沈功田

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063； 2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029)

當(dāng)前鋼板生產(chǎn)普遍使用接觸式超聲進行檢測(也稱水膜法檢測)，該方法利用耦合水膜傳導(dǎo)超聲信號，耦合水膜厚度通常為1 mm[1]左右。在實際鋼板在線檢測過程中，換能器磨損嚴(yán)重，檢測成本高。水膜的厚度變化對檢測結(jié)果影響很大[2]，以頻率為5 MHz的探頭為例，水膜厚度變化0.075 mm，檢測同一個缺陷的理論回波聲強相差12 dB[3]。接觸式檢測對水膜厚度控制的要求極高，對實際鋼板的表面狀況來說，缺陷定量檢測的可重復(fù)性差，設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性較差，極易出現(xiàn)漏檢的情況。

美國GE等[4-5]公司開發(fā)了水浸、局部水浸耦合的鋼板非接觸式超聲檢測設(shè)備，解決了傳感器磨損的問題，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動化檢測。為了提高鋼板缺陷的檢測能力和降低檢測成本，奧瑞視(北京)科技有限公司與中國特種設(shè)備檢測研究院于2019年下半年達成合作，對一條長為5 m的生產(chǎn)線實施檢測設(shè)備改造，設(shè)計了一套中厚鋼板受控射流超聲自動檢測系統(tǒng)。受控射流方法是局部水浸方法的一種，其采用射流腔體將耦合劑引導(dǎo)到鋼板表面，通過水浸線聚焦探頭對鋼板進行在線檢測。

水浸聚焦超聲探頭具有非接觸、檢測精度高、可重復(fù)性好、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是未來水浸超聲檢測的發(fā)展方向[6]。相比于平探頭，聚焦探頭具有檢測精度高以及信噪比高的優(yōu)點。聚焦探頭分為線聚焦探頭和點聚焦探頭，線聚焦探頭的聚焦區(qū)域比點聚焦探頭的大，檢測效率更高。考慮到鋼板生產(chǎn)線檢測時的實際工況，該探頭在檢測中受多重因素的影響，如探頭偏轉(zhuǎn)、水的濁度及氣泡等。國內(nèi)目前沒有鋼板在線局部水浸超聲檢測的標(biāo)準(zhǔn)及工藝參數(shù)的確定方法，板、棒、管材受控射流超聲在線檢測工藝參數(shù)由接觸式水膜法改進而來，沒有標(biāo)準(zhǔn)可參考，這不利于受控射流超聲在線檢測技術(shù)的規(guī)范化和推廣應(yīng)用，因此需要對基于局部水浸方法的受控射流超聲在線檢測中的多個影響因素進行研究，進而制定相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備開發(fā)和工藝制定進行規(guī)范。

查閱文獻可知，不少學(xué)者對鋼管和棒材水浸超聲檢測的影響因素進行了相關(guān)研究。羅經(jīng)晶[7]針對棒材水浸超聲檢測可能的影響因素(水距和探頭偏轉(zhuǎn)角度)進行了試驗，結(jié)果表明，探頭偏轉(zhuǎn)角度對檢測靈敏度影響很大。張元[8]發(fā)現(xiàn)鋼管表面附著的鐵銹、灰塵及氧化皮會使檢測結(jié)果出現(xiàn)誤判，分析了出現(xiàn)誤判的原因并進行了相關(guān)試驗，但并未對這些影響因素進行量化試驗。

筆者對可能影響水浸線聚焦超聲探頭檢測靈敏度的因素進行量化試驗。研究的影響因素包括：探頭偏轉(zhuǎn)角度、水的濁度及氣泡。試驗結(jié)果可為國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定以及檢測工藝參數(shù)的選定提供依據(jù)，具有重要意義。

1 受控射流超聲檢測原理及水浸線聚焦探頭介紹

1.1 受控射流超聲檢測原理

受控射流超聲檢測原理如圖1所示。受控射流傳感器由射流腔體、線聚焦探頭及其他輔助部件組成。檢測時，水流注入射流腔體，在探頭與被檢鋼板間形成一定厚度的水層，通過對水質(zhì)、流速、流量和流線的控制來消除氣泡和湍流，達到良好的超聲耦合效果。探頭激發(fā)超聲波，經(jīng)過水層對鋼板進行檢測。傳感器與被檢鋼板相對運動，耐磨靴與鋼板接觸，可避免探頭發(fā)生磨損。

