铸造件的超声波聚焦探伤

生 产 碗 场 铸造件的超声波聚焦探伤 1前言 需要。 汽车零部件形状复杂．铸造件 以一次性成型并降低生产成本的技 术优势占有相当大的比例。铸造件 中的缺陷气孔、缩孔、裂纹 、冷 隔、疏松、微孔、晶粒粗大等，目 前均用射线探伤方法检查。但是大 型铸造件如桥壳．或者厚度较大的 零件如悬挂支架等．这些件在用X 射线进行内部缺陷检测时都会遇到 困难 ．如零件厚度过大，射线无法 穿透；零件体积过大。射线检测空间 受限。同时，在缺陷检测灵敏度方 面．对疏松、微孔类缺陷，射线的 检测灵敏度比较低。对于用射线方 法无法实现的检测就必须用超声波 进行检测。然而，铸件的常规超声 波检测也存在以下限制。 a．表面形状复杂．需要探头的种 类多。 b．铸造表面粗糙．降低检测的灵 敏度。 c．铸件组织或多或少呈现粗晶状 态，因此形成各向异性，对超声波 产生强烈的声衰减。 此外．壁厚变化剧烈的部分及 表面与中心部分组织的差异较大． 因此都 降低了缺陷的检 出能力。针 对这种情况，对铸件用常规的超声 波检测方法进行全方位的超声波检 测则存在一定的困难。必须研制出 系列的超声波探头．并选择正确的 检测方法 ，以适应不同检测部位的 ■ 中国第一汽车集团公司技术中心 张连玉 于关来 2铸铁的声学特性 2．1铸铁的透声性 超声波在介质中传播时会出现 衰减 的现象 ，衰减的程度除与声源 有关外，在绝对程度上与介质本身 的性质有关。超声波在介质中的衰 减主要有以下几个方面。 (1)扩散衰减 超声波在传播过程中．由于波 束的扩散，使超声波的能量随着距 离的增加而逐渐减弱的现象称为扩 散衰减。超声波的扩散衰减仅取决 于波阵面的形状 ，与介质的性质无 关。一般情况下，超声波探伤所使 用的波形为球面波 ．波 阵面为同心 球面 ，波束向四周扩散 ．存在扩散 衰减．其声压与距离成反比。 (2)散射衰减 超声波在介质中传播 时，遇到声阻抗不同的界面 产生散乱反射引起衰减的现 象称为散射衰减。散射衰减 与材料的晶粒密切相关，当 材料晶粒大时．散射衰减严 重．被散射的超声波沿着复 杂的路径传播到探头，在回 波显示中出现林状回波 (见 图1)．使信噪比下降 ，严 重时噪声会湮没缺陷信号， 这也是铸铁件用超声波检测 比较困难的一个重要原因。 (3)吸收衰减 6[{锚 图1林状回波 超声波在介质中传播时．由于 介质中质点间内摩擦和热传导而引 起超声波衰减。 在一般情况下．扩散衰减属于 正常的情况，而与介质本身无关： 散射衰减和吸收衰减是与介质有直 接关系的衰减现象。 介质的透声性是指衰减之后超 声波反射回来能量的变化量。用2．5 MHz的探头对一个厚度为20 mm的 铸铁进行的透声性试验，见图2。 (a)一次回波高50％的情况 图2铸铁透声性试验 2007年第1 2期 汽车 T艺-5材料 AT&M j 19 维普资讯 http://www.cqvip.com 生 产 琐 场 (b)二次回波高50％的情况 在一次回波时 ．增益指示为54 dB：在二次回波时．增益指示为70 dB．其透声性为70—54=16 dB。 一 般锻钢为10 dB以下．可见铸 铁的透声性要差。引起透声性差的 主要原因是散射衰减和吸收衰减。 2．2 超声波在铸铁中不同频率下的 反射 超声波在介质 中传播 ．频率起 的作用很大。波在传播过程 中遇到 障碍物时会发生绕射和反射现象。 频率的大小决定了超声波波长的大 小。超声波波长的大小对超声波的 绕射和反射有极大的影响。