CN102628858A - 大型锻件内部缺陷分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型锻件内部缺陷分析方法，可对钢锭浇铸、锻件的锻造和热处理过程进行缺陷综合分析。包括初加工后锻件的缺陷探伤与分析、锻造过程的缺陷分析、浇铸过程的缺陷分析与热处理过程的缺陷分析。其通过将数值模拟技术与传统的缺陷检验方法相结合，采用节点跟踪技术对钢锭浇铸、锻造工艺、热处理三者相联系，使得大型锻件缺陷分析更加准确、科学，可实现持续改进大型锻件的质量，尤其适合在大型锻件的加工工艺中推广应用。

Description

大型锻件内部缺陷分析方法

技术领域

本发明涉及一种自由锻成型领域，具体涉及一种大型锻件内部缺陷分析方法。

背景技术

目前，大型锻件是重型机械制造产业的基础，其形大体重，多为单件小批量生产，生产周期长而质量要求高，生产管理复杂。随着石化、电力、冶金、运输等行业的快速发展，大型锻件大型化和高标准化成为未来锻造行业发展的必然趋势，这使得达到大型锻件质量要求的难度越来越大，迫使大型锻件成型工艺设计必须不断的向前发展。首先，锻件重量和尺寸的增大直接导致制造这些锻件的钢锭也相应增大，而随着钢锭吨位和截面积的增加，与金属结晶过程有关的缺陷，如非金属夹杂、偏析、疏松组织、缩孔等越明显，为大型锻件的产品合格率带来很大困难；其次，随着锻件重量和尺寸的增大，现有设备的成型能力、现场操作无法满足锻件成型要求，造成压不实、操作困难等问题；锻件重量和尺寸的增大也导致锻件加热及热处理困难。在成型的某个阶段，锻件几何尺寸可能超过加热炉尺寸，造成锻件温度降低，加热时间延长，加热不均匀现象明显等问题，为成型工艺留下隐患；新材料的不断出现及产品生产周期的缩短也是导致锻件合格率下降的重要原因，对材料锻造及热处理性能的不能完全掌握，使得工艺确定带有盲目性。由于不同专业的限制，目前对大型锻件的研究分为炼钢、锻造、热处理三个部分，各自独立，无法对锻造缺陷进行系统的分析和研究。想要对大型锻件的合格率有大幅提高，必须从炼钢、锻造、热处理三个方面同时入手，将实践经验、物理模拟、数值模拟三者相结合，才能最终对大型锻件的成型进行系统的掌握。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可对钢锭浇铸、锻件的锻造和热处理过程进行缺陷综合分析的大型锻件内部缺陷分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：大型锻件内部缺陷分析方法，包括以下步骤：

1)、对成型完毕，初加工后的锻件进行超声波探伤，记录内部缺陷在锻件中的相对位置及缺陷当量，对不合格缺陷部位进行理化检验，对缺陷性质进行初步判断；

2)、对锻件整个锻造成型过程进行有限元数值模拟，得到锻造完成后的锻件尺寸；

3)、通过参考平面及坐标的变换，将超声波探伤得到的缺陷点反映到锻造完成后的锻件中；

4)、采用节点跟踪技术，对缺陷点在锻件整个锻造过程中的位移、应力应变等变量进行逆向跟踪；选取若干探伤无缺陷点作为参照物，进行同样的逆向跟踪；

5)、对比缺陷点之间及缺陷点与无缺陷点在锻造工艺过程中变形条件的区别；

6)、利用节点跟踪技术将缺陷点的位置还原到钢锭中，通过缺陷点分布情况初步判断缺陷在钢锭浇铸过程中产生的可能性，然后对钢锭的浇铸过程进行数值模拟，对钢锭缺陷产生的原因进行分析，建立钢锭缺陷点与初加工后锻件超声波探伤缺陷点之间的联系；

7)、对锻件热处理过程进行有限元分析，将缺陷点导入锻件热处理数值模拟中，分析热处理缺陷与锻件超声波探伤缺陷之间的关系；

8)、综合缺陷点在锻造、钢锭浇铸和热处理过程中的参数变化情况及缺陷点分布情况、理化检验结果及超声波探伤结果对锻件缺陷产生的原因进行分析。

本发明的有益效果是：本发明将数值模拟技术与传统的缺陷检验方法相结合，采用节点跟踪技术对钢锭浇铸、锻造工艺、热处理三者相联系，使得大型锻件缺陷分析更加准确、科学，可实现持续改进大型锻件的质量，尤其适合在大型锻件的加工工艺中推广应用。

