CN107966493B - 一种轧制钢材缺陷的超声波探伤判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轧制钢材缺陷的超声波探伤判定方法，属于超声无损检测技术领域。本发明中的探伤装置由一个主探头和八个辅助探头构成，主探头在正中间，八个辅探头分布在主探头为圆心，半径为R的圆周上，主探头和辅助探头由八根传动杆相连组成一个整体。本发明装置能够解决以往超声波探伤过程中由于缺陷取向问题造成的缺陷回波不明显，甚至漏检的情况，本方法能够保证缺陷在一定角度范围内不漏检，而且相比于传统探伤，能更快发现不规则缺陷的回波信号，并且能够结合此缺陷当量计算方法确定线状缺陷的角度。

Description

一种轧制钢材缺陷的超声波探伤判定方法

技术领域：

本发明属于超声无损检测技术领域，具体涉及一种轧制钢材缺陷的超声波探伤判定方法。

背景技术：

超声无损检测技术在国内经济发展和建设中有着广泛的应用，自超声无损检测技术开发以来已经取得了飞速的发展，目前，超声无损检测技术是无损检测技术中最重要也是使用最多的一种无损检测技术之一。

钢材超声波探伤是一种较常用的检测钢材质量的方法，相比于其他检测手段，超声波探伤有着很多优势，例如：能够在不破坏工件的前提下进行检测、无污染、对人体无害，检测结果较准确，操作简单方便等等。

但是，超声波探伤技术在缺陷判定方面也存在着很多不足，在利用一个超声波探头对工件进行探伤时，当工件中存在着有一定角度的线状缺陷时，由超声波的反射原理，我们知道缺陷反射回波不会沿原路径返回至超声波探头，导致探头接收不到缺陷的回波信号，这样，检测人员就会判定工件中无缺陷，造成漏检现象，而这些产品投入使用过程中更可能会造成巨大的经济损失，甚至造成各种事故。

目前，对于这类有角度的线状缺陷都没有找到较好的解决方法，最常见的方法就是利用双探头一发一收来检测这种缺陷，但是这种方法操作较复杂，而且对于缺陷方向不好把握，从而使接收探头很难接收到缺陷的反射回波。还有这种方法利用起来比较麻烦，对于一些常见缺陷不好探测，需要与单探头交替使用，效率太低。而且，缺陷的形状不同，对工件的危害也不相同，比如裂纹类条状缺陷在产品中是不允许存在的，而尺寸较小的孔状缺陷对一些产品来说是允许的，因此，缺陷形状对产品的安全性有重大的影响。现有探伤技术很难实现对缺陷形状的判定，尤其是对一些有一定角度的缺陷，更难判断缺陷形状。

为了改善上述问题，根据轧制钢材缺陷特点，发明了一种轧制钢材超声波探伤装置和缺陷半定量定性方法，利用此装置，可以灵活的对各类缺陷进行判断，一些有角度的线缺陷也能通过此方法探测出来，而且利用此装置可以判断出大部分缺陷形状，能够很容易分辨出缺陷是线状缺陷、平底孔缺陷、面缺陷还是体缺陷。此装置能够通过探头移动来计算线缺陷大小和形状，此方法和传统的缺陷当量计算方法不同，而且相比于传统的缺陷平底孔当量计算方法，此方法计算出的缺陷当量大小较为准确，在缺陷形状判定方面，此方法不仅能确定缺陷大概形状还能够计算出线状缺陷的角度。

发明内容：

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种轧制钢材缺陷的超声波探伤判定方法。该方法能够解决以往超声波探伤过程中由于缺陷取向问题造成的缺陷回波不明显，甚至漏检的问题，本发明能够保证缺陷在一定角度范围内不漏检，而且相比于传统探伤，能更快发现不规则缺陷的回波信号，并且能够结合此缺陷当量计算方法确定线状缺陷的角度。

本发明提供的一种轧制钢材缺陷的超声波探伤判定方法的具体步骤如下：

(1)准备超声波探伤装置及测试试块：

所述超声波探伤装置包括一个主探头和八个结构大小相同的辅助探头，所述主探头设置在正中间，八个所述辅助探头均布在所述主探头为圆心半径为R的圆周上，所述主探头与所述辅助探头之间通过传动杆相连组成整体，所述主探头发射信号并接收直线返回的回波信号，所述辅助探头接收回波信号，所述辅助探头能够在一定范围内移动的，通过改变所述辅助探头与所述主探头之间的距离R，能够对不同角度、不同深度的缺陷进行探伤。选用长方体轧制钢材的锻钢件作为测试试块，所述测试试块表面较光滑，在所述测试试块底部刻有人工线状缺陷；根据所述测试试块材质及检测要求，选择2～5MHz的主探头及辅助探头，将超声波探伤装置连接好并调整探伤仪增益及范围。

