超聲自動棒材檢測系統的校準

聞小德

（萊蕪鋼鐵股份有限公司特殊鋼廠，萊蕪 271105）

ROB 250VIS超聲波探傷儀采用脈沖反射式液浸法檢測，探傷儀采用旋轉探頭結構，其特點是檢測速度快，探頭回轉誤差小，被廣泛應用于全自動連續棒材檢測線。但此探傷儀校準過程復雜，可調節參數多，影響校準效果的因素也比較多。因此，筆者從ROB 250VIS超聲波探傷儀的實際應用著手，研究各關鍵因素對校準效果的影響，并提出了解決方法，為類似超聲波探傷儀的校準操作提供經驗參考。

1 ROB 250VIS超聲波探傷儀簡介

1.1 設備結構

探傷儀主要由探傷旋轉體、電氣柜、操作臺、A掃描顯示、耦合水系統、預濕水系統、噴標裝置等組成。

A掃描顯示的作用是進行參數設置，包括A掃寬度、門檻（起點、寬度、高度）、增益值、檢測盲區、檢測速度、脈沖重復頻率、檢測參數并記錄存儲等。其顯示回波的特征包括了回波高度、回波位置、回波形狀等。

旋轉體部分是此套探傷設備的主體結構，其內部裝有3個探頭模塊SⅠ，SⅡ，CⅠ，每4個探頭并行排列安裝在一個探頭模塊內，其中SⅠ，SⅡ是橫波探頭模塊，用于檢測棒材表面或近表面缺陷，CⅠ是縱波探頭模塊，用于檢測棒材心部缺陷。在檢測棒材時，探頭以500～1200r／min的速度旋轉，完成每個探頭模塊對棒材超過100%的掃查。探頭布置方式見圖1。

圖1 探頭分布圖

1.2 對比樣棒

ROB 250VIS超聲波探傷儀將棒材內部缺陷定義為心部缺陷和近表面缺陷，采用當量法評定缺陷，每個規格棒材備有一支靜態樣棒和一支動態樣棒，在不同規格樣棒上的特定位置上加工有特定尺寸的平底孔缺陷，相同規格的棒材配備的靜態樣棒和動態樣棒上的人工缺陷尺寸完全相同。工作時用樣棒來校準探傷儀，用當量孔來評定缺陷，樣棒人工缺陷相對位置示意圖見圖2，目前制備的人工缺陷尺寸見表1。

圖2 人工缺陷位置示意圖

表1 不同規格樣棒的人工缺陷尺寸

2 影響校準的關鍵因素分析與解決

2.1 斜探頭角度的影響

ROB 250VIS利用純橫波檢測近表面缺陷，斜探頭在調節角度時，探頭處于3點鐘位置，其位置圖如圖3。

圖3 探頭角度調節位置圖

從圖中ΔOAO′幾何關系可知：

從圖中ΔO′BO″幾何關系可知：）

由ΔAO′B幾何關系可知：

由ΔOAO′幾何關系可知：

由式（1）～（3）可得：

由試驗可知，當探頭縱波聲束以17°～19°入射角入射到水與棒材的界面時，在棒材中將折射成45°左右的純橫波［1］。此時橫波聲壓最強，超聲波聲束能量最大，最有利于檢測棒材近表面缺陷。于是，將α＝17°，β＝45°代入式（1），（2），（4），（5），并代入棒材規格及對應水程，計算值見表2。

表2 探頭角度計算數據

由表2可知，γ∈［1.8°，6.1°］，z∈［3.9°，9.3°］，因此，得出兩個結論：

（1）樣棒插入到旋轉體中時，樣棒上人工近表面缺陷在圓周方向的位置要準確，根據表中計算，近表面缺陷要求放置在12點鐘的位置。

（2）不同規格棒材，探頭轉動的角度在3.9°～9.3°。由探頭與調節絲桿的螺紋配合可知，每旋轉絲桿一周，探頭轉過角度在5°左右。因此，根據不同規格的棒材，可算得探頭所需轉動的圈數。

2.2 中心標高的影響

探頭旋轉體內部裝有四個導套，以保證棒材從旋轉體中心穿過，并起到保護探頭的作用。導套的軸向位置固定，每個規格的棒材，其導套內孔的上、下偏差U，L與棒材公稱直徑上偏差EI的關系為：U＝EI＋0.2，L＝EI＋0.1。

旋轉體插入靜態樣棒時，樣棒由導套支撐，樣棒中心標高與旋轉體中心標高（即導套中心）有一定的偏差，樣棒實際直徑越小，這種偏差就越大。表3是按照GB／T 702—2004《圓鋼直徑尺寸偏差》標準Ⅱ組精度軋制的棒材。由表中可以看出，其產生的最大中心偏差均比缺陷孔的直徑大，對樣棒校準會產生很大的誤差。

表3 最大中心偏差計算數據

另外，平臺輥道V型面的磨損、平臺高度調節絲桿的磨損均會對中心標高產生偏差，因此，在校準動態樣棒時需要注意：

（1）微調超聲波平臺高度，探頭處于上下位置的水程值偏差不得超過0.5mm。

（2）微調探頭角度，包括直探頭，使缺陷回波達到最高。

2.3 樣棒質量的影響

為使樣棒的聲學性能與生產棒材相同，其材質選擇來自同樣工藝流程的軋制棒材。由于樣棒與生產棒的表面粗糙度、材質相同，在使用樣棒時就無需再進行增益值修正，但粗糙的表面帶來的噪聲信號給樣棒校準制造了困難。因此，缺陷孔的加工質量至關重要。一般來說，缺陷孔的形狀、尺寸、取向、表面狀態、在樣棒中的埋藏深度等均會對樣棒校準產生影響［2］。

（1）探頭聲束垂直缺陷孔表面時缺陷回波最高。ROB 250VIS超聲波探傷儀探頭是并行排列的，與旋轉體中心平行。為保證入射聲束垂直，缺陷孔的軸線必須精確地與樣棒軸線平行，偏差不得大于0.5mm。

（2）表面粗糙的缺陷孔，當聲束垂直入射時，聲波會被雜亂反射，降低缺陷波波高，因此，加工的缺陷孔的孔壁及端面的表面粗糙度不得大于15μm。

（3）由圖3中ΔAO′B的幾何關系可知，缺陷孔在聲束傳輸線上的位置。當靜態樣棒與動態樣棒上缺陷孔的埋藏深度不同時，會給樣棒校準帶來困難，甚至會在生產中造成漏檢事故。

（4）ROB 250VIS超聲波探傷儀的探頭尺寸為12mm×12mm，四個探頭并行排列長度為48mm，缺陷長度為15mm，因此，最多只有2個相鄰的探頭能得到比較高的缺陷回波。如果樣棒內部人工缺陷附近有自然缺陷，將使多于2個探頭得到比較高的缺陷回波，會給缺陷識別造成相當大的困難。因此，加工樣棒的來料必須經過嚴格的超聲檢測，在人工缺陷左右50mm以內確保無任何自然缺陷。

所以，制作樣棒要采用合理的機加工工藝，其原材料尺寸、彎曲度、表面質量、內部質量等均需符合樣棒制作要求。

3 結論

樣棒校準受探頭角度、樣棒質量、中心標高、參數設置、耦合水純凈度、環境噪聲等諸多因素影響。因此，有效識別影響樣棒校準的關鍵因素，提高操作人員的操作水平，將大幅度提高校準精度和速度。

［1］夏紀真.超聲波無損檢測技術［M］.廣州：廣東科技出版社，2009.

［2］中國機械工程學會無損檢測分會.超聲波檢測［M］.北京：機械工業出版社，2008.