矯直工藝對探傷合格率影響研究

摘 要：探討矯直工藝對探傷合格率的影響，通過對矯直原理、設備和技術的介紹，結合探傷技術的基本原理及其在矯直過程中的應用，分析了矯直過程中可能產生的缺陷類型及其對探傷結果的影響。通過試驗設計與數據分析，驗證不同矯直參數對材料探傷性能的影響，并提出優化矯直工藝以提高探傷合格率的具體建議。

關鍵詞：矯直工藝；探傷技術；合格率；缺陷；試驗分析

STUDY ON THE INFLUENCE OF STRAIGHTENING PROCESS ON THE QUALIFIED RATE OF FLAW DETECTION

Chen Chen

（Nanjing Iron and Steel Co.， Ltd. Nanjing 210035，China）

Abstract：The paper discusses the influence of straightening process on the qualified rate of flaw detection. Through the introduction of the straightening principle， equipment and technology， combined with the basic principles of the flaw detection technology and its application in the straightening process， the type of possible defect and its influence on the flaw detection results are analyzed. Through experimental design and data analysis， the influence of different straightening parameters on the flaw performance of the material is verified， and some specific suggestions to optimize the straightening process to improve the qualified rate of flaw detection.

Key words： straightening process; flaw detection technology; qualified rate; defect; experimental analysis

0 引 言

在現代冶金工業中，矯直工藝對于保證鋼材產品的幾何尺寸精度和表面質量至關重要，但矯直過程中可能會產生一些微觀或宏觀的缺陷，這些缺陷不僅影響產品的最終使用性能，還會對后續的探傷檢測造成干擾。因此，研究矯直工藝對探傷合格率的影響具有重要的理論意義和實用價值。了解矯直過程中可能出現的缺陷類型及其對探傷結果的影響，有助于優化矯直工藝，提高材料的質量和生產效率。

1 矯直工藝概述

1.1 矯直原理

矯直是一種通過施加適當外力使材料發生塑性變形的過程，其目的是消除或減小材料的彎曲或扭曲。這一過程涉及到材料內部應力的釋放，從而有助于改善材料的直線度和平整度。矯直的基本物理原理在于利用材料的彈性極限范圍內的塑性變形能力，當外力超過材料的屈服強度時，材料就會發生塑性變形，從而使原本彎曲的部分恢復到直線狀態[1]。矯直后，材料內部的殘余應力得到一定程度的釋放，這有助于提高材料的整體質量和機械性能。

1.2 矯直設備與技術

矯直設備和技術的選擇取決于待矯直材料的特性，例如尺寸、形狀和材質。常用的矯直設備主要包括壓力矯直機和輥式矯直機。

壓力矯直機適用于較大直徑或厚度的型材，如鋼管、棒材等。這類矯直機通過液壓系統施加垂直向下的壓力，將材料壓入矯直模具中，從而達到矯直目的。壓力矯直機的特點是矯直力大，矯直精度高，但速度相對較慢。

輥式矯直機適合矯直細長型材，如線材、棒材等。它通過一系列排列有序的矯直輥輪來實現矯直目的[1]。輥式矯直機的優點在于矯直速度快，效率高，適用于連續生產線。但是，對于較硬的材料或要求較高精度的情況，可能需要更復雜的輥形設計來滿足要求。

1.3 矯直工藝流程

矯直工藝流程通常包括三個關鍵步驟：

1）預熱。

對于某些材料來說，預熱可以減少矯直過程中的應力集中，有助于提高矯直效果。預熱溫度需要根據材料的特性來確定。

2）矯直。

在矯直階段，根據材料的特性和矯直設備的類型選擇合適的矯直方法。在此過程中，需要精確控制矯直力、矯直速度等參數，以確保矯直效果最佳，同時減少材料損傷的可能性[2]。

