鋼棒材的超聲波檢測(cè)方法

孫海龍， 秦 燁

（1.哈爾濱汽車軸承有限公司 質(zhì)量部,黑龍江 哈爾濱 150036；2. 哈爾濱軸集集團(tuán)公司 制造技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱150036）

鋼棒材的超聲波檢測(cè)方法

孫海龍1， 秦 燁2

（1.哈爾濱汽車軸承有限公司 質(zhì)量部,黑龍江 哈爾濱 150036；2. 哈爾濱軸集集團(tuán)公司 制造技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱150036）

主要講述利用超聲波對(duì)鋼棒內(nèi)部缺陷實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)的原理、方法與未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：超聲波檢測(cè)；鋼棒材；自動(dòng)檢測(cè)

1 前言

鋼棒是經(jīng)過軋機(jī)軋制而成，在軋制過程中既會(huì)產(chǎn)生表面缺陷，又會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。內(nèi)部缺陷是鋼錠或鋼坯原有的缺陷在軋制過程中延展而成，這些缺陷主要集中在鋼棒的中心部位，形式主要有夾渣、縮孔、分層和疏松等，這些缺陷會(huì)隨著軋制變形量的增大而增大。

在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼棒的這些內(nèi)部缺陷對(duì)鋼材的性能有嚴(yán)重的影響，例如，用于鍛造的鋼棒，在鍛造過程中這些內(nèi)部缺陷會(huì)繼續(xù)存在于鋼棒的內(nèi)部，有的會(huì)繼續(xù)延展，有的會(huì)形成夾層。因此對(duì)鋼棒的內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)越來(lái)越引起重視。

2 超聲波檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)是通過電壓激勵(lì)壓電晶片產(chǎn)生的超聲波對(duì)材料或者工件進(jìn)行檢測(cè)的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。超聲波具有聲學(xué)的性質(zhì)，在同一介質(zhì)中傳播的速度不變，在不同介質(zhì)的界面處會(huì)發(fā)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。利用超聲波這種性質(zhì)來(lái)判斷被檢材料內(nèi)部是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小等等。超聲波是一種頻率很高的聲波，超聲波發(fā)射出去之后，在材料內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到缺陷后超聲波會(huì)發(fā)生變化，形成缺陷信號(hào)反饋給超聲波探頭，經(jīng)過放大處理后就會(huì)顯示在儀器的示波屏上，方便觀察和測(cè)定。

超聲波檢測(cè)是利用聲波的指向性對(duì)缺陷進(jìn)行定位的，聲波在介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到缺陷時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，根據(jù)反射回波的聲壓的高低，就可以評(píng)價(jià)出缺陷的大小。形狀不同的缺陷，其反射回波的規(guī)律也不同。同時(shí)，還可以根據(jù)聲波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間確定缺陷的位置，也就是缺陷距探測(cè)位置的距離L：

式中：

C——聲波在材料中傳播的速度；

T——聲波遇到缺陷往返傳播的時(shí)間。

超聲波檢測(cè)可探測(cè)厚度較大的材料，對(duì)于鋼棒的檢測(cè)，檢測(cè)裝置相對(duì)簡(jiǎn)單方便，且自動(dòng)檢測(cè)線具有檢測(cè)速度快、檢測(cè)量大等優(yōu)點(diǎn)。超聲波檢測(cè)費(fèi)用低，且可以對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量分析，而又對(duì)人體沒有任何危害。因此超聲波檢測(cè)已經(jīng)發(fā)展成一種非常重要的無(wú)損檢測(cè)方法，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 縱波探頭探傷原理

3 水浸式線聚焦旋轉(zhuǎn)探頭超聲檢測(cè)

對(duì)于特殊用途的鋼棒，為了保證其可靠性和安全性，需要進(jìn)行百分之百檢測(cè)。水浸式線聚焦超聲波自動(dòng)檢測(cè)線就是針對(duì)這樣的鋼棒的大批量檢測(cè)，既能識(shí)別出缺陷部分又不影響其后工序工作的速率。

水浸法檢測(cè)是在探頭與被檢件之間添加一定厚度的耦合層，常用水做耦合劑，故稱作水浸法檢測(cè)。水浸法檢測(cè)時(shí)，探頭與被檢件不發(fā)生直接接觸，同時(shí)極大地減少了聲波的損耗，而且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。

