1、超聲波檢驗(yàn)方法的特點(diǎn)及適用范圍

無損檢驗(yàn)方法包括射線檢驗(yàn)、超聲波檢驗(yàn)、磁粉檢驗(yàn)和液體滲透檢驗(yàn)幾種方法。磁粉檢驗(yàn)和液體滲透檢驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)表面和近表面的缺陷顯示。射線檢驗(yàn)和超聲波檢驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)鍛件內(nèi)部的缺陷。射線檢驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)本身有一定高度的缺陷顯示，而超聲波檢驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)面積型缺陷顯示。

超聲檢測一般是指使超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，對工件進(jìn)行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征。超聲檢驗(yàn)是指利用超聲波對材料的質(zhì)量進(jìn)行評估的技術(shù)。超聲檢驗(yàn)具有穿透能力強(qiáng)、檢驗(yàn)成本低、速度快、靈敏度高、缺陷定位較準(zhǔn)、對現(xiàn)場環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

2、鍛件的加工工藝及常見缺陷

鍛件是由低合金鋼在熱態(tài)下，通過壓力加工而形成。這種壓力加工包括自由鍛、快速鍛和擠壓鍛等不同的鍛造方式。鍛造中易產(chǎn)生的缺陷有非金屬夾雜物、裂紋、白點(diǎn)、偏析、重皮（白點(diǎn)）等。這些缺陷的主要特點(diǎn)為：裂紋：鍛造或鍛后熱處理工藝操作不當(dāng)，如加熱過快、終鍛溫度太低、應(yīng)變太快、太大或坯料原有缺陷，引起鍛件局部破裂而形成裂紋。鍛造裂紋多見于鍛件表面。裂紋主要有中心鍛造裂紋、內(nèi)應(yīng)力引起內(nèi)部裂紋、縮孔殘余裂紋、夾雜些裂紋等。

2.1 中心鍛造裂紋

中心鍛造裂紋的產(chǎn)生可歸納為三方面的原因：

（1）鍛造前，工件加熱不均勻或不足，俗稱沒有燒透；

（2）最終鍛造溫度過低，工件外部冷卻快，中部冷卻慢；

（3）溫度過大，由于高熔點(diǎn)或低熔點(diǎn)的夾雜物在晶界上密集折出。

2.2 內(nèi)應(yīng)力引起內(nèi)部裂紋

在高碳或高合金鋼錠加熱時(shí)，工件內(nèi)部有時(shí)形成橫向或縱向裂紋。原因是鋼錠表面加熱快，表面與內(nèi)部溫差大，表面熱脹也會對內(nèi)部形成較大的拉應(yīng)力，即熱應(yīng)力。再與殘余應(yīng)力共同作用下，縱向拉應(yīng)力也可能導(dǎo)致鍛件內(nèi)部產(chǎn)生橫裂紋。

2.3 縮孔殘余裂紋

錠模不當(dāng)，澆鑄不當(dāng)，縮孔不完全集中在冒口，或冒口切除不足致使縮孔殘余留在工件中，引發(fā)的裂紋。如果鍛件所使用的鋼錠有較嚴(yán)重的縮孔，在鍛造時(shí)沒有完全切除，將在鍛件中形成殘余縮孔裂紋缺陷。

2.4 夾雜形裂紋

夾雜物比較集中、比較嚴(yán)重的鋼錠鍛造工件時(shí)，由于夾雜物的存在也使工件破裂而形成中間有夾心的夾雜性裂紋，這種缺陷和夾雜物混雜在一起。

白點(diǎn)：在某些金屬零件的斷口上，有時(shí)會發(fā)現(xiàn)圓形和橢圓形，表面光滑呈銀白色的斑點(diǎn)，尺寸大小不等。實(shí)質(zhì)上，白點(diǎn)缺陷是裂紋性缺陷，它嚴(yán)重影響著金屬的延伸率、收縮率及韌性，白點(diǎn)缺陷是由于氫和組織應(yīng)力造成的，在冶煉和澆鑄、鍛造過程中進(jìn)入金屬中的氫元素是以院子形態(tài)存在的，在鍛造后過程中，由于緩慢冷卻，原子氫有從金屬內(nèi)部向外部擴(kuò)散的趨勢，如果冷卻過快，溢不出來的氫分子，在聚集的地方會造成巨大的局部氫壓力，超過金屬強(qiáng)度就產(chǎn)生了白點(diǎn)缺陷。

