鑄坯內(nèi)部夾雜物的超聲檢測評價

鄒 兵 黃亞俊 張國星

(1.上海寶華國際招標(biāo)有限公司，上海201900；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司，上海210039；3.寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900)

夾雜物的檢查主要涉及夾雜物的分布情況、大小、種類、數(shù)量等方面。超聲波檢測應(yīng)用廣泛，但大多需要對被檢測件進(jìn)行粗加工，以使被檢測件在表面、內(nèi)部組織等方面都處于比較理想的檢查狀態(tài)。采用直探頭縱波對鑄坯檢測，鑄坯粗大晶粒的晶界會對聲波形成較強的散射，在時域上形成隨機分布的大量“草狀波”背景噪聲，對檢測不利。所以，目前相關(guān)的實驗結(jié)果不是很多[1]。在本文中，我們介紹了對鑄坯內(nèi)部夾雜物采用聚焦聲場進(jìn)行檢測評價的設(shè)備和應(yīng)用效果。

實現(xiàn)聚焦聲場對鑄坯夾雜物的檢測關(guān)系到兩個方面，一是采用聚焦聲場能夠?qū)崿F(xiàn)的檢測連鑄坯夾雜物的靈敏度；二是在滿足連鑄坯夾雜物檢測需求的情況下，對一定尺寸的夾雜物，能夠檢測到的距離樣品表面的深度。聚焦換能器的焦距局限在近場區(qū)范圍內(nèi)，對于點聚焦換能器，最大的實際焦距為0.8倍的近場長度。

最大的實際聚焦長度Fl為：

(1)

式中，D是換能器直徑；λ是波長；N是近場長度。

(2)

歸一化焦距SF為：

(3)

式中，F(xiàn)是換能器在水中的聚焦長度。

超出SF的聚焦設(shè)計將引起弱聚焦，與非聚焦探頭相比，弱聚焦根本無法體現(xiàn)出聚焦產(chǎn)生的能量集中的效果。在聚焦長度選定的狀態(tài)下，實際的換能器測量聚焦長度是由被檢測材料的性質(zhì)決定的，其主要原因是由于不同材料的聲速差異，所以選定探頭的焦距長度之前必須參考待確定的被檢測材料的厚度、聲速、和檢測方式，以及耦合液體的性質(zhì)。由于一般而言，大多數(shù)材料的聲速均大于超聲波在水中的聲速，耦合液選取水，材料為鋼，兩者的縱波聲速相差約為4倍。實際檢測時聚焦的改變情況可以用下述公式表示：

WP=F-MP(ctm/cw)

(4)

式中，WP是水層厚度；MP是焦點在材料中的深度；ctm是被檢材料中的聲速；cw是水中的聲速。

聚焦區(qū)長度和聚集聲束寬度可以判斷換能器聲能集中的效果，它們和聚焦換能器的頻率、直徑和聚焦長度都有關(guān)系，可以根據(jù)被檢測樣品外觀尺寸、檢測任務(wù)的不同，經(jīng)過計算后進(jìn)行折衷選取。如果聚集聲束寬度邊界以相比聚焦聲場軸線上最大聲壓處聲能下降-6dB處為確定條件，則有：

BD(-6dB)=1.02Fc/fD

(5)

式中，BD是聲束寬度；c是材料中的聲速；f是檢測頻率。

同樣，如果聚焦區(qū)長度邊界以相比聚焦聲場軸線上最大聲壓處聲能下降-6dB為確定條件，則焦斑長度為：

(6)

1 聚焦聲場檢測設(shè)備介紹

1.1 鑄坯夾雜物聚焦聲場檢測設(shè)備

本文研制的鑄坯夾雜物超聲檢測系統(tǒng)主要用于對鑄坯樣品進(jìn)行宏觀潔凈度的評價以及板材的高靈敏度內(nèi)部缺陷檢查，圖1為檢測系統(tǒng)組成示意圖。檢測系統(tǒng)包括超聲檢測單元、運動控制單元、檢測結(jié)果分析單元以及檢測結(jié)果輸出單元。出于保證聚焦聲場檢測高靈敏度對樣品的要求，設(shè)備配有樣品表面磨光制樣裝置。

