羅云東 于寶虹

(上海寶鋼工業(yè)檢測(cè)公司，上海201900)

鑄件的材質(zhì)特點(diǎn)是晶粒粗大、組織不致密、不均勻。鑄件超聲波檢測(cè)時(shí)普遍存在的問題是透聲性差、聲耦合差、干擾雜波多[1]。尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄件，因鑄造工藝控制難度大，往往會(huì)在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生大量的鑄造缺陷，較常見的缺陷有：氣孔、夾渣、夾砂、疏松、縮孔和裂紋、冷隔等。雖然超聲波檢測(cè)是大型鑄件內(nèi)部缺陷檢測(cè)最適用的方式，但由超聲波技術(shù)準(zhǔn)確檢出并定量、定性的分析鑄造缺陷仍具有一定的難度。因此，為確保超聲波檢測(cè)大型鑄件缺陷時(shí)的準(zhǔn)確性，制定嚴(yán)格超聲波檢測(cè)工藝并進(jìn)行控制是至關(guān)重要的。

1 鑄件超聲波檢測(cè)的技術(shù)準(zhǔn)備

1.1 了解被檢測(cè)對(duì)象

進(jìn)行超聲波檢測(cè)前，首先要全面了解被檢測(cè)的鑄件情況。通過查看圖紙、現(xiàn)場(chǎng)檢查及委托方對(duì)項(xiàng)目的介紹等方式明確檢測(cè)鑄件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征、澆鑄方式、冒口位置分布、工件擺放的形式、可接觸到的檢測(cè)面、工件各部位的厚度尺寸、表面狀況以熱處理狀況、修復(fù)情況及工件的加工余量等。這些情況對(duì)于超聲波檢測(cè)工藝參數(shù)的選取、檢測(cè)工藝的制定及檢測(cè)波型的分析、缺陷的定性等具有非常重要的意義。此外還需要了解超聲波檢測(cè)鑄件的制造進(jìn)度，以便在合適的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，以免錯(cuò)過最合適的檢測(cè)環(huán)境。

1.2 明確超聲波檢測(cè)技術(shù)要求

超聲波檢測(cè)技術(shù)要求是編制超聲波檢測(cè)方案及實(shí)施超聲波檢測(cè)的依據(jù)。鑄件的設(shè)計(jì)圖紙一般會(huì)明確規(guī)定超聲波檢測(cè)掃查面、依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收規(guī)范或技術(shù)條件。在超聲波檢測(cè)實(shí)施前，檢測(cè)人員應(yīng)充分地了解相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范內(nèi)容，明確超聲波檢測(cè)關(guān)鍵參數(shù)的選擇原則，尤其明確超聲波檢測(cè)頻率、探頭、靈敏度調(diào)節(jié)、缺陷定量方式、判定依據(jù)等主要規(guī)定。如項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容超出超聲波檢測(cè)機(jī)構(gòu)通用作業(yè)指導(dǎo)書的范圍，則需要編制專用的超聲波檢測(cè)方法。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

1.3.1 冶金企業(yè)常用的大型鑄件檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

(1)GB7233—1987鑄鋼件超聲波探傷及質(zhì)量評(píng)級(jí)方法

(2)JB/T5000.14—2007重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第14部分：鑄鋼件無損檢測(cè)

(3)SEP 1922 鐵素體鋼鑄件的超聲波檢測(cè)

(4)DIN1690 第2部分 金屬材料鑄件交貨技術(shù)條件 依據(jù)無損檢測(cè)對(duì)鑄鋼件的質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行分類

(5)DIN EN 12680-2鑄造-超聲波探傷 第2部分：高應(yīng)力零部件用鑄鋼件

(6)SN 320 第10部分 軋機(jī)鑄鋼機(jī)架檢驗(yàn)規(guī)程

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)比較

(1)國(guó)內(nèi)外鑄鋼件檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于檢測(cè)工藝方面的規(guī)定大致相同。鑄件超聲波檢測(cè)方法均以縱波直探頭掃查為主，檢測(cè)頻率在(1～6)MHz范圍之間，近場(chǎng)區(qū)內(nèi)缺陷推薦采用雙晶探頭檢測(cè)。必要時(shí)，采用橫波斜探頭進(jìn)行輔助檢測(cè)。對(duì)于鑄件需檢查的部位盡可能采用直探頭從兩個(gè)不同的方向進(jìn)行檢測(cè)。

