費林雁，焦志敏

（1.山信軟件股份有限公司日照自動化分公司，山東 濟南 250101；2.山信軟件股份有限公司日照自動化分公司，山東 濟南 250101）

山東鋼鐵日照精品基地3500mm爐卷生產線的鋼板探傷采用美國通用電氣（GE）公司的超聲波鋼板探傷設備系統。根據不同的生產標準和客戶需求，該系統可以對碳素結構、低合金結構、管線、耐候、建筑、橋梁、工程機械、船舶及海洋工程、鍋爐和壓力容器用鋼等特殊鋼種進行定制化的超聲波探傷，能一次性100%通過未剪切的母板和剪切板的檢測。

1 系統概況

在2號冷床出口與母板檢查臺入口之間設置鋼板質量人工檢查站和超聲波探傷設備，主要用于冷床冷卻后鋼板的內部質量檢查。在母板檢查臺上對檢出的內部缺陷進行處理，對于不能處理的缺陷做出標識，并傳給二級系統，探傷結果可作為剪切線進行優(yōu)化剪切的依據。根據生產計劃，鋼板被送入1號或2號剪切線進行剪切。

超聲波探傷設備包括高度檢測裝置，溫度探測儀，預濕裝置，鋼板輪廓檢測裝置，頭尾探傷和邊部探傷裝置，板體探傷裝置，刮水裝置，干燥裝置等。

圖1 測量輪示意圖

2 系統分析

2.1 檢測原理

超聲波是一種頻率高于20kHz的機械波，在鋼板的超聲波探傷中常用的頻率為5MHz。這種機械波進入鋼板后，能以一定的速度和方向傳播，遇到不同聲學特性的異質界面就會產生反射，以此檢測鋼板不同的性質和結構[1]。

大多數金屬材料是相互間由彈性力連系著的質點所組成的彈性介質。彈性介質在發(fā)生超出彈性極限的形變時，它的單個質點會表現出彈性振蕩。機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程，機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎。當介質中任何一個質點從平衡位置被取代時，就會產生內部恢復平衡的力，相鄰質點就會在平衡位置附近做往復運動，即機械振動，形成機械波[2]。

超聲波檢測過程主要涉及到縱波和橫波兩種波形?？v波在介質中傳播時，介質質點的振動方向和波的傳播方向互相平行，能在固體、液體和氣體中傳播，適合檢測鋼板內部的分層、夾渣和裂紋等缺陷。而橫波在介質中傳播時，介質質點的振動方向和波的傳播方向相互垂直，只能在固體中傳播，用來檢測鋼板表面和內部的縱向線狀缺陷。

超聲波的產生和接收是通過探頭的組成物質—壓電晶體片實現。對壓電晶體施加壓力，會在晶體兩表面產生具有不同極性的電荷，產生電位差，稱之為正壓電效應，將機械能轉化為電能；反之，對其施加電壓，則產生機械應力，即由于壓電晶體片產生伸縮變形形成的機械振動，將電能轉變成機械能。

超聲波進入鋼板和從鋼板中反射，不僅需要所有探頭位于貼近被測鋼板的同一水平面上，還需要借助水作為耦合劑。當探頭與鋼板表面有良好耦合時，脈沖發(fā)生器產生高頻超聲能量，機械振動就以超聲波形式進入被測鋼板并在其中傳播。當遇到缺陷或界面時，部分反射的能量將返回探頭，正壓電效應的結果會使探頭形成高頻電脈沖，以回波電信號的形式經接收放大器顯示在可視化界面上。通過觀察脈沖波形的位置和幅度以及交界面的聲阻抗差異，可以獲得缺陷的位置、大小、方向等信息。超聲波探傷結果基本顯示方式有A、B、C型三種。A掃描圖顯示橫坐標代表超聲波傳遞播時間或距離，縱坐標代表反射回波的聲壓幅度或聲強。通過B掃描圖顯示可以檢測鋼板的內部缺陷橫斷面形狀，橫軸代表超聲波傳播的距離或探頭在鋼板上的水平位移，縱軸則是探頭掃查深度方向的斷面圖。C掃描圖主要顯示鋼板缺陷的水平投影位置，即鋼板內部缺陷的平面圖[3]。