檢測物理過程為：樣品置于水槽，發(fā)射脈沖激勵超聲換能器探頭產(chǎn)生高頻超聲波，超聲波經(jīng)過C掃描裝置中的液體耦合進(jìn)入連鑄坯試樣，一部分在試樣表面產(chǎn)生反射，一部分進(jìn)入連鑄坯試樣。在試樣內(nèi)傳播的超聲波，當(dāng)其遇到聲阻抗與連鑄坯基體材料有明顯差異的情況時，即產(chǎn)生反射，疊加在整個反射回波序列中。整個反射波經(jīng)超聲換能器接收后轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換卡將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號傳入計算機，再通過數(shù)字信號處理，達(dá)到抑制噪聲，突出夾雜物信號的目的，進(jìn)而能提取出表征夾雜物的信號，完成對試樣中夾雜物情況的檢測。根據(jù)夾雜物的多少和分布情況，給出夾雜物的檢測結(jié)果，最后顯示檢測結(jié)果的C掃描圖像和生成檢測報告。

圖1 鑄坯夾雜物聚焦聲場檢測系統(tǒng)組成示意圖Figure 1 Illustration of focused ultrasonic field test system fabrication of casting blank inclusion

本文所研制設(shè)備可以在10 min內(nèi)對尺寸1 200 mm×300 mm×80 mm的鑄坯樣品完成內(nèi)部夾雜物的檢測評價，檢查靈敏度最佳可達(dá)到50 μm，大大優(yōu)于相應(yīng)坯料軋成厚板后檢測的靈敏度。

設(shè)計針對的待檢鑄坯樣品的體積較大，重量約300 kg左右。為了提高檢查的效率，設(shè)計了相應(yīng)的檢測結(jié)構(gòu)配合實現(xiàn)宏觀夾雜物的檢測分析，涉及到水槽、水槽托座、水槽水平調(diào)整結(jié)構(gòu)、運動掃查架。各部分的指標(biāo)如下：

(1)樣品水槽：尺寸是1 400 mm×600 mm×300 mm，自重60 kg。

(2)樣品水槽托座：尺寸是1 400 mm×600 mm×100 mm，自重500 kg，承重2 500 kg。

(3)手動樣品水平調(diào)整機構(gòu)行程：0～40 mm。

(4)超聲掃查架運動范圍：1 250 mm×600 mm×200 mm?？臻g重復(fù)定位精度≤±0.10 mm；單軸重復(fù)定位精度≤±0.05 mm：最大運動速度≥500 mm/s。

(5)檢測系統(tǒng)：尺寸為2 000 mm×1 000 mm×1 900 mm，重量約3 000 kg。

1.2 鑄坯夾雜物聚焦聲場檢測系統(tǒng)軟件

檢測系統(tǒng)程序完成設(shè)備靈敏度調(diào)試、運動控制、檢測任務(wù)和檢測結(jié)果的輸出，包括控制探頭的運動、發(fā)射脈沖激勵探頭發(fā)射超聲波等，采集信號的處理和存儲，對夾雜物缺陷信息的提取，C掃查檢測結(jié)果的成像，及檢測報告的生成和打印輸出。根據(jù)實際需要，檢測系統(tǒng)軟件能交互式的完成操作者對系統(tǒng)的各種參數(shù)設(shè)置、命令控制，并自動的按照設(shè)置要求完成掃描檢測并生成檢測報告。

鑄坯夾雜物聚焦聲場檢測設(shè)備軟件系統(tǒng)包括伺服電機運動控制、脈沖發(fā)射/接收控制、數(shù)據(jù)采集控制、檢測參數(shù)設(shè)定等控制功能，在檢測過程中還具有當(dāng)前位置回波波形顯示、B(C)掃描成像、信號處理、夾雜物統(tǒng)計、檢測結(jié)果的三維顯示、保存和打印檢測結(jié)果報告等顯示處理功能。采用分組式任務(wù)管理，按操作人員、任務(wù)、單位等分類存儲檢測結(jié)果信息。在從進(jìn)入檢測界面到檢測結(jié)束的處理流程中，使信息登記、檢測條件設(shè)置、檢測過程執(zhí)行、檢測結(jié)果保存、檢測結(jié)果再處理、調(diào)出、報告生成等環(huán)節(jié)符合檢測操作者的一般視窗操作規(guī)范。

連鑄坯內(nèi)部夾雜物超聲檢測設(shè)備的一些控制處理流程，如脈沖發(fā)射/接收控制，相關(guān)的檢測條件設(shè)定和存儲采用獨立線程調(diào)用，通過對接口函數(shù)的操作來完成設(shè)定，或者可以通過調(diào)用初始化函數(shù)來自動完成對檢測條件的重新設(shè)定，該初始化設(shè)置是按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件對某種實驗情況下的檢測條件的保存，超聲波脈沖發(fā)射/接收的控制流程見圖2。開發(fā)脈沖發(fā)射/接收控制程序主要是存取和設(shè)定超聲脈沖檢測條件，配合檢測系統(tǒng)的主線程或者在檢測進(jìn)行之前快速做出檢測條件等的初始化設(shè)定。超聲信號采集和處理的控制流程與脈沖發(fā)射/接收控制界面的情況相似，超聲信號數(shù)據(jù)采集控制流程見圖3。

