基于橫波多次反射法的彈簧扁鋼缺陷定位方法及掃查方式研究

廖童華，陳修忻，章 慶

(1.無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063；2.上海地鐵維護保障有限公司工務分公司，上海 200237；3.方大特鋼科技股份有限公司，南昌 330012)

0 引言

彈簧扁鋼是極其重要的特種鋼材，對航空業(yè)、軌道交通、各類機動車輛都發(fā)揮著不可替代的作用[1]。隨著社會的發(fā)展，彈簧扁鋼的需求量連續(xù)攀升，這就要求特種鋼材生產企業(yè)要大幅提高彈簧扁鋼的檢測效率，以保證對市場的充足、穩(wěn)定供應。目前，特種鋼材生產企業(yè)大多采用抽檢方式檢驗產品的質量，隨著鋼材用戶對彈簧扁鋼質量要求的提高[2]，對少量彈簧扁鋼產品進行檢測的質檢方式已經不能適應鋼材生產企業(yè)要求檢測裂紋、球狀非金屬夾雜等典型毫米級缺陷的標準[3]。水浸聚焦分層C掃檢測彈簧扁鋼具有良好的檢測效果[4]，但直探頭水浸C掃檢測法需要全面掃查彈簧扁鋼表面才能檢測彈簧扁鋼的所有區(qū)域，全面掃查彈簧扁鋼的所有區(qū)域耗時太長，并且不能檢測彈簧扁鋼表面和近表面的小缺陷，所以急需一種高效、可靠的彈簧扁鋼檢測方法運用于工業(yè)生產。

本研究基于超聲橫波多次反射檢測法，發(fā)揮其具有大檢測范圍、能檢測彈簧扁鋼表面及內部缺陷的特點，提出彈簧扁鋼缺陷定位的計算方法，并試驗、驗證此方法的定位精度，發(fā)揮超聲橫波多次反射檢測法具備大檢測范圍的特點，使該方法具備檢測、定位遠距離缺陷的能力。驗證超聲橫波多次反射檢測法遠距離定量缺陷的可行性，并對距探頭入射點311 mm的橫孔進行定量。此外，根據超聲橫波多次反射檢測法的檢測特性，經試驗分析，提出一種提高彈簧扁鋼檢測效率的檢測方法。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

彈簧扁鋼在軋制工序后有組織殘余應力[5]，會導致其在冷卻過程中產生裂紋。裂紋是對彈簧扁鋼工作性能影響最嚴重的缺陷類型之一[6]。裂紋在產生和發(fā)展的初始階段，屬于線狀缺陷，所以采用屬于線狀缺陷的橫孔模擬彈簧扁鋼中的裂紋，進行探頭激發(fā)超聲橫波對裂紋的檢測范圍試驗。在長為1 100 mm的彈簧扁鋼上加工人工缺陷，為保證缺陷之間及缺陷與彈簧扁鋼側邊之間有一定的間距，將人工缺陷分別加工在彈簧扁鋼的兩端。在一端加工直徑1 mm、長10 mm、深4 mm橫孔，以及長5 mm、寬0.5 mm、深1 mm的淺槽；在另一端加工直徑分別為2、3 mm、長度均為10 mm、深度均為4 mm的橫孔，以及直徑1 mm、深5 mm豎孔。圖1為彈簧扁鋼兩端人工缺陷區(qū)域示意圖。

