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(東北特鋼集團(tuán)大連特殊鋼有限責(zé)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(duì)鋼的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能及工藝性能都有較大影響。鋼中存在宏觀夾雜物時(shí)，容易引起零件應(yīng)力的局部集中，從而產(chǎn)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(zhǎng)度小于1.4 mm的夾雜物。超過這個(gè)長(zhǎng)度則稱為宏觀夾雜物[1]。宏觀夾雜物的檢驗(yàn)方法主要通過發(fā)藍(lán)斷口和塔形車削發(fā)紋檢驗(yàn)，由于這兩種檢驗(yàn)方法僅能觀察到鋼中的一個(gè)面或幾個(gè)面，檢驗(yàn)結(jié)果具有隨機(jī)性和不確定性，無法客觀評(píng)價(jià)鋼中夾雜物的真實(shí)情況。近年來，隨著超聲技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，由于超聲波可實(shí)現(xiàn)一定體積材料的檢測(cè)，故超聲檢測(cè)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(yàn)，并形成了相應(yīng)的檢驗(yàn)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(píng)估軟件、x/y/z線性掃查機(jī)械臂、A/B操控器、棒材旋轉(zhuǎn)器(WB)、水槽、水循環(huán)過濾器、加熱器等組成。

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

檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)

2 檢測(cè)步驟

(1) 檢測(cè)開始前，選用對(duì)比試塊校準(zhǔn)TCG(深度補(bǔ)償)曲線(至少4點(diǎn))。(2) 實(shí)施檢驗(yàn)。(3) 檢測(cè)結(jié)束后，再次用對(duì)比試塊驗(yàn)證已校準(zhǔn)的TCG曲線，用以驗(yàn)證檢驗(yàn)期間系統(tǒng)靈敏度的漂移是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。

3 被檢材料直徑與對(duì)比試塊直徑不同時(shí)的曲面補(bǔ)償

3.1 曲面補(bǔ)償

在檢測(cè)和缺陷定量時(shí)，對(duì)檢測(cè)面是曲面的工件，應(yīng)對(duì)由工件和對(duì)比試塊曲率半徑不同引起的耦合損失進(jìn)行補(bǔ)償[2]。

圖1 直徑φ42 mm被檢材料界面波波高80%時(shí)的增益

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)SEP 1927-2010中對(duì)曲面補(bǔ)償?shù)囊?guī)定

圖2 直徑φ52 mm對(duì)比試塊界面波波高80%時(shí)的增益

對(duì)圓鋼進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)比試塊直徑與被檢材料直徑相同或相近，相近時(shí)直徑差不超過±20%d(d為圓鋼直徑)。對(duì)直徑100 mm以上的圓鋼，設(shè)置靈敏度時(shí)也可以用矩形對(duì)比試塊。筆者在實(shí)際檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在檢驗(yàn)圓鋼時(shí)，如果被檢材料直徑與對(duì)比試塊直徑不同，而探頭與材料上表面距離相同時(shí)，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(duì)比試塊正上方40 mm時(shí)，界面波波高達(dá)到80%時(shí)所對(duì)應(yīng)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(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生偏差，因此在實(shí)際檢驗(yàn)過程中應(yīng)進(jìn)行曲面補(bǔ)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(bǔ)償測(cè)試方法

首先在用對(duì)比試塊制作TCG(深度補(bǔ)償)曲線前，將探頭位于對(duì)比試塊的正上方40 mm處時(shí)，對(duì)比試塊界面反射波幅值的高度達(dá)到80%時(shí)的增益記為Δ1，檢驗(yàn)相近直徑的圓材時(shí)，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(diào)至熒光屏滿刻度的80%時(shí)的增益記為Δ2，被檢材料與對(duì)比試塊的曲面補(bǔ)償值為(Δ2-Δ1)dB。在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)上增加的增益為VK，再加上曲面補(bǔ)償值即為檢驗(yàn)靈敏度。

通過曲面補(bǔ)償，可以消除因?qū)Ρ仍噳K與被檢材料直徑及表面狀態(tài)不同引起進(jìn)入鋼材聲波能量的偏差，使檢驗(yàn)結(jié)果的當(dāng)量更加準(zhǔn)確。

3.2 檢測(cè)靈敏度校驗(yàn)

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)SEP 1927-2010檢驗(yàn)方法要求

標(biāo)準(zhǔn)SEP 1927-2010中規(guī)定儀器具有深度補(bǔ)償功能，校準(zhǔn)儀器時(shí)需要用對(duì)比試塊，對(duì)比試塊聲學(xué)性能與被檢材料相似，對(duì)比試塊上有直徑為φ1.0 mm平底孔，在所檢區(qū)域內(nèi)，深度方向上至少有4個(gè)均勻分布的反射體，應(yīng)按周期采用對(duì)比反射體校驗(yàn)設(shè)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(shí)，所對(duì)應(yīng)的靈敏度偏差在±2 dB內(nèi)，否則應(yīng)對(duì)自上次靈敏度校驗(yàn)后記錄的數(shù)據(jù)重新評(píng)估或?qū)λ性嚇又匦聶z驗(yàn)。

3.2.2 存在的問題

按照標(biāo)準(zhǔn)SEP 1927-2010中的規(guī)定，必須在檢驗(yàn)開始前用對(duì)比試塊中的至少4個(gè)平底孔校準(zhǔn)TCG曲線，驗(yàn)證φ1.0 mm平底孔回波幅值所對(duì)應(yīng)的靈敏度是否在規(guī)定的偏差范圍內(nèi)。至少每天(批次)檢驗(yàn)結(jié)束時(shí)，再次使用對(duì)比試塊中的4個(gè)平底孔驗(yàn)證已校準(zhǔn)的TCG曲線，確認(rèn)參考反射體回波幅值所對(duì)應(yīng)的靈敏度偏差是否在±2 dB以內(nèi)，以保證檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用對(duì)比試塊上的多個(gè)反射體反復(fù)校準(zhǔn)系統(tǒng)靈敏度的方法，耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，影響了水浸檢測(cè)設(shè)備的檢驗(yàn)效率。

3.2.3 解決方案

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

前和每天(批次)檢驗(yàn)結(jié)束，均將探頭移至平臺(tái)正上方，使探頭距平臺(tái)40 mm，平臺(tái)界面反射波幅值達(dá)到熒光屏滿刻度的80%所對(duì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)SEP 1927-2010檢驗(yàn)方法的要求。

圖3 水槽內(nèi)某一平臺(tái)外觀

4 結(jié)語(yǔ)

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

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

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