連鑄坯試樣中人工缺陷的超聲試驗研究

張樂 趙赫 陳繼平

【摘 要】針對連鑄坯試樣中的人工缺陷，通過超聲波檢測技術進行缺陷定位、定量和性質估判，以及制作AVG曲線。研究超聲波探傷技術在連鑄坯試樣中人工缺陷探傷檢測中的應用，并對缺陷作出詳細分析，為將來在實際生產中對連鑄坯中的缺陷進行超聲探測分析提供依據。

【關鍵詞】人工缺陷；超聲波檢測；試驗研究

Ultrasonic testing of artificial defects in continuous casting billet samples

ZHANG LE ZHAO HE CHEN JI PNG

（Anhui university of technology，ma'anshan 243000，China）

Abstract：Aiming at the artificial defects in continuous casting billet samples，ultrasonic detection technology was used to locate，quantify and evaluate the defects，as well as to make AVG curves.The application of ultrasonic flaw detection technology in artificial flaw detection and detection of continuous casting billet samples was studied，and the defects were analyzed in detail，which provided a basis for ultrasonic flaw detection and analysis of continuous casting billet in actual production in the future.

Key words：Artificial defects；ultrasonic testing；experimental research

自從鋼鐵行業成為經濟基礎之后，連鑄已經成為了現代鋼鐵生產的重要工藝流程。隨著對連鑄技術的持續研究，例如高效連鑄、直接軋制和熱送熱裝等，連鑄以其生產效率高，自動化程度高勞動強度小，占據了主流。與此同時，人們也開始漸漸關注連鑄坯的質量問題。其中，連鑄坯的內部裂紋、疏松和縮孔為主要缺陷問題，其形成往往伴隨著嚴重的偏析線，對鋼材的均勻性和連續性造成很大的破壞[1]。目前，表面裂紋有諸多檢測手段：采用超聲表面波、Lamb波檢測方法中信號特征變化曲線可用于表面缺陷裂紋角度、長度、埋深等特征定量分析[2-3]。

但是對于檢測1000℃左右的連鑄坯內部缺陷，由于溫度太高，導致檢測條件很困難，無論是儀器的研究和制造方面，還是超聲波檢測技術方面仍然處于初期。但是如果連鑄坯中的內部缺陷不進行檢查和安全評定，而盲目使用勢必會造成重大惡性事故，給企業帶來重大的經濟損失。因此嘗試利用超聲波方法對內部孔洞缺陷的定量檢測，勢必要研究超聲波在內部孔洞缺陷上傳播情況，通過攜帶了孔洞缺陷信息的輻射波，包含了孔洞缺陷的位置、尺寸等檢測和評估信息。通過準確判定缺陷的種類，可以及時制定正確的檢測方案、降低成本、提高產品質量和工藝水平。

1 試驗對象與儀器

試驗材料是鉆有平底孔的冷態連鑄坯小方塊，選用型號為Smartor X1的A型顯示脈沖反射數字式超聲波探傷儀，探頭選用SIUI的2.5Z20N圓形直探頭，耦合劑采用機油。

2 實驗過程

2.1 校準儀器

1）輸入方坯和探頭的基本參數。2）零點校準：為了減少誤差，提高實驗的準確性，手動調整。3）靈敏度調整：利用試塊上基準反射體或工件底面作為靈敏度調節基準，只要計算出該校準基準與所要求的靈敏度之間由分貝數表示的聲壓反射率差異，此dB差就是靈敏度調整量。基準為大平底面，當探測靈敏度所要求的聲程 ，則靈敏度調整量為 。需要將其第一個底面回波與噪聲信號進行比較，背面回波至少應比噪聲信號高6dB，靈敏度要求是 平底孔，但靈敏度應放大到可以看到噪聲，約為平底孔 之間。

2.2檢測方向的選擇

連鑄坯的工藝流程一般為，將裝有精煉好鋼水的鋼包運至回轉臺，回轉臺轉動到澆位置后，將鋼水注入中間包，中間包再由水口將鋼水分配到各個結晶器中去。結晶器是連鑄機的核心設備之一，它使鑄件成形并迅速凝固結晶拉矯機與結晶振動裝置共同作用，將結晶器內的鑄件拉出，經冷卻、電磁攪拌后，切割成一定長度的板坯。再結合工藝澆注方向，一般表面邊緣區氧化渣多，且屬于檢測近場區，雜波多而影響判定；心部鐵水比較純凈，基本無氧化渣，所以應選擇選擇兩個相互垂直的方向檢測。實際檢測中，檢測人員要視鑄件外形結構及現場具體狀況來判斷從哪個方向進行檢測。對于形狀特殊的無法將底平面朝上放置，只能從上表面往下檢測，當發現有異常波時，再從側面檢測。

