對(duì)于球墨鑄鐵，超聲波表示這樣檢測(cè)很輕松

球墨鑄鐵是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)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(qiáng)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(guò)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(qiáng)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。

汽車(chē)上常用的幾種球墨鑄鐵產(chǎn)品

對(duì)利用球墨鑄鐵制備的汽車(chē)關(guān)鍵安全部件進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，來(lái)驗(yàn)證它們是否具有合理的球化率是十分重要的。因?yàn)檫@些部件即使出了一點(diǎn)小故障也可能會(huì)帶來(lái)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(cè)方法，例如微觀結(jié)構(gòu)分析法，來(lái)驗(yàn)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(duì)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(chē)安全性關(guān)鍵零件，如用于制動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零件，必須要對(duì)每個(gè)鑄件都進(jìn)行球化率驗(yàn)證，因此無(wú)損檢測(cè)方法才是的選擇。

研究發(fā)現(xiàn)，超聲波縱波傳播速度會(huì)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(huì)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0.222in/μs，灰鑄鐵中則約為0.192in/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。

基于聲速與球化率之間的關(guān)系，超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被視為是檢測(cè)鑄件零部件球化率的理想工具。

一般會(huì)先利用具有已知球化率的代表性“參考”標(biāo)準(zhǔn)鑄件對(duì)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(cè)的生產(chǎn)部件。并使用千分尺或卡尺在檢測(cè)點(diǎn)上準(zhǔn)確的測(cè)量出參考鑄件的厚度，將該值輸入到測(cè)量軟件中用于計(jì)算聲速。

超聲波檢測(cè)裝置的軟件界面

來(lái)自參考鑄件樣品的超聲回波

在超聲波檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面設(shè)置檢測(cè)樣品的聲速和厚度極限值

具有單晶脈沖回波傳感器的超聲波測(cè)厚計(jì)和探傷儀可用于手動(dòng)測(cè)量聲速。雖然手動(dòng)檢測(cè)對(duì)于小批量零件進(jìn)行抽檢非常方便，但與的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)相比檢測(cè)速度較慢，并且受操作人員的主觀影響較大。因此，手動(dòng)檢測(cè)對(duì)于鑄造加工生產(chǎn)線(xiàn)中的大批量鑄造檢測(cè)來(lái)說(shuō)，既不可取也不實(shí)際。

生產(chǎn)線(xiàn)上鑄造產(chǎn)品的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)一般由超聲波檢測(cè)儀器、特定的計(jì)算機(jī)軟件、超聲波換能器和數(shù)字輸入/輸出（IO）總線(xiàn)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(gè)浸沒(méi)式水箱、一套精密零件檢測(cè)夾具、一種加載和卸載零件的特殊裝置（裝卸可由機(jī)器人手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行）以及一套用于管理樣品且能根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分離合格和不合格產(chǎn)品的控制系統(tǒng)。

液槽中的檢測(cè)裝置

精密零件的檢測(cè)夾具安裝在浸沒(méi)式水箱中，用于固定鑄鐵樣品的相對(duì)位置（相對(duì)于超聲波換能器）。兩個(gè)相對(duì)的超聲換能器設(shè)置為一發(fā)一收（或投射傳輸）模式，測(cè)量所得到的超聲回波傳播時(shí)間并依次計(jì)算出聲速。

檢測(cè)位置必須是在鑄件上兩個(gè)平行且平坦的表面所在的區(qū)域上。測(cè)量精度一般取決于鑄件樣品的幾何形狀和鑄件相對(duì)于換能器的位置的準(zhǔn)確性。機(jī)械精度和夾具的清潔度對(duì)于獲取精確的檢測(cè)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。

測(cè)量的基本原理如下圖所示。發(fā)射和接收換能器之間的超聲波飛行時(shí)間（TOF）通過(guò)水路測(cè)量得出（在裝置中不加鑄件樣品）（圖中的TOF1）。接下來(lái)測(cè)量出代表鑄件兩側(cè)水路的飛行時(shí)間以及聲波在鑄件中完成一次往返所需的時(shí)間（圖中的TOF2）。隨后根據(jù)測(cè)量部件的厚度和兩個(gè)測(cè)量的TOF值即可計(jì)算出聲波的傳播速度。

