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第六章


铸件与锻件超声波探伤 超声波探伤方法 第六章 铸件与锻件超声波探伤方法 By adan 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,对锻件 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。形变大致分为镦粗、拔长和滚压。墩粗是锻压力施加于坯料的两端, 形变发生在横截面上。拔长是段压力施加于坯料的外圆,形变发生在长度方向。滚压是先墩粗坯料,然后冲孔再插入芯棒并在外圆施加段压力。 滚压既有纵向变形,又有横向变形。其中墩粗主要用于饼类锻件,拔长主要用于轴类锻件,而筒类锻件一般先墩粗,后冲孔,再镦压。 为改善锻件的组织性能,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未全溶合,主要存在于钢锭中心及头部。 夹杂有内在夹杂、外来非金属夹杂和金属夹杂。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。 白点是锻件含氢量较高,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%和含 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是以拔长为主,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 陷会有其它的分布及取向,因此轴类锻件探伤,还应辅以直探头轴向探测和斜探头周向探测及轴向探测。 (1)直探头径向和轴向探测:如图 6.1 所示,直探头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,并在轴端作全面检查,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 的轴端时,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向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、反两个放心的全面扫查,如图 6.2 所示。

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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筒体外圆表面平行,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,需要采取双晶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,主要使用纵波直探头,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,由于直探头的盲区和 近场区的影响,常采用双晶直探头探测。
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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。对于少数材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的粗糙度 Ra,不高于 6.3μm,表面平整均匀,无划伤、油垢、污物、氧化 皮、油漆等。 挡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。 扫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有一定的影响。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α。衰减系数可利用下式来计算:

(6.1) 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,x≥3N,测试处无缺陷。一般选取三处进行 测试,最后去平均值。 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-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探伤时常选用图 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

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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 当锻件被探伤部位厚度 x≥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,同距离处底波与平底孔回波的分贝差为: (6.2) 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) (2)调节:探头对准完好区的底面,衰减(Δ+5~10)dB,调节“增益”使底波 B1 达基准高,然后用“衰减器”增益ΔdB,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 的实心圆柱体锻件,CL=5900m/S,问如何利用底波调节 500/φ2 灵敏度? 解:由题意得:λ=C/f=5.9/2.5=2.36(mm) 计算:500mm 处底波与φ2 平底孔回波分贝差为:

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,这是φ2 灵敏度就调好了。必要时再增益 6dB 作为扫查灵敏度。 例 2, 2.5P20Z 探头径向探伤外径为φ1000mm, 用 内经为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:λ=C/f=5.9/2.5=2.36(mm),D=1000mm。D=100mm,x=(D-d)/2=(1000-100)/2=450mm 450mm 处底波与φ2 平底孔回波分贝差为:

调节:探头对准完好区的内孔,衰减 45dB,调“增益”使底波 B1 最高达基准 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 x<3N 或由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, CS-1 和 CS-2 如 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高即可。

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值得注意的是,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 1 号试块的φ2 平底孔距离为 50mm,衰减 10dB,调“增益”使φ2 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: 计算:100/φ4 与 400/φ2 回波分贝差:

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 400/φ2 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,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。先根据需要选择相应的平底孔 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,主要采取纵波直探头探伤,因此可根据示波屏上缺陷波前沿所对的水平刻度值ιf 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 xf 为: Xf=nιf (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当量法定量。若缺陷位于 x≥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 时还可以采用底波高度法来确定缺陷的相对大小。下面重点介绍当量计算法和 6dB 法在锻件探伤中的应用。 1.当量计算法 当量计算法是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。当量计算法当时 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: (6.4)

(6.5) 当用空心圆柱体内孔或外圆曲底面调节灵敏度时,当量计算公式为:

(6.6) 例1,用2.5P20Z 探头探伤φ600的实心圆柱体锻件,CL=5900m/s,α=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度数为30dB,求次缺陷的当量平底孔直径为多少? 解:由已知得,λ=C/f=5.9/2.5=2.36(mm) ,xB=600mm, xf=400mm,ΔBf=50-30=20dB, α=0.005dB/mm, 经此代入(6.5) 式得:

