水浸式超聲波探傷在大規(guī)格鋁合金鑄錠顯微結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用

楊顯芳，陳翊翀，鄧松云，莫灼強(qiáng)，覃麗萍，韋祖祥

（1.廣西南南鋁加工有限公司，南寧 530031；2.廣西鋁合金材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530031）

0 前言

鋁合金鑄錠的應(yīng)用非常廣泛，尤其是5×××系鋁合金，5052、5083精鑄板已成為各類腔體、結(jié)構(gòu)件的理想材料。鋁合金鑄錠的直接使用更是對(duì)鋁合金鑄錠的品質(zhì)提出了極高的要求?；谀壳爸髁鞯陌脒B續(xù)鑄造的特點(diǎn)決定了鋁合金鑄錠不可避免存在一定的疏松、偏析、夾渣和氣孔等缺陷，且鑄錠規(guī)格越大，鑄錠缺陷越明顯[1-2]。該類缺陷的存在對(duì)鋁合金鑄錠的后續(xù)應(yīng)用埋下巨大的風(fēng)險(xiǎn)。超聲波探傷可以有效識(shí)別出隱藏在鑄錠產(chǎn)品內(nèi)部的絕大多數(shù)缺陷，并能夠?qū)υ撊毕葸M(jìn)行定位，根據(jù)定位信息對(duì)缺陷進(jìn)行切除，有效保證了鑄錠產(chǎn)品在后續(xù)使用過程中的品質(zhì)一致性[3]。

1 水浸式超聲波檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的接觸式超聲波檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)探頭與試件表面直接接觸（涂有一層很薄的耦合劑）進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。該技術(shù)受人為因素影響較大，耦合不易穩(wěn)定，可靠性較低。當(dāng)鑄錠規(guī)格較大達(dá)到寬2 000 mm、長(zhǎng)6 000 mm 以上時(shí)，檢測(cè)人員作業(yè)困難；厚度達(dá)400 mm 以上且鑄錠內(nèi)部的晶粒較粗大時(shí)，接觸式檢測(cè)技術(shù)難以對(duì)鑄錠的整體缺陷分布情況進(jìn)行精確、宏觀的描述。

脈沖反射式水浸超聲波檢測(cè)是以水作為耦合劑，使探頭發(fā)射的聲波經(jīng)過一定深度的水耦合后再進(jìn)入工件探傷的一種非接觸式檢測(cè)方式，具有分辨力和靈敏度高、可控制性好等特點(diǎn)。該技術(shù)可以依靠機(jī)械掃描裝置自動(dòng)化地檢測(cè)出材料中的金屬間化合物、裂紋、疏松、縮孔等冶金缺陷[4-5]，已成為高端鋁合金品質(zhì)檢測(cè)的一種重要工具及手段。

利用水浸超聲波技術(shù)可以對(duì)工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的成像。這是一種圖像顯示（投影圖），根據(jù)投影截面不同可分為B 掃描、C 掃描和D 掃描[6-8]。其中C掃描是探頭在試件表面做的二維掃查，通過合成二維坐標(biāo)點(diǎn)（x，y）傳感器數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)探頭的掃查位置以及探傷儀的返回超聲信號(hào)數(shù)據(jù)，在各點(diǎn)生成不同的顏色，表現(xiàn)其在掃描區(qū)域內(nèi)閘門內(nèi)信號(hào)的波幅或深度，以此顯示缺陷信號(hào)的強(qiáng)度和深度位置。因此通過跟蹤數(shù)據(jù)在XY 坐標(biāo)平面上的位置，可以為平面產(chǎn)品生成平面圖像，直觀看出某一深度范圍缺陷的二維形狀和分布情況。該技術(shù)為產(chǎn)品整體尺度上的質(zhì)量評(píng)估和分析提供了極大便利[9-11]。

2 試驗(yàn)材料與檢測(cè)案例

本研究中選用某爐次5083 鋁合金鑄錠，采用超聲波檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合理化解剖分析來判定缺陷區(qū)域的狀態(tài)是否會(huì)對(duì)后續(xù)工序的生產(chǎn)產(chǎn)生潛在影響；并以此來決定該疑似異常區(qū)域是否應(yīng)該切除，制定相應(yīng)的工藝控制措施對(duì)鑄錠進(jìn)行質(zhì)量控制，預(yù)防后續(xù)成品的缺陷爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，避免成本浪費(fèi)。