圖1 受控射流超聲檢測原理示意

1.2 水浸線聚焦探頭的介紹

普通直探頭晶片發(fā)射的超聲波超過了非擴散區(qū)會發(fā)生擴散，檢測靈敏度會下降。為了提升檢測靈敏度，聚焦探頭采用了聲透鏡來實現(xiàn)聲波的匯聚。點聚焦探頭使用的是球面聲透鏡，線聚焦探頭使用的是柱面聲透鏡[9]。

由于干涉現(xiàn)象的存在，聚焦探頭的聲束并不是嚴(yán)格地匯聚為一個點或一條線，而是其聲壓在最大值附近一定尺寸的區(qū)域內(nèi)保持一定的幅度，形成一個聚焦區(qū)，聚焦聲束原理如圖2所示，其中：聲壓最大值點稱為焦點；F為焦距，是焦點距聲源的距離；d為焦區(qū)寬度，是焦點處橫截面上保持為最大聲壓的聲束寬度范圍；L為焦區(qū)長度，是聲軸上焦點附近聲壓保持為最大聲壓的聲束長度范圍。

圖2 聚焦聲束原理示意

2 試驗裝置及試塊

2.1 試驗裝置

采用如圖3所示的水浸超聲掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了能夠滿足常規(guī)板、棒、管的檢測需求外，還可用于各復(fù)雜曲面的盤、環(huán)件及異形工件的檢測。該系統(tǒng)的檢測精度可以達到φ0.3 mm當(dāng)量平底孔，實時采樣率達400 MHz，上下表面盲區(qū)高度小于1.5 mm，檢測通道可達8個，支持高達1 000 mm·s-1的掃描精度。

圖3 水浸超聲掃描系統(tǒng)外觀

2.2 試塊

試驗共使用了3塊試塊,分別為薄、厚階梯試塊(見圖4)以及φ5 mm平底孔試塊，試塊參數(shù)如表1所示，φ5 mm平底孔試塊尺寸(長×寬×高)為340 mm×180 mm×30 mm，采用鍛造成型方式，含有φ5 mm平底孔、橫槽和斜槽缺陷，加工工藝為精車。

厚階梯試塊最薄的階梯也比薄階梯試塊最厚的梯度厚，兩塊試塊覆蓋了中厚板的厚度范圍，且每一階梯都含有不同尺寸的平底孔缺陷。

圖4 薄、厚階梯試塊結(jié)構(gòu)示意

水的濁度以及氣泡試驗所使用的是φ5 mm平底孔試塊。

表1 薄、厚階梯試塊參數(shù) mm

3 影響因素試驗結(jié)果

采用受控射流超聲檢測方法對鋼板進行檢測，檢測靈敏度受檢測設(shè)備的不確定因素的影響。檢測設(shè)備的不確定因素主要為探頭和水。探頭偏轉(zhuǎn)會使得缺陷不能被有效聲束覆蓋，降低檢測靈敏度。水中的雜質(zhì)會吸收超聲波，加強其散射，水中的氣泡會使超聲波發(fā)生全反射，有氣泡的位置會出現(xiàn)失波現(xiàn)象。

3.1 探頭偏轉(zhuǎn)對檢測靈敏度的影響

圖5 系統(tǒng)A軸，B軸示意

為了測試探頭偏轉(zhuǎn)角度對檢測靈敏度的影響，采用水浸超聲波C掃描系統(tǒng)進行試驗。系統(tǒng)有可以做圓周轉(zhuǎn)動的A軸，B軸(見圖5)，在實際檢測時，A軸,B軸可以調(diào)節(jié)探頭的垂直度。

試驗采用薄階梯試塊，水距為42 mm，用線聚焦探頭找到深度為15 mm的φ5 mm平底孔缺陷后，將探頭調(diào)垂直，使缺陷波幅最大，試驗測得增益為42.8 dB時，該平底孔缺陷回波波幅達滿屏的80%，此時A軸，B軸偏轉(zhuǎn)標(biāo)定為0°。采用控制變量法，保持B軸不動，A軸步進為0.1°緩慢轉(zhuǎn)動，依次記錄信號的幅值，直到信號有一個較大的衰減；同樣地，保持A軸不動，B軸步進為0.1°緩慢轉(zhuǎn)動，記錄信號的幅值(見圖6)。

