鋼板受控射流超聲檢測用線聚焦探頭檢測靈敏度的影響因素

沈功田

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(hào)，耦合水膜厚度通常為1 mm[1]左右。在實(shí)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(gè)缺陷的理論回波聲強(qiáng)相差12 dB[3]。接觸式檢測對水膜厚度控制的要求極高，對實(shí)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(dòng)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(dá)成合作，對一條長為5 m的生產(chǎn)線實(shí)施檢測設(shè)備改造，設(shè)計(jì)了一套中厚鋼板受控射流超聲自動(dòng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。聚焦探頭分為線聚焦探頭和點(diǎn)聚焦探頭，線聚焦探頭的聚焦區(qū)域比點(diǎn)聚焦探頭的大，檢測效率更高?？紤]到鋼板生產(chǎn)線檢測時(shí)的實(shí)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(jìn)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(gè)影響因素進(jìn)行研究，進(jìn)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(jìn)行規(guī)范。

查閱文獻(xiàn)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(jìn)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(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，探頭偏轉(zhuǎn)角度對檢測靈敏度影響很大。張?jiān)猍8]發(fā)現(xiàn)鋼管表面附著的鐵銹、灰塵及氧化皮會(huì)使檢測結(jié)果出現(xiàn)誤判，分析了出現(xiàn)誤判的原因并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，但并未對這些影響因素進(jìn)行量化試驗(yàn)。

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(jìn)行量化試驗(yàn)。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(yàn)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(shí)，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(dá)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(jìn)行檢測。傳感器與被檢鋼板相對運(yùn)動(dòng)，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(kuò)散區(qū)會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，檢測靈敏度會(huì)下降。為了提升檢測靈敏度，聚焦探頭采用了聲透鏡來實(shí)現(xiàn)聲波的匯聚。點(diǎn)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(gè)點(diǎn)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(gè)聚焦區(qū)，聚焦聲束原理如圖2所示，其中：聲壓最大值點(diǎn)稱為焦點(diǎn)；F為焦距，是焦點(diǎn)距聲源的距離；d為焦區(qū)寬度，是焦點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)裝置及試塊

2.1 試驗(yàn)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(dá)到φ0.3 mm當(dāng)量平底孔，實(shí)時(shí)采樣率達(dá)400 MHz，上下表面盲區(qū)高度小于1.5 mm，檢測通道可達(dá)8個(gè)，支持高達(dá)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(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果

采用受控射流超聲檢測方法對鋼板進(jìn)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(huì)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(huì)吸收超聲波，加強(qiáng)其散射，水中的氣泡會(huì)使超聲波發(fā)生全反射，有氣泡的位置會(huì)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(jìn)行試驗(yàn)。系統(tǒng)有可以做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的A軸，B軸(見圖5)，在實(shí)際檢測時(shí)，A軸,B軸可以調(diào)節(jié)探頭的垂直度。

試驗(yàn)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(yàn)測得增益為42.8 dB時(shí)，該平底孔缺陷回波波幅達(dá)滿屏的80%，此時(shí)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(dòng)，A軸步進(jìn)為0.1°緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，依次記錄信號(hào)的幅值，直到信號(hào)有一個(gè)較大的衰減；同樣地，保持A軸不動(dòng)，B軸步進(jìn)為0.1°緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄信號(hào)的幅值(見圖6)。

圖6 A軸,B軸分別偏轉(zhuǎn)時(shí)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(hào)衰減速度先增大后減小。當(dāng)B軸保持不變,A軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且A軸偏轉(zhuǎn)角度為0°1°時(shí)，缺陷回波信號(hào)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(shí)，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(shí)，缺陷回波幅值衰減速度減小，A軸偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到2.1°時(shí)，缺陷回波幅值已經(jīng)減小到初始值的一半，幅值衰減高達(dá)6 dB。當(dāng)A軸保持不變，B軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，B軸微小的角度偏轉(zhuǎn)會(huì)使缺陷回波幅值產(chǎn)生巨大的衰減，B軸偏轉(zhuǎn)到0.6°時(shí)，缺陷回波幅值的衰減達(dá)到了3 dB，B軸轉(zhuǎn)到1°時(shí)，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(hào)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(dá)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(xì)的有機(jī)物和無機(jī)物、可溶的有色有機(jī)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(jìn)入水中會(huì)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(hào)的影響規(guī)律。

水的濁度影響分析試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示，其中，濁度計(jì)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(jī)箱實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波時(shí)，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào),經(jīng)探頭發(fā)出超聲波；接收超聲波時(shí)，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)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(yàn)現(xiàn)場

