关键词： 超声波检测 铸件 自动检测
一、概况简介
许多压铸件组织具有内部孔隙问题。大量气孔中的气量像液态金属似的流经镜头套筒与转轮。铝合金铸件的孔隙一般看起来像充满空气的圆形孔或细长突状孔。尽管铸件次表面的缺陷并非总是预先确定的，一般不易想到的，因为它可能减小铸件中的应力，并且如果表面开裂，则有可能导致缺漏。
目前，超声、X射线、渗透、涡流、磁粉检测用于不同领域的大部分铸造产品。利用超声波检测铸件，以发现铸造缺陷，如：缩孔、通孔、气孔、夹杂、偏析和裂纹。超声检测保证铸件的质量，并且简单设计的超声波铸件检测是有用的，回波波形就是有力的说明。利用脉冲回波法或者穿透法以确定缺陷的存在，其位置、当量尺寸和缺陷评级。
铸件超声波检测的主要局限在于铸件的尺寸、形状、厚度、表面粗糙度和缺陷定位。铸件的冶金结构比如粗晶粒结构引起强烈的声束衰减。接触法和水浸法两者都可以用于铸件缺陷检测。粗糙、无规则形状的铸件采用水浸法。因此，在这种情况下，对于部分样品中有粗糙表面的采用水浸检测系统。此外，对抽样铸件采用不同检测频率进行接触法检测。用以证明它是不是检测表面粗糙压铸件的可行技术。
二、超声波检测
超声波检测广泛被采用于缺陷检测，它的声波频率超过人的听觉范围（大于20KHz。超声检测相对于其它几种检测方法在焊缝表层以下的缺陷定位及产品质量控制方面起着重要的作用。超声波检测的优势在于缺陷的识别，比如气孔、夹杂和裂纹。
为了增大超声波检测的可靠性，研究者进行了大量的试验。其中遇到了不同铸件材料的热传导性和逐渐晶粒方向等问题。在1985至1987年间，卡帕玛研究了铸件结构对超声波传播方向的影响。他们也研究了待检工件的材料特性改变超声波的传播速度和声束偏斜。纳里根证实：超声波检测仪可用于探测铸件内部缺陷。然而，为了在车间应用，检测员应具备经验和参考标准来可靠得解释回波。大量的试验涉及铸件厚度测量和材料分析，也进行了铸件缺陷检测。在相对简单的铸件几何形状、光滑的表面和适合的检测仪的情况下，纳里根开始进行自动检测缺陷。
三、部分样品
举例说明：在手动变速器中发现次表面间断。在轴承和密封处周围存在大量孔隙的危险区域需要检测。孔隙可造成含流体的部分泄漏，以及工具破损，而导致不合格并付出惨痛代价的惩罚。这种铸件复杂、昂贵，而且因为大量的加工要求而往往有重要的价值。同时，这类铸件通常是一个复杂装备的一部分，从而进一步增加了价值。另一个铸件样品油底壳结构，由于门区的孔隙导致泄漏问题。门区是最后一个要巩固的区域，在本区收缩会导致孔隙。孔隙问题由于门区移除而进一步加剧。这使许多孔隙暴露在外，并造成粗糙表面开孔达2-3毫米。如果出现裂纹并扩大到其他区域，结果就是泄漏。
现代铝合金设计技术，铸件的机械强度通常不是问题。铸件很少会破损。更有可能发生的问题是由于次表面开裂间断而导致泄漏。汽车中的铸件往往受到液体的压力，包括变速机油、发动机油、冷却液等。因此，检测能导致泄露；呕的孔隙和其它缺陷是重要的。
两个试件样品的材料成分大致相同，由铝、硅、铁、钢、锰和镁元素基本构成，除了上述元素外，铝合金中还有不到1%的钛、铬、钙和硼元素。
四、材料特性
材料特性影响超声波检测频率的灵敏度。缺陷越小越要求高频率的超声波来检测。不幸的是，高频率也抑制了工件中信号高衰减率。当检测被检试件时，由于材料的粗晶粒结构而导致检测信号的衰减。为了减小超声波衰减，应采用较低频率的探头。然而，如果超声波检测频率太低（小于2MHz），则超声检测能力将减弱。而且，为了增大超声波信号幅度，探头尺寸应不能太小（直径≥5mm）。由于表面粗糙影响超声波进入工件的能力，需要耦合剂使工件表面光滑以便探头检测，这将使超声波更好的透入。在这项研究中，采用直声束和斜声束脉冲回波法，并且传播时间和信号幅度随反射信号改变来判断超声波受缺陷影响。这项研究采用的仪器是EPOCHⅢ型缺陷检测仪，探头频率为10MHz～20MHz（小厚度铸件和表面粗糙度的补偿）。一旦选择超声波水浸检测就选择相应的仪器和探头。研究者采用适当的检测方法并且用射线检测验证试验结果。