容易使金屬材料破裂的原因有：

（1）開始在熱應(yīng)力與相變應(yīng)力共同作用下形成微小裂紋核；

（2）強(qiáng)化元素與氫的聯(lián)合作用使微裂紋核擴(kuò)大；

（3）氫會使材料組織應(yīng)力增高、鋼的晶格強(qiáng)度會下降；

（4）溶解的氫會向微小裂紋的自由表面擴(kuò)散，促使應(yīng)力升高，或產(chǎn)生氫脆使裂紋產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀態(tài)，所以白點(diǎn)類缺陷的形成過程，是一個(gè)逐漸發(fā)生和不斷長大的過程。

白點(diǎn)類缺陷較為集中，對超聲波的漫反射衰減很嚴(yán)重，影響底面反射波高度及底面反射次數(shù)。）

折疊：鍛造時(shí)操作不當(dāng)，鍛件表面凸出部位或氧化皮擠壓在鍛件中形成折疊。折疊位于鍛件表面或近表面，又稱重皮。

夾雜：冶煉、澆鑄時(shí)，殘留在金屬中的難熔金屬或非金屬雜質(zhì)形成片狀夾雜。

3、鍛件超聲波檢驗(yàn)方法及控制要點(diǎn)概述

超聲波檢驗(yàn)是上述缺陷檢驗(yàn)的主要檢驗(yàn)方法。由于制造穩(wěn)壓器的鍛件的幾何形狀和結(jié)構(gòu)不同，所采用的超聲檢驗(yàn)技術(shù)也不同，但最終的目的都是要反映出工件的內(nèi)部質(zhì)量狀況，保證所制造的產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在穩(wěn)壓器項(xiàng)目制造過程中合金鋼鍛件和不銹鋼鍛件的超聲波檢驗(yàn)主要依據(jù) RCC-M (2007 版)及 FM1061修改單進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)的鍛件見表 1。

從表 1 可以看出，鍛件類型主要包括 1 類、3 類和4 類?，F(xiàn)分別對不同類型的鍛件的超聲波檢驗(yàn)方法及控制要點(diǎn)進(jìn)行概述：

3.1 1 型鍛件

1 型鍛件分為 1a 型和 1b 型，1a 型鍛件為圓柱形鍛件，1b 型鍛件為矩形鍛件。

1 型鍛件的鍛造工藝主要以拔長為主，因而大部分缺陷的取向與軸線平行。因此，超聲波檢驗(yàn)時(shí)以縱波直探頭檢測效果最佳。超聲波檢驗(yàn)時(shí)，1b 型應(yīng)從圖示1 中的兩個(gè)相互垂直的表面及縱向表面即共三個(gè)面進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方案制定需注意鍛件檢驗(yàn)時(shí)對比試塊的選擇是否滿足被檢工件厚度要求。1a 類圓柱形鍛件進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)時(shí)不僅需按圖示進(jìn)行環(huán)繞圓柱側(cè)面進(jìn)行100%掃查，同時(shí)還應(yīng)用直射縱波在鍛件的端面作軸向檢驗(yàn)，在檢驗(yàn)方案制定的過程中通常存在下述問題：