2.2 檢測過程

將需要探傷的鋼板通過輥道輸送到探傷設備，通過冷床和輥道的跟蹤系統將鋼板定位在基準線上，并保證相應的定位精度。進行探傷前，所有必要的鋼板參數輸入到探傷系統里，數據可由操作工手動輸入或通過二級通訊自動傳輸。之后探傷系統的PLC通過對輥道的PLC進行控制，使鋼板按照設定的速度輸送到指定位置。

對于檢測未剪切母板的定位，可根據安裝在板體檢測機構前面的輪廓檢測單元檢測鋼板前端是否到達檢測工位，避開鋼板前端的凹進部分，自動開始檢測。對于檢測剪切板，頭部自動定位到頭尾檢測裝置處，探頭自動降下進行檢測，由導向輥沿著鋼板的前部進行導向，當檢測到板邊的位置時探頭自動升起，頭尾檢測裝置返回起始位置準備對尾部進行檢測。

當鋼板檢測傳感器探測到鋼板前端后，鋼板減速前進，由輪廓檢測單元對鋼板的頭尾形狀進行檢測，并通過計算自動控制探頭開始降下檢測的時間。鋼板輸送至邊部檢測機構并精確定位后，位于檢測邊部的探頭降下，鋼板兩側的邊探機構在導向輥的作用下延著左右兩邊進行檢測，同時鋼板向前輸送至1號板體檢測小車。鋼板輸送到1號板體檢測小車的初始位置后停下，位于鋼板上方的探頭降下在鋼板表面后開始檢測，鋼板繼續(xù)向前輸送至2號板體檢測小車。鋼板輸送到2號板體檢測小車的初始位置后停下，探頭降下在鋼板表面后開始檢測，當耦合測試正常后，鋼板加速以全速進行檢測。當鋼板的尾部經過2號板體檢測小車時檢測完成，所有探頭自動升起[4]。

2.3 影響因素

2.3.1 探傷設備

（1）探頭參數。探頭是超聲波探傷設備的核心，其種類和相關參數的合理選擇是高效檢測的關鍵因素。直探頭探測深度較大，適用范圍較廣，定位效果好。而斜探頭在長時間使用后易被磨損，會改變檢測過程中的橫波在被測鋼板中傳播的折射角，從而降低探頭的工作性能。

本探傷設備采用雙晶技術的超聲波直探頭進行近表面缺陷的探傷，雙晶片聲場重疊區(qū)域的靈敏度較高。探頭采用一發(fā)四收式，即一個探頭腔內裝有一個發(fā)射器和四個接收器，每個接收器有12.5mm的掃查寬度，檢測速度1.0m/s，可檢測到3mm平底孔，具有校準便捷、易于維護等特性。探頭為寬帶探頭，可確保高軸向分辨率，距離幅值補償功能可保證鋼板的有效探傷[5]。

（2）探頭位置。探頭水平位置的精度直接關系到缺陷位置的計算。在板體檢測小車機架的同一水平線上安裝探頭定位裝置。每個探頭定位裝置負責快速和精確地控制一個探頭支架，使探頭固定在鋼板表面沿正確導向運動，并且能在鋼板通過時及時降下探頭。

2.3.2 被測鋼板

當鋼板發(fā)生瓢曲變形或表面過于粗糙時，進入鋼板的聲束會分叉，探傷過程中耦合效果差。若鋼板表面太光滑，耦合效果不會顯著增加，但探頭移動困難。鋼板的厚度和質量對內應力有關，會引起聲速的變化，聲波的傳遞路徑、傳遞時間存在差異，反射回波低。不均勻的鋼板極易磨損探頭，影響探頭的折射角，從而使缺陷定位出現誤差[6]。本探傷設備的探頭通過可靠的萬向機構的設計，允許在前后左右四個方向進行鋼板平面度誤差的補償，保證超聲波信號以正確的角度入射，實現探頭和鋼板的良好耦合。

