波直探頭的試驗(yàn)結(jié)果,10 MHz單晶硬膜探頭是可以識(shí)別和分辨出?0.5 mm的人工缺陷,且分辨力滿足要求,又根據(jù)7.5P10F10雙晶硬膜縱波探頭的晶片尺寸和試驗(yàn)效果,性能與10.0 MHz 0.25″D(USA)單晶楔塊縱波直探頭相似,晶片尺寸不超過?10 mm的10 MHz單晶硬膜探頭可以滿足凹球面和凸球面超聲檢測(cè)。

2.2 常規(guī)試塊適用性試驗(yàn)

為驗(yàn)證常規(guī)平面平底孔試塊[2-3]是否適用球殼鍛件檢測(cè),項(xiàng)目分別采用了7.5P10F10雙晶硬膜探頭和10.0 MHz 0.25″D(USA)單晶楔塊探頭進(jìn)行試驗(yàn)。

圖10均采用EPCOH1000超聲檢測(cè)儀和7.5P10F10雙晶硬膜探頭,設(shè)備各參數(shù)完全相同。圖10(a)是凹球面試塊?2.0 mm-12 mm平底孔檢測(cè)結(jié)果,如圖所示,平底孔對(duì)應(yīng)的波高達(dá)到80%時(shí)增益值為60.0dB。圖10(b)是常規(guī)平面試塊?2.0 mm-15 mm平底孔(無?2.0 mm-12 mm常規(guī)平面試塊)檢測(cè)結(jié)果,如圖所示,對(duì)應(yīng)的波高達(dá)到80%時(shí)增益值為59.6dB。二者增益相差0.4dB(<2dB),該差值在標(biāo)準(zhǔn)中是允許的。

圖11均采用EPCOH1000超聲檢測(cè)儀和7.5P10F10雙晶硬膜探頭,設(shè)備各參數(shù)完全相同。圖11(a)是凸球面試塊?2.0 mm-22 mm平底孔檢測(cè)結(jié)果,如圖所示,平底孔對(duì)應(yīng)的波高達(dá)到80%時(shí)增益值為63.3dB。圖11(b)是常規(guī)平面試塊?2.0 mm-25 mm平底孔(無?2.0 mm-22 mm常規(guī)平面試塊)檢測(cè)結(jié)果,如圖所示,對(duì)應(yīng)的波高達(dá)到80%時(shí)增益值為66.3dB。二者增益相差3.0dB(>2dB),雖然平面試塊對(duì)應(yīng)的增益更高,對(duì)檢測(cè)來說更有利,但在缺陷評(píng)定時(shí)不符合要求,且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求該增益的差值需要進(jìn)行對(duì)比修正。

圖12均采用EPCOH1000超聲檢測(cè)儀和10.0 MHz 0.25″D(USA)單晶楔塊探頭,設(shè)備各參數(shù)完全相同。圖12(a)是凹球面試塊?2.0 mm-12 mm平底孔檢測(cè)結(jié)果,如圖所示,對(duì)應(yīng)的波高達(dá)到80%時(shí)增益值為61.9dB。圖12(b)是常規(guī)平面試塊?2.0 mm-15 mm平底孔檢測(cè)結(jié)果,如圖所示,對(duì)應(yīng)的波高達(dá)到80%時(shí)增益值為61.7dB。二者增益相差0.2dB(<2dB),該差值在標(biāo)準(zhǔn)中是允許的。

圖13均采用EPCOH1000超聲檢測(cè)儀和10.0 MHz 0.25″D(USA)單晶楔塊探頭,設(shè)備各參數(shù)完全相同。圖13(a)是凸球面試塊?2.0 mm-5 mm平底孔檢測(cè)結(jié)果,如圖所示,對(duì)應(yīng)的波高達(dá)到80%時(shí)增益值為62.2dB。圖13(b)是常規(guī)平面試塊?2.0 mm-5 mm平底孔檢測(cè)結(jié)果,如圖所示,對(duì)應(yīng)的波高達(dá)到80%時(shí)增益值為61.7dB。二者增益相差0.5dB(<2dB),該差值在標(biāo)準(zhǔn)中是允許的。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,常規(guī)平面平底孔試塊與異形面平底孔試塊間增益是存在差異的,差異的大小根據(jù)設(shè)備和探頭不同存在不同,有的差異小,有的差異大。但因球殼鍛件入射面和底面均非平面,用常規(guī)測(cè)量補(bǔ)償方法測(cè)量鍛件與常規(guī)平面平底孔試塊間補(bǔ)償不適用。

3 結(jié)論

(1)采用硬膜探頭檢測(cè)入射面為凹球面和凸球面工件時(shí),雖然探頭與鍛件不能完全貼合,但只要探頭晶片尺寸合適,降低探頭晶片與工件的間隙對(duì)檢測(cè)的影響,是可用于檢測(cè)的。

(2)帶楔塊的單晶直探頭,雖然楔塊可磨制以利于楔塊與探頭貼合,有利于聲能傳輸?shù)焦ぜ?nèi)部,但受楔塊回波影響,選擇探頭時(shí)需要考慮工件厚度。

(3)對(duì)于入射面為異形面的薄球壁鍛件,因?yàn)閱芜吋庸び嗔枯^小,軟膜探頭很難滿足近表面分辨力要求,不適合用于檢測(cè),除非再對(duì)近表面進(jìn)行一次附加檢測(cè),但這會(huì)影響工作效率,實(shí)際工作中不建議采用該方法。

(4)實(shí)際工作中,為保證檢測(cè)效率,建議主要采用雙晶探頭檢測(cè),對(duì)檢測(cè)結(jié)果存疑部位采用其他符合該部位檢測(cè)要求的探頭進(jìn)行復(fù)查。

(5)常規(guī)平面平底孔試塊不完全適用于檢測(cè)球殼鍛件,檢測(cè)薄壁球殼鍛件時(shí)最好采用入射面與鍛件相同的特制專用對(duì)比試塊。