在線超聲檢測技術及其在水平連鑄坯生產中的應用

岳峰麗， 宮赫庭， 王松偉， 劉勁松， 胡 凱， 蔡 玲， 李奧博

（1. 沈陽理工大學汽車與交通學院，遼寧 沈陽 110159； 2. 中國科學院金屬研究所 師昌緒先進材料創新中心，遼寧 沈陽 110016； 3. 沈陽理工大學材料科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110159； 4. 沈陽佰仕超聲設備有限公司，遼寧 沈陽 110141）

高性能銅板帶材廣泛應用于新能源［1］、 軌道交通和電氣電子［2］等領域， 隨著科技的不斷發展， 對銅板帶產品的性能要求和質量要求越來越高［3］。銅及銅合金板帶鑄坯主要采用連續和半連續工藝方法制備［4］。在實際生產過程中， 鑄坯內部往往存在各種缺陷， 如氣孔、 縮孔、 鑄造裂紋等， 這些缺陷會導致成品銅板帶材性能和表面質量被嚴重削弱， 相應降低了產品質量的穩定性和成材率。

當前檢測水平連鑄坯缺陷的手段有激光掃描和脈沖渦流技術， 這些檢測手段在生產現場應用時存在一些不足， 如： 檢測過程復雜且周期較長，無法及時為生產工藝參數的調節提供指導等。這就導致生產企業往往在對銅板帶成品進行檢驗時才能發現質量是否存在問題， 既容易造成大量材料報廢， 又降低了生產效率， 還浪費了生產成本。因此， 提供一種連鑄坯內部缺陷在線檢測技術是十分必要的。本文基于傳統超聲檢測技術原理，自主設計和開發了在線超聲探傷設備， 并在銅板帶企業作業現場進行了生產試驗。相對其他檢測設備， 該設備具有以下優點： 1）檢測精度更高， 檢測數據更準確； 2）可以在生產現場實現在線檢測，及時獲取缺陷信息， 并指導生產現場做出應對。

1 超聲檢測技術在板帶缺陷檢測中的應用情況

20世紀初，國外科研人員就已經開始使用超聲波進行無損檢測試驗。20 世紀60 年代，由美國等國家主導研究的高分辨率和高靈敏度的超聲波檢測儀器，使超聲波檢測在缺陷檢測領域有了重大進展［5］。隨著現代科技的進步，超聲成像系統逐漸向圖像化、數字化方向發展。美國物理聲學公司（PAC）研發的 Table-UT 具有A/B/C 掃描成像功能，主要用于材料內部的無損檢測［6］。其中運用C掃描技術進行無損檢測的行業有很多，如Liu［7］提出利用超聲C 掃描技術檢測不銹鋼斑點， Xiao［8］利用超聲C掃描技術檢測三維編織復合材料的內部缺陷。

近年來， 國內對于超聲檢測的研究也取得巨大突破。王磊［9］針對大型鑄件內部缺陷問題， 提出了水浸式超聲波反射檢測法。周正干［10］開發了水浸超聲掃描系統， 利用超聲衰減的特性對樣件進行檢測成像， 結果表明成像效果較好。劉松平等［11］使用C 掃描成像檢測技術對復合材料進行檢測， 呈現了材料內部缺陷的分布情況。孫凱等［12］研制了噴水穿透超聲C掃描自動檢測系統， 通過對人工排查出的缺陷樣件進行檢測， 驗證了超聲C掃描的可行性。

2 超聲檢測技術的原理

超聲檢測是運用超聲波在材料中傳播的特性， 使超聲波與試件相互作用， 對反射、 透射和散射的波進行研究， 從中分析其傳遞信息的技術［13］。結合已有的超聲原理， 可以將具體的超聲波檢測分為3 種形式： 共振法、 穿透法以及脈沖反射法。這3 種方法都是通過超聲波探頭向待檢測物件發射超聲波， 從而進行超聲檢測。除此之外， 根據耦合情況， 可將超聲檢測技術分為接觸法、 非接觸法以及液浸法［14］。