3）冷卻。

矯直完成后，材料需要經過冷卻處理以穩定其結構。冷卻方式可以是自然冷卻，也可以是強制冷卻，具體取決于材料特性和矯直后的使用要求。

在整個矯直過程中，需要對溫度、壓力、速度等參數進行嚴格控制，以確保矯直效果的同時減少缺陷的產生。此外，還需要考慮材料的特性（如材質、尺寸、形狀等）以及最終用途的要求，以便選擇最合適的矯直工藝。

詳細矯直探傷流程見圖1。

2 探傷技術與合格率

2.1 探傷技術原理

探傷技術是基于材料內部缺陷與周圍正常組織之間存在的物理性質差異來進行檢測。這些差異可以通過聲波、電磁波或其他物理手段來探測。探傷技術的核心在于能夠有效識別差異，從而定位和量化材料中的缺陷。

超聲波探傷是一種基于超聲波在材料中的傳播特性的探傷方法。當超聲波遇到材料中的缺陷時，部分能量會被反射回來，這部分反射波會被探頭捕捉到。通過分析反射波的時間延遲和強度，可以確定缺陷的位置和大小。這種方法對于檢測內部裂紋、空洞、夾雜物等缺陷非常有效，因此被廣泛應用于金屬材料的檢測中。

基于渦流效應，即在導電材料中施加交變磁場會在材料表面附近產生渦流，若材料中有缺陷，則渦流會受到影響，導致磁場發生變化。通過檢測這種變化，可以判斷缺陷的存在和位置。渦流探傷利用了導體中的渦流效應。當導體置于交變磁場中時，會在導體表面附近產生渦流。如果材料存在缺陷，渦流路徑會改變，從而影響磁場分布[2]。通過檢測磁場的變化，可以確定缺陷的位置。渦流探傷主要用于檢測導電材料表面和近表面的缺陷，如裂紋、腐蝕坑等。

2.2 探傷標準與評價體系

探傷標準是由行業規范或國家標準規定的，用于指導探傷操作和結果評估的標準文件。這些標準包括但不限于探傷操作指南，規定了探傷的具體操作步驟和技術要求，如探傷前的準備、探傷過程中的注意事項以及探傷后的處理等；技術要求涵蓋了探傷設備的性能指標和探傷人員的資格要求；探傷設備校準確保使用的探傷設備符合精度要求，通過標準試塊進行設備校準，以確保設備的準確性和可靠性，并定期進行設備校準以保持設備的最佳工作狀態；缺陷分級標準定義了各種缺陷的嚴重程度及其對材料性能的影響，根據缺陷的類型、大小、位置等因素將其分為不同的等級，并評估不同等級缺陷對材料性能的影響程度；結果評估準則提供了一套用于評估探傷結果的方法和程序，包括缺陷的識別、分類、定量等，并規定了探傷結果的記錄、分析和報告程序。

評價體系是依據探傷結果來判定材料是否合格的標準體系，它通常包括合格標準和不合格判定兩部分。合格標準定義了材料在探傷后被認定為合格的具體條件，根據缺陷的類型和嚴重程度設定合格的標準；不合格判定明確了何種情況下的探傷結果會導致材料被判定為不合格，即當探傷結果超出合格標準范圍時，材料將被判定為不合格。此外，還設有復檢機制，對于接近合格邊緣的結果，提供了進一步確認的機制，即當探傷結果接近合格標準時，可以啟動復檢程序，包括再次探傷、專家評審等步驟，以確保結果的準確性，并確認材料是否真正合格。

2.3 矯直對探傷結果的影響分析

矯直過程中可能產生的缺陷類型包括表面劃痕、內應力集中等。這些缺陷對探傷結果有著直接的影響，可能導致誤判或漏檢，從而降低探傷合格率。矯直過程中，如果矯直設備的表面不平整或者操作不當，可能會在材料表面留下劃痕[2]。這些劃痕在探傷時可能會被誤認為是真正的缺陷，導致誤判；矯直過程中如果矯直力過大或者矯直速度過快，可能會在材料內部產生局部應力集中。這種應力集中會導致材料內部出現微裂紋等缺陷，這些缺陷在探傷時會被檢測出來，從而影響探傷結果。

