影響鑄件超聲檢測聲波衰減的因素

摘 要：我公司的水輪機部件產(chǎn)品，大型工件基本上都是鑄鋼件，大型工件在鑄造過程中常常因為控制難度大，過程中因其結(jié)晶溫度范圍寬容易產(chǎn)生縮松、熱烈紋、偏析、疏松、晶粒粗大等問題，尤其粗晶問題，它直接影響超聲檢測結(jié)果準確性，很容易對缺陷產(chǎn)漏檢或誤判，對材質(zhì)本身進行錯誤評估，同時粗晶會降低了材料的使用性能，在壓力較大的使用條件下發(fā)生滲漏現(xiàn)象，且材料本身的力學性能及耐腐蝕性能將直線下滑。因此，在鑄件檢測過程中必須考慮聲波衰減因素，衰減對超聲波檢測靈敏度有很大影響。

關(guān)鍵詞：鑄造；粗晶；衰減；超聲檢測

1 超聲檢測的發(fā)展和現(xiàn)狀

采用超聲波技術(shù)來對固體內(nèi)部進行無損檢測，開始于20世紀20、30年代，蘇聯(lián)科學家Sokolov率先提出了利用超聲波技術(shù)檢查金屬內(nèi)部缺陷的構(gòu)想，在1935年發(fā)表了利用穿透法進行試驗的成果，同時申請了材料中缺陷檢測的權(quán)利。在這種條件下，第一種穿透法檢測儀器應運而生，但該技術(shù)采用一發(fā)射和一接收探頭，探頭的擺放位置需要保持相對關(guān)系，因此應用范圍受到了很大限制。隨著該技術(shù)發(fā)展，在20世紀40年代，脈沖反射式超聲波探傷儀的出現(xiàn)，給無損檢測技術(shù)注入了新的生命力。近年來，超聲檢測技術(shù)層出不窮，從最初穿透式和A脈沖反射式超聲儀器到數(shù)字式超聲儀、衍射時差法超聲儀、相控陣超聲儀等，超聲檢測技術(shù)取得巨大的進步和發(fā)展，該技術(shù)在工業(yè)制造中已確立了極其重要的地位，廣泛應用于鋼鐵工業(yè)，機器制造業(yè)、特種設(shè)備、船舶航天工業(yè)、核工業(yè)等重要工業(yè)部門。我們公司超聲波技術(shù)主要應用在能源設(shè)備（水輪發(fā)電機、汽輪發(fā)電機、核電站）制造過程中，對原材料和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中進行質(zhì)量控制。

2 超聲檢測工作原理和物理基礎(chǔ)

2.1 工作原理

超聲檢測主要利用超聲波在工件中傳播特性，聲波在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)分界面時會發(fā)生發(fā)射現(xiàn)象等。其工作原理是聲源產(chǎn)生的脈沖波進入到工件中，超聲波以一定方向和速度向前傳播，當遇到兩側(cè)聲阻抗不同的界面時部分聲波反射回來被檢測儀器接收，分析反射聲波波幅和位置等數(shù)據(jù)，進而評定工件好壞和存在缺陷大小、位置及性質(zhì)等信息，一般情況下發(fā)現(xiàn)缺陷和對其進行評估有以下三方面：（1）是否為來自缺陷的聲波信號和波幅；（2）入射聲波與接收聲波之間距離；（3）聲波通過材質(zhì)后的能量衰減。

2.2 物理基礎(chǔ)

超聲波是一種機械波，是機械振動在介質(zhì)中傳播。超聲檢測中，主要涉及到幾何聲學和物理聲學的一些定理和概念。如常規(guī)超聲利用幾何聲學中的反射、折射定律及波形轉(zhuǎn)換，衍射時差法和相控陣檢測技術(shù)主要利用幾何聲學中的反射、折射定律及物理聲學波的衍射和疊加等。機械波的描述主要物理有周期、頻率、波長和速度。其關(guān)系式為：C=λ×f

