對于球墨鑄鐵，超聲波表示這樣檢測很輕松
更新時間：2019-07-12???點擊次數(shù)：189次
球墨鑄鐵是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，正是由于其性能優(yōu)異，現(xiàn)已成功用于鑄造一些受力復(fù)雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。所謂“以鐵代鋼”，主要指的就是球墨鑄鐵。
球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，這樣有效地提高了鑄鐵的力學(xué)性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強度。球墨鑄鐵內(nèi)的圓形石墨球相比石墨薄片（灰鑄鐵內(nèi)）能夠更好的抵抗應(yīng)力集中，也因此能夠更好的阻止裂紋等缺陷的產(chǎn)生。對利用球墨鑄鐵制備的汽車關(guān)鍵安全部件進(jìn)行相關(guān)檢測，來驗證它們是否具有合理的球化率是十分重要的。因為這些部件即使出了一點小故障也可能會帶來極大的損失，甚至危及生命。
制造商通常使用一些破壞性檢測方法，例如微觀結(jié)構(gòu)分析法，來驗證樣品零件是否具有正確的球化率。但是，微觀結(jié)構(gòu)分析法除了對樣品具有破壞性以外，取樣也只占全部產(chǎn)品總量的很小一部分。而由球墨鑄鐵制備的汽車安全性關(guān)鍵零件，如用于制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零件，必須要對每個鑄件都進(jìn)行球化率驗證，因此無損檢測方法才是最佳的選擇。
超聲波速與球化率的關(guān)系
研究發(fā)現(xiàn)，超聲波縱波傳播速度會隨著球化率的降低而降低。生產(chǎn)球墨鑄鐵鑄件的鑄造廠一般都會設(shè)定聲波傳播速度的接受或拒絕極限，以確保鑄件產(chǎn)品具有所需的球化率。純鐵、球墨鑄鐵和灰鑄鐵中的聲速存在一定差異。通常，純鐵中聲波的傳播速度約為0.232英寸/微秒（in/μs），球墨鑄鐵中約為0.222 in/μs，灰鑄鐵中則約為0.192 in/μs。不同材料內(nèi)聲波的具體速度取決于合金組成、晶粒結(jié)構(gòu)和一些其他的工藝參數(shù)等。
超聲波對球化率的檢測
基于聲速與球化率之間的關(guān)系，超聲波無損檢測技術(shù)被視為是檢測鑄件零部件球化率的理想工具。
一般會先利用具有已知球化率的代表性“參考”標(biāo)準(zhǔn)鑄件對超聲波系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。用于參考的標(biāo)準(zhǔn)鑄件的幾何形狀必須在尺寸上能夠代表待檢測的生產(chǎn)部件。并使用千分尺或卡尺在檢測點上準(zhǔn)確的測量出參考鑄件的厚度，將該值輸入到測量軟件中用于計算聲速。具有單晶脈沖回波傳感器的超聲波測厚計和探傷儀可用于手動測量聲速。雖然手動檢測對于小批量零件進(jìn)行抽檢非常方便，但與專用的自動檢測系統(tǒng)相比檢測速度較慢，并且受操作人員的主觀影響較大。因此，手動檢測對于鑄造加工生產(chǎn)線中的大批量鑄造檢測來說，既不可取也不實際。
自動化超聲波檢測方案
生產(chǎn)線上鑄造產(chǎn)品的自動檢測系統(tǒng)一般由超聲波檢測儀器、特定的計算機軟件、超聲波換能器和數(shù)字輸入/輸出（IO）總線組成。
除了上述的超聲波硬件和軟件，該系統(tǒng)還采用了一個浸沒式水箱、一套精密零件專用檢測夾具、一種加載和卸載零件的特殊裝置（裝卸可由機器人手動或自動進(jìn)行）以及一套用于管理樣品且能根據(jù)檢測結(jié)果分離合格和不合格產(chǎn)品的控制系統(tǒng)。精密零件專用的檢測夾具安裝在浸沒式水箱中，用于固定鑄鐵樣品的相對位置（相對于超聲波換能器）。兩個相對的超聲換能器設(shè)置為一發(fā)一收（或投射傳輸）模式，測量所得到的超聲回波傳播時間并依次計算出聲速。
