方坯軋材超聲波探傷設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)

尹 平，周久圣

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

近年來，超聲波無損探傷技術(shù)在交通、建筑、鋼鐵、化工等行業(yè)領(lǐng)域中受到廣泛的青睞。它是一門在不破壞原工件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用聲、光、電磁等物理因素對加工制品內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行判定和檢測的技術(shù)［1］。相對于傳統(tǒng)的探傷檢測技術(shù)，不論是經(jīng)濟(jì)成本、操作高效性和便捷性，還是檢測人員安全性，超聲波探傷技術(shù)都更勝一籌。

馬鋼特鋼方坯生產(chǎn)線利用超聲波無損探傷技術(shù)自動檢測方坯內(nèi)部的缺陷、亞表面缺陷等，適用的產(chǎn)品主要是140 mm～250 mm 車軸鋼、彈簧鋼等公司主力產(chǎn)品。目前，系統(tǒng)已上線穩(wěn)定運(yùn)行，并取得一定的經(jīng)濟(jì)和管理效益。隨著用戶對產(chǎn)品的質(zhì)量等級要求越來越嚴(yán)格，設(shè)備原設(shè)計不能適應(yīng)檢測性能提升的需求，本文在結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況下，對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化改造，不斷提高方坯生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 超聲波無損檢測技術(shù)分析

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，為生產(chǎn)高質(zhì)量的材料提供保障，研究先進(jìn)的探傷檢測技術(shù)成了檢測人員迫在眉睫的任務(wù)。現(xiàn)代探傷檢測技術(shù)主要有兩種，有損和無損探傷檢測。顧名思義，有損探傷需要破壞原工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行切割、剖面等探傷檢測。而無損探傷檢測技術(shù)是利用聲、光、電磁等物理學(xué)因素，并結(jié)合相關(guān)儀器設(shè)備對材料內(nèi)部進(jìn)行缺陷探傷檢測［2］。無損探傷檢測主要有射線檢測、磁粉檢測、超聲波檢測、滲透檢測、渦流檢測等五種常見的技術(shù)［3］。超聲波檢測技術(shù)基于近幾年聲學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，其檢測的高效、便捷、安全等特性，受到各行業(yè)領(lǐng)域的歡迎。

1.1 超聲波無損檢測原理

超聲波的聲波頻率高于20 000 Hz，是人們無法聽見的聲波。但超聲波傳播有其獨(dú)有的特點(diǎn)：頻率高、波長短、方向性好、穿透能力強(qiáng)、能夠傳遞信息等［4］。工程上正是利用這些特點(diǎn)將其運(yùn)用到探傷檢測領(lǐng)域。

超聲波探傷檢測是利用超聲波穿透至介質(zhì)的內(nèi)部，從一個截面進(jìn)入到另一個截面，遇到材料不均勻時，便會發(fā)生發(fā)射現(xiàn)象，從而可以檢測出材料是否存在缺陷。方坯是通過軋機(jī)軋制而成，在生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生表面或者內(nèi)部的缺陷。當(dāng)超聲波在方坯中傳播時，遇到缺陷發(fā)生反射，根據(jù)反射回波的電壓脈沖波形確定缺陷的位置和大小。缺陷的形狀不同，超聲波的返回規(guī)律也不同，從而可以確定其大小。根據(jù)聲速和聲波在介質(zhì)中的傳播至缺陷所需的時間可以測定缺陷的距離R。

式中：c——材料中的聲速；

t——聲波遇到缺陷時的來回傳播時間［5］。

1.2 超聲波無損檢測方法

常用的工業(yè)超聲波檢測方法主要有脈沖波法和共振法，其中脈沖波法又分成脈沖反射法和脈沖穿透法。根據(jù)本系統(tǒng)采用的檢測原理，主要采用的是脈沖反射法。脈沖反射法根據(jù)聲波在傳播過程中，彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向之間的關(guān)系，可分為縱波、橫波、表面波和板波等［6］。不同的檢測方法適用不同的鋼材材料。下文主要介紹和本系統(tǒng)有關(guān)的檢測方法。

