零件缺陷的无损检测研究
零件缺陷的无损检测研究
无损检测技术在我国日常产品质量检验和大量在用工业和民用设备的检验中发挥了十分重要的作用。本文简述了铸件缺陷的种类和防止方法，国内外无损检测与评价技术发展的情况，超声波探伤与声发射检测的检测方法和应用领域。从而利用检测实验验证无损检测的可行性，结合检测结果总结出自己对无损检测的实际使用效果与应用前景的看法，比较超声波探伤与声发射检测两者各自的优缺点。
关键词 铸件缺陷，超声探伤，声发射，应用探究
1 引言 5
2 铸造零件的缺陷及其分析 5
2.1 常见的缺陷 5
2.2 产生的原因及其防止方法 5
3 国内外超声检测技术与设备的发展现状 7
4 拟采用的技术方案 8
5 超声波无损检测 8
5.1 无损检测设备及设备简介 8
5.2 无损检测材料及耦合剂 10
5.3 检测前的准备及仪器的调试 10
5.4 检测过程 11
5.5 检测采集数据及分析 12
5.6 超声波无损检测应用与探究 16
6 声发射无损检测 29
6.1 声发射简述 30
6.2 声发射原理 30
6.3 SAEU2S声发射系统 30
6.4 SAEU2S声发射系统检测前的准备 31
6.5 无损检测材料及实验数据采集 32
6.6 分析获取的信号 33
6.7 信号去噪分析 35
6.8 缺陷分析 40
6.9 其他零件的缺陷分析 42
6.10 声发射无损检测应用与探究 45
结论 47
致谢 48
参考文献 49
附录1
附录2
1 引言
无损检测技术已经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为5%，国防、宇航、原子能产品为12%-18% ，火箭为20%。例如，德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力：日本小汽车生产中30%零件采用无损检测后质量迅速超过美国。德国科学家认为，无损检测技术是机械工业的四大支柱之一。美国前总统里根曾说:“没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有在众多领域的领先地位”。可见现代工业是建立在无损检测基础上的说法并不为过。世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。
本课题以超声波和声发射两种无损检测手段对铸造零件的缺陷进行检测，从而建立铸造零件的缺陷检测特征与检测手段的联系。
2 铸造零件的缺陷及其分析
2.1常见的缺陷
由于浇铸铸件是受温度，空气，熔炉质量，浇铸手法等等因素的影响，铸件表面或内部常常伴有一些或大或小的缺陷，常见的缺陷有：气孔、疏松、针孔、表面气泡、接缝、起皮、铁豆、粗晶组织、 缩孔、缩松、冷热裂纹、材质硬化，浇不足、冷疤、夹杂物、夹渣滓、包砂、夹砂、石墨漂浮、粘砂；表面粗糙等。
2.2 产生原因与防止方法
（1）气孔
气孔产生的原因：金属液中产生气体的主要原因是熔化过程中金属液的氧化，金属液的氧化取决于所用的原材料及熔化气氛中带入的氧气，以及浇包未烘干、冷铁表面状态不适当（如有铁锈、大气中凝结的水分）等。
气孔防止方法：使用无锈和无粘附杂物的干净原材料。注意空气的进入，在熔化时还要根据熔化时设备采取适当的防止方法。关键在于避免过量的送风，并保证有适当的底焦高度。电炉熔化时存在着金属液与大气接触的问题，提高熔化温度是必不可少的措施。保持铸型内适宜的水分。使铸型中产生的气体能够从铸型中直接排出，设计铸造工艺时提高铸型的透气性，开设透气孔等等。
（2）疏松
呈分散状态分布，每个空洞的尺寸较小。疏松不一定出现在铸件的表层，铸件内部同样存在。形成疏松的原因与气孔大致一样，因此其防止方法克参照气孔的防治措施。
（3）针孔
针孔是一种在铸件表面局部区域存在，像针尖扎过的细小空洞的缺陷，往往出现于铸件的表层或皮下。产生原因与气孔和疏松一样，主要由金属液中的氧化物与碳反应生成的一氧化碳，或金属液与型砂接触而产生的气体，以及铸型中的水分等引起的，此外，在加入的孕育剂（硅铁合金等）未充分干燥，铝等特殊元素含量较多或浇铸在强还原性气氛中熔化的金属液等情况下，也较易产生针孔。