圖6 A軸,B軸分別偏轉(zhuǎn)時缺陷波幅值和幅值衰減曲線

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，角度的偏轉(zhuǎn)使得信號衰減速度先增大后減小。當(dāng)B軸保持不變,A軸轉(zhuǎn)動，且A軸偏轉(zhuǎn)角度為0°1°時，缺陷回波信號幅值逐漸衰減，但衰減速度不大；A軸偏轉(zhuǎn)角度為1°1.7°時，缺陷波幅值衰減速度大，幅值衰減20%；A軸偏轉(zhuǎn)角度為1.7°2.1°時，缺陷回波幅值衰減速度減小，A軸偏轉(zhuǎn)角度達到2.1°時，缺陷回波幅值已經(jīng)減小到初始值的一半，幅值衰減高達6 dB。當(dāng)A軸保持不變，B軸轉(zhuǎn)動時，B軸微小的角度偏轉(zhuǎn)會使缺陷回波幅值產(chǎn)生巨大的衰減，B軸偏轉(zhuǎn)到0.6°時，缺陷回波幅值的衰減達到了3 dB，B軸轉(zhuǎn)到1°時，缺陷回波幅值已經(jīng)下降到初始值的一半。由此可以說明，B軸偏轉(zhuǎn)對缺陷回波信號的衰減作用更大。

3.2 水的濁度對檢測靈敏度的影響

濁度是水的一種光學(xué)性質(zhì)的表達方式，表示水對光的吸收和散射的程度。水的濁度是由泥土、粉砂、微細的有機物和無機物、可溶的有色有機化合物、浮游生物和其他微生物等懸浮的物質(zhì)決定的，其與膠體顆粒物的種類、粒徑、表面狀態(tài)等有關(guān)。規(guī)定1 L水中含有1 mg二氧化硅所產(chǎn)生的濁度為1度(也稱1 NTU)[10]。水浸C掃描設(shè)備的水需要過濾循環(huán)使用，被檢工件的銹蝕、設(shè)備零部件的銹蝕以及環(huán)境塵土進入水中會使得水質(zhì)變差，濁度變高，因此有必要研究水的濁度對超聲信號的影響規(guī)律。

水的濁度影響分析試驗現(xiàn)場如圖7所示，其中，濁度計可測試水的濁度，量程為200 NTU，精度為0.1 NTU，配有400 NTU校正液。前置機箱實現(xiàn)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波時，數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號,經(jīng)探頭發(fā)出超聲波；接收超聲波時，模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過信號處理后由電腦軟件顯示缺陷圖像。

圖7 水的濁度影響分析試驗現(xiàn)場

試驗前，需要將濁度計進行校正，取自來水和標(biāo)準(zhǔn)校正液按照一定比例配置0,200 NTU的樣品液來對濁度計進行校正。校正完成后，水箱內(nèi)裝濁度為0 NTU的自來水，將試塊放入水箱內(nèi)并擦拭其表面，探頭盒水平放置在試塊表面。試驗開始后，調(diào)節(jié)增益使得試塊的底波達滿屏的80%，此時增益為32.6 dB。保持增益不變，添加鐵銹粉使水濁度增加，濁度每增加10 NTU，記錄當(dāng)前濁度下的底波幅值，幅值變化情況如圖8所示。

圖8 底波幅值和底波幅值衰減與水的濁度的關(guān)系

由圖8可知，隨著水的濁度的增加，底波幅值先保持穩(wěn)定然后劇烈衰減,最后趨于穩(wěn)定。水的濁度小于50 NTU時，底波幅值基本不發(fā)生變化；濁度為50160 NTU時，波幅幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系的趨勢下降；濁度為150 NTU左右時，波幅衰減3 dB；濁度大于160 NTU時，底波幅值趨向于穩(wěn)定；濁度為200 NTU左右時，底波幅值下降了3.58 dB。

