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鍛件與鑄件的超聲波探傷方法解析

2019-01-17 20:59:58 三木科儀 WWW.SANMUKEYI.COM 點擊數:

鍛件與鑄件的超聲波探傷方法解析

(齒輪鍛件的超聲波探傷)

大型鑄鍛件在機床製造、汽車製造業、船舶、電站、兵器工業、鋼鐵製造等領域具有重要的作用,作為十分重要的零部件,其具有大的體積與重量,其工藝與加工比較複雜。通常采用的工藝熔煉後鑄錠,進行鍛造或重新熔化澆注成型,通過高頻加熱機獲得要求的形狀尺寸與技術要求,來滿足其服役條件的需要。由於其加工工藝特點,它們在生產加工過程中常會產生一些缺陷,影響設備的安全使用,一些標準規定對某些鍛件和鑄件必須進行超聲波探傷。由於鑄件晶粒粗大、透聲性差,信噪比低,探傷困難大,因此本文重點介紹鍛件探傷問題,對鑄件探傷隻做簡單介紹。

一、鍛件超聲波探傷

1. 鍛件加工及常見缺陷

鍛件是由熱態鋼錠經鍛壓變形而成。鍛壓過程包括加熱、形變和冷卻。鍛件缺陷可分為鑄造缺陷、鍛造缺陷和熱處理缺陷。鑄造缺陷主要有:縮孔殘餘、疏鬆、夾雜、裂紋等。鍛造缺陷主要有:折疊、白點、裂紋等。熱處理缺陷主要是裂紋。

縮孔殘餘是鑄錠中的縮孔在鍛造時切頭量不足殘留下來的,多見於鍛件的端部。

疏鬆是鋼錠在凝固收縮時形成的不致密和孔穴,鍛造時因鍛造比不足而未全溶合,主要存在於鋼錠中心及頭部。

夾雜有內在夾雜、外來非金屬夾雜和金屬夾雜。內在夾雜主要集中於鋼錠中心及頭部。

裂紋有鑄造裂紋、鍛造裂紋和熱處理裂紋等。奧氏體鋼軸心晶間裂紋就是鑄造引起的裂紋。鍛造和熱處理不當,會在鍛件表麵或心部形成裂紋。

白點是鍛件含氫量較高,鍛後冷卻過快,鋼中溶解的氫來不及逸出,造成應力過大引起的開裂。白點主要集中於鍛件大截麵中心。白點在鋼中總是成群出現。

2. 超聲波探傷方法概述

按探傷時間分類,鍛件探傷可分為原材料探傷和製造過程中的探傷,產品檢驗及在役檢驗。

原材料超聲波探傷和製造過程中超聲波探傷的目的是及早發現缺陷,以便及時采取措施避免缺陷發展擴大造成報廢。產品檢驗的目的是保證產品質量。在役檢驗的目的是監督運行後可能產生或發展的缺陷,主要是疲勞裂紋。

a.軸類鍛件的超聲波探傷

軸類鍛件的鍛造工藝主要是以拔長為主,因而大部分缺陷的取向與軸線平行,此類缺陷的探測以縱波直探頭從徑向探測效果最佳。考慮到缺陷會有其它的分布及取向,因此軸類鍛件探傷,還應輔以直探頭軸向探測和斜探頭周向探測及軸向探測。

1)直探頭徑向和軸向探測:如圖6.1所示,直探作徑向探測時將探頭置於軸的外緣,沿外緣作全麵掃查,以發現軸類鍛件中常見的縱向缺陷。

直探頭作軸向探測時,探頭置於軸的端頭,並在軸端作全麵掃查,以檢出與軸線相垂直的橫向缺陷。但當軸的長度太長或軸有多個直徑不等的軸段時,會有聲束掃查不到的死區,因而此方法有一定的局限性。

2)斜探頭周向及軸向探測:鍛件中若在片狀軸向及徑同缺陷或軸上有幾個不同直徑的軸段,用直探頭徑向或軸向探測都難以檢出的,則必須使用斜探頭在軸的外圓作周向及軸向探測。考慮到缺陷的取向,探測時探頭應作正、反兩個方向的全麵掃查,如圖6.2所示。

b.餅類、碗類鍛件的超聲波探傷

餅類和碗類鍛件的鍛造工藝主要以鐓粗為主,缺陷的分布主要平行於端麵,所以用直探頭在端麵探測是檢出缺陷的最佳方法。

對於上些重要的餅類、碗類鍛件,要從兩個端麵進行探傷,此外有時還要從側麵進行徑向探傷,如下圖所示。

從兩端麵探測時,探頭置於鍛件端麵進行全麵探測,以探出與端麵平行的缺陷。從鍛件側麵進行徑向探測時,探頭在鍛件側麵掃查,以發現某些軸向缺陷。

c.筒類鍛件的超聲波探傷

筒類鍛件的鍛造工藝是先鐓粗,後衝孔,再滾壓。因此,缺陷的取向比軸類鍛件和餅類鍛件中的缺陷的取向複雜。但由於鑄錠中質量最差的中心部分已被衝孔時去除,因而筒類鍛件的質量一般較好。其缺陷的主要取向仍與筒體外圓表麵平行,所以筒類鍛件的探傷仍以直探頭外圓麵探測為主,但對於壁較厚的筒類鍛件,須加用斜探頭探測。

