鞠 岩

(宝鸡钛业集团公司,陕西 宝鸡 721014)

大直径 TC4钛合金铸锭冒口超声波探伤方法

鞠 岩

(宝鸡钛业集团公司,陕西 宝鸡 721014)

大直径钛合金铸锭超声波探伤确定冒口时,常遇到组织粗大导致的晶界反射严重、声波衰减大的难题。通过对特大直径 TC4铸锭冒口探伤方法试验,提出了正确识别杂波和冒口缺陷的方法,建立了特大直径钛合金铸锭冒口超声波探伤的方法。

超声波;组织粗大;铸锭;冒口探伤

1 前 言

金属铸锭一般采用超声脉冲纵波入射接触法探伤。由于铸锭内部晶粒粗大,不致密,致使超声波衰减严重。另外,超声波在粗晶界面上会产生漫反射,导致荧光屏上显现出杂乱的林状波[1]。这些林状反射回波又会与缺陷回波混杂在一起,致使大直径 (Φ518～Φ820 mm)的合金铸锭探伤困难,而对于特大直径例如 Φ1 000 mm的 TC4钛合金铸锭尤为显著。本文依据球面波在凹柱曲面上的反射特点,介绍利用铸锭本身超声波传播特性调节探伤灵敏度进行铸锭冒口探伤的方法。

2 探伤原理

当超声波径向探伤直径 >3N(N为近场区长度)的铸锭时,其声波在工件中的传播方式类似于球面波在凹柱曲面上反射 (见图 1)[2-3]。

图1 球面波在凹面上的反射Fig.1 Reflection of sphere wave on concave

从图1看,球面波入射凹柱曲面时,其反射波并不会聚焦于F点,而聚于B点。据此,波束轴线上距顶点为 x处的反射波声压为:

式中,P为曲面顶点处入射波声压,x为波束轴线上某点至曲面顶点距离,f为焦距,a为波源至曲面顶点的距离。

通过相关参数代换可以得出铸锭曲底面回波声压与大平底回波声压相同,因此可用铸锭本身底面反射回波来调节探伤灵敏度。

3 探伤方法

3.1 仪器的选择

由于铸锭内部组织粗大,致使超声波传播衰减严重,穿透力弱。通常市面上常用的探伤仪因穿透能力差,往往得不到探伤需要的底面回波,不能满足探伤要求。考虑到铸锭尺寸较大,又由于铸锭生产工艺决定了冒口的基本位置在径向是处在心部,所以对盲区可不作考虑。关键是探伤仪的信噪比、穿透能力。

本实验选用一种进口的M340超声波探伤仪作为探伤用仪器。该仪器具有较高的发射电压,且与探头匹配的阻尼、脉宽可调等特性,经全面调试可满足检测要求。

3.2 探头的选择

铸锭冒口探伤采用纵波直探头。

3.2.1 探头频率的选择

分别选 3种不同频率的探头,在同一合金铸锭上测得底面回波高度值,结果见表 1。

表1 探头频率及铸锭底波回波高度Table 1 Frequencyof the probe and echo height from the ingot bottom

从表中的实验数据可以看出,较低的探头频率穿透能力强有利于粗晶材料的探伤。

选用的频率越低,波长就越长,这样的超声波有利于粗晶材料中信噪比的提高,减少林状回波。但过低的频率又有不利的一面,从理论公式θ0=arcsin1.22λ/D(θ0为半扩散角,D为探头直径)分析,晶片辐射声场的指向性又会变差,特别在钛合金铸锭探伤金属声程特别大的情况下,过低的探头频率降低了缺陷的分辨能力和定位精度又是我们不希望的。

通过上述理论分析和经过大量的探伤实践,选用频率为 1.25 MHz的探头时,探伤效果较为理想。

3.2.2 探头晶片尺寸的选择

从理论公式θ0=arcsin1.22λ/D分析,晶片尺寸增加,半扩散角θ0减小,波束指向性变好,超声波能量集中,探伤有利。但探头在曲面上探伤时晶片尺寸太大又不利于保持稳定的接触,耦合损失加大。

