论文部分内容阅读
【摘 要】 本文以钢锻件中白点、缩孔及缩孔残余、夹渣、粗晶、疏松及裂纹类缺陷超声检测射频信号为对象，对锻件各类缺陷波形特征进行了分析。分析结果表明，钢锻件中各种缺陷的超声波波形都有其自身特征，可用于钢锻件超声检测时对缺陷性质的初步分析判定。
【关键词】 钢锻件；超声检测；白点；缩孔及缩孔残余；夹渣；裂纹；粗晶；疏松
钢锻件超声波检测过程中，缺陷定性是非常重要的。由于难以判明缺陷性质，往往会使一些对使用条件是非危险性的、或者在后续加工过程中可以被改善甚至消除的缺陷的产品被拒收，造成不必要的浪费，同时也可能忽视了一些危险性缺陷（如裂纹类缺陷）的产品，对产品的安全使用造成潜在威胁。在钢锻件超声波检测中，本人通过理论分析、实验及实际检测，提出了以下波形信号分析判定方法和各类缺陷波形特征的分析方法，供实际检测参考应用。
1 缺陷波形特征分析
采用A扫描显示型超声脉冲反射式超声仪检测，根据示波屏上回波波形，起波速度，回波前沿的陡峭程度及回波后沿下降的速度（下降斜率），波尖形状，回波占宽以及移动探头时缺陷回波的变化情况（波幅、位置、数量、形状、回波包络形状等），还可以根据观察底波的次数，底波高度损失情况，再根据缺陷在被检件中的位置，分布情况，缺陷的当量大小，延伸情况，对缺陷波形特征进行分析。
1.1裂纹波形分析
由于裂纹类缺陷有气体存在，与基体材料声阻抗差异较大，超声反射率高，缺陷有一定延伸长度，起波速度快，回波陡峭，波峰尖锐，當探头声束沿裂纹延伸方向扫查移动时，起波迅速，消失也迅速。轴类工件中的横向内裂纹采用直探头检测，当声束平行于裂纹时，既无底波又无缺陷波，提高灵敏度后出现一系列小缺陷波；当探头从裂纹处移开，则底波多次反射恢复正常。斜探头轴向移动检测和或直探头检测，都出现典型的裂纹波形，即波形反射强烈，波底较宽，波峰分支，成束状。斜探头移向裂纹时缺陷波向始波移动，反之，向远离始波方向移动。轴类锻件中的纵向裂纹，直探头圆周检测，声束平行于裂纹时，既无底波也无缺陷波，当探头转动90度时，反射波最强，出现陡峭回波，波峰尖锐波形，有时会出现裂纹的二次反射，一般无底波。
1.2缺陷分布位置法
分布位置法是根据缺陷的分布状态和几何位置判断其性质。白点多出现在锻件大截面段的偏析带上，群集分布；缩孔残余呈连续或断续条状，多出现在工件心部。
1.3缺陷特性法
缺陷特性是指缺陷的形状、大小和密集程度。把缺陷分为单个点状、多个密集形和平面形缺陷，以便确定其危害程度。对于点状缺陷，在不同的方向探测，缺陷回波无明显变化。对于密集形缺陷，缺陷波密集相互彼连，在不同的方向上探测，缺陷回波情况类似。对于平面形缺陷，在不同的方向上探测，其缺陷回波高度显著不同。
1.4缺陷回波占宽法
根据回波的宽度或其根部特征来对缺陷性质及种类进行判断。气孔、点渣、白点和脆性断口的冷裂纹根部较干净，钢锻件上的缩孔、裂纹则为多峰，根部带有低波，回波占宽较大。
1.5缺陷动态波形法
判断动态波形的特征是缺陷定性中很重要的方法。在轴类锻件中区分残余缩孔或轴心裂纹时，裂纹在同一截面360°回波差别很大，而残余缩孔回波变化不大。
1.6改变发射超声波脉冲的频率、改变声束直径试验法