為了減少矯直過程對探傷結果的影響，需要采取三方面措施：

1）優化矯直工藝。

合理設置矯直參數，比如矯直力、矯直速度等，以減少表面劃痕和內應力集中的可能性。例如，可以通過試驗確定最佳的矯直速度范圍（如1.5 ～ 5 m/min）和矯直力范圍（如18 ～ 22 kN），以減少對材料的損傷[2]。

2）加強設備維護。

定期檢查矯直設備，確保其表面平滑無損，減少因設備問題引起的表面劃痕；檢查設備磨損情況，及時更換磨損部件，確保矯直過程的穩定性和可靠性。

3）采用適當的探傷技術。

針對矯直過程中可能出現的不同類型的缺陷，選擇合適的探傷技術進行檢測，以提高檢測的準確性。例如，對于表面劃痕，可以采用超聲波探傷（UT）或渦流探傷（ECT）；而對于內應力集中導致的微裂紋，則更適合采用射線探傷（RT）或磁粉探傷（MT）。

通過相關措施的實施，可以有效減少矯直過程對探傷結果的影響，提高探傷合格率。此外，還可以考慮引入自動化監測系統，實時監控矯直過程中的參數變化，以便及時調整工藝參數，進一步提升產品質量和生產效率。

3 試驗設計與數據分析

3.1 試驗材料與設備

本研究選取了典型的低碳鋼材料作為試驗材料，該材料具有良好的可塑性和矯直性能，適用于矯直試驗。試驗中采用了一臺高性能的輥式矯直機進行矯直處理，該矯直機具備較高的矯直精度和穩定的矯直效果。矯直后的材料使用了一臺高性能的超聲波探傷儀進行探傷測試，以檢測材料中的潛在缺陷。

試驗材料：采用的低碳鋼材料為Q235B，化學成分符合國家標準GB/T 700-2006的要求，其中碳含量約為0.14%～0.22%，抗拉強度約為235 MPa[3]。

矯直設備：采用的輥式矯直機型號為ZDAS型，矯直直徑范圍為30 ～ 100 mm，矯直精度達到±0.05 mm，矯直速度可調范圍為1 ～ 10m/min。

探傷設備：使用的超聲波探傷儀型號為OLYMPUS型，頻率范圍為0.5 ～ 10 MHz，能夠檢測材料內部深度達100 mm的缺陷。

3.2 試驗方法與步驟

試驗設計分為三個步驟：

1）確定矯直工藝參數。

根據材料特性，預先設定了矯直過程中的關鍵參數，包括矯直速度、矯直力、矯直溫度等；矯直速度設定為5 m/min；矯直力根據材料規格調整，在本次試驗中設定為20 kN；矯直溫度為室溫條件（約25℃）[3]。

2）矯直處理。

按照預先設定的工藝流程進行矯直處理。矯直過程中嚴格控制各項參數，確保矯直效果；矯直前對材料進行預處理，去除表面氧化層和雜質；通過矯直機的矯直輥輪，對材料施加精確的壓力，使材料沿預定方向平直。

3）探傷檢測。

矯直完成后，立即對材料進行超聲波探傷測試，以檢測材料中的潛在缺陷；使用OLYMPUS型超聲波探傷儀，選擇適當的探頭頻率（如5 MHz），確保檢測靈敏度；對材料進行全面掃描，覆蓋整個矯直區域。

記錄探傷測試的所有數據，包括缺陷的數量、類型、位置、大小等信息。缺陷類型包括裂紋、夾雜物、氣孔等[4]。例如，對于每組試驗樣本，記錄缺陷數量平均值為2個/米長度，最大缺陷尺寸為0.3 mm，位于材料的中部位置。