超聲波在材料中的傳播存在一定量的損失， 當超聲波在傳播過程中遇到缺陷時聲阻抗會產生變化。見式（1）、式（2）［15］。

式中，Z為聲抗值，ρ為材料密度，C為材料聲速，r為聲壓反射率，pr為反射聲壓，po為透射聲壓，z1為界面第一種介質的聲阻抗，z2為另一種介質的聲阻抗。

聲壓反射率和透射聲壓在變化的過程中會產生相對應的反射波， 隨著超聲波能量的損失， 其低波回波的幅度會降低， 這種現象可以作為缺陷判據。

采用水浸式超聲檢測法進行超聲檢測時， 用水當作耦合劑， 能夠降低聲壓反射率， 防止超聲波的散射， 加強進入被探測物體內部的透射聲壓， 從而提高檢測效果。相比于接觸法超聲檢測， 水浸式超聲檢測法檢測到的波形更穩定、 檢測速度更快、 工作效率更高， 同時還減少了近場區的影響，探傷結果更準確有效［16］。

本次試驗運用的檢測軟件有兩種： 一為“多通道超聲檢測系統”， 二為“超聲C掃描實時成像軟件系統”。超聲C 掃描實時成像軟件系統可根據被檢物的缺陷進行實時C 掃描成像。超聲C 掃描成像檢測技術是將超聲檢測與計算機進行數據收集、存儲、 處理、 圖像顯示融合在一起的檢測技術。超聲C 掃描技術［17-18］屬于超聲顯微鏡（Acoustic Microscope）的一種， 因其具有成本低、 速度快、 檢測范圍廣、 靈敏度高等優點， 在超聲檢測領域中被廣泛應用， 可檢測試件內部是否存在孔洞缺陷并判斷出孔洞缺陷的形狀、 大小及位置， 以及實現對材料的無損檢測與評估。該技術能夠滿足對材料制造缺陷的檢測需求［19］。

3 水平連鑄坯在線超聲檢測設備

水平連鑄坯在線超聲檢測設備由在線檢測臺、 操作臺和控制柜3部分組成。

3.1 在線檢測臺

在線檢測臺安裝在牽引機上， 主要結構（圖1）包括： 移動裝置、 探頭盒機構、 擋水裝置、 水槽等。移動裝置下方連接探頭盒機構， 并控制探頭盒機構在水平連鑄坯上方移動。探頭盒機構平行于水平連鑄坯表面， 以便更好地與鑄坯表面相接觸。擋水裝置位于探頭盒機構后端。根據圖中坐標系所示， 探頭盒可沿X軸往復運動， 沿Z軸上下運動， 鑄坯在牽引機作用下沿Y軸連續運動。

圖1 在線檢測臺Fig.1 Online test station

3.1.1 移動裝置

在線檢測臺的移動裝置主要由X軸移動裝置和Z軸移動裝置組成。Z軸移動裝置以電機驅動滾珠絲桿轉動， 通過滾珠絲桿上的滾珠絲桿絲母控制探頭盒機構沿Z軸移動。X軸移動裝置由兩根圓形直線導軌和8個滑塊支撐， 以電機帶動兩個齒輪轉動， 齒輪在齒條上運行， 從而實現探頭盒機構在X軸方向上的移動， 使探頭盒機構實現精準定位。

3.1.2 探頭盒機構

如何使前進中的水平連鑄坯被超聲波完整地檢測， 是該設備需要解決的關鍵問題。為了解決這個問題， 探頭盒機構的設計顯得尤為重要。將探頭盒機構設計為一組兩個探頭盒， 垂直于水平連鑄坯牽引方向前后放置。兩個探頭盒的名稱分別命名為X1 軸探頭盒和X2 軸探頭盒。開始試驗時， 兩個探頭盒會通過移動裝置， 精準地移動到設定位置。兩個探頭盒按控制面板預先設定好的運行速度相互交錯地在水平連鑄坯上進行往復運動。運行速度根據水平連鑄坯的牽引速度進行調節，確保在牽引速度范圍內能夠滿足超聲探頭的檢測條件。通過這種方式可以降低因重復掃描所產生的結果誤差， 縮小檢測的誤差范圍。探頭盒往復運動所耗費時間內水平連鑄坯的前進距離小于探頭所覆蓋的寬度， 探頭盒進行往復運動的距離大于水平連鑄坯自身的寬度。