用不同探头（采取聚焦或采用不同直径的探头等）来观察缺陷的回波变化特征，从而识别是材料中的冶金缺陷还是组织反射。尽可能找出缺陷的最强反射面，便于判断；在精密扫查时，可用聚焦探头和双晶探头。用一发一收斜探头可判断材料内部面状或体状缺陷。
2 缺陷波形特征分析
采用A扫描显示型超声脉冲反射式超声仪检测，根据示波屏上回波波形，起波速度，回波前沿的陡峭程度及回波后沿下降的速度（下降斜率），波尖形状，回波占宽以及移动探头时缺陷回波的变化情况（波幅、位置、数量、形状、回波包络形状等），还可以根据观察底波的次数，底波高度损失情况，再根据缺陷在被检件中的位置，分布情况，缺陷的当量大小，延伸情况，对缺陷波形特征进行分析。
2.1裂纹波形分析
由于裂纹类缺陷有气体存在，与基体材料声阻抗差异较大，超声反射率高，缺陷有一定延伸长度，起波速度快，回波陡峭，波峰尖锐，当探头声束沿裂纹延伸方向扫查移动时，起波迅速，消失也迅速。
2.2白点波形分析
白点内含物气体，声阻抗很小，反射回波高。波形一般为密集状，白点斑点内往往有锯齿状小裂纹，缺陷波为林状波[2]，各个波峰清晰，尖锐有力，缺陷波出现位置与缺陷分布相对应，探头移动时缺陷波切换，变化迅速而敏感[3]，降低灵敏度时，缺陷波下降较底波慢，有明显迟缓特性；严重的白点对底波反射次数影响较大，底波前两次波甚至消失，提高灵敏度时，底波次数无明显增加。
2.3缩孔和缩孔残余波形分析
缩孔常出现在锻件冒口端或热节处，缩孔内含残余气体，声阻抗很小，缺陷波反射强烈，回波高，回波占宽较大，缺陷波附近常伴有小缺陷波，对底波影响严重，常使底波消失；单个缩孔表面较平滑，界面反射率高，波形陡直尖锐，有点状缺陷的特征。
2.4夹渣物波形分析
夹渣物带有一定棱角，点渣回波有方向性，与气孔不同，条渣呈条状连续或断续分布，反射波较杂乱，多呈锯齿状，反射率较低，位置无规律，夹渣对探头移动不太敏感，移动探头时回波此起彼落，但波形变化相对较迟缓，起波速度较慢且后沿斜率不太大，回波占宽较大，根部不清晰。最高波旁边有许多小缺陷波；高密度夹杂物多为单个反射信号，回波占宽不太大，但较裂纹类要大些，回波前沿较陡峭，后沿斜率较大，当改变探测频率和声束直径时，其反射当量大小变化不大。
2.5疏松波形分析
疏松对声波有显著吸收和散射作用，疏松多以杂波、林状波形式或底波高度损失增大、底波反射次数减少等形式出现。锻件中的严重疏松，在低灵敏度时缺陷波很低或无缺陷波，提高灵敏度后才呈现微弱而杂乱的典型疏松波形，中心疏松多出现在心部，一般疏松出现始波与底波之间。
2.6晶粒粗大波形分析
晶粒粗大的波形是典型的草状缺陷波丛集，缺陷波模糊不清晰，波与波之间难于分辨，移动探头时缺陷波跳动迅速，在较低的检测灵敏度下，底波次数一般只有1次，无明显缺陷波，提高灵敏度后底波次数无明显增多，在一次底波前出现草状波，改换低频率探头检测，底波次数增多，一般出现较低的草状波或不再出现草状波。
3 结束语
对钢锻件中缺陷分布位置、缺陷特性、缺陷回波占宽，动态波形、底波影响以及各类缺陷波形进行了初步分析，供检测人员在钢锻件超声检测缺陷定性时参考。实际检测中，波形的正确识别和缺陷的定性主要还依赖于检测人员的经验、技术水平和对特定产品、材料及制造工艺的充分了解。
参考文献：
[1]姚培元等.无损检测技术（南昌航空工业学院教材）[Z].南昌：1983.
[2]吴德新.无损检测设备及工艺（空军第一航空学院教材）[Z].信阳：1995.