1)直探頭探測:如圖6.4所示,用直探頭從筒體外圓麵或端麵進行探測。外圓探測的目的是發現與軸線平行的周向缺陷。端麵探測的目的是發現與軸線垂直的橫向缺陷。

2)雙晶探頭探測:如圖6.4所示,為了探測筒體近表麵缺陷,需要采用雙品探頭從外圓麵或端麵探測。 

3)斜探頭探測:對於某些重要的筒形鍛件還要用斜探頭從外圓進行軸向和周向探測,如圖6.5所示。軸向探測為了發現與軸線垂直的徑向缺陷。周向探測是為了發現與軸線平行的徑向缺陷。

3. 超聲波探測條件的選擇

1)超聲波探頭的選擇:鍛件超聲波探傷時,主要使用縱波直探頭,晶片尺寸為Φ14~Φ28mm,常用Φ20mm。對於較小的鍛件,考慮近場區和耦合損耗原因,一般采用小晶片探頭。有時為了探測與探測麵成一定傾角的缺陷,也可采用一定K值的斜探頭進行探測。對於近距離缺陷,由於直探頭的盲區和近場區的影響,常采用雙晶直探頭探測。

鍛件的晶粒一般比較細小,因此可選用較高的探傷頻率,常用2.5~5.0MHz。對於少數材質晶粒粗大衰減嚴重的鍛件,為了避免出現“林狀回波”,提高信噪比,應選用較低的頻率,一般為1.0~2.5MHz。

2)耦合劑的選擇:在鍛件探傷時,為了實現較好的聲耦合,一般要求探測麵的表麵粗糙糙R,不高於6.3um,表麵平整均勻,無劃傷、油垢、汙物、氧化皮、油漆等。  

當在試塊上調節探傷靈敏度時,要注意補償塊與工件之間因曲率半徑和表麵粗糙度不同引起的耦合損失。

鍛件探傷時,常用機油、漿糊、甘油等作耦合劑。當鍛件表麵較粗糙時也可選用水玻璃作耦合劑。

3)掃查方法的選擇:鍛件探傷時,原則上應在探測麵上從兩個相互垂直的方向進行全麵掃查。掃查覆蓋麵應為探頭直徑的15%,探頭移動速度不大於150mm/s。擋查過程中要注意觀察缺陷波的情況和底波的變化情況。

4)材質衰減係統的測定:當鍛件尺寸較大時,材質的衰減對缺陷定量百一定的影響。特別是材質衰減嚴重時,影響更明顯。因此,在鍛件探傷中有時要測定材質的衰減係數a。衰減係數可利用下式來計算:

式中:[B]1一[B]2——無缺陷處第一、二次底波高的分貝差:

X——底波聲程(單程)。

值得注意的是:測定衰減係數時,探頭所對鍛件底麵應光潔幹淨,底麵形狀為大平底或圓柱麵,χ≥3N,測試處無缺陷。一般選取三處進行測試,最後取平均值。

5)超聲波試塊選擇:鍛件探傷中,要根據探頭和探測麵的情況選擇試塊。

采用縱波直探頭探傷時,常選用CS—1和CS一2試塊來調節探傷靈敏和對缺陷定量。采用縱波雙晶直探頭傷時常選用圖6.6所示的試塊來調節探傷靈敏度和對缺陷定量。該試塊

的人工缺陷為平底孔,孔徑有有φ2、φ3、φ4、φ6等四種,距離L分別為5、10、15、20、25、30、35、40、45mm


當探測麵為曲麵時,應采用曲麵對比試塊來測定由於曲率不同引起的耦合損失。對比試塊如圖6.7所示


6)探傷時機:鍛件超聲波探傷應在熱處理後進行,因為熱處理可以細化晶粒,減少衰減。此外,還可以發現熱處理過程中產生的缺陷。
對於帶孔、槽和台階的鍛件,超聲波探傷應在孔、槽、台階加工前進行。因為孔、槽、台階對探傷不利,容易產生各種非缺陷回波。
當熱處理後材質衰減仍較大且對於探測結果有較大影響時,應重新進行熱處理。

二、鑄件超聲波探傷

由於鑄件晶粒粗大、透聲性差,信噪比低,所以探傷困難大,它是利用具有高頻聲能的聲束在鑄件內部的傳播中,碰到內部表麵或缺陷時產生反射而發現缺陷。反射聲能的大小是內表麵或缺陷的指向性和性質以及這種反射體的聲阻抗的函數,因此可以應用各種缺陷或內表麵反射的聲能來檢測缺陷的存在位置、壁厚或者表麵下缺陷的深度。超聲檢測作為一種應用比較廣泛的無損檢測手段,其主要優勢表現在:檢測靈敏度高,可以探測細小的裂紋;具有大的穿透能力,可以探測厚截麵鑄件。

其主要局限性在於:對於輪廓尺寸複雜和指向性不好的斷開性缺陷的反射波形解釋困難;對於不合意的內部結構,例如晶粒大小、組織結構、多孔性、夾雜含量或細小的分散析出物等,同樣妨礙波形解釋;另外,檢測時需要參考標準試塊。

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