2.1 鑄錠生產(chǎn)工藝

5083 鋁合金鑄錠的生產(chǎn)工藝：半連續(xù)鑄造成分合格的鑄錠（規(guī)格：490 mm×1 600 mm×5 800 mm）→均勻化熱處理→銑面→水浸式超聲波檢測(cè)。

2.2 檢測(cè)方法

使用水浸式超聲波檢測(cè)設(shè)備對(duì)厚度為490 mm的5083 鋁合金鑄錠進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)GB/T 6519 標(biāo)準(zhǔn)，采用超聲波檢測(cè)A級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定靈敏度為全聲程FBHφ1.2 mm，使用5 MHz的φ20 mm水浸圓探頭對(duì)鑄錠進(jìn)行水浸式100%超聲波掃描。

自動(dòng)化檢測(cè)工藝設(shè)定如下：采樣頻率100 MHz；脈沖寬度100 ns；重復(fù)頻率200 Hz；掃描速度100 mm/s。

檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，圖1（a）為C 掃描示意圖，圖1（b）為該鑄錠的C掃描結(jié)果圖。在相同的檢測(cè)靈敏度條件下觀察幅度成像，色帶幅度由0%FSD 至100%FSD 依次顯示藍(lán)-綠-黃-橙-紅。F2 區(qū)域呈現(xiàn)黃色基底的紅色麻點(diǎn)狀分布，移動(dòng)信號(hào)指針獲取缺陷處超聲信號(hào)為幅度約為50%~60%FSD 的噪聲信號(hào)，說明該區(qū)域內(nèi)存在噪音等級(jí)較高的大量漫反射，而且具有一定的面積。F1 區(qū)域內(nèi)，指針讀取的超聲波信號(hào)幅度較為均勻，幅度約為15%~20%FSD。對(duì)比鑄錠C 掃描圖中色帶不同區(qū)域的幅度成像，信噪比超過100%。從此結(jié)果來看，該鑄錠質(zhì)量不符合A級(jí)驗(yàn)收要求。為查找原因，需要對(duì)噪音異常區(qū)域進(jìn)行解剖分析。

圖1 水浸式超聲檢測(cè)圖

根據(jù)超聲C掃描圖，使用USM60接觸式超聲波探傷儀，5 MHz，φ20 mm 的縱波直探頭，以FBHφ1.2 mm+20 db靈敏度檢測(cè)，根據(jù)掃描結(jié)果分別對(duì)低噪音F1和高噪音F2區(qū)域進(jìn)行人工復(fù)檢與精確定位。低噪音F1的區(qū)域，時(shí)基方向A掃描RF信號(hào)平整，無明顯叢林狀噪聲信號(hào)。疑似高噪聲F2 區(qū)域，RF 信號(hào)在時(shí)基方向從厚度中央至底部存在叢林狀噪聲區(qū)域，還可觀察到具有一定厚度范圍的凸起回波；且在一定范圍內(nèi)移動(dòng)探頭時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度維持在高位甚至?xí)紶栠_(dá)到檢測(cè)靈敏度。噪音低和噪音高部位的A掃描波形圖如圖2所示。

圖2 接觸式超聲A掃描波形

根據(jù)A 掃描的波形顯示，可以判斷噪音高F2區(qū)域的可能類型為晶粒粗大（在宏觀組織中出現(xiàn)的均勻或不均勻的大晶粒）或孔隙疏松組織。

2.3 缺陷樣品制備

根據(jù)水浸式C掃描及接觸式復(fù)檢結(jié)果，在該鑄錠F1和F2兩個(gè)區(qū)域的相應(yīng)深度上取樣，并制作標(biāo)準(zhǔn)金相試樣。用記號(hào)筆標(biāo)記出缺陷位置，從垂直探傷的端面進(jìn)行銑面，并觀察銑削面，在缺陷深度處的表面肉眼未觀察到明顯缺陷痕跡。對(duì)樣品表面依次使用不同階梯目數(shù)的砂紙以及研磨膏進(jìn)行拋光處理。使用AxioVert A1 型倒置式金相顯微鏡、EVO18型掃描電子顯微鏡對(duì)缺陷進(jìn)行形貌觀察。根據(jù)GB/T 3246.1 標(biāo)準(zhǔn)，使用鋁合金晶粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖，采用比較法將檢查試樣上觀察到的晶粒圖像與已知晶粒大小的標(biāo)準(zhǔn)圖像比較，得到被檢查試樣的晶粒尺寸。

