超聲波測(cè)厚儀精確測(cè)量鋼板厚度的方法

杜裕平

摘要：文章通過(guò)對(duì)脈沖反射式超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行鋼板測(cè)量時(shí)產(chǎn)生誤差的各種因素：晶粒度、內(nèi)應(yīng)力、組織、耦合劑、表面狀況、溫度、內(nèi)部缺陷等進(jìn)行分析，提出了精確測(cè)量鋼板厚度的方法。

關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)厚儀；晶粒度；內(nèi)應(yīng)力；耦合劑

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ050 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）13-0052-03

在鋼板厚度的驗(yàn)收過(guò)程中，由于千分尺和卡尺只能對(duì)鋼板邊部進(jìn)行厚度測(cè)量，所以脈沖反射式超聲波測(cè)厚儀成為每個(gè)驗(yàn)收單位用來(lái)測(cè)量鋼板內(nèi)部厚度的工具，供需雙方就厚度公差測(cè)量數(shù)值的爭(zhēng)論從未間斷過(guò)，用戶(hù)在鋼板厚度的驗(yàn)收時(shí)經(jīng)常提出，鋼板內(nèi)部厚度小于標(biāo)準(zhǔn)要求（通常低于0.1～0.3mm），不予驗(yàn)收。下面就超聲波測(cè)厚的工作原理、測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，同時(shí)提出精確測(cè)量鋼板厚度的方法。

實(shí)際工作中，在常溫下對(duì)厚度≤40mm的鋼板測(cè)量時(shí)，由于儀器、探頭接觸面、探頭頻率、耦合劑、鋼板的材質(zhì)、熱處理狀態(tài)等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生±0.30mm的誤差。隨著厚度的增加以及溫度的升高誤差將更大，下面就誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

3 誤差影響因素

3.1 晶粒度的影響

3.3 組織的影響

縱波聲速與鐵素體含量和珠光體片層結(jié)構(gòu)相關(guān)，鐵素體含量高，珠光體片層尺寸小，縱波聲速高。

分別采用油淬和水淬兩種工藝處理的材料，其組織應(yīng)力也不同，油淬形成的組織中馬氏體含量較少，組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力小，縱波速度高。根據(jù)資料推薦，超聲縱波聲速由大到小排序?yàn)橛痛恪⑼嘶?、正火、水淬?/p>

3.4 探頭的影響

同樣參數(shù)（頻率、晶片直徑）的探頭，由于制作工藝的差異，性能也會(huì)不同，如探頭中的頻率、頻譜不同時(shí)，會(huì)對(duì)探頭聲場(chǎng)產(chǎn)生影響。

3.5 探頭磨損的影響

常用測(cè)厚探頭表面為丙烯樹(shù)脂，長(zhǎng)期使用會(huì)使其表面粗糙度增加，導(dǎo)致靈敏度降低，從而造成顯示不準(zhǔn)確。

3.6 耦合劑的影響

耦合劑是用來(lái)排除探頭和被檢物體之間的空氣，使超聲波能有效地進(jìn)入被檢測(cè)物達(dá)到被檢測(cè)的目的，如果選擇的種類(lèi)或使用方法不當(dāng)，將會(huì)造成測(cè)量誤差。

3.7 施加力的影響

超聲波測(cè)厚時(shí)，在探頭和被檢測(cè)的工件之間，要施加一層耦合劑，當(dāng)測(cè)量時(shí)用力不均，會(huì)使耦合層的厚度有一定的影響，從而造成示值差異。用力較大，耦合效果好，耦合層厚度較薄，示值厚度就小。

3.8 鋼板溫度的影響

根據(jù)資料推薦，在-20℃～120℃范圍內(nèi)，鋼中縱波聲速隨著溫度的上升而下降。

3.9 鋼板表面的影響

鋼板表面的灰塵、氧化皮、銹蝕、污垢和油漆等覆蓋物以及表面平整度和粗糙度都會(huì)造成耦合不良，對(duì)測(cè)厚造成影響。

3.10 材料內(nèi)部缺陷的影響

當(dāng)材料內(nèi)部有嚴(yán)重的偏析、夾雜、分層、裂紋、白點(diǎn)等缺陷時(shí)，會(huì)造成聲速顯示值改變。

3.11 測(cè)量精度誤差

儀器固有的測(cè)量誤差：試塊厚度≤20mm時(shí)，聲速測(cè)量精度為±1mm/H×100%；試塊厚度>20mm時(shí)，聲速精度為5%。

綜上所述，影響脈沖反射式超聲測(cè)厚的測(cè)量精度的因素有很多，怎樣才能減少這些不良因素，精確測(cè)量被檢物的厚度，是減少供需雙方爭(zhēng)議的必要措施，下面就具體的測(cè)量方法作進(jìn)一步的介紹。

4 測(cè)量步驟

4.1 鋼板被檢部位的表面處理

清除鋼板所需檢測(cè)部位表面的灰塵、污垢、氧化皮、銹蝕物、油漆等覆蓋物，對(duì)于粗糙表面可以用400#砂紙打磨以露出金屬光澤，區(qū)域大小約為30×30mm。