3.1.1 工件直徑小耦合不好

人孔螺栓為 M48×527mm 的棒材，棒材鍛件類型為1a 類，按設(shè)計(jì)文件要求應(yīng)在棒材圓周面和端面對棒材進(jìn)行 100%的超聲波檢驗(yàn)。棒材直徑較小，此時(shí)若選擇單晶直探頭晶片尺寸較大，則探頭與被檢工件的間隙較大，耦合效果差，此時(shí)為避免探頭搖動并保證探頭與工件良好的、均勻的聲耦合，可在探頭前加裝曲率與被檢驗(yàn)工件相吻合的探頭靴，此時(shí)應(yīng)注意校準(zhǔn)時(shí)和檢驗(yàn)時(shí)均應(yīng)使用探頭靴。

3.1.2 1a 類鍛件長度過長產(chǎn)生側(cè)壁干涉

對于 1a 類鍛件，當(dāng)縱波直探頭檢驗(yàn)時(shí)，探頭若靠近側(cè)壁，則經(jīng)側(cè)壁反射的縱波或橫波與直接傳播的縱波相遇產(chǎn)生干涉，對檢驗(yàn)帶來不利影響。為了避免產(chǎn)生側(cè)壁干涉而影響檢驗(yàn)結(jié)果的判定，在審核供方制定的無損檢驗(yàn)方案時(shí)，應(yīng)注意 1a 類鍛件的長度是否會產(chǎn)生側(cè)壁干涉，若產(chǎn)生側(cè)壁干涉，可采用的解決方案為：①是否可將過長產(chǎn)生側(cè)壁干涉的鍛件切割開后分段進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)；②當(dāng)鍛件長度不可分割時(shí)可在鍛件圓周面增加斜探頭軸向檢驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充。

3.1.3 試塊中反射體的深度與被檢驗(yàn)工件的厚度不符合

鍛件進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)至少使用 3 個(gè)孔來制作DAC 曲線，并且該 DAC 曲線應(yīng)覆蓋整個(gè)被檢鍛件的厚度，但有時(shí)供方無損檢驗(yàn)方案中的試塊厚度不滿足要求，此時(shí)建議供方設(shè)計(jì)制造新的試塊或是增加雙晶直探頭補(bǔ)充 1a 類鍛件檢驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的盲區(qū)，保證能做到對鍛件的全體積進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 3 類鍛件

穩(wěn)壓器接管鍛件(人孔法蘭、人孔蓋、噴淋接管、波動接管等)為 3 類鍛件，此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中的缺陷取向復(fù)雜，所以該類鍛件的檢測既需要進(jìn)行縱波檢測，還應(yīng)進(jìn)行橫波斜入社檢測。穩(wěn)壓器項(xiàng)目的 3類鍛件主要按照 EN10228-3 或 EN10228-4 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 3類鍛件外內(nèi)徑之比小于等于 1.6 時(shí)需要進(jìn)行斜射波周向檢驗(yàn)。

針對此要求需注意下述問題：

3.2.1 鍛件工藝余量導(dǎo)致檢驗(yàn)疏漏

制造廠出于制造工藝的需要對于穩(wěn)壓器上的接管等 3 類鍛件提料時(shí)內(nèi)外壁均留有余量，使得根據(jù)上游圖紙最終外內(nèi)徑之比小于 1.6 的 3 類鍛件在采購時(shí)外內(nèi)徑之比大于 1.6，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)此時(shí)不需要進(jìn)行斜射波周向檢驗(yàn)，而鍛件在制造過程中機(jī)加工到最終尺寸后（外內(nèi)徑之比小于 1.6）又疏漏了此項(xiàng)檢驗(yàn)要求，導(dǎo)致在漏檢或在接管內(nèi)壁堆焊完并焊接到封頭上后進(jìn)行了補(bǔ)充檢驗(yàn)，此時(shí)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)因內(nèi)壁存在堆焊層并且鍛件結(jié)構(gòu)形式等原因?qū)е聶z驗(yàn)效果遠(yuǎn)不如在鍛件制造廠檢驗(yàn)效果好。鑒于上面的經(jīng)驗(yàn)反饋，在穩(wěn)壓器人孔法蘭、噴霧接管、波動接管、嚴(yán)重事故泄壓接管、閥座接管和排氣接管等鍛件采購階段，在鍛件圖中標(biāo)注鍛件最終輪廓，并在鍛件圖的技術(shù)要求中規(guī)定按照鍛件的最終輪廓對鍛件進(jìn)行斜射波超聲波檢驗(yàn)，且校準(zhǔn)試塊反射體的制作應(yīng)按鍛件的最終尺寸。此要求消除了鍛件在原材料供方不進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)而鍛件入廠進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)而不合格的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保證了鍛件在 最適合的時(shí)機(jī)和形狀進(jìn)行了超聲波檢驗(yàn)。