附图说明

图1为缺陷点在初加工后锻件中的分布示意图；

图2为缺陷点在锻造工艺完成后分布示意图；

图3为拔长过程中缺陷点在锻件中分布示意图；

图4镦粗后缺陷点在锻件中分布示意图；

图5为缺陷点在钢锭中分布示意图；

图1至图5中的黑点为缺陷点；

图6至图21为具体实施例的示意图，图6至图21中的黑点为缺陷点；

图6为矩形截面大型锻件探伤缺陷分布情况；

图7为锻件锻造完成后的缺陷点分布情况；

图8至图12为锻件拔长过程中缺陷点在锻件中的分布；

图13为典型缺陷点静水压力拔长过程中的分布；

图14为典型无缺陷点静水压力拔长过程中的分布；

图15为漏盘镦粗前锻件中的缺陷点分布；

图16为漏盘镦粗后锻件中的缺陷点分布；

图17为漏盘镦粗前轴对称面投影图；

图18为漏盘镦粗后轴对称面投影图；

图19为钢锭压钳把后缺陷点的分布；

图20为锻件压钳把后缺陷点的三维坐标转换为极轴坐标并投影在同一面上的分布；

图21为钢锭中缺陷点的极轴坐标并投影在同一面上的分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图5所示，本发明的大型锻件内部缺陷分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、对成型完毕，初加工后的锻件进行超声波探伤，记录内部缺陷在锻件中的相对位置及缺陷当量，对不合格缺陷部位进行理化检验，对缺陷性质进行初步判断。首先需要指出的是，锻件的加工工艺步骤包括浇铸形成钢锭，对钢锭进行锻造处理，去除锻造后的坯料两端部，对锻件进行热处理，然后对锻件进行表面机加工。这里所指的成型完毕是指锻件热处理完毕，而初加工是指对锻件表面进行初步机加工。而缺陷当量是一种判断缺陷是否合格的量化指标，对于不同要求的锻件，该缺陷当量有所不同。对部分缺陷部位进行取样并进行理化检验，确定缺陷性质，判断缺陷产生的原因。如图1所示为缺陷点在锻件初加工后的分布情况。

2)、对锻件整个锻造成型过程进行有限元数值模拟，得到锻造完成后的锻件尺寸。在1)步骤中的锻件为初步机加工后的锻件，而本步骤中通过锻造成型过程的有限元数值模拟得到的为锻造完成后的尺寸，即还未去除两端部并未机加工表面的锻件尺寸。有限元数值模拟过程为现有技术中通用的计算手段，一般通过软件完成该有限元数值模拟过程。

3)、通过参考平面及坐标的变换，将超声波探伤得到的缺陷点反映到锻造完成后的锻件中。由于机加工后的锻件与锻造工序后的锻件尺寸发生了变化，并且1)步骤中超声波探伤得到的缺陷在锻件中的位置不在相同的坐标系中，因此，需要通过参考平面及坐标的变换将缺陷位置变换到相同的坐标系，以利于将缺陷位置准确地还原到锻造完成后的锻件中。如图2所示为锻件锻造完成后的缺陷点分布情况。

4)、采用节点跟踪技术，对缺陷点在锻件整个锻造过程中的位移、应力应变等变量进行逆向跟踪；选取若干探伤无缺陷点作为参照物，进行同样的逆向跟踪。该步骤是为步骤5)的分析作基础。节点跟踪技术也是通过软件特有的功能完成。

5)、对比缺陷点之间及缺陷点与无缺陷点在锻造工艺过程中变形条件的区别；这样，可以分析出锻件在锻造过程中产生缺陷的可能性。如图3与图4所示为锻件拔长过程某阶段及锻件镦粗后缺陷点在锻件中的分布。

