锻件超声波探伤方法简介

锻件超声波探伤方法简介,锻件简介,锻压,锻造和板料冲压总称为锻压。锻压是对金属坯料施加一外力，使之产生塑性变形，从而获得具有一定尺寸、形状和内部组织的毛坯或零件的一种压力加工方法。锻造能消除金属铸锭中的一些铸造缺陷，使其内部晶粒细化，组织致密，力学性能显著提高。所以重要的机器零件和工具部件，如车床主轴、高速齿轮、曲轴、连杆、锻模、和刀杆等大都采用锻造制坯。,锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件。这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现。锻件过程建造了精致的颗粒结构，并改进了金属的物理属性。在零部件的现实使用中，一个正确的设计能使颗粒流在主压力的方向。锻件需要每片都是一致的，没有任何多孔性、多余空间、内含物或其他的瑕疵。这种方法生产的元件，强度与重量比有一个高的比率。这些元件通常被用在飞机结构中。锻件的优点有可伸展的长度、可收缩的横截面；可收缩的长度、可伸展的横截面；可改变的长度、可改变的横截面。锻件的种类有：自由锻造/手锻、热模锻/精密锻造、顶锻、滚锻和模锻。,飞机锻件按重量计算，飞机上有85%左右的的构件是锻件。飞机发动机的涡轮盘、后轴颈（空心轴）、叶片、机翼的翼梁,机身的肋筋板、轮支架、起落架的内外筒体等都是涉及飞机安全的重要锻件。飞机锻件多用高强度耐磨、耐蚀的铝合金、钛合金、镍基合金等贵重材料制造。为了节约材料和节约能源，飞机用锻件大都采用模锻或多向模锻压力机来生产。汽车锻按重量计算，汽车上有71.9%的锻件。一般的汽车由车身、车箱、发动机、前桥、后桥、车架、变速箱、传动轴、转向系统等15个部件构成汽车锻件的特点是外形复杂、重量轻、工况条件差、安全度要求高。如汽车发动机所使用的曲轴、连杆、凸轮轴、前桥所需的前梁、转向节、后桥使用的半轴、半轴套管、桥箱内的传动齿轮等等，无一不是有关汽车安全运行的保安关键锻件。,柴油机锻件柴油机是动力机械的一种，它常用来作发动机。以大型柴油机为例，所用的锻件有汽缸盖、主轴颈、曲轴端法兰输出端轴、连杆、活塞杆、活塞头、十字头销轴、曲轴传动齿轮、齿圈、中间齿轮和染油泵体等十余种。,船用锻件船用锻件分为三大类，主机锻件、轴系锻件和舵系锻件。主机锻件与柴油机锻件一样。轴系锻件有推力轴、中间轴艉轴等。舵系锻件有舵杆、舵柱、舵销等。,兵器锻件锻件在兵器工业中占有极其重要的地位。按重量计算，在坦克中有60%是锻件。火炮中的炮管、炮口制退器和炮尾，步兵武器中的具有膛线的枪管及三棱刺刀、火箭和潜艇深水炸弹发射装置和固定座、核潜艇高压冷却器用不锈钢阀体、炮弹、枪弹等，都是锻压产品。除钢锻件以外，还用其它材料制造武器。,石油化工锻件锻件在石油化工设备中有着广泛的应用。如球形储罐的人孔、法兰，换热器所需的各种管板、对焊法兰催化裂化反应器的整锻筒体（压力容器），加氢反应器所用的筒节，化肥设备所需的顶盖、底盖、封头等均是锻件。矿山锻件按设备重量计算，矿山设备中锻件的比重为12-24%。矿山设备有：采掘设备、卷扬设备、破碎设备、研磨设备、洗选设备、烧结设备。,核电锻件核电分为压水堆和沸水堆两类。核电站主要的大锻件可分为压力壳和堆内构件两大类。压力壳含：筒体法兰、管嘴段、管嘴、上部筒体、下部筒体、筒体过渡段、螺栓等。堆内构件是在高温、高压、强中子幅照、硼酸水腐蚀、冲刷和水力振动等严峻条件下工作的，所以要选用18-8奥氏不锈钢来制作。火电锻件火力发电设备中有四大关键锻件，即汽轮发电机的转子和护环，以及汽轮机中的叶轮与汽轮机转子。水电锻件水力发电站设备中的重要锻件有水轮机大轴、水轮发电机大轴、镜板、推力头等。,一、锻件加工及常见缺陷,锻造用的原材料为铸锭、轧材、挤材及锻坯。而轧材、挤材及锻坯分别是铸锭经轧制、挤压及锻造加工成的半成品。一般情况下，铸锭的内部缺陷或表面缺陷的出现有时是不可避免的。例如，内部的成分与组织偏析等。