水浸探頭對1Cr21Ni5Ti鋼棒材底波監(jiān)控的影響

羅經(jīng)晶，王勇靈，姜毅敏

（1.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.寶鋼特鋼有限公司，上海 200940）

棒材水浸超聲波檢測是將被檢棒材置于水中，水為耦合劑，使用水浸探頭實(shí)現(xiàn)探頭與被檢棒材的非接觸式檢測。探頭發(fā)射的超聲縱波，經(jīng)過水進(jìn)入到被檢棒材內(nèi)部，通過分析反射波，對被檢棒材內(nèi)部進(jìn)行檢測［1－2］。

在對棒材的檢測過程中，通常使用超聲波檢測方法控制產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)；對表面品質(zhì)控制采用漏磁、渦流等檢測方法，也可以使用超聲斜入射檢測方法。對于有加工余量要求的棒材，只要超聲波檢測的盲區(qū)小于加工余量要求時(shí)，也符合質(zhì)量控制要求。當(dāng)使用水浸直射波方法檢測棒材時(shí)，越來越多的使用底波監(jiān)控技術(shù)作為輔助評估手段。在對棒材的驗(yàn)收等級中，有些標(biāo)準(zhǔn)也加入了底波驗(yàn)收要求。例如：AMS－STD－2154A（2012）標(biāo)準(zhǔn)在直射波檢測中規(guī)定：在所有的質(zhì)量等級中，當(dāng)被檢材料底波損失超過50%，同時(shí)伴有不小于2倍背景噪聲的噪聲信號時(shí)，都應(yīng)拒收［3］。

由于被檢棒材內(nèi)部組織的不均勻或不連續(xù)性的不同方向等，會造成對棒材進(jìn)行檢測時(shí)，即使棒材內(nèi)部具有不連續(xù)性，也不一定會產(chǎn)生反射信號。但是，此時(shí)往往都會伴隨底波的損失，這就是進(jìn)行底波監(jiān)控的最大意義。同時(shí)，掌握被檢材料底波情況，也是進(jìn)行衰減補(bǔ)償?shù)闹匾疤幔?］。

1 水浸法超聲波的檢測優(yōu)勢和影響因素

棒材超聲波檢測常用方法有：接觸法和水浸法。對被檢棒材進(jìn)行底波監(jiān)控采用接觸法檢測時(shí)，由于被檢棒材表面曲率和檢測人員手持探頭掃查時(shí)力量不均勻，很容易造成底波的變化，從而對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。當(dāng)使用自動(dòng)化設(shè)備采用水浸法檢測時(shí)，可以避免以上的問題。

對棒材進(jìn)行水浸法超聲波檢測時(shí)，影響底波監(jiān)控的因素有很多，例如：設(shè)備穩(wěn)定性、檢測參數(shù)設(shè)置、被檢材料表面狀況和探頭的選擇等。筆者主要對1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材進(jìn)行底波監(jiān)控時(shí)，選擇不同的探頭對底波監(jiān)控的結(jié)果是否產(chǎn)生影響，探討探頭的頻率、聚焦類型、水程距離三種因素變化對底波監(jiān)控的影響。

2 試驗(yàn)方案

水浸超聲波檢測試驗(yàn)選擇的被檢不銹鋼棒材材質(zhì)為1Cr21Ni5Ti，規(guī)格為φ110 mm×300 mm。棒材表面經(jīng)車削加工，符合1.0mm 平底孔（FBH）靈敏度檢測要求；選取被檢棒材上200 mm 長度作為掃查范圍，掃查方式如圖1所示。

圖1 水浸超聲檢測掃查方式示意

試驗(yàn)方案分下列三步：

（1）為了確認(rèn)被檢棒材表面是否對底波監(jiān)控產(chǎn)生影響，試驗(yàn)應(yīng)先進(jìn)行一次界面波監(jiān)控。

（2）采用1.0mm 平底孔靈敏度檢測被檢棒材內(nèi)部，了解材料內(nèi)部組織情況。為便于比較，試驗(yàn)前在被檢材料上采用機(jī)加工方式加工1.2 mm 和2.0mm 平底孔各一個(gè)，孔深均為10 mm，如圖1所示。

（3）選取水浸探頭，分別以40mm 間距設(shè)置若干水程距離，對棒材進(jìn)行掃查，設(shè)置采集閘門監(jiān)控底波水平。試驗(yàn)選取的水浸探頭參數(shù)如表1所示。

表1 選取水浸探頭參數(shù)

3 試驗(yàn)過程

3.1 界面波監(jiān)控

在進(jìn)行界面波監(jiān)控時(shí)，應(yīng)首先調(diào)整探頭垂直于被檢棒材，使得探頭的中心線與被檢棒材的中心線重合。然后將界面波初始波高設(shè)為40%滿屏高度（FSH），數(shù)據(jù)采集閘門設(shè)置在界面波上。最終得到C掃描圖如圖2所示。再運(yùn)用LS－200B系統(tǒng)集成的圖像評估軟件PROCESS，對圖2 分析后得出圖3所示的結(jié)果。

圖2 1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材界面波C掃描圖

圖3 界面波C掃描圖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（不包括FBH）

由圖2和3可以得出：①被檢棒材的表面狀況是比較均勻的，其中有兩個(gè)部分波高比較低（如圖2中1.2mm 和2.0mm 平底孔處所示），是由于聲束發(fā)射到1.2mm 和2.0mm平底孔上，使得界面波降低。②圖3的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出：表面反射波的高度都集中在很小的區(qū)間范圍內(nèi)，表明被檢棒材的表面狀況比較理想，對反射波高的影響很小。

