技术领域本发明涉及装备制造业中的无损检测技术领域，具体涉及一种大型奥氏体不锈钢锻件超声波探伤技术及其应用，该技术应用于截面厚度≥600mm的大型奥氏体不锈钢锻件。
背景技术：
我国自行设计制造的核三代主泵，其热屏零件采用锻件加工制造。其锻造后粗加工尺寸为Φ1475/Φ200×400mm，直径方向壁厚达到了637mm。在核主泵一回路水系统中，热屏零件的一端处于高温高压并有放射性辐照的环境中，另一端则在常温无辐照的水环境中，起到隔离热量、隔绝一回路水系统，防止热量传入电机的作用，是关键功能部件。采用ASMESA-965MF304材料制造，锻造后加工出Φ200内孔，外形为中间带孔的圆饼型锻件，表面粗加工后进行超声波探伤检验。超声波检测可探测厚度较大的材料，且具有检测速度快、费用低并能对缺陷进行定位和定量、对人体无害以及对危害性较大的面积型缺陷的检测灵敏度较高等优点。因此，超声波检测已经发展成一种很重要的无损检测方法，在生产实践中得到了广泛的应用。奥氏体不锈钢大型锻件因其具有优良的可锻造性能、耐腐蚀性能、高温力学性能和低的应力集中等，被广泛应用在核电及石化行业，这种锻件对设备的运行可靠与安全保证起到了非常重要的作用。因此产品在制造过程中的内部质量检验是非常重要的环节。根据产品制造与验收的设计技术规范，热屏锻件采用ASME标准NB分卷NB-2500进行直射波和斜射波两种波形的超声波探伤检验，直射波验收标准应满足NB-2542和ASMESA-745M的要求，斜射波验收标准应满足NB-2542和ASMESA-745M的QA-1级的要求。超声波在奥氏体粗晶组织晶界上的散射衰减会引起林状回波，使信噪比下降，再加上尺寸的原因，超声波穿透能力会显著降低，严重时噪声会淹没缺陷波；而奥氏体组织的各向异性，会使超声波的声速和传播方向发生改变，造成误判。目前，对于截面厚度在600mm的大型奥氏体不锈钢锻件的超声波探伤技术还没有报道，如何通过检验来控制产品的质量，是大型奥氏体不锈钢锻件在核电及石化等领域广泛应用的重要手段。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种大型奥氏体不锈钢锻件超声波探伤技术及其应用，该技术根据超声波探伤原理、锻件结构和奥氏体不锈钢粗晶的特点研究制定，可应用于截面厚度≥600mm的奥氏体不锈钢锻件的缺陷检验。本发明所采用的技术方案如下：一种大型奥氏体不锈钢锻件超声波探伤技术，包括如下步骤：(1)探伤设备的选择：选用脉冲式A型显示探伤仪，探头选择直探头和纵波斜探头，其中：直探头的探头频率采用2.5MHz；纵波斜探头是由直探头加透声斜楔组成，透声斜楔由聚砜材料制成，纵波斜探头的压电晶片尺寸为Φ25.0mm，纵波角度选择5-13°，探头频率小于2.5MHz；(2)参考试块的设计：参考试块采用与被检工件同炉同批次的试块制造，包括直射波的参考试块和斜射波的参考试块，其中：直射波的参考试块采用平底孔试块，斜射波的参考试块采用V型槽试块；(3)超声波探伤检测：将被检工件进行预处理后，先将超声波探伤仪的水平线性在参考试块上进行校准；然后进行检验：直探头在工件的两端面和外侧面进行100％体积扫查，利用直射波的参考试块上不同深度的Φ3mm平底孔制作DAC曲线确定直射波的灵敏度；纵波斜探头对外侧面进行扫查，并在圆周方面上按照顺时针和逆时针方向各扫查一次，利用斜射波的参考试块上的V型槽制作DAC曲线确定斜射波的灵敏度；探头的扫查速度小于150mm/s。步骤(1)中，纵波斜探头的探头频率为2MHz。步骤(2)中，所述平底孔试块是指试块上具有一组不同深度的平底孔，所述V型槽试块是指试块上具有最大表面处长度为25mm、槽深度为试块厚度的3％并具有60-70°夹角的V型槽。步骤(3)中，所述预处理过程为：被检工件表面经粗加工，使其粗糙度Ra≤6.3μm，保证探伤表面无划伤及影响探头盈动的氧化皮、油漆或其他污物。