鋼材檢測中的超聲波自動化探傷研究

朱柳忠

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）

0 引言

高鐵是設計時速超250km／h的鐵路，高鐵是安全高效的現(xiàn)代運輸方式，隨著高鐵運行速度提高，對零部件加工質量要求不斷提高。動車車軸是高速列車關鍵部件，車軸行駛中出現(xiàn)故障會產生嚴重后果。高鐵車軸毛坯質量達不到要求是部分依賴進口的主要原因。車軸鋼坯是生產原料，存在質量缺陷會在加工中遺留在車軸內。目前毛坯無損檢測靠人工使用超聲波探傷儀手動探傷，勞動強度大，制約我國高速動車的發(fā)展。在回轉零件無損檢測中，自動超聲波探傷設備起到重要作用。要求探頭在回轉零件圓柱表面完成掃描工作，設備占地面積較大，結構復雜，限制了實際推廣應用。目前自動探傷設備對非圓截面零件缺少自動化設備，導致零件無損檢測依賴人工。急需對車軸鋼坯自動檢測設備。

1 鋼材檢測超聲波探傷技術的發(fā)展

隨著制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，工廠提出生產周期中監(jiān)測機械部件質量的要求。各國積極研發(fā)新型檢測技術設備，開發(fā)數(shù)字化檢測設備。為保證大荷載的大型零件質量，提出鋼材坯料進行遍歷超聲波無損探傷的要求［1］。為提高檢測可靠性，開發(fā)智能化超聲波無損檢測系統(tǒng)成為建設鐵路裝備重要研究方向。很多國家重視超聲無損檢測技術，目前瑞士、日本等發(fā)達國家主要采用大型在線超聲波探傷設備對鋼材在線檢測。

隨著中國高鐵事業(yè)的發(fā)展，對列車零部件要求不斷提高。車軸易發(fā)生損傷，保證生產質量對確保列車運行安全性意義重大。保證方鋼材料質量是工作重點。超聲波檢測分為手動與自動化探傷，手動探傷儀具有使用靈活等優(yōu)點，但存在探傷時間長，勞動強度大等缺點，我國鋼材生產廠家對鋼材坯料無損探傷不夠重視，現(xiàn)階段主要采用人工手持超聲波探頭對鋼材進行無損探傷。人工探傷速度效率較低，易影響探傷質量［2］。鋼材工件表面質量不同，影響檢測結果與效率。超聲波檢測設備多在電路中集成帶通濾波器去噪，國內眾多研究機構開展鋼材超聲波自動探傷設備的研究，通過結合手持式超聲波探傷儀開發(fā)自動探傷設備有利于減輕人員勞動負擔。

坯料無損檢測對保證加工件質量具有重要意義，加工為軸料后發(fā)現(xiàn)缺陷會浪費材料。提高坯料缺陷檢測能力是保證加工軸件質量的基礎。坯料無損檢測技術手段包括渦流探傷、超聲波探傷等。1929年蘇聯(lián)科學家提出可使用超聲波檢測金屬內部缺陷，很多學者投入超聲波探傷研究中。1949年德國科學家研制出A型超聲波探傷儀，使得探傷儀具有實用的探傷功能，能檢出鍛件等缺陷［3］。超聲波探傷儀大面積推廣，隨著計算機技術的發(fā)展，超聲波環(huán)能器精度不斷提高，使得超聲波探傷儀交互性提高。

2 鋼材檢測超聲波自動化探傷技術研究

超聲探傷是利用超聲波檢測缺陷的技術，機械振動是某質點在回復力作用下作周期性運動，振動頻率是波的固有特性，可根據(jù)頻率辨別不同聲波。聲波頻率超過20kHz時為超聲波，低于20Hz為次聲波。超聲波在頻率、能量等方面具有很多優(yōu)點，常應用于工業(yè)領域。應用中會因材料不同選擇不同超聲頻率檢測。頻率在1～10MHz間的超聲波常用于對金屬材料進行檢測。超聲波探傷是利用超聲波產生反射進行檢測，超聲波檢測是無損檢測學術研究的活躍領域。

超聲波探傷儀是對工件發(fā)射超聲波接的電子設備，蘇聯(lián)科學家Sokolov在1929年提出采用連續(xù)超聲波穿透性探測物體缺陷，Mulhanser提出不連續(xù)檢測方法，1964年開發(fā)出具有實際用途的探傷儀。基于不連續(xù)理論的A型脈沖反射式超聲波探傷儀廣泛應用于機械制造等工業(yè)。隨著電子元器件的快速發(fā)展，超聲波探傷儀向智能化等方向發(fā)展。各大制造廠大多采用A型超聲波掃描方式對鋼材質量檢測，手動檢測大量金屬合金原材料導致原材料堆積。探傷人員需緊盯儀器波形圖像顯示，長時間檢測易導致視力疲勞。由于鋼材通常體積大，為確保材料檢驗準確性，需研制現(xiàn)場檢查的檢測設備［4］。為減輕探傷人員負擔，工件探傷工人探查動作趨向于機械代替，由于工件檢測特征不同，超聲波檢測方案差異性大，超聲波檢測系統(tǒng)向小型化方向發(fā)展。