3.2 1.0mm 平底孔當(dāng)量靈敏度掃查

對被檢棒材進(jìn)行1 mm 平底孔當(dāng)量靈敏度檢測。最終得到C掃描圖如圖4所示。

使用LS－500B水浸超聲檢測系統(tǒng)，1＃探頭為點(diǎn)聚焦，5MHz，焦距152／mm，平底孔埋深為1／4D、1／2D和3／4D處，（D材為棒直徑），檢測靈敏度 為1.0mm 平底孔、80%滿屏高度、TCG 曲線，軸向步徑為1mm，圓周步徑為1mm，掃查距離為200mm，棒材旋轉(zhuǎn)速度為30轉(zhuǎn)／分，脈沖重復(fù)頻率為500Hz。

由圖4所示的C 掃描圖可以得出：①1.2mm和2.0mm 人工平底孔可以清晰顯示。②在被檢棒材360°圓周方向，材料組織的信號反射不均勻。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

選擇1＃探頭進(jìn)行底波監(jiān)控。一次底波設(shè)置為40%滿屏高度，水程距離（WP）分別取152，112，72mm，其它超聲參數(shù)和1.0mm 平底孔當(dāng)量靈敏度檢測設(shè)置一致。得出的C掃描圖如圖5所示。

圖4 1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材1mm 平底孔靈敏度C掃描圖

對上述C 掃描圖像，運(yùn)用圖像分析軟件PROCESS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。同理，對另外幾個(gè)探頭采用同樣的超聲檢測參數(shù)設(shè)置，得到的數(shù)據(jù)匯總后如表2所示。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，得出如圖6所示的各種探頭底波監(jiān)控結(jié)果關(guān)系圖。

表2 不同探頭的C掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖5 1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材不同水程距離底波監(jiān)控C掃描圖

圖6 各種探頭底波監(jiān)控曲線關(guān)系

從表2和圖6中可以看出：①同一個(gè)探頭在設(shè)置不同水程距離時(shí)，底波監(jiān)控的結(jié)果有差異；②不同類型的探頭底波監(jiān)控的結(jié)果也有差異。

為了更好的對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，將表2的數(shù)據(jù)換算成dB值，得到的數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)表3中的dB值數(shù)據(jù)，得出圖7所示的各探頭底波監(jiān)控結(jié)果柱狀圖。

表3 不同探頭C掃描數(shù)據(jù)換算成幅值 dB

圖7 各種探頭底波監(jiān)控結(jié)果柱狀圖

4 試驗(yàn)分析

①從所有試驗(yàn)結(jié)果看：采用2.25 MHz點(diǎn)聚焦探頭，將焦點(diǎn)落在被檢棒材上表面時(shí)（見表3試驗(yàn)編號8），底波監(jiān)控效果最好。不僅所有的底波波幅都在±6dB（20%～80%滿屏高度）范圍內(nèi)，而且各個(gè)點(diǎn)底波波高的標(biāo)準(zhǔn)偏差也最小，表現(xiàn)在C 掃描上的結(jié)果為圖像色彩比較均勻。

②當(dāng)使用同一個(gè)探頭進(jìn)行底波監(jiān)控時(shí)，比較每個(gè)探頭在水程設(shè)置不同時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果看：選擇不同水程對底波監(jiān)控結(jié)果影響明顯。當(dāng)把水程距離設(shè)為探頭焦距長度時(shí)，底波波幅變化最小。

③從試驗(yàn)編號14～20可以看出，底波最大值和最小值的差值最小為15.7dB，因而采用平探頭不適用于1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材的底波監(jiān)控。

④從表3試驗(yàn)1和11、試驗(yàn)4和13的結(jié)果比較看，同頻率的點(diǎn)聚焦和線聚焦探頭對1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材底波監(jiān)控的結(jié)果差異不大。

5 結(jié)語

（1）試驗(yàn)選用棒材1Cr21Ni5Ti是奧氏體不銹鋼材料，晶粒比較粗大（經(jīng)測量晶粒度為6級）。對晶粒比較大的棒材進(jìn)行底波監(jiān)控時(shí)，應(yīng)盡量采用頻率較低的聚焦探頭，并且將水距設(shè)置為探頭焦距時(shí)，底波幅值變化較小。

（2）棒材檢測時(shí)，設(shè)置靈敏度有時(shí)需要衰減補(bǔ)償。衰減補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)是比較對比試樣和被檢棒材的底波波幅水平。從試驗(yàn)結(jié)果看，棒材底波衰減情況是不均勻的。為了保證實(shí)際檢測中對不連續(xù)性不會產(chǎn)生漏檢，從保守的角度出發(fā)，應(yīng)該選擇被檢棒材上底波最低時(shí)，與對比試樣上底波進(jìn)行比較，進(jìn)行衰減補(bǔ)償。

（3）在選取被檢棒材制作對比試樣前，不僅應(yīng)對選取的棒材進(jìn)行高一等級的靈敏度檢測，還應(yīng)進(jìn)行一次底波監(jiān)控的檢測，獲取對比試樣內(nèi)部組織的衰減情況，盡量將人工傷加工在樣棒底波衰減最大的地方。

［1］ASTM E 1001－11Standard Practice for Detection and Evaluation of Discontinuities by the Immersed Pulse－Echo Ultrasonic Method Using Longitudinal Waves［S］.

［2］中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會編寫.超聲檢測［M］.北京：中國勞動(dòng)社會保障出版社，2008.

［3］AMS－STD－2154A—（2012）Inspection，Ultrasonic，Wrought Metals，Process For［S］.

［4］Mike K，Thadd P.Inspection Development for Titanium Billet－Engine Titanium Consortium PhaseⅡ［R］.［s.1］［s.n］.2005.