1.2.1 縱波法

質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向相互平行的波稱為縱波。當(dāng)介質(zhì)受到往復(fù)壓應(yīng)力的時候，質(zhì)點(diǎn)之間就會產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮應(yīng)變，從而形成縱波。縱波可以在固體、氣體、液體三大類介質(zhì)中傳播。縱波法進(jìn)行工件質(zhì)量探測主要利用直探頭垂直發(fā)射縱波信號至工件探測面，遇到缺陷面，反射脈沖信號，通過接收脈沖信號測定缺陷。該方法可以檢測鑄造、鍛壓、軋材及其制品的探傷。本系統(tǒng)中主要利用縱波法檢測軋件的內(nèi)部缺陷，該方法與探測面平行的缺陷檢出效果最佳。

1.2.2 橫波法

質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向相互垂直的波稱為橫波。當(dāng)介質(zhì)受到交變的剪切力作用時，就會發(fā)生形變，從而產(chǎn)生橫波。由于承受交變應(yīng)力的介質(zhì)只有固體類，所有橫波只能在固體中傳播，不能在氣體和液體中傳播。橫波在探測工件時，會收到工件上、下斷面多次反射后的脈沖波。該方法主要用于管材、焊縫等的探傷檢測，其它試件進(jìn)行探傷時，可以作為輔助設(shè)備手段。

1.2.3 表面波法

表面波可以看成是縱波和橫波的合成。當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力時，波沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィQ為表面波。表面波只能發(fā)生在固體介質(zhì)的表面，在兩種介質(zhì)的表面或近表面進(jìn)行傳播。由于表面波法只能沿著試件的表面或亞表面進(jìn)行傳播，所以只能檢測試件的表面缺陷。

本設(shè)備的無損探傷方法主要是通過探傷支架及噴淋水系統(tǒng)將縱波直探頭的探頭晶片耦合到被測方坯表面，形成水膜法超聲檢測方式（探頭與被檢方坯的水層間距約為：0.3～1 mm）。該檢測方式廣泛適用于方坯及板坯等鋼材的超聲檢測，其檢測優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單易維護(hù)、檢測消耗小、經(jīng)濟(jì)實(shí)用且污染小；其缺點(diǎn)是受檢測方坯外形及表面光潔度影響較大，尤其是邊角部位可能無法形成有效水膜，導(dǎo)致檢測信號異常，產(chǎn)生盲區(qū)。

2 超聲波探傷技術(shù)在方坯質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

2.1 方坯探傷檢測系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備概述

超聲波探傷檢測設(shè)備原系統(tǒng)設(shè)計采用64 通道超聲波掃查的方式，主要用于自動檢測方坯的內(nèi)部缺陷、亞表面缺陷，適用于140～250 mm 車軸鋼、彈簧鋼等產(chǎn)品的質(zhì)量檢測，系統(tǒng)主體設(shè)備主要有超聲波主機(jī)、人機(jī)界面、PLC控制系統(tǒng)、集成板卡系統(tǒng)、耦合水循環(huán)系統(tǒng)、探頭架及探頭、噴標(biāo)系統(tǒng)等組成。圖1為方坯超聲波自動檢測系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)。

圖1 方坯超聲波自動檢測系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)

2.2 工藝流程介紹

生產(chǎn)前首先對探傷系統(tǒng)中的“看門狗”設(shè)備高度進(jìn)行調(diào)整，以匹配被檢坯料的規(guī)格要求，利用“看門狗”的防撞拒止功能對探傷主機(jī)進(jìn)行保護(hù)。其次是被檢測鋼坯經(jīng)過拋丸機(jī)對表面進(jìn)行拋丸處理后，經(jīng)拋丸輸送輥道將棒料送入“看門狗”，待坯料的頭部到達(dá)噴淋位置后啟動預(yù)噴淋系統(tǒng)，待主機(jī)入口對射元件檢測到坯料料頭時，夾緊輪和探頭按照程序規(guī)定指令依次夾緊并開始進(jìn)行探傷作業(yè)，待坯料拖尾后，探頭及夾緊輪再依次松開，此階段探傷結(jié)果經(jīng)板卡集中處理后顯示在人機(jī)界面HMI 上，隨后噴標(biāo)系統(tǒng)會根據(jù)檢查結(jié)果自動執(zhí)行噴標(biāo)作業(yè)，探傷結(jié)束。