铸件探 伤时．超声波的频率过高 ，超声波 的衰减越严重，在频率为5 MHzI~"f． 超声波的反射波会全部消失 ．从而 不能实现探伤检测。 3聚焦超声场 常规的纵波声场或横波声场． 声束是以一定的角度向外扩散 出去 的，能量不集中．缺陷定量差，对 粗晶材料检测困难大，聚焦声源发 射 的声场具有声束细、能量集 中、 分辨力和灵敏度高等优点。 3．1纵波接触聚焦声场 我们知道晶片发射出的超声波 在正常的情况下是以一定的扩散角 向介质中传播的．要形成聚焦就要 在晶片前加入一个聚焦透镜 (声透 镜 ) ，超声波在 透镜 中的声速 C 要大于第二介质中的声速C，，即 C >C ．见图3。这样．通过这个声 图3纵波接触聚焦 透镜使超声波在第二介质中进行了 第一次的聚焦．第二介质我们把它 叫作楔块。经过楔块以后的超声波 入射到第三介质 (被测件)，第三 介质的声速C。要大于C ．这样通过 平面折射超声波将进一步聚焦。 由图3可以看到 ．通过聚焦后的 超声波并不是一个点或线 ．这是由 于声波的波动性，在焦点附近声波 存在干涉 ．同时声透镜存在一定的 球差．因此聚焦声束会形成一个焦 柱 。在聚焦探头中．我们最关心 的 是它的焦距，通过焦距参数可以获 知此探头的最佳检测范围。也可以 把晶片制做成曲面形状 ，成为聚焦 晶片，从而可省去声透镜。 3_2横波接触聚焦声场 前面我们已经讨论了横波声场 的形成 ．它是通过纵波折射后的波 形转换实现的。横波聚焦也同样通 过声透镜 ．经过楔块后到第三介质 时在界面上发生波形转换产生横波 的聚焦声场 ．见图4。 ／／。 图4横波接触聚焦 3．3双晶聚焦声场 双晶聚焦有两种形式．一种是 用单晶聚焦的组合，另一种是用单 晶非聚焦组合 ，我们采用的是后一 种。这种聚焦方式是用一发一收的 晶片组合 ．在检测区域内形成一个 高灵敏度的检测区域。 在 图5中，abcd所包围的区域 为检测的高灵敏度区。这个区域的 范围和F (焦距 )值可通过调整入射 角口来改变．以适应检测的需要 。 通过这样的组合可减小超声场的近 场长度 ．以适应厚度较小的工件检 探头芯 延迟块 图5双晶聚焦声场 测。 通过 以上超声场的分析 ，对研 制适用于铸件超声波探伤的探头是 非常重要的。关于探头的研究见探 头研究。 4铸件超声波探伤条件的研 究 4．1超声频率的选择 铸件对超声波的吸收衰减大， 当频率增加时．衰减更为严重，因 此应适当降低超声频率。但是当频 率过低时，检测灵敏度及探头的指 向性会变得很差，为此则要加大探 头晶片直径，这样探头不可能做得 很小。由于汽车零件的复杂性，有 的区域受检测范围的限制，需要探 头比较小．同时在低频的情况下， 超声波的始波占宽大、检测盲区 大。试验表明．频率在2，5 MHz是比 较适宜的。 4l2探头形式 汽车铸造件多数为壳类及支架 类零件。针对零件的形状特点 ，在 探头形式的选择上可采用以下原 则。 (1)厚度一般不大，最厚的也 不过是100 mm。多数壳类零件的厚 度一般在的10-40 mm左右，有的在 10 mm以下．对于厚度比较小的零 件，由于单晶探头的始波占宽大， 宜采用双晶探头 降低检测盲区。 20 l汽车T艺-5材料 AT&M 2007年第1 2期 鐾 莹 维普资讯 http://www.cqvip.com ．生 产 琐 场 (2)形状比较复杂 ，就其局 部形状可分为平面、曲面、截面突 变、角过渡等 ，对于这些不 同的形 状可分别采 用直探头 、双晶探头 、 斜探头等不同形式的探头。 