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【摘 要】随着机械设备大型化的发展，机械制造业对机械设备的铸钢零部件产品质量要求越来越高。本文结合产品检测实际，提出了特大型铸钢件的超声纵波分层检测方法。
【关键词】特大型铸钢件;超声纵波分层检测;探伤灵敏度。
0 前言
随着机械设备大型化的发展，机械制造业对机械设备的铸钢零部件产品质量要求越来越高。过去许多依赖进口的大型铸钢件现在已经在国内生产，如大型轧钢机架、大型轴承座以及其它大型冶金机械设备等。由于铸钢件金属晶粒粗大，且存在各向异性，超声波衰减严重，加之铸钢件体积庞大、形状复杂，且缺陷种类繁多等特点，给超声波探伤带来很大的困难。
由于铸钢件的制造工艺和成形特点，使铸钢件中的组织不致密和不均匀，铸钢件金属晶粒粗大、晶界面上散射强烈，造成草状杂波，且使超声波的穿透性和信噪比降低。随着铸钢件厚度增大及探测频率的增高，这种草状回波也更加强烈，从而妨碍缺陷波信号的识别。因此不得不使用较低的探测频率，但使用较低频率，声束指向性变差，也会降低缺陷的分辨能力和检测精度。为准确检测特大型铸钢件的内部缺陷，保证产品质量，本文结合产品检测实际，对特大型铸钢件采用超声纵波分层检测方法进行分析探讨。
1 特大型铸钢件超声纵波分层检测技术
1.1 铸钢件超声波探伤前准备
1.1.1 仪器的选择：依据GB/T7233.1-2009、JB/T5000.14-2007以及 EN12680-1：2003.6等标准对仪器性能的要求，仪器选用PXUT-350+型数字式超声波探伤仪。
1.1.2 探头的选择：探头频率的选择是在保证足够的信噪比的基础上尽可能选择较高的探伤频率，考虑工件形状及表面状况、工件厚度、缺陷定位、缺陷類型等因素，采用2MHZ（Φ10～Φ20）单晶纵波直探头和2.5P（Φ10～Φ20）FG20 双晶纵波直探头以及2.5P13×13（K1.0、K2.5）单晶横波斜探头。
1.1.3 试块的选择：试块选用CSK-ZB、RB-2、专用对比试块以及工件本体。
1.1.4 耦合剂的选择：采用机油。
1.1.5 专用对比试块的制作：铸钢件的超声波探伤灵敏度视铸件质量要求而定，可利用试块或工件底面回波进行调整。难于用工件底面回波调整探伤灵敏度时，应使用对比试块进行调整。对比试块采用与机架材料相同的铸钢件制成，最好与铸件用同一工艺铸出。对比试块的材料预先进行超声探伤检查，不允许存在等于或大于同声程φ2当量平底孔缺陷。自备对比试块规格尺寸见图1、表1
1.2 仪器的校准
1.2.1 距离的校准：
采用单直探头时，探伤仪示波屏上距离的校准在铸钢件本体上进行;
采用单斜探头时，探伤仪示波屏上距离的校准在CSK-ZB、RB-2型标准试块上进行;
采用双晶直探头时，探伤仪示波屏上距离的校准在自制专用对比试块上进行;
1.2.2 探伤灵敏度校准：对特大型铸钢件的探伤灵敏度校准视对铸钢件的质量要求而定，采用工件底面或平底孔试块进行校准。
1.3 特大型铸钢件超声波检测技术
对特大型铸钢件如用一般的缺陷回波法进行检测，探测灵敏度必按工件的最大厚度校正，这样势必造成靠近表面位置的信号幅度过高导致缺陷回波可能无法辩认。因此对特大厚度的铸钢件用纵波分层法进行检测，检测时将铸钢件厚度分为若干层，每一层分别采用该层的深度调节灵敏度进行检测，仅检测该层中的缺陷状况。
实例：对图2轧钢机架超声纵波分层检测
1.3.1 对机架内部非延伸性缺陷的检测
1.3.1.1 机架检测时以纵波直探头检测为主.