工藝流程詳細(xì)介紹如下：

（1）當(dāng)PLC 控制器接收到方坯頭部傳感信號后，首先通過交互控制通訊與主控系統(tǒng)建立應(yīng)答機(jī)制，啟動探傷程序。

（2）同時向氣動缸驅(qū)動器發(fā)出指令，使探頭壓至被檢物料表面，并開啟耦合水，為物料探傷做好準(zhǔn)備。

（3）開始探傷，由主控機(jī)通過信號處理單元向探頭發(fā)送激勵信號，開始超聲波探傷，待信號處理單元接收到回波信號后，對其進(jìn)行采集、A/D 轉(zhuǎn)化等處理后傳輸至主控機(jī)。

（4）主控探傷程序?qū)崟r智能判斷檢測信號是否為缺陷回波，如果是缺陷回波，則通知PLC 控制器啟動打標(biāo)裝置，對物料缺陷進(jìn)行打標(biāo)。

（5）主控程序全程監(jiān)控檢測過程，并實(shí)時保存檢測數(shù)據(jù)，待PLC 控制器接收到物料尾端信號后，停止探傷，并啟動物料分選功能，對其有無缺陷進(jìn)行分選。

（6）探傷結(jié)束后，主控探傷程序形成探傷報告，并通過智能判定給出探傷結(jié)果。

圖2為探傷工藝流程圖。

圖2 探傷工藝流程

2.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)

本工藝流程中涉及的“看門狗”和預(yù)噴淋裝置的結(jié)構(gòu)功能如下。

（1）“看門狗”安全防護(hù)裝置

“看門狗”安全防護(hù)裝置主要由底座、縱向定位定向吸震裝置、橫向手動開閉裝置、前后安全防護(hù)板、防護(hù)板間距調(diào)整裝置及高度微調(diào)裝置組成，圖3為參考圖樣。

圖3 “看門狗”結(jié)構(gòu)示意圖

底座由厚板焊接而成，堅固耐用，并可調(diào)整高低及水平。

縱向定位定向吸震裝置：當(dāng)棒材撞擊前端導(dǎo)套時，由縱向定位定向吸震裝置吸收棒材撞擊產(chǎn)生的沖擊力。

橫向手動開閉裝置：當(dāng)棒材因彎曲卡死在“看門狗”中時，人工手動使縱向開閉裝置打開，推出彎曲度超過設(shè)定值的棒材，使之不再進(jìn)入聯(lián)合檢測平臺。

前后安全防護(hù)板及防護(hù)板間距調(diào)整裝置：“看門狗”裝置棒材進(jìn)出口均設(shè)有導(dǎo)套，此導(dǎo)套數(shù)量規(guī)格一般根據(jù)用戶產(chǎn)品生產(chǎn)大綱設(shè)計制造，用戶不提供產(chǎn)品生產(chǎn)大綱時根據(jù)樣棒規(guī)格設(shè)計制造。

（2）預(yù)噴淋裝置

預(yù)噴淋裝置用于方坯超聲檢測前對被檢工件表面的預(yù)潤濕，以保證方坯超聲檢測耦合效果，利用工業(yè)水或自來水進(jìn)行預(yù)潤濕，水壓≤4 kg/cm2，流量≤10 m3/h。

3 超聲波探傷設(shè)備技術(shù)改造和優(yōu)化

3.1 設(shè)備現(xiàn)狀和必要性

結(jié)合公司現(xiàn)有的產(chǎn)品優(yōu)化升級、管理體系貫標(biāo)等要求，方坯超探設(shè)備為應(yīng)對新要求仍存在以下主要問題：