针孔防止方法：首先必须获得纯净的金属液，适当地降低浇铸温度，并尽可能地缩短浇铸时间。其次采用水分少的造型材料，以及避免在型砂中混入有机物等材料，是防止产生针孔的好方法。
（4）缩孔
铸件的缺陷中，缩孔的产生比例最高。由于金属从开始凝固直至冷却到室温时受冷热影响，一般都会产生一定体积地收缩，此时易产生缩孔的现象。
缩孔防止方法：设计铸件设计时减少壁厚差。设置合理多的冒口来补偿厚壁部分的凝固收缩。利用合适的材料加速厚壁部分的冷却。在可能的范围内提高碳硅含量，以促进石墨化。使用不含阻碍石墨化的杂质元素的优质材料。
（5）粗晶组织（缩松）
在厚壁处由于冷却缓慢，石墨得到了很好的成长，形成粗大组织，有时即使用肉眼也能看出断口颜色和光泽的差别。稍微粗点的组织并不是一种缺陷，但在壁厚极厚的铸件中，如果化学成分调整不当，往往呈现出极端粗大组织。如果此时再切断凝固收缩时的金属液补给，就会形成粗晶组织或缩松的缺陷。缩松的形成机理与缩孔一样，它的特点是在局部凝固迟的部位汇集了金属液中低熔点的物质，而这些物质收宿时已无法再得到金属液的补给。
防止方法与缩孔完全相同。
（6）浇不足，冷疤
浇入铸型的金属液不能完全浇到铸型的每个角落，而使边缘成圆角的情况称为浇不足。
最有效的防止方法是提高浇铸温度。此外，提高浇铸速度、抑制型砂和涂料等产生气体，以及使型内的气体顺利排出型外等也很重要。
（7）热裂、冷裂
热裂和冷裂的产生条件完全相同，都是由于金属液在凝固和冷却过程中存在着不均匀的冷却，使铸件的某一部分在膨胀、收缩阶段变形，产生内应力，当铸件经受不住这个应力时，便产生热裂和冷裂。热裂是铸件在达到室温前冷却过程中产生的裂纹。冷裂是冷却后形成的裂纹。
防止方法：设计铸件时尽量减少壁厚差。考虑壁厚不同时如何使整个铸件均匀冷却。铸型的强度不必过高，使铸型能顺利地适应铸件的收缩。
（8）其他缺陷
因型砂性能而产生的缺陷有包砂、夹砂、机械粘砂和表面粗糙等。其主要因素有：砂子的耐火度不够。 砂子粒度不恰当而引起的透气性差或表面粗糙。 粘结剂过多而使透气性不足。水分过多而造成强度不够等。
由于此类缺陷产生的原因大多与材料或砂子的质量有关，防止方法可以以选择合适的材料或砂子为主。
3 国内外超声检测技术与设备发展现状
随着电子技术的迅速发展,使超声波无损探伤技术和仪器也得到了相应发展与应用。早在1929年苏联萨哈诺夫提出利用穿透法检查固体内部结构,以后利用连续超声波在检测室研究成功。第二次世界大战期间,以声脉冲反射为基础的声纳设备在法国问世,并成功地用于水下潜艇检测。在声纳技术的基础上,美、英两国分别于1944年和1964年研制成功脉冲反射式超声波探伤仪,并逐步用于锻钢和厚钢板的探伤。1964年后,由于电子元器件和电子技术设计的进步,使超声波探伤技术有了较大的改进。70年代计算机技术的发展及介入,不仅提高了设备的抗干扰能力,而且利用计算机的运算功能,实现了对缺陷信号的自动读数、自动识别、自动补偿、定量和报警。80年代,随大规模集成电路和微机技术的快速发展。1983年德国Knsutknmer公司推出第一台便携式数字化超声波探伤仪USD I型,采用的是Z800CPU,尽管有许多不足,但已显示出数字化超声波探伤仪强大的生命力。
我国50年代初引进苏联超声波探伤仪, 60年代初期先后形成了一些批量生产的厂家, 80年代初,国内各生产厂研制生产的超声波探伤仪的主要技术招标均有大幅度地提高,较好地满足了超声波探伤技术的需要。我国便携式数字化超声波探伤仪的研制随大规模集成电路的发展也已开始形成规模生产,并得到推广使用。如1989年中科院武汉物理所武汉科声技术公司研制成功国内第一台全数字化超声波探伤仪(KS1010型) ,并于1990年批量推向市场,与此同时中科院声学所数字、模拟组合式电脑超声波探伤仪也研制成功并推向市场。汕头超声电子(集团)公司在1980年推出了CTS—22型超声波探伤仪,其主要性能指标与当时国际同类仪器水平相当,目前该公司已生产出智能式、手推式、便携式彩色、数字式的多种金属超声波探伤仪,其技术、质量、产销量均占全国首位。