原材料存在的各种缺陷，不仅会影响锻件的成形，而且将影响锻件的最终质量。根据不完全的统计，在航空工业系统中，导致航空锻件报废的诸多原因中，由于原材料固有缺陷引起的约占一半左右。因此，千万不可忽视原材料的质量控制工作。,原材料的缺陷造成的锻件缺陷通常有：,1.表面裂纹：表面裂纹多发生在轧制棒材和锻制棒材上，一般呈直线形状，和轧制或锻造的主变形方向一致。造成这种缺陷的原因很多，例如钢锭内的皮下气泡在轧制时一面沿变形方向伸长，一面暴露到表面上和向内部深处发展。又如在轧制时，坯料的表面如被划伤，冷却时将造成应力集中，从而可能沿划痕开裂等等。这种裂纹若在锻造前不去掉，锻造时便可能扩展引起锻件裂纹。,2.折叠：折叠形成的原因是当金属坯料在轧制过程中，由于轧辊上的型槽定径不正确，或因型槽磨损面产生的毛刺在轧制时被卷入，形成和材料表面成一定倾角的折缝。对钢材，折缝内有氧化铁夹杂，四周有脱碳。折叠若在锻造前不去掉，可能引起锻件折叠或开裂。,3.结疤：结疤是在轧材表面局部区域的一层可剥落的薄膜。结疤的形成是由于浇铸时钢液飞溅而凝结在钢锭表面，轧制时被压成薄膜，贴附在轧材的表面，即为结疤。锻后锻件经酸洗清理，薄膜将会剥落而成为锻件表面缺陷。,4.层状断口：层状断口的特征是其断口或断面与折断了的石板、树皮很相似。层状断口多发生在合金钢（铬镍钢、铬镍钨钢等），碳钢中也有发现。这种缺陷的产生是由于钢中存在的非金属夹杂物、枝晶偏析以及气孔疏松等缺陷，在锻、轧过程中沿轧制方向被拉长，使钢材呈片层状。如果杂质过多，锻造就有分层破裂的危险。层状断口越严重，钢的塑性、韧性越差，尤其是横向力学性能很低，所以钢材如具有明显的层片状缺陷是不合格的。,5.亮线（亮区）亮线是在纵向断口上呈现结晶发亮的有反射能力的细条线，多数贯穿整个断口，大多数产生在轴心部分。亮线主要是由于合金偏析造成的。轻微的亮线对力学性能影响不大，严重的亮线将明显降低材料的塑性和韧性。偏析:钢材成分的严重不均匀.这种现象不仅包括常见的元素(如碳、锰、硅、硫、磷)分布的不均匀性，还包括气体和非金属夹杂分布的不均匀性。,6.非金属夹杂：非金属夹杂物主要是熔炼或浇铸的钢水冷却过程中由于成分之间或金属与炉气、容器之间的化学反应形成的。另外，在金属熔炼和浇铸时，由于耐火材料落入钢液中，也能形成夹杂物，这种夹杂物统称夹渣。在锻件的横断面上，非金属夹杂可以呈点状、片状、链状或团块状分布。严重的夹杂物容易引起锻件开裂或降低材料的使用性能。,7.白点（氢脆）：氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹。又称白点。氢脆只可防，治不了。白点的主要特征是在钢坯的纵向断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点，在横向断口上呈细小的裂纹。白点的大小不一，长度由120mm或更长。白点在镍铬钢、镍铬钼钢等合金钢中常见，普通碳钢中也有发现，是隐藏在内部的缺陷。白点是在氢和相变时的组织应力以及热应力的共同作用下产生的，当钢中含氢量较多和热压力加工后冷却（或锻后热处理）太快时较易产生。用带有白点的钢锻造出来的锻件，在热处理时（淬火）易发生龟裂，有时甚至成块掉下。白点降低钢的塑性和零件的强度，是应力集中点，它像尖锐的切刀一样，在交变载荷的作用下，很容易变成疲劳裂纹而导致疲劳破坏。所以锻造原材料中绝对不允许有白点。,二、锻造工艺不当常产生的缺陷,1、裂纹：裂纹通常是锻造时存在较大的拉应力、切应力或附加拉应力引起的。裂纹发生的部位通常是在坯料应力最大、厚度最薄的部位。如果坯料表面和内部有微裂纹、或坯料内存在组织缺陷，或热加工温度不当使材料塑性降低，或变形速度过快、变形程度过大，超过材料允许的塑性指针等，则在镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲和挤压等工序中都可能产生裂纹。