銅及銅基合金的超聲波探傷方法探討

成 奇

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

銅和銅基合金的鍛件及軋制件作為槽楔、端環(huán)、導電排、軸向引線等零部件的基本材料被廣泛應用于我公司的電動機及汽輪發(fā)電機生產(chǎn)制造中。例如，電動機轉子的端環(huán)采用T2銅(紫銅)，汽輪發(fā)電機的槽楔采用鋁青銅(QAl 9-5-1-1)、鈹鈷鋯銅、鎳硅青銅(841銅)等。銅和銅基合金質量的好壞，直接影響到電動機及汽輪發(fā)電機的質量。對這些材料的質量控制，超聲波探傷無疑是一種最有效的方法之一。

我廠在1991年曾對鋁青銅槽楔超聲波探傷的方法進行過研究并且制定了相應的工藝檢測規(guī)范(0A931.092)，上述其他材料相應的超聲波探傷檢測規(guī)范國內目前還沒有。我們在無損檢測工作中發(fā)現(xiàn)，不同材質的衰減系數(shù)相差相當大，甚至影響了對產(chǎn)品的超聲波檢測，從而無法用探傷的途徑來保證他的質量，特別是T2銅。T2銅被廣泛用于轉子的端環(huán)制造中，如三菱電機、TMEIC電機、軋鋼電機等產(chǎn)品。電動機轉子的導電排與端環(huán)是通過釬焊連接成一體的，釬焊的質量至關重要，端環(huán)釬焊部位需要通過超聲波檢測評判。由于端環(huán)材質的衰減對探傷的影響特別大，常造成無法對銅排與端環(huán)釬焊的超聲波探傷。并且按照GB/T 3310—2010《銅及銅合金棒材超聲波探傷方法》的要求，也不符合其標準。針對這些狀況并結合我廠產(chǎn)品制造的實際情況，我們對銅及銅基合金探傷方法進行了進一步的探討及研究，在此過程中積累了大量的工作經(jīng)驗，并形成相應的探傷方法，從而加強對以上材料質量的控制，保證了電機產(chǎn)品的質量。本文通過化學成分、鍛造工藝和機械性能進行比較，對不同材質相同厚度的銅和銅基合金進行了衰減測定，對超聲波探傷的方法進行了研究與探討，為超聲波探頭的選擇以及檢測結果的判定提供了依據(jù)。

1 鈹鈷鋯銅、鎳硅青銅與鋁青銅的比較

1.1 鈹鈷鋯銅、鎳硅青銅與鋁青銅的產(chǎn)品特性基本一致，其加工工藝及成型狀況都比較類同。通過對這些材料的化學成分、鍛造工藝和機械性能進行比較(分別見表1～表3)，以及對鈹鈷鋯銅及鎳硅青銅的缺陷解剖試驗，我們發(fā)現(xiàn)其缺陷性質與鋁青銅槽楔超聲波探傷方法研究中所得出的結論基本相吻合。我們認為采用鋁青銅槽楔的超聲波探傷方法對鈹鈷鋯銅、鎳硅青銅進行超聲波檢測是可行的。

1.2 對質量標準的一些探討

我們在檢測中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下用2.5 MHz、Φ20 mm的直探頭、Φ2 mm+6dB的靈敏度檢測工件時，第一次底波均高于屏高的100%，但有時也會出現(xiàn)第二次底波消失的狀況。也就是說存在材質衰減的狀況(這情況在我們檢測鎳硅青銅時特別明顯)。在我廠已有的鋁青銅槽楔超聲波探傷方法的研究中，并沒有對這種情況進行進一步的說明，為此，需要我們進一步的探討和研究。

表1 化學成份

表2 鍛造工藝

表3 機械性能

2 T2銅與銅基合金的比較

我們在實際工作中發(fā)現(xiàn)銅基合金的底波高達100%，而T2銅與其相差20～30 dB；銅基合金的底波反射次數(shù)可以達到5次以上，而T2銅最多只出現(xiàn)三次底波，軋制成形的T2銅端環(huán)底波有時一次也沒有。也就是說聲能在T2銅這種材料的探傷過程中存在很強的衰減。

3 衰減系數(shù)的測定

3.1 探頭的選取

銅及銅基合金的縱波聲速一般在3 800～5 000 m/s范圍內，我們常用的超聲波探頭為2.5 MHz、Φ20 mm的直探頭，根據(jù)近場公式：

N=D2/4λ，λ=C/f

式中，N為近場距離(mm)；D為探頭直徑(mm)；λ為超聲波的波長(m)；C為超聲波的波速(m/s)；f為探頭的頻率(Hz)。

我們可計算出超聲波在銅材料中的近場距離為50～65 mm，根據(jù)反射波束D>3 N的規(guī)定，應選定探測厚度大于200 mm的銅制材料。而在我廠的實際生產(chǎn)中，所選材料的厚度一般為36～50 mm，這顯然很難達到我們的試驗要求。為了更加真實地體現(xiàn)材質的衰減系數(shù)，我們選用1 MHz、Φ12 mm的超聲波探頭作試驗。