3.2.2 3 類鍛件斜探頭檢驗(yàn)耦合問題

對于接管及接管安全端等 3 類鍛件，當(dāng)外內(nèi)徑之比小于 1.6 時(shí)需要進(jìn)行斜射波檢驗(yàn)，當(dāng)鍛件外徑小于250mm 時(shí)，應(yīng)注意探頭與工件表明的耦合情況，為避免探頭搖動并保證探頭與工件的良好的、均勻的聲耦合和恒定的聲束角度，可安裝仿形的探頭靴。校準(zhǔn)時(shí)和檢驗(yàn)時(shí)均應(yīng)安裝探頭靴。

3.2.3 溫度測量接管等接管鉆孔后的斜射波檢驗(yàn)

穩(wěn)壓器的取樣接管等儀表接管為 3 類鍛件，且外內(nèi)徑之比小于 1.6，應(yīng)進(jìn)行正反兩個(gè)方向的周向斜射波檢驗(yàn)，接管的外徑為￠35mm，內(nèi)徑為￠23mm，壁厚為 5.5mm，材質(zhì)為 Z2CND18-12(控氮)。接管鍛件進(jìn)行接觸法超聲波檢驗(yàn)時(shí)的難點(diǎn)為：管徑小，曲率大，入射聲束從曲面入射的一開始就由于晶片的切向尺寸影響，而必然有發(fā)散，檢驗(yàn)過程中容易有干擾波產(chǎn)生；而聲束在管壁內(nèi)傳播，要經(jīng)過管材內(nèi)壁反射，聲束發(fā)散同樣較大，檢驗(yàn)過程中波束擴(kuò)散嚴(yán)重，靈敏度低。同樣，接觸法探頭斜楔使用一段時(shí)間后必然會發(fā)生磨損，從而導(dǎo)致斜探頭在工件中的折射角發(fā)生變化，將導(dǎo)致檢驗(yàn)靈敏度降低。為了改善此問題，我公司設(shè)計(jì)制作水浸探頭工裝并定制水浸聚焦探頭，使得聲束在工件中得到進(jìn)一步聚焦，提高了檢驗(yàn)靈敏度，水浸聚焦探頭選擇及參數(shù)設(shè)置見表 2，水浸檢驗(yàn)水套工裝見圖。

3.3 4 類鍛件

4 類鍛件的鍛造工藝主要以鐓粗為主，缺陷以平行于端面分布為主，所以用直探頭在一個(gè)平面上掃查，同時(shí)采用斜射波在鍛件的表面進(jìn)行四個(gè)方向的檢驗(yàn)。

4、總結(jié)

鍛件在核電產(chǎn)品制造過程中的應(yīng)用極為廣泛，而超聲波檢驗(yàn)是鍛件產(chǎn)品質(zhì)量控制的一種重要的無損檢驗(yàn)方式。結(jié)合穩(wěn)壓器制造過程中鍛件所用鍛件的特點(diǎn)及在檢驗(yàn)時(shí)存在的問題，對鍛件超聲波檢驗(yàn)總結(jié)如下：

4.1 合理選擇超聲波檢驗(yàn)的時(shí)機(jī)

