超聲自動棒材檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)

聞小德

（萊蕪鋼鐵股份有限公司特殊鋼廠，萊蕪 271105）

ROB 250VIS超聲波探傷儀采用脈沖反射式液浸法檢測，探傷儀采用旋轉(zhuǎn)探頭結(jié)構(gòu)，其特點是檢測速度快，探頭回轉(zhuǎn)誤差小，被廣泛應(yīng)用于全自動連續(xù)棒材檢測線。但此探傷儀校準(zhǔn)過程復(fù)雜，可調(diào)節(jié)參數(shù)多，影響校準(zhǔn)效果的因素也比較多。因此，筆者從ROB 250VIS超聲波探傷儀的實際應(yīng)用著手，研究各關(guān)鍵因素對校準(zhǔn)效果的影響，并提出了解決方法，為類似超聲波探傷儀的校準(zhǔn)操作提供經(jīng)驗參考。

1 ROB 250VIS超聲波探傷儀簡介

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

探傷儀主要由探傷旋轉(zhuǎn)體、電氣柜、操作臺、A掃描顯示、耦合水系統(tǒng)、預(yù)濕水系統(tǒng)、噴標(biāo)裝置等組成。

A掃描顯示的作用是進行參數(shù)設(shè)置，包括A掃寬度、門檻（起點、寬度、高度）、增益值、檢測盲區(qū)、檢測速度、脈沖重復(fù)頻率、檢測參數(shù)并記錄存儲等。其顯示回波的特征包括了回波高度、回波位置、回波形狀等。

旋轉(zhuǎn)體部分是此套探傷設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部裝有3個探頭模塊SⅠ，SⅡ，CⅠ，每4個探頭并行排列安裝在一個探頭模塊內(nèi)，其中SⅠ，SⅡ是橫波探頭模塊，用于檢測棒材表面或近表面缺陷，CⅠ是縱波探頭模塊，用于檢測棒材心部缺陷。在檢測棒材時，探頭以500～1200r／min的速度旋轉(zhuǎn)，完成每個探頭模塊對棒材超過100%的掃查。探頭布置方式見圖1。

圖1 探頭分布圖

1.2 對比樣棒

ROB 250VIS超聲波探傷儀將棒材內(nèi)部缺陷定義為心部缺陷和近表面缺陷，采用當(dāng)量法評定缺陷，每個規(guī)格棒材備有一支靜態(tài)樣棒和一支動態(tài)樣棒，在不同規(guī)格樣棒上的特定位置上加工有特定尺寸的平底孔缺陷，相同規(guī)格的棒材配備的靜態(tài)樣棒和動態(tài)樣棒上的人工缺陷尺寸完全相同。工作時用樣棒來校準(zhǔn)探傷儀，用當(dāng)量孔來評定缺陷，樣棒人工缺陷相對位置示意圖見圖2，目前制備的人工缺陷尺寸見表1。

圖2 人工缺陷位置示意圖

表1 不同規(guī)格樣棒的人工缺陷尺寸

2 影響校準(zhǔn)的關(guān)鍵因素分析與解決

2.1 斜探頭角度的影響

ROB 250VIS利用純橫波檢測近表面缺陷，斜探頭在調(diào)節(jié)角度時，探頭處于3點鐘位置，其位置圖如圖3。

圖3 探頭角度調(diào)節(jié)位置圖

從圖中ΔOAO′幾何關(guān)系可知：

從圖中ΔO′BO″幾何關(guān)系可知：）

由ΔAO′B幾何關(guān)系可知：

由ΔOAO′幾何關(guān)系可知：

由式（1）～（3）可得：

由試驗可知，當(dāng)探頭縱波聲束以17°～19°入射角入射到水與棒材的界面時，在棒材中將折射成45°左右的純橫波［1］。此時橫波聲壓最強，超聲波聲束能量最大，最有利于檢測棒材近表面缺陷。于是，將α＝17°，β＝45°代入式（1），（2），（4），（5），并代入棒材規(guī)格及對應(yīng)水程，計算值見表2。

表2 探頭角度計算數(shù)據(jù)

由表2可知，γ∈［1.8°，6.1°］，z∈［3.9°，9.3°］，因此，得出兩個結(jié)論：

（1）樣棒插入到旋轉(zhuǎn)體中時，樣棒上人工近表面缺陷在圓周方向的位置要準(zhǔn)確，根據(jù)表中計算，近表面缺陷要求放置在12點鐘的位置。

（2）不同規(guī)格棒材，探頭轉(zhuǎn)動的角度在3.9°～9.3°。由探頭與調(diào)節(jié)絲桿的螺紋配合可知，每旋轉(zhuǎn)絲桿一周，探頭轉(zhuǎn)過角度在5°左右。因此，根據(jù)不同規(guī)格的棒材，可算得探頭所需轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。