當設備開始運行時， 探頭盒機構會通過布置在內部的自行研發的3 類超聲探頭進行超聲檢測。這3 類超聲探頭分別為： 雙晶縱波直探頭、 單晶斜探頭以及雙晶縱波斜探頭。將這3類探頭按圖2所示的方式布置在兩個探頭盒內， 以確保有效的超聲波對水平連鑄坯進行全覆蓋掃描。有別于其他超聲檢測設備的探頭， 本設備中的超聲探頭采用進口復合晶片作為聲波發射源， 能夠發出高頻聲波， 可有效穿透鑄坯內部， 從而實現聲波對鑄坯內部的全方位檢測。另外， 在檢測過程中， 探頭底部表面會與鑄坯上表面產生接觸摩擦， 長時間檢測可能會導致探頭底部磨損。為此， 需采用高耐磨材料制作探頭底部表面， 以避免長時間檢測導致超聲探頭損壞。

圖2 探頭盒Fig.2 Probe box

3.2 操作臺

操作臺包括控制面板、 C 掃描成像軟件操作界面以及多通道檢測軟件的操作界面。在控制面板上可實現在線檢測臺手動調試、 速度或位置設定、自動檢測運行等操作。

圖3為C掃描成像軟件以及多通道檢測軟件的操作界面。兩個軟件分別管理著對應的超聲檢測方式， 可以實現檢測圖像的呈現與信息反饋。在試驗過程中， 操作人員主要從C掃描成像軟件操作界面中的超聲波顯示區和C掃描成像區這2個區域獲取有關信息。

圖3 C掃描成像軟件以及多通道檢測軟件的操作界面（a） C掃描成像軟件操作界面； （b） 多通道檢測軟件操作界面； （c） 超聲波顯示區； （d） C掃描成像區Fig.3 Operation interface of C-scan imaging software and multi-channel detection software（a） C-scan imaging software operation interface； （b） Multi channel detection software operation interface；（c） Ultrasonic display area； （d） C-scan imaging area

3.3 控制柜

控制柜中安裝有2臺交換機和2臺保證檢測系統穩定運行的工控機， 分別實現數據采集、 通訊及數據分析、 顯示等功能。交換機內安裝了特制的儀器多層電路板， 能夠更快速地采集檢測聲波，并將檢測聲波進行高質量分析， 從中獲取缺陷尺寸等信息。這種設計和布置方式， 能夠檢測出高于國家標準要求的缺陷尺寸精度， 實現高精度檢測。

3.4 設備特點

1）超聲C 掃描所使用的探頭為雙晶縱波直探頭， 該探頭可以產生高頻電脈沖， 高頻電脈沖經過電聲轉換后形成聲波并在水平連鑄坯中傳播。隨著鑄坯不斷被牽引， 探頭檢測過的區域會實時地在C 掃描成像軟件操作界面上呈現。雙晶縱波直探頭釋放的超聲波可探查的孔洞缺陷當量尺寸為Φ1.5 mm以下， 最小檢測尺寸可達到100 μm左右。

2）多通道掃描所使用的探頭為單晶斜探頭以及雙晶縱波斜探頭， 可探測0~16 mm 深度的裂紋缺陷。不同深度的裂紋缺陷對成品帶材有著不同的影響， 多通道掃描軟件能夠準確地檢測出缺陷的深度， 從而作出相應的處理。