圖1 彈簧扁鋼中人工缺陷示意圖Fig.1 Diagram of artificial defects in spring flat steel

1.2 試驗及缺陷定位方法

橫波斜探頭晶片激發(fā)超聲縱波經楔塊及彈簧扁鋼表面折射，因波形轉換產生超聲橫波，超聲橫波以一定折射角進入彈簧扁鋼，并在彈簧扁鋼中多次反射，形成“V”字形傳播路徑。由于超聲橫波聲束與彈簧扁鋼表面不垂直，不存在直探頭檢測時超聲波在彈簧扁鋼上、下表面間反射的底波，因而斜入射的超聲橫波可以檢測彈簧扁鋼上、下表面的缺陷[7]。當橫波聲束軸線在彈簧扁鋼內部或表面遇到非面狀缺陷時，缺陷反射回波沿原傳播路徑返回，被探頭接收。橫波從探頭入射點傳播至缺陷并沿原路徑返回形成的傳播路徑，由多個跨距組成?；诔暀M波多次反射檢測法對彈簧扁鋼缺陷定位，缺陷定位計算方法必定要準確地計算缺陷與探頭入射點的水平距離及缺陷深度，而探頭入射點至缺陷的聲程由多個不同的跨距構成[8]，若計算時忽略多個不同跨距的長度存在微小差值及超聲橫波在不同跨距往返傳播時間存在微小差值，則此計算方法未能真實地反映入射點與缺陷之間距離的構成，此方法不合理。因此，提出的計算方法應該將不同跨距的實際長度、超聲橫波在不同跨距往返傳播的實際時間，運用于缺陷距探頭入射點水平距離及缺陷深度的計算。超聲橫波在彈簧扁鋼中的傳播路徑如圖2所示，超聲橫波進入彈簧扁鋼后，經跨距S1、S2、…、Sn及部分跨距Sn+1往返傳播后，被探頭接收。

圖2 超聲橫波在彈簧扁鋼中的傳播路徑Fig.2 Propagation path of ultrasonic transverse wave in spring flat steel

研究采用5P8×12K1探頭，首先采用CSK-1A標準試塊測量探頭前沿長度[9]，測得探頭前沿長度為6 mm。采用淺槽測試超聲橫波在彈簧扁鋼中傳播多個跨距的長度及其對應傳播時間，當探頭前端距淺槽不同距離時，測得淺槽回波波幅極大值對應時間是橫波在彈簧扁鋼中往返傳播前n個跨距對應的時間Tn，測得淺槽回波波幅極大值時，探頭入射點距淺槽的距離是橫波在彈簧扁鋼中傳播前n個跨距的總長度S1+S2+…+Sn。將測得數(shù)據列于表1中。

表1 橫波在彈簧扁鋼中往返傳播n個跨距的相關數(shù)據Table 1 Relevant date of ultralsonic transverse wave travel back and forth through n spans in spring flat steel

通過試驗測得超聲橫波在彈簧扁鋼中往返傳播前n個跨距的時間Tn及跨距S1、S2、…、Sn、Sn+1的長度，運用合理的計算方法，可以計算缺陷距探頭入射點的水平距離l及缺陷深度d。

根據探頭與缺陷相距不同跨距時，缺陷回波波幅極大值對應的時間t，由式(1)計算缺陷距探頭入射點的水平距離l。

(1)

式中：t為缺陷回波波幅極大值對應的時間；Tn、Tn+1分別為時間軸上與缺陷回波波幅極大值對應時間t左、右相鄰的橫波往返傳播多個跨距的時間。

根據探頭與缺陷相距不同跨距時，缺陷回波波幅極大值對應的時間t，由式(2)計算缺陷深度d。

(2)

式中，h為彈簧扁鋼厚度。

式(1)、式(2)等號右邊除缺陷回波波幅極大值對應的時間t和彈簧扁鋼厚度h之外的量，均可從表1中查得，測得缺陷回波波幅極大值對應時間t后，即可根據式(1)、式(2)計算缺陷與探頭入射點之間的水平距離及缺陷深度。

2 橫孔定位及定量檢測分析

2.1 橫孔在扁鋼長度方向的定位

為定位橫孔缺陷，應先測試探頭在距橫孔不同距離處時橫孔回波波幅達到極大值時橫孔回波波幅極大值對應時間t。將探頭放置于橫孔上方的檢測面上，使探頭激發(fā)超聲橫波聲束軸線與橫孔孔軸線垂直，緩緩移動探頭向后掃查，測得超聲橫波在彈簧扁鋼中往返傳播多個跨距時橫孔回波波幅極大值，將橫孔回波波幅極大值對應時間t、橫孔回波波幅達到極大值時的探頭入射點與橫孔距離、橫孔回波波幅極大值列于表2中。根據表2，并結合式(1)、式(2)及表1相關數(shù)據，可對橫孔進行定位，橫孔距探頭入射點水平距離計算結果可與表2中橫孔距探頭入射點實際水平距離進行對比分析。

