羅經晶，王勇靈，姜毅敏

（1.上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240；2.寶鋼特鋼有限公司，上海 200940）

棒材水浸超聲波檢測是將被檢棒材置于水中，水為耦合劑，使用水浸探頭實現探頭與被檢棒材的非接觸式檢測。探頭發(fā)射的超聲縱波，經過水進入到被檢棒材內部，通過分析反射波，對被檢棒材內部進行檢測［1－2］。

在對棒材的檢測過程中，通常使用超聲波檢測方法控制產品內部品質；對表面品質控制采用漏磁、渦流等檢測方法，也可以使用超聲斜入射檢測方法。對于有加工余量要求的棒材，只要超聲波檢測的盲區(qū)小于加工余量要求時，也符合質量控制要求。當使用水浸直射波方法檢測棒材時，越來越多的使用底波監(jiān)控技術作為輔助評估手段。在對棒材的驗收等級中，有些標準也加入了底波驗收要求。例如：AMS－STD－2154A（2012）標準在直射波檢測中規(guī)定：在所有的質量等級中，當被檢材料底波損失超過50%，同時伴有不小于2倍背景噪聲的噪聲信號時，都應拒收［3］。

由于被檢棒材內部組織的不均勻或不連續(xù)性的不同方向等，會造成對棒材進行檢測時，即使棒材內部具有不連續(xù)性，也不一定會產生反射信號。但是，此時往往都會伴隨底波的損失，這就是進行底波監(jiān)控的最大意義。同時，掌握被檢材料底波情況，也是進行衰減補償的重要前提［4］。

1 水浸法超聲波的檢測優(yōu)勢和影響因素

棒材超聲波檢測常用方法有：接觸法和水浸法。對被檢棒材進行底波監(jiān)控采用接觸法檢測時，由于被檢棒材表面曲率和檢測人員手持探頭掃查時力量不均勻，很容易造成底波的變化，從而對檢測結果產生影響。當使用自動化設備采用水浸法檢測時，可以避免以上的問題。

對棒材進行水浸法超聲波檢測時，影響底波監(jiān)控的因素有很多，例如：設備穩(wěn)定性、檢測參數設置、被檢材料表面狀況和探頭的選擇等。筆者主要對1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材進行底波監(jiān)控時，選擇不同的探頭對底波監(jiān)控的結果是否產生影響，探討探頭的頻率、聚焦類型、水程距離三種因素變化對底波監(jiān)控的影響。

2 試驗方案

水浸超聲波檢測試驗選擇的被檢不銹鋼棒材材質為1Cr21Ni5Ti，規(guī)格為φ110 mm×300 mm。棒材表面經車削加工，符合1.0mm 平底孔（FBH）靈敏度檢測要求；選取被檢棒材上200 mm 長度作為掃查范圍，掃查方式如圖1所示。

圖1 水浸超聲檢測掃查方式示意

試驗方案分下列三步：

（1）為了確認被檢棒材表面是否對底波監(jiān)控產生影響，試驗應先進行一次界面波監(jiān)控。

（2）采用1.0mm 平底孔靈敏度檢測被檢棒材內部，了解材料內部組織情況。為便于比較，試驗前在被檢材料上采用機加工方式加工1.2 mm 和2.0mm 平底孔各一個，孔深均為10 mm，如圖1所示。

（3）選取水浸探頭，分別以40mm 間距設置若干水程距離，對棒材進行掃查，設置采集閘門監(jiān)控底波水平。試驗選取的水浸探頭參數如表1所示。

表1 選取水浸探頭參數

3 試驗過程

3.1 界面波監(jiān)控

在進行界面波監(jiān)控時，應首先調整探頭垂直于被檢棒材，使得探頭的中心線與被檢棒材的中心線重合。然后將界面波初始波高設為40%滿屏高度（FSH），數據采集閘門設置在界面波上。最終得到C掃描圖如圖2所示。再運用LS－200B系統(tǒng)集成的圖像評估軟件PROCESS，對圖2 分析后得出圖3所示的結果。

圖2 1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材界面波C掃描圖

圖3 界面波C掃描圖數據統(tǒng)計（不包括FBH）

由圖2和3可以得出：①被檢棒材的表面狀況是比較均勻的，其中有兩個部分波高比較低（如圖2中1.2mm 和2.0mm 平底孔處所示），是由于聲束發(fā)射到1.2mm 和2.0mm平底孔上，使得界面波降低。②圖3的數據統(tǒng)計結果看出：表面反射波的高度都集中在很小的區(qū)間范圍內，表明被檢棒材的表面狀況比較理想，對反射波高的影響很小。

