便携式手持光谱仪在铸件成分测量上的应用

周学峰，高 阳

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 750021）

铸铁是碳质量分数＞2%的铁碳合金，是由铸造生铁（部分炼钢生铁）在炉中重新熔化，并加进铁合金、废钢、回炉铁调整成分而成。铸铁具有优良的铸造性，可制成复杂零件，一般均有良好的可切削性，另外其耐磨性和防震性也较好。不同的铸件在后序装机运行中所处环境不同，所以对材料的强度、硬度、塑性、韧性以及焊接性能、切削性能等均有不同的要求，而影响这些性能的主要因素就是材料的成分；另外对于铸件缺陷返修后成型焊缝的质量监控也是重点之一，所以对铸件成分的测量成为对铸件质量控制的重中之重。对材料成分的测量从原始的碳、硫两种元素测量的碳硫分析仪，到后来的大型直读光谱检测，再到目前市场推广的各类便携手持式光谱仪，测量设备的性能与测试方法逐步趋于成熟。本文针对便携手持式光谱仪对铸件成分的测量进行了归纳整理，便于相关参考应用。

1 测试设备介绍

公司目前使用的是美国Niton公司生产的XL898系列光谱仪，该系列设备主要用于机械制造行业。

激发源：高性能微型 X射线管，Ag靶，45 kV/100 μA最大。

探测器：高性能Si PIN探测器GOLDD技术（高性能SDD探测器结合最优化几何设计）。

显示器：带背光的视频图形阵列（VGA）触摸屏LCD，显示分析时间，合金牌号，成分质量百分数和分析误差值。

分析范围：从22号元素钛（Ti）到83号元素铋（Bi）中，23个标准合金成分元素，如表1所示。选配充氦装置可以分析 Mg、Al、Si、P.非标准元素亦可分析，需根据具体情况协商确定。

应用范围：各种高低合金钢、不锈钢、工具钢、铬/钼钢、镍合金、钴合金、镍/钴耐热合金、钛合金、铜合金、青铜、锌合金、钨合金等；可通过对其他合金元素的测定，实现对铝、镁轻合金的牌号鉴定。

显示结果：测试结果显示主要元素的成分含量，显示单位可设置为质量百分数和PPM（百万分之一）；仪器显示的分析误差为±2δ，即为95%的置信区间。

表1 可分析元素明细

2 测试要求

2.1环境要求

手持式光谱仪在使用的时候，对于环境有一定的要求，湿度0～20%，如样品潮湿，则测量结果一般会偏低。测量时不能隔着纸袋或是普通塑料采样袋进行。当样品湿度低于20%时，对含量偏低的影响可以忽略（湿度20%的概念就是用手指捻样品时，样品不会有粘在一起的小片状物出现）。温度为常温，避免各类磁场干扰，如此仪器分析的时候才能测出更精准的数据。

2.2 检测表面要求

样品厚度要达到1 cm以上，能够覆盖窗口。一定要将被测铸件表面的氧化层、锈蚀层打磨掉，被测物品的表面必须光滑，整洁，检测试样表面无锈迹、油渍、氧化皮、灰尘等影响检测的杂质，试样不能有偏析、裂纹、气孔等缺陷，试样要有一定的代表性。如此才能保证检测的精度。

3 测试过程

3.1 测试区域确定

确定待测试区域，按照2.2要求处理检测表面，保证测试精度。

应用描述：焊材材质的复检验收、铁屑、钢屑、试块材质确认（如图1和图2），矿石分选、矿石品位鉴定、金属冶炼以及各种焊接管件牌号确认等领域。

3.2 测试分析模式选定

根据测试材料的不同，选定合适的分析模式。在主菜单选择“样品类型”，共有5个选择测试样品：金属，塑料，土壤，矿石，消费品，指纹光谱。

金属模式：适用于金属物品。塑料模式：适用于测试所有非金属物质。土壤&矿石模式：适用于测试土壤和矿石中的金属。土壤模式：适用于所含分析元素质量分数低于1%的情况。矿石模式：适用于所含分析元素质量分数高于1%的情况。

注意：所谓的土壤、矿石，与样品的外在形态无关，只与所关注元素的含量范围有关。某些低含量元素只能使用土壤模式测量。当样品中的几种元素质量分数既有大于1%也有小于1%时，即使所关注元素质量分数小于1%，一般也是推荐使用矿石模式。指纹光谱模式：适用于指纹光谱采集和匹配。

3.3 测试过程要点

表面接触：由于设备有较强的辐射强度，所以被测样品一般应尽可能地压住仪器前端窗口，避免样品不能完全盖住辐射束而造成的额外散射；

测试时间：一般20 s～60 s，待数据变化相对稳定时结束测试。等待时间不宜过短，否则会造成测试数据不全或偏差超标；

匹配度确定：匹配度是指被测样品与标准合金牌号的匹配程度。该值越小表明匹配越好。一般而言：0～2表示完全匹配，2～4表示匹配良好，大于4表示不匹配。

图1 焊材材质

图2 铁屑、钢屑材质

图3 铸造缺陷需焊补

小样品测试：小样品是指尺寸小于测量窗口的样品。由于测量小样品体积小，不能阻挡所有的射线，所以若将小样品放置在工作界面上测试，分析仪可能会接收到有关工作界面的一些数据，从而对测试结果造成影响，另外还存在一定的危险性。所以小样品的测试必须选择专用测试架进行辅助。

表面不规则样品测试：样品测量表面形状不规则时，会导致无法压住仪器前端的接触按钮，或者样品不能完全盖住主辐射束而造成额外散射。为避免以上情况，需使用反向散射屏蔽装置进行测试。

测试结果处理：为了保证局部测试结果对整个被测试样品的代表性，一般需要一个样品测试不少于3处，取各处的平均数值作为测试结果。对于补焊区域的测试需要在每个产品上抽取的数量不少于总焊补区域的30%.测试结束后将测试结果形成报告，与被测试样品的既定成分作对比，超出要求部分按照公司既定流程进行处理。

4 结论

由于铸件多体积较大，不易搬运，不适于实验室大型光谱仪器的测量；铸件一次成型，切割取样进行成分检测对铸件的整体使用性能造成一定的影响；铸件熔炼时所使用的返回料、钢屑、钢坨混料等材料成分差异较大，且铸件成型后因铸造工艺产生的夹杂物、裂纹、气孔、夹渣等不可接受缺陷须进行焊接补修（如图3所示）；多种工件批量焊接作业过程中所使用的焊材易混淆，所以铸件的本体成分及焊肉成分需要不定期的测试控制。综合以上，便携式手持光谱仪在铸件成分测试上具备以下优势：

1）设备轻便，适宜于工作现场各个工序产品的成分测试，携带测试；

2）效率高，设备调试合格后便可实现对被测试区域的测试，稍作延时，还可通过系统后台处理，得出实验室级别的数据；

3）测试样品只需表面达标，不需破坏取样，实现无损检测；

4）与大型直读光谱相比，价格优廉。

参考文献：

［1］ 高婷.浅谈便携式光谱仪野外岩矿测量方法［J］.科技风，2012（5）：112-113.

［2］ 张宇.一种便携式能量色散X射线荧光光谱仪的设计［D］.辽宁：沈阳师范大学，2010.

［3］ 任勤生.光栅单色仪光谱测量的计算机控制［J］．集美航海学院学报，1998（1）：4.