（1）原設(shè)備經(jīng)過長時間運(yùn)行后，設(shè)備功能精度缺失，不能保證設(shè)備的正常工作和持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要對設(shè)備進(jìn)行升級改造。

（2）原設(shè)備探頭運(yùn)行中會承受較大的側(cè)向力，導(dǎo)致探頭架使用一段時間后，形變較大，造成支架斷裂，設(shè)備故障率較高。

（3）超探設(shè)備需要應(yīng)對新的產(chǎn)品規(guī)格，原規(guī)格匹配需要重新升級電控系統(tǒng)和PLC 控制代碼，并提升整體的檢測精度。

3.2 系統(tǒng)設(shè)備改造方案

根據(jù)方坯質(zhì)量超聲波探傷設(shè)備檢測中存在的問題，以及產(chǎn)品質(zhì)量提升對設(shè)備檢測能力和檢測精度的要求，對方坯質(zhì)量超聲波探傷設(shè)備進(jìn)行改造的技術(shù)方案如下：

（1）對探頭架重新進(jìn)行設(shè)計，保證探頭架的側(cè)向力為最小，保證探頭不受到嚴(yán)重的沖擊。

（2）重新設(shè)計和構(gòu)建電氣控制系統(tǒng)，以適應(yīng)新的產(chǎn)品規(guī)格提升帶來的檢測要求。

（3）對主機(jī)機(jī)械部分進(jìn)行解體，重新更換和優(yōu)化機(jī)械設(shè)計，適應(yīng)新的探頭架系統(tǒng)，同時帶來更好的易維護(hù)性。

（4）改進(jìn)現(xiàn)有探頭，減少探頭數(shù)量，使得探頭的頻率和尺寸都最大限度滿足靈敏度的檢測要求。

3.3 系統(tǒng)設(shè)備改造詳細(xì)設(shè)計

3.3.1 超聲波探頭架的改造

超聲波探頭架改造前采用垂直壓下方式，鋼坯穿過探頭架時，側(cè)向力較大，應(yīng)力難以釋放，造成探頭架頻繁刮擦脫落、斷裂。圖4 為探頭架垂直壓下結(jié)構(gòu)的方坯超探內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 探頭架垂直壓下結(jié)構(gòu)的方坯超探內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

使用新設(shè)計的探頭架系統(tǒng)替代原來的探頭機(jī)械系統(tǒng)，方坯超探設(shè)備機(jī)械部分由原來探頭架采用垂直壓下方式變?yōu)閿[動壓下方式。圖5為改造后探頭架擺動壓下結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置示意圖。

圖5 探頭架擺動壓下結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置示意圖

更改的探頭架系統(tǒng)的設(shè)計避免了原設(shè)備承受過大側(cè)向力、探頭架易變形的缺點(diǎn)，有效保證了設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.3.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化改造

（1）增加新的升降控制部分，以保證產(chǎn)品規(guī)格提升所要求的多規(guī)格適應(yīng)性。

（2）增加新的PLC模塊及控制程序，確保PLC控制與探傷主機(jī)和工控機(jī)之間通訊的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）重新編制故障自診斷程序，方便更快解決和處置現(xiàn)場設(shè)備異常問題。為了和新系統(tǒng)的接口匹配，有必要進(jìn)行重新設(shè)計和構(gòu)建，以適應(yīng)用戶新要求和高標(biāo)準(zhǔn)。

（4）新的超聲波系統(tǒng)與原有的PLC 系統(tǒng)要進(jìn)行通訊，需要重新開發(fā)接口和通訊方式來和原有的PLC系統(tǒng)兼容，從而實(shí)現(xiàn)完整的自動化探傷過程。