采用超声水浸检测技术检测表面光滑的铝压铸件中的孔隙，并且应用容量分析来确定气孔。
五、试验设置
全自动超声波检测技术包括全浸法检测已被广泛采用，如本文所述。这就需要一个放置水和检测区域上方浸水的检测仪的容器。这项研究的试验设置包括缺陷检测仪（EPOCHⅢ型），10MHz～20MHz的水浸探头，一个水容器，定标试块，探头夹持装置和探头处理装置。特殊探头夹持装置的设计过程中，采用PROTEL99，CAD软件。设计主要考虑的因素是探头处理装置能承受的总载荷，静态4.0kg和动态2.5kg，以及易于处理的探头。最后的设置装置质量为1.25kg。两束声束射在探头夹持装置超声聚焦探头的浸入部分。抽样铸件浸入在水容器中，探头夹持装置放置在铸件上面，在这里开始检测并且读取检测仪中的数据。
六、结果
接触法超声波检测，检测频率采用5MHz～10MHz。部分样品的部位无底面回波，用斜探头接触检测，采用不同的斜楔角（30°、45°、60°和70°）。由于表面粗糙，在铸件表面很难移动探头。接触法检测试验，研究者认为：较难取得令人满意的结果。因此，采用水浸法检测时间。
在进行水浸法检测之前需要定标，对探头夹持装置和其他的超声设备。这些定标是为了保证试验结果的精确性和重复性。
同样，对于样品铸件无缺陷处和有缺陷处进行超声波信号的定标。本试验，超声信号从特殊位置获取3个设备20次。只有在特殊点当探头夹持装置从水中出来和返回去时发生改变，气泡就会在探头端面形成。因此在测量过程中就会出现超声信号下降。否则，仅有轻微的±1dB变化 。
检测铝铸件的适当速度范围取决于多次超声波检测时的工件反射波最大幅度。抽样压铸件超声波检测速度为6256米/秒。那么，超声波声束聚焦在铸件底面，得到铝中超声波最大幅度。这是为了保证探头垂直底面。由于72%超声波在水/铝界面发生反射，这些试验是为了确保剩余的28%的超声波能以最大的信号幅度射入铝样品。探头距离试件的距离称为水径距离。水径距离由方程式1得到：
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（1）
F：焦距=25.4 mm
MP：工件厚度（mm）
Vm：工件中超声波速度6256m/s
Vw：水中超声波速度1480 m/s
前一节所述抽样铸件水浸检测试验，在铸件样品的60个不同位置得出优化水径距离和探头频率的结果。在10MHz和7.5mm水径距离下，由于表面粗糙15%超声波损失而得到85%的回波信号。从图1可知，10MHz和7.5mm水径距离相比于20MHz，7.5mm至17mm范围的水径距离（利用方程（1）计算）能获得最大的回波信号。
水浸检测试验结果验证了X射线检测。
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图1 水径距离和探头频率优化（在工件的60个不同位置）
七、结论和将来工作
文献显示，目前已很少研究铝压铸件超声波水浸检测技术。目前研究的主要结论：
·仪器定标是必要的，以确保检测结果的可靠性；
·接触法检测结果表明，对于粗糙表面的工件很难进行检测；
·最后，仔细选择工件中超声波速度，水径距离，以及检测频率来确保压铸件有效超声检测。
在今后的工作中，研究者结合当前的试验仪器和程序，制定有效的压铸件检测，并进行缺陷的分类。
论文作者:李根, 段化超,李宁, 蔡新刚
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年2期
论文发表时间:2020/3/16
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