檢測位置必須是在鑄件上兩個平行且平坦的表面所在的區(qū)域上。測量精度一般取決于鑄件樣品的幾何形狀和鑄件相對于換能器的位置的準(zhǔn)確性。機械精度和夾具的清潔度對于獲取精確的檢測結(jié)果同樣很重要。磨損的裝置必須重新加工或更換才能繼續(xù)使用。發(fā)射和接收換能器之間的超聲波飛行時間（TOF）通過水路測量得出（在裝置中不加鑄件樣品）（圖中的TOF1）。接下來測量出代表鑄件兩側(cè)水路的飛行時間以及聲波在鑄件中完成一次往返所需的時間（圖中的TOF2）。隨后根據(jù)測量部件的厚度和兩個測量的TOF值即可計算出聲波的傳播速度。
因為溫度會影響聲速，所以浸入池水溫的變化會引起聲速測量精度的相應(yīng)變化。為了最大程度的減小這種影響，在檢測每個鑄件樣品后都會測量水中的聲速，并使用該信息來補償速度測量，從而提供不受水溫變化影響的精確結(jié)果。鑄件溫度的變化也會對測量精度產(chǎn)生影響，如果變化較大，則需要重新進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。
聲速測量系統(tǒng)可以快速方便地進(jìn)行調(diào)整，并且也需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)以保持測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)一般是使用具有已知球化率的參考鑄件材料對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)調(diào)整完成后，將系統(tǒng)切換到檢測模式即可以開始對生產(chǎn)鑄件進(jìn)行檢測，檢測速度可以達(dá)到每分鐘檢測15~30個鑄件，限制檢測速度的主要原因來自于鑄件裝卸所花費的時間。
測量開始后就是簡單的一個接一個地將鑄件樣品裝入液槽中的夾具上。所使用的特定軟件能夠通過基于加載鑄件時產(chǎn)生的超聲回波來識別鑄件的存在并自動觸發(fā)測量開關(guān)。將測量結(jié)果與預(yù)設(shè)的速度和厚度限制值進(jìn)行比較，系統(tǒng)能夠生成接受或拒絕決定，既作為屏幕上的指示，又作為控制系統(tǒng)的輸出信號。檢測后，鑄件從夾具中卸載下來并被分成合格和不合格組。
在檢測期間，可以通過用戶界面上的LED屏幕觀察檢測順序。接受/拒絕排序決定也會顯示在LED屏幕上，并在數(shù)字輸入/輸出總線上發(fā)出信號，顯示每個檢測鑄件的速度數(shù)值、厚度和水中聲速測量結(jié)果等信息。每個鑄件的測量值都會繪制在趨勢圖上。接受的和拒絕的零件數(shù)以及檢測的總零件數(shù)由用戶界面上的零件計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)和顯示。檢測結(jié)果最終可導(dǎo)出為CSV文件，用于離線文檔存儲和分析。
采用多通道系統(tǒng)則可以在相同的鑄件上進(jìn)行多次測量以及在獨立的加工生產(chǎn)線上進(jìn)行同時測量。通過獨立通道操作，操作人員可以在其他通道繼續(xù)檢測時對另一個通道進(jìn)行停止或調(diào)整操作。
缺陷檢測
除了聲速和厚度測量之外，還可以專門選擇通道來進(jìn)行與聲速測量并行的脈沖回波缺陷檢測。超聲波脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生高壓電脈沖，并被換能器轉(zhuǎn)換成高頻超聲。材料中的缺陷或者不連續(xù)處反射回來的信號通過換能器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大和處理，傳送到顯示器上。最終接收到的信號能夠用于計算缺陷的位置、尺寸和取向等。
總結(jié)
超聲波無損檢測技術(shù)為人們提供了一種可靠的測量聲速的方法，因此可以驗證球墨鑄鐵材料的球化率。將超聲波檢測技術(shù)集成到鑄造產(chǎn)品生產(chǎn)線上的自動化檢測系統(tǒng)中，可以快速、可靠地檢測100％的鑄造零件。
為了確保鑄件相對于超聲波換能器的位置始終保持一致，檢測還需要用到精密的機械固定裝置；特定的應(yīng)用軟件使用戶能夠輕松的調(diào)整系統(tǒng)并提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。
