鋁合金鑄件中蜂窩狀缺陷的超聲波檢測

鄒國童 俞德新 程騰飛 楊弋濤 潘曉華 張恒華

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.艾福表面處理技術(shù)(上海)有限公司，上海 200030)

由于易氧化、熱導(dǎo)率大以及易吸氣等特性，鋁合金鑄件易產(chǎn)生氣孔、縮松等缺陷。鑄件的無損探傷常采用超聲波檢測、X射線透射檢測和射線層析攝影等方法[1- 2]，因使用簡便、效率高和成本低等優(yōu)點，超聲波檢測一直受到行業(yè)的關(guān)注。但是，由于鋁合金鑄件晶粒粗大、組織不均勻、透聲性差等，超聲波探傷易引起聲波散射，且鑄件復(fù)雜的形狀和粗糙的表面也使得超聲波檢測難以進(jìn)行。目前，國家標(biāo)準(zhǔn)尚無關(guān)于鋁合金鑄件超聲探傷方法及品質(zhì)評定標(biāo)準(zhǔn)[3]，所以鋁合金鑄件采用超聲檢測受到了一定的限制。

若鑄造工藝或材料選擇不當(dāng)，鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)易在冒口附近形成由氣孔、縮松組成的蜂窩狀缺陷，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)向節(jié)的性能[4- 5]。目前，行業(yè)內(nèi)鑄造鋁合金中蜂窩狀缺陷的超聲檢測技術(shù)并不成熟，這類缺陷的定性和定位更很少涉及。本文通過對汽車用鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行超聲波檢測，研究了鋁合金鑄件中由縮松、氣孔組成的蜂窩狀缺陷的波形特征和定位方法，旨在為以后的進(jìn)一步研究和實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗材料為試制的汽車鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，采用差壓工藝鑄造，材料為Al- Si- Mg系合金，主要成分見表1。轉(zhuǎn)向節(jié)的X射線探傷結(jié)果見圖1，可見冒口下端有密集細(xì)小的孔隙，解剖檢驗表明是一種由縮松、氣孔組成的蜂窩狀缺陷，見圖2。采用線切割取樣探傷，預(yù)先對試樣檢測面進(jìn)行打磨，以確保表面粗糙度一致，排除干擾。

表1 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the steering knuckle of aluminum alloy (mass fraction) %

圖1 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)X射線檢測結(jié)果Fig.1 X- ray inspection of the aluminum alloy steering knuckle

圖2 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)中的蜂窩狀缺陷Fig.2 Honeycomb defects in the aluminum alloy steering knuckle

采用的超聲波探傷設(shè)備為MOUT- 460數(shù)字超聲波探傷儀，探頭為頻率2.5 MHz、晶片尺寸為φ14 mm的縱波直探頭，探傷結(jié)果輸出為數(shù)字波形圖。超聲波檢測參照鋼鑄件超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)[6]進(jìn)行，操作流程按接觸式直射探傷標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行[7]。試樣解剖為：線切割定位區(qū)域后，對試樣輕微打磨，消除線切割痕跡以便觀察缺陷。采用VHX- 600K數(shù)碼顯微鏡觀察缺陷，用直尺測量確定缺陷的位置。

1.2 探傷儀零點校核及靈敏度選擇

1.2.1 直探頭零點校核

零點測試：在使用中，由于接觸不良或其他原因，可能會造成探頭零點漂移，故每次探傷前最好進(jìn)行零點測試。

采用CSK- ⅠA試塊進(jìn)行零點測試：將直探頭置于標(biāo)準(zhǔn)試塊上，將探傷聲速調(diào)節(jié)為9 800 m/s，設(shè)置一次聲程為100 mm；設(shè)置完成后移動探頭，找到最高回波，按住探傷調(diào)節(jié)中的零點測試按鈕，穩(wěn)住探頭不動，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)“測試成功”的顯示時，即完成直探頭的零點調(diào)節(jié)。

1.2.2 靈敏度調(diào)整

靈敏度調(diào)節(jié)的方法有試塊比較法和計算法[8]。試塊比較法適用于厚度<3N(N為探頭近場區(qū)長度)的工件，計算法適用于厚度≥3N的工件。因為在近場長度范圍內(nèi)，整個聲束軸線上聲壓有極大值和極小值的波動，即聲壓分布不均勻[8]，需要利用對比試塊來調(diào)節(jié)靈敏度，只有在遠(yuǎn)場時，才能利用聲壓發(fā)射規(guī)律評估各種反射體的回波聲壓變化，即采用底波反射計算法確定探傷靈敏度。計算探頭近場區(qū)長度N的公式[9]為：

