軋輥超聲波檢測基礎

【摘要】超聲檢測集合了物理學和數(shù)學，是目前最基本也是最簡單明了的檢測軋輥缺陷的方法。

【關鍵詞】超聲波探傷；探頭；聲速

超聲波檢測應用的特點

在無損檢測領域，超聲波檢測是四大常規(guī)無損檢測技術（超聲、射線、磁粉、滲透）之一，是目前國內外應用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無損檢測技術。與其它幾種常用的無損檢測方法相比，超聲檢測有以下特點：⑴面積型缺陷的檢出率較高，而體積型缺陷的檢出率較低。對體積型缺陷的體積大小定位較為困難。⑵適合檢驗厚度較大的工件。超聲波對鋼有足夠的穿透能力，目前超聲波探頭的穿透能力可達10米。因此，對厚大產品的界面回波和缺陷回波的定位和分辨都比較容易。⑶應用范圍廣。超聲波探傷應用范圍包括焊縫、板材、管材、棒材、鍛件、鑄件、以及復合材料等。在探測材料的內部缺陷方面，超聲波檢測與射線檢測相比，具有成本低、效率高、檢測方便等優(yōu)點。⑷超聲檢測與射線檢測相比，對缺陷在工件厚度方向上的定位較準確。⑸材質內部的成分偏析、粗大的晶粒、細小的異質夾渣物等，都對超聲檢測的精度造成影響。此外，粗大的晶粒或石墨界面還會對聲波的能量造成嚴重的衰減，降低聲波的穿透能力。⑹比較適合檢測外形輪廓簡單的工件。⑺無法得到缺陷直觀圖像，定性難，定量精度不高。⑻檢測結果無直接見證記錄。

超聲波的基本定義

機械振動在彈性體中的傳播稱之為聲波。如果以頻率f來表征聲波，并以人的可聞頻率為分界線，則可把聲波劃分為次聲波（f<20Hz）、可聞聲波（20Hz≤f≤20kHz）和超聲波（f>20kHz）。在超聲波檢測中最常用的頻率范圍為0.5～10MHz。

聲波的特征參數(shù)

頻率f：波在單位時間內通過給定點的完整波的個數(shù)稱為波的波動頻率；波長λ：波在一個周期內傳播的距離稱為波長；波速c：聲波在單位時間所傳播的距離稱為波速。

三者有以下關系：c=λf

聲波的分類

波的種類以質點的振動方向與傳播方向的關系來區(qū)分的，它分為縱波、橫波、和表面波。

⑴縱波：介質中質點振動方向與波的傳播方向一致的波。⑵橫波：介質中質點振動方向與波的傳播方向向垂直的波。⑶表面波：介質表面的質點產生繞其平衡位置作橢圓軌跡的振動的波，表面波只能沿固體表面?zhèn)鞑ァＢ暡ㄓ挚梢苑譃檫B續(xù)波、脈沖波等。連續(xù)波：介質各質點振動持續(xù)時間為無窮的波動。脈沖波：介質各質點振動持續(xù)時間有限的波動。目前廣泛使用的超聲波檢測，發(fā)射的均為脈沖超聲波。

超聲波檢測儀的構成

超聲波檢測系統(tǒng)主要由超聲檢測儀、探頭、連接線、耦合劑、試塊等構成。

超聲波探頭

超聲波探頭又叫換能器。主要作用是發(fā)射和接收高頻的超聲波。

超聲探頭的分類

超聲波探頭的種類很多，根據(jù)波型不同，可分為縱波探頭、表面波探頭、橫波斜探頭等，根據(jù)耦合方式不同可分為接觸式探頭、水浸探頭，電磁耦合探頭等。根據(jù)波束的發(fā)散情況可分為聚焦探頭和非聚焦探頭。根據(jù)晶片的數(shù)量可分為單晶探頭、雙晶探頭。

