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大型鑄鍛件在機(jī)床制造、汽車制造業(yè)、船舶、電站、兵器工業(yè)、鋼鐵制造等領(lǐng)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，其工藝與加工比較復(fù)雜。

通常采用的工藝熔煉后鑄錠，進(jìn)行鍛造或重新熔化澆注成型，通過高頻加熱機(jī)獲得要求的形狀尺寸與技術(shù)要求，來滿足其服役條件的需要。

由于其加工工藝特點(diǎn)，它們在生產(chǎn)加工過程中常會產(chǎn)生一些缺陷，影響設(shè)備的安全使用，一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對某些鍛件和鑄件必須進(jìn)行超聲波探傷。

由于鑄件晶粒粗大、透聲性差，信噪比低，探傷困難大，因此本文重點(diǎn)介紹鍛件探傷問題，對鑄件探傷只做簡單介紹。

一、鍛件超聲波探傷

1、鍛件加工及常見缺陷

鍛件是由熱態(tài)鋼錠經(jīng)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：縮孔殘余、疏松、夾雜、裂紋等。鍛造缺陷主要有：折疊、白點(diǎn)、裂紋等。熱處理缺陷主要是裂紋。

縮孔殘余是鑄錠中的縮孔在鍛造時切頭量不足殘留下來的，多見于鍛件的端部。

疏松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，主要存在于鋼錠中心及頭部。

夾雜有內(nèi)在夾雜、外來非金屬夾雜和金屬夾雜。內(nèi)在夾雜主要集中于鋼錠中心及頭部。

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(dāng)，會在鍛件表面或心部形成裂紋。

白點(diǎn)是鍛件含氫量較高，鍛后冷卻過快，鋼中溶解的氫來不及逸出，造成應(yīng)力過大引起的開裂。白點(diǎn)主要集中于鍛件大截面中心。白點(diǎn)在鋼中總是成群出現(xiàn)。

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制造過程中的探傷，產(chǎn)品檢驗(yàn)及在役檢驗(yàn)。

原材料超聲波探傷和制造過程中超聲波探傷的目的是及早發(fā)現(xiàn)缺陷，以便及時采取措施避免缺陷發(fā)展擴(kuò)大造成報廢。產(chǎn)品檢驗(yàn)的目的是保證產(chǎn)品質(zhì)量。在役檢驗(yàn)的目的是監(jiān)督運(yùn)行后可能產(chǎn)生或發(fā)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(yīng)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：

直探作徑向探測時將探頭置于軸的外緣，沿外緣作全面掃查，以發(fā)現(xiàn)軸類鍛件中常見的縱向缺陷。

直探頭作軸向探測時，探頭置于軸的端頭，并在軸端作全面掃查，以檢出與軸線相垂直的橫向缺陷。

但當(dāng)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(qū)，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(yīng)作正、反兩個方向的全面掃查，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于端面，所以用直探頭在端面探測是檢出缺陷的最佳方法。

對于上些重要的餅類、碗類鍛件，要從兩個端面進(jìn)行探傷，此外有時還要從側(cè)面進(jìn)行徑向探傷，如下圖所示。

從兩端面探測時，探頭置于鍛件端面進(jìn)行全面探測，以探出與端面平行的缺陷。從鍛件側(cè)面進(jìn)行徑向探測時，探頭在鍛件側(cè)面掃查，以發(fā)現(xiàn)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，后沖孔，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復(fù)雜。

但由于鑄錠中質(zhì)量最差的中心部分已被沖孔時去除，因而筒類鍛件的質(zhì)量一般較好。其缺陷的主要取向仍與筒體外圓表面平行，所以筒類鍛件的探傷仍以直探頭外圓面探測為主，但對于壁較厚的筒類鍛件，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面或端面進(jìn)行探測。外圓探測的目的是發(fā)現(xiàn)與軸線平行的周向缺陷。端面探測的目的是發(fā)現(xiàn)與軸線垂直的橫向缺陷。

2)雙晶探頭探測：

如圖6.4所示，為了探測筒體近表面缺陷，需要采用雙品探頭從外圓面或端面探測。

3)斜探頭探測：

對于某些重要的筒形鍛件還要用斜探頭從外圓進(jìn)行軸向和周向探測，如圖6.5所示。軸向探測為了發(fā)現(xiàn)與軸線垂直的徑向缺陷。周向探測是為了發(fā)現(xiàn)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。

