锻件与铸件超声波探伤详细教程附实例解析.docx

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锻件与铸件超声波探伤详细教程附实例解析

第六章锻件与铸件超声波探伤

第六章 锻件与铸件超声波探伤

     锻件和铸件是各种机械设备及锅炉压力容器的重要毛坯件。

它们在生产加工过程中常会产生一些缺陷，影响设备的安全使用。

一些标准规定对某些锻件和铸件必须进行超声波探伤。

由于铸件晶粒粗大、透声性差，信噪比低，探伤困难大，因此本章重点计论锻件探伤问题，对铸件探伤只做简单介绍。

第一节 锻件超声波探伤

    一、锻件加工及常见缺陷

    锻件是由热态钢锭经锻压变形而成。

锻压过程包括加热、形变和冷却。

锻件的方式大致分为镦粗、拔长和滚压。

镦粗是锻压力施加于坯料的两端，形变发生在横截面上。

拔长是锻压力施加于坯料的外圆，形变发生在长度方向。

滚压是先镦粗坯料，然后冲孔再插入芯棒并在外圆施加锻压力。

滚压既有纵向形变，又有横向形变。

其中镦粗主要用于饼类锻件。

拔长主要用于轴类锻件，而简类锻件一般先镦粗，后冲孔，再镦压。

    为了改善锻件的绍织性能，锻后还要进行正火、退火或调质等热处理。

    锻件缺陷可分为铸造缺陷、锻造缺陷和热处理缺陷。

铸造缺陷主要有：

缩孔残余、疏松、夹杂、裂纹等。

锻造缺陷主要有：

折叠、白点、裂纹等。

热处理缺陷主要有：

裂纹等。

    缩孔残余是铸锭中的缩孔在锻造时切头量不足残留下来的，多见于锻件的端部。

    疏松是钢锭在凝固收缩时形成的不致密和孔穴，锻造时因锻造比不足而末全焊合，主要存在于钢锭中心及头部。

    夹杂有内在夹杂、外来菲金属夹杂栩金属夹杂。

内在夹杂主要集中于钢锭中心及头部。

    裂纹有铸造裂纹、锻造裂纹和热处理裂纹等。

奥氏体钢轴心晶间裂纹就是铸造引起的裂纹。

锻造和热处理不当，会在锻件表面或心部形成裂纹。

   白点是锻件含氢最较高，锻后冷却过快，钢中溶解的氢来不及逸出，造成应力过大引起的开裂，白点主要集中于锻件大截面中心。

合金总量超过3.5～4.0%和Cr、Ni、Mn的合金钢大型锻件容易产生白点。

白点在钢中总是成群出现。

   二、探伤方法概述

    按探伤时间分类，锻件探伤可分为原材料探伤和制造过程中的探伤，产品检验及在役检验。

原材料探伤和制造过程中探伤的目的是及早发现缺陷，以便及时采取措施避免缺陷发展扩大造成报废。

产品检验的目的是保证产品质量。

在役检验的目的是监督运行后可能产生或发展的缺陷，主要是疲劳裂纹。

   1.轴类锻件的探伤

   轴类锻件的锻造工艺主要以拨长为主，因而大部分缺陷的取向与轴线平行。

此类缺陷的探测以纵波直探头从径向探测效果最佳。

考虑到缺陪会有其它的分布及取向，因此辅类锻件探伤，还应辅以直探头轴向探测和斜探头周向探测及袖向探测。

（1）直探头径向和轴向探测：

如图6.1所示，直探作径向探测时将探头置于轴的外缘，沿外缘作全面扫查，以发现轴类锻件中常见的纵向缺陷。

   直探头作轴向探测时，探头置于轴的端头，并在轴端作全面扫查，以检出与轴线相垂直的横向缺陷。

但当轴的长度太长或轴有多个直径不等的轴段时，会有声束扫查不到的死区，因而此方法有一定的局限性。

（2）斜探头周向及轴向探测：

锻件中若在片状轴向及径同缺陷或轴上有几个不同直径的轴段，用直探头径向或轴向探测都难以检出的，则必须使用斜探头在轴的外圆作周向及轴向探测。

考虑到缺陷的取向，探测时探头应作正、反两个方向的全面扫查，如图6.2所示。

   2.饼类、碗类锻件的探伤