3.2 材質的衰減系數(shù)我們可用下列公式進行測定：

式中，α為材質衰減系數(shù)(dB/mm);B1/B2為第一次底波與第二次底波的百分比;D為被測材料的距離(mm)。

3.3 測試與比較

我們測試了厚度均為50 mm的T2銅、鋁青銅、鈹鈷鋯銅及鎳硅青銅，得出的結果見表4。

從測得的數(shù)據(jù)說明：T2銅的衰減系數(shù)遠遠大于銅基合金的衰減系數(shù)。

3.4 原因分析

我們知道，超聲波的聲能在固有介質中引起衰減的主要原因是波束的擴散、晶粒散射和介質吸收。

散射衰減主要與金屬材料的晶粒度有關。在軋制、鍛造的過程中，由于形變的不均勻性導致材料晶粒的粗細不均勻。但是，當材料受到很大的變形應力的作用時，最終會得到晶粒均勻分布并且晶粒尺寸比入射波的波長小的材料。

表4 材料衰減系數(shù)

吸收衰減與材料的黏滯性有關。由于T2銅是單相г固溶體，其晶界的黏滯系數(shù)很大，產(chǎn)生晶界的內耗，從而造成超聲波在傳播過程中聲能消耗很大。銅基合金是多相固溶體，其黏滯系數(shù)遠遠小于T2銅的黏滯系數(shù)。

從以上分析看，T2銅存在很大的黏滯性，導致聲能被嚴重吸收，這是造成T2銅的衰減系數(shù)遠大于銅基合金的衰減系數(shù)的主要原因。

4 T2銅的超聲波探傷

我們廠的端環(huán)材料是采用T2銅，有的產(chǎn)品是鍛造而成，有的是利用軋制材料加熱彎曲成形，然后通過熔接焊成的。過去對端環(huán)不要求進行超聲波探傷。為了保證端環(huán)與銅排的釬焊質量，而且端環(huán)的材料質量還直接影響到超聲波探傷效果，這樣對端環(huán)材料也要求應滿足一定的超聲波探傷要求。

端環(huán)在轉子中的結構和特性決定它對機械性能等方面的要求并不高，但要有高的導電率。根據(jù)我們對多臺轉子銅排與釬焊的超聲波探傷(用5 MHz、Φ12 mm的直探頭)中可以看出：對端環(huán)進行超聲波探傷時發(fā)現(xiàn)，第二次底波達到40%以上的端環(huán)通過釬焊后完全能夠滿足銅排與端環(huán)釬焊的超聲波探傷要求。

鑒于上述問題的探討，我們對工廠標準進行了重新修訂，編制了0A931.092—2015《銅及銅合金的超聲波探傷檢測規(guī)程》。

5 GB/T 3310—2010《銅及銅合金棒材超聲波探傷方法》與0A931.092—2015《銅及銅合金的超聲波探傷檢測規(guī)程》的比較

5.1 GB/T 3310—2010國家標準中，檢測靈敏度是將單晶直探頭在棒料短橫孔的試塊上以人工缺陷的反射波高為滿屏的80%在矩形、方形、正六邊形上進行檢測。

0A931.092—2015是將Φ2 mm平底孔試塊的回波調到基準波高(80%)，再增益6 dB進行探傷。若試塊與被檢工件的材質衰減相差4 dB以上則應考慮材質補償。

0A931.092—2015工廠標準采用的檢測靈敏度與GB/T 3310—2010國家標準相比更符合材料的實際狀態(tài)。

5.2 GB/T 3310—2010國家標準中，當發(fā)現(xiàn)一個缺陷反射波高度高于滿屏的50%時應判以不合格；用6 dB測長測定缺陷指示，若缺陷指示長度大于探頭晶片尺寸則為不合格；對底波消失或底波前移，若確認是內部缺陷所致，缺陷指示長度大于探頭晶片尺寸則為不合格，否則就應判以合格。

0A931.092—2015工廠標準中有下列情況的應判以不合格：當量等于或大于Φ1.6 mm的缺陷；缺陷波波高高于第一次底波波高的一半(即第一次底波衰減6dB后波高低于未衰減前的缺陷波波高)；第二次底波低于探傷儀屏幕高度的100%；不考慮缺陷當量的情況下，不允許存在大于30 mm的條狀缺陷。

通過以上的比較，我們認為工廠標準在制定過程中明顯高于國家標準。也更符合我們電機所需要的產(chǎn)品質量要求。

6 結語

通過對不同材質銅和銅基合金的衰減系數(shù)的測定，實樣的檢測，缺陷的解剖分析，確定了這幾種銅及銅基合金的探傷方法；驗證了紫銅(T2)的衰減量不利于超聲波探傷，需要進一步通過鍛造工藝及熱處理改善材質，滿足超聲波探傷的要求。