2.3.3 耦合劑

耦合劑選擇不當則探測面上聲強透過率低，就不能全面探測鋼板內部缺陷問題。為了實現聲能從探頭向被測鋼板的傳遞，需要選擇無害，無腐蝕，易清洗，附著力強，有足夠浸潤性和流動性的液體作為耦合劑在鋼板表面和探頭表面涂敷，以消除空氣的干擾[7]。本系統選擇水作為耦合劑，水質根據工業(yè)用水要求，其顆粒度和pH值都需要在規(guī)定的范圍內。

2.3.4 環(huán)境溫度

溫度變化會引起鋼板內部超聲波速度的變化和折射角度的變化等，還會影響被測鋼板的材質衰減、界面損失、反射損失，從而使檢測缺陷定位定量的誤差變大。溫度升高時，探頭對隨溫度變化的超聲波縱波衰減隨溫度變化出現不穩(wěn)定現象，聲速逐漸降低，探傷靈敏度降低[8]。在現場實際操作過程中，需要控制環(huán)境溫度和鋼板冷卻不均等情況以減少對探傷的影響。

3 系統應用

隨著超聲波探傷技術和數字信號處理等技術的發(fā)展，超聲波探傷數據采集評估系統應運而生，具有精度高、穩(wěn)定可靠、高實用性和靈活性等優(yōu)點，通過網絡系統以友好的圖形界面與用戶交互，極大改善了操作性能。下面簡要介紹了超聲波探傷設備的網絡系統和數據采集評估系統的應用。

3.1 網絡系統應用

高精密的裝置部件是探傷設備正常運行的前提，但探傷設備系統的網絡設計是整個系統中一個很重要的環(huán)節(jié)。網絡系統設計分三個層級，分別為：L1—探頭以及現場檢測元件控制系統；L2—區(qū)域PLC控制系統；L3—系統的工控機、服務器。

超聲波探傷設備現場控制系統采用西門子PLC S7-1500系列，可視化的控制操作流程由WINCC的TIA Portal標準軟件來實現。兩臺HMI一臺放置在操作室內的操作臺上用于超聲波參數設置，一臺放置在現場板體探傷設備附近用于機械設備參數設置。

3.2 數據采集評估系統應用

數據采集評估系統具有數據測量顯示、記錄儲存和處理分析等功能，較人工方法能更加全面、客觀計算轉換后的超聲回波電信號。探傷設備探頭的發(fā)射/接收器通過接口板連接在128通道的發(fā)射/接收板和數字板上。128通道發(fā)射/接收板和數字板插在主機架上。主機架和操作室的計算機系統通過以太網連接。探傷設備的工業(yè)控制計算機系統用于數據處理和顯示。每個超聲波通道把原始數據傳輸到計算機系統，系統根據這些數據生成C掃描圖，并在鋼板檢測過程中實時顯示在顯示器上，從而實現可視化檢查。

當探頭接觸到鋼板時就開始數據采集，當鋼板離開2號板體檢測小車后，所有的數據經過預處理后傳送給自動評估單元進行評估，評估時間與選用的標準和缺陷數量有關。鋼板各部分的評估標準已經內嵌，即系統根據指定標準對參數進行評估，比如，相鄰缺陷間距，一定區(qū)域缺陷面積及數量等等?？v向邊探及橫向頭尾探評估面積可以根據使用的標準來定義，亦可根據后續(xù)實際剪切要求進行手動定義。

4 總結

中厚板內部質量無損檢測主要的方法之一就是超聲波探傷，它是保證產品高品質的重要保障。自動化超聲波探傷設備系統在中厚板產線的應用和發(fā)展，減少了由于人工因素產生的誤探和漏探以及剪切線的待料時間，極大提高了探傷效率、產品質量和剪切線的產能發(fā)揮，增強了企業(yè)在國內外市場的競爭力。