根據式(1)及表1、表2有關數(shù)據，計算橫孔距離探頭入射點的水平距離，將計算結果與橫孔距探頭入射點實際水平距離的對應點繪圖，以及將橫孔距探頭入射點水平距離的計算絕對誤差繪制變化趨勢圖，如圖3所示。從圖3a可知橫孔距離探頭入射點的水平距離計算值基本符合實際距離，從圖3b可知橫孔距探頭入射點水平距離計算值的絕對誤差小于3 mm，所以在橫孔距探頭入射點311 mm范圍內，超聲橫波多次反射檢測法對橫孔距探頭入射點水平距離的測量能力良好。

表2 橫孔回波波幅達極大值的相關數(shù)據Table 2 Relevant date of the maximum wave amplitude reflected by horizontal hole

圖3 實際水平距離與計算值相符程度示意圖Fig.3 Diagram of the correspondence between the actual horizontal distance and the calculated value

2.2 橫孔深度測量

根據式(2)、表1、表2有關數(shù)據和彈簧扁鋼厚度為13 mm計算橫孔深度，將橫孔計算深度繪制變化趨勢圖，以及將橫孔深度計算值的絕對誤差繪制變化趨勢圖，如圖4所示。從圖4a可知橫孔深度計算值呈現(xiàn)小幅度地連續(xù)變化趨勢，從圖4b可知橫孔計算深度絕對誤差小于3 mm，所以在橫孔距探頭入射點311 mm范圍內，超聲橫波多次反射檢測法對橫孔深度的測量能力良好。

2.3 彈簧扁鋼中缺陷的定量

實際橫波檢測多采用由對比試塊繪制的缺陷波幅-距離曲線對缺陷定量[10]。用探頭檢測彈簧扁鋼內長度均為10 mm、直徑分別為1、2、3 mm的橫孔，將脈沖發(fā)射儀增益設置為39 dB，測得探頭前端距橫孔不同距離時的橫孔回波波幅極大值如圖5所示?？梢?，橫孔回波波幅極大值隨橫孔孔徑的減小而降低，直徑2 mm橫孔回波波幅極大值嚴格位于直徑1、3 mm橫孔回波波幅極大值之間，所以可根據該結果對彈簧扁鋼缺陷定量。當測得缺陷回波波幅極大值小于直徑1 mm橫孔回波波幅極大值時，此缺陷當量尺寸小于直徑1 mm橫孔；當測得缺陷回波波幅極大值位于直徑1、3 mm橫孔回波波幅極大值之間時，此缺陷當量尺寸約為直徑2 mm橫孔；當測得缺陷回波波幅極大值大于直徑3 mm橫孔回波波幅極大值時，此缺陷當量尺寸大于直徑3 mm橫孔。

圖4 計算深度隨水平距離變化趨勢Fig.4 Trend of the calculated depth with the horizontal distance

圖5 不同孔徑橫孔回波波幅極大值變化趨勢Fig.5 Trend of echo amplitude extremum of horizontal holes with different diameter

將距離探頭305 mm的直徑1 mm橫孔回波波幅極大值增益至48 dB時，其回波幅度與增益為39 dB、距探頭相同距離的直徑2 mm橫孔回波波幅極大值相等，將直徑1 mm橫孔定量為直徑2 mm-9 dB橫孔當量。