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,内经为100mm 的空心圆柱体锻件,CL=5900m/s,α=0.005dB/mm,探伤中在200mm 处发现一缺陷,
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其回波比内孔回波低12dB,求此缺陷的当量大小? 解:由已知得,λ=C/f=5.9/2.5=2.36 (mm) ,D=1000mm。D=100mm,x=(D-d) (1000-100) /2= /2=450mm, xf=200mm, α=0.005dB/mm,ΔBf=12dB。 由(6.6)式得:

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, 探头的移动距离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:

内孔周向探伤测长时,缺陷的指示长度 Lf 为:

(6.8)

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。一般单个缺陷的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 50mm 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 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意义。 (1)以缺陷的间距划分,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,规定在相当与工件厚度值的基线内,当探头不动或稍微移动时,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,规定在一定探测面积下,探出的缺陷回波数量超过某一值时定为密集缺陷。 (4)以单位面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。
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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。 锻件内不允许有白点缺陷存在,这种缺陷的危险性很大。通常白点的分布范围较大,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束射至缺陷产生放射引起的。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移动,如图 6.11。

不同的探测灵敏度,同一缺陷回波的游动情况不同。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 20mm 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回波,底波明显下降或消失时,说明锻件中存在密集缺陷。 六、非缺陷回波分析 锻件探伤中还会出现一些非缺陷回波影响对缺陷波的判别。常见的非缺陷波有以下几种。 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 轴向探测细长类锻件时,由于波型转换,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 波位于底波 B1 之后 0.76d 处(d 为轴类锻件的直径) ,以后各次迟到波间距为 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,

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61放射波的声程也是特定的,总是等于 61角所对垂直边的边长。产生 61放射时缺陷直接放射回波较低。而 61反射波较 高。 另外在探测如图 6.13 所示的锻件时,也会出现 61反射波,同时还会产生 45反射波。探伤时可根据放射波的声程通过计 算来判别。 xA=d1+1.82d2-2R(61°反射) xB=d1+d2-1.414R(45°反射) 4、轮廓回波 锻件探伤中,锻件的台阶、凹槽等外形轮廓也会引起一些非缺陷回波,探伤中要注意判别。 此外在锻件探伤中还可能产生一些其他的非缺陷回波,这时应根据锻件的结构形状、材质和锻造工艺应用超声波放射、折射 和波型转换理论进行分析判别。 七、锻件质量级别的评定(见 JB4730—94 标准) 锻件探伤中常见缺陷有单个缺陷和密集缺陷两大类,实际探伤中单个缺陷的当量尺寸,底波的降低情况和密集缺陷面积占探伤 面积的百分比不同将锻件质量分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V 等五种,其中Ⅰ级最高,V 级最低,单个缺陷等级见表 6—1,底波降低 等级见表 6—2,密集性缺陷等级见表 6—3. 表 6—1 单个缺陷的等级 等 级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ V 缺陷当量 ≤φ4 φ4+(>0~8) φ4+(>2~ φ4+ >12~ φ4+>16dB ( dB 12)dB 16)dB
底波降低量的等级 表 6—2 等级 [B]c/[B]r(dB) I ≤8 II 8~14 III >14~20 IV >20~26 V >26

密集缺陷等级 表 6-3 等级 缺陷面积占探伤面积 0 百分比(%) 0~5 >5~10 >10~20 >20 I II III IV V

注:①表 6-2 中[B]c/[B]r,表示无缺陷处底波与缺陷处底波分贝差。 ②以上三表的等级应作为独立的等级分别使用。 如果某缺陷被检测人员判为危害性缺陷,那么可以不受上述条件的限制,一律评为最低级,不合格。 下面举例说明锻件的评级方法。 例 1 用 2.5P20Z 探头探测 400mm 厚的钢锻件, 钢中 CL=5900m/s。 衰减系数α=0.005dB、 , mm 探伤灵敏度为 400mm 处Φ4 为 0dB。 探伤中在 250mm 处出现一缺陷,其波高比据准波高 20dB,试根据 JB4730-94 标准评定该锻件的质量级别。 解: (1)条件判定 λ=c/f=5.9/2.5=2.36 2 2 N=Ds /4λ=20 /(4×2.36)=42.4 3N=3×42.4=127<250 ∴符合当量计算的条件。 (2)求 250mm 处Φ4 当量的 dB 值 Δ18=20lgpf1/p f2=40lgx2/x1+2α(x2- x1) =40lg400/250+2×0.005×(400-250) =9.5(dB)