超聲波檢測技術(shù)除了具有聲速測量功能之外，還可以通過使用專用換能器和專用缺陷通道來檢測鑄件材料中的缺陷等信息。
球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，這樣有效地提高了鑄鐵的力學(xué)性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強度。球墨鑄鐵內(nèi)的圓形石墨球相比石墨薄片（灰鑄鐵內(nèi)）能夠更好的抵抗應(yīng)力集中，也因此能夠更好的阻止裂紋等缺陷的產(chǎn)生。對利用球墨鑄鐵制備的汽車關(guān)鍵安全部件進(jìn)行相關(guān)檢測，來驗證它們是否具有合理的球化率是十分重要的。因為這些部件即使出了一點小故障也可能會帶來極大的損失，甚至危及生命。
制造商通常使用一些破壞性檢測方法，例如微觀結(jié)構(gòu)分析法，來驗證樣品零件是否具有正確的球化率。但是，微觀結(jié)構(gòu)分析法除了對樣品具有破壞性以外，取樣也只占全部產(chǎn)品總量的很小一部分。而由球墨鑄鐵制備的汽車安全性關(guān)鍵零件，如用于制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零件，必須要對每個鑄件都進(jìn)行球化率驗證，因此無損檢測方法才是最佳的選擇。
超聲波速與球化率的關(guān)系
研究發(fā)現(xiàn)，超聲波縱波傳播速度會隨著球化率的降低而降低。生產(chǎn)球墨鑄鐵鑄件的鑄造廠一般都會設(shè)定聲波傳播速度的接受或拒絕極限，以確保鑄件產(chǎn)品具有所需的球化率。純鐵、球墨鑄鐵和灰鑄鐵中的聲速存在一定差異。通常，純鐵中聲波的傳播速度約為0.232英寸/微秒（in/μs），球墨鑄鐵中約為0.222 in/μs，灰鑄鐵中則約為0.192 in/μs。不同材料內(nèi)聲波的具體速度取決于合金組成、晶粒結(jié)構(gòu)和一些其他的工藝參數(shù)等。
超聲波對球化率的檢測
基于聲速與球化率之間的關(guān)系，超聲波無損檢測技術(shù)被視為是檢測鑄件零部件球化率的理想工具。
一般會先利用具有已知球化率的代表性“參考”標(biāo)準(zhǔn)鑄件對超聲波系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。用于參考的標(biāo)準(zhǔn)鑄件的幾何形狀必須在尺寸上能夠代表待檢測的生產(chǎn)部件。并使用千分尺或卡尺在檢測點上準(zhǔn)確的測量出參考鑄件的厚度，將該值輸入到測量軟件中用于計算聲速。具有單晶脈沖回波傳感器的超聲波測厚計和探傷儀可用于手動測量聲速。雖然手動檢測對于小批量零件進(jìn)行抽檢非常方便，但與專用的自動檢測系統(tǒng)相比檢測速度較慢，并且受操作人員的主觀影響較大。因此，手動檢測對于鑄造加工生產(chǎn)線中的大批量鑄造檢測來說，既不可取也不實際。
自動化超聲波檢測方案
生產(chǎn)線上鑄造產(chǎn)品的自動檢測系統(tǒng)一般由超聲波檢測儀器、特定的計算機軟件、超聲波換能器和數(shù)字輸入/輸出（IO）總線組成。
除了上述的超聲波硬件和軟件，該系統(tǒng)還采用了一個浸沒式水箱、一套精密零件專用檢測夾具、一種加載和卸載零件的特殊裝置（裝卸可由機器人手動或自動進(jìn)行）以及一套用于管理樣品且能根據(jù)檢測結(jié)果分離合格和不合格產(chǎn)品的控制系統(tǒng)。精密零件專用的檢測夾具安裝在浸沒式水箱中，用于固定鑄鐵樣品的相對位置（相對于超聲波換能器）。兩個相對的超聲換能器設(shè)置為一發(fā)一收（或投射傳輸）模式，測量所得到的超聲回波傳播時間并依次計算出聲速。
檢測位置必須是在鑄件上兩個平行且平坦的表面所在的區(qū)域上。測量精度一般取決于鑄件樣品的幾何形狀和鑄件相對于換能器的位置的準(zhǔn)確性。機械精度和夾具的清潔度對于獲取精確的檢測結(jié)果同樣很重要。磨損的裝置必須重新加工或更換才能繼續(xù)使用。發(fā)射和接收換能器之間的超聲波飛行時間（TOF）通過水路測量得出（在裝置中不加鑄件樣品）（圖中的TOF1）。接下來測量出代表鑄件兩側(cè)水路的飛行時間以及聲波在鑄件中完成一次往返所需的時間（圖中的TOF2）。隨后根據(jù)測量部件的厚度和兩個測量的TOF值即可計算出聲波的傳播速度。
