鋼中宏觀夾雜物的水浸超聲檢測

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(東北特鋼集團大連特殊鋼有限責任公司,大連 116105)

鋼中的非金屬夾雜物破壞了金屬基體的連續(xù)性，對鋼的力學性能、物理性能、化學性能及工藝性能都有較大影響。鋼中存在宏觀夾雜物時，容易引起零件應力的局部集中，從而產生疲勞裂紋。按照夾雜物的大小，非金屬夾雜物可劃分為兩種，即微觀夾雜物和宏觀夾雜物。微觀夾雜物指的是長度小于1.4 mm的夾雜物。超過這個長度則稱為宏觀夾雜物[1]。宏觀夾雜物的檢驗方法主要通過發(fā)藍斷口和塔形車削發(fā)紋檢驗，由于這兩種檢驗方法僅能觀察到鋼中的一個面或幾個面，檢驗結果具有隨機性和不確定性，無法客觀評價鋼中夾雜物的真實情況。近年來，隨著超聲技術的發(fā)展，超聲檢測的應用領域逐漸擴大，由于超聲波可實現(xiàn)一定體積材料的檢測，故超聲檢測方法能客觀地反映出夾雜物在材料中的數(shù)量和分布情況。目前，已有很多公司將水浸高頻超聲系統(tǒng)用于鋼中宏觀夾雜物的檢驗，并形成了相應的檢驗規(guī)范SEP 1927-2010UltrasonicImmersionTestingMethodforDeterminingtheMacroscopicCleanlinessRateofRolledorForgedSteelBars和ASTM E 588-2003StandardPracticeforDetectionofLargeInclusionsinBearingQualitySteelbytheUltrasonicMethod。

1 水浸超聲系統(tǒng)的組成和參數(shù)

LS-500BR型高頻超聲水浸探傷系統(tǒng)由OLYMPUS V312 10 MHz/6.35 mm的直探頭、IRT Scanner軟件、SEP1927評估軟件、x/y/z線性掃查機械臂、A/B操控器、棒材旋轉器(WB)、水槽、水循環(huán)過濾器、加熱器等組成。

系統(tǒng)可以檢測表面粗糙度不大于2 μm,直徑為φ35～φ160 mm,最長1 000 mm的圓鋼及最大長度600 mm,最大寬度600 mm,最大厚度150 mm的方鋼。

檢測系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 檢測系統(tǒng)的參數(shù)

2 檢測步驟

(1) 檢測開始前，選用對比試塊校準TCG(深度補償)曲線(至少4點)。(2) 實施檢驗。(3) 檢測結束后，再次用對比試塊驗證已校準的TCG曲線，用以驗證檢驗期間系統(tǒng)靈敏度的漂移是否在規(guī)定的范圍內。

3 被檢材料直徑與對比試塊直徑不同時的曲面補償

3.1 曲面補償

在檢測和缺陷定量時，對檢測面是曲面的工件，應對由工件和對比試塊曲率半徑不同引起的耦合損失進行補償[2]。

圖1 直徑φ42 mm被檢材料界面波波高80%時的增益

3.1.1 標準SEP 1927-2010中對曲面補償?shù)囊?guī)定

圖2 直徑φ52 mm對比試塊界面波波高80%時的增益

對圓鋼進行檢驗，對比試塊直徑與被檢材料直徑相同或相近，相近時直徑差不超過±20%d(d為圓鋼直徑)。對直徑100 mm以上的圓鋼，設置靈敏度時也可以用矩形對比試塊。筆者在實際檢驗過程中發(fā)現(xiàn)，在檢驗圓鋼時，如果被檢材料直徑與對比試塊直徑不同，而探頭與材料上表面距離相同時，則相同界面的反射波波高和系統(tǒng)的靈敏度(增益)存在差異。圖1和圖2分別是探頭位于直徑φ42 mm被檢材料和直徑φ52 mm對比試塊正上方40 mm時，界面波波高達到80%時所對應的增益，即11 dB和9.2 dB，直徑不同，增益相差了1.8 dB。由于材料直徑不同，超聲波入射到材料中的能量不一致，檢驗結果會產生偏差，因此在實際檢驗過程中應進行曲面補償，以消除因材料直徑不同引起的聲波能量的入射差異。