(2)無損檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)只是規(guī)定檢測(cè)方法及對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡燃?jí)分類，并不作驗(yàn)收性判定。應(yīng)根據(jù)鑄件的使用條件、大小形狀、材料牌號(hào)、缺陷分布，及生產(chǎn)情況來確定鑄鋼件超聲波探傷的驗(yàn)收等級(jí)。驗(yàn)收等級(jí)應(yīng)在有關(guān)技術(shù)文件或圖樣上規(guī)定。例如 GB7233—1987中規(guī)定了?3 mm、?4 mm、?6 mm三種平底孔當(dāng)量靈敏度，同時(shí)說明應(yīng)由供需雙方規(guī)定鑄鋼件每個(gè)區(qū)域的探傷靈敏度。

(3)DIN1690-2和SEP 1922標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的適用范圍都有明確的厚度上限規(guī)定，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7233—1987標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了被檢工件的厚度下限值(厚度大于等于30 mm的碳鋼和低合金鋼鑄件)。在98版基礎(chǔ)上更新的JB/T5000.14—2007標(biāo)準(zhǔn)，在制定時(shí)參考了相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)要求方面與DIN1690-2和SEP 1922標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基本一致。

1.4 儀器、探頭和試塊

1.4.1 儀器超聲波檢測(cè)大型鑄件時(shí)，為了方便波形參數(shù)的讀取和記錄，應(yīng)選用數(shù)字式超聲波探傷儀。有條件時(shí)，也可以采用具有自動(dòng)繪制AVG曲線的超聲波探傷儀。這樣就可省去人工計(jì)算或查表獲得缺陷當(dāng)量的時(shí)間，明顯提高檢測(cè)效率。超聲波檢測(cè)大型鑄件往往需要長(zhǎng)時(shí)間或者登高實(shí)施，所以儀器盡量選用便攜性強(qiáng)的輕巧儀器。

1.4.2 探頭

鑄件超聲波檢測(cè)一般采用以直探頭為主的掃查方式，必要時(shí)，采用斜探頭作輔助掃查。探頭型號(hào)的選取應(yīng)依據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，單晶直探頭一般采用(1～2.5)MHz的檢測(cè)頻率，常用的有 B2S、B1S及B1SL；雙晶直探頭最常用的是SEB2，用于外層60mm以內(nèi)區(qū)域的檢測(cè)；橫波斜探頭常用 450～700 之間，頻率(1～2.5)MHz，用以輔助檢測(cè)直探頭掃查不易發(fā)現(xiàn)，與表面成一定角度的缺陷。

1.4.3 試塊

超聲波檢測(cè)鑄件對(duì)比試塊一般采用系列平底孔試塊。對(duì)比試塊采用與被檢鑄件材質(zhì)相同或相近的材料制作，其超聲衰減系數(shù)應(yīng)與被檢鑄鋼件材料的衰減系數(shù)相同或相近。試塊可參照GB7233—1987標(biāo)準(zhǔn)制作， ZGZ系列對(duì)比試塊和ZGS對(duì)比試塊的型式見圖1所示[2]。

圖1 鑄件檢測(cè)對(duì)比試塊型式Figure 1 Pattern of reference block for casting test

圖1中：d—平底孔直徑，L—試塊全長(zhǎng)，D—試塊直徑。d、L、D值大小根據(jù)被檢鑄件的厚度確定。采用與被檢工件同爐鑄造、同材質(zhì)、同熱處理狀態(tài)的試件制作的對(duì)比試塊能夠得到較準(zhǔn)確的靈敏度調(diào)節(jié)結(jié)果。如標(biāo)準(zhǔn)允許也可以采用反射良好的工件本體調(diào)節(jié)靈敏度。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 表面準(zhǔn)備

去除被檢部位表面的氧化皮及影響超聲耦合的污物，表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra≤12.5μm，被檢表面平整、干凈。

為了方便大型鑄件大平面上缺陷位置的標(biāo)注和記錄，可采用網(wǎng)格定位的方式。選定基準(zhǔn)位置(O點(diǎn))，并在被檢部位表面打上單位尺寸的網(wǎng)格線。網(wǎng)格線的大小根據(jù)掃查面的大小來確定，可為100 mm×100 mm，也可為500 mm×500 mm或其他尺寸規(guī)格。以A×B(A、B分別為縱、橫向網(wǎng)格編號(hào))的方式標(biāo)注檢測(cè)區(qū)域。采用該方法可明顯縮短缺陷定位測(cè)量標(biāo)注記錄時(shí)間，大幅度提高檢測(cè)效率。

2.2 聲速校準(zhǔn)