4。3超声场形式 根据探头形式的要 求 ，我们所 使用的超声波的声场形式如下。 a．圆盘形声源纵波声场和横波声 场。 b．矩形声源的纵波声场和横波声 场。 c．聚焦声场。 由于铸件中超声波散射性 的衰 减性 ，聚焦声场对铸件来说是十分 必要的。 5铸造件超声波检测工艺 5．1 铸造件内部缺陷分类及波形分 析 铸造件的内部缺陷及波形表现 主要有以下几类。 (1)气孔类。气孔类 的缺陷有 单个气孔和密集性气孔。主要表现 为单个或多个独立反射波。 (2)夹渣 类 。夹渣 类 的缺 陷 有单个夹渣、条状夹渣和密集性夹 渣。主要表现为单个或多个连续反 射波， 其反射波的高度较气孔类反射 波低。 (3)孔类、缩孔类的缺陷具有 一 定面积，有时与其他缺陷拌生存 在，其反射回波具有气孔类、夹渣 类的双重特点。 (4)缩松 、微孔类。这类缺陷 常导致底面回波严重降低或消失。 (5)裂纹、冷隔面积类。这类 缺陷的检出率与检测方向有关．应 使用斜探头进行辅助检测。 这些缺 陷分布区域 不同的零件 有不同的特点，在检测中可根据零 件的形状选取不 同的探头 ，根据 回 波 的特点 并结 合铸 造 工艺知 识进 行分析 ，才能对缺陷进行定性与定 量 。 5．2铸造件形状分类 根据零件局部 的特点 ，我们把 零 件 的不 同 区域分 为 以下几 个类 型。 a。平面类。 b．曲面类。 C．角过渡类。 在曲率半径比较大的曲面可视 为是平面。 5．3不同形状检测所用的探头类型 (1)平面类检测 平面类检测主要 用的探头为直 探头(单晶或双晶聚焦)。根据零件的 厚度选取不同焦距。一般情况下， 焦距应为厚度的1，2为宜。晶片尺寸 则要根据 工作范围决定。在工作范 围区域允许 的情况下 ，尽量使用大 晶片的探头。当要检测表层缺陷及 检测缺陷为裂纹类缺陷时应使用斜 探头。 (2)曲面类检测 曲面检测主要用的探头 为直双 晶探头及斜探头。当曲率半径较小 时 ．要对探头面进行仿型处理 ，以 达到良好的耦合效果。焦距和晶片 的选 择与 平面 类检 测原 则大致 相 同 。 (3)角过渡类检测 这类检测主要用 的探头为斜探 头。 ， 6试样检测试验 6．1平面试样检测 (1)试件P1号平面检测波形见 图6。图6a增益为68 dB．是在无缺 陷位置的波形。图6b增益为68 dB． 可 以看到底波出现衰减 ，缺陷波范 围较大 ，说明缺 陷的范围大 ，而且 为缩松类大面积缺陷。图6c增益为 74 dB，为高增益条件，此时缺陷波 增高 ，而底波无变化 ，进一步说明 缺陷的范围较大。图7为加工后的缺 陷形态。 (a)无缺陷位置波形 (b) 缺陷波形 74 0dB ： I 2．0 ： I= ● W = ‘ 脉；中 l闸门 探测范围 25 Omm 材料声速 I8176 m／s 脉 中移位 n24 56 m rT 探头零点 3 864 ps (c)高增益时的缺陷波形 图6 P1号试样平面检测波形 图7 P1号试样的缺陷形态 探头 ：2．5MHz F10 8x8双晶 聚焦探头 (2)试样P2号平面试样检测波 形见图8。在检测条件相同的情况 下，与P1号试样相比，P2号试样的 缺陷波形要高于P1号试样，说明缺 2007年第1 2期 】 汽 车 T 艺 -b材 料 AT&M J 21 I 维普资讯 http://www.cqvip.com ．生 产 设 场。 68．0 dB ： 鼍 探测范围 2．