3 金相分析

3.1 掃描電子顯微鏡分析

將樣品拋光清洗后，放在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行微觀形貌分析?？梢钥吹綀D像中在灰色鋁合金基體上分布有襯度為白色的相。通過掃描結(jié)果分析可知，噪音低和噪音高部位的微區(qū)形貌和相成分相似，未見明顯的冶金缺陷。呈灰色的是鋁合金基體，呈白色的是由Fe、Mn、Si 組成的相，尺寸相對(duì)比較細(xì)小，基本在50 μm左右，方向各異。這些相在頻率5 MHz（波長(zhǎng)1.26 mm）超聲波傳輸過程中無法造成聲波的嚴(yán)重反射、散射。低噪聲部位的第二相雖然分布較高噪聲部位稀疏，但總體分布量級(jí)未呈現(xiàn)出明顯區(qū)別。據(jù)此研判高噪聲的來源并非第二相，如圖3所示。

圖3 相成分掃描圖

3.2 金相顯微鏡分析

為進(jìn)一步分析樣品內(nèi)部缺陷，將樣品進(jìn)行覆膜，放到金相顯微鏡下進(jìn)行晶粒度分析。將覆膜后的樣品放入金相顯微鏡進(jìn)行偏光場(chǎng)觀察（在偏光場(chǎng)下，以100 倍放大倍率拍照與評(píng)級(jí)）。通過晶粒度評(píng)級(jí)軟件，采用鋁合金晶粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖，根據(jù)GB/T 3246.1 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該鑄錠噪音高和噪音低部位的樣品進(jìn)行比較評(píng)級(jí)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噪音低部位的晶粒比較小，外觀呈不規(guī)則多邊形但棱角稍微圓滑，尺寸約為200 μm；噪音高部位的晶粒明顯較大，外觀接近對(duì)稱的四邊形或多邊形，尺寸為400 μm左右，即0.4 mm，級(jí)別為1級(jí)。樣品晶粒形貌如圖4所示。

圖4 缺陷橫截面的SEM照片

由聲學(xué)原理可知，當(dāng)異質(zhì)界面尺寸接近或達(dá)到聲波半波長(zhǎng)時(shí)，聲波的反射作用較為明顯[12]。因此，對(duì)噪聲高的樣品可以判斷，這些尺寸達(dá)到了400 μm的粗大晶粒造成了5 MHz超聲波信號(hào)的反射和散射。如果將噪聲高部位的晶粒邊界視為平底，通過同聲程平底孔回波聲壓計(jì)算公式可知，D1=FBHφ1.2 mm校準(zhǔn)級(jí)別的超聲信號(hào)與D2=FBHφ0.4 mm噪聲信號(hào)的分貝差為：

該值接近于水浸式超聲探傷時(shí)的信號(hào)與手動(dòng)復(fù)檢時(shí)的信號(hào)電平差。

因此通過交叉驗(yàn)證可知，本次490 mm 厚的5083 鑄錠整體噪聲比超過100%主要是因晶粒異常粗大引起的。

4 結(jié)論

（1）自動(dòng)化水浸式超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以通過C 掃描，有效識(shí)別厚度高達(dá)490 mm 鋁合金鑄錠的組織缺陷，直觀看出某一區(qū)域范圍缺陷的二維分布樣貌、信號(hào)強(qiáng)弱差異，可在產(chǎn)品整體尺度上進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估和分析。

（2）結(jié)合接觸式超聲波技術(shù)，根據(jù)A 掃描的RF 波形可以初步判斷缺陷大致類型，并精確定位缺陷位置，增加解剖出有效缺陷的概率。同時(shí)結(jié)合缺陷的金相分析數(shù)據(jù)，為大規(guī)格內(nèi)部缺陷不良鋁合金產(chǎn)品的處理指明方向。