3）不同于實驗室研究所得出的結論， 本文推介的超聲檢測設備及方法實際應用于水平連鑄生產線上時， 可以實現實時且快速的探傷檢測， 同時也能節省大量的試驗時間。

4 檢測試驗與結果分析

4.1 試驗過程

選取3 種不同牌號的水平連鑄坯進行檢測試驗， 其牌號分別為Q5磷錫青銅、 JCC低錫青銅以及JT03 含錫青銅。水平連鑄坯的尺寸為： 寬度440 mm， 厚度16 mm。鑄坯的生產工藝參數為： 牽引速度14 mm/s， 牽引時間0.85 s， 牽引停時間2.5 s。

開啟控制柜中的工控機， 打開操作臺。根據當前的牽引速度， 將兩個探頭盒機構的運行速度分別設置為100 mm/s 和70 mm/s， 并開始檢測。檢測時間為整卷鑄坯的生產時間， 大約為9 h。在試驗過程中， 檢測到的數據會定時自動記錄， 同時存儲在數據庫中。

4.2 孔洞缺陷

4.2.1 孔洞缺陷結果

圖4為C 掃描超聲檢測波形圖。C 掃描超聲檢測的波形原理： 由探頭發出超聲波， 當超聲波經過缺陷時， 會受孔洞缺陷的影響產生漫反射， 導致反射聲波異常；探頭在接收到異常的反射聲波后， 會在界面波和底波之間產生高波并沖破閘門， 從而得到缺陷信息。追蹤閘門套入底波內， 可使閘門跟隨底波做相對運動， 防止出現誤觸的現象。

圖4 C掃描超聲檢測波形Fig.4 C-scan ultrasonic detection waveform

圖5為銅板超聲檢測報告， 其中包含了工件情況、 探傷條件、 結論和圖譜等信息。能夠從中得出的有效信息有：

圖5 鑄坯超聲檢測報告Fig.5 Billet ultrasonic inspection report

1）實時的C掃描缺陷位置圖像： 通過設定好的增益對被檢測板帶進行超聲探測， 從而獲得超聲C掃描成像圖譜。可以通過超聲C 掃描成像圖譜中顏色的變化來區分缺陷程度， 顏色越深的部位， 孔洞缺陷尺寸越接近當量尺寸。

2）匯總缺陷的含義， 是指在探測過程中， 檢測出的大于等于當量的孔洞缺陷面積占所測水平連鑄坯面積的百分比。

4.2.2 孔洞缺陷驗證

通過上述報告可得出超聲C掃描圖譜， 該圖譜是由4個通道掃描圖組合而成的， 每個通道掃描圖對應著相應的水平連鑄坯區域。通過超聲C 掃描圖譜的顏色變化確認孔洞缺陷的位置和信息。為了驗證檢測的準確性， 對圖譜中存在異常的鑄坯區域進行取樣， 并運用金相試驗對所取樣的鑄坯進行觀測。

從超聲C 掃描試驗的結果中選取兩種不同的孔洞缺陷進行金相試驗。一種是單個孔洞缺陷，另一種是密集孔洞缺陷。由圖6可知， 單個孔洞缺陷的尺寸較大且接近當量尺寸， 導致其在超聲C掃描圖譜中以顏色較深的紅色呈現。而密集孔洞缺陷由于其孔洞的尺寸較小且聚集在一起， 故在圖譜中呈現的顏色較淺并成片顯示。

圖6 圖譜與金相試驗對比圖（a） 超聲C掃描圖譜； （b） 缺陷圖像放大圖； （c） 單個孔洞缺陷； （d） 密集孔洞缺陷Fig.6 Comparison chart of spectrum and metallographic test（a） Ultrasonic c-scan atlas； （b） Enlarged view of defect image； （c） Single hole defect； （d） Dense hole defect

4.3 裂紋缺陷

4.3.1 裂紋缺陷結果

運用多通道超聲檢測系統對水平連鑄坯進行檢測， 從而獲得裂紋缺陷信息。多通道超聲檢測系統包含16 個檢測通道， 能夠更詳細地探測整個水平連鑄坯。每一個通道都有獨立的閥門， 可以使檢測更精確。