采用已知厚度的試塊(同材質(zhì)同熱處理狀態(tài))或鑄件本體完好部位，利用儀器自動(dòng)校準(zhǔn)功能校準(zhǔn)材料聲速，同時(shí)完成探頭零點(diǎn)校正。

2.3 可探性判定與衰減系數(shù)的測(cè)定

2.3.1 可探性判定方法

(1)采用2 MHz的縱波直探頭，在檢測(cè)靈敏度下，如果平底孔回波幅度比同聲程噪聲信號(hào)幅度高8dB以上，則該鑄件適合進(jìn)行UT。

(2)如果不能滿足上述要求，則降低至1MHz頻率進(jìn)行測(cè)試，滿足要求，則以1MHz頻率進(jìn)行UT。

(3)如1 MHz仍不能滿足適用性要求，則需對(duì)工件進(jìn)行熱處理以改善其透聲性，在滿足要求后實(shí)施檢測(cè)。

2.3.2 衰減系數(shù)的測(cè)定

超聲波檢測(cè)大型鑄件，須考慮材質(zhì)衰減，衰減系數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)計(jì)算。

在鑄件本體上選擇有平行底面的相對(duì)完好部位，實(shí)測(cè)計(jì)算材質(zhì)衰減系數(shù)，每一鑄件至少測(cè)量三點(diǎn)取平均值。實(shí)際檢測(cè)時(shí),通過多點(diǎn)測(cè)量值比較確定各被檢部位材質(zhì)衰減系數(shù)作為缺陷定量計(jì)算參數(shù)及補(bǔ)償依據(jù)。

2.4 檢測(cè)靈敏度

靈敏度一般采用平底孔試塊或工件本體底面回波進(jìn)行調(diào)節(jié)。

采用平底孔試塊繪制距離波幅曲線(DAC曲線)是一種方便快捷的方式。但對(duì)于大型鑄件檢測(cè)項(xiàng)目，往往很難做到制作最大聲程與工件厚度相當(dāng)?shù)钠降卓自噳K。雙晶掃查試塊是必須加工的，因?yàn)椴捎么舐暢痰谋倔w底面調(diào)節(jié)制作小聲程的距離波幅曲線往往會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，尤其對(duì)于材質(zhì)不均勻、衰減嚴(yán)重的厚壁鑄件。

如果被檢部位厚度較大，則要分段繪制超聲波檢測(cè)距離波幅曲線。如在某寬厚板軋機(jī)架箱體檢測(cè)時(shí)，針對(duì)550 mm的檢測(cè)厚度，采用了本體底面有代表性的無缺陷部位調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度(?5 mm/550 mm)，采用計(jì)算法[1](如公式1)并分段繪制了DAC曲線，見圖2所示。DAC1與DAC2相差24 dB。

△=20lg(PB/Pf)=20lg[(2λxf2)/(πDf2xB)]-α雙(xB-xf)

(1)

式中 △——當(dāng)量差；

PB——鑄件底面回波聲壓；

Pf——平底孔缺陷回波聲壓；

λ——波長(zhǎng)；

Df——平底孔缺陷的當(dāng)量直徑；

α雙——材質(zhì)衰減系數(shù)；

xB——鑄件底面至檢測(cè)面的距離；

xf——平底孔缺陷至檢測(cè)面的距離。

圖2 某軋機(jī)牌坊本體檢測(cè)DAC曲線Figure 2 DAC curve of one rolling mill stand

2.5 掃查與記錄

選擇有規(guī)律的掃查路徑，首先以單晶直探頭進(jìn)行全面掃查，觀察是否存在無底波區(qū)域及底波明顯降低部位(底波降低量≥12 dB部位)。對(duì)于既無底面回波又無缺陷回波的位置，觀察是否存在與入射面傾斜的缺陷，或采用斜探頭輔助分析。對(duì)被檢區(qū)進(jìn)行100%掃查，相鄰兩次掃查相互重疊約為晶片尺寸的15%。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷應(yīng)記錄其深度、面積(延伸性缺陷)、波幅/當(dāng)量、位置等。缺陷較多時(shí)，為了提高檢測(cè)效率，也可在檢測(cè)完成后根據(jù)檢測(cè)參數(shù)且考慮不同距離的材質(zhì)衰減dB值逐一計(jì)算缺陷的當(dāng)量尺寸，或根據(jù)AVG曲線得到缺陷的當(dāng)量。

2.6 缺陷的評(píng)判

2.6.1 評(píng)判缺陷需考慮的因素

超聲波檢測(cè)鑄件時(shí)，單純依靠超聲波反射波型特征及當(dāng)量大小很難準(zhǔn)確評(píng)判缺陷，評(píng)判缺陷時(shí)一般應(yīng)考慮如下因素：