饼类和碗类锻件的锻造工艺主要以镦粗为主，缺陷的分布主要平行于端面，所以用直探头在端面探测是检出缺陷的最佳方法。

    对于上些重要的饼类、碗类锻件，要从两个端面进行探伤，此外有时还要从侧面进行径向探伤，如图6.3所示。

    从两端面探测时，探头置于锻件端面进行全面探测，以探出与端面平行的缺陷。

从锻件侧面进行径向探测时，探头在锻件侧面扫查，以发现某些轴向缺陷。

   3.筒类锻件的探伤

    筒类锻件的锻造工艺是先镦粗，后冲孔，再滚压。

因此，缺陷的取向比轴类锻件和饼类锻件中的缺陷的取向复杂。

但由于铸锭中质量最差的中心部分已被冲孔时去除，因而筒类锻件的质量一般较好。

其缺陷的主要取向仍与简体的外圆表面平行，所以筒类锻件的探伤仍以直探头外圆面探测为主，但对于壁较厚的筒类锻件，须加用斜探头探测。

（1）直探头探测：

如图6.4所示，用直探头从筒体外圆面或端面进行探测。

外圆探测的目的是发现与轴线平行的周向缺陷。

端面探测的目的是发现与轴线垂直的横向缺陷。

（2）双晶探头探测：

如图6.4所示，为了探测筒体近表面缺陷，需要采用双品探头从外圆面或端面探测。

   （3）斜探头探测：

对于某些重要的筒形锻件还要用斜探头从外圆进行轴向和周向探测，如图6.5所示。

轴向探测为了发现与轴线垂直的径向缺陷。

周向探测是为了发现与轴线平行的径向缺陷。

周向探测时，缺陷定位计算参见第四章第五节。

   三、探测条件的选择

   1.探头的选择

    锻件超声波探伤时，主要使用纵渡直探头，晶片尺寸为φ14～φ28mm，常用φ20mm。

对于较小的锻件，考虑近场区和耦合损耗原因，一般采用小晶片探头。

有时为了探测与探测面成一定倾角的缺陷，也可采用一定K值的斜探头进行探测。

对于近距离缺陷，由于直探头的盲区相近场区的影响。

常采用双晶直探头撵测。

   锻件的晶粒一般比较细小，因此可选用较高的探伤频率，常用2.5～5.0MHz。

对于少数本才质晶粒粗大衰减严重的锻件，为了避免出现“林状回波”，提高信噪比，应选用较低的频率，一般为1.0～2.5MHz。

   2.耦合选择

    在锻件探伤时，为了实现较好的声耦合，一般要求探测面的表面粗糙糙R，不高于6.3um，表面平整均匀，无划伤、油垢、污物、氧化皮、油漆等。

当在试块上调节探伤灵敏度时，要注意补偿块与工件之间因曲率半径和表面粗糙度不同引起的耦合损失。

锻件探伤时，常用机油、浆糊、甘油等作耦合剂。

当锻件表面较粗糙时也可选用水玻璃作耦合剂。

   3.扫查方法的选择

    锻件探伤时，原则上应在探测面上从两个相互垂直的方向进行全面扫查。

扫查覆盖面应为探头直径的15%，探头移动速度不大于150mm/s。

挡查过程中要注意观察缺陷波的情况和底波的变化情况。

   4.材质衰减系统的测定 

   当锻件尺寸较大时，材质的衰减对缺陷定量百一定的影响。

特别是材质衰减严重时，影响更明显。

因此，在锻件探伤中有时要测定材质的衰减系数a。

衰减系数可利用下式来计算：

                                                                           （6.1）

式中：

[B]1一[B]2——无缺陷处第一、二次底波高的分贝差：

   X——底波声程（单程）。

   值得注意的是：

测定衰减系数时，探头所对锻件底面应光洁干净，底面形状为大平底或圆柱面，χ≥3N，测试处无缺陷。

一般选取三处进行测试，最后取平均值。

   5.试块选择

   锻件探伤中，要根据探头和探测面的情况选择试块。