1.3.1.2 检测面为机架上、下表面扫查时，采用普
通单直探头分3层灵敏度对各层厚度范围检测见图4：
F1 探伤灵敏度B50%+33dB（900/φ6），
检测范围300-900mm;（波形见图（a））
F2 探伤灵敏度B50%+14dB（300/φ6），
检测范围150-300mm;（波形见图（b））
F3 探伤灵敏度B50%+2dB（150/φ6），
检测范围150mm以内;（波形见图（c））
1.3.1.3 检测面为机架内、外侧表面时参照机架上下面检测。
1.3.1.4 机架内侧特别表面区检测时，采用双晶直探头进行检测，探伤灵敏度采用自制对比试块②调节。
1.3.2 对垂直或倾斜于探伤面的表面延伸性缺陷检测见图3示：
1.3.2.1 用直探头沿工件位置1、2、3、4方向检测与超声波方向垂直或倾斜于探伤面的表面延伸性缺陷。
1.3.2.2 用斜探头沿工件位置5方向检测与超声波方向垂直或倾斜于探伤面的表面延伸性缺陷，由于铸件大而厚，斜探头可使用45°～63.4°折射角探头，φ3×40-16dB探伤灵敏度探测。
1.3.2.3 对直探头检出的工件近表面缺陷（1）、（2），采用横波斜探头对垂直超声波方向或倾斜于探伤面的表面延伸性缺陷进行补充检测及定位。
1.3.3 利用工件大平底调节灵敏度采用以下计算公式：
同距离的大平底与平底孔回波差：△dB=20lg（2λx/πd2） （x≥3N）
不同距离与同一大小平底孔回波差：△dB= 20lg（πd12x2/2λx21）（x≥3N） 不同大小平底孔与同一距离回波差：△dB=40lgd1 x2/d2 x1 （x≥3N）
1.3.4 铸件中缺陷的测量与评定：
1.3.4.1 缺陷大小的评定：用当量法和测长法来评定缺陷当量和面积大小，评定缺陷当量时需考虑工件材质的衰减。
1.3.4.2 缺陷位置的测定：对铸钢件探伤时缺陷的定位要求比定量为高，精确定位可提供挖除区的具体位置。
3.5 对工件表面无法检测部位做好详细的原始记录，并对超标的缺陷在工件上标示清楚。
2 铸钢件中常见缺陷的分析判断
1 裂纹
裂纹属平面缺陷，在不同方向探测，反射波高度明显不同。平行缺陷方向探测，反射波很低，甚至无反射波。垂直缺陷方向探测，反射波则很高，其反射波峰一般较尖锐且较单一。有些情况下两相互垂直面无法检测时，只能用斜探头探测才能发现裂纹的反射，因为多数裂纹的取向与工件表面成垂直分布。
2 氣孔和砂眼
气孔指气体在钢液凝固时滞留在铸钢件中所形成的中空孔洞。由于气孔具有球状体反射特性，故其平底孔当量不大，但波峰尖锐，脉冲窄，移动探头时缺陷波迅速下降，无长度和面积感，降低灵敏度时缺陷波下降不很快。气孔一般是以单个缺陷波形式存在，但有时附近也可能会出现几个类似的缺陷波。大多数情况下波与波界线较清晰，气孔数量及面积不大时对底波影响不太大。
3 夹杂
夹杂的形状一般具有一定棱角，此类缺陷反射波形大多数是主峰的旁边有很多较矮的次峰，波根较宽，回波高度也不太高。它与气孔反射波不同的是当探头移动时回波高度变化较大，主波峰与次波峰交错变换迅速，对底波反射高度有一定影响。
4 晶粒粗大
铸件由于冷却慢，容易产生粗大晶粒。对2MH的探伤频率，当晶粒度级别小于2级时，散射较强，反射波表现为密集的草状波，波幅高，波与波之间难以分辩，底波降低明显或消失。但它对探伤频率敏感，如果换用低频探头如1.25MH，则草状波将大幅降低或消失，底波反射清晰可见且反射次数增多。