鍛件的超聲波檢驗(yàn)通常安排在調(diào)質(zhì)熱處理后進(jìn)行，如果由于鍛件的幾何形狀限制，不能在調(diào)質(zhì)熱處理之后作全面檢驗(yàn)，允許在調(diào)質(zhì)熱處理前進(jìn)行檢驗(yàn)，但在調(diào)質(zhì)熱處理后仍需要對其再次進(jìn)行盡可能完整的超聲波檢驗(yàn)。若鍛件在鍛造過程中，需要鉆孔、開槽、車斜度或加工外部臺階輪廓，則超聲波檢驗(yàn)應(yīng)安排在這些加工工序前進(jìn)行。

鍛件檢驗(yàn)超聲波時(shí)應(yīng)關(guān)注鍛件的形狀及最終鍛件尺寸，根據(jù)最終鍛件尺寸選擇超聲波檢驗(yàn)探頭試塊等工藝參數(shù)；當(dāng)最終尺寸不能進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)可在接近最終尺寸的階段進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)由于鍛件尺寸原因無法實(shí)施最低要求的檢測時(shí)應(yīng)選擇合適的方案進(jìn)行補(bǔ)充。

4.2 選擇合適的超聲波檢驗(yàn)探頭

超聲波檢驗(yàn)時(shí)超聲波檢驗(yàn)探頭的選擇至關(guān)重要，尤其是檢驗(yàn)曲率較大的鍛件，如果此時(shí)選擇平面探頭，則探頭與被檢工件的耦合較差，致使靈敏度降低，將會導(dǎo)致缺陷漏檢。因此，在檢驗(yàn)時(shí)對曲率較大的鍛件，可選用探頭與被檢工件表面間隙不大于 0.5mm 的探頭，可修磨探頭斜楔或選擇晶片尺寸較小的探頭，保證耦合效果。但此時(shí)應(yīng)注意斜探頭角度的變化，應(yīng)設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的試塊對斜探頭的入射角和前沿值進(jìn)行測量。

4.3 試塊的選擇

為了避免鍛件超聲波檢驗(yàn)時(shí)因試塊與被檢工件衰減不同或曲率不同而引起的檢驗(yàn)結(jié)果的差異，試塊的制作應(yīng)按下述要求：

試塊的材料應(yīng)取自：

被檢件延長段或被檢件中割下的余料；與被檢具有相同材料和熱處理狀態(tài)的部件上割下的余料；

與被檢件具有相近聲學(xué)特性的材料，通常要求聲速為被檢工件的±5%；

除應(yīng)關(guān)注被檢工件與試塊材料方面的差異外，還應(yīng)注意不同曲率造成的差異，通常，被檢件的檢測面曲率半徑小于或等于 250mm 時(shí)，應(yīng)采用曲率半徑與工件相同或相近的對比試塊進(jìn)行靈敏度的校準(zhǔn)。

4.4 根據(jù)鍛件的制造工藝選擇合適的檢驗(yàn)面

結(jié)合鍛件的制造工藝等特點(diǎn)，鍛件超聲波檢驗(yàn)在可達(dá)時(shí)在至少兩個(gè)相互垂直的表面進(jìn)行直射波檢驗(yàn)，對于筒形鍛件和碗形鍛件還應(yīng)采用斜射波進(jìn)行周向斜射波檢驗(yàn)或周向斜射波和軸向斜射波相結(jié)合的四個(gè)方向的檢驗(yàn)。

4.5 檢驗(yàn)過程的控制

鍛件檢驗(yàn)時(shí)，雖然有些缺陷的當(dāng)量大小未達(dá)到拒收水平，但是多個(gè)小缺陷的存在會對底面回波產(chǎn)生影響。因此，在檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)同時(shí)關(guān)注底波降低量和是否存在超過驗(yàn)收準(zhǔn)則的不合格缺陷顯示存在。

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相關(guān)鏈接