傳統(tǒng)便攜式超聲波探傷儀使用中由工人手持探頭檢測構件，探傷方法工作效率低，手工操作各環(huán)節(jié)易引入誤差，如手動掃描造成局部漏檢等。近年來開始發(fā)展自動超聲波探傷設備。渦流探傷常用于材料表面探傷，近年來微處理器不斷發(fā)展，目前自動超聲波探傷儀造價昂貴，導致自動超聲波探傷儀應用不普及。自動超聲波探傷儀主要在內軸類零件開發(fā)，開發(fā)鋼類零件自動檢測超聲波探傷設備具有重要意義。缺陷定位是工業(yè)生產超聲波檢測中的關鍵問題，獲取探傷回波是工件探傷系統(tǒng)的綜合響應，國內外關于工業(yè)生產超聲波無損檢測信號研究圍繞智能識別方面進行，用于超聲波回波信號處理方法有頻域分析等。超聲波反射回波是寬帶信號。經典時域內分析效果一般，經典傅里葉變換頻域分析對非平穩(wěn)信號無法同時分析。

3 自動化超聲波探傷在鋼材檢測中的應用

SONOTROTM66鋼材檢測器是NDT技術公司運用的非損傷性檢測系統(tǒng)，覆蓋100%表面，采用高性能壓電晶體制成探頭，探頭運轉由電子脈沖產生高頻脈波進入鋼材，缺陷表面大反射能量大，操作方式為脈沖回聲模式［5］。超聲波測試方法是基于超聲波頻率對不同波形，超聲波進入材料后產生機械振動，材料聲學特性對超聲波傳播產生影響。檢測中通過使用壓電晶片發(fā)射超聲波，探頭基于脈沖反射原理，超聲波進入材料后，聲波被反射探頭通過觀察波形反射能量了解缺陷大小。測試中通過縱橫波完成?？v波適合檢測鋼板內部分層，橫波用于檢測鋼板表面缺陷。

為使超聲波進入材料，反射探頭需靠近材料，鋼材超聲波探傷中多用水耦合劑。超聲波探傷裝置是完整的系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)系統(tǒng)、報告輸出系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，需配套運輸輥道、打正機等。檢測探頭安裝在伺服驅動架探頭機座，最窄的鋼材要求測試一個通道。探頭在支架內執(zhí)行傾斜功能，探頭表面與工件水平接觸。為實現(xiàn)100%探傷需要一定速度檢測元件，探頭間超聲波應100%覆蓋，探頭必須與被測材料接近。檢測探頭安裝在小車上能橫向移動，伺服驅動能與鋼材邊部保持同步。自動化控制系統(tǒng)將主操作員與現(xiàn)場操作柜聯(lián)鎖，系統(tǒng)把采集數(shù)據(jù)發(fā)送給視頻檢測器操作員，功能包括通過計算機可調節(jié)靈敏度、補償范圍，自動報警及監(jiān)測不良耦合等。

鋼材位置檢測靠光電開關動作實現(xiàn)，根據(jù)需要進行來回檢測。光電開關PC101動作表明鋼板進入測試區(qū)，鋼材將探頭覆蓋后加速至2m／min進行超聲波探傷，完成掃描后減速運行，檢測中系統(tǒng)使用傳感器檢測鋼板邊緣，縱向架有16個高溫傳感器，攝像機定位在探頭家測量鋼板寬度，探頭能上下移動，保證測試中與鋼板表面接觸。探頭表面安裝高效防腐材料制作防磨裝置。自動化監(jiān)測中注意工件表面狀態(tài)良好，工件進入水槽前用高壓水沖洗。

4 結束語

超聲波檢測系統(tǒng)能100%覆蓋材料表面，探頭與鋼材表面良好耦合。檢測缺陷尺寸精度達到最小，計算機系統(tǒng)能判斷鋼材缺陷。本文針對高鐵車軸鋼坯超聲波探傷系統(tǒng)進行研究，采用移動探傷平臺便攜超聲波探傷儀，確定探傷平臺嵌入式控制系統(tǒng)功能，通過上位機對探傷平臺控制，具有良好的交互界面。目前解決方案采用在售超聲波探傷儀，可針對探傷系統(tǒng)設計專用探傷儀。目前不能識別缺陷類型，未來研究可開發(fā)智能識別系統(tǒng)識別缺陷類型。