6)、利用节点跟踪技术将缺陷点的位置还原到钢锭中，通过缺陷点分布情况初步判断缺陷在钢锭浇铸过程中产生的可能性，然后对钢锭的浇铸过程进行数值模拟，对钢锭缺陷产生的原因进行分析，建立钢锭缺陷点与初加工后锻件超声波探伤缺陷点之间的联系。如图5所示为缺陷点在钢锭中的分布情况。

7)、对锻件热处理过程进行有限元分析，将缺陷点导入锻件热处理数值模拟中，分析热处理缺陷与锻件超声波探伤缺陷之间的关系。可得出锻件热处理后的缺陷点与初加工后锻件超声波探伤缺陷点之间的联系，从而作对比分析，得出热处理过程与初加工完成后缺陷的对比结果。

8)、综合缺陷点在锻造、钢锭浇铸和热处理过程中的参数变化情况及缺陷点分布情况、理化检验结果及超声波探伤结果对锻件缺陷产生的原因进行分析。该步骤是综合5)、6)、7)以及步骤1)的分析结果作综合分析，从而得出缺陷是产生在锻件生产工艺步骤中的哪个步骤，以利于以后锻件的生产对这些工艺步骤进行优化，提高锻件的产品质量。

具体实施例(如图6至图21所示)：

1)、将长约5m，截面为边长约2m的正方形大型锻件锻造成型完毕，初加工后进行超声波探伤，发现锻件内有大量密集分布裂纹，缺陷当量φ7mm～φ22.5mm。缺陷分布如图6所示，记录内部缺陷在锻件中的相对位置及缺陷当量。为确定探伤缺陷性质及形成原因，在锻件不同缺陷区域分别套取试棒(即取样)。

将试棒进行低倍放大检验(即理化检验)，发现所有试棒在标明探伤缺陷位置均有一条沿试棒圆周方向的裂纹，裂纹长度约10～30mm，在试棒的表面还存在沿试棒圆周方向的偏析条带，裂纹处及其附近未见非金属夹杂物，因此裂纹并不是夹杂性裂纹；从裂纹与现有晶界的关系来看，裂纹两侧晶界不一致，裂纹与现有晶界无关，即裂纹产生在前，现有晶界产生在后，另一方面在裂纹处的晶粒细小，这是因为在热处理过程中裂纹位置的形核位置多，加上有裂纹的存在，晶粒在长大的过程中，无法吞并其他晶粒，从而使得裂纹位置的晶粒细小。因此，现有裂纹的产生是在热处理之前产生的，从裂纹的微观形态来看，裂纹弯曲圆钝，而且分布位置单一，它不具备白点裂纹特征(无方向性，分散分布)，而这是锻造裂纹的重要特征。这就可以说明超标探伤缺陷性质为锻造裂纹。

将试样经腐蚀液腐蚀后进行高倍放大检验，试样内存在明显的偏析条带，偏析区为回火贝氏体，正常区为回火贝氏体+铁素体，裂纹产生在偏析区以内，偏析区晶粒度较粗大，裂纹极小部分区域呈沿晶界扩展，裂纹大部分区域两侧晶界不一致，即裂纹与现有晶界没有关系，偏析区的塑性差，在锻造时易产生应力集中，从而产生裂纹。可见，裂纹的产生与锻件中存在组织偏析有关。通过以上金相分析，可以初步得到探伤缺陷性质为锻造裂纹，其产生与锻件内部存在偏析有关。

2)、通过以上分析，初步排除了探伤缺陷在热处理过程中产生的可能性。为了对探伤缺陷产生的原因进行准确的分析，采用数值模拟软件对锻件锻造成形过程中的主要成形工序钢锭滚圆拔长、漏盘镦粗、拔长工序进行分析。

3)、通过参考平面及坐标的变换，将超声波探伤得到的缺陷点反映到锻造完成后的锻件中。由于机加工后的锻件与锻造工序完成后的锻件尺寸发生了变化，并且1)步骤中超声波探伤得到的缺陷在锻件中的位置不在相同的坐标系中，因此，需要通过参考平面及坐标的变换将缺陷位置变换到相同的坐标系，以利于将缺陷位置准确地还原到锻造工序后的锻件中。如图7所示为锻件锻造完成后的缺陷点分布情况。