0 ： 25 Omm J l 材料声速 + ‘ ● ● l8176 m／s 脉；中移位 m24 56mm 探头零点 - 3 864 US 24 56 h=· w= · 4g 56 1姐=] 醪螽圈 l脉；中 l闸门 存储 l数据 (a)无缺陷位置波形 (b)缺陷波形 74 0 dB ： l 2．O ： 探测范围 25 Om m 材料声速 l 8176 m／s 咏；中移位 m24 56mrr 探头零点 0— ： 蝌 1 3 864 ps I (c)高增益时的波形 图8 P2号平面试样检测波形 陷的严重程度大于P1号试样 ．图9为 加工后外露的缺陷形态。 图9 P2号试样的缺陷形态 探头 ：2．5MHz F10 8~8双晶 聚焦探头 6．2曲面与角过渡试样检测 (1)在此Q1号试 样上 ，制作 一 个①3 mm的斜平底孔人工缺陷 位置．见图10。图11为人工缺陷波 形，其增益为76 dB。使用探头2．5 MHz K1 F20聚焦斜探头。 图12为有缺陷位置的波形图。 图10 Q1号人工缺陷位置 76 0 dB ： l 探测范围 2 0 ： 200mm 材料声速 1．．．．- m4492 m／s ⋯ ： 脉冲移位 ： l12 72 mm 探头零点 L l／ ^ ， ～ 4467 US ‘ ! n：76 · 21 2．7 1·啊—● 2．7： 瞄禹■ l脉；中 闸门 l存 睹 敝据 图11 Q1号人工缺陷波形 74 0 dB ： 置 探测范围 2 O ● _ 200 m m ．1 材料声速 ．’． ●{ ·+ ．．． l4492 m，s ： 脉；中移位 E { ； l12 72mm 探头零点 地 4467 US w=69．75 2 2 7 i’啊—● 酱 脉；中 l闸门 {存f 者敝据 图12 Q1号试样缺陷波形 其检测时的增益为82 dB，出现缺陷 波之后 ，降低增益 ，为74 dB，在 检测时，移动探头．缺陷波的范围 大．说明缺陷的范围大，图13为加 工后缺陷外露的形态。 图13 Q1号试样的缺陷形态 (2)Q2号试样检测位置与缺陷 形态见图14。图15为缺陷波形。 探头 ：2．5MHz K1 F20聚焦斜 探头。 检测时的增益为88 dB，发现缺 陷时的增益为82 dB．此时使用的是 图 1 4 Q2号试样检测位置与缺陷形态 82．0 dB 置 探测范围 2 O 200 m m 材料声速 ⋯ _4492 m／s 脉冲移位 弦 l l12．72mm 探头零点 4．467 iJs 2 72 h=86 vv=111．2 212．7I蜘—● 圜 l脉 r击 匍f— l存储 l数据 图1 5 Q2号试样的缺陷波形 三次反射波检测．因此使用的增益 要高于一次反射。图16为三次反射 的示意图。 图16三次反射示意图 (3)Q3号试样检测位置与缺 陷形态见图17所示，图18为缺陷波 图17 Q3号试样检测位置与缺陷形态 82 0 dB l 探测范围 2 0 200 m m 材料声速 ● ● ● "4492 m／s 脉冲移位 l12．72 mm 探头零点 4 舾 4．467 ps 7 77 h=R3 ” ：q4 n7 71，7 l·疆●- 豳 l脉 中 l闸f— l存储 敞据 图18 Q3号试样缺陷波形 { 22}汽 车 工 艺 与 材 料 AT&／'4 2007年第1 2期 维普资讯 http://www.cqvip.com 生 产 碗 场 ± 产 蝴 砀。 形 。 探头：2．5MHz K1 F20聚焦斜 探头。检测条件同Q2号试样。 7缺陷 7．