試驗(yàn)前，需要將濁度計(jì)進(jìn)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(jì)進(jìn)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(yàn)開始后，調(diào)節(jié)增益使得試塊的底波達(dá)滿屏的80%，此時(shí)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(shí)，底波幅值基本不發(fā)生變化；濁度為50160 NTU時(shí)，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(shí)，波幅衰減3 dB；濁度大于160 NTU時(shí)，底波幅值趨向于穩(wěn)定；濁度為200 NTU左右時(shí)，底波幅值下降了3.58 dB。

3.3 氣泡對檢測靈敏度的影響

實(shí)際鋼板在線檢測時(shí)，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(jì)算得出聲壓反射率r、聲壓透射率t、聲強(qiáng)反射率R、聲強(qiáng)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(yuǎn)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(jìn)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(yàn)證實(shí)際檢測過程中氣泡對檢測結(jié)果的影響是否符合理論計(jì)算，擬采用試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)儀器采用水浸C掃描設(shè)備，檢測環(huán)境為完全水浸。試驗(yàn)擬采用氣泵產(chǎn)生氣泡來模擬真實(shí)檢測過程中水中含有氣泡的情況。氣管捆綁在探頭運(yùn)動(dòng)方向一側(cè)，氣泡會(huì)經(jīng)過探頭正下方，氣泡影響分析試驗(yàn)平臺(tái)外觀如圖9所示。

圖9 氣泡影響分析試驗(yàn)平臺(tái)外觀

試驗(yàn)時(shí)，先在沒有氣泡的情況下對試塊進(jìn)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(shí)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(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，記錄缺陷波幅。試驗(yàn)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(yàn)前，先將探頭調(diào)垂直。在沒有加氣泡時(shí)，采用試塊兩個(gè)對角點(diǎn)的坐標(biāo)規(guī)劃掃查路徑，以x軸為掃描軸，y軸為步進(jìn)軸，對試塊進(jìn)行柵格全掃描，掃描速度設(shè)置為200 mm·s-1，步進(jìn)距離為1 mm。將被檢缺陷波高調(diào)至80%，此時(shí)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(yàn)，步進(jìn)為0.125圈，直到氣量調(diào)節(jié)到最大值(轉(zhuǎn)動(dòng)2.5圈)，共進(jìn)行21組試驗(yàn)。分別記錄上述被檢缺陷的幅值，并計(jì)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(shí)(轉(zhuǎn)0圈)，缺陷幅值為72.53%；氣量最大時(shí)，缺陷幅值為21.90%。氣泡對超聲信號(hào)的影響很大，旋鈕旋轉(zhuǎn)約0.375圈時(shí)，缺陷幅值衰減了3 dB；當(dāng)旋轉(zhuǎn)1.5圈時(shí)，缺陷幅值衰減超過了一半；轉(zhuǎn)到2.5圈時(shí)，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(jìn)行檢測時(shí)，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(jìn)行檢測，缺陷有可能不會(huì)被探頭的有效聲束覆蓋，缺陷回波信號(hào)幅值就會(huì)降低；并且縱波斜入射到水鋼界面時(shí)，會(huì)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(shí)際檢測過程中，探頭可能會(huì)繞著A，B兩個(gè)軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)。根據(jù)圖6可知，兩個(gè)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(huì)使缺陷波幅值下降一半。實(shí)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(huì)增強(qiáng)超聲的散射衰減并且會(huì)吸收超聲波，懸浮物越多超聲波信號(hào)衰減越大。根據(jù)圖8所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：隨著水濁度的增大，底波會(huì)產(chǎn)生較大的衰減，當(dāng)濁度達(dá)到150 NTU時(shí)，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(yàn)結(jié)果可知，在這個(gè)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(qiáng)監(jiān)測，定期過濾，設(shè)備定期除銹補(bǔ)漆加強(qiáng)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(huì)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(shí)，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(jìn)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(shí)，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(jìn)水管，以防止水管松動(dòng)及破裂導(dǎo)致進(jìn)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(dòng)檢測系統(tǒng)，采用水浸線聚焦探頭進(jìn)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(diǎn)。聚焦探頭分為線聚焦探頭和點(diǎn)聚焦探頭，線聚焦探頭的聚焦區(qū)域比點(diǎn)聚焦探頭的大，檢測效率更高。

(2) 結(jié)合鋼板檢測的實(shí)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(yàn)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(shí)，需要停止檢測，查明具體原因，完全排除隱患后，再進(jìn)行檢測。

(4)受控射流設(shè)備雖已投入試運(yùn)行，但工藝參數(shù)仍需根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行調(diào)整。文章的研究成果對于設(shè)備運(yùn)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。