铸件缺陷的超声波定性检测

唐爱国，孙存忠

(浙江佳力风能技术有限公司, 杭州 311241)

铸件缺陷的超声波定性检测

唐爱国，孙存忠

(浙江佳力风能技术有限公司, 杭州 311241)

利用超声波检测铸件的中心区和边缘区缺陷，对铸件上不同缺陷的回波波形进行对比分析，并对缺陷部位进行解剖验证。结果表明，采用不同型号的探头从不同方向对铸件检测时，要结合铸造工艺、缺陷特征、缺陷波形和底波情况来综合分析、评估缺陷性质，才能提高检测的可靠性，给工艺、管理的改进提供可靠依据。

超声波；球铁件；缺陷回波；疏松；夹渣；夹砂；解剖；定性

球墨铸铁件的缺陷种类有很多，常见的有夹渣、夹砂、气孔、缩孔、疏松、冷隔、裂纹等，这些缺陷会减少铸件承受的载荷截面面积，引起局部应力集中，严重降低铸件的使用性能，导致关键承力铸件过早失效而发生破坏。利用超声波探伤可以检测球墨铸铁件中心区和边缘区缺陷，并判定缺陷的位置和大小。然而，目前的A型超声波探伤仪只能提供缺陷回波的深度和幅度两方面的信息，特别是有些缺陷回波波形相似，如果缺陷处于边缘区或近场区，检测人员要据此判定缺陷的种类就更加困难。这就要求检测人员熟悉在实际检测中铸件的工艺特性，以及不同部位易产生缺陷的特征，并能通过对缺陷波形和底波回波的细微差别来分析估计缺陷的性质。缺陷很多的铸件要报废，检测人员对是否报废有分歧时，可以对铸件进行解剖验证，从而提高检测结果的可靠性。

通过准确判定缺陷的种类，可以及时制定正确的检测方案、降低成本、提高产品质量和工艺水平。笔者介绍了易出现在铸件边缘区或近场区的疏松、夹渣、夹砂三种相似波形的缺陷，并通过解剖、渗透检测进行对比验证。

1 试验对象与仪器

试验材料牌号为QT400-18AL，选用型号为USM35X-S的A型显示脉冲反射数字式超声波探伤仪，探头选用带软保护膜的B2S直探头与双晶纵波SEB2直探头，耦合剂采用化学浆糊。

2 试验过程

2.1校正仪器3件铸件被检测区域总厚度在100250 mm以内，铸件上、下平面基本平行，总声程对应设定在150300 mm之间。测量低温风电球墨铸铁件的声速时，参考标准EN12680-3:2011《铸造 超声波探伤 第三部分：球墨铸铁件》，一般要求声速在5 500 m·s-1以上。需要将其第一个背面回波与噪声信号进行比较，背面回波至少应比噪声信号高6 dB，灵敏度要求是φ8 mm平底孔，但灵敏度应放大到可以看到噪声，约为平底孔φ2φ3 mm之间。

2.2检测方向的选择结合铸件工艺浇注方向(见图1)，一般铸件上表面边缘区氧化渣多，且属于检测近场区，杂波多而影响判定；铸型下面的铁水比较纯净，近表面基本无氧化渣，所以应选择从下往上检测。实际检测中，检测人员要视铸件外形结构及现场具体状况来判断从哪个方向进行检测。对于形状特殊的铸件无法将底平面朝上放置，只能从上表面往下检测，当发现有异常波时，再从下往上检测。检测应在外观目视检验合格后进行。

图1 铸件工艺浇注方向示意

2.3波形分析

异常波形的表现形式为：一是铸件背面回波的衰减；二是铸件中间为异常波形。特别要注意的是异常波形从近场盲区就开始，而底波不可见(见图2)。

图2 铸件检测异常波形

图2为铸件上部表面和近表面出现的异常波。结合铸件工艺特性，铸件上部易产生疏松、夹渣、夹砂等缺陷，而此3类缺陷波形状又相似，为了更准确地分析缺陷性质，要进一步进行检测和分析。

2.4缺陷分析

这3种缺陷产生的机理不同。夹渣主要表现为：一是浇注时由于铁水包中的熔渣没有与铁水分离，熔渣混进铸件而形成氧化夹渣；二是铁水在型腔内与化合物发生化学反应生成二次氧化渣，氧化渣的密度较小，浮于上部表面。夹砂是浇铸时由于砂型型腔内碎砂残留或砂型强度低，表面砂子剥落，或合型时磕碰掉的砂块混进铸件而形成的铁夹砂、碎砂粒。砂的密度也较小，浮于上部表面。疏松是由铸件在凝固过程中因补缩不良而在最后凝固区域形成的细小、分散性的缩孔聚焦而成的，其宏观断口形貌呈海绵状，有时要借助着色试验才能发现。疏松、夹渣、夹砂这3种类型缺陷的外观、波形、渗透检测结果如图3～5所示。其中疏松、夹渣、夹砂分别在壁厚192，148.5，105 mm处，疏松、夹渣、夹砂的第一次底波位置分别为192，150.2，109.7 mm。