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(3)求该缺陷的当量病评级 缺陷当量:Φ4+20-9.5=Φ4+10.5dB 缺陷评级:该锻件评为 III 级。 2 2 例 2 用 2.5P20Z 探头探测面积为 400cm 的锻件,探伤中发现一密集缺陷,其面积为 24 cm ,缺陷处底波为 30dB,无缺陷处底波为 44dB。是 根据 JB4730-94 标准评定该锻件的质量级别。 解: (1)据密集性缺陷评级 ∵24÷400×100%=6%>5% ∴评为 III 级。 (2)据底波降低量评级 ∵[B]G-[B] F=44-30=14dB ∴评为 II 级 第二节 铸件超声波探伤 一、铸件中常见缺陷 铸件是金属液注入铸模中冷却凝固而成的,铸件中常见缺陷有气孔、缩孔、夹杂和裂纹等。 1. 气 孔 气孔是由于金属液含气量过多,模型潮湿及透气性不佳而形成的空洞。铸件中的气孔分为单个分散气孔和密集气孔。 2. 缩 孔 缩孔是由于金属液冷去凝固时体积收缩得不到补缩而形成的缺陷。缩孔多位于浇冒口附近和截面最大部位或截面突变处。 3. 夹 杂 夹杂分为非金属夹杂和金属夹杂两类。非金属夹杂是冶金时金属与空气发生化学反应形成的产物或浇注时耐火材料、型砂等混入钢液形成的 夹杂物。金属夹杂是异种金属偶尔落入钢液中未能融化而形成的夹杂物。 4. 裂 纹 裂纹是指钢液冷却过程中由于内应力(热应力和组织应力)过大使铸件局部裂开而形成的缺陷。铸件截面尺寸突变处,应力集中严重处,容 易出现裂纹。裂纹时最危险的缺陷。 二、铸件探伤的特点 1. 透声性差 铸件重要特点是组织不致密、不均匀和晶粒粗大,透声性差。 铸件不均匀是由于铸件各部分冷却速度不同引起的。模壁冷却快,且常有大量固态生核微粒,因此模壁晶粒细。当模壁温度升高后,冷却速 度减慢,于是在垂直模壁方向上形成柱状晶区。当模壁温度进一步升高,金属液温度下降,温差减少,冷却速度缓慢,晶粒方向消失,形成等轴 晶区。这种铸件截面上不同取向的晶粒构成了铸件的不均匀性,此外铸件中以片状,球状或其他形态存在的石墨也可视为一种组织不均匀性。 铸件的致密性是由于树枝结晶方式引起的。铸件结晶时,先形成主干,然后在垂直于主干方向长出支干。再在支干垂直方向长出分支,就像 树枝一样生长。各支干间最后结晶凝固, 冷却收缩形成的空隙难以充满金属,从而使铸件的致密性变差。 铸件晶粒大是由于高温冷却凝固过程缓慢,生核、长核时间长、使晶粒面粗。 铸件的不致密性、不均匀性和晶粒粗大,使超声波散射衰减和吸收衰减明显增加、透声性降低。 2. 声耦合差 铸件表面粗糙,声耦合差,探伤灵敏度低,波束指向性不好,且探头磨损严重。铸件探伤中常采用高粘度耦合剂改善这种不良的耦合条件。 3. 干扰杂波多 铸件探伤干扰杂波多。一是由于晶粒和组织不均匀性引起的散乱反射,形成草状回波,使信噪比下降。特别是频率较高时尤为严重。二是铸 件形状复杂,一些轮廓回波和迟到变形波引起的非缺陷信号多。此外铸件粗糙表面也会产生一些反射回波,干扰对缺陷波的正确判定。 以上所述正是铸件探伤的困难所在,致使铸件探伤的应用和发展收到一定的限制。但另一方面由于铸件质量要求较低,允许存在单个缺陷尺寸较 大,数量较多,同时铸件探伤出现的部位规律性强,因此铸件探伤还是具有一定的价值,目前国内外不少人正在研究铸件探伤中存在的问题。 铸件分为铸钢与铸铁,二者缺陷状况和材质及表面特点基本相同。因此其探伤方法也大致相同。下面以铸钢件为例说明铸件的一般探伤方法 与质量级别的评定。 三、铸钢件探测条件的选择 1. 探 头 铸钢件探伤,一般以纵波直探头为主,辅以横波斜探头和纵波双晶探头。 铸钢件晶粒比较粗大,衰减严重,宜选用较低的频率,一般为 0.5~2.5MHz。