[发明专利]改进已制成的机器零件锻件的超声检查覆盖范围的方法

说明书

技术领域

本申请通常涉及为形成机械加工的零件而产生锻件包封(forging envelope)，其允许超声检查覆盖范围来检测已制成零件内的缺陷。

背景技术

设计锻件需要构造锻件包封，以便从该锻件机械加工成的已完成机器零件 的所有体积在适当的方向并以指定的灵敏度接受超声检查，以确保检测到在铸 块熔化、锻造和热处理过程中有可能引入的内部缺陷。额外的材料必须被添加 到已制成的机器零件形状以构造一铸件形状，其考虑到各种换能器死区和几何 边界反射，这些边界反射阻碍了采用超声检测法进行的缺陷检测。

在当前存在的系统中，额外的材料通常被添加到锻件中以允许可能出现的 机械加工误差和处理缺陷。为航空和航天工业制造的锻件采用液浸超声检测法 进行检查，其通过在水中脉动换能器而减少了换能器死区。水用于在声音进入 锻件前，耗尽换能器死区。然而，仍然存在可能防碍靠近锻件表面的缺陷检测 的大界面反射。在现有的系统中，常见的就是设计包括足够多材料的锻件，以 允许这种大信号响应在声音进入已制成的机器零件前渐渐消失。这些锻件通常 采用高换能器振荡频率以及聚焦束进行检测，这减少了由于水-金属界面而引起 的死区。

然而，这些液浸技术不能有效地用于较大尺寸的锻件。例如，在现有的系 统中，为发电应用而设计的大锻件通常采用接触式超声方法进行检查，其中， 换能器直接耦合到锻件。这是由于锻件较重的重量和尺寸将需要大得多的浸入 箱和零件操作设备，这样不节省成本。通常使用较低的换能器振荡频率和未聚 焦的探头，这是因为锻件的尺寸需要更高的声传输能量进入锻件中，以补偿增 加的衰减并且在可接受的时间范围内扫描大零件。

现存系统具有的另一问题就是当在锻件包封中包含台阶以减小锻件的重量 和成本时，这些台阶可能干扰超声检测并引入不能被检查的区域。在轴向锻造 的盘型锻件上，需要在锻件每一侧上正确对准这些台阶，从而使较少区域被超 声检测所遗漏。在径向锻造的长圆柱形锻件上，这些台阶可以在超声检测期间 被重新机械加工，以获得改进的检查覆盖范围。

问题是，对于在轴向锻造和检测的盘形锻件而言，由于锻件包封中的台阶 而必须被添加的额外原料量被忽视，并且不能将小缺陷从大的后壁反射中分离 出来。这些锻件有时也在两个相反的轴向被检测，而没有充分考虑到由于较大 后壁回波中较小缺陷响应的分辨率而产生的死区。

因此，需要这样一种系统和方法，其用于确定将额外材料正确应用到锻件 包封，以便为该锻件产生实现改进的超声检查覆盖范围所需的几何形状。

发明内容

本发明通过这样一种系统和方法而实现了上面列出的这些需要，其可以改 进锻件形状设计，以实现改进的超声检查覆盖范围。本发明这样做的方法提供 了比现有技术的方法大得多的检查覆盖范围，并且从检查中提供了更加精确的 结果。

在熔化和锻造过程中可能产生许多类型的缺陷。这些可以包括与熔化相关 的夹杂物和化学偏析、锻件暴裂和折痕、热处理淬裂等。与熔化相关的缺陷趋 于在锻造过程中将自身与材料流线对准，而锻造缺陷趋于多方向的。为了使超 声检测最有效，声束的方向应当垂直于缺陷的取向。而且，超声换能器的中心 线被定位在锻件包封上，从而使已制成的机器零件的整个体积在主要方向上被 沿着换能器轴的超声束的最大能量点扫描。添加额外的材料构造锻件包封必须 考虑靠锻造过程和材料流线，以便超声检测在最有效的方向进行缺陷检测。该 方向通常与最后的锻造操作方向相同。

与最无损检测模式一样，超声检测具有内在的局限性，这可能限制了其在 特定条件下检测缺陷的能力。靠近锻件边缘，情况尤其如此，在锻件边缘不能 将来自部件内缺陷的声能的少量反射从来自被测机械加工零件的壁反射的声能 的大得多的内部反射中分辨出来。此外，在表面下直接被检测的是材料体，通 常称为换能器死区，在这里由于零件表面的大界面反射、探针的几何限制或者 与换能器或仪器保护电路的起始脉冲有关的恢复时间，缺陷不能被检测。换能 器死区也通常称为起始脉冲长度。