聞小德

（萊蕪鋼鐵股份有限公司特殊鋼廠，萊蕪 271105）

ROB 250VIS超聲波探傷儀采用脈沖反射式液浸法檢測(cè)，探傷儀采用旋轉(zhuǎn)探頭結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是檢測(cè)速度快，探頭回轉(zhuǎn)誤差小，被廣泛應(yīng)用于全自動(dòng)連續(xù)棒材檢測(cè)線。但此探傷儀校準(zhǔn)過(guò)程復(fù)雜，可調(diào)節(jié)參數(shù)多，影響校準(zhǔn)效果的因素也比較多。因此，筆者從ROB 250VIS超聲波探傷儀的實(shí)際應(yīng)用著手，研究各關(guān)鍵因素對(duì)校準(zhǔn)效果的影響，并提出了解決方法，為類(lèi)似超聲波探傷儀的校準(zhǔn)操作提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 ROB 250VIS超聲波探傷儀簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

探傷儀主要由探傷旋轉(zhuǎn)體、電氣柜、操作臺(tái)、A掃描顯示、耦合水系統(tǒng)、預(yù)濕水系統(tǒng)、噴標(biāo)裝置等組成。

A掃描顯示的作用是進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括A掃寬度、門(mén)檻（起點(diǎn)、寬度、高度）、增益值、檢測(cè)盲區(qū)、檢測(cè)速度、脈沖重復(fù)頻率、檢測(cè)參數(shù)并記錄存儲(chǔ)等。其顯示回波的特征包括了回波高度、回波位置、回波形狀等。

旋轉(zhuǎn)體部分是此套探傷設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部裝有3個(gè)探頭模塊SⅠ，SⅡ，CⅠ，每4個(gè)探頭并行排列安裝在一個(gè)探頭模塊內(nèi)，其中SⅠ，SⅡ是橫波探頭模塊，用于檢測(cè)棒材表面或近表面缺陷，CⅠ是縱波探頭模塊，用于檢測(cè)棒材心部缺陷。在檢測(cè)棒材時(shí)，探頭以500～1200r／min的速度旋轉(zhuǎn)，完成每個(gè)探頭模塊對(duì)棒材超過(guò)100%的掃查。探頭布置方式見(jiàn)圖1。

圖1 探頭分布圖

1.2 對(duì)比樣棒

ROB 250VIS超聲波探傷儀將棒材內(nèi)部缺陷定義為心部缺陷和近表面缺陷，采用當(dāng)量法評(píng)定缺陷，每個(gè)規(guī)格棒材備有一支靜態(tài)樣棒和一支動(dòng)態(tài)樣棒，在不同規(guī)格樣棒上的特定位置上加工有特定尺寸的平底孔缺陷，相同規(guī)格的棒材配備的靜態(tài)樣棒和動(dòng)態(tài)樣棒上的人工缺陷尺寸完全相同。工作時(shí)用樣棒來(lái)校準(zhǔn)探傷儀，用當(dāng)量孔來(lái)評(píng)定缺陷，樣棒人工缺陷相對(duì)位置示意圖見(jiàn)圖2，目前制備的人工缺陷尺寸見(jiàn)表1。

圖2 人工缺陷位置示意圖

表1 不同規(guī)格樣棒的人工缺陷尺寸

2 影響校準(zhǔn)的關(guān)鍵因素分析與解決

2.1 斜探頭角度的影響

ROB 250VIS利用純橫波檢測(cè)近表面缺陷，斜探頭在調(diào)節(jié)角度時(shí)，探頭處于3點(diǎn)鐘位置，其位置圖如圖3。

圖3 探頭角度調(diào)節(jié)位置圖

從圖中ΔOAO′幾何關(guān)系可知：

從圖中ΔO′BO″幾何關(guān)系可知：）

由ΔAO′B幾何關(guān)系可知：

由ΔOAO′幾何關(guān)系可知：

由式（1）～（3）可得：

由試驗(yàn)可知，當(dāng)探頭縱波聲束以17°～19°入射角入射到水與棒材的界面時(shí)，在棒材中將折射成45°左右的純橫波［1］。此時(shí)橫波聲壓最強(qiáng)，超聲波聲束能量最大，最有利于檢測(cè)棒材近表面缺陷。于是，將α＝17°，β＝45°代入式（1），（2），（4），（5），并代入棒材規(guī)格及對(duì)應(yīng)水程，計(jì)算值見(jiàn)表2。

表2 探頭角度計(jì)算數(shù)據(jù)

由表2可知，γ∈［1.8°，6.1°］，z∈［3.9°，9.3°］，因此，得出兩個(gè)結(jié)論：

（1）樣棒插入到旋轉(zhuǎn)體中時(shí)，樣棒上人工近表面缺陷在圓周方向的位置要準(zhǔn)確，根據(jù)表中計(jì)算，近表面缺陷要求放置在12點(diǎn)鐘的位置。