3.2 1.0mm 平底孔當量靈敏度掃查

對被檢棒材進行1 mm 平底孔當量靈敏度檢測。最終得到C掃描圖如圖4所示。

使用LS－500B水浸超聲檢測系統(tǒng)，1＃探頭為點聚焦，5MHz，焦距152／mm，平底孔埋深為1／4D、1／2D和3／4D處，（D材為棒直徑），檢測靈敏度 為1.0mm 平底孔、80%滿屏高度、TCG 曲線，軸向步徑為1mm，圓周步徑為1mm，掃查距離為200mm，棒材旋轉速度為30轉／分，脈沖重復頻率為500Hz。

由圖4所示的C 掃描圖可以得出：①1.2mm和2.0mm 人工平底孔可以清晰顯示。②在被檢棒材360°圓周方向，材料組織的信號反射不均勻。

3.3 試驗數據

選擇1＃探頭進行底波監(jiān)控。一次底波設置為40%滿屏高度，水程距離（WP）分別取152，112，72mm，其它超聲參數和1.0mm 平底孔當量靈敏度檢測設置一致。得出的C掃描圖如圖5所示。

圖4 1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材1mm 平底孔靈敏度C掃描圖

對上述C 掃描圖像，運用圖像分析軟件PROCESS進行數據分析。同理，對另外幾個探頭采用同樣的超聲檢測參數設置，得到的數據匯總后如表2所示。根據表2中的數據，得出如圖6所示的各種探頭底波監(jiān)控結果關系圖。

表2 不同探頭的C掃描數據統(tǒng)計

圖5 1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材不同水程距離底波監(jiān)控C掃描圖

圖6 各種探頭底波監(jiān)控曲線關系

從表2和圖6中可以看出：①同一個探頭在設置不同水程距離時，底波監(jiān)控的結果有差異；②不同類型的探頭底波監(jiān)控的結果也有差異。

為了更好的對數據結果進行分析，將表2的數據換算成dB值，得到的數據見表3。根據表3中的dB值數據，得出圖7所示的各探頭底波監(jiān)控結果柱狀圖。

表3 不同探頭C掃描數據換算成幅值 dB

圖7 各種探頭底波監(jiān)控結果柱狀圖

4 試驗分析

①從所有試驗結果看：采用2.25 MHz點聚焦探頭，將焦點落在被檢棒材上表面時（見表3試驗編號8），底波監(jiān)控效果最好。不僅所有的底波波幅都在±6dB（20%～80%滿屏高度）范圍內，而且各個點底波波高的標準偏差也最小，表現在C 掃描上的結果為圖像色彩比較均勻。

②當使用同一個探頭進行底波監(jiān)控時，比較每個探頭在水程設置不同時的試驗結果看：選擇不同水程對底波監(jiān)控結果影響明顯。當把水程距離設為探頭焦距長度時，底波波幅變化最小。

③從試驗編號14～20可以看出，底波最大值和最小值的差值最小為15.7dB，因而采用平探頭不適用于1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材的底波監(jiān)控。

④從表3試驗1和11、試驗4和13的結果比較看，同頻率的點聚焦和線聚焦探頭對1Cr21Ni5Ti不銹鋼棒材底波監(jiān)控的結果差異不大。

5 結語

（1）試驗選用棒材1Cr21Ni5Ti是奧氏體不銹鋼材料，晶粒比較粗大（經測量晶粒度為6級）。對晶粒比較大的棒材進行底波監(jiān)控時，應盡量采用頻率較低的聚焦探頭，并且將水距設置為探頭焦距時，底波幅值變化較小。

（2）棒材檢測時，設置靈敏度有時需要衰減補償。衰減補償的依據是比較對比試樣和被檢棒材的底波波幅水平。從試驗結果看，棒材底波衰減情況是不均勻的。為了保證實際檢測中對不連續(xù)性不會產生漏檢，從保守的角度出發(fā)，應該選擇被檢棒材上底波最低時，與對比試樣上底波進行比較，進行衰減補償。

（3）在選取被檢棒材制作對比試樣前，不僅應對選取的棒材進行高一等級的靈敏度檢測，還應進行一次底波監(jiān)控的檢測，獲取對比試樣內部組織的衰減情況，盡量將人工傷加工在樣棒底波衰減最大的地方。

［1］ASTM E 1001－11Standard Practice for Detection and Evaluation of Discontinuities by the Immersed Pulse－Echo Ultrasonic Method Using Longitudinal Waves［S］.

［2］中國特種設備檢驗協會編寫.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

［3］AMS－STD－2154A—（2012）Inspection，Ultrasonic，Wrought Metals，Process For［S］.

［4］Mike K，Thadd P.Inspection Development for Titanium Billet－Engine Titanium Consortium PhaseⅡ［R］.［s.1］［s.n］.2005.