對于較小的鍛件，考慮近場區(qū)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面成一定傾角的缺陷，也可采用一定K值的斜探頭進(jìn)行探測。對于近距離缺陷，由于直探頭的盲區(qū)和近場區(qū)的影響，常采用雙晶直探頭探測。

鍛件的晶粒一般比較細(xì)小，因此可選用較高的探傷頻率，常用2.5～5.0MHz。對于少數(shù)材質(zhì)晶粒粗大衰減嚴(yán)重的鍛件，為了避免出現(xiàn)“林狀回波”，提高信噪比，應(yīng)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(shí)現(xiàn)較好的聲耦合，一般要求探測面的表面粗糙糙R，不高于6.3um，表面平整均勻，無劃傷、油垢、污物、氧化皮、油漆等。

當(dāng)在試塊上調(diào)節(jié)探傷靈敏度時，要注意補(bǔ)償塊與工件之間因曲率半徑和表面粗糙度不同引起的耦合損失。

鍛件探傷時，常用機(jī)油、漿糊、甘油等作耦合劑。

當(dāng)鍛件表面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(yīng)在探測面上從兩個相互垂直的方向進(jìn)行全面掃查。掃查覆蓋面應(yīng)為探頭直徑的15%，探頭移動速度不大于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(zhì)衰減系統(tǒng)的測定

當(dāng)鍛件尺寸較大時，材質(zhì)的衰減對缺陷定量百一定的影響。特別是材質(zhì)衰減嚴(yán)重時，影響更明顯。因此，在鍛件探傷中有時要測定材質(zhì)的衰減系數(shù)a。衰減系數(shù)可利用下式來計算：

式中：[B]1-[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：測定衰減系數(shù)時，探頭所對鍛件底面應(yīng)光潔干凈，底面形狀為大平底或圓柱面，χ≥3N，測試處無缺陷。一般選取三處進(jìn)行測試，最后取平均值。

5)超聲波試塊選擇

鍛件探傷中，要根據(jù)探頭和探測面的情況選擇試塊。

采用縱波直探頭探傷時，常選用CS-1和CS-2試塊來調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(dāng)探測面為曲面時，應(yīng)采用曲面對比試塊來測定由于曲率不同引起的耦合損失。

6)探傷時機(jī)

鍛件超聲波探傷應(yīng)在熱處理后進(jìn)行，因?yàn)闊崽幚砜梢约?xì)化晶粒，減少衰減。

此外，還可以發(fā)現(xiàn)熱處理過程中產(chǎn)生的缺陷。

對于帶孔、槽和臺階的鍛件，超聲波探傷應(yīng)在孔、槽、臺階加工前進(jìn)行。

因?yàn)榭?、槽、臺階對探傷不利，容易產(chǎn)生各種非缺陷回波。

當(dāng)熱處理后材質(zhì)衰減仍較大且對于探測結(jié)果有較大影響時，應(yīng)重新進(jìn)行熱處理。

二、鑄件超聲波探傷

由于鑄件晶粒粗大、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(nèi)部的傳播中，碰到內(nèi)部表面或缺陷時產(chǎn)生反射而發(fā)現(xiàn)缺陷。

反射聲能的大小是內(nèi)表面或缺陷的指向性和性質(zhì)以及這種反射體的聲阻抗的函數(shù)，因此可以應(yīng)用各種缺陷或內(nèi)表面反射的聲能來檢測缺陷的存在位置、壁厚或者表面下缺陷的深度。

超聲檢測作為一種應(yīng)用比較廣泛的無損檢測手段,其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：

檢測靈敏度高，可以探測細(xì)小的裂紋;具有大的穿透能力，可以探測厚截面鑄件。

其主要局限性在于：

對于輪廓尺寸復(fù)雜和指向性不好的斷開性缺陷的反射波形解釋困難;對于不合意的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如晶粒大小、組織結(jié)構(gòu)、多孔性、夾雜含量或細(xì)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(biāo)準(zhǔn)試塊。