考虑以上方面,在铸锭实际探伤中我们选用的探头直径为 20 mm。

3.3 耦合剂的选择

考虑到曲面表面不可能有较高光洁度,我们选用粘性较大的机油作为耦合剂。

3.4 对探伤铸锭的要求

按实践经验,对铸锭头部 300 mm范围内的周面进行机加工。加工后的表面光洁度基本达到 6.3μm,可满足冒口探伤的要求。

3.5 扫查面的选择

铸锭探伤时,在铸锭头部经过机加工的周面上,沿周向均匀选取 3～5处作为轴向扫查面。

3.6 探伤

(1)将适量的耦合剂均匀涂抹在确定的探伤扫查面上。

(2)将探头置于铸锭完好部位的圆周表面上,调节仪器,找出底面反射回波,将一次底面回波对准荧光屏时基线刻度按照 1∶n扫描比例调节 (便于观察即可)。

(3)灵敏度调节。首先让仪器保留足够的衰减余量,再将探头置于铸锭完好区,调节增益使一次底面回波最高达刻度 50%基准高。

3.7 扫查方式

在选定的 3～5个扫查面上,先后按顺序从铸锭头部沿轴线方向移动探头,直至缺陷回波由高到低直至消失。

4 缺陷回波的判别

大直径 TC4铸锭探伤时,会出现严重的杂波(林状回波),林状回波与缺陷回波混杂在一起,需要仔细识别。图 2为典型的 TC4铸锭超声波探伤波谱图。可以看出,缺陷回波的波形 (图 2b)相对于杂波 (图 2a)较宽,随着探头的移动,波高有明显变化且探伤重现性较好,一般出现在荧光屏水平时基扫描线中部附近 (见图 2c),且在径向和轴向有一定体积范围。

图2 TC4钛合金铸锭的典型波形图:(a)林状回波;(b)缺陷回波 +底面回波;(c)缺陷回波 (底面回波消失)Fig.2 Typical spectrograms of TC4 titanium alloy ingot: (a)grass echo; (b)flaw echo+bottom echo; (c)flaw echo(bottom echo disappeared)

5 缺陷定位

5.1 径向定位

当荧光屏上出现缺陷反射波时,则缺陷至探测面距离 xf有如下关系:

式中,xb为缺陷波前沿在时基线上的读数,n为水平线性比例。

5.2 轴向冒口切除线确定

从铸锭头部沿轴线方向移动探头,在缺陷回波由高到低直至消失时,找到铸锭周向的探头中轴线,并在探头中轴线处划线确定冒口缺陷的末端位置。以上述方式探测后,从多个扫查面扫查确定的位置中选择距头部最远一点探头中轴线即确定为该铸锭冒口切除线位置。

6 探伤结果

对 6个铸锭进行探伤检验,并根据检验结果对冒口进行切剖。表 2为 6个铸锭的探伤结果。从表 2可以看出,采用本文所述探伤方法确定的铸锭冒口位置准确。从后序切除处理的铸锭冒口情况能直观的看到探伤结果的准确性 (见图 3)。

表2 TC4钛合金的探伤检验结果Table 2 Test result of the TC4 alloy ingots

图3 TC4合金铸锭冒口宏观照片Fig.3 Macrograph of riser in TC4 alloy ingot

7 结 论

通过对铸锭组织粗大导致的晶界反射严重、声波衰减较大等特点的分析,结合大量的探伤试验,建立了切实可行的探伤方法。采用该方法能准确的确定铸锭冒口位置。

[1]全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会.超声波探伤 [M].北京:中国锅炉压力容器安全杂志社,1995.

[2]全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核委员会.超声波探伤[M].北京:劳动人事出版社,1988.

[3]超声波探伤编写组.超声波探伤[M].北京:水利电力出版社,1980.

UTM ethod for Allocat ing Ingot Riser of TC4 Titan ium Alloy

Ju Yan
(Baoji Titanium Group,Baoji 721014,China)

While allocating the ingot riser for titanium alloys,reflections be tween the crystal interfaceswere serious and the sound waves attenuated greatly because of the coarse structure.Through testsonUTmethod for allocating the riserof super big diameter TC4 ingot,the method to properly identify the noise and riser defectwas proposed,and the UTmethod for riser-allocating of super big diameter titanium alloy ingotwas established.

ultrasonic;coarse structure;ingot;riser allocating

2010-01-20

鞠 岩 (1965-),女,工程师,电话:0917-3382392。