3.1.2 曲面補償測試方法

首先在用對比試塊制作TCG(深度補償)曲線前，將探頭位于對比試塊的正上方40 mm處時，對比試塊界面反射波幅值的高度達到80%時的增益記為Δ1，檢驗相近直徑的圓材時，同樣將探頭也置于被檢材料正上方40 mm處，將被檢材料的界面反射波幅值高度也調至熒光屏滿刻度的80%時的增益記為Δ2，被檢材料與對比試塊的曲面補償值為(Δ2-Δ1)dB。在基準靈敏度的基礎上增加的增益為VK，再加上曲面補償值即為檢驗靈敏度。

通過曲面補償，可以消除因對比試塊與被檢材料直徑及表面狀態(tài)不同引起進入鋼材聲波能量的偏差，使檢驗結果的當量更加準確。

3.2 檢測靈敏度校驗

3.2.1 標準SEP 1927-2010檢驗方法要求

標準SEP 1927-2010中規(guī)定儀器具有深度補償功能，校準儀器時需要用對比試塊，對比試塊聲學性能與被檢材料相似，對比試塊上有直徑為φ1.0 mm平底孔，在所檢區(qū)域內，深度方向上至少有4個均勻分布的反射體，應按周期采用對比反射體校驗設備靈敏度的再現(xiàn)性，使參考反射體回波的幅值高度相同時，所對應的靈敏度偏差在±2 dB內，否則應對自上次靈敏度校驗后記錄的數(shù)據重新評估或對所有試樣重新檢驗。

3.2.2 存在的問題

按照標準SEP 1927-2010中的規(guī)定，必須在檢驗開始前用對比試塊中的至少4個平底孔校準TCG曲線，驗證φ1.0 mm平底孔回波幅值所對應的靈敏度是否在規(guī)定的偏差范圍內。至少每天(批次)檢驗結束時，再次使用對比試塊中的4個平底孔驗證已校準的TCG曲線，確認參考反射體回波幅值所對應的靈敏度偏差是否在±2 dB以內，以保證檢驗結果的準確性。采用對比試塊上的多個反射體反復校準系統(tǒng)靈敏度的方法，耗費的時間較長，影響了水浸檢測設備的檢驗效率。

3.2.3 解決方案

可以周期性地測定探頭聲場中某一(或某幾個)固定點聲壓的變化來校驗系統(tǒng)的靈敏度偏差。水浸超聲系統(tǒng)水槽內的某一平臺如圖3所示，在采用對比試塊上的參考反射體校準系統(tǒng)TCG曲線之前，將探頭移至平臺的正上方，使探頭距平臺40 mm，將平臺界面反射波幅值的高度調整至熒光屏滿刻度的80%，記錄此時的增益為Δ3。以后每次檢驗

前和每天(批次)檢驗結束，均將探頭移至平臺正上方，使探頭距平臺40 mm，平臺界面反射波幅值達到熒光屏滿刻度的80%所對應的增益記為Δ4，將Δ4與Δ3比較，只要差值不超過±2 dB，則表明系統(tǒng)靈敏度偏差滿足標準SEP 1927-2010檢驗方法的要求。

圖3 水槽內某一平臺外觀

4 結語

采用此方法來驗證水浸超聲系統(tǒng)的靈敏度偏差，不但可以滿足檢驗方法的要求，而且可以大大提高設備的使用效率。

[1] 蘇平旺.鋼中的非金屬夾雜物[J]. 武鋼技術, 1995, 33(6):28-31.

[2] NB/T 47013.3-2015 承壓設備無損檢測 第3部分:超聲檢測[S].