3.3 氣泡對檢測靈敏度的影響

實際鋼板在線檢測時，水中可能出現(xiàn)氣泡，對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。水的聲阻抗Z1=0.15×106g·cm-2·s，空氣的聲阻抗Z2=40 g·cm-2·s，可以計算得出聲壓反射率r、聲壓透射率t、聲強反射率R、聲強透射率T分別如式(1)(4)所示。

(1)

(2)

R2=r2=1

(3)

T=1-R=0

(4)

由上述公式可知,水的聲阻抗遠大于空氣的聲阻抗，水浸超聲檢測過程中，水中容易有氣泡產(chǎn)生，如進水管漏氣、探頭表面未擦拭、工件表面含有顆粒物等都可能產(chǎn)生氣泡。如果水中含有氣泡，超聲波幾乎全反射，無透射，導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)失波現(xiàn)象。

為了驗證實際檢測過程中氣泡對檢測結(jié)果的影響是否符合理論計算，擬采用試驗的方式進行驗證。試驗儀器采用水浸C掃描設(shè)備，檢測環(huán)境為完全水浸。試驗擬采用氣泵產(chǎn)生氣泡來模擬真實檢測過程中水中含有氣泡的情況。氣管捆綁在探頭運動方向一側(cè)，氣泡會經(jīng)過探頭正下方，氣泡影響分析試驗平臺外觀如圖9所示。

圖9 氣泡影響分析試驗平臺外觀

試驗時，先在沒有氣泡的情況下對試塊進行掃查，得到如圖10(a)所示的C掃描圖，從圖中可以清楚地看到φ5 mm平底孔、橫槽和斜槽等缺陷。保持增益不變，有氣泡時的C掃描圖如圖10(b)所示，與圖10(a)對比，由圖10(b)可以發(fā)現(xiàn)圖像發(fā)白不清晰，掃查路徑上失波嚴(yán)重，缺陷不清晰可見，部分區(qū)域完全失波。

圖10 有無氣泡時試塊的C掃描圖

為了量化氣泡對檢測結(jié)果的影響，對圖10(a)所示的被檢缺陷在不同排氣量的條件下進行試驗，記錄缺陷波幅。試驗采用的氣泵額定功率為4 W，最大排氣量為1.5 L·min-1，氣量可通過旋鈕調(diào)節(jié)，氣量調(diào)節(jié)到最大需轉(zhuǎn)2.5圈。試驗前，先將探頭調(diào)垂直。在沒有加氣泡時，采用試塊兩個對角點的坐標(biāo)規(guī)劃掃查路徑，以x軸為掃描軸，y軸為步進軸，對試塊進行柵格全掃描，掃描速度設(shè)置為200 mm·s-1，步進距離為1 mm。將被檢缺陷波高調(diào)至80%，此時增益為39.7 dB。保持該增益，從氣泵最小氣量(即轉(zhuǎn)0圈)開始試驗，步進為0.125圈，直到氣量調(diào)節(jié)到最大值(轉(zhuǎn)動2.5圈)，共進行21組試驗。分別記錄上述被檢缺陷的幅值，并計算缺陷幅值衰減，缺陷幅值和幅值衰減隨氣泵圈數(shù)的變化曲線如圖11所示。

圖11 缺陷幅值和幅值衰減隨氣泵圈數(shù)的變化曲線

由圖11可知，氣泡對缺陷幅值的衰減作用明顯，被檢缺陷幅值隨著氣泵圈數(shù)的增加(即氣泵排氣量的增加)而衰減。氣量最小時(轉(zhuǎn)0圈)，缺陷幅值為72.53%；氣量最大時，缺陷幅值為21.90%。氣泡對超聲信號的影響很大，旋鈕旋轉(zhuǎn)約0.375圈時，缺陷幅值衰減了3 dB；當(dāng)旋轉(zhuǎn)1.5圈時，缺陷幅值衰減超過了一半；轉(zhuǎn)到2.5圈時，缺陷幅值衰減已經(jīng)超過11 dB。