3.3.3 機(jī)械系統(tǒng)改造

為了適配新的探頭架系統(tǒng)，同時考慮到原設(shè)備的部分部件經(jīng)過多次維修，精度已經(jīng)降低，因此需要對原設(shè)計的主機(jī)部分進(jìn)行解體更換，并同步根據(jù)現(xiàn)場需求和設(shè)計要求進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，以確保設(shè)備機(jī)械精度更高，提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命，保證檢測設(shè)備整體的檢測精度。主要工作包括更換絲桿、氣缸等關(guān)鍵部件，關(guān)鍵的懸掛裝置進(jìn)行重新制作加工。具體改造要點(diǎn)如下：

（1）重新定制機(jī)械懸掛系統(tǒng)，優(yōu)化機(jī)械抱緊裝置和探頭夾持裝置，使得整體機(jī)械浮動機(jī)構(gòu)和探頭夾持裝置工作穩(wěn)定性更好，機(jī)械抱緊裝置實(shí)用性更強(qiáng)。

（2）重新定制探頭架固定裝置，確保設(shè)備檢測精度的穩(wěn)定性。

（3）修復(fù)整體框架，恢復(fù)整體機(jī)械的精度和穩(wěn)定性。

（4）為了防止鐵銹堵住出水孔，對探頭的耐磨靴進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并加大出水孔尺寸，同時能夠?qū)子袥_洗功能。

（5）改進(jìn)水箱清理模式，能夠方便清理水垢，提高系統(tǒng)可維護(hù)性。

3.3.4 超聲探頭改造

為了在保證檢測精度的前提下，盡可能減少探頭數(shù)量并提升設(shè)備的可維護(hù)性，對原使用的超聲探頭進(jìn)行改造，具體改造要點(diǎn)如下：

（1）改進(jìn)原超聲探頭，改造后的超聲探頭可以檢測更廣的范圍，滿足新的生產(chǎn)工藝需求。

（2）改進(jìn)探頭耦合系統(tǒng)，使得探頭耦合系統(tǒng)能適應(yīng)新探頭的使用。

3.3.5 改進(jìn)和優(yōu)化信號傳輸系統(tǒng)

由于該設(shè)備已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有探頭線破損，干擾信號容易進(jìn)入超聲系統(tǒng)，造成設(shè)備的信號抖動失真，從而導(dǎo)致超聲信號不穩(wěn)定、不可靠，設(shè)備不能正常使用，因此我們本次對探頭線進(jìn)行全面升級，全面更換破損的探傷信號線，升級成雙層屏蔽信號線，另外對設(shè)備的接地進(jìn)行重新排查，使用雙接地方式，全面排查設(shè)備現(xiàn)有干擾。

3.4 系統(tǒng)改造效果

（1）升級改進(jìn)原探傷平臺上的探頭架系統(tǒng)，提升設(shè)備的生產(chǎn)穩(wěn)定性。

（2）配套升級原設(shè)備的機(jī)械主機(jī)系統(tǒng)，適應(yīng)新的探頭架系統(tǒng)，提升設(shè)備的可維護(hù)性。

（3）升級改造原設(shè)備的電控系統(tǒng)，適應(yīng)產(chǎn)品規(guī)格的升級，并提升設(shè)備的總體精度。

（4）保證檢測精度的前提下，優(yōu)化檢測探頭，減少探頭的裝機(jī)量，減少備件的庫存數(shù)量。

（5）改造后的設(shè)備故障率大幅降低，設(shè)備故障維修時間及故障停機(jī)時間減少，設(shè)備的有效使用率得到提升。

（6）本項目以高度自動化、工藝最優(yōu)化為改造目標(biāo)，同時預(yù)留遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)接口，兼容設(shè)備遠(yuǎn)程診斷、點(diǎn)檢的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)化功能，為設(shè)備遠(yuǎn)程智能運(yùn)維提供有效數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語

超聲波探傷技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文主要分析其技術(shù)原理和使用方法，將其運(yùn)用到棒材質(zhì)量檢測中。為滿足客戶的需求，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)進(jìn)行了升級和改造。目前，系統(tǒng)已上線穩(wěn)定運(yùn)行，改造優(yōu)化后的系統(tǒng)提高了探傷的精度、可靠性、穩(wěn)定性等，保障了客戶對產(chǎn)品質(zhì)量的高要求。