(1)反射回波的當(dāng)量大?。?/p>

(2)缺陷延伸與否及延伸面積；

(3)缺陷是否具有裂紋性缺陷特征；

(4)缺陷對(duì)底面回波的影響程度(以dB值表示)；

(5)反射體占壁厚的百分比；

(6)缺陷位于鑄件厚度方向的區(qū)域(中部或外部)；

(7)缺陷是否位于工件高應(yīng)力區(qū)域及承受交變載荷的關(guān)鍵部位；

(8)缺陷面積是否滿足所屬區(qū)域的量值規(guī)定；

(9)缺陷面積與鑄件總面積之比；

(10)缺陷對(duì)于不同掃查面的表現(xiàn)結(jié)果(波型特征及幾何尺寸)；

(11)無法準(zhǔn)確定性缺陷時(shí)所需要的輔助檢測(cè)方法。

2.6.2 鑄造缺陷的定性分析

對(duì)鑄造缺陷進(jìn)行定性首先應(yīng)了解其鑄造工藝及可能產(chǎn)生的缺陷類型，再結(jié)合缺陷超聲波檢測(cè)回波特征、多方向的掃查結(jié)果、缺陷特征參數(shù)及輔助檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行缺陷定性。

(1)檢測(cè)實(shí)例1

對(duì)一件大型鑄造模具進(jìn)行超聲波檢測(cè)，已知該模具為縱向豎立澆鑄，冒口位于模具頂部，因此檢測(cè)方案制定為模具上部為重點(diǎn)檢測(cè)部位。對(duì)模具徑向100%UT掃查，并作軸向輔助掃查后，發(fā)現(xiàn)模具冒口附近均存在大面積的無底波區(qū)域，如圖3所示。初步判斷該區(qū)域由疏松和縮孔缺陷引起。

為驗(yàn)證缺陷的性質(zhì)，選擇其中的一件模具進(jìn)行了高能射線照相復(fù)驗(yàn)。見圖4，在射線底片上可見大面積的疏松和一處較大的樹枝狀縮孔，材質(zhì)狀況非常不均勻?？s孔影像中部可見一條高黑度帶狀不連續(xù)圖像，模具在該處的有效壁厚減薄嚴(yán)重，對(duì)模具承載能力和使用壽命將會(huì)有較大的影響，判定為不合格。

(2)檢測(cè)實(shí)例2

圖3 大型模具冒口附近缺陷分布示意圖Figure 3 Defect distribution around the riser

對(duì)某鑄件進(jìn)行超聲波檢測(cè)，當(dāng)從主檢測(cè)面(鑄件經(jīng)機(jī)加工的大平面)進(jìn)行掃查時(shí)，反射波型呈現(xiàn)斷續(xù)相連的面狀缺陷特征，疑似裂紋性缺陷，但其延伸面并不平行于上表面，而是與表面呈一定的傾角。目視檢查與掃查面相對(duì)的鑄件表面，可見連續(xù)的凹痕狀未熔合線。打磨未熔合部位可見明顯的金屬分界面，該區(qū)域側(cè)面經(jīng)打磨后經(jīng)熒光磁粉檢測(cè)，磁痕呈線狀顯示，見圖5。根據(jù)以上特征判定該缺陷為鑄造冷隔。

圖4 鑄造模具底片影像分析Figure 4 Image analysis of the casting mould

3 結(jié)語(yǔ)

超聲波檢測(cè)大型鑄件內(nèi)部缺陷是一種有效的方法。實(shí)施檢測(cè)前應(yīng)充分了解被檢鑄件、熟悉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，基于鑄件的特點(diǎn)，制定確保檢測(cè)靈敏度又方便實(shí)施的檢測(cè)方案。在條件允許時(shí)盡量選擇多個(gè)檢測(cè)面對(duì)同一部位進(jìn)行掃查，這樣更有利于缺陷的定量與定性分析。缺陷評(píng)判時(shí)應(yīng)綜合考慮相關(guān)因素，才能得出比較準(zhǔn)確的缺陷結(jié)論。必要時(shí)，可采用磁粉、射線等檢測(cè)方法輔助分析及復(fù)驗(yàn)確認(rèn)缺陷性質(zhì)。

[1] 全國(guó)鍋爐壓力容器無損檢測(cè)人員資格考核委員會(huì).超聲波探傷.北京：中國(guó)鍋爐壓力容器安全雜志社，1995.

[2] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.鑄鋼件超聲波探傷及質(zhì)量評(píng)級(jí)方法，附錄A，1987.