超聲波發(fā)出的聲波有橫波、縱波、表面波三種形式。而鋼棒內(nèi)部缺陷的檢測(cè)只能使用橫波和縱波，對(duì)于自動(dòng)檢測(cè)線來(lái)說，垂直入射的縱波檢測(cè)使用和安裝都比較方便，所以棒材的自動(dòng)檢測(cè)廣泛使用縱波垂直入射檢測(cè)，檢測(cè)原理如圖 1 所示。采用水浸法檢測(cè)棒材內(nèi)部缺陷時(shí)，為了避免聲束在棒材中發(fā)散并提高靈敏度，探頭的聲束焦點(diǎn)應(yīng)在與聲束軸線垂直的棒材半徑上，基本上選在棒中心到棒的下表面之間。除此之外，由于水浸法檢測(cè)中，聲束在水中和鋼中發(fā)生兩次擴(kuò)散，聲壓損失較大，所以往往采用聚焦探頭。在確定液層厚度時(shí)，必須保證熒光屏上工件二次界面的反射波落在一次底面回波之后。通常情況下，為了保證對(duì)鋼棒百分之百覆蓋，采取探頭旋轉(zhuǎn)式，探頭設(shè)置為6~8個(gè)，再對(duì)水壓和旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行合理的設(shè)置。超聲波探頭如圖 2 所示，圖 3 為探頭旋轉(zhuǎn)裝置。

4 鋼棒材超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用

鋼棒材超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是應(yīng)用超聲波縱波檢測(cè)方式來(lái)檢測(cè)鋼棒內(nèi)部分層、夾雜等缺陷的設(shè)備。鋼棒通過傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的六通道超聲探頭，每個(gè)通道都設(shè)置成不同的頻率。鋼棒低速前進(jìn)，因此能夠?qū)︿摪舯砻姘俜种俑采w。鋼棒進(jìn)入超聲波系統(tǒng)之后，系統(tǒng)開始檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到缺陷時(shí)，探頭就會(huì)反饋缺陷信號(hào)，缺陷信號(hào)經(jīng)過處理、放大、轉(zhuǎn)換給示波器，示波器再傳遞給電腦，電腦中的程序會(huì)做出相應(yīng)的響應(yīng)，即做出缺陷部位標(biāo)識(shí)。在后續(xù)生產(chǎn)中就會(huì)切去這段有標(biāo)識(shí)的鋼棒，從而避免了鋼棒內(nèi)部缺陷給產(chǎn)品帶來(lái)的質(zhì)量問題。在整個(gè)系統(tǒng)中需控制和調(diào)整的因素如下。

圖2 超聲波探頭

圖3 旋轉(zhuǎn)裝置

4.1 水層厚度

超聲波通過探頭進(jìn)入鋼棒內(nèi)部，在探頭與鋼棒接觸的界面,聲波由于發(fā)生反射折射等會(huì)造成聲壓損失；聲波再?gòu)匿摪舻教筋^會(huì)同樣發(fā)生損失，所以要在界面處添加耦合劑來(lái)減少聲壓損失。在一次界面波和二次界面波之間采集反射回來(lái)的信號(hào)，通過控制水層的厚度就可以實(shí)現(xiàn)。只需保證聲波在鋼棒中傳播時(shí)間小于等于聲波在水層中的傳播時(shí)間即可，同時(shí)要考慮整個(gè)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)效性就可以控制水層的厚度了。

如檢測(cè)直徑60mm的鋼棒，代入數(shù)據(jù)得：

其中：

t ——超聲波在水中的傳播時(shí)間；

T ——超聲波在鋼棒中的往返傳播時(shí)間；

δ水——水層的厚度；

φ鋼棒——鋼棒的直徑；

C水——超聲波（縱波）在水中的傳播速度1 400m/s；

C鋼——超聲波（縱波）在鋼中的傳播速度5 200m/s。

在實(shí)際生產(chǎn)中要取計(jì)算當(dāng)中的最大整數(shù)值即16mm，因?yàn)樗畬犹?huì)不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生氣泡，影響聲波的傳遞，出現(xiàn)很多的雜波。

4.2 入射角的選擇

根據(jù)聲波斜入射時(shí)的聲壓往復(fù)透射率可知，當(dāng)縱波傾斜入射到水鋼界面，入射角為14.5°～27.2°時(shí)，鋼中只有折射橫波，在折射角35°～70°時(shí)，其聲壓往復(fù)透射率較高，只產(chǎn)生縱波，所以在調(diào)整儀器時(shí)要調(diào)整探頭的入射角度，以便獲得縱波探傷。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)樣棒

超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是依靠標(biāo)準(zhǔn)樣棒來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行辨別的。在鋼棒自動(dòng)超聲波檢測(cè)過程中，采用的是當(dāng)量比較的方法，即通過缺陷回波的幅度與標(biāo)準(zhǔn)人工傷的回波幅度比較的方法來(lái)判定缺陷。如果鋼棒缺陷回波幅度比標(biāo)準(zhǔn)人工傷低，則認(rèn)為是合格鋼棒；如果缺陷回波幅度比標(biāo)準(zhǔn)人工傷高，則認(rèn)為是有缺陷鋼棒。因此，對(duì)比試樣鋼棒上的標(biāo)準(zhǔn)人工傷的精度將直接影響到判傷的準(zhǔn)確性。標(biāo)準(zhǔn)人工傷的刻槽方式有兩種，一種是鋸片刻槽，矩形槽的底面是平的；另一種是電蝕加工，槽是U形的，底面有一定圓弧。無(wú)論采用哪一種方式，都要求槽的中心線與棒材中心線要盡量重合。如果不重合或刻槽發(fā)生偏斜，則會(huì)嚴(yán)重影響判傷的準(zhǔn)確性和現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試。如果用人工刻槽兩側(cè)的回波幅度來(lái)衡量刻槽垂直度，一般要求≤2dB。