,探伤方法,按探伤时间分类，锻件探伤可分为原材料探伤和制造过程中的探伤，产品检验及在役检验。原材料探伤和制造过程中探伤的目的是及早发现缺陷，以便及时采取措施避免缺陷发展扩大造成报废。产品检验的目的是保证产品质量。在役检验的目的是监督运行后可能产生或发展的缺陷，主要是疲劳裂纹。,三、轴类锻件的探伤,轴类锻件的锻造工艺主要以拔长为主，因而大部分缺陷的取向与轴线平行，此类缺陷的探测以纵波直探头从径向探测效果最佳，考虑到会有其他的分布及取向，因此轴类锻件探伤，还应辅以直探头轴向和斜探头周向探测及轴向探测。,1、轴类锻件直探头径向和轴向探伤：如图所示：,轴类锻件周向探伤,轴类锻件轴向探伤,饼类锻件探伤,碗类锻件,筒类锻件直探头探伤,筒类锻件轴向探测,筒类锻件周向探测,探测条件的选择,1、探头的选择：66锻件超声波探伤时，主要使用纵波直探头晶片尺寸为1428mm,常用20.对于较小的锻件，考虑近场区和耦合损耗原因，一般采用小晶片探头。有时为了探测与探测面成一定倾角的缺陷，也可采用一定K值的斜探头进行探测。对于近距离缺陷，由于直探头的盲区和近场区的影响，常采用双晶直探头探测。锻件的晶粒一般比较细小，因此可选用较高的探伤频率，常用2.55MHZ。对于少数材质晶粒粗大衰减严重的锻件，为了避免出现“林状回波”，提高信噪比，应选用较低的频率，一般为1.02.5MHZ.,近场区,干涉：频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。近场区：波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域，称为超声波的近场区。近场区探伤定量是不利的，处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就容易引起误判，甚至漏检，因此应尽可能避免在近场区探伤定量。,2、耦合选择在锻件探伤时，为了实现较好的声耦合，一般要求探测面的表面粗糙度Ra不高于6.3m,表面平整均匀，无划伤、油垢、氧化皮、油漆等。锻件探伤时，常用机油、浆糊、甘油等作耦合剂。当锻件表面粗糙度较粗糙时也可选用黄油等粘稠液体作耦合剂。,3、扫查方法的选择,锻件探伤时，原则上应在探测面上从两个相互垂直的方向进行全面扫查。扫查覆盖面应为探头直径的15%，探头移动速度不大于150mm/s.扫查过程中要注意观察缺陷波的情况和底波的变化情况。,4、试块选择,锻件探伤中，要根据探头和探测面的情况选择试块。采用纵波直探头探伤时，常选用CS-1和CS-2试块来调节探伤灵敏度和对缺陷定量。,锻件试块,5、探伤时机,锻件超声波探伤应在热处理后进行，因为热处理可以细化晶粒，减少衰减。此外，还可以发现热处理过程中产生的缺陷。对于带孔、槽和台阶的锻件，超声波探伤应孔、槽、台阶加工前进行。因为孔、槽、台阶对探伤不利，容易产生各种非缺陷回波。,四、探伤灵敏度的调节,锻件探伤灵敏度是由锻件技术要求或有关标准确定的。一般不低于2平底孔当量直径。调节锻件探伤灵敏度的方法有两种，一种是利用锻件底波来调节，另一种是利用试块来调节。,1、底波调节法,当锻件被探部位厚度x3N，且锻件具有平行底面或圆柱曲底面时，常用底波来调节探伤灵敏度。底波调节法，首先要计算或查AVG曲线求得底面回波与某平底孔回波的分贝差，然后再调节。,（1）、计算：对于平底孔或实心圆柱体底面，同距离处底波与平底孔回波的分贝差为：=20lgPB/Pf=20lg2x/Df2-波长x-被探部位的厚度Df-平底孔直径,（2）、调节：探头对准完好区域的底面，调节增益使底波B1到达基准高，然后用增益键增益dB,这时灵敏度就调节好了。为了便于发现缺陷可再增益510dB作为扫查灵敏度。例：用2.5p20z探头径向探伤500mm的实心圆柱体锻件，C=5900m/s,问如何利用底波调节500/2灵敏度?