鋼中宏觀夾雜物的水浸超聲檢測

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(東北特鋼集團大連特殊鋼有限責任公司,大連 116105)

鋼中的非金屬夾雜物破壞了金屬基體的連續性，對鋼的力學性能、物理性能、化學性能及工藝性能都有較大影響。鋼中存在宏觀夾雜物時，容易引起零件應力的局部集中，從而產生疲勞裂紋。按照夾雜物的大小，非金屬夾雜物可劃分為兩種，即微觀夾雜物和宏觀夾雜物。微觀夾雜物指的是長度小于1.4 mm的夾雜物。超過這個長度則稱為宏觀夾雜物[1]。宏觀夾雜物的檢驗方法主要通過發藍斷口和塔形車削發紋檢驗，由于這兩種檢驗方法僅能觀察到鋼中的一個面或幾個面，檢驗結果具有隨機性和不確定性，無法客觀評價鋼中夾雜物的真實情況。近年來，隨著超聲技術的發展，超聲檢測的應用領域逐漸擴大，由于超聲波可實現一定體積材料的檢測，故超聲檢測方法能客觀地反映出夾雜物在材料中的數量和分布情況。目前，已有很多公司將水浸高頻超聲系統用于鋼中宏觀夾雜物的檢驗，并形成了相應的檢驗規范SEP 1927-2010UltrasonicImmersionTestingMethodforDeterminingtheMacroscopicCleanlinessRateofRolledorForgedSteelBars和ASTM E 588-2003StandardPracticeforDetectionofLargeInclusionsinBearingQualitySteelbytheUltrasonicMethod。

1 水浸超聲系統的組成和參數

LS-500BR型高頻超聲水浸探傷系統由OLYMPUS V312 10 MHz/6.35 mm的直探頭、IRT Scanner軟件、SEP1927評估軟件、x/y/z線性掃查機械臂、A/B操控器、棒材旋轉器(WB)、水槽、水循環過濾器、加熱器等組成。

系統可以檢測表面粗糙度不大于2 μm,直徑為φ35～φ160 mm,最長1 000 mm的圓鋼及最大長度600 mm,最大寬度600 mm,最大厚度150 mm的方鋼。

檢測系統的參數如表1所示。

表1 檢測系統的參數

2 檢測步驟

(1) 檢測開始前，選用對比試塊校準TCG(深度補償)曲線(至少4點)。(2) 實施檢驗。(3) 檢測結束后，再次用對比試塊驗證已校準的TCG曲線，用以驗證檢驗期間系統靈敏度的漂移是否在規定的范圍內。

3 被檢材料直徑與對比試塊直徑不同時的曲面補償

3.1 曲面補償

在檢測和缺陷定量時，對檢測面是曲面的工件，應對由工件和對比試塊曲率半徑不同引起的耦合損失進行補償[2]。

圖1 直徑φ42 mm被檢材料界面波波高80%時的增益

3.1.1 標準SEP 1927-2010中對曲面補償的規定

圖2 直徑φ52 mm對比試塊界面波波高80%時的增益

對圓鋼進行檢驗，對比試塊直徑與被檢材料直徑相同或相近，相近時直徑差不超過±20%d(d為圓鋼直徑)。對直徑100 mm以上的圓鋼，設置靈敏度時也可以用矩形對比試塊。筆者在實際檢驗過程中發現，在檢驗圓鋼時，如果被檢材料直徑與對比試塊直徑不同，而探頭與材料上表面距離相同時，則相同界面的反射波波高和系統的靈敏度(增益)存在差異。圖1和圖2分別是探頭位于直徑φ42 mm被檢材料和直徑φ52 mm對比試塊正上方40 mm時，界面波波高達到80%時所對應的增益，即11 dB和9.2 dB，直徑不同，增益相差了1.8 dB。由于材料直徑不同，超聲波入射到材料中的能量不一致，檢驗結果會產生偏差，因此在實際檢驗過程中應進行曲面補償，以消除因材料直徑不同引起的聲波能量的入射差異。

3.1.2 曲面補償測試方法

首先在用對比試塊制作TCG(深度補償)曲線前，將探頭位于對比試塊的正上方40 mm處時，對比試塊界面反射波幅值的高度達到80%時的增益記為Δ1，檢驗相近直徑的圓材時，同樣將探頭也置于被檢材料正上方40 mm處，將被檢材料的界面反射波幅值高度也調至熒光屏滿刻度的80%時的增益記為Δ2，被檢材料與對比試塊的曲面補償值為(Δ2-Δ1)dB。在基準靈敏度的基礎上增加的增益為VK，再加上曲面補償值即為檢驗靈敏度。

通過曲面補償，可以消除因對比試塊與被檢材料直徑及表面狀態不同引起進入鋼材聲波能量的偏差，使檢驗結果的當量更加準確。

3.2 檢測靈敏度校驗

3.2.1 標準SEP 1927-2010檢驗方法要求

標準SEP 1927-2010中規定儀器具有深度補償功能，校準儀器時需要用對比試塊，對比試塊聲學性能與被檢材料相似，對比試塊上有直徑為φ1.0 mm平底孔，在所檢區域內，深度方向上至少有4個均勻分布的反射體，應按周期采用對比反射體校驗設備靈敏度的再現性，使參考反射體回波的幅值高度相同時，所對應的靈敏度偏差在±2 dB內，否則應對自上次靈敏度校驗后記錄的數據重新評估或對所有試樣重新檢驗。

3.2.2 存在的問題

按照標準SEP 1927-2010中的規定，必須在檢驗開始前用對比試塊中的至少4個平底孔校準TCG曲線，驗證φ1.0 mm平底孔回波幅值所對應的靈敏度是否在規定的偏差范圍內。至少每天(批次)檢驗結束時，再次使用對比試塊中的4個平底孔驗證已校準的TCG曲線，確認參考反射體回波幅值所對應的靈敏度偏差是否在±2 dB以內，以保證檢驗結果的準確性。采用對比試塊上的多個反射體反復校準系統靈敏度的方法，耗費的時間較長，影響了水浸檢測設備的檢驗效率。

3.2.3 解決方案

可以周期性地測定探頭聲場中某一(或某幾個)固定點聲壓的變化來校驗系統的靈敏度偏差。水浸超聲系統水槽內的某一平臺如圖3所示，在采用對比試塊上的參考反射體校準系統TCG曲線之前，將探頭移至平臺的正上方，使探頭距平臺40 mm，將平臺界面反射波幅值的高度調整至熒光屏滿刻度的80%，記錄此時的增益為Δ3。以后每次檢驗

前和每天(批次)檢驗結束，均將探頭移至平臺正上方，使探頭距平臺40 mm，平臺界面反射波幅值達到熒光屏滿刻度的80%所對應的增益記為Δ4，將Δ4與Δ3比較，只要差值不超過±2 dB，則表明系統靈敏度偏差滿足標準SEP 1927-2010檢驗方法的要求。

圖3 水槽內某一平臺外觀

4 結語

采用此方法來驗證水浸超聲系統的靈敏度偏差，不但可以滿足檢驗方法的要求，而且可以大大提高設備的使用效率。

[1] 蘇平旺.鋼中的非金屬夾雜物[J]. 武鋼技術, 1995, 33(6):28-31.

[2] NB/T 47013.3-2015 承壓設備無損檢測 第3部分:超聲檢測[S].