对于厚度不大又经过热处理的铸钢件,可选用 2.0~2.5MHz ,对 于厚度较大和未热处理的铸钢件,宜选用 0.5~2.0MHz。 纵波直探头的直径一般为Φ10~Φ30mm ,横波斜探头的折射角常为 45°60°70°等 2. 试 块 铸钢件探伤常用图 6.14 所示的 ZGZ 系列平底 孔对比试块。试块材质与被探铸钢件相似,不 允许存在Φ2 平底孔缺陷。 试块平底孔直径 d 分别 为Φ3、Φ4、Φ6 等三种。平底孔声程 l 为 25、 50、75、100、150、200 等六种。该试块用于测试 距离——波幅曲线和调整探伤灵敏度(纵波直 探头) 。 3.探测表面与耦合剂 铸钢件表面粗糙,耦合条件差,探伤前应对 其表面进行打磨清理, 粗糙度为 Ra 不大于 12.5 μm。 铸钢件探伤时,常用年度较大的耦合剂,如 浆糊、黄油、甘油、水玻璃等。 4. 透声性测试 铸钢件晶粒较粗、组织不致密,对声波吸收 和散射严重,透声性差,对探伤结果影响较大。 一般探伤前要测试其透声性。铸钢件透声性可用纵波直探头来测试。将探头对准工件底面,用[衰减器]测出底 B1 与 B2 的 dB 差即可。为了减少测 试误差,一般侧三点取平均值。测得的 dB 差愈大,说明透声性愈差。 四、距离——波幅曲线的测试与灵敏度调整 根据探测要求选定一组平底孔对比试块(平底孔直径相同声程不同)测出弓箭与对比试块的透声性和耦合损失差ΔdB,衰减量≥(Δ+10)dB。 将探头置于厚度与工件相近的试块上, 对准平底孔, 调节仪器使平底孔最高回波达 10%~20%,然后固定各旋钮, 将探头分别对准不同声程的平底孔, 标记各平底孔回波的最高点,连成曲线,从而得到该平底孔的距离——波幅曲线(即面板曲线) 。用[衰减器]增益ΔdB,这时灵敏度就调好了。为
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了便于发现缺陷,有时再增益 6dB 作为扫查灵敏度。 五、缺陷的判别与测定 探头按选定的方式进行扫查,相邻两次扫查重叠 15%;探头移动速度≤150mm/s。扫描中根据缺陷波高与底波降低情况来判别工件内部是否存在 缺陷。以下几种情况作为缺陷记录。 (1) 缺陷回波幅度达到距离——波幅曲线者。 (2) 底面回波幅度降低量≥12dB 者。 (3) 不论缺陷回波高低,认为是线状或片状缺陷者。 发现缺陷以后,要测定缺陷的位置与大小。 缺陷的位置由示波屏上缺陷前沿对应的水平刻度值来确定。 缺陷的面积大小用下述方法测定:当利用缺陷反射法判定缺陷时,用缺陷 6dB 法测定缺陷面积的大小。当采用底波降到 12dB 法判别缺陷时,用 底波降低 12dB 作为缺陷边界来测定缺陷面积。 六、铸钢件质量级别的评定 铸钢件超声波探伤方法及质量评级方法 GB7233-87 规定铸钢件质量等级,根据平面型缺陷和非平面型缺陷的尺寸,将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 等五级,其中Ⅰ为最高,Ⅴ为最低。 评定时,评定区面积为 (317x317 或面积相同矩形) ,尽可能使最严重的缺陷位于评定区内。位于评定区边界上的缺陷,若大部分在外层,则 计入外层,反之计入内。若探测面积不足 ,则按比例折算允许的缺陷面积。 表 6-4 平面型缺陷质量等级划分 等级 单个缺陷在厚度方向尺寸(mm) 单位个缺陷面积( ) 缺陷总面积( ) 表 6-5 非平面型缺陷质量等级划分 等级 Ⅰ 20 250 5000 10 12500 Ⅱ 20 1000 10000 10 20000 Ⅲ 20 2000 20000 15 30000 Ⅳ 20 4000 40000 Ⅴ Ⅰ 0 0 0 Ⅱ 5 75 150 Ⅲ 8 200 400 Ⅳ 11 360 700 Ⅴ 超过 Ⅳ级

