大型铸件超声检测

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摘要：本文研究了大型铸件的超声波检测方法，对铸钢件中的超声纵波声速和衰减系数进行了测试，并采取直接接触法用PZT和1-3压电复合材料型双晶探头进行了超声波检测。根据大型铸件进行检测时的灵敏度要求和扫查方式，确定了检测探头的中心频率2.5MHz。实验结果表明1-3压电复合材料型双晶探头能够有效分辨深度为 5mm 的孔。

关键词：大型铸件；双晶探头；超声波检测；灵敏度

1.前言

铸件被广泛应用制造业中，它在各种类型的机械设备中占比较大。而在铸造铸件的过程中，常常会出现孔洞类缺陷，裂纹、冷隔类缺陷，夹杂类缺陷等，导致生产的产品不合格造成重大经济损失和安全隐患。因此，需要研究铸件无损检测技术对确保铸件的安全性和可靠性具有重要的实际意义。

当前比较有效的铸件无损检测技术包括超声检测、X射线透射检测及射线层析摄影法等[1]，它们各有其自身的特点，在铸件检测中都得到了不同程度的应用，根据具体被测铸件的材料、几何形状等特征选择合适的缺陷检测方法是很重要的。但是对于大型铸件来说，其特殊的声学特性，比如晶粒粗大、组织不致密性等，会造成超声波在传播的过程中衰减严重。如果对其采用一般的超声检测方法进行检测则很容易造成漏检和误检的危险。 因此本文采用底波衰减法对大铸件质量进行检测

2.铸件超声波探伤

超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检测速度快、成本低和对人体无害等优点。检测时，超声波会从缺陷处反射而在荧光屏上出现缺陷波，缺陷波的波形及波幅因缺陷的几何形状不同而发生变化，可根据缺陷波波形特性来评判缺陷性质。

对于大厚度的大型铸件，超声检测则是很有效的，可以比较精确地测出内部缺陷的位置、当量大小和分布的情况。铸件内部组织粗大、致密性差，致使超声波的衰减大、穿透性差。超声波在粗大的晶粒界面上会产生杂乱的晶界反射，使声能衰减严重，检测频率越高衰减越大，由晶界反射产生的杂波干扰越严重，因此，在铸件检测时，一般选用较低的超声波频率。经过表面加工的铸件可用机油作偶合剂采用直接接触法进行超声检测，表面粗糙的铸件可采用水浸法。对不同类型和材质的铸件进行检测时，除内部质量好的铸件可采用反射法外，一般采用底波衰减法，根据底波衰减的程度来评价铸件质量。

3.实验分析

对铸件进行超声检测时，一般要对声速、声阻抗和材质衰减系数等声学参数进行测定，以便于选择K 值、频率、晶片尺寸等探头参数。但同种材料不同工件的声学特性参数都有细微的差别。因此，下面就其声速和声阻抗进行了测量。

3.1大型铸钢件声速的测量

声速的测量有很多方法，如共振法、示波器法和用测速仪直接测试等。本文采用PXUT-27型数字探伤仪对工件进行示波器法声速测量。

测试原理为：

3.2大型铸钢件试样检测

影响探头检测效果的因数很多，检测效果是否达到最佳状态需要经过实际测试才能获取，所以检测时采用不同频率的探头分别调节一下灵敏度以选择适当的频率参数。

3.2.1 频率的选择

对铸件检测来说探头频率的选择是最为重要的工作之一，检测频率一般为0.5～5MHz。厚度较大的可在此范围内选择较低一点的频率，厚度较小或经过晶粒细化处理的工件可在此范围内选择较高一点的频率。

按照 3.1 节中测量的声速我们可以算出超声波在不同频率下在工件中的波长。当？=1.25MHz 时，λ=4.76mm；当？=2.5MHz 时，λ=2.38mm；当？=5.0MHz 时，λ=1.19mm。利用 PXUT-27 型数字机在不同的频率对探伤灵敏度进行了调节。调节灵敏度是先按照工件两平行面的底波来调整，再按照φ2当量的平底孔进行修正。

3.2.2 探头选择和扫查方式

对于外径和厚度较大的管类铸件其受力部位一般都在管的内表面，如果管的外壁较为光滑耦合较好，则除了在两端面用直探头扫查外还要从管外用直探头和斜探头径向扫查，斜探头要正反两个方向扫查，以便发现不同取向的缺陷。但是大型铸件的外表面一般很粗糙，模砂和坑凹很多探头难以耦合，遇到这种情况可以从内表面径向探测。但是一般的直探头有一定的盲区和始波占宽，很难保证内近表面缺陷的检测，如此可选择双晶直探头从内表面进行扫查。

双晶探头尺寸参数的也很重要，主要是根据工件的形状和尺寸来选择。对于曲率半径大或厚度较大的工件可选择较大的晶片尺寸；对于曲率半径较小的工件则要选择小尺寸的晶片，如果选的过大则耦合不好。

用两种不同的双晶探头，一种晶片为 1-3 压电复合材料）对工件的离内表面不同深度的φ3 长横孔进行了扫查。

普通的 PZT 双晶探头对 5mm 深的孔也难以分辨，而1-3 压电复合材料双晶探头对深度为 5mm 的孔能很好的分辨出来且波形很尖锐。这是因为 1-3 压电复合材料晶片有高阻尼、低机械 Q 值等优良特性，使回波的波形尖锐而且可以很好的抑制杂波。

4.结论

本文采用底波衰减法研究大铸件超声波探伤，得出以下结论：

（1） 测试出大型筒类铸钢件的声速为5955m/s，材质衰减系数为0.071dB/mm。

（2） 说明了探测大型铸钢件时选择探头频率的原则，在大致确定频率范围的情况下，要根据灵敏度的要求从低频到高频逐个选择探头进行调节，以确保在灵敏度满足要求的条件下尽量选择频率较低的探头进行检测。灵敏度的调节一般是根据被检工件的两平行底面的底面波来调节，以保证材质的同一性。探头晶片的尺寸要根据工件的大小和形状来选择，主要是要满足能量和耦合的要求。

（3） 针对文中所涉及的筒类铸件，介绍了探头和扫查方式的选择原则。除了平行端面要用直探头双面扫查外，当外表面光滑时从外表面用直探头和斜探头扫查，当外表面粗糙时从内表面用双晶探头扫查。

（4） 使用1-3压电复合材料晶片可以有效地抑制草状回波而且可以锐化波形。

参考文献：

[1]徐丽，刚铁，张明波，郭立伟. 铸件缺陷无损检测方法的研究现状[J]. 铸造，2002，09：535-540.