表面粗糙度對棒材電磁超聲檢測的影響

聞小德

(山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司， 萊蕪 271105)

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表面粗糙度對棒材電磁超聲檢測的影響

聞小德

(山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司， 萊蕪 271105)

摘要：介紹了棒材電磁超聲探傷儀的結(jié)構(gòu)、功能、主要性能參數(shù)以及工作原理，針對檢測過程中發(fā)生缺陷誤報(bào)的情況，通過試驗(yàn)分析了表面粗糙度對電磁超聲檢測的影響。結(jié)果表明，棒材表面粗糙度較大是造成誤報(bào)的直接原因；要降低誤報(bào)率，可采用降低表面粗糙度或降低檢測靈敏度的方法。

關(guān)鍵詞：棒材；電磁超聲；表面粗糙度；誤報(bào)

電磁超聲檢測作為一種新型無損檢測技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，現(xiàn)已應(yīng)用于鐵路鋼軌檢測、復(fù)合材料檢測等領(lǐng)域。某廠新建一條大棒材無損檢測生產(chǎn)線，整線的工藝流程為：上料→矯直→拋丸→倒棱→內(nèi)部檢測→表面檢測→分揀→收集打捆→吊運(yùn)下線。棒材的內(nèi)部檢測采用的就是電磁超聲檢測技術(shù)，但在實(shí)際檢測中發(fā)現(xiàn)雜波較多，經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)情況。針對棒材檢測過程中出現(xiàn)的誤報(bào)問題，筆者通過現(xiàn)場試驗(yàn)，分析了棒材內(nèi)部檢測時(shí)產(chǎn)生雜波的原因，為相關(guān)檢測和生產(chǎn)工藝提供一定借鑒。

1電磁超聲檢測儀簡介

1.1　設(shè)備結(jié)構(gòu)及功能簡述

EMATEST-BB-220型電磁超聲檢測儀采用探頭旋轉(zhuǎn)、棒材直線通過式的檢測方法，主要由旋轉(zhuǎn)探頭機(jī)構(gòu)、電氣柜、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、操作臺、缺陷標(biāo)記器、標(biāo)棒、去磁裝置等部分組成。旋轉(zhuǎn)探頭機(jī)構(gòu)包括探頭架、探頭線圈、永磁鐵、滑靴、耐磨片等組件。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件與軟件，軟件的作用主要是進(jìn)行檢測參數(shù)的設(shè)定，檢測結(jié)果的動態(tài)顯示、存儲、打印等。在軟件中,A掃描主要是完成標(biāo)棒校準(zhǔn)時(shí)的參數(shù)設(shè)置，包括位置門(起點(diǎn)、寬度)、報(bào)警門高度、增益值、脈沖重復(fù)頻率、端部檢測盲區(qū)、檢測速度等參數(shù)；C掃圖用于逐支顯示棒材的檢測結(jié)果，包括棒材的長度、缺陷的位置等。

1.2　主要性能參數(shù)

(1) 探頭排列8個(gè)回形線圈組合排列在橫波探頭CF內(nèi)；10個(gè)蛇形線圈組合排列在橫波探頭SSF中。

(2) 探頭布置CF探頭與SSF探頭對稱布置在一對探頭臂上。

(3) 工作頻率CF探頭頻率3 MHz,SSF探頭頻率1.25 MHz。

(4) 聲波輻射角度CF探頭垂直入射，SSF探頭以30°角斜入射。

(6) 報(bào)警門代號一次缺陷波——KAD，二次缺陷波——KAD′。

(7) 端部檢測盲區(qū)不大于50 mm。

(8) 缺陷標(biāo)記精度范圍-20～20 mm。

(9) 信噪比不小于12 dB。

2棒材的電磁超聲檢測原理

2.1　電磁超聲檢測的基本原理

電磁超聲檢測[1]將棒材內(nèi)部劃分為芯部區(qū)域和亞表面區(qū)域，利用橫波探頭CF檢測芯部缺陷，利用橫波探頭SSF檢測亞表面缺陷。橫波探頭CF采用回形線圈，當(dāng)磁鐵產(chǎn)生的磁力線垂直于棒材表面時(shí)，渦流受力方向平行于棒材表面，質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生與作用力垂直的超聲橫波，以檢測棒材芯部缺陷。橫波探頭SSF采用蛇形線圈，相鄰兩部分繞組的電流方向相反，磁力線垂直于金屬表面時(shí)，棒材內(nèi)部將產(chǎn)生橫波，以檢測棒材亞表面缺陷。

棒材表面產(chǎn)生的電磁超聲波向棒材內(nèi)部傳播，遇到缺陷時(shí)形成缺陷反射波，與棒材底面反射波一起被電磁超聲探頭捕捉，并在回波器上以A掃描波形圖的形式顯示出來，據(jù)此可分析缺陷在棒材內(nèi)的位置和大小[2-3]。

2.2　棒材內(nèi)部缺陷的識別

2.2.1芯部缺陷的識別

檢測棒材芯部缺陷時(shí)，電磁超聲探頭發(fā)射超聲橫波垂直入射進(jìn)棒材。A掃描橫坐標(biāo)顯示出芯部缺陷的徑向位置(D表示棒材直徑)，縱坐標(biāo)顯示出缺陷的波幅，如圖1所示。

圖1　芯部缺陷位置及其A掃描波形

2.2.2亞表面缺陷的識別

檢測棒材亞表面缺陷時(shí)，電磁超聲探頭發(fā)射橫波斜入射進(jìn)棒材內(nèi)部(入射角度為30°)，根據(jù)超聲波檢測原理，A掃描時(shí)亞表面缺陷出現(xiàn)位置如圖2所示。

