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鋼棒內(nèi)部缺陷實(shí)現(xiàn)自動化檢測的原理、方法與未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：超聲波檢測；鋼棒材；自動檢測

1 前言

鋼棒是經(jīng)過軋機(jī)軋制而成，在軋制過程中既會產(chǎn)生表面缺陷，又會產(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)部缺陷會繼續(xù)存在于鋼棒的內(nèi)部，有的會繼續(xù)延展，有的會形成夾層。因此對鋼棒的內(nèi)部缺陷的無損檢測越來越引起重視。

2 超聲波檢測原理

超聲波檢測是通過電壓激勵壓電晶片產(chǎn)生的超聲波對材料或者工件進(jìn)行檢測的一種無損檢測技術(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)的界面處會發(fā)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。利用超聲波這種性質(zhì)來判斷被檢材料內(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發(fā)生變化，形成缺陷信號反饋給超聲波探頭，經(jīng)過放大處理后就會顯示在儀器的示波屏上，方便觀察和測定。

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

超聲波檢測可探測厚度較大的材料，對于鋼棒的檢測，檢測裝置相對簡單方便，且自動檢測線具有檢測速度快、檢測量大等優(yōu)點(diǎn)。超聲波檢測費(fèi)用低，且可以對缺陷進(jìn)行定位和定量分析，而又對人體沒有任何危害。因此超聲波檢測已經(jīng)發(fā)展成一種非常重要的無損檢測方法，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

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

水浸法檢測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。水浸法檢測時，探頭與被檢件不發(fā)生直接接觸，同時極大地減少了聲波的損耗，而且相對容易實(shí)現(xiàn)自動化檢測。

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)部缺陷的檢測只能使用橫波和縱波，對于自動檢測線來說，垂直入射的縱波檢測使用和安裝都比較方便，所以棒材的自動檢測廣泛使用縱波垂直入射檢測，檢測原理如圖 1 所示。采用水浸法檢測棒材內(nèi)部缺陷時，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，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，再對水壓和旋轉(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 鋼棒材超聲自動檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用

鋼棒材超聲自動檢測系統(tǒng)是應(yīng)用超聲波縱波檢測方式來檢測鋼棒內(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。當(dāng)檢測到缺陷時，探頭就會反饋缺陷信號，缺陷信號經(jīng)過處理、放大、轉(zhuǎn)換給示波器，示波器再傳遞給電腦，電腦中的程序會做出相應(yīng)的響應(yīng)，即做出缺陷部位標(biāo)識。在后續(xù)生產(chǎn)中就會切去這段有標(biāo)識的鋼棒，從而避免了鋼棒內(nèi)部缺陷給產(chǎn)品帶來的質(zhì)量問題。在整個系統(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)生反射折射等會造成聲壓損失；聲波再從鋼棒到探頭會同樣發(fā)生損失，所以要在界面處添加耦合劑來減少聲壓損失。在一次界面波和二次界面波之間采集反射回來的信號，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間小于等于聲波在水層中的傳播時間即可，同時要考慮整個超聲波檢測系統(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間；

T ——超聲波在鋼棒中的往返傳播時間；

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环€(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，鋼中只有折射橫波，在折射角35°～70°時，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

超聲自動檢測系統(tǒng)是依靠標(biāo)準(zhǔn)樣棒來對缺陷進(jìn)行辨別的。在鋼棒自動超聲波檢測過程中，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，則會嚴(yán)重影響判傷的準(zhǔn)確性和現(xiàn)場的調(diào)試。如果用人工刻槽兩側(cè)的回波幅度來衡量刻槽垂直度，一般要求≤2dB。

4.4 報警閘門

整個系統(tǒng)都配置好以后，就可以設(shè)置報警閘門了。報警閘門即回波幅高的一個衡量值，回波幅高高于報警閘門即為缺陷信號，低于則為合格信號。設(shè)置報警閘門要應(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系統(tǒng)中，會出現(xiàn)缺陷信號，根據(jù)《金屬材料無損檢測方法標(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的響應(yīng)程度。

4.5 缺陷的標(biāo)識

圖4 超聲波檢測實(shí)時顯示器

超聲波自動檢測系統(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)同時也是最重要最根本的保證。在超聲檢測系統(tǒng)檢測到缺陷時，缺陷信號的幅高高于圖 4 中的報警閘門，系統(tǒng)會在C掃描記錄上記錄缺陷的位置如圖 5 所示，同時系統(tǒng)會在鋼棒上打標(biāo)，標(biāo)識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

圖7 標(biāo)識的缺陷段被切裂

5 結(jié)束語

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

對鋼棒材的檢測手段有很多種，主要有磁粉探傷、滲透探傷、超聲波檢測和射線檢測。相對于其他檢測方法，超聲波檢測方法簡單，成本低，對人體無害，并且檢測效果好，因而得到廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的超聲波檢測是手工進(jìn)行的，操作人員憑借經(jīng)驗(yàn)對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，并且無法對超聲波進(jìn)行處理和變換，諸如利用概率統(tǒng)計(jì)、圖像識別、頻率分析和數(shù)字濾波等領(lǐng)域中的理論和方法來揭示和提取缺陷信號的特征。近年來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家廣泛將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(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)地評價缺陷提供了有力的工具。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會.超聲波檢測[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會.無損檢測概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[3] 《金屬材料無損檢測方法標(biāo)準(zhǔn)匯編》匯編組.金屬材料無損檢測方法標(biāo)準(zhǔn)匯編[M] .北京：中國標(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[J].無損探傷,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.