5 缩孔
铸件在凝固过程中，液态和凝固收缩使铸件在最后凝固的地方无液体补充而出现孔洞。孔洞大且集中的称为缩孔。缩孔表面粗糙不平，形状不规则，其分布位置多为壁相交处、铸件肥厚处、靠近冒口脚部位。缩孔的波形特点是反射波较强，由于缩孔壁常伴有夹杂物有时附近还伴有小缺陷波。而且使底波幅度严重下降，底波多次反射次数减少，即使提高灵敏度也无法明显改善底波状况。
6 疏松
疏松是由于金属液在冷却凝固收缩过程中得不到充分补充而形成的细微密集的小孔穴，一般分布在最后凝固的部位，如冒口、截面较大的部位。探伤时，缺陷波多而且密，波幅很低，多数情况下无缺陷波。缺陷区对底波影响很大，大多数情况下底波很低甚至消失。
7 冷隔
这是铸件中特有的一种分层性缺陷，主要与铸件的浇铸工艺设计有关，它是在浇注液态金属时，来自不同方向的金属流相遇等原因，形成一种隔膜状的面积型缺陷。波形特点是：在不同方向探测，反射波高度明显不同。平行缺陷方向探测，反射波很低，甚至无反射波。垂直缺陷方向探测，反射波则很高，其反射波峰一般较尖锐。
3 结论
通过轧钢机架的实际检测，利用超声纵波分层法可以比较准确的检测特大型铸钢件的内部缺陷。
参考文献：
[1]郑晖 林树青 主编，超声检测（第二版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008
[2]袁东 铸钢件超声波探伤的伤波定性[DB].杭州汽轮动力集团有限公司
（作者单位：马鞍山十七冶工程科技有限责任公司）
【关键词】特大型铸钢件;超声纵波分层检测;探伤灵敏度。
0 前言
随着机械设备大型化的发展，机械制造业对机械设备的铸钢零部件产品质量要求越来越高。过去许多依赖进口的大型铸钢件现在已经在国内生产，如大型轧钢机架、大型轴承座以及其它大型冶金机械设备等。由于铸钢件金属晶粒粗大，且存在各向异性，超声波衰减严重，加之铸钢件体积庞大、形状复杂，且缺陷种类繁多等特点，给超声波探伤带来很大的困难。
由于铸钢件的制造工艺和成形特点，使铸钢件中的组织不致密和不均匀，铸钢件金属晶粒粗大、晶界面上散射强烈，造成草状杂波，且使超声波的穿透性和信噪比降低。随着铸钢件厚度增大及探测频率的增高，这种草状回波也更加强烈，从而妨碍缺陷波信号的识别。因此不得不使用较低的探测频率，但使用较低频率，声束指向性变差，也会降低缺陷的分辨能力和检测精度。为准确检测特大型铸钢件的内部缺陷，保证产品质量，本文结合产品检测实际，对特大型铸钢件采用超声纵波分层检测方法进行分析探讨。
1 特大型铸钢件超声纵波分层检测技术
1.1 铸钢件超声波探伤前准备
1.1.1 仪器的选择：依据GB/T7233.1-2009、JB/T5000.14-2007以及 EN12680-1：2003.6等标准对仪器性能的要求，仪器选用PXUT-350+型数字式超声波探伤仪。
1.1.2 探头的选择：探头频率的选择是在保证足够的信噪比的基础上尽可能选择较高的探伤频率，考虑工件形状及表面状况、工件厚度、缺陷定位、缺陷類型等因素，采用2MHZ（Φ10～Φ20）单晶纵波直探头和2.5P（Φ10～Φ20）FG20 双晶纵波直探头以及2.5P13×13（K1.0、K2.5）单晶横波斜探头。