聲速測(cè)量原理示意圖

在調(diào)整界面輸入?yún)⒖艰T件的序列號(hào)、厚度以及聲速等信息

夾具上沒(méi)有鑄件樣品（只有水）時(shí)測(cè)量的超聲波飛行時(shí)間TOF1

夾具上加載好檢測(cè)樣品后測(cè)出的超聲波飛行時(shí)間TOF2值

因?yàn)闇囟葧?huì)影響聲速，所以浸入池水溫的變化會(huì)引起聲速測(cè)量精度的相應(yīng)變化。為了的減小這種影響，在檢測(cè)每個(gè)鑄件樣品后都會(huì)測(cè)量水中的聲速，并使用該信息來(lái)補(bǔ)償速度測(cè)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(huì)對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

系統(tǒng)調(diào)整好后，屏幕顯示出測(cè)量結(jié)果并指示校準(zhǔn)完畢

當(dāng)調(diào)整完成后，將系統(tǒng)切換到檢測(cè)模式即可以開(kāi)始對(duì)生產(chǎn)鑄件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)速度可以達(dá)到每分鐘檢測(cè)15~30個(gè)鑄件，限制檢測(cè)速度的主要原因來(lái)自于鑄件裝卸所花費(fèi)的時(shí)間。

測(cè)量開(kāi)始后就是簡(jiǎn)單的一個(gè)接一個(gè)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(guò)基于加載鑄件時(shí)產(chǎn)生的超聲回波來(lái)識(shí)別鑄件的存在并自動(dòng)觸發(fā)測(cè)量開(kāi)關(guān)。將測(cè)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(hào)。檢測(cè)后，鑄件從夾具中卸載下來(lái)并被分成合格和不合格組。

操作人員正在手動(dòng)加載檢測(cè)樣品

自動(dòng)加載及卸載檢測(cè)樣品

在檢測(cè)期間，可以通過(guò)用戶(hù)界面上的LED屏幕觀察檢測(cè)順序。接受/拒絕排序決定也會(huì)顯示在LED屏幕上，并在數(shù)字輸入/輸出總線(xiàn)上發(fā)出信號(hào)，顯示每個(gè)檢測(cè)鑄件的速度數(shù)值、厚度和水中聲速測(cè)量結(jié)果等信息。每個(gè)鑄件的測(cè)量值都會(huì)繪制在趨勢(shì)圖上。接受的和拒絕的零件數(shù)以及檢測(cè)的總零件數(shù)由用戶(hù)界面上的零件計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示。檢測(cè)結(jié)果終可導(dǎo)出為CSV文件，用于離線(xiàn)文檔存儲(chǔ)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(cè)量以及在獨(dú)立的加工生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。通過(guò)獨(dú)立通道操作，操作人員可以在其他通道繼續(xù)檢測(cè)時(shí)對(duì)另一個(gè)通道進(jìn)行停止或調(diào)整操作。

用戶(hù)界面上顯示的測(cè)量趨勢(shì)圖、測(cè)量序號(hào)以及測(cè)量結(jié)果等信息

多通道系統(tǒng)用戶(hù)界面顯示4個(gè)活躍通道

除了聲速和厚度測(cè)量之外，還可以專(zhuān)門(mén)選擇通道來(lái)進(jìn)行與聲速測(cè)量并行的脈沖回波缺陷檢測(cè)。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(lái)的信號(hào)通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和處理，傳送到顯示器上。接收到的信號(hào)能夠用于計(jì)算缺陷的位置、尺寸和取向等。

缺陷檢測(cè)

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)為人們提供了一種可靠的測(cè)量聲速的方法，因此可以驗(yàn)證球墨鑄鐵材料的球化率。將超聲波檢測(cè)技術(shù)集成到鑄造產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)上的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)中，可以快速、可靠地檢測(cè)的鑄造零件。

為了確保鑄件相對(duì)于超聲波換能器的位置始終保持一致，檢測(cè)還需要用到精密的機(jī)械固定裝置；特定的應(yīng)用軟件使用戶(hù)能夠輕松的調(diào)整系統(tǒng)并提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

超聲波檢測(cè)技術(shù)除了具有聲速測(cè)量功能之外，還可以通過(guò)使用換能器和缺陷通道來(lái)檢測(cè)鑄件材料中的缺陷等信息。