2.3波形的分析

在超聲波探傷中，不同性質的缺陷其反射回波的波形區別不大，往往難于區分，常見的估性方法有：1）靜態波形法；2）動態波形法；3）底波法。

連鑄坯內部普遍為不致密枝晶，其結構組織不均勻且晶粒粗大，聲波在晶界面和不均勻結構處會產生散射，示波屏上往往產生雜亂無章的叢狀回波。特別要注意的是異常波形從近場盲區就開始，且底波不可見，異常波形的表現形式為：一是鑄件背面回波的衰減；二是鑄件中間為異常波形[4]。但是圖1中均存在底波，紅圈內的異常波峰②④，位于底波后面，經分析應屬于側壁干涉產生的。其中①③與相同區域的平底孔波形相比較，界面反射率低，波形寬大并帶有鋸齒，屬于夾渣、疏松或者對象表面粗糙造成的。

因此缺陷內含物的聲阻抗對缺陷回波高度有較大的影響，常見1）夾渣：帶有棱角、界面反射率低，波形寬大并帶有鋸齒；2）縮孔：是一波多峰，幅度高，對底波有明顯影響；3）冷裂紋：回波較高，對底波影響明顯，移動探頭時波形此起彼伏，變化較大。4）白點：聲阻抗很小，反射回波高，根部清晰的林狀間波；5）氣孔等內含氣體：表面平滑，界面反射率高，波形陡直尖銳。它們都會形成不同的波形，甚至缺陷波形狀相似，為了更準確地分析缺陷性質，具體情況要進一步進行檢測和分析。

2.4缺陷對比分析

在超聲波探傷檢測技術的應用過程中，常見的影響因素包括環境因素、技術因素、人為因素以及管理因素等等[5]。從而影響缺陷檢測的定位、定量的結果的準確性，甚至造成漏檢或錯檢。人為因素上，如果探傷人員在儀器調試時零點、K值等參數存在誤差或定位方法不當；技術上，除了受現有的超聲波檢測技術發展本身局限性的限制外，同時也受所采用的設備的影響；環境因素上，探頭性能和工件的表面情況以及耦合狀況。以上種種因素，都會影響缺陷定位影響缺陷定位、定量。

實驗數據采集得到兩個缺陷位置 ，依照在一定探測靈敏度下所得的缺陷波高（高于或低于靈敏度基準波高）的dB數，采用平底孔公式進行定量計算得出 。因出現異常波形，從側面垂直于第一次掃查方向，進行掃查得到圖2。

圖2中的①波形呈連續或斷續樹枝狀，一波多峰且回波反射較強，探頭移動時多個回波此起彼伏，嚴重時影響底波。采用缺陷波高相對基準反射體波高的百分比的方法，進行當量計算可得 。與上面計算差距較小，可認為相對準確。從②波形呈連續大區域低反射回波，移動探頭時會出現波幅很低的不穩定蠕動動態波形，提高靈敏度呈雜亂大區域，底波消失經對比波形特征可判定為疏松缺陷。理論上②至底波區間應該會有一個短橫孔缺陷，但是沒有探測到，估計能量被晶粒粗大疏松吸收損失過大導致的。這樣的結果不是我們想看到的，這樣的漏檢會導致嚴重的生產事故。

制作AVG曲線來表示回波聲程、幅度和缺陷當量之間的關系見圖3。缺陷①和②出的波峰超出第一根線（2mm當量），卻低于第二根線（3mm當量），即該缺陷當量大于2mm小于3mm。與上述平底孔當量法計算的吻合，因此可認為檢測準確。

3 結語

（1）該試驗分析了連鑄坯的人工缺陷的波形，對比了采用當量法和AVG曲線的缺陷當量差異，并總結了連鑄坯常見缺陷所對應的波形特征，為今后連鑄坯探傷中提供參考。

（2）雖然超聲波檢測作為檢測鋼制品質量的一種有效方法，但是超聲波檢測的本身所固有的特點和局限性，再加上影響連鑄坯質量的因素和缺陷的產生的原因是多方面的，應充分了解工藝的基礎上，制定合理的檢測方案，還須與其他檢測方法配合使用，提高檢測質量。

參考文獻：

[1] 姚書芳、徐李軍.連鑄坯內部裂紋的成形原因和防止措施[J].鋼鐵.2010，15（12）：95-99

[2 ]Edwards R S，Dixon S，Jian X.Enhancement of the Rayleigh Wave Signal at Surface Defects[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2004，37（16）：2291-2297

[3] Yun-Kyu A. Measurement of Crack-Induced Non-Propagating Lamb Wave Modes under Varying Crack Widths[J].International Journal of Solids and Structure，2015，62：134-143

[4] 唐愛國，孫存忠.鑄件缺陷的超聲波定性檢測[J].無損檢測.2017（36）：54-56

[5] 李樹軍，王志勇，牛曉光，董 國振，梁紅方.小徑管對接焊縫超聲波探傷規程、導則的應用及缺陷波的識別[J].無損檢測.2012（34）：45-48

（作者單位：安徽工業大學）