4)、采用节点跟踪技术，对缺陷点在锻件整个锻造过程中的位移、应力应变等变量进行逆向跟踪；为了对缺陷点的应力应变情况进行对比，选取锻件中心11个探伤无缺陷点作为参考点，进行同样的逆向跟踪。

5)、观察和分析缺陷点在锻造过程中分布规律及变形条件变化，对比缺陷点之间及缺陷点与无缺陷点在锻造工艺过程中变形条件的区别；从而，判断出锻件在锻造过程中产生缺陷的可能性。图8至图12所示为锻件拔长过程中缺陷点在锻件中的分布。图13、14对典型缺陷点及典型无缺陷点在拔长过程中静水应力的情况进行了比较。从图中可以发现，缺陷点在拔长过程中分布比较规律，但净水应力与无缺陷点无明显差别。

漏盘镦粗过程前后，缺陷点在锻件中相对位置的变化如图15及图16所示，由于漏盘镦粗前后锻件为回转体，为了对缺陷点的分布规律有更加直观的认识，可以将所有缺陷点的三维坐标转换为极轴坐标并投影在同一面上，如图17、18所示。从图中可以明显的发现，缺陷点成带状分布。通过典型缺陷点在整个漏盘镦粗过程中的应力状态可以发现，在漏盘镦粗过程中缺陷点基本处于两向或三向压应力状态。通过以上分析可以发现，缺陷点在上述锻造过程中应力应变状态与无缺陷点无明显区别，因此如果钢锭内部金属质量相同的情况下，不会产生裂纹缺陷。

6)、利用节点跟踪技术将缺陷点的位置还原到钢锭中。如图19为锻件压钳把后缺陷点的分布，图20为锻件压钳把后缺陷点的三维坐标转换为极轴坐标并投影在同一面上的分布，图21为钢锭中缺陷点的极轴坐标并投影在同一面上的分布。从图中可以明显的发现，缺陷点成带状分布。在钢锭中，缺陷点聚集在一个距中心轴300mm的长方形中；通过缺陷点在钢锭中的位置大体可以判断缺陷产生在钢锭的倾斜树枝晶区。

7)、综合缺陷点在锻造、钢锭中的参数变化情况及缺陷点分布情况、理化检验结果及超声波探伤结果对锻件缺陷产生的原因进行分析可以得出结论，锻件超声波探伤缺陷在热处理工艺前产生，性质为锻造裂纹；通过对锻造过程的分析发现裂纹不是由于不合理的锻造工艺产生，其产生与锻件内部存在偏析有关，具体位置在钢锭的倾斜树枝晶区。因此，为了减少锻件探伤缺陷的产生，因从提高钢锭浇铸质量，减少产生缺陷区域偏析进行工艺优化。

Claims (1)

1.大型锻件内部缺陷分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、对成型完毕，初加工后的锻件进行超声波探伤，记录内部缺陷在锻件中的相对位置及缺陷当量，对不合格缺陷部位进行理化检验，对缺陷性质进行初步判断；

2)、对锻件整个锻造成型过程进行有限元数值模拟，得到锻造完成后的锻件尺寸；

3)、通过参考平面及坐标的变换，将超声波探伤得到的缺陷点反映到锻造完成后的锻件中；

4)、采用节点跟踪技术，对缺陷点在锻件整个锻造过程中的位移、应力应变等变量进行逆向跟踪；选取若干探伤无缺陷点作为参照物，进行同样的逆向跟踪；

5)、对比缺陷点之间及缺陷点与无缺陷点在锻造工艺过程中变形条件的区别；

6)、利用节点跟踪技术将缺陷点的位置还原到钢锭中，通过缺陷点分布情况初步判断缺陷在钢锭浇铸过程中产生的可能性，然后对钢锭的浇铸过程进行数值模拟，对钢锭缺陷产生的原因进行分析，建立钢锭缺陷点与初加工后锻件超声波探伤缺陷点之间的联系；

7)、对锻件热处理过程进行有限元分析，将缺陷点导入锻件热处理数值模拟中，分析热处理缺陷与锻件超声波探伤缺陷之间的关系；

8)、综合缺陷点在锻造、钢锭浇铸和热处理过程中的参数变化情况及缺陷点分布情况、理化检验结果及超声波探伤结果对锻件缺陷产生的原因进行分析。

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