對(duì)不銹鋼棒原材料超聲波無(wú)損檢測(cè)的探討與應(yīng)用

張志杰

摘 要：在石油化工科研單位中，因加工壓力溶彈外殼和微型反應(yīng)器接頭等受壓元件的需要，需經(jīng)常在不銹鋼材市場(chǎng)購(gòu)進(jìn)小批量或少量Ф25mm-Ф95mm不同規(guī)格的熱軋奧氏體不銹鋼棒。結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文介紹一種如何利用超聲波脈沖反射檢測(cè)法輕便、靈活，能夠迅速發(fā)現(xiàn)缺陷、定位準(zhǔn)確，對(duì)人體無(wú)傷害，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探傷的特點(diǎn)，快速判斷不銹鋼棒原材料的質(zhì)量，為原材料的選購(gòu)提供技術(shù)支持的方法。

關(guān)鍵詞：不銹鋼棒原材料；脈沖反射法超聲波檢測(cè)；斜探頭

中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）08-0046-02

1 明說(shuō)

石油化工科研單位機(jī)械加工部門，在為各研究室生產(chǎn)壓力溶彈外殼和微型反應(yīng)器接頭等受壓元件時(shí)，需對(duì)半成品進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)。過(guò)去的探傷方法是：將供應(yīng)商提供的不銹鋼棒料切成合適的小段，外圓粗車，兩端平頭；外觀檢查合格后，用直探頭從圓柱的兩個(gè)端平面接觸法進(jìn)行探傷，圓柱曲面用直探頭周向和縱向水浸法進(jìn)行探傷。這樣做，解決了水浸法探傷水槽長(zhǎng)度對(duì)被檢材料長(zhǎng)度的限制問(wèn)題。但是，這種檢測(cè)方法，對(duì)于鋼棒原材料來(lái)說(shuō)，成了有損探傷。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷后，難以退換，浪費(fèi)了材料，增大了加工成本，給本單位造成損失。另一方面，經(jīng)過(guò)這種方法檢測(cè)的結(jié)果是：從圓柱兩個(gè)端面用直探頭接觸法進(jìn)行探傷，很少發(fā)現(xiàn)缺陷；半成品經(jīng)過(guò)“全面”探傷的，其成品在壓力試驗(yàn)和使用過(guò)程中還是常出現(xiàn)個(gè)別的縱向開(kāi)裂現(xiàn)象。

出現(xiàn)上述情況的原因，可以從熱軋不銹鋼棒的生產(chǎn)工序和超聲波探傷的原理得到解釋：

首先，不銹鋼坯料經(jīng)過(guò)軋機(jī)熱軋后，細(xì)化了鋼材，并消除了顯微組織的缺陷，從而使鋼材組織密實(shí)；部分澆鑄時(shí)形成的氣泡、裂紋和疏松等缺陷在高溫和壓力的作用下被焊和；但是，坯料中的非金屬夾雜和折疊等缺陷，在軋制過(guò)程中會(huì)以這些缺陷為起點(diǎn)，沿軋制方向出現(xiàn)裂紋、分層等現(xiàn)象，這些缺陷既有內(nèi)部的，也有表面的，它們的共同特點(diǎn)是沿鋼棒軸線縱向分布。用直探頭接觸法從圓柱的兩個(gè)端平面進(jìn)行探傷，超聲波束與缺陷取向基本平行，因此難以發(fā)現(xiàn)缺陷。

其次，利用直探頭沿半成品圓柱曲面進(jìn)行周向和縱向探傷，存在一定的盲區(qū)，無(wú)法檢出表面和埋藏在材料內(nèi)部的近表面缺陷，形成一個(gè)漏檢區(qū)。因此，導(dǎo)致了不合格產(chǎn)品的存在。

用斜探頭接觸法對(duì)不銹鋼棒圓柱曲面進(jìn)行探傷，可檢測(cè)到直探頭垂直法無(wú)法檢測(cè)的表層缺陷。該方法與直探頭垂直探傷法并用，可以對(duì)圓柱半成品進(jìn)行全面的檢測(cè)[1]。