（2）不同規(guī)格棒材，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)的角度在3.9°～9.3°。由探頭與調(diào)節(jié)絲桿的螺紋配合可知，每旋轉(zhuǎn)絲桿一周，探頭轉(zhuǎn)過(guò)角度在5°左右。因此，根據(jù)不同規(guī)格的棒材，可算得探頭所需轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。

2.2 中心標(biāo)高的影響

探頭旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部裝有四個(gè)導(dǎo)套，以保證棒材從旋轉(zhuǎn)體中心穿過(guò)，并起到保護(hù)探頭的作用。導(dǎo)套的軸向位置固定，每個(gè)規(guī)格的棒材，其導(dǎo)套內(nèi)孔的上、下偏差U，L與棒材公稱直徑上偏差EI的關(guān)系為：U＝EI＋0.2，L＝EI＋0.1。

旋轉(zhuǎn)體插入靜態(tài)樣棒時(shí)，樣棒由導(dǎo)套支撐，樣棒中心標(biāo)高與旋轉(zhuǎn)體中心標(biāo)高（即導(dǎo)套中心）有一定的偏差，樣棒實(shí)際直徑越小，這種偏差就越大。表3是按照GB／T 702—2004《圓鋼直徑尺寸偏差》標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ組精度軋制的棒材。由表中可以看出，其產(chǎn)生的最大中心偏差均比缺陷孔的直徑大，對(duì)樣棒校準(zhǔn)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

表3 最大中心偏差計(jì)算數(shù)據(jù)

另外，平臺(tái)輥道V型面的磨損、平臺(tái)高度調(diào)節(jié)絲桿的磨損均會(huì)對(duì)中心標(biāo)高產(chǎn)生偏差，因此，在校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)樣棒時(shí)需要注意：

（1）微調(diào)超聲波平臺(tái)高度，探頭處于上下位置的水程值偏差不得超過(guò)0.5mm。

（2）微調(diào)探頭角度，包括直探頭，使缺陷回波達(dá)到最高。

2.3 樣棒質(zhì)量的影響

為使樣棒的聲學(xué)性能與生產(chǎn)棒材相同，其材質(zhì)選擇來(lái)自同樣工藝流程的軋制棒材。由于樣棒與生產(chǎn)棒的表面粗糙度、材質(zhì)相同，在使用樣棒時(shí)就無(wú)需再進(jìn)行增益值修正，但粗糙的表面帶來(lái)的噪聲信號(hào)給樣棒校準(zhǔn)制造了困難。因此，缺陷孔的加工質(zhì)量至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，缺陷孔的形狀、尺寸、取向、表面狀態(tài)、在樣棒中的埋藏深度等均會(huì)對(duì)樣棒校準(zhǔn)產(chǎn)生影響［2］。

（1）探頭聲束垂直缺陷孔表面時(shí)缺陷回波最高。ROB 250VIS超聲波探傷儀探頭是并行排列的，與旋轉(zhuǎn)體中心平行。為保證入射聲束垂直，缺陷孔的軸線必須精確地與樣棒軸線平行，偏差不得大于0.5mm。

（2）表面粗糙的缺陷孔，當(dāng)聲束垂直入射時(shí)，聲波會(huì)被雜亂反射，降低缺陷波波高，因此，加工的缺陷孔的孔壁及端面的表面粗糙度不得大于15μm。

（3）由圖3中ΔAO′B的幾何關(guān)系可知，缺陷孔在聲束傳輸線上的位置。當(dāng)靜態(tài)樣棒與動(dòng)態(tài)樣棒上缺陷孔的埋藏深度不同時(shí)，會(huì)給樣棒校準(zhǔn)帶來(lái)困難，甚至?xí)谏a(chǎn)中造成漏檢事故。

（4）ROB 250VIS超聲波探傷儀的探頭尺寸為12mm×12mm，四個(gè)探頭并行排列長(zhǎng)度為48mm，缺陷長(zhǎng)度為15mm，因此，最多只有2個(gè)相鄰的探頭能得到比較高的缺陷回波。如果樣棒內(nèi)部人工缺陷附近有自然缺陷，將使多于2個(gè)探頭得到比較高的缺陷回波，會(huì)給缺陷識(shí)別造成相當(dāng)大的困難。因此，加工樣棒的來(lái)料必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的超聲檢測(cè)，在人工缺陷左右50mm以內(nèi)確保無(wú)任何自然缺陷。

所以，制作樣棒要采用合理的機(jī)加工工藝，其原材料尺寸、彎曲度、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量等均需符合樣棒制作要求。

3 結(jié)論

樣棒校準(zhǔn)受探頭角度、樣棒質(zhì)量、中心標(biāo)高、參數(shù)設(shè)置、耦合水純凈度、環(huán)境噪聲等諸多因素影響。因此，有效識(shí)別影響樣棒校準(zhǔn)的關(guān)鍵因素，提高操作人員的操作水平，將大幅度提高校準(zhǔn)精度和速度。

［1］夏紀(jì)真.超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［M］.廣州：廣東科技出版社，2009.

［2］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì).超聲波檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.