3 橫波多次反射檢測的探頭掃查方式

3.1 掃查方式設計

發(fā)揮橫波多次反射具有大檢測范圍的特點，探頭掃查彈簧扁鋼時，使探頭激發(fā)橫波向前傳播方向與彈簧扁鋼長度方向平行。為保證探頭激發(fā)超聲橫波聲束軸線經過探頭前方一段彈簧扁鋼內的所有區(qū)域，探頭掃查彈簧扁鋼由2個步驟組成：第一步，探頭沿著彈簧扁鋼長度方向以一定的步進量前后移動，對彈簧扁鋼進行檢測，探頭前后移動應累積達到一定的移動距離；第二步，探頭沿著彈簧扁鋼寬度方向以一定的步進量向左或向右移動。由探頭在彈簧扁鋼表面連續(xù)、交替進行兩步驟地掃查，探頭在彈簧扁鋼表面形成一個探頭掃查區(qū)[11]，根據掃查步驟一所對應橫波檢測彈簧扁鋼區(qū)域的長度，可確定在彈簧扁鋼表面的探頭掃查區(qū)間距。探頭在彈簧扁鋼表面以一定間距分布的探頭掃查區(qū)內連續(xù)、交替進行兩步驟地掃查，就能完成彈簧扁鋼所有區(qū)域的檢測。探頭掃查彈簧扁鋼示意圖如圖6所示，圖中探頭沿彈簧扁鋼長度方向掃查步進量為dl，沿彈簧扁鋼長度方向單次掃查的移動范圍為lc，沿彈簧扁鋼寬度方向掃查步進量為dw，掃查區(qū)間距為la。

圖6 超聲橫波檢測彈簧扁鋼掃查方式示意圖Fig.6 Diagram of scanning mode through ultrasonic transverse wave testing spring flat steel

3.2 扁鋼長度方向的掃查參數(shù)設置

將探頭從橫孔正上方位置向后掃查，直至難以分辨橫孔回波波幅極大值為止，測得相距不同跨距時橫孔回波極值、前三跨距內探頭與橫孔每間隔1 mm橫孔回波波幅及噪聲電平，將橫孔回波極值、前三跨距內橫孔距探頭不同距離的回波波幅及噪聲電平繪制變化趨勢圖，如圖7所示。圖7中，在探頭前端距橫孔305 mm范圍內，橫孔回波波幅極大值始終大于3倍噪聲電平幅度，前三跨距內探頭在測得回波極大值位置向后偏離2 mm，橫孔回波下降幅度接近極大值波幅1/2。

圖7 橫孔的各回波波幅極值及對應噪聲的變化趨勢Fig.7 Trend of echo amplitude extremum of horizontal hole and noise level

將探頭向使缺陷回波幅度增大的方向掃查半個跨距距離，就能掃查得到此缺陷回波幅度為極大值的波形，根據此波幅為極大值的回波可對此缺陷定位、定量，所以探頭向前或向后掃查半個跨距距離，對于探頭檢測厚度為13 mm的彈簧扁鋼，即探頭沿彈簧扁鋼長度方向單次掃查的移動范圍達13 mm，就能判斷距探頭前端305 mm范圍內是否存在當量大于直徑1 mm、長10 mm橫孔的缺陷，并為缺陷定位。

根據以上分析，探頭檢測厚度為13 mm的彈簧扁鋼，當對應水平檢測距離305 mm范圍內的A掃回波信號中只有1個缺陷回波時，探頭沿彈簧扁鋼長度方向單次掃查的移動范圍lc為13 mm。當對應水平檢測距離305 mm范圍內A掃信號，存在使缺陷回波波幅增大而探頭前后掃查方向相反的2個缺陷回波時，探頭沿彈簧扁鋼長度方向單次掃查的移動范圍lc為25.5 mm。

因為探頭在測得橫孔回波極大值位置向后偏離2 mm，橫孔回波下降幅度接近極大值波幅1/2，所以探頭沿彈簧扁鋼長度方向掃查步進量dl為2 mm 。

當探頭在距離橫孔305 mm位置處，測得幅度為0.36 V的橫孔回波極大值，探頭在距離橫孔299、302、308、311 mm位置處，橫孔回波幅度依次為0.22、0.26、0.20、0.17 V，明顯低于探頭距離橫孔305 mm位置處測得回波波幅，而探頭在距離橫孔下一跨距位置，即探頭距橫孔330 mm處，橫孔回波幅度為0.20 V，探頭在距離橫孔324、327、333、336 mm位置處，橫孔回波幅度依次為0.18、0.18、0.20、0.20 V，由于探頭在距離橫孔330 mm處前后移動，不能測得橫孔回波幅度極大值波形，所以探頭激發(fā)超聲橫波可對橫孔定位的檢測范圍為305 mm。探頭在距離橫孔305、330 mm位置附近的橫孔回波波幅如圖8所示。