4 拟采用的技术方案
（1）通过运用仪器进行超声波和声发射等无损检测检测，来了解无损检测的操作方法和检测技术；
（2）利用学校检测室的相关无损检测设备对包含缺陷的铸造零件进行检测和分析，得到相关的检测数据及其图像显示，比较两种方法的优缺点及适用的范围；
（3）在对比两种无损检测方法后，总结自己对铸件无损检测的感受及经验，对两种检测仪器的检测范围及应用场所进行评测，从而提高检测效率。
附 录 1
基于超声波的铸件状态检测研究
一、实验目的
1.了解超声探伤原理及Anyscan-30型数字超声波探伤仪的使用方法
2.利用超声波探伤仪采集铸件的无缺陷、裂纹、缩孔波形图。
3.利用DataView软件对采集的数据进行分析
二、工作原理
利用超声波在界面（声阻抗不同的两种介质的结合面）出的反射和折射以及超声波在介质中传播过程中的衰减，由发射探头向被检件发射超声波，由接收探头接收从界面（缺陷或本底）处反射回来超声波（反射法）或透过被检件后的透射波（透射法），以此检测备件部件是否存在缺陷，并对缺陷进行定位、定性与定量。
三、操作说明
1.实验前的准备
打开Anyscan-30仪器，在主菜单中设置基本参数，如图5.3所示。在基本子菜单中，根据超声波检测经验理论，检测范围一般为大于工件厚度的两倍，所以将范围调节到大于工件厚度的两倍；声速调节到5200 m/s；在测量过程中适度调节脉冲位移的距离是将生成的图像。在发/收子菜单中，将阻尼调节到最大；功率调节为高功率，其他参数不变。在探头子菜单中，将种类规格设置为本检测斜探头参数A2.5P13X13；探头延时不设置；角度/K值参考技术参数表为64.3°/2.08；前沿为13.6 mm。
无损检测技术在我国日常产品质量检验和大量在用工业和民用设备的检验中发挥了十分重要的作用。本文简述了铸件缺陷的种类和防止方法，国内外无损检测与评价技术发展的情况，超声波探伤与声发射检测的检测方法和应用领域。从而利用检测实验验证无损检测的可行性，结合检测结果总结出自己对无损检测的实际使用效果与应用前景的看法，比较超声波探伤与声发射检测两者各自的优缺点。
关键词 铸件缺陷，超声探伤，声发射，应用探究
1 引言 5
2 铸造零件的缺陷及其分析 5
2.1 常见的缺陷 5
2.2 产生的原因及其防止方法 5
3 国内外超声检测技术与设备的发展现状 7
4 拟采用的技术方案 8
5 超声波无损检测 8
5.1 无损检测设备及设备简介 8
5.2 无损检测材料及耦合剂 10
5.3 检测前的准备及仪器的调试 10
5.4 检测过程 11
5.5 检测采集数据及分析 12
5.6 超声波无损检测应用与探究 16
6 声发射无损检测 29
6.1 声发射简述 30
6.2 声发射原理 30
6.3 SAEU2S声发射系统 30
6.4 SAEU2S声发射系统检测前的准备 31
6.5 无损检测材料及实验数据采集 32
6.6 分析获取的信号 33
6.7 信号去噪分析 35
6.8 缺陷分析 40
6.9 其他零件的缺陷分析 42
6.10 声发射无损检测应用与探究 45
结论 47
致谢 48
参考文献 49
附录1
附录2
1 引言
无损检测技术已经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为5%，国防、宇航、原子能产品为12%-18% ，火箭为20%。例如，德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力：日本小汽车生产中30%零件采用无损检测后质量迅速超过美国。德国科学家认为，无损检测技术是机械工业的四大支柱之一。美国前总统里根曾说:“没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有在众多领域的领先地位”。可见现代工业是建立在无损检测基础上的说法并不为过。世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。