外 层 内 层

单个缺陷在厚度方向尺寸 外层厚度 分比 (%) 单个缺陷面积( ) 缺陷总面积( ) 单个缺陷在厚度方向尺寸 外层厚度 分比 (%) 缺陷总面积( )

超 过 Ⅳ 级

15 50000

: 单个缺陷尺寸大于 320mm 者为Ⅴ级。 单个缺陷面积为缺陷最大尺寸和与其 方向最大尺寸之积 位于外层 距小于 25mm 的两个或 个缺陷可 为 个缺陷,其面积为 缺陷面积之和。 测区存在 的铸钢件,评为Ⅴ级。 铸钢件的质量级别, 平面型缺陷和非平面型缺陷 足 级别的规定。 者中级别 低的级别为铸钢件的级别。 铸钢件声波探伤 GB7233-87 。 、 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 件探伤 件中 缺陷有 几种 是 形 的 件 分 几 采用 方法探伤 在 件超声波探伤中, 灵敏度的 用方法有 几种 用于 情况 利用 件底波 灵敏度有 时应 件探伤中, 用 几种方法对缺陷定量 用于 情况 件探伤中, 的非缺陷回波有 几种 是 形 的 判别 是 动回波 动回波是 的 别 动回波 件探伤中, 用 方法测定 质的 测 度的 要 是 制定 500x400 形 件超 用波探伤工 过 。 用 2.5P20Z 探头探伤厚为 400mm 的 形钢 件,CL=5900m/s。 利用底波 灵敏度 ( dB) 用 2.5P20Z 探头探伤外 D=800mm 的 件,CL=5900m/s, 0.005dB/mm, 利用底波来 800/ 和 灵 敏度 ( dB dB) 用 2.5P14Z 探头探伤外 D=1000mm,内 d=200mm 钢 件,CL=5900m/s。 (1)外 探伤时, 利用内 回波 灵 敏度 ( dB) ( )内 探伤时, 利用外 回波 灵敏度 ( dB) 用 2.5P20Z 探头探伤厚为 400mm 的 件, CL=5900m/s 件与 同 质, 0.01dB/mm。 (1) 利用 的 (CS-1) 来 灵敏度 ( dB) ( ) 利用厚为 大平底 来 灵敏度 ( 6 dB) 用 2.5P20Z 探头探伤厚为 400mm 的 件,CL=5900m/s, 件与 同 质, 0.005dB/mm, 件与是 表面 为 5dB, 利用 的 (CS-1)来 灵敏度 ( dB) 用 2.5P20Z 探头探伤厚为 500mm 的 形钢 件,CL=5900m/s。利用底波 灵敏度,底波高 50dB,探伤中在 200mm 发现 缺陷波高 26dB, 缺陷的当量大小 (Df=2.75mm) 用 2.6P14Z 探头探伤厚为 300mm 的 件, 回波为 dB, 缺陷波高为 dB。 缺陷的当量大小 (Df=3.6mm) 用 2.5P20Z 探头探伤 500mm 的 件, 0.005dB/mm,CL=5900m/s,探伤中在 200mm 发现 缺陷,其回波高度比底波低 9dB, 缺陷 的当量大小 (Df=5.5mm) 用 2.6P14Z 探头探伤 件, 回波达 高时, 缺陷波达 6 , 缺陷当量大小 (Df=3.1mm) 用 2.5P14Z 探头探伤 件,CL=5900m/s,利用 大平底 灵度,探伤中在 200mm 发现 缺陷,其波高比 底波低 43dB, 者 的 质相同, 0.005dB/mm, 缺陷当量大小 (Df=2.2mm)
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13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