多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，市場(chǎng)供應(yīng)商提供的奧氏體不銹鋼棒材，雖然質(zhì)量不好保證，但也有一定規(guī)律可循。一般說(shuō)來(lái)，外觀檢查表面沿軋制方向有明顯的呈直線狀連續(xù)或斷續(xù)的裂紋，或近似裂紋的折疊等缺陷的棒料，其近表面也常存在裂紋等缺陷；而經(jīng)過(guò)斜探頭檢查，表面和近表面質(zhì)量較好的棒材，其內(nèi)部質(zhì)量也較好。

基于上述分析，我們只要采用斜探頭接觸法對(duì)不銹鋼棒原材料沿圓曲面進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向的周向探傷，就可以發(fā)現(xiàn)原材料表面和近表面埋藏的缺陷。利用超聲波無(wú)損檢測(cè)輕便、靈活，能夠快速發(fā)現(xiàn)缺陷、定位準(zhǔn)確，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探傷的特點(diǎn)。在簡(jiǎn)易的工裝上，可對(duì)整根或整段原材料進(jìn)行探傷，來(lái)大致判斷其整體質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)退換料，做到有選擇的購(gòu)料，可極大的降低生產(chǎn)成本，減少材料的浪費(fèi)。

2 應(yīng)用

2.1 設(shè)備的選用

儀器：CTS—26型超聲波探傷儀；探頭：斜探頭，根據(jù)不銹鋼棒材直徑選擇合適的探頭規(guī)格尺寸；偶合劑：機(jī)油。

2.2 斜探頭頻率的選擇

當(dāng)超聲波在鋼棒中傳播時(shí)，由于奧氏體不銹鋼晶粒的粗大、形狀的不均勻和各向異性，將引起折射和反射頻率的不同，同時(shí)還會(huì)發(fā)生介質(zhì)衰減[2]。而且，超聲波頻率越高，散射衰減越強(qiáng)烈。因此，選擇斜探頭頻率時(shí)，應(yīng)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，適當(dāng)選擇較低的探傷頻率為宜。

2.3 斜探頭K值的選擇

斜探頭K值的選擇可采取計(jì)算法。當(dāng)用橫波斜探頭外圓周向探測(cè)曲面工件時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)探頭的K值，都有一個(gè)最大的檢測(cè)深度Tmax，當(dāng)缺陷深度>Tmax時(shí)，波束軸線將掃查不到。因此，不同K值探頭最大探測(cè)深度Tmax與工件外直徑D之比應(yīng)滿足以下關(guān)系[3]：

按此關(guān)系式，可以計(jì)算出不同K值的最大探測(cè)深度Tmax；反之，也可以根據(jù)要求探測(cè)的最大深度Tmax，計(jì)算出相應(yīng)的K值。

2.4 斜探頭的磨制

在實(shí)際探傷過(guò)程中，由于斜探頭與被檢工件的接觸面是平面，而不銹鋼棒材圓柱面曲率較大，接觸面積太小，無(wú)法進(jìn)行正常檢測(cè)，因此，應(yīng)對(duì)斜探頭的接觸面按對(duì)棒材圓柱曲面周向探傷的方式，加以修磨，使探頭接觸面與被檢測(cè)面相吻合，以保證超聲波入射角度，增加耦合效果。為了準(zhǔn)確定位和計(jì)算，應(yīng)使修磨后的探頭與原探頭的K值保持一致，修磨時(shí)一般使入射點(diǎn)位于探頭弧形槽的頂部。具體方法是：斜探頭在標(biāo)準(zhǔn)試快上測(cè)出入射點(diǎn)A和K值，再通過(guò)K值計(jì)算出探頭斜楔內(nèi)的入射角θ，在探頭側(cè)面標(biāo)出斜楔內(nèi)聲波到入射點(diǎn)的路徑，修磨時(shí)，使弧形槽的頂點(diǎn)B與其相交。如圖1所示[4]。