4.4 報(bào)警閘門

整個(gè)系統(tǒng)都配置好以后，就可以設(shè)置報(bào)警閘門了。報(bào)警閘門即回波幅高的一個(gè)衡量值，回波幅高高于報(bào)警閘門即為缺陷信號(hào)，低于則為合格信號(hào)。設(shè)置報(bào)警閘門要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)樣棒上的人工傷，將人工傷放置在超聲波檢測(cè)系統(tǒng)中，會(huì)出現(xiàn)缺陷信號(hào)，根據(jù)《金屬材料無(wú)損檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)》調(diào)整靈敏度，繪制出AVG曲線，在一次界面波和二次界面波之間設(shè)置閘門，如圖 4 所示。通過AVG曲線可以在顯示器上直觀地看出信號(hào)的響應(yīng)程度。

4.5 缺陷的標(biāo)識(shí)

圖4 超聲波檢測(cè)實(shí)時(shí)顯示器

超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的目的是保證進(jìn)入待加工的原材料是沒有缺陷的，原材料的質(zhì)量是產(chǎn)品質(zhì)量最基礎(chǔ)同時(shí)也是最重要最根本的保證。在超聲檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到缺陷時(shí)，缺陷信號(hào)的幅高高于圖 4 中的報(bào)警閘門，系統(tǒng)會(huì)在C掃描記錄上記錄缺陷的位置如圖 5 所示，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)在鋼棒上打標(biāo)，標(biāo)識(shí)出鋼棒上缺陷所在的位置，如圖 6 所示。標(biāo)記缺陷的樣棒在鋼棒切斷工序中挑出并扔掉報(bào)廢。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于缺陷段鋼棒內(nèi)部有傷，切料過程中往往會(huì)發(fā)生切料切裂的現(xiàn)象，如圖 7 所示，如果這樣有缺陷的鋼棒流入后道工序繼續(xù)加工，最后形成產(chǎn)品，后果將會(huì)非常嚴(yán)重，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅。

圖5 C掃描記錄

圖6 缺陷樣棒的標(biāo)識(shí)

圖7 標(biāo)識(shí)的缺陷段被切裂

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用戶對(duì)棒材使用的可靠性和安全性的要求越來(lái)越高，于是對(duì)鋼棒材超聲波在線檢測(cè)的研制應(yīng)運(yùn)而生，而且日趨完善。

對(duì)鋼棒材的檢測(cè)手段有很多種，主要有磁粉探傷、滲透探傷、超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)。相對(duì)于其他檢測(cè)方法，超聲波檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)人體無(wú)害，并且檢測(cè)效果好，因而得到廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)是手工進(jìn)行的，操作人員憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)探傷儀上顯示的波形予以判斷，帶有主觀性和局限性。這些經(jīng)驗(yàn)是寶貴的，但是效率低，容易發(fā)生漏檢和誤檢，并且無(wú)法對(duì)超聲波進(jìn)行處理和變換，諸如利用概率統(tǒng)計(jì)、圖像識(shí)別、頻率分析和數(shù)字濾波等領(lǐng)域中的理論和方法來(lái)揭示和提取缺陷信號(hào)的特征。近年來(lái)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和超聲原理結(jié)合，提高了探傷的精度、重復(fù)性、可靠性和直觀性，為科學(xué)地評(píng)價(jià)缺陷提供了有力的工具。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì).超聲波檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì).無(wú)損檢測(cè)概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[3] 《金屬材料無(wú)損檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)匯編》匯編組.金屬材料無(wú)損檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)匯編[M] .北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2002.

[4] 馬小懷,郭永清,呂剛等.界面厚度小于13mm的鈦合金棒材超聲波檢測(cè)[J].無(wú)損探傷,2005,（8）.

（編輯：林小江）

Ultrasonic detection method of steel rod

Sun Hailong1, Qin Ye2

( 1. Quality Department, Harbin Automobile Bearing Co., Ltd., Harbin 150036, China; 2. Manufacturing Technology Department, Harbin Bearing Group Corporation, Harbin 150036, China )

The principle and method of detecting automatically internal defects of steel rod using ultrasoun are focused on, and introducing the future trend of development.

ultrasonic detection; steel rod ; automatic detection

TH878+.2

B

1672-4852（2016）04-0038-04

2016-09-05.

孫海龍（1988-），男，助理工程師.