圖2 超聲波脈沖發(fā)射/接收的控制流程Figure 2 Control flow chart of ultrasonic pulse emission and receiving

圖3 超聲信號數(shù)據(jù)采集控制流程Figure 3 Control flow chart of ultrasonic signal data gathering

1.3 檢測結(jié)果分析統(tǒng)計

檢測系統(tǒng)要完成對夾雜物信號的檢測和對夾雜物的評定，需要對夾雜物信號進(jìn)行統(tǒng)計處理。對是否為夾雜物的判斷通過是否超過設(shè)定閾值來判斷。如果超過閾值，該點則被記為有夾雜物點，并且對該點坐標(biāo)位置相鄰點也進(jìn)行比較，來判斷是否為更大的夾雜物。圖4說明了對夾雜物總面積和最大夾雜物面積的統(tǒng)計過程。最大夾雜物統(tǒng)計方法根據(jù)檢測的編碼位置，可以將相應(yīng)C掃描結(jié)果數(shù)組中的夾雜物按其是否相連進(jìn)行判斷并依次編號。在判斷當(dāng)前夾雜物點中，要依次判斷其周圍已判點是否也為夾雜物，以保證相連夾雜物做相同標(biāo)記。

圖4 檢測到的夾雜物回波信號統(tǒng)計處理流程Figure 4 Statistical and handling flow chart of detected inclusion echo signal

圖5 對樣品檢測方式示意圖Figure 5 Sketch of detected specimen manner

2 鑄坯夾雜物檢測系統(tǒng)應(yīng)用實驗

2.1 對兩塊鑄坯樣品的檢測對比實驗

對提取的兩塊鑄坯樣品(980 mm×280 mm×60 mm)經(jīng)檢測表面處理后，按圖5檢查方式，控制聚焦換能器在樣品的檢測表面上方的平行平面內(nèi)平行移動并作逐點檢查，掃查步長2 mm，檢測時間8 min。檢測結(jié)果見圖6，圖6中的點是對檢測點(2 mm×2 mm)內(nèi)部有缺陷超標(biāo)的標(biāo)識。可以看到A樣品的中心區(qū)域夾雜物密集分布，右上角有小塊的集中分布；而B樣品靠近邊部兩側(cè)夾雜物分布比中心區(qū)域要多。對比兩塊鑄坯樣品的結(jié)果，可以看出內(nèi)部缺陷分布的數(shù)量和分布位置存在較大差異。圖7是對圖6(a)樣品檢測條件和檢測評價情況的輸出。

圖6 鑄坯樣品夾雜物檢測系統(tǒng)對 兩塊鑄坯樣品的檢測結(jié)果Figure 6 Test results of two pieces of specimen by detection system of casting blank sample inclusion

圖7 檢測條件和檢測結(jié)果輸出Figure 7 Test condition and result output

2.2 對樣品的解剖檢測結(jié)果

利用精密加工磨床對檢測結(jié)果進(jìn)行解剖驗證。解剖逐層進(jìn)行，在解剖之前，對檢測到的夾雜物位置進(jìn)行了確定，通過磨床將樣品從表面加工到存在目的夾雜物的深度后，以每層0.1 mm的厚度進(jìn)行解剖并結(jié)合光學(xué)顯微鏡的觀察交替對夾雜物進(jìn)行統(tǒng)計查找。解剖結(jié)果表明，在檢測成像顯示存在夾雜物的位置有相應(yīng)的夾雜物存在，并且分布情況和檢測系統(tǒng)超聲成像的結(jié)果相符。圖8為根據(jù)檢測到的夾雜物位置對樣品進(jìn)行解剖后，得到的和檢測結(jié)果相對應(yīng)的夾雜物形貌。

3 結(jié)論

研究表明，采用聚焦聲場設(shè)備可以有效的對鑄坯樣品內(nèi)部夾雜物實施檢查評價，快速實現(xiàn)對大體積的鋼材樣品進(jìn)行內(nèi)部夾雜物的宏觀檢測評價，是一種重要的評價鋼材質(zhì)量的新手段。

圖8 對鑄坯樣品內(nèi)部夾雜物的解剖驗證Figure 8 Anatomic verification of specimen inclusion

[1] (譯文)[意].G.Canella, F.Monti, L.Pedicell, A.L’Erede, 鋼的液浸法超聲探傷中應(yīng)用不同聚焦探頭分辨微小夾雜物的幾種效果. 譯自10th World Conference on Nondestructive Testing