3 超聲波的衰減因素

3.1 擴散衰減

聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著波束的擴散，使波陣面不斷前進擴大，其傳播能量隨距離增加而逐漸減小的現(xiàn)象叫擴散衰減。擴散衰減取決于波陣面的形狀，它與介質(zhì)本身性質(zhì)無關(guān)。平面波波陣面為平面，因此波束不存在擴散，也就不存在擴散衰減。柱面波、球面波波束四周擴散故存在擴散衰減，擴散衰減與聲壓和傳播距離有關(guān)。

3.2 散射衰減

聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起的衰減稱為散射衰減。散射衰減與材質(zhì)的晶粒大小密切相關(guān)，在鑄鋼或奧氏體不銹鋼上超聲檢測時，材質(zhì)晶粒粗大，直接影響聲波的透聲率，大大提高了散射衰減，散射波沿著不同路徑傳播會探頭，會在示波器上顯示回波，降低信噪比，對缺陷評估造成極大困難。如圖1所示。

3.3 吸收衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時，因介質(zhì)中質(zhì)點間內(nèi)摩擦和熱傳導造成的聲波衰減，因此檢測過程中工件溫度發(fā)生變化時，聲波的能量傳播或多或少會被消耗。除了上述衰減之外，還有錯位衰減，磁疇壁引起的衰減及殘余應力引起的衰減等。

3.4 衰減系數(shù)

所謂衰減系數(shù)α，不考慮材質(zhì)溫度變化和波源的擴散衰減的影響，只考慮介質(zhì)的散射和吸收衰減，金屬材料等固體介質(zhì)而言，介質(zhì)衰減系數(shù)α等于散射衰減系數(shù)αs和吸收衰減系數(shù)αa之和[1]：α=αs+αa；αa=c1×f

式中：f-超聲波頻率；d-介質(zhì)的晶粒直徑；λ-波長；F-各向異性系數(shù)；C1、C2、C3、C4-常數(shù)。

通過衰減系數(shù)公式不難發(fā)現(xiàn)，聲波衰減不僅與介質(zhì)本身固有狀態(tài)有關(guān)，還與所選擇的聲波頻率有關(guān)。

4 檢測頻率的影響

由上述可知，材料衰減系數(shù)與檢測適用的頻率有關(guān)，在這里采用相同晶片尺寸，不同頻率（1-5MHz）的探頭對厚度大于200mm的鑄鋼件（ZG0Cr13Ni4Mo）進行衰減系數(shù)的測定，采用第一、第二底波反射波幅高度來測定，測試描述如圖2所示。

根據(jù)圖中兩次底波高度差來計算，兩次底波差值由擴散衰減、介質(zhì)衰減及反射損失引起的。因此計算公式為[2]：

式中B1、B2-為第一、第二底波高度；6-擴散衰減引起分貝差；δ-反射損失；x-工件厚度。

5 結(jié)束語

在鑄件超聲檢測中，考慮材質(zhì)衰減的影響，探頭頻率的選擇至關(guān)重要。衰減系數(shù)隨著頻率的增加而增加，對超聲檢測靈敏度影響極大。選擇適合的頻率探傷對產(chǎn)品好壞的評估尤為重要。鑄件縱波超聲檢測選擇1-2MHz探頭最佳，使用過低的探頭對發(fā)現(xiàn)小缺陷不利，采用過高頻率的探頭對材質(zhì)衰減系數(shù)影響大，影響檢測靈敏度。

參考文獻

[1]鄭暉.超聲檢測（2版）[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008. [2]馮若.超生手冊[M].南京：南京大學出版社，1999：105-107.

作者簡介：褚長春（1979-），男，工程師，無損檢測高級人員（三級），主要從事水輪發(fā)電機行業(yè)無損檢測和引進技術(shù)無損檢測資料的編輯工作。