(1) 从解剖图来看，疏松缺陷目视分辨不明显，借助放大镜可见枝晶状孔洞，内壁与基体颜色一致，没有被氧化的痕迹；氧化夹渣目视有花斑，与基体颜色不一致，有打磨过烧的痕迹；夹砂内含砂粒、砂块、涂料粉沫，表面非常松散，有大小不一致的凹坑、颗粒状小白点，内壁有发黑。

(2) 从B2S静态图可看出，第一次底波消失或基本消失，缺陷所处的位置都在边缘区，潜在风险比较大，需要具体分析缺陷性质和波形关系。

第一，重点分析B1的声程。可以适当提高增益或在这缺陷区域内稍微移动探头，找到B1波，会发现只有疏松部位的B1声程为192 mm，等于本体壁厚192 mm；而夹渣、夹砂位置的B1声程为150.2，109.7 mm，都要大于本体壁厚148.5，105 mm。说明氧化夹渣、夹砂的部位的声波传播时发生了反射、透射现象，其声速都要小于铸铁，而采用铸铁的声速测量，总的声程必然大于总壁厚。而疏松部位B1声程为什么没有变大，主要是因为疏松内含有气体，因其声阻抗与铸铁声阻抗相差很大，可以近似地认为声波在缺陷表面是全反射，没有发生透射，反射波是经过无疏松的位置传播过去的，所以B1的声程等于本体壁厚。从以上分析可知，疏松与夹渣、夹砂的区别就在于疏松总的声程等于检测区域的本体壁厚。

第二，从缺陷波的高低来区分是氧化渣还是夹砂。从两张缺陷图形来看，夹砂的缺陷波很高，与底波很难分辨出来，如果不仔细看缺陷波，会认为是B1底波。从超声波的声压分配比例来讲，声波垂直入射时，在界面的反射率是由界面两边介质的声阻抗决定的。说明夹砂的声阻抗与工件材料之间的声阻抗差异较大，反射声压大；反之，透射的声压小，而声压的大小直接反映在波高上。氧化夹渣的声阻抗与铸件本体之间的声阻抗相差不大，所以反射的声压不大，缺陷波不高。

图3 疏松缺陷的外观、波形、渗透检测结果

图4 夹渣缺陷的外观、波形、渗透检测结果

图5 夹砂缺陷的外观、波形、渗透检测结果

第三，从双晶直探头静态波形可看出，疏松部位缺陷波高较高，当量可以达到φ4 mm，离表面有一定距离。而氧化夹渣、夹砂缺陷波高都比较低，当量达不到φ2 mm。

最后，从渗透检测结果来看：疏松部位颜色很深的红点只是个别，其余都是淡红色的芝麻点；氧化夹渣部位红色都比较鲜艳、边界清晰；夹砂部位红色比较淡、边界模糊。

3 结论

(1) 球铁件的声波穿透性差，杂波干扰严重，形状复杂，易产生外轮廓回波及迟到波，这些干扰信号可能会妨碍缺陷信号的识别，给超声波检测带来一定的难度[1]。

(2) 球铁件中主要的缺陷类型比较多，当存在某一处缺陷时，单一缺陷类型情况较少，多数情况下是多种缺陷交汇在一起，在辨别时要分清主次，分析解决主要缺陷。

(3) 虽然从超声波检测标准EN12680-3中对球铁件检测灵敏度要求的规定，能够看出对球铁件检测的要求不高。而影响缺陷的当量尺寸(铸铁/缺陷的界面反射声压)的因素较多，除了设备仪器、工件本身状态(平行、粗糙度、衰减系数等)、耦合的影响外，还有缺陷本身的影响，如缺陷的形状、方位、指向性、表面粗糙度、性质、位置等。当发现缺陷时，仅仅从缺陷的位置、形状、及动态波形来判定，准确分析其性质并不容易，而要采用不同型号的探头从不同的方向检测，并结合铸造工艺、缺陷特征、缺陷波形和底波情况进行综合分析、评估缺陷性质，以提高检测的可靠性，为工艺、管理改进提供可靠依据。

[1] 中国机械工程学会无损检测分会.无损检测Ⅱ级培训教材：超声波检测(第2版)[M]．北京：机械工业出版社，2000.

UltrasonicQualitativeTestingofCastingDefects

TANG Aiguo, SUN Cunzhong

(Zhejiang Jiali Wind Power Technology Co., Ltd., Hangzhou 311241, China)

The defects both in the edge and central areas of the casting products were detected by using ultrasonic testing. Based on the comparative analysis on the echo waveforms of different defects and on the dissection validation of a defect part, it was found that, while detecting the casting parts from different directions and using different types of probes, it was necessary to comprehensively analyze and evaluate the defect through the combination of casting process, the defect characteristics, the defect waveforms and the bottom wave. All the above mentioned measures can raise the inspection accuracy and reliability and provide bases for improving the manage level and product quality.

ultrasonic; ductile iron casting; defect echo; loose；slag inclusion；sand inclusion; anatomy; qualitative

TB553；TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0054-03

2017-03-20

唐爱国(1974-),男，主要从事超声检测工作

唐爱国，724426956@qq.com

10.11973/wsjc201709013