1对比试块法的缺陷评价 在检测过程 中，当发现缺陷 时 ，可与对比试块中的缺陷进行对 比，一般的情况下可将波高定 为满幅的80％，然后按试检中出现 的缺陷波高与之进行 比较 ，判断缺 陷的当量。 直探头检测可用平底 孔当量：斜探头检测可用横通孔当 量。平底孔选择 3 mm当量 横通 孔选择 2 mm当量。 7 2 AVG曲线法 (1)平面与曲面直探头检测的 平底孔当量的缺陷AVG评价曲线 根据我们的试验结果，铸造件 中的缺陷可在 3 mm平底孔时进行 缺陷的定量评价 ，可以根据检测的 需要制作AVG曲线。 下面是我们用2．5 MHz 10×10 F10探头制作的一条 3 mm平底孔 当量的实用AVG曲线，厚度范围为 10-30 mm可用于对超标缺陷的评 价。制作方法是用CS系列 3 mm平 底孔试块将对应的不同厚度的平底 孔反射波高度连成此线。图19中的 1号线为缺陷定量线。对每个反射波 降低4 dB，得到2号线，为缺陷测长 线。 直探头平底孔当量实用AVG曲 线的应用原则如下。 a．当缺陷波高等于或超过1号线 时，说明缺陷等于或大于 3 mm平 底孔当量。根据需要选择判废。 b．当缺陷波高等于或超过2号线 高时 (但低于1号线)，移动探头进 行扫查，探头扫查范围在50 mm× 50 mm均出现波高在2号线高度的缺 陷波 ，根据需要也可对样品进行判 废处理。 c．当无缺陷波，底波衰减到40％ 时，说明试样内存在大面积缩松类 (包括微孔类 )缺 陷，也可对样品 判废 。 需要说明的是，在实际检测过 程中，要根据检测条件来制作不同 的AVG曲线。 (2)平面曲面及角过渡斜探头 检测横通孔当量的缺陷AVG评价曲 线 斜探头的AVG曲线是用CSK．⋯ 试块作出。 探头为2．5 MHz K1 F20，用CSK． III上深度为20／40／60三个 2 mm横通 孔作出三个缺陷反射波，根据这三 个点绘制 出斜探头的缺陷定量AVG 曲线。然后将增益降4 dB，得到斜 探头的测长线，见图20。 斜探头横通孔实用AVG曲线的 应用原则如下。 a 缺陷波高等于或超过1号线 时，说明缺陷等于或大于 2 mm横 通孔当量。根据需要选择判废。 54 Q B ： 探测范围 1 0 >＼： 50 Omm ／ ：＼ 、～ ： 、-～ 材料声速 ● x5551 m／s + ● ● ● ● ● 脉冲移位 0 ／ ● ～～—～—～ x-8．41 mm T 探头零点 0 646 pS 一 8 41 h= ^ w= · 41 59 }·娟—● 匿四 }脉冲 闸门 l存储 数据 b．当缺陷波高等于或超过2号线 高时 (但低于1号线)，移动探头进 行扫查 ，探头扫查范围在50 mmx50 mm均出现波高在2号线高度的缺陷 波，根据需要也可对样品进行判废处 理 。 8结论 (1)通过对超声场的分析及铸 造件的声学特性的研究，制定出超 声波聚焦探伤的技术及探头制 作参数，制作出适用于铸造件的超 声波聚焦探头。试验结果表 明，这 些超声波聚焦探伤非常适用，对铸 造件的内部缺陷检测有效、准确。 (2)聚焦探头对铸造件的内部 缺陷检测十分有效，不同的探头有 它特有的适用性。 a．双晶聚焦直探头适用于10-30 mm厚度的平面或曲面样品检测，在 厚度不同时可选择不同的焦距 ，晶 片的尺寸可根据检测工作面的需要 进行选择。当曲面半径较小时，可 对探头进行仿型处理。 b，单晶聚焦直探头一般适用于 厚度在30 mm以上的平面试样的检 测，焦距选择可根据不同厚度来确 定。 