鋼棒材的超聲波檢測方法

孫海龍， 秦 燁

（1.哈爾濱汽車軸承有限公司 質量部,黑龍江 哈爾濱 150036；2. 哈爾濱軸集集團公司 制造技術部，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 質量部,黑龍江 哈爾濱 150036；2. 哈爾濱軸集集團公司 制造技術部，黑龍江 哈爾濱150036）

主要講述利用超聲波對鋼棒內部缺陷實現自動化檢測的原理、方法與未來的發展趨勢。關鍵詞：超聲波檢測；鋼棒材；自動檢測

1 前言

鋼棒是經過軋機軋制而成，在軋制過程中既會產生表面缺陷，又會產生內部缺陷。內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。

在實際生產中，鋼棒的這些內部缺陷對鋼材的性能有嚴重的影響，例如，用于鍛造的鋼棒，在鍛造過程中這些內部缺陷會繼續存在于鋼棒的內部，有的會繼續延展，有的會形成夾層。因此對鋼棒的內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生的超聲波對材料或者工件進行檢測的一種無損檢測技術。超聲波具有聲學的性質，在同一介質中傳播的速度不變，在不同介質的界面處會發生反射、折射和波形轉換。利用超聲波這種性質來判斷被檢材料內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，超聲波發射出去之后，在材料內部傳播，當遇到缺陷后超聲波會發生變化，形成缺陷信號反饋給超聲波探頭，經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行定位的，聲波在介質中傳播，當遇到缺陷時，就會發生反射現象，根據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，其反射回波的規律也不同。同時，還可以根據聲波在介質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、檢測量大等優點。超聲波檢測費用低，且可以對缺陷進行定位和定量分析，而又對人體沒有任何危害。因此超聲波檢測已經發展成一種非常重要的無損檢測方法，在生產實踐中得到廣泛應用。

圖1 縱波探頭探傷原理

3 水浸式線聚焦旋轉探頭超聲檢測

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，而且相對容易實現自動化檢測。

超聲波發出的聲波有橫波、縱波、表面波三種形式。而鋼棒內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部缺陷時，為了避免聲束在棒材中發散并提高靈敏度，探頭的聲束焦點應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生兩次擴散，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，采取探頭旋轉式，探頭設置為6~8個，再對水壓和旋轉速度進行合理的設置。超聲波探頭如圖 2 所示，圖 3 為探頭旋轉裝置。

4 鋼棒材超聲自動檢測系統及其應用

鋼棒材超聲自動檢測系統是應用超聲波縱波檢測方式來檢測鋼棒內部分層、夾雜等缺陷的設備。鋼棒通過傳送機構進入高速旋轉的六通道超聲探頭，每個通道都設置成不同的頻率。鋼棒低速前進，因此能夠對鋼棒表面百分之百覆蓋。鋼棒進入超聲波系統之后，系統開始檢測。當檢測到缺陷時，探頭就會反饋缺陷信號，缺陷信號經過處理、放大、轉換給示波器，示波器再傳遞給電腦，電腦中的程序會做出相應的響應，即做出缺陷部位標識。在后續生產中就會切去這段有標識的鋼棒，從而避免了鋼棒內部缺陷給產品帶來的質量問題。在整個系統中需控制和調整的因素如下。

圖2 超聲波探頭

圖3 旋轉裝置

4.1 水層厚度

超聲波通過探頭進入鋼棒內部，在探頭與鋼棒接觸的界面,聲波由于發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現。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設備的實效性就可以控制水層的厚度了。

如檢測直徑60mm的鋼棒，代入數據得：

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。

在實際生產中要取計算當中的最大整數值即16mm，因為水層太薄會不穩定，容易產生氣泡，影響聲波的傳遞，出現很多的雜波。

4.2 入射角的選擇

根據聲波斜入射時的聲壓往復透射率可知，當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，其聲壓往復透射率較高，只產生縱波，所以在調整儀器時要調整探頭的入射角度，以便獲得縱波探傷。

4.3 標準樣棒

超聲自動檢測系統是依靠標準樣棒來對缺陷進行辨別的。在鋼棒自動超聲波檢測過程中，采用的是當量比較的方法，即通過缺陷回波的幅度與標準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準人工傷低，則認為是合格鋼棒；如果缺陷回波幅度比標準人工傷高，則認為是有缺陷鋼棒。因此，對比試樣鋼棒上的標準人工傷的精度將直接影響到判傷的準確性。標準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生偏斜，則會嚴重影響判傷的準確性和現場的調試。如果用人工刻槽兩側的回波幅度來衡量刻槽垂直度，一般要求≤2dB。

4.4 報警閘門

整個系統都配置好以后，就可以設置報警閘門了。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。設置報警閘門要應用標準樣棒上的人工傷，將人工傷放置在超聲波檢測系統中，會出現缺陷信號，根據《金屬材料無損檢測方法標準》調整靈敏度，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程度。

4.5 缺陷的標識

圖4 超聲波檢測實時顯示器

超聲波自動檢測系統的目的是保證進入待加工的原材料是沒有缺陷的，原材料的質量是產品質量最基礎同時也是最重要最根本的保證。在超聲檢測系統檢測到缺陷時，缺陷信號的幅高高于圖 4 中的報警閘門，系統會在C掃描記錄上記錄缺陷的位置如圖 5 所示，同時系統會在鋼棒上打標，標識出鋼棒上缺陷所在的位置，如圖 6 所示。標記缺陷的樣棒在鋼棒切斷工序中挑出并扔掉報廢。在實際生產過程中，由于缺陷段鋼棒內部有傷，切料過程中往往會發生切料切裂的現象，如圖 7 所示，如果這樣有缺陷的鋼棒流入后道工序繼續加工，最后形成產品，后果將會非常嚴重，給人民生命財產造成巨大的威脅。

圖5 C掃描記錄

圖6 缺陷樣棒的標識

圖7 標識的缺陷段被切裂

5 結束語

隨著工業經濟的迅速發展，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運而生，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，因而得到廣泛的應用。

傳統的超聲波檢測是手工進行的，操作人員憑借經驗對探傷儀上顯示的波形予以判斷，帶有主觀性和局限性。這些經驗是寶貴的，但是效率低，容易發生漏檢和誤檢，并且無法對超聲波進行處理和變換，諸如利用概率統計、圖像識別、頻率分析和數字濾波等領域中的理論和方法來揭示和提取缺陷信號的特征。近年來，工業發達國家廣泛將計算機技術、自動化技術和超聲原理結合，提高了探傷的精度、重復性、可靠性和直觀性，為科學地評價缺陷提供了有力的工具。

[1] 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,2000.

[2] 中國機械工程學會無損檢測分會.無損檢測概論[M].北京：機械工業出版社,1993.

[3] 《金屬材料無損檢測方法標準匯編》匯編組.金屬材料無損檢測方法標準匯編[M] .北京：中國標準出版社, 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.