20. 用 2.5P14Z 探头探伤锻件,利用 100mm 大平底试块调灵度,CL=5900m/s,底波高 50dB,锻件α=0.01dB/mm,试块α=0.005dB/mm,二者表面 耦合损失差为 8dB,探伤中在 150mm 处发现一缺陷,其波高为 15dB,求此缺陷当量大小?(Df=4.4mm) 21. 用 2.5P20Z 探头探伤 400mm 的锻件, 利用 400/4 试块调节 400/2 灵敏度, 二者耦合差为 6dB, 锻件第一次底波达 100%时二次底波高为 20%。 探伤中在 200mm 处发现一缺陷,其波高比节 400/2 高 18dB,求此缺陷当量大小?(Df=2.2mm) 22. 用 2.5P20Z 探头探伤外径 D=1000mm 的实心圆柱体,CL=5900m/s,α=0.005dB/mm。 (1)如何利用底波调节 500/2 灵敏度?(Δ=35dB) (2)探伤中在 250mm 处发现一缺陷,其波高比底波低 10dB,求此缺陷的大小?(Df=3.5mm) 23. 用 2.5P20Z 探头探伤外径 D=1000mm,内孔 d=100mm 的锻件,CL=5900m/s,α=0.005dB/mm (1)如何利用内孔回波调节 450/2 灵敏度?(Δ=35dB) (2)探伤中在 200mm 处发现一缺陷,其波高比内 孔回波低 12dB,求此缺陷的大小?(Df=2.8mm) 24. 用 2.5P20Z 探头探伤厚为 400mm 的锻件,CL=5900m/s,α=0.01dB/mm,仪器按 1:4 调节扫描速度,探伤中在示波屏 80 处发现一缺陷,其 波高比底波低 30dB ,求此缺陷的位置和大小?(xf=320mm Df=3.2mm) 25. 用 2.5P14Z 探头探伤 300mm 厚的锻件,CL=5900m/s,α=0.005dB/mm,已知 300mm 处 4 加波高为 10dB,探伤中在 150mm 处发现一缺陷, 其波高为 26dB,试根据 JB3963-85 标准评定该锻件的质量级别。 (4+2.5 dB,Ⅰ级) 26. 超声波探伤甲、乙、丙三锻件。甲锻件有一个 6 当量平底孔缺陷。乙锻件有缺陷引起底波降低量为 20dB。丙锻件探伤面积为 1 ㎡,密集缺陷 面积为 300 试根据 JB3963-85 标准评定甲、乙、丙三锻件的质量级别。 (甲:Ⅱ级,乙:Ⅲ级,丙:Ⅱ级) 二、 铸件探伤 1. 铸件中常见的缺陷有哪几种?有何特点? 2. 铸件超声波探伤的困难是什么? 3. 铸件超声波探伤,一般采用什么方法调节探伤灵敏度? 4. 铸件超声波探伤,一般选用较低的频率的原因是什么? 5. 铸钢件为什么要划分为内外层?如何划分? 6. 为什么要测定铸钢件的透声性?如何测定? 7. 试说明铸钢件探伤中距离-------波幅曲线的测定方法和灵敏度调节法。 8. 铸钢件探伤中,哪几种情况作为探伤记录? 9. 铸钢件探伤中,如何测定缺陷的位置与面积? 10.铸钢件分哪几级?如何评定铸钢件的质量级别?

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