關于鑄件超聲檢測的探討

摘 要：在鑄造鑄件的過程中，經常會出現各種問題。應用無損檢測技術可以及時找出有問題的產品，并評定其質量等級。將問題定性定量有助于采用適當的施工技術減少廢品量、降低成本。超聲波檢測技術是檢測鑄件缺陷的有效方法之一。因為鑄件本身具有晶粒粗大、組織不致密、組織不均勻和表面粗糙等特點，所以，給超聲檢測造成了一定的困難，比如超聲波穿透性差、雜波干擾嚴重等。簡要探討了鑄件超聲檢測的相關內容，解讀了鑄件超聲檢測的標準，以期為工業生產中鑄件檢測工作提供一定的指導。

關鍵詞：鑄件；超聲檢測；檢測標準；可探測性試驗

中圖分類號：TG115.28 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.114

在機器制造業中，鑄件被廣泛應用，它在各種類型的機器設備中占有較大比例。而在鑄造鑄件的過程中，常常會出現各種問題，因此，需要采用無損檢測技術確保產品的質量及其安全性和可靠性。

由于鑄造生產工序多、工藝復雜、勞動條件差，所以，鑄件容易出現組織疏松、晶粒粗大、縮孔、縮松和氣孔等問題，進而降低鑄件的沖擊韌性。除此之外，不僅鑄造工藝會影響鑄件質量，鑄型材料、模具、熔煉和澆注等因素都會影響鑄件質量。而鑄件形狀復雜、表面粗糙等缺陷會影響超聲檢測的正常進行。

1 鑄件無損檢測方法簡介

截至目前，研究最多且比較有效的鑄件缺陷無損檢測方法包括射線照相法、工業CT層析攝影法和超聲檢測法。雖然現有的無損檢測方法有20多種，但是，就鑄件本身來說，主要是用射線檢測和超聲檢測來檢查其內部缺陷，用磁粉、渦流、滲透等方法檢查鑄件表面和近表面的缺陷。因為鑄件表面比較粗糙，形狀比較復雜，所以，表面檢測方法應用得并不多。下面簡要介紹3種鑄件內部缺陷無損檢測方法。

1.1 射線照相法

當射線穿透物體時，能量會有一定的衰減，而透過物體的射線會在膠片上形成潛影，經過暗室處理后反映在底片上的就是黑度差。所以，有缺陷的鑄件底片上會呈現黑度差，即缺陷影像。該方法通常用來檢測鑄件內部缺陷，因為它對氣孔和夾雜等體積型缺陷比較敏感，很少會受到工件外形和表面狀態的影響。這種方法的優點是缺陷能夠直觀地顯示出來，便于對缺陷定性和定量。

1.2 工業CT層析攝影法

該方法多用于性能要求比較高和形狀復雜的鑄件缺陷檢測，它的工作原理與射線照相法相似，但是，它需要利用強大的計算機處理能力分層掃查工件，再用相關算法將各層信息合成起來，從而準確描繪出工件缺陷的三維信息。

1.3 超聲檢測法

利用探頭的壓電效應和逆壓電效應發射超聲波穿透工件，

當遇到缺陷時，超聲波反射出的信息會被探頭接收到，進而轉化成電信號顯示在儀器上。該方法能夠檢測鑄件內部和近表面的缺陷，方便快速、靈敏度較高、檢驗厚度大、成本低、無防護問題，通常用于產品的100%初檢。由此可見，這種方法更適用于檢測厚度大的工件內部缺陷。因為鑄件近表面有盲區，所以，通常要求雙面或雙側檢測。另外，在檢測過程中，還可以與射線檢測相互配合，定位檢測厚度大的鑄鋼件內部缺陷。使用雙晶探頭能有效檢測鑄件近表面的缺陷。

2 鑄件超聲檢測的特點

鑄件超聲檢測具有特殊性和局限性。鑄件晶粒粗大會導致超聲波嚴重衰減，進而影響超聲波檢測的指向性，發生異常反射，例如草狀回波和林狀回波，即干擾信號。干擾雜波會降低信噪比，尤其是當檢側頻率比較高時，會出現嚴重的干擾信號。這是因為波長與頻率成反比，波長與頻率的乘積是一個常數，它與晶片厚度有關，頻率越大，則波長越短，超聲波的衍射能力越低，所以，要用較小的頻率檢測鑄件。由惠更斯原理可知，波的衍射與障礙物尺寸Df和波長λ有關——當Df遠遠小于λ時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容易偏檢；當Df遠遠大于λ時，波得反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射；當Df與λ相當時，既有反射又有繞射。

由上述理論可知，檢測靈敏度與晶粒大小有密切的關系，理論上認為，小于晶粒尺寸的缺陷是檢測不出來的，所以，GB/T 7233中指出，超聲檢測適用于非奧氏體細化晶粒鑄件的檢測。關于鑄件的超聲可探性，GB/T 7233標準附錄中有詳細的講解。超聲波用來檢測大于晶粒尺寸的缺陷，因此，應根據鑄件特點去分析、排除干擾信號（比如林狀、草狀雜波）。