1.1.3 试块的选择：试块选用CSK-ZB、RB-2、专用对比试块以及工件本体。
1.1.4 耦合剂的选择：采用机油。
1.1.5 专用对比试块的制作：铸钢件的超声波探伤灵敏度视铸件质量要求而定，可利用试块或工件底面回波进行调整。难于用工件底面回波调整探伤灵敏度时，应使用对比试块进行调整。对比试块采用与机架材料相同的铸钢件制成，最好与铸件用同一工艺铸出。对比试块的材料预先进行超声探伤检查，不允许存在等于或大于同声程φ2当量平底孔缺陷。自备对比试块规格尺寸见图1、表1
1.2 仪器的校准
1.2.1 距离的校准：
采用单直探头时，探伤仪示波屏上距离的校准在铸钢件本体上进行;
采用单斜探头时，探伤仪示波屏上距离的校准在CSK-ZB、RB-2型标准试块上进行;
采用双晶直探头时，探伤仪示波屏上距离的校准在自制专用对比试块上进行;
1.2.2 探伤灵敏度校准：对特大型铸钢件的探伤灵敏度校准视对铸钢件的质量要求而定，采用工件底面或平底孔试块进行校准。
1.3 特大型铸钢件超声波检测技术
对特大型铸钢件如用一般的缺陷回波法进行检测，探测灵敏度必按工件的最大厚度校正，这样势必造成靠近表面位置的信号幅度过高导致缺陷回波可能无法辩认。因此对特大厚度的铸钢件用纵波分层法进行检测，检测时将铸钢件厚度分为若干层，每一层分别采用该层的深度调节灵敏度进行检测，仅检测该层中的缺陷状况。
实例：对图2轧钢机架超声纵波分层检测
1.3.1 对机架内部非延伸性缺陷的检测
1.3.1.1 机架检测时以纵波直探头检测为主.
1.3.1.2 检测面为机架上、下表面扫查时，采用普
通单直探头分3层灵敏度对各层厚度范围检测见图4：
F1 探伤灵敏度B50%+33dB（900/φ6），
检测范围300-900mm;（波形见图（a））
F2 探伤灵敏度B50%+14dB（300/φ6），
检测范围150-300mm;（波形见图（b））
F3 探伤灵敏度B50%+2dB（150/φ6），
检测范围150mm以内;（波形见图（c））
1.3.1.3 检测面为机架内、外侧表面时参照机架上下面检测。
1.3.1.4 机架内侧特别表面区检测时，采用双晶直探头进行检测，探伤灵敏度采用自制对比试块②调节。
1.3.2 对垂直或倾斜于探伤面的表面延伸性缺陷检测见图3示：
1.3.2.1 用直探头沿工件位置1、2、3、4方向检测与超声波方向垂直或倾斜于探伤面的表面延伸性缺陷。
1.3.2.2 用斜探头沿工件位置5方向检测与超声波方向垂直或倾斜于探伤面的表面延伸性缺陷，由于铸件大而厚，斜探头可使用45°～63.4°折射角探头，φ3×40-16dB探伤灵敏度探测。
1.3.2.3 对直探头检出的工件近表面缺陷（1）、（2），采用横波斜探头对垂直超声波方向或倾斜于探伤面的表面延伸性缺陷进行补充检测及定位。
1.3.3 利用工件大平底调节灵敏度采用以下计算公式：
同距离的大平底与平底孔回波差：△dB=20lg（2λx/πd2） （x≥3N）
不同距离与同一大小平底孔回波差：△dB= 20lg（πd12x2/2λx21）（x≥3N） 不同大小平底孔与同一距离回波差：△dB=40lgd1 x2/d2 x1 （x≥3N）
1.3.4 铸件中缺陷的测量与评定：
