影响铸件超声检测声波衰减的因素

摘 要：我公司的水轮机部件产品，大型工件基本上都是铸钢件，大型工件在铸造过程中常常因为控制难度大，过程中因其结晶温度范围宽容易产生缩松、热烈纹、偏析、疏松、晶粒粗大等问题，尤其粗晶问题，它直接影响超声检测结果准确性，很容易对缺陷产漏检或误判，对材质本身进行错误评估，同时粗晶会降低了材料的使用性能，在压力较大的使用条件下发生渗漏现象，且材料本身的力学性能及耐腐蚀性能将直线下滑。因此，在铸件检测过程中必须考虑声波衰减因素，衰减对超声波检测灵敏度有很大影响。

关键词：铸造；粗晶；衰减；超声检测

1 超声检测的发展和现状

采用超声波技术来对固体内部进行无损检测，开始于20世纪20、30年代，苏联科学家Sokolov率先提出了利用超声波技术检查金属内部缺陷的构想，在1935年发表了利用穿透法进行试验的成果，同时申请了材料中缺陷检测的权利。在这种条件下，第一种穿透法检测仪器应运而生，但该技术采用一发射和一接收探头，探头的摆放位置需要保持相对关系，因此应用范围受到了很大限制。随着该技术发展，在20世纪40年代，脉冲反射式超声波探伤仪的出现，给无损检测技术注入了新的生命力。近年来，超声检测技术层出不穷，从最初穿透式和A脉冲反射式超声仪器到数字式超声仪、衍射时差法超声仪、相控阵超声仪等，超声检测技术取得巨大的进步和发展，该技术在工业制造中已确立了极其重要的地位，广泛应用于钢铁工业，机器制造业、特种设备、船舶航天工业、核工业等重要工业部门。我们公司超声波技术主要应用在能源设备（水轮发电机、汽轮发电机、核电站）制造过程中，对原材料和产品生产过程中进行质量控制。

2 超声检测工作原理和物理基础

2.1 工作原理

超声检测主要利用超声波在工件中传播特性，声波在遇到声阻抗不同的两种介质分界面时会发生发射现象等。其工作原理是声源产生的脉冲波进入到工件中，超声波以一定方向和速度向前传播，当遇到两侧声阻抗不同的界面时部分声波反射回来被检测仪器接收，分析反射声波波幅和位置等数据，进而评定工件好坏和存在缺陷大小、位置及性质等信息，一般情况下发现缺陷和对其进行评估有以下三方面：（1）是否为来自缺陷的声波信号和波幅；（2）入射声波与接收声波之间距离；（3）声波通过材质后的能量衰减。

2.2 物理基础

超声波是一种机械波，是机械振动在介质中传播。超声检测中，主要涉及到几何声学和物理声学的一些定理和概念。如常规超声利用几何声学中的反射、折射定律及波形转换，衍射时差法和相控阵检测技术主要利用几何声学中的反射、折射定律及物理声学波的衍射和叠加等。机械波的描述主要物理有周期、频率、波长和速度。其关系式为：C=λ×f

3 超声波的衰减因素

3.1 扩散衰减

声波在介质中传播时，随着波束的扩散，使波阵面不断前进扩大，其传播能量随距离增加而逐渐减小的现象叫扩散衰减。扩散衰减取决于波阵面的形状，它与介质本身性质无关。平面波波阵面为平面，因此波束不存在扩散，也就不存在扩散衰减。柱面波、球面波波束四周扩散故存在扩散衰减，扩散衰减与声压和传播距离有关。

3.2 散射衰减

声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起的衰减称为散射衰减。散射衰减与材质的晶粒大小密切相关，在铸钢或奥氏体不锈钢上超声检测时，材质晶粒粗大，直接影响声波的透声率，大大提高了散射衰减，散射波沿着不同路径传播会探头，会在示波器上显示回波，降低信噪比，对缺陷评估造成极大困难。如图1所示。

3.3 吸收衰减

超声波在介质中传播时，因介质中质点间内摩擦和热传导造成的声波衰减，因此检测过程中工件温度发生变化时，声波的能量传播或多或少会被消耗。除了上述衰减之外，还有错位衰减，磁畴壁引起的衰减及残余应力引起的衰减等。

3.4 衰减系数

所谓衰减系数α，不考虑材质温度变化和波源的扩散衰减的影响，只考虑介质的散射和吸收衰减，金属材料等固体介质而言，介质衰减系数α等于散射衰减系数αs和吸收衰减系数αa之和[1]：α=αs+αa；αa=c1×f

式中：f-超声波频率；d-介质的晶粒直径；λ-波长；F-各向异性系数；C1、C2、C3、C4-常数。

通过衰减系数公式不难发现，声波衰减不仅与介质本身固有状态有关，还与所选择的声波频率有关。

4 检测频率的影响

由上述可知，材料衰减系数与检测适用的频率有关，在这里采用相同晶片尺寸，不同频率（1-5MHz）的探头对厚度大于200mm的铸钢件（ZG0Cr13Ni4Mo）进行衰减系数的测定，采用第一、第二底波反射波幅高度来测定，测试描述如图2所示。

根据图中两次底波高度差来计算，两次底波差值由扩散衰减、介质衰减及反射损失引起的。因此计算公式为[2]：

式中B1、B2-为第一、第二底波高度；6-扩散衰减引起分贝差；δ-反射损失；x-工件厚度。

5 结束语

在铸件超声检测中，考虑材质衰减的影响，探头频率的选择至关重要。衰减系数随着频率的增加而增加，对超声检测灵敏度影响极大。选择适合的频率探伤对产品好坏的评估尤为重要。铸件纵波超声检测选择1-2MHz探头最佳，使用过低的探头对发现小缺陷不利，采用过高频率的探头对材质衰减系数影响大，影响检测灵敏度。

参考文献

[1]郑晖.超声检测（2版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008. [2]冯若.超生手册[M].南京：南京大学出版社，1999：105-107.

作者简介：褚长春（1979-），男，工程师，无损检测高级人员（三级），主要从事水轮发电机行业无损检测和引进技术无损检测资料的编辑工作。