鑄件組織的不致密性、不均勻性會使超聲波能量衰減，根據數據顯示聲能衰減會造成聲速差異。由相關資料和實際測定情況可知，聲速最大差異可達5%.另外，鑄件內部各向異性柱狀晶粒還會改變聲波的傳播途徑，影響鑄件超聲檢測的缺陷定位。

此外，鑄件毛坯表面比較粗糙，存在游離的石墨。采用超聲波探傷時，如果超聲波被大量散射，那么，就會產生大量的干擾信號，進而降低信噪比。如果鑄件近表面干擾信號的回波高度比較大，那么，近表面的缺陷檢測會變得更加困難。

3 鑄件超聲檢測標準

為了進一步規范檢測秩序，經過相關部門的協商，由公認機構制訂、批準，將相應領域共同使用和重復使用的規范性文件稱為標準。它規定了操作規則和操作結果的特殊值，供各單位使用，進而有效規范預定領域內的活動。

我國現行的一般用途鑄鋼件超聲檢測標準是依據歐洲鑄件超聲標準翻譯、改編的。其中，《鑄鋼件超聲波探傷及質量評定方法》（GB/T 7233—2009）是由《鑄鋼件超聲檢測》（EN 12680—2003）改編而來，歐標原文包括3個部分，而我國取用前兩部分，并將其改編為《鑄鋼件超聲檢測第一部分：一般用途鑄鋼件》（GB/T 7233—2009）和《鑄鋼件超聲檢測第二部分：高承壓鑄鋼件》（GB/T 7233—2010）。歐標的第三部分是《球墨鑄鐵件》。EN 12680—2003不僅適用于歐盟內部，澳大利亞、新西蘭等國家也采用此標準。通常情況下，使用最多的是第一部分。經過長時間的使用，我國用《鑄鋼件超聲波探傷及質量評定方法》（GB/T 7233—2009）代替了《鑄鋼件超聲探傷及質量評定方法》（GB/T 7233—1987）。新修訂的版本全面調整了標準內容，并與國際先進標準接軌。這樣做的目的是使鑄鋼件超聲檢測與國際標準相一致，消除技術壁壘，為我國加入WTO后的國際貿易需求奠定基礎。標準的第一部分規定了一般用途鑄鋼件的超聲檢測，標準的第二部分規定了高承壓鑄鋼件的超聲檢測。不同用途的鑄鋼件有其相應的檢測標準，它的存在能夠滿足鑄鋼件在更多領域的使用需求。

4 鑄件可探測性測試

同一個鑄件用不同的標準檢測，再通過檢測結果分析它們的異同，從而進一步解釋差異的原因。試驗時，使用5個經過機加工的鑄鋼件，它們都存在自然缺陷或人工缺陷（Φ2 mm平底孔），尺寸分別為102 mm×80 mm×96 mm、103 mm×95 mm×86 mm、103 mm×97 mm×80 mm、Φ102 mm×86 mm和Φ100 mm×81 mm。

按照標準要求，在鑄件超聲檢測之前應測量超聲的可探測性。GB/T 7233—2009中明確規定，Φ3 mm平底孔（厚度≤300 mm的鑄鋼件）回波高度應高于同聲程雜波回波高度6 dB；JB/T 5000則規定，當探傷靈敏度反射回波（Φ6 mm平底孔）比同聲程噪聲信號回波高8 dB以上時，其可探性符合要求。

通過比較、參考反射體回波高度（本試驗為第一次底波）和噪聲信號來確定鑄鋼件可探測性的準確度。比較時，應選擇鑄鋼件中最具代表性的區域——該區域必須是上下面平行的最大厚度處。根據GB/T 7233對厚度要求的不同，超聲可探性要求如表1所示，測試結果如表2所示。結果顯示，5個工件全部滿足可探性要求。

5 總結

鑄件超聲檢測的要求比較低，主要是因為靈敏度要求比較低，所以，需要測試材料的超聲可探測性。檢測要點是，采用低頻率（1～2.5 MHz）、小晶片（Φ10～Φ20 mm）探頭檢測，當雜波信號過大時，應降低檢測靈敏度，關注底波劇烈衰減區域。GB/T 7233更新后，最主要的變化是修改了其適用范圍和質量分級。質量分級由原來的1級至4級增加到1級至5級。此外，新標準把鑄鋼件分為內外兩層，并分別評級。這樣修改的好處是區別對待不同層區工件的2個性能，使其更加符合鑄件自身的質量要求。修改后的標準逐漸與歐洲標準接軌，有利于對外技術交流和對外貿易的順利進行。

作者簡介：王洪良（1964—），男，工程師，畢業于南昌航空大學無損檢測專業，現主要從事射線和超聲無損檢測方面的工作。

〔編輯：白潔〕