圖8 探頭可測得橫孔回波波幅極大值的最遠距離試驗結果Fig.8 Trial results of the maximum echo of the horizontal hole that can be measured by probe in the farthest distance

當測得橫孔回波波幅極大值對應時間為278.558 μs時，根據式(1)、式(2)算得橫孔與探頭入射點之間的水平距離為309.443 mm，橫孔深度為5.443 mm，而橫孔距離探頭入射點的實際水平距離為311 mm，橫孔距離探頭入射點水平距離的計算絕對誤差為1.557 mm，橫孔實際深度為4 mm，橫孔深度計算絕對誤差為1.443 mm。驗證了探頭在距橫孔305 mm處可對橫孔定位。

根據探頭激發(fā)超聲橫波可對橫孔定位的檢測范圍為305 mm，以及使探頭在相鄰兩掃查區(qū)內掃查的彈簧扁鋼檢測區(qū)域有10%的重疊，從而確定探頭檢測厚度為13 mm彈簧扁鋼，彈簧扁鋼的掃查區(qū)間距l(xiāng)a為279 mm。以279 mm為掃查區(qū)間距對彈簧扁鋼檢測時，對探頭與檢測面的耦合要求及聲束軸線與橫孔孔軸線垂直的要求并不苛刻，因此，以279 mm為掃查區(qū)間距對彈簧扁鋼檢測可以達到最高的檢測效率和可靠的檢測效果。

3.3 扁鋼寬度方向的掃查步進設計

要求能檢測沿彈簧扁鋼寬度方向延伸長度為1 mm缺陷時，則以直徑1 mm的豎孔模擬彈簧扁鋼中此缺陷進行試驗。根據探頭與豎孔相距不同跨距時，探頭從橫波聲束軸線正對豎孔位置，向左右兩邊掃查，測試得到聲束軸線左右偏離豎孔不同距離的豎孔回波波幅，繪制三維坐標圖，如圖9所示。圖中曲面為探頭在豎孔不同相對位置測得豎孔回波波幅的五階擬合曲面[12]。由圖可知當探頭距豎孔近時，探頭左右偏離豎孔，豎孔回波波幅下降幅度大，當探頭距豎孔遠時，探頭左右偏離豎孔，豎孔回波波幅下降幅度小。當探頭入射點距離豎孔一跨距時，探頭激發(fā)橫波聲束軸線左右方向偏離豎孔孔軸線3 mm，豎孔回波波幅較極大值下降6 dB，所以為保證檢測系統(tǒng)能檢測沿彈簧扁鋼寬度方向延伸長度為1 mm缺陷，探頭沿扁鋼寬度方向的掃查步進dw為3 mm。

圖9 探頭與豎孔不同相對位置的豎孔回波幅度Fig.9 Echo amplitude of vertical hole in different relative position with the probe

4 結論

基于超聲橫波多次反射法所提出的彈簧扁鋼缺陷定位、定量方法，在距探頭入射點水平距離311 mm范圍內，根據缺陷定位方法計算的缺陷距探頭入射點水平距離及深度計算值的絕對誤差小于3 mm，對當量尺寸為直徑1 mm橫孔的缺陷進行定量，缺陷尺寸分辨率達直徑1 mm。探頭沿彈簧扁鋼長度方向掃查步進量為2 mm、單次掃查的移動范圍為25.5 mm，沿寬度方向掃查步進量為3 mm、掃查區(qū)間距為279 mm，為檢測彈簧扁鋼高效、可靠的掃查方式。采用超聲橫波多次反射檢測法結合所提出的掃查方式可大幅提高中厚板材的檢測速率。該缺陷定位方法和掃查方式為彈簧扁鋼工業(yè)在線檢測的編程算法和掃查控制參數(shù)提供了參考。

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