圖7為多通道超聲檢測報告， 從中可以看出準確的裂紋缺陷三維位置信息。X軸方向為探頭盒移動方向，Y軸方向為水平連鑄坯移動方向， 深度是指水平連鑄坯內部的位置， 這些信息為后續工作提供了參考依據。

圖7 多通道超聲檢測報告Fig.7 Multi-channel ultrasonic test report

4.3.2 裂紋缺陷驗證

根據檢測報告中裂紋缺陷的位置信息， 對所檢測的鑄坯進行精準取樣， 隨后對樣品進行金相試驗分析并利用電子顯微鏡和表面三維輪廓儀進行觀察。如圖8 所示， 根據檢測報告中的位置信息， 找到了鑄坯缺陷， 并對其進行了宏觀、 微觀以及三維立體等多角度驗證， 證明其為裂紋缺陷。

圖8 裂紋缺陷金相結果與電子顯微鏡觀察結果（a） 裂紋缺陷金相試驗圖； （b） 電子顯微鏡成像圖； （c） 表面三維輪廓儀成像圖Fig.8 Metallographic results of crack defects and electron microscope observation results（a） Metallographic test diagram of crack defects； （b） Electron microscope image； （c） Surface 3D profilometer image

通過對兩種缺陷的分析和驗證， 證明了本文推介的水平連鑄坯在線超聲檢測設備可以有效地檢測孔洞缺陷和裂紋缺陷。

4.4 結果應用

使用超聲在線技術和設備對銅板鑄坯開展了批量檢測試驗， 建立了鑄坯缺陷數據庫， 同時收集所對應的銅板帶材因鑄坯缺陷導致的成材率下降的數據結果， 建立兩者之間的定量關系， 從而進一步實現對生產的指導作用。

如圖9 所示， 統計了Q5、 JCC 和JT03 這三種牌號鑄坯的缺陷占比， 其中Q5 牌號板帶的缺陷占比較大， 說明該牌號的孔洞缺陷較多， JCC 缺陷占比較小， 可見不同牌號鑄坯的缺陷檢測結果有一定差別。

圖9 不同牌號鑄坯的缺陷總占比Fig.9 Total proportion of defects of different brands

根據Q5 牌號鑄坯缺陷結果繪制出孔洞缺陷面積占比與對應成材率之間關系圖， 如圖10 所示，圖中散點對應著缺陷測試數據， 實線為根據散點分布擬合得到的缺陷面積-成材率變化曲線。從圖10 可見， 缺陷面積占比在0~0.1%之間對應的成材率數據較為密集， 其中缺陷0.1%對應的成材率數值為65%；當缺陷面積低于0.1%時， 成材率分布范圍在65%~80%；當缺陷面積占比為0.3%時， 對應的成材率數值為60%。隨著缺陷面積進一步增加，內部孔洞會導致板帶表面質量下降， 成材率可能降至40%左右。可見隨著缺陷占比的提高， 鑄坯成材率明顯降低， 這證明了在線檢測結果的準確性。為了進一步建立精確的鑄坯缺陷-板帶材質量之間的預測關系模型， 指導鑄坯質量分級， 還需要不斷完善缺陷數據庫， 增加樣本量， 完善數據分析方法。

圖10 成材率與缺陷面積占比的關系Fig.10 Relationship between yield and defect area ratio

5 結 論

1） 基于超聲波檢測原理結合 C 掃描成像和多通道掃描設計開發了水平連鑄坯在線檢測技術及設備， 可顯示連鑄坯內部孔洞類缺陷的分布位置和當量尺寸， 實時記錄鑄坯內部裂紋缺陷數量和空間位置。

2）依托該超聲檢測技術及設備開展了銅水平連鑄坯缺陷在線檢測生產試驗， 對收集的數據結果進行了分析并建立鑄坯缺陷數據庫， 以期為后續鑄坯質量分級和產品質量預測模型的建立提供指導。