2.2 中心標(biāo)高的影響

探頭旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部裝有四個導(dǎo)套，以保證棒材從旋轉(zhuǎn)體中心穿過，并起到保護探頭的作用。導(dǎo)套的軸向位置固定，每個規(guī)格的棒材，其導(dǎo)套內(nèi)孔的上、下偏差U，L與棒材公稱直徑上偏差EI的關(guān)系為：U＝EI＋0.2，L＝EI＋0.1。

旋轉(zhuǎn)體插入靜態(tài)樣棒時，樣棒由導(dǎo)套支撐，樣棒中心標(biāo)高與旋轉(zhuǎn)體中心標(biāo)高（即導(dǎo)套中心）有一定的偏差，樣棒實際直徑越小，這種偏差就越大。表3是按照GB／T 702—2004《圓鋼直徑尺寸偏差》標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ組精度軋制的棒材。由表中可以看出，其產(chǎn)生的最大中心偏差均比缺陷孔的直徑大，對樣棒校準(zhǔn)會產(chǎn)生很大的誤差。

表3 最大中心偏差計算數(shù)據(jù)

另外，平臺輥道V型面的磨損、平臺高度調(diào)節(jié)絲桿的磨損均會對中心標(biāo)高產(chǎn)生偏差，因此，在校準(zhǔn)動態(tài)樣棒時需要注意：

（1）微調(diào)超聲波平臺高度，探頭處于上下位置的水程值偏差不得超過0.5mm。

（2）微調(diào)探頭角度，包括直探頭，使缺陷回波達到最高。

2.3 樣棒質(zhì)量的影響

為使樣棒的聲學(xué)性能與生產(chǎn)棒材相同，其材質(zhì)選擇來自同樣工藝流程的軋制棒材。由于樣棒與生產(chǎn)棒的表面粗糙度、材質(zhì)相同，在使用樣棒時就無需再進行增益值修正，但粗糙的表面帶來的噪聲信號給樣棒校準(zhǔn)制造了困難。因此，缺陷孔的加工質(zhì)量至關(guān)重要。一般來說，缺陷孔的形狀、尺寸、取向、表面狀態(tài)、在樣棒中的埋藏深度等均會對樣棒校準(zhǔn)產(chǎn)生影響［2］。

（1）探頭聲束垂直缺陷孔表面時缺陷回波最高。ROB 250VIS超聲波探傷儀探頭是并行排列的，與旋轉(zhuǎn)體中心平行。為保證入射聲束垂直，缺陷孔的軸線必須精確地與樣棒軸線平行，偏差不得大于0.5mm。

（2）表面粗糙的缺陷孔，當(dāng)聲束垂直入射時，聲波會被雜亂反射，降低缺陷波波高，因此，加工的缺陷孔的孔壁及端面的表面粗糙度不得大于15μm。

（3）由圖3中ΔAO′B的幾何關(guān)系可知，缺陷孔在聲束傳輸線上的位置。當(dāng)靜態(tài)樣棒與動態(tài)樣棒上缺陷孔的埋藏深度不同時，會給樣棒校準(zhǔn)帶來困難，甚至?xí)谏a(chǎn)中造成漏檢事故。

（4）ROB 250VIS超聲波探傷儀的探頭尺寸為12mm×12mm，四個探頭并行排列長度為48mm，缺陷長度為15mm，因此，最多只有2個相鄰的探頭能得到比較高的缺陷回波。如果樣棒內(nèi)部人工缺陷附近有自然缺陷，將使多于2個探頭得到比較高的缺陷回波，會給缺陷識別造成相當(dāng)大的困難。因此，加工樣棒的來料必須經(jīng)過嚴格的超聲檢測，在人工缺陷左右50mm以內(nèi)確保無任何自然缺陷。

所以，制作樣棒要采用合理的機加工工藝，其原材料尺寸、彎曲度、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量等均需符合樣棒制作要求。

3 結(jié)論

樣棒校準(zhǔn)受探頭角度、樣棒質(zhì)量、中心標(biāo)高、參數(shù)設(shè)置、耦合水純凈度、環(huán)境噪聲等諸多因素影響。因此，有效識別影響樣棒校準(zhǔn)的關(guān)鍵因素，提高操作人員的操作水平，將大幅度提高校準(zhǔn)精度和速度。

［1］夏紀真.超聲波無損檢測技術(shù)［M］.廣州：廣東科技出版社，2009.

［2］中國機械工程學(xué)會無損檢測分會.超聲波檢測［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.