本课题以超声波和声发射两种无损检测手段对铸造零件的缺陷进行检测，从而建立铸造零件的缺陷检测特征与检测手段的联系。
2 铸造零件的缺陷及其分析
2.1常见的缺陷
由于浇铸铸件是受温度，空气，熔炉质量，浇铸手法等等因素的影响，铸件表面或内部常常伴有一些或大或小的缺陷，常见的缺陷有：气孔、疏松、针孔、表面气泡、接缝、起皮、铁豆、粗晶组织、 缩孔、缩松、冷热裂纹、材质硬化，浇不足、冷疤、夹杂物、夹渣滓、包砂、夹砂、石墨漂浮、粘砂；表面粗糙等。
2.2 产生原因与防止方法
（1）气孔
气孔产生的原因：金属液中产生气体的主要原因是熔化过程中金属液的氧化，金属液的氧化取决于所用的原材料及熔化气氛中带入的氧气，以及浇包未烘干、冷铁表面状态不适当（如有铁锈、大气中凝结的水分）等。
气孔防止方法：使用无锈和无粘附杂物的干净原材料。注意空气的进入，在熔化时还要根据熔化时设备采取适当的防止方法。关键在于避免过量的送风，并保证有适当的底焦高度。电炉熔化时存在着金属液与大气接触的问题，提高熔化温度是必不可少的措施。保持铸型内适宜的水分。使铸型中产生的气体能够从铸型中直接排出，设计铸造工艺时提高铸型的透气性，开设透气孔等等。
（2）疏松
呈分散状态分布，每个空洞的尺寸较小。疏松不一定出现在铸件的表层，铸件内部同样存在。形成疏松的原因与气孔大致一样，因此其防止方法克参照气孔的防治措施。
（3）针孔
针孔是一种在铸件表面局部区域存在，像针尖扎过的细小空洞的缺陷，往往出现于铸件的表层或皮下。产生原因与气孔和疏松一样，主要由金属液中的氧化物与碳反应生成的一氧化碳，或金属液与型砂接触而产生的气体，以及铸型中的水分等引起的，此外，在加入的孕育剂（硅铁合金等）未充分干燥，铝等特殊元素含量较多或浇铸在强还原性气氛中熔化的金属液等情况下，也较易产生针孔。
针孔防止方法：首先必须获得纯净的金属液，适当地降低浇铸温度，并尽可能地缩短浇铸时间。其次采用水分少的造型材料，以及避免在型砂中混入有机物等材料，是防止产生针孔的好方法。
（4）缩孔
铸件的缺陷中，缩孔的产生比例最高。由于金属从开始凝固直至冷却到室温时受冷热影响，一般都会产生一定体积地收缩，此时易产生缩孔的现象。
缩孔防止方法：设计铸件设计时减少壁厚差。设置合理多的冒口来补偿厚壁部分的凝固收缩。利用合适的材料加速厚壁部分的冷却。在可能的范围内提高碳硅含量，以促进石墨化。使用不含阻碍石墨化的杂质元素的优质材料。
（5）粗晶组织（缩松）
在厚壁处由于冷却缓慢，石墨得到了很好的成长，形成粗大组织，有时即使用肉眼也能看出断口颜色和光泽的差别。稍微粗点的组织并不是一种缺陷，但在壁厚极厚的铸件中，如果化学成分调整不当，往往呈现出极端粗大组织。如果此时再切断凝固收缩时的金属液补给，就会形成粗晶组织或缩松的缺陷。缩松的形成机理与缩孔一样，它的特点是在局部凝固迟的部位汇集了金属液中低熔点的物质，而这些物质收宿时已无法再得到金属液的补给。
防止方法与缩孔完全相同。
（6）浇不足，冷疤
浇入铸型的金属液不能完全浇到铸型的每个角落，而使边缘成圆角的情况称为浇不足。
最有效的防止方法是提高浇铸温度。此外，提高浇铸速度、抑制型砂和涂料等产生气体，以及使型内的气体顺利排出型外等也很重要。
（7）热裂、冷裂
热裂和冷裂的产生条件完全相同，都是由于金属液在凝固和冷却过程中存在着不均匀的冷却，使铸件的某一部分在膨胀、收缩阶段变形，产生内应力，当铸件经受不住这个应力时，便产生热裂和冷裂。热裂是铸件在达到室温前冷却过程中产生的裂纹。冷裂是冷却后形成的裂纹。
防止方法：设计铸件时尽量减少壁厚差。考虑壁厚不同时如何使整个铸件均匀冷却。铸型的强度不必过高，使铸型能顺利地适应铸件的收缩。
（8）其他缺陷