N=d2/4λ

(1)

式中：d為探頭直徑(晶片尺寸)，λ為聲波頻率。2.5P14型探頭的頻率為2.5 MHz，探頭直徑d為14 mm。設(shè)定探傷聲速(鋁中縱波聲速)c為6 300 m/s，則聲波波長λ=c/f=6 300/2 500=2.52 mm，探頭近場區(qū)長度N=d2/4λ=142/(4×2.52)=19.5 mm，3N=58.5 mm，本文所有工件厚度均小于58.5 mm，故采用試塊比較法進(jìn)行靈敏度調(diào)整。調(diào)整探傷靈敏度時，選用與被測試樣成分和熱處理工藝相同的鋁合金作對比試塊，其厚度為40 mm，加工的平底孔尺寸為φ1.2 mm，位于檢測面以下30和10 mm處。

將直探頭耦合在對比試塊檢測面上，找出檢測面以下30 mm處的平底孔的最大回波，調(diào)節(jié)增益，調(diào)整回波幅度至滿刻度的80%；然后找出檢測面以下10 mm處的平底孔的最大回波，調(diào)節(jié)增益至該回波高度不低于滿刻度的80%，以此為探傷靈敏度[10- 11]。在實際探傷過程中，可視具體情況調(diào)節(jié)增益按鈕。

1.精英賽分為婚紗與藝術(shù)、商業(yè)兒童和生活紀(jì)實三類，婚紗與藝術(shù)類包括婚紗攝影、藝術(shù)人像、人體攝影、時尚攝影等類別；商業(yè)兒童類為商業(yè)類的兒童人像；生活紀(jì)實類主要為在生活現(xiàn)場拍攝的各類人像攝影作品，此類拒絕電腦創(chuàng)意加工的作品。

1.3 耦合劑

為排除探頭與檢測面之間的空氣，使聲波有效地穿入工件，超聲波檢測時通常要使用耦合劑。可用機(jī)油、甘油、潤滑脂、化學(xué)漿糊或水等作耦合劑。本文采用效果較好的機(jī)油耦合。

1.4 掃查方法

將探頭置于耦合面上，每隔一定行距進(jìn)行鋸齒形掃查，確保對探頭施加均勻的壓力。發(fā)現(xiàn)缺陷波后，停止鋸齒形掃查，在缺陷周圍小范圍掃查，待波形穩(wěn)定后按下定量鍵，完成探傷。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 蜂窩狀缺陷的超聲定性分析

2.1.1 無缺陷處波形

在試樣的無缺陷處探測，得到的一次回波波形和多次回波波形如圖3所示。一次回波的波形圖中只有始波和底波，始波與底波高度無差別，且二者之間未發(fā)現(xiàn)有缺陷波，中間部分有少量細(xì)微起伏，這是鋁合金組織粗大造成的噪聲，不影響探測。多次脈沖反射回波波形出現(xiàn)按指數(shù)遞減的多次回波，回波之間無明顯缺陷波。圖3無缺陷處的波形圖可供之后的探測參考。

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)無缺陷處的一次(a)和多次(b)回波波形Fig.3 Waveforms of (a) primary and (b) multiple echos in defect- free place of the steering knuckle

2.1.2 蜂窩狀缺陷處波形

對轉(zhuǎn)向節(jié)試樣進(jìn)行掃查，移動探頭到缺陷處后，發(fā)現(xiàn)始波和底波之間出現(xiàn)缺陷波。穩(wěn)定探頭，調(diào)節(jié)增益，按下定量按鈕，記錄波形。對具有代表性的1、2、3號試樣進(jìn)行波形分析，記錄的一次回波波形見圖4。在同一位置將聲程增大至150 mm，得到對應(yīng)的多次回波波形見圖5。

對于一次回波，如圖4所示，在缺陷處，始波與底波之間出現(xiàn)多個缺陷波，缺陷波的波底寬大、波幅不高，主缺陷波附近有多個小缺陷波，同時由于缺陷對聲波的散射，導(dǎo)致底波高度下降至低于始波。對于多次回波波形，如圖5所示，與圖3(b)中無缺陷處的波形相比，缺陷處的底波反射高度明顯降低，可觀察到的反射次數(shù)也減少。

圖4 1號(a)、2號(b)和3號(c)試樣缺陷處的一次回波波形Fig.4 Waveforms of primary echo in defective place of the samples No.1(a),No.2(b) and No.3(c)