4 影響因素分析

普通鋼板由板坯軋制而成，鋼板中的分層、折疊等缺陷平行于板面。使用超聲探頭進行檢測時，需要使探頭發(fā)出的超聲波垂直入射到工件中。水浸線聚焦探頭發(fā)出的超聲波能量主要集中在有效聲束范圍內(nèi)，如果探頭沒有垂直工件進行檢測，缺陷有可能不會被探頭的有效聲束覆蓋，缺陷回波信號幅值就會降低；并且縱波斜入射到水鋼界面時，會發(fā)生波型轉(zhuǎn)換和散射，降低缺陷的檢出能力，可能導(dǎo)致漏檢和檢測靈敏度不高的問題。設(shè)備在實際檢測過程中，探頭可能會繞著A，B兩個軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)。根據(jù)圖6可知，兩個軸微小的角度偏轉(zhuǎn)對檢測精度影響很大，其中，B軸偏轉(zhuǎn)對檢測精度的影響更大，原因可能是B軸偏轉(zhuǎn)，缺陷反射面減小得更快。B軸偏轉(zhuǎn)1°就會使缺陷波幅值下降一半。實際生產(chǎn)檢測中，每次檢測前必須要將C掃描探頭調(diào)垂直。

水中的懸浮物會增強超聲的散射衰減并且會吸收超聲波，懸浮物越多超聲波信號衰減越大。根據(jù)圖8所示的試驗數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：隨著水濁度的增大，底波會產(chǎn)生較大的衰減，當(dāng)濁度達到150 NTU時，底波已經(jīng)衰減了3 dB。根據(jù)GB/T 19923-2005 《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》 標(biāo)準(zhǔn)可知，工業(yè)水浸超聲檢測循環(huán)用水的濁度不大于5 NTU，由試驗結(jié)果可知，在這個范圍內(nèi)水的濁度對檢測結(jié)果幾乎沒影響。水浸設(shè)備用水應(yīng)該加強監(jiān)測，定期過濾，設(shè)備定期除銹補漆加強保養(yǎng)，以保持良好的檢測效果。

氣泡是對檢測精度影響最大的因素，水鋼界面的氣泡會使得檢測結(jié)果出現(xiàn)失波現(xiàn)象。由圖11可知，氣泵氣量旋鈕旋轉(zhuǎn)1.5圈時，缺陷幅值下降超過6 dB。鋼板表面質(zhì)量差、工業(yè)循環(huán)用水中的雜質(zhì)以及進水管的氣密性差都容易使耦合劑與鋼板之間存在氣泡。在檢測時，需要確保水中沒有氣泡，可以預(yù)先放水幾分鐘。在檢測前應(yīng)該先擦拭探頭表面及被檢工件表面，確保表面沒有氣泡。定期檢查進水管，以防止水管松動及破裂導(dǎo)致進氣。

5 結(jié)語

(1) 目前，國內(nèi)鋼板檢測主要采用接觸式超聲無損檢測方法，為了降低探頭磨損帶來的檢測成本，中國特檢院和奧瑞視(北京)科技有限公司聯(lián)合開發(fā)了受控射流在線自動檢測系統(tǒng)，采用水浸線聚焦探頭進行鋼板的在線超聲檢測。相比于平探頭，聚焦探頭具有檢測精度高以及信噪比高的優(yōu)點。聚焦探頭分為線聚焦探頭和點聚焦探頭，線聚焦探頭的聚焦區(qū)域比點聚焦探頭的大，檢測效率更高。

(2) 結(jié)合鋼板檢測的實際情況，影響水浸線聚焦探頭檢測精度的因素有很多，如探頭的偏轉(zhuǎn)角度、水的濁度以及氣泡等。試驗發(fā)現(xiàn)：探頭的偏轉(zhuǎn)角度以及水中的氣泡對檢測靈敏度有顯著影響；水的濁度不是影響檢測精度的關(guān)鍵因素。

(3) 鋼板檢測過程中，失波現(xiàn)象可能是由水中、探頭表面或者鋼板表面存在氣泡引起的。出現(xiàn)失波現(xiàn)象時，需要停止檢測，查明具體原因，完全排除隱患后，再進行檢測。

(4)受控射流設(shè)備雖已投入試運行，但工藝參數(shù)仍需根據(jù)現(xiàn)場工況進行調(diào)整。文章的研究成果對于設(shè)備運維、工藝優(yōu)化及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定具有重要意義。