1.3.4.1 缺陷大小的评定：用当量法和测长法来评定缺陷当量和面积大小，评定缺陷当量时需考虑工件材质的衰减。
1.3.4.2 缺陷位置的测定：对铸钢件探伤时缺陷的定位要求比定量为高，精确定位可提供挖除区的具体位置。
3.5 对工件表面无法检测部位做好详细的原始记录，并对超标的缺陷在工件上标示清楚。
2 铸钢件中常见缺陷的分析判断
1 裂纹
裂纹属平面缺陷，在不同方向探测，反射波高度明显不同。平行缺陷方向探测，反射波很低，甚至无反射波。垂直缺陷方向探测，反射波则很高，其反射波峰一般较尖锐且较单一。有些情况下两相互垂直面无法检测时，只能用斜探头探测才能发现裂纹的反射，因为多数裂纹的取向与工件表面成垂直分布。
2 氣孔和砂眼
气孔指气体在钢液凝固时滞留在铸钢件中所形成的中空孔洞。由于气孔具有球状体反射特性，故其平底孔当量不大，但波峰尖锐，脉冲窄，移动探头时缺陷波迅速下降，无长度和面积感，降低灵敏度时缺陷波下降不很快。气孔一般是以单个缺陷波形式存在，但有时附近也可能会出现几个类似的缺陷波。大多数情况下波与波界线较清晰，气孔数量及面积不大时对底波影响不太大。
3 夹杂
夹杂的形状一般具有一定棱角，此类缺陷反射波形大多数是主峰的旁边有很多较矮的次峰，波根较宽，回波高度也不太高。它与气孔反射波不同的是当探头移动时回波高度变化较大，主波峰与次波峰交错变换迅速，对底波反射高度有一定影响。
4 晶粒粗大
铸件由于冷却慢，容易产生粗大晶粒。对2MH的探伤频率，当晶粒度级别小于2级时，散射较强，反射波表现为密集的草状波，波幅高，波与波之间难以分辩，底波降低明显或消失。但它对探伤频率敏感，如果换用低频探头如1.25MH，则草状波将大幅降低或消失，底波反射清晰可见且反射次数增多。
5 缩孔
铸件在凝固过程中，液态和凝固收缩使铸件在最后凝固的地方无液体补充而出现孔洞。孔洞大且集中的称为缩孔。缩孔表面粗糙不平，形状不规则，其分布位置多为壁相交处、铸件肥厚处、靠近冒口脚部位。缩孔的波形特点是反射波较强，由于缩孔壁常伴有夹杂物有时附近还伴有小缺陷波。而且使底波幅度严重下降，底波多次反射次数减少，即使提高灵敏度也无法明显改善底波状况。
6 疏松
疏松是由于金属液在冷却凝固收缩过程中得不到充分补充而形成的细微密集的小孔穴，一般分布在最后凝固的部位，如冒口、截面较大的部位。探伤时，缺陷波多而且密，波幅很低，多数情况下无缺陷波。缺陷区对底波影响很大，大多数情况下底波很低甚至消失。
7 冷隔
这是铸件中特有的一种分层性缺陷，主要与铸件的浇铸工艺设计有关，它是在浇注液态金属时，来自不同方向的金属流相遇等原因，形成一种隔膜状的面积型缺陷。波形特点是：在不同方向探测，反射波高度明显不同。平行缺陷方向探测，反射波很低，甚至无反射波。垂直缺陷方向探测，反射波则很高，其反射波峰一般较尖锐。
3 结论
通过轧钢机架的实际检测，利用超声纵波分层法可以比较准确的检测特大型铸钢件的内部缺陷。
参考文献：
[1]郑晖 林树青 主编，超声检测（第二版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008
[2]袁东 铸钢件超声波探伤的伤波定性[DB].杭州汽轮动力集团有限公司
（作者单位：马鞍山十七冶工程科技有限责任公司）