試塊

為了保證檢測結果的準確性、可重復性和可對比性，探傷檢測也必須使用試塊，來作為探傷判斷的標準。

軋輥探傷系統(tǒng)常用試塊

⑴標準試塊 標準試塊要求試塊內部材質均勻，雜質少，無影響使用的缺陷，具有良好的聲學特性。標準試塊通常采用20號碳鋼制作，試塊探測面光潔度一般不低于1.6μm，尺寸公差±0.05mm。⑵CSK-ⅠA試塊 CSK-ⅠA試塊是我國在ⅡW試塊的基礎上改進后得到的，主要有三點改進。①將φ50mm的直孔改為φ50mm、φ44mm和φ40mm臺階孔，以便于測定橫波斜探頭的分辨力。②將R100mm的單一圓弧面改為R100mm和R50mm的階梯圓弧面，以便于調整橫波掃描速度和探測范圍。③將試塊上標定的折射角改為K值（K=tgβ），從而可直接讀出橫波斜探頭的K值。（3）對比試塊 軋輥探傷用對比試塊為φ5平底孔試塊，試塊尺寸在國標GB/T1503-2008中有詳細規(guī)定。

軋輥的超聲檢測

準備工作

⑴了解檢測產品的主要生產方法，工藝特點，以及該產品主要的缺陷種類。⑵充分了解所使用儀器和探頭的組合性能，現(xiàn)場使用環(huán)境，有無強磁、振動等。⑶所要檢測產品的規(guī)格、廠家以及技術要求等細節(jié)。⑷備齊需要的探頭、連接線、耦合油、刷子等檢測工具。⑸檢測前要對不同平底孔試塊進行當量校準，測定聲速和所使用探頭的探頭延時等。

儀器和探頭的選用

儀器：⑴儀器的垂直線性和水平線性良好。⑵儀器的靈敏度余量要高（即可調的dB值范圍大），信噪比高，功率大。⑶儀器的盲區(qū)盡量小，分辨率高。⑷鑒于軋輥的檢測條件，應盡量選用便攜式、數(shù)字式儀器，儀器的熒光屏亮度高、防護能力和抗干擾能力強，操作界面應盡量選用中文界面的儀器。

探頭：

⑴首先保證探頭的性能（即選擇探頭的品牌）。⑵探頭頻率的選擇。⑶探頭種類的選擇。⑷晶片尺寸的選擇。⑸斜探頭K值的選擇。⑹檢測較為粗糙的表面時，為了提高耦合效果和保護探頭，應盡量帶軟保護膜的探頭。

缺陷的定量

對于超聲波檢測來說，當缺陷的尺寸小于聲束截面時，缺陷的定量有多種方法，比如缺陷回波高度法、底面回波高度法、當量評定法、當量計算法等，對于軋輥探傷來說，最常用的是當量評定法。當缺陷面積大于聲束截面時，就不能采用當量法了，這時測定缺陷的面積要根據(jù)檢測到缺陷的探頭移動范圍來確定缺陷的大小，通常稱為缺陷的指示長度或指示面積。檢測方法最常用的為6dB法或半波高度法、端點6dB法、端點峰值法等。

影響定量的因素

⑴缺陷的形狀。⑵缺陷的輪廓和表面光潔程度。⑶缺陷的取向。⑷缺陷的性質。

非缺陷回波

⑴探頭雜波。⑵工件輪廓回波。⑶幻象波。

中心縮松或縮孔

中心縮松在輥頸檢測中比較常見，通常位于中心部位?？s松引起的原因是最后凝固的部位沒有金屬液補縮造成。縮松會造成聲波的明顯衰減，嚴重時底波不可見。

表面裂紋及垂直裂紋

表面垂直裂紋通常是軋制過程中形成疲勞裂紋或者事故裂紋，這時裂紋的深度通常使用斜探頭進行檢測。

草狀回波

在高鎳鉻無限冷硬軋輥中，由于工作層中存在石墨，石墨會對聲波形成一定的反射作用，常引起草狀波，草狀回波可能會影響測厚的精度，但并不是缺陷造成，不會對軋輥的使用性能造成明顯影響。