圖2　亞表面缺陷位置及其A掃描波形示意

3表面粗糙度對電磁超聲檢測的影響

影響超聲波檢測雜波水平的因素較多。從檢測方法本身來說，探頭頻率、探頭性能、被檢材料的顯微組織以及表面粗糙度等因素都會影響超聲檢測的雜波水平[4]。

3.1　表面粗糙度對芯部檢測的影響

電磁超聲換能器激發(fā)超聲波是在被測材料表面的趨膚層內(nèi)直接進(jìn)行的，當(dāng)棒材表面粗糙度不理想時(shí)，激發(fā)的始波在A掃描波形上的占寬將變寬，檢測過程中始波很容易跳動到傷波閘門內(nèi)，而被誤報(bào)為缺陷。圖3(a)是采用φ1.0 mm合金鑄鋼丸精細(xì)拋丸的棒材表面的A掃圖，圖3(b)是采用100目棕剛玉砂輪磨削棒材表面的A掃圖。對比發(fā)現(xiàn)，拋丸表面的始波占寬比磨削表面的始波占寬變寬了很多，在底波水平相當(dāng)?shù)那闆r下，傷波閘門內(nèi)檢測到的雜波水平相差15.6 dB，見表1(其中鋼絲丸粗拋丸表面很粗糙，粗糙度值不能測量得出)。圖4是同一支棒材的C掃圖，每張圖中的左半部分為磨削表面，右半部分為拋丸表面，從圖中可以明顯看出表面粗糙度對芯部檢測結(jié)果的影響。

圖3　不同表面粗糙度棒材的芯部A掃圖

圖4　不同表面粗糙度棒材的芯部C掃圖

表1　不同表面粗糙度棒材的雜波水平

3.2　表面粗糙度對亞表面檢測的影響

表面粗糙度對亞表面檢測的影響不僅反映在始波占寬上,還反映在底波回波上,如圖5所示。可見，在-25 dB的波幅水平上，圖5(a)的始波占寬超過了40 μs，圖5(b)的始波占寬僅有25 μs。在-30 dB的波幅水平上比較，兩者的始波占寬相差得更大。

圖5　不同表面粗糙度棒材的亞表面A掃圖

由于超聲波聲束具有擴(kuò)散的特性[5]， SSF探頭激發(fā)的聲束在棒材表面上的反射是一個(gè)反射面AB，如圖6所示，其中A點(diǎn)與A＇點(diǎn)的聲程一致。當(dāng)棒材表面較為粗糙時(shí)，A點(diǎn)反射的底波進(jìn)入傷波閘門內(nèi)而被誤認(rèn)為是A＇點(diǎn)的反射波，從而被誤報(bào)為缺陷。

圖6　超聲波斜入射示意

4改進(jìn)措施

4.1　降低棒材表面粗糙度

由以上的分析可知，表面粗糙度對棒材電磁超聲檢測有極大地影響，會導(dǎo)致誤報(bào)率大幅增高。由表1可見，要想達(dá)到橫孔φ1.2 mm×15 mm的檢測靈敏度，棒材表面必須經(jīng)過大于100目的砂輪磨削，以保證棒材表面粗糙度較為一致，并使棒材表面粗糙度Ra達(dá)到不超過6.3 μm的水平。

4.2　降低檢測靈敏度

在目前整線工藝流程無法改變的情況下，通過選用顆粒細(xì)小的彈丸，并調(diào)整彈丸噴射角度等拋丸參數(shù)，棒材表面粗糙度Ra也只能達(dá)到12.5～25的水平，而無法滿足φ1.2 mm×15 mm的檢測靈敏度要求。故，通過試驗(yàn)降低檢測靈敏度，可實(shí)現(xiàn)相對較低的質(zhì)量等級的棒材檢測。

5結(jié)論

(1) 棒材表面粗糙度對電磁超聲檢測具有極大影響，表面粗糙度較大時(shí)，易導(dǎo)致嚴(yán)重的棒材芯部和亞表面檢測的缺陷誤報(bào)。

(2) 通過降低棒材表面粗糙度或降低檢測靈敏度，可提高電磁超聲檢測的準(zhǔn)確性，降低缺陷的誤報(bào)率。

參考文獻(xiàn)：

[1]李振才.電磁超聲技術(shù)(EMAT)的發(fā)展與應(yīng)用[J].無損探傷,2006,30(6):13-14.

[2]陳鵬,韓德來,蔡強(qiáng)富,等.電磁超聲檢測技術(shù)的研究進(jìn)展[J].國外電子測量技術(shù),2012,31(11):18-21.

[3]張勇,陳強(qiáng),孫振國,等.用于無損檢測的電磁超聲換能器研究進(jìn)展[J].無損檢測,2004,26(6):275-279.

[4]馬小懷.鈦合金超聲波檢測中雜波產(chǎn)生原因分析[J].無損檢測,2006,28(12):649-651.

[5]夏紀(jì)真.工業(yè)超聲波無損檢測技術(shù)[M].廣州:廣東科技出版社,2012.

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Influence of Surface Roughness on EMAT Detection of Round Steel

WEN Xiao-de

(Laiwu Branch, Shandong Iron and Steel Co., Ltd.， Laiwu 271105, China)

Abstract：The equipment structure, its function, main performance parameters and basic principles of electromagnetic ultrasonic detector for round steel inspection were introduced. Aiming at false alarm of EMAT detection, the influence of surface roughness was tested and analyzed. Results showed that the surface roughness was the direct cause of false alarm. In order to reduce the rate of false alarm, the method of reducing surface roughness and detection sensitivity should be taken.

Key words:Round steel; Electromagnetic ultrasonic; Surface roughness; False alarm

中圖分類號：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)02-0045-03

DOI:10.11973/wsjc201602011

作者簡介：聞小德(1985-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事無損檢測技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015-02-02