   采用纵波直探头探伤时，常选用CS—1和CS一2试块来调节探伤灵敏和对缺陷定量。

采用纵波双晶直探头伤时常选用图6.6所示的试块来调节探伤灵敏度和对缺陷定量。

该试块

的人工缺陷为平底孔，孔径有有φ2、φ3、φ4、φ6等四种，距离L分别为5、10、15、20、25、30、35、40、45mm

   当探测面为曲面时，应采用曲面对比试块来测定由于曲率不同引起的耦合损失。

对比试块如图6.7所示

   6.探伤时机

    锻件超声波探伤应在热处理后进行，因为热处理可以细化晶粒，减少衰减。

此外，还可以发现热处理过程中产生的缺陷。

对于带孔、槽和台阶的锻件，超声波探伤应在孔、槽、台阶加工前进行。

因为孔、槽、台阶对探伤不利，容易产生各种非缺陷回波。

   当热处理后材质衰减仍较大且对于探测结果有较大影响时，应重新进行热处理。

   四、扫描速度和灵敏度的调节

（一）扫描速度的调节

   锻件探伤前，一般根据锻件要求的探测范围来调节扫描速度，以便发现缺陷，并对缺陷定位。

   扫描速度的调节可在试块上进行，也可在锻件上尺寸已知的部位上进行，在试块上调节扫描速度时，试块上的声速应尽可能与工件相同或相近。

   调节扫描速度时，一般要求第一次底波前沿位置不超过水平刻度极限的80%，以利观察一次底波之后的某些信号情况。

（二）探伤灵敏度的调节

   锻件探伤灵敏度是由锻件技术要求或有关标准确定的。

一般不低于φ2平底孔当量直径。

   调节锻件探伤灵敏度的方法有两种，一种是利用锻件底波来调节，另一种是利用试块来调节。

   1.底波调节法

   当锻件被探部位厚度χ≥3N，且锻件具有平行底面或圆柱曲底面时，常用底波来调节探伤灵敏度。

   底波调节法，首先要计算或查AVG曲线求得底面回波与某平底孔回波的分贝差，然后再调节。

（1）计算：

对于平底面或实心圆柱体底面，同距离处平底波与平底孔回波的分贝差为：

                                                                                      （6.2）

式中 λ——波长；

       X——被探部泣的厚度；

      Df——平底孔直径。

   对于空心圆柱体，同距离处圆柱曲底面与平底孔回波分贝差为：

                                                                    （6.3）

式中 d——空心圆柱体内径；

       D——空心圆柱体外径；

       “+“——外圆径向探测，内孔凸柱面反射；

      “－”——内孔径向探测，外圆凹柱面反射。

（2）调节：

探头对准完好区的底面。

衰减（△+5～10）dB，调“增益”使底波B1达基准高，然后用“衰减器”增益△dB，这时灵敏度就调好了。

为了便于发现缺陷可再增益5～10dB作为搜索灵敏度，即扫查灵敏度。

   例1，用2.5P20Z探头径向探伤φ500mm的实心圆柱涔锻件，CL=5900m/S，问如何利用底波调节500/φ2灵敏度？

   解：

由题意得:

   ①计算：

50Gmm处底波与φ2平底孔回波分贝差为：

   ②调节；探头对准完好区圆柱底面，衰减55dB，调“增益”使底波B1最高达基准60%高，然后用“衰减器”增益46dB，即去掉46dB，保留9dB，这时φ2灵敏度就调好了。

必要时再增益6dB作为扫查灵敏度。

   例2，用2.5P20Z探头径向探伤外径为φ1000mm，内径为φ100mm的空心圆柱体锻件，CL=5900m/s，问如何利用内孔回波调节450/φ2灵敏度?

