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大型鑄鍛件在機床制造、汽車制造業(yè)、船舶、電站、兵器工業(yè)、鋼鐵制造等領(lǐng)域具有重要的作用，作為十分重要的零部件，其具有大的體積與重量，其工藝與加工比較復雜。

通常采用的工藝熔煉后鑄錠，進行鍛造或重新熔化澆注成型，通過高頻加熱機獲得要求的形狀尺寸與技術(shù)要求，來滿足其服役條件的需要。

由于其加工工藝特點，它們在生產(chǎn)加工過程中常會產(chǎn)生一些缺陷，影響設(shè)備的安全使用，一些標準規(guī)定對某些鍛件和鑄件必須進行超聲波探傷。

由于鑄件晶粒粗大、透聲性差，信噪比低，探傷困難大，因此本文重點介紹鍛件探傷問題，對鑄件探傷只做簡單介紹。

一、鍛件超聲波探傷

1、鍛件加工及常見缺陷

鍛件是由熱態(tài)鋼錠經(jīng)鍛壓變形而成。鍛壓過程包括加熱、形變和冷卻。鍛件缺陷可分為鑄造缺陷、鍛造缺陷和熱處理缺陷。鑄造缺陷主要有：縮孔殘余、疏松、夾雜、裂紋等。鍛造缺陷主要有：折疊、白點、裂紋等。熱處理缺陷主要是裂紋。

縮孔殘余是鑄錠中的縮孔在鍛造時切頭量不足殘留下來的，多見于鍛件的端部。

疏松是鋼錠在凝固收縮時形成的不致密和孔穴，鍛造時因鍛造比不足而未全溶合，主要存在于鋼錠中心及頭部。

夾雜有內(nèi)在夾雜、外來非金屬夾雜和金屬夾雜。內(nèi)在夾雜主要集中于鋼錠中心及頭部。

裂紋有鑄造裂紋、鍛造裂紋和熱處理裂紋等。

奧氏體鋼軸心晶間裂紋就是鑄造引起的裂紋。

鍛造和熱處理不當，會在鍛件表面或心部形成裂紋。

白點是鍛件含氫量較高，鍛后冷卻過快，鋼中溶解的氫來不及逸出，造成應(yīng)力過大引起的開裂。白點主要集中于鍛件大截面中心。白點在鋼中總是成群出現(xiàn)。

2、超聲波探傷方法概述

按探傷時間分類，鍛件探傷可分為原材料探傷和制造過程中的探傷，產(chǎn)品檢驗及在役檢驗。

原材料超聲波探傷和制造過程中超聲波探傷的目的是及早發(fā)現(xiàn)缺陷，以便及時采取措施避免缺陷發(fā)展擴大造成報廢。產(chǎn)品檢驗的目的是保證產(chǎn)品質(zhì)量。在役檢驗的目的是監(jiān)督運行后可能產(chǎn)生或發(fā)展的缺陷，主要是疲勞裂紋。

a.軸類鍛件的超聲波探傷

軸類鍛件的鍛造工藝主要是以拔長為主，因而大部分缺陷的取向與軸線平行，此類缺陷的探測以縱波直探頭從徑向探測效果最佳?？紤]到缺陷會有其它的分布及取向，因此軸類鍛件探傷，還應(yīng)輔以直探頭軸向探測和斜探頭周向探測及軸向探測。

1)直探頭徑向和軸向探測：

直探作徑向探測時將探頭置于軸的外緣，沿外緣作全面掃查，以發(fā)現(xiàn)軸類鍛件中常見的縱向缺陷。

直探頭作軸向探測時，探頭置于軸的端頭，并在軸端作全面掃查，以檢出與軸線相垂直的橫向缺陷。

但當軸的長度太長或軸有多個直徑不等的軸段時，會有聲束掃查不到的死區(qū)，因而此方法有一定的局限性。

2)斜探頭周向及軸向探測：

鍛件中若在片狀軸向及徑同缺陷或軸上有幾個不同直徑的軸段，用直探頭徑向或軸向探測都難以檢出的，則必須使用斜探頭在軸的外圓作周向及軸向探測。

考慮到缺陷的取向，探測時探頭應(yīng)作正、反兩個方向的全面掃查，如圖6.2所示。

b.餅類、碗類鍛件的超聲波探傷

餅類和碗類鍛件的鍛造工藝主要以鐓粗為主，缺陷的分布主要平行于端面，所以用直探頭在端面探測是檢出缺陷的最佳方法。

對于上些重要的餅類、碗類鍛件，要從兩個端面進行探傷，此外有時還要從側(cè)面進行徑向探傷，如下圖所示。

從兩端面探測時，探頭置于鍛件端面進行全面探測，以探出與端面平行的缺陷。從鍛件側(cè)面進行徑向探測時，探頭在鍛件側(cè)面掃查，以發(fā)現(xiàn)某些軸向缺陷。

c.筒類鍛件的超聲波探傷

筒類鍛件的鍛造工藝是先鐓粗，后沖孔，再滾壓。

因此，缺陷的取向比軸類鍛件和餅類鍛件中的缺陷的取向復雜。

但由于鑄錠中質(zhì)量最差的中心部分已被沖孔時去除，因而筒類鍛件的質(zhì)量一般較好。其缺陷的主要取向仍與筒體外圓表面平行，所以筒類鍛件的探傷仍以直探頭外圓面探測為主，但對于壁較厚的筒類鍛件，須加用斜探頭探測。