[3]戚鹰.超声波检测轴类锻件中的白点缺陷.无损探伤.2007年第1期
[4]李家伟、陈家懋.无损检测手册.机械工业出版社.2002年1月
【关键词】 钢锻件；超声检测；白点；缩孔及缩孔残余；夹渣；裂纹；粗晶；疏松
钢锻件超声波检测过程中，缺陷定性是非常重要的。由于难以判明缺陷性质，往往会使一些对使用条件是非危险性的、或者在后续加工过程中可以被改善甚至消除的缺陷的产品被拒收，造成不必要的浪费，同时也可能忽视了一些危险性缺陷（如裂纹类缺陷）的产品，对产品的安全使用造成潜在威胁。在钢锻件超声波检测中，本人通过理论分析、实验及实际检测，提出了以下波形信号分析判定方法和各类缺陷波形特征的分析方法，供实际检测参考应用。
1 缺陷波形特征分析
采用A扫描显示型超声脉冲反射式超声仪检测，根据示波屏上回波波形，起波速度，回波前沿的陡峭程度及回波后沿下降的速度（下降斜率），波尖形状，回波占宽以及移动探头时缺陷回波的变化情况（波幅、位置、数量、形状、回波包络形状等），还可以根据观察底波的次数，底波高度损失情况，再根据缺陷在被检件中的位置，分布情况，缺陷的当量大小，延伸情况，对缺陷波形特征进行分析。
1.1裂纹波形分析
由于裂纹类缺陷有气体存在，与基体材料声阻抗差异较大，超声反射率高，缺陷有一定延伸长度，起波速度快，回波陡峭，波峰尖锐，當探头声束沿裂纹延伸方向扫查移动时，起波迅速，消失也迅速。轴类工件中的横向内裂纹采用直探头检测，当声束平行于裂纹时，既无底波又无缺陷波，提高灵敏度后出现一系列小缺陷波；当探头从裂纹处移开，则底波多次反射恢复正常。斜探头轴向移动检测和或直探头检测，都出现典型的裂纹波形，即波形反射强烈，波底较宽，波峰分支，成束状。斜探头移向裂纹时缺陷波向始波移动，反之，向远离始波方向移动。轴类锻件中的纵向裂纹，直探头圆周检测，声束平行于裂纹时，既无底波也无缺陷波，当探头转动90度时，反射波最强，出现陡峭回波，波峰尖锐波形，有时会出现裂纹的二次反射，一般无底波。
1.2缺陷分布位置法
分布位置法是根据缺陷的分布状态和几何位置判断其性质。白点多出现在锻件大截面段的偏析带上，群集分布；缩孔残余呈连续或断续条状，多出现在工件心部。
1.3缺陷特性法
缺陷特性是指缺陷的形状、大小和密集程度。把缺陷分为单个点状、多个密集形和平面形缺陷，以便确定其危害程度。对于点状缺陷，在不同的方向探测，缺陷回波无明显变化。对于密集形缺陷，缺陷波密集相互彼连，在不同的方向上探测，缺陷回波情况类似。对于平面形缺陷，在不同的方向上探测，其缺陷回波高度显著不同。
1.4缺陷回波占宽法
根据回波的宽度或其根部特征来对缺陷性质及种类进行判断。气孔、点渣、白点和脆性断口的冷裂纹根部较干净，钢锻件上的缩孔、裂纹则为多峰，根部带有低波，回波占宽较大。
1.5缺陷动态波形法
判断动态波形的特征是缺陷定性中很重要的方法。在轴类锻件中区分残余缩孔或轴心裂纹时，裂纹在同一截面360°回波差别很大，而残余缩孔回波变化不大。
1.6改变发射超声波脉冲的频率、改变声束直径试验法
用不同探头（采取聚焦或采用不同直径的探头等）来观察缺陷的回波变化特征，从而识别是材料中的冶金缺陷还是组织反射。尽可能找出缺陷的最强反射面，便于判断；在精密扫查时，可用聚焦探头和双晶探头。用一发一收斜探头可判断材料内部面状或体状缺陷。