   解：

由题意得:

   ①计算：

450mm处内孔回波与φ2回波的分贝差为：

   ②调节：

探头对准完好区的内孔，衰减45dB，调“增益”使底波B1达基准60%高。

然后用“衰减器”增益35dB作为探伤灵敏度，再增益6dB作为扫查灵敏度。

   2.试验块调节法

（1）单直探头探伤：

当锻件的厚度χ<3N或出于几何形状所限或底面粗糙时，应利用具有人工缺陷的试块来调节探伤灵敏度，如CS一1和CS一2试块。

调节时将探头对准所需试块的平底孔，调“增益”使平底孔回波达基准离即可。

   值得注意是，当试块表面形状、粗糙度与锻件不同时，要进行耦合补偿。

当试块与工件的材质衰减相差较大时，还要考虑介质衰减补偿。

   例1，用2.5P20Z探头探伤厚度为50mm的小锻件，采用CS—1试块调节50/φ2灵敏度，试块与锻件表面耦合差3dB，问如何调节灵敏度?

   解：

利用CS—1试块调节灵敏度的方法如下：

   将探头对准CS—1试块中l号试块的φ2平底孔距离为50mm，衰减10dB，调“增益”使φ52回波达60%高，然后再用“衰减器”增益3dB，这时50/φ2灵敏度就调好了。

   例2，用2.5P14Z探头探测底面粗糙厚为400mm的锻件，问如何利用100/φ4平底孔试块调节400/φ2灵敏度?

试块与工件表面耦合差6dB。

   解：

①计算：

100/φ4与400/φ2回波分贝差：

          ②调节：

探头对准100/φ4平底孔试块的平底孔、衰减50dB，调“增益”使φ4平底孔回波达基准高，然后用“衰减器”增益42dB，这时400/φ2灵敏度就调好了。

这时工件上400φ2平底孔缺陷回波正好达基准高。

（2）双晶直探头探伤：

采用双晶直探头探伤时，要利用图6.6所示的双晶探头平底孔试块来调节探伤灵敏度。

先根据需要选择榴应的平底孔试验块，并测试验一组距离不同直径相同的平底孔的回波，使其中最高回波达满刻度的80%，在此灵敏条件下测出其它平底孔的回波最高点，并标在示波屏上，然后连接这些回波最高点，从而得到一条平底孔距离——波幅曲线，并以此作为探伤灵敏度。

   五、缺陷位置和大小的测定

（一）缺陷位置的测定

在锻件探伤中，主要采用纵波直探头探伤，因此可根据示波屏上缺陷波前沿所对的水平刻度值τf和扫描速度1:

n来确定缺陷在锻件中的位置。

缺陷至探头的距离χf为：

                             χf＝nτf                                                                                                                             （6.4）