通過詳細的試驗步驟和數據記錄，我們能夠系統地評估矯直過程對材料質量的影響，并進一步優化矯直工藝參數。

3.3 數據收集與處理

數據收集與處理分為6個步驟：

1）數據收集。

收集所有探傷數據，包括探傷結果的原始數據和矯直參數的數據。記錄每次探傷測試的結果，包括缺陷的數量、類型、位置、大小等信息；記錄矯直過程中的關鍵參數設置，如矯直速度、矯直力、矯直溫度等。

2）數據整理。

將收集到的數據進行整理，確保數據的準確性與完整性。統計每個矯直樣本中的缺陷數量；分類記錄缺陷的類型，如裂紋、夾雜物、氣孔等；記錄缺陷在材料上的具體位置；測量并記錄缺陷的最大尺寸。

3）統計分析。

采用統計學方法分析探傷結果，比較不同矯直參數條件下探傷結果的變化趨勢。計算矯直后無明顯缺陷的材料比例，即合格率；識別矯直參數對探傷合格率的影響規律，例如矯直速度增加是否導致合格率降低等。

4）數據對比。

對比不同矯直參數下探傷結果的差異。

矯直速度的影響：分析矯直速度從1 m/min增加到10 m/min時，探傷結果如何變化。

矯直力的影響：考察矯直力從15 kN增加到25 kN時，探傷結果的變化趨勢。

5）趨勢分析。

通過繪制圖表展示不同矯直參數下的探傷結果變化趨勢。例如，使用散點圖展示矯直速度與合格率之間的關系，或者使用柱狀圖比較不同矯直力條件下的缺陷數量。

6）相關性分析。

計算矯直參數與探傷結果之間的相關系數，以定量描述二者之間的關系強度。使用皮爾遜相關系數來衡量矯直速度、矯直力等參數與探傷結果之間的線性關系強度[5]。矯直速度與合格率的相關系數為-0.75，說明矯直速度與合格率呈顯著負相關；矯直力與缺陷數量的相關系數為0.62，說明矯直力與缺陷數量呈正相關。

通過上述的數據收集與處理步驟，可以系統地評估矯直工藝參數對材料質量的影響，并為后續工藝優化提供科學依據。例如，矯直速度從

1 m/min增加到10 m/min時，合格率從90%下降到了75%，這表明矯直速度的提高可能不利于材料質量的保持。而矯直力從15 kN增加到25 kN時，缺陷數量從平均每米2個增加到了4個，這表明矯直力的增加可能會導致更多缺陷的產生。

4 結論與建議

通過對矯直工藝對探傷合格率影響的研究發現，合理的矯直參數能夠顯著提高探傷合格率。試驗結果表明，適當調整矯直速度和矯直力等參數，可以有效減少矯直過程中產生的表面劃痕和內應力集中，從而降低探傷時的誤判率和漏檢率。

建議在實際生產中：根據材料特性和探傷要求調整矯直工藝參數，以減少矯直過程中的缺陷產生；定期對矯直設備進行維護和校準，確保矯直效果的一致性和穩定性；采用先進的探傷技術和設備，提高探傷的準確性和可靠性；對于矯直后發現的缺陷，及時分析原因，并相應地調整矯直工藝，以提高產品質量。

綜上所述，通過精細控制矯直工藝參數，不僅可以提高探傷合格率，還能提升產品的整體品質，這對于提高企業的競爭力具有重要意義。

參考文獻

[1] 孟慶黨. 中小型軸管類零件旋轉彎曲矯直工藝研究[D]. 河北：燕山大學，2023.

[2] 宋飛. 基于遺傳算法的鎂合金矯直工藝參數優化[D]. 山西：太原科技大學，2023.

[3] 埃斯科特鋼有限公司. 一種鐵路彈簧磨削銀亮材的生產工藝[P]. 中國專利：201910406854.2，2021-05-11.

[4] 常熟市創福管業有限公司. 一種防開裂的鋼管加工工藝[P]. 中國專利：202010431702.0，2020-09-25.

[5] 山東堯程新材料科技有限公司. 一種Nb管的成型工藝[P]. 中國專利：201410456695.4，2015-01-07.

作者：陳晨，男，31歲

收稿日期：2024-09-24