大型鑄鋼齒輪的超聲波無損檢測技術

中信重工機械股份有限公司 （河南洛陽 471039） 王英鋒 楊紹輝

超聲波檢測技術是大型鑄鋼件內質檢測中的常用方法。由于鑄件所存在的氣孔、夾雜物、疏松、縮孔和裂紋等多種缺陷，以及鑄件組織和晶粒度等諸多因素的影響，使得超聲波檢測在對缺陷進行定量分析和定性判定時仍存在一定難度。

筆者針對這一檢測難題，根據《碳素鋼、低合金鋼和馬氏體不銹鋼鑄件的超聲波檢測》（ASTM A 609—1991）在實際工作的應用，總結并制訂了大型礦磨用鑄鋼齒輪超聲波檢測工藝。經實踐證明，該技術在缺陷的定量和定性判定上是行之有效的。

1.大齒輪基本情況

大齒輪是球磨機、棒磨機等重型礦磨或建材設備中的關鍵傳動件。目前，我公司所生產的重型大齒輪直徑達13.2m，凈重80t，毛重170t，需一次澆注鋼液近280t，鑄造難度極大。由于澆注時間長，使得齒區等傳動受力部位很容易因鑄造缺陷而影響大齒輪的質量。

我公司重型礦磨、建材設備用鑄鋼大齒輪一般采用低合金鋼鑄造，大齒輪的輪緣齒區、齒根區、內法蘭面等是傳動受力區域，也是缺陷容易產生的部位，需對大齒輪輪緣齒區等部位的內質進行針對性的檢測。

2.鑄鋼大齒輪超聲波檢測技術

超聲波無損檢測區域的劃分如圖1所示。

A區：齒輪外圓面到齒根以下25.4mm區域。

B區：除A區外輪緣部位（圖1B1區）和內法蘭面（圖1B2區）。

圖1 齒輪檢測分區

（1）檢測時機 一般情況下，大齒輪超聲波檢測安排在粗加工后或半精加工后（開齒前）進行。

（2）檢測面的要求 為確保有效檢測，檢測面的表面粗糙度值Ra≤6.3μm，工件表面不允許存在影響超聲波耦合的雜物。

（3）檢測儀器和探頭的選擇 選擇滿足ASTM A 609－1991 標準要求并經檢定的 A型脈沖反射式超聲波檢測儀。

探頭采用工作頻率1～5MHz的縱波直探頭，探頭直徑13～28mm。如為進一步確定缺陷取向和準確定性而需采用斜探頭輔助檢測時，斜探頭應滿足工作頻率0.4～5MHz、角度30°～75°。

（4）檢測靈敏度 根據鑄鋼大齒輪A區、B區等不同檢測區域的質量要求，在滿足ASTM A609—1991標準的基礎上，對A區嚴加控制。

A區：齒區及齒根后25.4 mm為φ3 mm平底孔當量。

B區：除A區外輪緣部位（B1區）和內法蘭面（B2區）為φ6.4 mm平底孔當量。

（5） 檢測方法 采用距離波幅曲線（DAC）對比檢測法。制作距離波幅特性曲線時，利用在標準對比試塊上得到Fa、Fb、Fc各點連DAC曲線即成，如圖2所示。

圖2 距離波幅曲線制作

校準試塊：φ3mm和φ6.4mm標準平底孔試塊。

檢測方向：在輪緣兩個相互垂直的表面上，100%超聲波無損檢測。

（6）缺陷的定量 包括缺陷記錄和對缺陷質量等級的判定。

缺陷記錄：①按照當量記錄。A區：缺陷幅度連續超過φ3mm當量直徑的區域；B區：缺陷幅度連續超過φ6.4mm當量直徑的區域。②按照底波降低量記錄。底面反射波損失連續超過75%（12dB）以上的區域（幾何尺寸影響區內除外）。③按照缺陷的延伸長度記錄。采用半波高度法（6dB法）測定缺陷長度，按照探頭中心點測量長度。

缺陷質量等級的判定：①根據ASTM A 609—1991中缺陷分級和圖1所示的分區情況確定缺陷的質量等級，見附表。②缺陷記錄按照附表進行綜合判定，其中A區按質量等級1級執行，B區按質量等級2級執行。

缺陷質量分級表

（7）缺陷的定性 采用波形判斷法并參考前述的缺陷記錄對缺陷予以定性。典型鑄造缺陷的波形判斷方法如下。

氣孔：缺陷回波波幅高，波峰尖銳，回波波寬窄而細。單個氣孔缺陷存在時，底波無明顯損失。密集氣孔出現時，底波有損失，隨著密集氣孔程度的增加，底波損失加大。

夾雜物：點狀非金金屬夾雜物缺陷波峰較圓，而波幅較低且遲鈍，當探頭位置移動不大時，缺陷波很快消失；密集非金屬夾雜物缺陷波呈連串的波峰，波幅一般較低，其波形間有一兩個較高的缺陷波，當移動探頭時，缺陷波在一定寬度范圍內變化，波峰此起彼伏，波形顯得混淆雜亂、遲飩，幾個缺陷波峰相混為一，呈圓球狀或鋸齒狀，左右滾動。缺陷分布越密則波形越亂，當降低探測靈敏度時，只有個別較高的缺陷波出現，而波幅下降，底波無明顯的變化。

疏松：缺陷回波波幅相對縮孔波幅低，參考當量小。缺陷回波以雜波、草狀波顯示，缺陷回波波寬較大，底波高度損失增大，底波反射次數減少。

縮孔：缺陷回波波幅高，參考當量大，缺陷束狀波顯示嚴重，主缺陷波附近伴隨有小缺陷波，缺陷回波波寬比其他類型缺陷都大，底波損失嚴重或無底波。

裂紋：缺陷回波反射強烈，回波前沿陡峭，波峰很尖銳，檢測方向性強。橫波斜探頭沿裂紋延伸的垂直方向檢測時，缺陷波明顯，平行與裂紋延伸方向，則缺陷波不明顯。

通過鑄件解剖、金相分析等生產驗證，采用上述超聲波檢測技術，可以實現對重型礦磨、建材設備用鑄鋼大齒輪的內質檢測，可完成缺陷的定量和定性判定。

3.結語

重型設備用鑄鋼大齒輪的超聲波檢測技術，不僅豐富了我公司大型鑄件超聲波檢測技術，還可為同行業類似鑄件的超聲波檢測提供參考。