（二）缺陷大小的测定

   在锻件探伤中，对于尺寸小于声束截面的缺陷一般用量法定量。

若缺陷位于χ>3N区域内时，常用当量计算法和当量AVG曲线法定量：

若缺陷位于x<3N区域内，常用试块比较法定量。

对于尺寸大于声束截面的缺陷一般采用测长法，常用的测长法有6dB法和端点6dB法。

必要时还可采用底波高度法来确定缺陷的相对大小。

下面重点分绍当量订算法和6dB法在锻件探伤中的应用。

   1.当量计算法

   当量计算法利用各种规则反射体的回波声压公式和实际探伤中测得的结果（缺陷的位置和波高）来计算缺陷的当量大小。

当量计算法当是目前锻件探伤中应用最广的一种定量方法。

用当量计算法定量时，要考虑调节探伤灵敏度的基准。

   当用平底面和实心圆柱体曲底面调节灵敏度时，当量计算公式为：

                                                       （6.5）

式中  χf——平底孔缺陷至探测面的距离；

         χB——锻件底面至探测面的距离；

         α——材质衰减系数；

         λ——波长；

         Df——平面孔缺陷的当量直径；

         △Bf——底波与平底孔缺陷的回波分贝差。

   当用空心圆柱体内孔或外圆曲底面调节灵敏度时，当量计算分式为：

                                                         （6.6）

式中  d——空心圆柱体内径；

         D——空心圆柱体外径；

        “+”——外圆径向探测，内孔凸柱面反射；

        “－”——内孔径向探测，外圆凹柱面反射；

        △Bf——圆柱曲底面与平底孔缺陷的回波分贝差。

   例1.用2.5P20Z探头探伤φ600的实心圆柱体锻件，CL=5900m/s，a=0.005dB/mm，利用锻件底波调节600/φ2灵敏度，底波达基准高时衰减读数为50dB，探伤中在400mm处发现一缺陷，缺陷波达基准高时衰减器读数为30dB，求此缺陷的当量平底孔直径为多少?

   解：

由已知得：

   答：

此缺陷的当量平底孔直径为φ5.6mm。

    例2，用2.5P20Z探头探伤外径为1000mm的空心圆柱体锻件，CL=5900mm/s，a=0.005dB/mm，探伤中在200mm处发现一缺陷，其回波比内孔回波低12dB，求此缺陷的当量大小?