1)直探頭探測：

如圖6.4所示，用直探頭從筒體外圓面或端面進行探測。外圓探測的目的是發(fā)現(xiàn)與軸線平行的周向缺陷。端面探測的目的是發(fā)現(xiàn)與軸線垂直的橫向缺陷。

2)雙晶探頭探測：

如圖6.4所示，為了探測筒體近表面缺陷，需要采用雙品探頭從外圓面或端面探測。

3)斜探頭探測：

對于某些重要的筒形鍛件還要用斜探頭從外圓進行軸向和周向探測，如圖6.5所示。軸向探測為了發(fā)現(xiàn)與軸線垂直的徑向缺陷。周向探測是為了發(fā)現(xiàn)與軸線平行的徑向缺陷。

3、超聲波探測條件的選擇

1)超聲波探頭的選擇

鍛件超聲波探傷時，主要使用縱波直探頭，晶片尺寸為Φ14～Φ28mm，常用Φ20mm。

對于較小的鍛件，考慮近場區(qū)和耦合損耗原因，一般采用小晶片探頭。

有時為了探測與探測面成一定傾角的缺陷，也可采用一定K值的斜探頭進行探測。對于近距離缺陷，由于直探頭的盲區(qū)和近場區(qū)的影響，常采用雙晶直探頭探測。

鍛件的晶粒一般比較細小，因此可選用較高的探傷頻率，常用2.5～5.0MHz。對于少數(shù)材質(zhì)晶粒粗大衰減嚴重的鍛件，為了避免出現(xiàn)“林狀回波”，提高信噪比，應(yīng)選用較低的頻率，一般為1.0～2.5MHz。

2)耦合劑的選擇

在鍛件探傷時，為了實現(xiàn)較好的聲耦合，一般要求探測面的表面粗糙糙R，不高于6.3um，表面平整均勻，無劃傷、油垢、污物、氧化皮、油漆等。

當在試塊上調(diào)節(jié)探傷靈敏度時，要注意補償塊與工件之間因曲率半徑和表面粗糙度不同引起的耦合損失。

鍛件探傷時，常用機油、漿糊、甘油等作耦合劑。

當鍛件表面較粗糙時也可選用水玻璃作耦合劑。

3)掃查方法的選擇

鍛件探傷時，原則上應(yīng)在探測面上從兩個相互垂直的方向進行全面掃查。掃查覆蓋面應(yīng)為探頭直徑的15%，探頭移動速度不大于150mm/s。擋查過程中要注意觀察缺陷波的情況和底波的變化情況。

4)材質(zhì)衰減系統(tǒng)的測定

當鍛件尺寸較大時，材質(zhì)的衰減對缺陷定量百一定的影響。特別是材質(zhì)衰減嚴重時，影響更明顯。因此，在鍛件探傷中有時要測定材質(zhì)的衰減系數(shù)a。衰減系數(shù)可利用下式來計算：

式中：[B]1-[B]2-無缺陷處第一、二次底波高的分貝差：X-底波聲程(單程)。

值得注意的是：測定衰減系數(shù)時，探頭所對鍛件底面應(yīng)光潔干凈，底面形狀為大平底或圓柱面，χ≥3N，測試處無缺陷。一般選取三處進行測試，最后取平均值。

5)超聲波試塊選擇

鍛件探傷中，要根據(jù)探頭和探測面的情況選擇試塊。

采用縱波直探頭探傷時，常選用CS-1和CS-2試塊來調(diào)節(jié)探傷靈敏和對缺陷定量。

采用縱波雙晶直探頭傷時常選用圖6.6所示的試塊來調(diào)節(jié)探傷靈敏度和對缺陷定量。

該試塊的人工缺陷為平底孔，孔徑有有Φ2、Φ3、Φ4、Φ6等四種，距離L分別為5、10、15、20、25、30、35、40、45mm

當探測面為曲面時，應(yīng)采用曲面對比試塊來測定由于曲率不同引起的耦合損失。

6)探傷時機

鍛件超聲波探傷應(yīng)在熱處理后進行，因為熱處理可以細化晶粒，減少衰減。

此外，還可以發(fā)現(xiàn)熱處理過程中產(chǎn)生的缺陷。

對于帶孔、槽和臺階的鍛件，超聲波探傷應(yīng)在孔、槽、臺階加工前進行。

因為孔、槽、臺階對探傷不利，容易產(chǎn)生各種非缺陷回波。

當熱處理后材質(zhì)衰減仍較大且對于探測結(jié)果有較大影響時，應(yīng)重新進行熱處理。

二、鑄件超聲波探傷

由于鑄件晶粒粗大、透聲性差，信噪比低，所以探傷困難大，它是利用具有高頻聲能的聲束在鑄件內(nèi)部的傳播中，碰到內(nèi)部表面或缺陷時產(chǎn)生反射而發(fā)現(xiàn)缺陷。

反射聲能的大小是內(nèi)表面或缺陷的指向性和性質(zhì)以及這種反射體的聲阻抗的函數(shù)，因此可以應(yīng)用各種缺陷或內(nèi)表面反射的聲能來檢測缺陷的存在位置、壁厚或者表面下缺陷的深度。

超聲檢測作為一種應(yīng)用比較廣泛的無損檢測手段,其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：

檢測靈敏度高，可以探測細小的裂紋;具有大的穿透能力，可以探測厚截面鑄件。

其主要局限性在于：

對于輪廓尺寸復雜和指向性不好的斷開性缺陷的反射波形解釋困難;對于不合意的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如晶粒大小、組織結(jié)構(gòu)、多孔性、夾雜含量或細小的分散析出物等，同樣妨礙波形解釋;另外，檢測時需要參考標準試塊。