2 缺陷波形特征分析
采用A扫描显示型超声脉冲反射式超声仪检测，根据示波屏上回波波形，起波速度，回波前沿的陡峭程度及回波后沿下降的速度（下降斜率），波尖形状，回波占宽以及移动探头时缺陷回波的变化情况（波幅、位置、数量、形状、回波包络形状等），还可以根据观察底波的次数，底波高度损失情况，再根据缺陷在被检件中的位置，分布情况，缺陷的当量大小，延伸情况，对缺陷波形特征进行分析。
2.1裂纹波形分析
由于裂纹类缺陷有气体存在，与基体材料声阻抗差异较大，超声反射率高，缺陷有一定延伸长度，起波速度快，回波陡峭，波峰尖锐，当探头声束沿裂纹延伸方向扫查移动时，起波迅速，消失也迅速。
2.2白点波形分析
白点内含物气体，声阻抗很小，反射回波高。波形一般为密集状，白点斑点内往往有锯齿状小裂纹，缺陷波为林状波[2]，各个波峰清晰，尖锐有力，缺陷波出现位置与缺陷分布相对应，探头移动时缺陷波切换，变化迅速而敏感[3]，降低灵敏度时，缺陷波下降较底波慢，有明显迟缓特性；严重的白点对底波反射次数影响较大，底波前两次波甚至消失，提高灵敏度时，底波次数无明显增加。
2.3缩孔和缩孔残余波形分析
缩孔常出现在锻件冒口端或热节处，缩孔内含残余气体，声阻抗很小，缺陷波反射强烈，回波高，回波占宽较大，缺陷波附近常伴有小缺陷波，对底波影响严重，常使底波消失；单个缩孔表面较平滑，界面反射率高，波形陡直尖锐，有点状缺陷的特征。
2.4夹渣物波形分析
夹渣物带有一定棱角，点渣回波有方向性，与气孔不同，条渣呈条状连续或断续分布，反射波较杂乱，多呈锯齿状，反射率较低，位置无规律，夹渣对探头移动不太敏感，移动探头时回波此起彼落，但波形变化相对较迟缓，起波速度较慢且后沿斜率不太大，回波占宽较大，根部不清晰。最高波旁边有许多小缺陷波；高密度夹杂物多为单个反射信号，回波占宽不太大，但较裂纹类要大些，回波前沿较陡峭，后沿斜率较大，当改变探测频率和声束直径时，其反射当量大小变化不大。
2.5疏松波形分析
疏松对声波有显著吸收和散射作用，疏松多以杂波、林状波形式或底波高度损失增大、底波反射次数减少等形式出现。锻件中的严重疏松，在低灵敏度时缺陷波很低或无缺陷波，提高灵敏度后才呈现微弱而杂乱的典型疏松波形，中心疏松多出现在心部，一般疏松出现始波与底波之间。
2.6晶粒粗大波形分析
晶粒粗大的波形是典型的草状缺陷波丛集，缺陷波模糊不清晰，波与波之间难于分辨，移动探头时缺陷波跳动迅速，在较低的检测灵敏度下，底波次数一般只有1次，无明显缺陷波，提高灵敏度后底波次数无明显增多，在一次底波前出现草状波，改换低频率探头检测，底波次数增多，一般出现较低的草状波或不再出现草状波。
3 结束语
对钢锻件中缺陷分布位置、缺陷特性、缺陷回波占宽，动态波形、底波影响以及各类缺陷波形进行了初步分析，供检测人员在钢锻件超声检测缺陷定性时参考。实际检测中，波形的正确识别和缺陷的定性主要还依赖于检测人员的经验、技术水平和对特定产品、材料及制造工艺的充分了解。
参考文献：
[1]姚培元等.无损检测技术（南昌航空工业学院教材）[Z].南昌：1983.
[2]吴德新.无损检测设备及工艺（空军第一航空学院教材）[Z].信阳：1995.
[3]戚鹰.超声波检测轴类锻件中的白点缺陷.无损探伤.2007年第1期
[4]李家伟、陈家懋.无损检测手册.机械工业出版社.2002年1月