解：由题意得：=C/f=5.9/2.5=2.36(mm)计算：500mm处底波与2平底孔回波分贝差为：=20lg2x/Df2=20lg(22.36500)/3.1422=45.5(dB),调节：探头对准完好区圆柱底面，调节增益，使底波B1最高达基准60%高，然后调节增益加45.5，这时2灵敏度就调好了。必要时再增益6dB作为扫查灵敏度。,2、试块调节法单晶直探头探伤：当锻件的厚度3N或由于几何形状所限或底面粗糙时，应利用具有人工缺陷的试块来调节探伤灵敏度，如CS-1和CS-2试块。调节时将探头对准所需试块的平底孔，调增益使平底孔回波达基准高即可。,五、缺陷位置和大小的测定,（一）缺陷位置的测定在锻件探伤中，主要采用纵波直探头探伤，因此科根据示波屏上缺陷波所对应的深度来确定缺陷在锻件中的位置。（二）缺陷大小的测定在锻件探伤中，对于尺寸小于声速截面的缺陷一般用当量法定量。若缺陷位于x3N区域内时，常用当量计算法和当量AVG曲线法定量；若缺陷位于x3N区域内，常用试块比较法定量。对于尺寸大于声束截面的缺陷一般采用测长法，常用的测长法有6dB法和端点6dB法。,1、当量计算法当量计算法是利用各种规则发射体的回波声压公式和实际探伤中测得的结果（缺陷的位置和波高）来计算缺陷的当量大小。当量计算法是目前锻件探伤中应用最广的一种定量方法。用当量计算法定量时，要考虑调节探伤灵敏度的基准,当用平底面和实心圆柱体曲底面调节灵敏度时，当量计算公式为：Bf=20lg=20lg2X2f/Df2XB式中Xf-平底孔缺陷至探测面的距离；XB-锻件底面至探测面的距离。-波长Df-平面孔缺陷的当量直径Bf-底波与平底孔缺陷的回波分贝差。,例：用2.5p20Z探头探伤600的实心圆柱体锻件，C=5900m/s,利用锻件底波调节600/2灵敏度，底波达基准高时衰减读数为50dB,探伤中在400mm处发现一缺陷，缺陷波达基准高时衰减器读数为30dB,求此缺陷的当量平底孔直径为多少？Bf=20lg=20lg2X2f/Df2XB求Df代入公式可算出。,2、6dB测长法(半波高度法)由于波高降低6dB后正好为原来的一半，因此6dB法又称为半波高度法。6dB法的具体做法是：移动探头找到缺陷的最大反射波（不能达到饱和）然后沿缺陷方向左右移动探头，当缺陷波高降低一半时，探头中心线之间的距离就是缺陷的指示长度。在平面探伤中，用6dB法测定缺陷的长度时，探头的移动距离就是缺陷的指示长度。然而在对圆柱形锻件进行周向探伤时，探头的移动距离不再是缺陷的指示长度了。,缺陷回波的判别,1、单个缺陷回波。一般单个缺陷是指与临近缺陷间距大于50mm回波高不小2mm的缺陷。如锻件中单个的夹层、裂纹等。探伤中遇到单个缺陷时，要测定缺陷的位置和大小。当缺陷较小时，用当量法定量，当缺陷较大时，用6dB法测定其面积范围。,2、分散缺陷回波锻件探伤时，工件中的缺陷较多且较分散，缺陷彼此间距较大，这种缺陷回波称为分散缺陷回波。一般在边长为50mm的立方体内少于5个，不小于2mm。如分散性的夹层。分散缺陷一般不太大，因此常用当量法定量，同时还要测定分散缺陷的位置。,3、密集缺陷回波锻件探伤中，示波屏上同时显示的缺陷回波甚多，波与波之间的间隔距离甚小，有时波的下沿练成一片，这种缺陷回波称为密集缺陷回波。密集缺陷可能是疏松、非金属夹杂物、白点或成群的裂纹等。锻件内不允许有白点的缺陷存在，这种缺陷的危险性很大。通常白点的分布范围较大，且基本集中于锻件的中心部位，它的回波清晰、尖锐，成群的白点有时会使底波严重下降或完全消失。这些特点是判断锻件中白点的主要依据。,白点缺陷,4、底面回波在锻件探伤中，有时还可根据底波变化情况来判断锻件中的缺陷情况。当缺陷回波很高，并有多次重复回波，而底波严重下降甚至消失时，说明锻件中存在平行于探测面的大面积缺陷。当缺陷回波和底波都很低甚至消失时，说明锻件中存在大面积但倾斜的缺陷或在探测面附近有大缺陷。当示波屏上出现密集的互相彼连的缺陷回波，底波明显下降或消失时，说明锻件中存在密集型缺陷。,5、非缺陷回波分析锻件中还会出现一些非缺陷回波影响对缺陷波的判别。常见的非缺陷回波有