因為溫度會影響聲速，所以浸入池水溫的變化會引起聲速測量精度的相應(yīng)變化。為了最大程度的減小這種影響，在檢測每個鑄件樣品后都會測量水中的聲速，并使用該信息來補償速度測量，從而提供不受水溫變化影響的精確結(jié)果。鑄件溫度的變化也會對測量精度產(chǎn)生影響，如果變化較大，則需要重新進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。
聲速測量系統(tǒng)可以快速方便地進(jìn)行調(diào)整，并且也需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)以保持測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)一般是使用具有已知球化率的參考鑄件材料對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)調(diào)整完成后，將系統(tǒng)切換到檢測模式即可以開始對生產(chǎn)鑄件進(jìn)行檢測，檢測速度可以達(dá)到每分鐘檢測15~30個鑄件，限制檢測速度的主要原因來自于鑄件裝卸所花費的時間。
測量開始后就是簡單的一個接一個地將鑄件樣品裝入液槽中的夾具上。所使用的特定軟件能夠通過基于加載鑄件時產(chǎn)生的超聲回波來識別鑄件的存在并自動觸發(fā)測量開關(guān)。將測量結(jié)果與預(yù)設(shè)的速度和厚度限制值進(jìn)行比較，系統(tǒng)能夠生成接受或拒絕決定，既作為屏幕上的指示，又作為控制系統(tǒng)的輸出信號。檢測后，鑄件從夾具中卸載下來并被分成合格和不合格組。
在檢測期間，可以通過用戶界面上的LED屏幕觀察檢測順序。接受/拒絕排序決定也會顯示在LED屏幕上，并在數(shù)字輸入/輸出總線上發(fā)出信號，顯示每個檢測鑄件的速度數(shù)值、厚度和水中聲速測量結(jié)果等信息。每個鑄件的測量值都會繪制在趨勢圖上。接受的和拒絕的零件數(shù)以及檢測的總零件數(shù)由用戶界面上的零件計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)和顯示。檢測結(jié)果最終可導(dǎo)出為CSV文件，用于離線文檔存儲和分析。
采用多通道系統(tǒng)則可以在相同的鑄件上進(jìn)行多次測量以及在獨立的加工生產(chǎn)線上進(jìn)行同時測量。通過獨立通道操作，操作人員可以在其他通道繼續(xù)檢測時對另一個通道進(jìn)行停止或調(diào)整操作。
缺陷檢測
除了聲速和厚度測量之外，還可以專門選擇通道來進(jìn)行與聲速測量并行的脈沖回波缺陷檢測。超聲波脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生高壓電脈沖，并被換能器轉(zhuǎn)換成高頻超聲。材料中的缺陷或者不連續(xù)處反射回來的信號通過換能器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大和處理，傳送到顯示器上。最終接收到的信號能夠用于計算缺陷的位置、尺寸和取向等。
總結(jié)
超聲波無損檢測技術(shù)為人們提供了一種可靠的測量聲速的方法，因此可以驗證球墨鑄鐵材料的球化率。將超聲波檢測技術(shù)集成到鑄造產(chǎn)品生產(chǎn)線上的自動化檢測系統(tǒng)中，可以快速、可靠地檢測100％的鑄造零件。
為了確保鑄件相對于超聲波換能器的位置始終保持一致，檢測還需要用到精密的機械固定裝置；特定的應(yīng)用軟件使用戶能夠輕松的調(diào)整系統(tǒng)并提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。
超聲波檢測技術(shù)除了具有聲速測量功能之外，還可以通過使用專用換能器和專用缺陷通道來檢測鑄件材料中的缺陷等信息。
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