步骤(3)中，被检工件上所用耦合剂中卤素的总含量应不大于250ppm。本发明超声波探伤技术应用于截面厚度≥600mm的奥氏体不锈钢棒材，如：核主泵用热屏零件。与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点：1、核电站一级设备屏蔽主泵的热屏奥氏体不锈钢超大型锻件经本发明的超声波探伤检测技术，保证锻件内部质量达到ASMENB核一级设备要求的质量。2、通过本发明工艺进行无损探伤后，截面厚度达620mm的奥氏体不锈钢超厚超大型锻件的内部质量检验无死角，确保超大超厚的粗晶材料的内部缺陷能够完全检测到。附图说明图1为热屏锻件的外形尺寸图。图2为直探头检测参考试块；其中：(a)正视图；(b)俯视图。图3为纵波斜探头检测参考试块；其中：(a)正视图；(b)俯视图。图4为热屏锻件超声波探伤检测图，图中“○”表示直探头，“□”表示纵波斜探头。图5为实施例2和对比例1热屏锻件超声波探伤检测图。具体实施方式本发明提供一种大型奥氏体不锈钢锻件超声波探伤技术，其适用于截面厚度≥600mm的奥氏体不锈钢棒材(锻件)，如：核主泵用热屏零件。所述截面厚度是指棒材的横截面半径(实心棒材)或外圆半径与内圆半径的差值(空心棒材)。该超声波探伤技术包括探伤设备的选择、参考试块的设计以及超声波探伤检测过程。具体如下：1、探伤设备的选择：(1)超声波探伤仪的选择超声波探伤仪是超声波检测的主体设备，它的作用是产生电震荡并加于换能器—探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定的方式显示出来，从而得到被检工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小的信息。本发明选用脉冲式A型显示探伤仪，型号为SIUICTS-3020。该设备最大探测范围达6000mm，工作频率范围0.5～15MHz，灵敏度余量63dB，具有宽频带和高灵敏度，完善的DAC、TCG功能，方便进行回波评价，斜波探伤时，二次反射波信号颜色区分显示，非常适合大型锻件或粗晶材料的检测。表1为SIUICTS-3020具体技术数据。表1：SIUICTS3020超声波探伤仪具体技术数据(2)探头的选择本发明探头选择直探头和纵波斜探头，其中：直探头用于探测与探测面平行的缺陷，纵波斜探头用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，纵波斜探头是由直探头加透声斜楔组成，透声斜楔的作用是实现波型转换，使被检工件中只存在折射纵波。一般的透声斜楔用有机玻璃制成，本发明透声斜楔由聚砜材料制成。聚砜材料是热塑性树脂的一种，略带琥珀色非晶型透明或半透明聚合物，力学性能优异，刚性大，耐磨，高强度，使用范围在-100～150℃，热稳定性高，耐水解，尺寸稳定性好，综合电性能好，具有较高的介电强度和体积电阻率高，可以在很广的温度和频率范围内保持恒定不变。聚砜材料的纵波声速约为2340米/秒。为保证最大检测深度637mm处具有足够的超声波能量，同时具有良好的指向性，本发明设计纵波斜探头的压电晶片尺寸为Φ25.0mm。纵波斜探头角度：根据热屏锻件粗加工的尺寸，计算纵波斜探头折射角度βL＝13°时，可有效检测到工件内孔侧壁处的缺陷。为保证被检热屏锻件纯折射，纵波角度选择在5-13°之间。被检材料纵波声速测定，一次5720m/s，二次5750m/s，三次5730m/s，取三次测定的平均声速为5733m/s。聚砜材料的声速为2340m/s。根据折射定律，计算纵波斜探头(即压电晶片倾斜角度)αL＝5.27°sinαLC11=sinβLC12]]>C11：聚砜材质中纵波波速；C12：被检材料纵波波速；βL：纵波斜探头折射角度。探头频率：由于被检材料为奥氏体不锈钢零件，虽然锻造比要求较高，但其组织仍为粗晶组织。超声波探伤频率越低，声束的穿透能力越强，对于大型锻件常采用的检测频率为2.25～5MHz。