4.2 對(duì)比試塊的制作

4.2.1 對(duì)比試塊的選擇。對(duì)比試塊材料質(zhì)量的關(guān)鍵是它的聲學(xué)特性必須與被檢工件基本一致，即材料的晶粒度、熱處理狀態(tài)、物理性能、化學(xué)成分等均需與被檢件一致。為此選用被檢測(cè)的鋼板本體來(lái)制作對(duì)比試塊，以保證試塊和被檢鋼板兩種材料的聲學(xué)性能一致。

4.2.2 對(duì)比試塊的制作。在距被檢鋼板邊部10mm的無(wú)缺陷處平整區(qū)域，按測(cè)量步驟4.1的要求，對(duì)鋼板的上下相對(duì)位置的表面進(jìn)行處理，面積約為30×50mm。使用千分尺對(duì)此區(qū)域內(nèi)的4個(gè)角部位置及中心位置分別測(cè)量鋼板厚度，對(duì)結(jié)果進(jìn)行記錄，對(duì)比5次測(cè)量的結(jié)果，如測(cè)量值的誤差在0.002mm以?xún)?nèi)，就認(rèn)為此區(qū)域的鋼板平整度滿(mǎn)足測(cè)厚試塊制作要求，將此區(qū)域的鋼板作為脈沖反射式超聲波測(cè)厚的對(duì)比試。

4.2.3 試塊厚度測(cè)量。用經(jīng)過(guò)計(jì)量校正合格的千分尺，在30×50mm對(duì)比試塊的中心部位測(cè)量3次，取3次的平均值作為此位置的測(cè)量值。以軋制規(guī)格為25mm厚的鋼板為例，如實(shí)際的測(cè)量值H分別為24.982mm、24.983mm、24.984mm，則3次平均值24.983mm為鋼板的厚度。

4.2.4 探頭的選擇。根據(jù)工件厚度和精度要求來(lái)選擇探頭，工件較薄時(shí)選用頻率較高的雙晶探頭或帶延遲塊的探頭，工件較厚時(shí)選用頻率較低的單晶探頭，盡量選用寬帶探頭。

4.2.5 探頭的表面檢查。檢查探頭表面是否平整，如有影響測(cè)量精度的磨損，必須對(duì)探頭用500#金相砂紙打磨，使其表面平滑并保證平行度，否則更換新的探頭。

4.2.6 測(cè)厚儀零點(diǎn)的校準(zhǔn)。將聲速調(diào)整到5900m/s后按ZERO鍵，進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)，在隨機(jī)試塊上涂耦合劑，將探頭和隨機(jī)試塊耦合，直到屏幕顯示試塊厚度示值為4.00mm，即校準(zhǔn)完畢。

4.2.7 測(cè)量鋼板的聲速。

（1）將探頭與對(duì)比試塊中央的千分尺測(cè)量部位耦合，顯示出厚度值，然后將探頭轉(zhuǎn)動(dòng)90度，使探頭串音隔聲板與前一次垂直，再次測(cè)量試塊厚度，以2次測(cè)量中數(shù)值小的作為試塊的厚度。如2次測(cè)量示值分別為24.88mm和24.90mm，則以第1次的24.88mm作為此區(qū)域的厚度值，檢測(cè)時(shí)探頭要放置平穩(wěn)，壓力要適當(dāng)。

4.2.8 鋼板實(shí)際厚度的測(cè)量。在此聲速條件下，對(duì)鋼板表面已清理的被檢測(cè)部位進(jìn)行測(cè)量記錄，每個(gè)測(cè)厚位置在相互垂直的方向各測(cè)量1次，厚度以小的值為準(zhǔn)。

5 鋼板厚度的驗(yàn)收

鋼板的所有測(cè)試點(diǎn)檢測(cè)完畢后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以數(shù)據(jù)最小的值作為此鋼板的驗(yàn)收厚度，如符合訂貨標(biāo)準(zhǔn)要求則視為厚度合格。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述的檢測(cè)方法，可以將影響脈沖反射式超聲波測(cè)厚中，測(cè)量精度的各種不良因素降到最小，從而精確測(cè)量出鋼板的實(shí)際厚度，消除供需雙方對(duì)鋼板厚度的爭(zhēng)議，在實(shí)際工作中都取得了滿(mǎn)意的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄢國(guó)強(qiáng).材料質(zhì)量檢測(cè)與分析技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2005.

[2] 劉天佑.鋼材質(zhì)量檢驗(yàn)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[3] 鄭暉，林樹(shù)青.超聲檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[4] 鄔亞華.45#鋼熱處理狀態(tài)對(duì)超聲縱波聲速的影響

[J].高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展.

[5] 陳建忠，史耀武.低碳鋼晶粒尺寸的超聲無(wú)損評(píng)價(jià)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2002.

（責(zé)任編輯：周 瓊）