c 单晶聚焦斜探头一般适用于有 角过渡平面 对于直探头扫查不可 到达的区域，对于壳类零件无法进 行双面扫查 ，此时斜探头可 以检测 距表面较近的缺陷，因此斜探头还 图19直探头 3 mm平底孔当量的实用AvG曲线 1~120斜探头 2 mm横通孔当量的实用AVG曲线 2007年第1 2期 汽 车 T 艺 与 材 料 AT&NI I 23 维普资讯 http://www.cqvip.com 生 产 礁 =t 悭 砀 高级便携式检测仪 Fa ro技术有限公司和Delcam PIc公司通过技术合作 ．把Fa ro公 司 的便携式坐标 测量仪 (CMM) 和DeIcam公司的CAD检测软件组 合在一起．使得操作者在任何地方 都 可 以很方 便地进 行 刀具和 零件 的测量。CMM的测量精度为0．005 mm，能够被安装在加工中心的台 面上 ．随时获取正在加工的零件的 工艺信 息 (由于不需要搬运工件到 其他工位上进行测量，也不需要重 新组装工件，因此使用这种检测仪 不但可以节省大量时间，而且可以 避免因重新组装工件而带来的精度 损失)。为了方便实际测量，使用 了Powe rlNSPECT软件 ．把零件 的CAD模型输入到带有检测序列的 脱机编程程序的系统中，操作者利 用软件获知测量点的位置和操作指 令。测量结果被标注在CAD模型 上 ．便于我们判断被加工零件或刀 具是否达到预期 目标的加工状态。 除了触点式探头测量仪，Faro 公司正在扩大它的研究成果，即用一 种非接触式扫描测量大型零件、总 成 ．甚至可以测量整个空间 ，如工 厂。激光扫描仪Faro Laser Scanner LS设备每分钟能够扫描120 000点． 精度为3 mm。采用一款新型软件包 Faro Scene 3．0可以获得一张黑白 图像，它不是二维图像，而是三维 图像。当数据积累到一定程度时． 可以进行点之间距离的测量。在测 量这些点的同时，还可以在图像中 移动这些点。另外．图像能够被转 成CAD系统，以便进行其他工艺操 作。 CMM三坐标测量仪易于安装 ， 在设备的连接处有温度补偿仪，从 而减小 了环境的影响。与DeIcam 检测软件配合使用，工厂的操作人 员可以对零件进行现场测量 ．并与 cAD模型进行比较。圃 - - - _ _ - - - - - - - - - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 是平面检测的一个补充手段。 (3)根据检测的需要 ．制作标 准试块和对比试块 ，这些试块适应 于不同样 品的检测需要 。本次 试验 分别制作了CSK．1试块 、CSK．III试 块、CS系列平底孔试块及实用样品 对比试块，这些试块的材料选择球 墨铸铁，可应用于绝大部分的铸造 件 (铸铁件)的超声波检测需要。圃 作者简介 张连玉，第一汽车集团公司技术中心材料部 金属物理室主任 ，高级工程师，1987年毕业于成 都科技大学应用物理 系。从事无损检测工作多 年，是国家无损检测III级人 员。完成新型磁化电 磁 的研制、预多频技术在汽车零件检测上 的应 用、小型刀具应 力消除装置的研制、X射线实时 成像技术在汽车零件检测上的应用、汽车零件应 力检测技术的研究等多项科研项 目。参与完成 《汽车材料手册》、 《世界汽车技术发展跟踪研 究》、 《无损检测培训教材》等著作。 24 l汽 车 -I-艺 与 材 料 AT&M 2007年第1 2期 维普资讯 http://www.cqvip.com