圖5 1號(a)、2號(b)和3號(c)試樣缺陷處的多次回波波形Fig.5 Waveforms of multiple echos in defective place of the samples No.1(a),No.2(b) and No.3(c)

2.2 缺陷的超聲定位及解剖驗證

缺陷橫向分布范圍的確定。一般采用軌跡作圖法[12](見圖6)用直探頭掃描，根據(jù)探頭中心線移動的范圍，描繪出缺陷的輪廓或分布范圍。具體操作方法為：在確定探傷靈敏度后，對試樣進(jìn)行移動探測，缺陷波消失時停止移動，反復(fù)探測并記錄缺陷波消失各點的軌跡，據(jù)此確定規(guī)定靈敏度下的缺陷范圍。

缺陷縱向深度定位。通過軌跡作圖法確定缺陷的橫向范圍，在該范圍內(nèi)移動探頭，當(dāng)缺陷波達(dá)到最高時，穩(wěn)住探頭并記錄波形，根據(jù)波形圖中缺陷波的橫坐標(biāo)，即可確定縮松處的深度。圖6(b)中標(biāo)注的3個位置即缺陷波最高點，可根據(jù)此位置確定缺陷處的深度。

采用軌跡作圖法確定了試樣中缺陷的分布范圍以后，通過波形圖中的坐標(biāo)，以主缺陷波的波峰位置為準(zhǔn)，對缺陷深度進(jìn)行定位。如圖7所示，波形圖有兩個主缺陷波，其波峰位置分別為20.61和25.39 mm。解剖試樣發(fā)現(xiàn)有蜂窩狀缺陷，并以能觀察到的尺寸最大的缺陷為準(zhǔn)，測量確定其分別處于21.0和25.8mm深度處，與定位結(jié)果吻合。采用這一方法對3個試樣中8個主要缺陷的定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果列于表2。表2表明，缺陷的超聲檢測定位數(shù)據(jù)與解剖數(shù)據(jù)一致。定位有一定的誤差，平均為0.585 mm，平均相對誤差為3.05%，可見鋁合金鑄件蜂窩狀缺陷的超聲定位結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖6 軌跡作圖法的原理(a)及其應(yīng)用(b)Fig.6 Principle of trajectory mapping method (a) and its practical application (b)

2.3 缺陷回波聲壓分析

根據(jù)超聲波檢測的規(guī)則反射體模型，蜂窩狀缺陷是具有三維結(jié)構(gòu)的氣孔、縮松，可近似地看作球形缺陷，其他扁平狀缺陷可近似地看作平面缺陷[13]。計算球形缺陷和平面缺陷回波聲壓的公式分別為[9]：

圖7 根據(jù)主缺陷波波峰定位缺陷Fig.7 Positioning of the defect according to the peak of main defect wave

表2 缺陷的超聲波定位和解剖檢測結(jié)果Table 2 Results of ultrasonic and dissection testing for the defect position

(2)

(3)

式中：PF為缺陷反射聲壓，Pa；P0為起始聲壓，Pa；A為晶片面積，mm2；a為缺陷與晶片的距離，m；λ為聲波波長，m；d為球形缺陷直徑，mm；S為平面缺陷面積，mm2。

其他參數(shù)相同時，球形缺陷和平面缺陷的反射回聲壓均與缺陷尺寸成正比，球形缺陷反射回聲壓與直徑成正比，平面缺陷的反射回聲壓與面積成正比。同時，回波高度與反射聲壓成正比，故缺陷尺寸大則波幅高，可根據(jù)波形圖中主缺陷波的波峰對蜂窩狀缺陷進(jìn)行定位。

3 結(jié)論

(1)超聲波檢測能有效探測出鋁合金鑄件中的蜂窩狀缺陷，通過一次回波和多次回波分析，可以對缺陷進(jìn)行定性分析。

(2)鋁合金鑄件中蜂窩狀缺陷的超聲波檢測的一次回波特征為：缺陷波的波底寬大、波峰不高、多個小缺陷波成撮分布，底波低于始波；多次回波特征為：底波反射高度明顯降低，可觀察到的反射次數(shù)也減少。

(3)可采用軌跡作圖法確定缺陷的橫向分布范圍，利用波形中的缺陷波坐標(biāo)確定缺陷深度范圍，二者結(jié)合即可對蜂窩狀缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。對8個缺陷位置進(jìn)行定位及解剖驗證，其平均誤差為0.585 mm，平均相對誤差為3.05%。

(4)鋁合金鑄件中蜂窩狀缺陷的波形可用計算缺陷回波聲壓的公式表征，故可通過主缺陷波的波峰進(jìn)行缺陷定位。