因型砂性能而产生的缺陷有包砂、夹砂、机械粘砂和表面粗糙等。其主要因素有：砂子的耐火度不够。 砂子粒度不恰当而引起的透气性差或表面粗糙。 粘结剂过多而使透气性不足。水分过多而造成强度不够等。
由于此类缺陷产生的原因大多与材料或砂子的质量有关，防止方法可以以选择合适的材料或砂子为主。
3 国内外超声检测技术与设备发展现状
随着电子技术的迅速发展,使超声波无损探伤技术和仪器也得到了相应发展与应用。早在1929年苏联萨哈诺夫提出利用穿透法检查固体内部结构,以后利用连续超声波在检测室研究成功。第二次世界大战期间,以声脉冲反射为基础的声纳设备在法国问世,并成功地用于水下潜艇检测。在声纳技术的基础上,美、英两国分别于1944年和1964年研制成功脉冲反射式超声波探伤仪,并逐步用于锻钢和厚钢板的探伤。1964年后,由于电子元器件和电子技术设计的进步,使超声波探伤技术有了较大的改进。70年代计算机技术的发展及介入,不仅提高了设备的抗干扰能力,而且利用计算机的运算功能,实现了对缺陷信号的自动读数、自动识别、自动补偿、定量和报警。80年代,随大规模集成电路和微机技术的快速发展。1983年德国Knsutknmer公司推出第一台便携式数字化超声波探伤仪USD I型,采用的是Z800CPU,尽管有许多不足,但已显示出数字化超声波探伤仪强大的生命力。
我国50年代初引进苏联超声波探伤仪, 60年代初期先后形成了一些批量生产的厂家, 80年代初,国内各生产厂研制生产的超声波探伤仪的主要技术招标均有大幅度地提高,较好地满足了超声波探伤技术的需要。我国便携式数字化超声波探伤仪的研制随大规模集成电路的发展也已开始形成规模生产,并得到推广使用。如1989年中科院武汉物理所武汉科声技术公司研制成功国内第一台全数字化超声波探伤仪(KS1010型) ,并于1990年批量推向市场,与此同时中科院声学所数字、模拟组合式电脑超声波探伤仪也研制成功并推向市场。汕头超声电子(集团)公司在1980年推出了CTS—22型超声波探伤仪,其主要性能指标与当时国际同类仪器水平相当,目前该公司已生产出智能式、手推式、便携式彩色、数字式的多种金属超声波探伤仪,其技术、质量、产销量均占全国首位。
4 拟采用的技术方案
（1）通过运用仪器进行超声波和声发射等无损检测检测，来了解无损检测的操作方法和检测技术；
（2）利用学校检测室的相关无损检测设备对包含缺陷的铸造零件进行检测和分析，得到相关的检测数据及其图像显示，比较两种方法的优缺点及适用的范围；
（3）在对比两种无损检测方法后，总结自己对铸件无损检测的感受及经验，对两种检测仪器的检测范围及应用场所进行评测，从而提高检测效率。
附 录 1
基于超声波的铸件状态检测研究
一、实验目的
1.了解超声探伤原理及Anyscan-30型数字超声波探伤仪的使用方法
2.利用超声波探伤仪采集铸件的无缺陷、裂纹、缩孔波形图。
3.利用DataView软件对采集的数据进行分析
二、工作原理
利用超声波在界面（声阻抗不同的两种介质的结合面）出的反射和折射以及超声波在介质中传播过程中的衰减，由发射探头向被检件发射超声波，由接收探头接收从界面（缺陷或本底）处反射回来超声波（反射法）或透过被检件后的透射波（透射法），以此检测备件部件是否存在缺陷，并对缺陷进行定位、定性与定量。
三、操作说明
1.实验前的准备
打开Anyscan-30仪器，在主菜单中设置基本参数，如图5.3所示。在基本子菜单中，根据超声波检测经验理论，检测范围一般为大于工件厚度的两倍，所以将范围调节到大于工件厚度的两倍；声速调节到5200 m/s；在测量过程中适度调节脉冲位移的距离是将生成的图像。在发/收子菜单中，将阻尼调节到最大；功率调节为高功率，其他参数不变。在探头子菜单中，将种类规格设置为本检测斜探头参数A2.5P13X13；探头延时不设置；角度/K值参考技术参数表为64.3°/2.08；前沿为13.6 mm。
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