   解：

由已知得：

   答：

此缺陷的当量平底孔直径为φ2.8mm。

   此外，锻件探伤中，还可利用当量AVG曲线法来定量，具体方法见第四章第六节。

   2.6dB测长法

   在平面探伤中，用6dB法测定缺陷的长度时，探头的移动距离就是缺陷的指示长度，如图6.8所示。

然而在对圆柱形锻件进行周向探伤时，探头的移动不再是缺陷的指示长度了，这时要按几何关系来确定缺陷的指示长度，如图6.9所示。

   外圆周向探伤测长时，缺陷的指示长度Lf为：

                                                                                                                 （6.7）

式中 L——探头移动的外圆弧长；

       R——圆柱体外半径；

       χf——缺陷的声程。

    内孔周向探伤测长时，缺陷的指示长度Lf为：

                                                                                                 （6.8）

式中 L——探头移动的内圆弧长；

       r——圆柱体内半径；

        χf——缺陷的声程。

    六、缺陷回波的判别

     在锻件探伤中，不同性质的缺陷回波是不同的，实际探伤时，可根据示波屏上的缺陷回波情况来分析缺陷的性质和类型

   1.单个缺陷回波

    锻件探伤中，示波屏上单独出现的缺陷回波称为单个缺陷回波。

一般单个缺陷是指与邻近缺陷间距大于50mm、回波高不小于φ2mm的缺陷。

如锻件中单个的夹层、裂纹等。

探伤中遇到单个缺陷时，要测定缺陷的位置和大小。

当缺陷较小时，用当量法定量，当缺陷较大时，用6dB法测定其面积范围。

   2.分散缺陷回波

   锻件探伤时，工件中的缺陷较多且较分散，缺陷彼此间距较大．这种缺陷回波称为分散缺陷回波。

一般在边长为50rnm的立方体内少于5个，不小于φ2mm。

如分散性的夹层。

分散缺陷一般不太大，因此常用当量法定量，同时还要测定分散缺陷的位置。

   3.密集缺陷回波

锻件探伤中，示波屏上同时显示的缺陷回波甚多，波与波之间的间隔距离甚小，有时波的下沿连成一片，这种缺陷回波称为密集缺陷回波。

   密集缺陷的划分，根据不同的验收标准有不完全相同的定义。

（1）以缺陷的闻距划分，规定相邻缺陷间的间距小于某一值时为密集缺陷。

（2）以单位长度时基线内显示的缺陷回波数量划分，规定在相当于工件厚度值的基线内，当探头不动或稍作移动时，一定数量的缺陷回波连续或断续出现时为密集缺陷。

    （3）以单位面积中的缺陷回波划分，规定在一定探渊面积下，探出的缺陷回波数量超过某一值时定为密集缺陷。

   （4）以单位体积内缺陷回波数量划分，规定在一定体积内缺陷回波数量多于规定值时定为密集缺陷。

    实际探伤中，以单位体积内缺陷回波数量划分较多。

一般规定在边长50mm的立方体内。

数量不少于5个。

当量直径不小于φ2mm的缺陷为密集缺陷。

   密集缺陷可能是疏松、非金属夹杂物、白点或成群的裂纹等。

锻件内不允许有自点缺陷存在，这种缺陷的危险性很大。

通常自点的分布范围较大，且基本集中于锻件的中心部位，它的回波清晰、尖锐，成群的白点有时会使底波严重下降或完全消失。

这些特点是判断锻件中白点的主要依据，如图6.10。

   4.游动回波

   在圆柱形轴类锻件探伤过程中，当探头沿着轴的外圆移动时，示波屏上的缺陷波会随着该缺陷探测声程的变化而游动，这种游动的动态波形称为游动回波。

   游动回波的产生是由于不同波柬射至缺陷产生反射引起的。

波束轴线射至缺陷时，缺陷声程小，回波高。

左右移动探头，扩散波束射至缺陷时，缺陷声程大回波低。

这样同一缺陷回波的位置和高度随探头移动发生游动，如图6.11。

   不同的探测灵敏度，同一缺陷圆波的游动情况不同。

一般可根据探测灵敏度和回波的游动距离来鉴别游动回波。

一般规定游动范围达25mm时，才算游动回波。

   根据缺陷游动回波包络线的形状，可粗略地判别缺陷的形状。

   5.底面回波

   在锻件探伤中，有时还可根据底波变化情况来判别锻件中的缺陷情况。

    当缺陷回波很高，并有多次重复回波，而底波严重下降甚至消失时，说明锻件中存在平行于探测面的大面积缺陷。

   当缺陷回波和底波都很低甚至消失时，说明锻件中存在大面积但倾斜的缺陷或在探测面附近有大缺陷。

   当示波屏上出现密集的互相彼连的缺陷四波，底波明显下降或消失时，说明明锻件中存在密集性缺陷。

   六、非缺陷回波分析

   锻件探伤中还会出现一非缺陷回波影响对缺陷波的判别。

常见的非缺陷画波有以下几种。

   1.三角反射波

   周向探测圆柱形锻件时，由于探头与圆柱面耦合不好，波束严重扩散，在示波屏上出现两个三角反射波，这两个三角反射波的声程分别为1.3d和1.67d（d为圆柱直径），据此可以鉴别三角反射波。

由于三角反射波总是位于底波B1之后，而缺陷波一般位于底波B1之前，因此三角反射波不会干扰对缺陷的判别。

   2.迟到波

   轴向探测细长轴类锻件时，由于波型转抉，在示波屏上出现迟到波：

迟到波的声程是特定的，而且可能出现多次。

第一次迟到波位予底波B1之后0.76d处（d为辅类锻件的直径），以后各次迟到波间距均为0.76d。

由于迟到波总在B1之后，而缺陷波一般在B1之前，因此迟到波也不会影响对缺陷波的判别。

   另外从扁平方向探测扁平锻件时，也会出现迟到波，探伤中应注意判别。

   3.61°反射波

   当锻件中存在与探测面成61°倾角的缺陷时，示波屏上会出现61°反射波。

61°反射波是变型横波垂直入射到侧面引起的，如图6.12所示。

图中F为缺陷直接波，M为61°反射波。

   61°反射波的