對不銹鋼棒原材料超聲波無損檢測的探討與應(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)常在不銹鋼材市場購進小批量或少量Ф25mm-Ф95mm不同規(guī)格的熱軋奧氏體不銹鋼棒。結(jié)合多年實踐經(jīng)驗，本文介紹一種如何利用超聲波脈沖反射檢測法輕便、靈活，能夠迅速發(fā)現(xiàn)缺陷、定位準確，對人體無傷害，可進行現(xiàn)場探傷的特點，快速判斷不銹鋼棒原材料的質(zhì)量，為原材料的選購提供技術(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；斜探頭

中圖分類號：TN249 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0046-02

1 明說

石油化工科研單位機械加工部門，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，需對半成品進行超聲波無損檢測。過去的探傷方法是：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端平面接觸法進行探傷，圓柱曲面用直探頭周向和縱向水浸法進行探傷。這樣做，解決了水浸法探傷水槽長度對被檢材料長度的限制問題。但是，這種檢測方法，對于鋼棒原材料來說，成了有損探傷。檢測發(fā)現(xiàn)缺陷后，難以退換，浪費了材料，增大了加工成本，給本單位造成損失。另一方面，經(jīng)過這種方法檢測的結(jié)果是：從圓柱兩個端面用直探頭接觸法進行探傷，很少發(fā)現(xiàn)缺陷；半成品經(jīng)過“全面”探傷的，其成品在壓力試驗和使用過程中還是常出現(xiàn)個別的縱向開裂現(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)過軋機熱軋后，細化了鋼材，并消除了顯微組織的缺陷，從而使鋼材組織密實；部分澆鑄時形成的氣泡、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，在軋制過程中會以這些缺陷為起點，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，它們的共同特點是沿鋼棒軸線縱向分布。用直探頭接觸法從圓柱的兩個端平面進行探傷，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行周向和縱向探傷，存在一定的盲區(qū)，無法檢出表面和埋藏在材料內(nèi)部的近表面缺陷，形成一個漏檢區(qū)。因此，導致了不合格產(chǎn)品的存在。

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

多年的實踐經(jīng)驗證明，市場供應(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。一般說來，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不銹鋼棒原材料沿圓曲面進行順時針和逆時針兩個方向的周向探傷，就可以發(fā)現(xiàn)原材料表面和近表面埋藏的缺陷。利用超聲波無損檢測輕便、靈活，能夠快速發(fā)現(xiàn)缺陷、定位準確，可進行現(xiàn)場探傷的特點。在簡易的工裝上，可對整根或整段原材料進行探傷，來大致判斷其整體質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題及時退換料，做到有選擇的購料，可極大的降低生產(chǎn)成本，減少材料的浪費。

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：機油。

2.2 斜探頭頻率的選擇

當超聲波在鋼棒中傳播時，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，同時還會發(fā)生介質(zhì)衰減[2]。而且，超聲波頻率越高，散射衰減越強烈。因此，選擇斜探頭頻率時，應(yīng)在相關(guān)標準規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，適當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值的選擇可采取計算法。當用橫波斜探頭外圓周向探測曲面工件時，對應(yīng)每一個探頭的K值，都有一個最大的檢測深度Tmax，當缺陷深度>Tmax時，波束軸線將掃查不到。因此，不同K值探頭最大探測深度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，可以計算出不同K值的最大探測深度Tmax；反之，也可以根據(jù)要求探測的最大深度Tmax，計算出相應(yīng)的K值。

2.4 斜探頭的磨制

在實際探傷過程中，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，無法進行正常檢測，因此，應(yīng)對斜探頭的接觸面按對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面相吻合，以保證超聲波入射角度，增加耦合效果。為了準確定位和計算，應(yīng)使修磨后的探頭與原探頭的K值保持一致，修磨時一般使入射點位于探頭弧形槽的頂部。具體方法是：斜探頭在標準試快上測出入射點A和K值，再通過K值計算出探頭斜楔內(nèi)的入射角θ，在探頭側(cè)面標出斜楔內(nèi)聲波到入射點的路徑，修磨時，使弧形槽的頂點B與其相交。如圖1所示[4]。

2.5 簡易對比試塊的制作

在實際工作中，為了調(diào)整儀器和探傷的方便，可以加工一種簡易的對比試塊。具體方法是：在同規(guī)格沒有缺陷的不銹鋼棒原材料上，截取一段長短適宜的鋼棒，兩端平頭?？梢詤⒄諢o縫鋼管超聲波檢測標準，假設(shè)一定K值探頭的最大檢測深度Tmax為鋼管壁厚，按標準要求的深度，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值和驗收的要求，在試塊端平面斜探頭可探測深度的位置上，沿軸向打上相應(yīng)直徑的孔。比如要求達到φ2的探傷靈敏度，就以C點為圓心鉆上φ2的孔，如圖2所示。

圖（2）中：D點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，通過測量實際聲程，按比例調(diào)整儀器時基線；探頭在位置（3）通過探測人工孔，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

儀器調(diào)好后，就可以在簡易的工裝上，通過轉(zhuǎn)動鋼棒，對整根或整段不銹鋼棒原材料進行順時針和逆時針兩個方向上100%的超聲波周向檢測。發(fā)現(xiàn)缺陷后，可以根據(jù)同一缺陷反射波兩個方向相對稱的原理，確定其在鋼棒曲面上的相應(yīng)位置，并用手指沾機油，點擊此位置，反射波峰上下跳動的為表面缺陷，反射波隨探頭移動僅左右游動的，為皮下缺陷?？捎枚它c6dB法測量該缺陷的指示長度。

3 結(jié)論

針對某些機械加工單位，生產(chǎn)批量小、規(guī)格多的工作特點，對熱軋不銹鋼棒原材料進行外觀檢查合格后，先用斜探頭對其進行順時針和逆時針兩個方向上的周向探傷，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)量優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷，及時退換原料。經(jīng)過斜探頭檢測的鋼棒，切段，外圓粗車，兩端平頭后，再用其它的超聲波檢測方法，對材料內(nèi)部進行直探頭探傷。這樣，不僅保證對材料進行了全面的超聲波無損檢測，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。在實際工作中，這是一種行之有效的檢測方法。

參考文獻

[1]高學東.棒材的無損檢測技術(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缺陷定位曲線圖及分析，無損檢測，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.