2.5 簡(jiǎn)易對(duì)比試塊的制作

在實(shí)際工作中，為了調(diào)整儀器和探傷的方便，可以加工一種簡(jiǎn)易的對(duì)比試塊。具體方法是：在同規(guī)格沒(méi)有缺陷的不銹鋼棒原材料上，截取一段長(zhǎng)短適宜的鋼棒，兩端平頭?？梢詤⒄諢o(wú)縫鋼管超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)一定K值探頭的最大檢測(cè)深度Tmax為鋼管壁厚，按標(biāo)準(zhǔn)要求的深度，在圓柱曲面外表面沿軸向加工出一道V形槽；再根據(jù)所選探頭的K值和驗(yàn)收的要求，在試塊端平面斜探頭可探測(cè)深度的位置上，沿軸向打上相應(yīng)直徑的孔。比如要求達(dá)到φ2的探傷靈敏度，就以C點(diǎn)為圓心鉆上φ2的孔，如圖2所示。

圖（2）中：D點(diǎn)為人工孔或缺陷在鋼棒圓周方向上的相應(yīng)位置；線段CD表示人工孔或缺陷的皮下深度。

2.6 儀器的調(diào)整

探頭在圖（3）中所示的位置（1），人工表面缺陷的上方，找到人工表面缺陷的最大反射波，確定探傷儀始波位置；探頭在位置（2），找到人工表面缺陷的最大反射波，通過(guò)測(cè)量實(shí)際聲程，按比例調(diào)整儀器時(shí)基線；探頭在位置（3）通過(guò)探測(cè)人工孔，找到人工孔的最大反射波，將其調(diào)整到儀器的一定幅度，以確定探傷靈敏度。如圖3所示。

2.7 檢測(cè)

儀器調(diào)好后，就可以在簡(jiǎn)易的工裝上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鋼棒，對(duì)整根或整段不銹鋼棒原材料進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向上100%的超聲波周向檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)缺陷后，可以根據(jù)同一缺陷反射波兩個(gè)方向相對(duì)稱的原理，確定其在鋼棒曲面上的相應(yīng)位置，并用手指沾機(jī)油，點(diǎn)擊此位置，反射波峰上下跳動(dòng)的為表面缺陷，反射波隨探頭移動(dòng)僅左右游動(dòng)的，為皮下缺陷?？捎枚它c(diǎn)6dB法測(cè)量該缺陷的指示長(zhǎng)度。

3 結(jié)論

針對(duì)某些機(jī)械加工單位，生產(chǎn)批量小、規(guī)格多的工作特點(diǎn)，對(duì)熱軋不銹鋼棒原材料進(jìn)行外觀檢查合格后，先用斜探頭對(duì)其進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向上的周向探傷，檢查鋼棒外表面和近表面的質(zhì)量，根據(jù)檢查結(jié)果，大致判斷整根或整段原材料的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷，及時(shí)退換原料。經(jīng)過(guò)斜探頭檢測(cè)的鋼棒，切段，外圓粗車，兩端平頭后，再用其它的超聲波檢測(cè)方法，對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行直探頭探傷。這樣，不僅保證對(duì)材料進(jìn)行了全面的超聲波無(wú)損檢測(cè)，極大地提高了產(chǎn)品合格率，還降低了生產(chǎn)成本，減少了材料的浪費(fèi)。在實(shí)際工作中，這是一種行之有效的檢測(cè)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]高學(xué)東.棒材的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，軋鋼.1989年03期.

[2]孫延奎.小波分析及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3]于建華，王燦，李慶輝.超聲波曲面周向橫波檢測(cè)缺陷定位曲線圖及分析，無(wú)損檢測(cè)，2011年06期.

[4]李珍，王殿峰.超聲波斜探頭在棒材手工探傷中的應(yīng)用，河北冶金，2013年第1期.