在核电系统中，奥氏体不锈钢常常有2.5mm或更高数量级的晶粒尺寸，这就要求结合使用低检测频率，常规为有效发现微小缺陷尽量采用较高频率，因此设计的直探头频率采用2.5MHz。本发明采用聚砜材料制造透声斜楔，纵波折射角度≤13°，压电晶片尺寸为Φ25.0mm，纵波斜探头频率低于2.5MHz(优选为2MHz)。2、参考试块的设计：超声波探伤参考试块常用作调整检测灵敏度、测定仪器和探头的性能，调整扫描速度以及评判缺陷的大小等。本发明参考试块采用与被检材料同炉同批次的试块制造，包括直射波的参考试块和斜射波的参考试块，其中：直射波的参考试块采用平底孔试块，即试块上具有一组不同深度的平底孔(图2)；斜射波的参考试块采用V型槽试块，即参考试块上具有最大表面处长度为25mm、槽深度为试块厚度的3％并具有60-70°夹角的V型槽(图3)。3、超声波探伤检测过程：(a)被检工件表面经粗加工，使其粗糙度Ra≤6.3μm，保证探伤表面无划伤及影响探头盈动的氧化皮、油漆或其他污物等；(b)被检工件上使用耦合剂中卤素(氯和氟)的总含量应不大于250ppm(牌号DJ-10、HD-UG-H或CG-10等核级耦合剂)；(c)超声波探伤仪的水平线性在参考试块上进行校准；水平线性是指超声波探伤仪荧光屏上时基线水平刻度值与实际声程成正比的程度，主要取决于扫描锯齿波的线性。仪器水平线性的好坏直接影响测距精度，进而影响缺陷定位；(d)直探头在工件的两端面和外侧面进行100％体积扫查，利用直射波的参考试块上不同深度的Φ3mm平底孔制作DAC曲线确定直射波的灵敏度；纵波斜探头对外侧面进行扫查，并在圆周方面上按照顺时针和逆时针方向各扫查一次，利用斜射波的参考试块上的V型槽制作DAC曲线确定斜射波的灵敏度；探头的扫查速度小于150mm/s；(e)检验结束后，清除工件上的耦合剂。实施例1本实施例是采用超声波探伤技术对核一级主泵热屏奥氏体不锈钢锻件(奥氏体不锈钢锻件ASMESA-965F304)的无损检测。1、热屏锻件的外形尺寸如图1所示，其截面厚度为635mm。2、检验人员资格检验人员为获得HAF602中规定的Ⅱ级人员和Ⅲ级人员。3、超声波仪器采用脉冲式A型显示探伤仪，型号为SIUICTS-3020。直射波探头规格为2PΦ24,纵波斜射波探头规格为2M13×136°。奥氏体不锈钢锻件上使用的耦合剂由上海新美达探伤器材有限公司生产，牌号DJ-10，其为透声性能好且易清除的浆糊，耦合剂中卤素(氯和氟)的总含量不大于250ppm。4、热屏锻件表面状态热屏锻件表面经粗加工后，粗糙度达到Ra≤6.3μm，保证探伤表面无划伤及影响探头盈动的氧化皮、油漆或其他污物等。5、检验实施超声波探伤仪的水平线性在参考试块上进行校准后，对工件进行扫查，如图4所示。直探头在工件的两端面和外侧面进行100％体积扫查，利用直射波的参考试块上不同深度的Φ3mm平底孔制作DAC曲线确定直射波的灵敏度；纵波斜探头对外侧面进行扫查，并在圆周方面上按照顺时针和逆时针方向各扫查一次，利用斜射波的参考试块上的V型槽制作DAC曲线确定斜射波的灵敏度；探头的扫查速度小于150mm/s；检验结束后，清除工件上的耦合剂。6、检验结果见表2。表2热屏锻件超声波检验报告实施例2与实施例1不同之处在于：采用本发明设计的2M13×136°斜探头，对F304-V2斜射波对比试块的60°V型槽进行检验，检验结果表明，探头在水平线性644mm时，检测出内壁V型槽。检验结果见表3。对比例1常规的斜射波探头角度为35°和45°，采用有机玻璃制成。本例与实施例1不同之处在于：采用常规的35°和45°斜探头,探头型号分别为2M13×1335°和2M13×1345°。对F304-V2斜射波对比试块的60°V型槽进行检验，未发现该V型槽。检验结果见表4。表3采用6°斜探头检验F304-V2对比试块表4采用35°和45°常规斜探头检验F304-V2对比试块