假定一个缺陷通过主探头测出深度为L，辅助探头移动范围为r～R(R为辅助探头与主探头之间的距离，单位为mm)。

当八个辅助探头中的任意一个与主探头相切时，所述与主探头相切的辅助探头与主探头之间达到最小距离，这个距离只与探头的直径有关，r的计算方法如下：

其中：r为与主探头相切的辅助探头与主探头之间的最小距离，单位毫米(mm)；

Φ为探头的直径(这里主探头与辅助探头直径相等)，单位毫米(mm)。

当探头直径Φ为14mm时，能够计算出r＝18.29mm。

(2)超声波探伤装置中仪器参数确定：根据测试试块厚度L确定范围，使主探头显示器上仅显示始波和一次底波，进行小幅度调整延迟，使仪器中读取的测试试块厚度为L。

(3)根据标准规定的最小缺陷不漏检来确定仪器增益大小，增益调整值计算公式如下：

其中：φ为标准规定的最小缺陷当量，单位毫米(mm)；

P_Φ为缺陷反射声强，单位帕斯卡(Pa)；

P_B为缺陷底面反射声强，单位帕斯卡(Pa)；

L为测试试块厚度，单位毫米(mm)；

λ为波长，单位毫米(mm)；

将所述超声波探伤装置中闸门位置调整到一次底波上方，调整增益，使底波高度为满屏高度的80％，计此时增益为B，然后将增益调整到B+B₁。

(4)当主探头找到缺陷位置时，记录缺陷深度H_f，移动辅助探头，寻找缺陷回波，由接收到缺陷回波的辅助探头个数来确定缺陷形状类型，具体情况如下：

当只有主探头接收到缺陷回波信号时，判断缺陷类型为平底孔缺陷；

当主探头接收到缺陷回波信号，同时还有一个辅助探头接收到回波信号，判断缺陷类型为线状缺陷；

当主探头接收到缺陷回波信号，同时有2～3个辅助探头接收到回波信号，判断缺陷类型为面缺陷；

当主探头接收到缺陷回波信号，同时有3个以上辅助探头接收到回波信号，判断缺陷类型为体缺陷。

当只有主探头接收到缺陷回波时，缺陷为平底孔缺陷，可有平底孔计算公式得：

Φ_f为缺陷大小，单位毫米(mm)，Φ为对比试块人工缺陷大小，单位毫米(mm)，X、X_f分别为测试试块缺陷深度与对比试块缺陷深度，单位毫米(mm)，ΔdB为对比试块缺陷回波与测试试块缺陷回波之差，单位分贝(dB)。

当只有主探头和一个辅助探头接收到缺陷回波时，能够判断缺陷为线性缺陷，移动所述辅助探头，缺陷回波高度达到最高时，调整衰减器增益，将缺陷回波高度调整为满屏高度的80％，移动所述辅助探头，当缺陷波高为满屏高度的40％时，记录此时所述辅助探头位置X₁，向反方向移动所述辅助探头，当缺陷波高达到满屏高度40％时，记录此时辅助探头位置X₂，通过计算确定缺陷长度及角度：

由

得到缺陷角度θ为：

由三角形角度与边长的关系得到

即可求出缺陷大小为：

Φ_f＝2(X₂-X₁)sinθ

式中：Φ_f为缺陷大小，单位毫米(mm)，θ为缺陷角度，单位为度，X₁、X₂为辅助探头位置，单位为毫米(mm)，H_f为缺陷深度，单位毫米(mm)。

附图说明：

图1为本发明中超声波探伤装置的探头分布示意图；

图2为本发明中轧制钢板的线缺陷反射示意图；

图3为本发明中轧制钢板的体缺陷反射示意图；

图4为本发明中主探头接受到的缺陷回波示意图；

图5为本发明中辅助探头接受到的缺陷回波示意图；

图6为本发明中轧制钢板缺陷的截面形貌示意图。

具体实施方式：

用此发明中的超声波探伤装置对Q235轧制钢板进行超声波探伤，已知此钢板的厚度为100mm，在线自动探伤发现在某位置存在缺陷回波，通过此装置对缺陷定位并利用此方法计算缺陷当量。

主探头选用2.5MHz、φ14的直探头，将钢板表面擦干净并涂油，利用本发明中的超声波探伤装置进行探伤，先调整仪器参数，为了更好的观察缺陷回波，使仪器显示屏上清晰显示出始波和一次底面回波，应将范围参数调整到120mm左右；将闸门移动到一次底面回波位置，可小幅调整延迟，使仪器中显示出一次底面回波位置与钢板厚度一致。

然后调整增益，使一次底面回波高度为满屏高度的80％，读出此时增益为10dB，规定2mm当量的缺陷不漏检，通过公式计算为：

在原先的基础上将衰减器增益增加到41dB，调整主探头与辅助探头之间得距离，根据公式Δx＝H·tan 2θ，求得Δx为58mm，即将主探头与辅助探头得距离调整到58mm左右，再缓慢移动此装置，从主探头上找到钢板中缺陷的位置，其位置应为缺陷回波最高点，从仪器中读得缺陷深度为80mm，且缺陷回波高度达80％时的增益为32dB。

保持主探头位置不动，再移动辅助探头，寻找缺陷回波，发现能够从一个辅助探头上找到缺陷回波，移动辅助探头，使缺陷回波达到最高点，调整增益，使缺陷回波达到屏幕高度得80％，再次向主探头方向移动辅助探头位置，当缺陷波高变为40％时，记录此时的位置为离主探头52mm，反方向移动辅助探头，使缺陷波高变为屏幕高度的40％，记录此时位置为离主探头58mm位置。通过上述公式确定缺陷大小和方向：

缺陷与水平面夹角为：

缺陷最大长度当量为：Φ_f＝2(X₂-X₁)sinθ＝2×(58-52)sinθ＝3.4mm

利用本发明中的超声波探伤装置对高度为50mm，直径2mm的人工平底孔试块探伤，缺陷波高80％时增益为25dB，计算出缺陷当量大小为：

利用本发明中的超声波探伤装置计算得到缺陷最大长度当量为3.4mm，并判断出缺陷为线性缺陷，与水平面的夹角为16.5°。

利用传统缺陷当量计算方法，仅能得出当量为2.1mm的缺陷。

通过上述操作过程得到缺陷位置，再用线切割将缺陷横向切断，找到缺陷断面(如图所示)，测量缺陷长度为4mm，由此可见，利用此装置和计算方法所计算出的缺陷当量大小与实际缺陷大小更相近。

由结果可知，利用本发明中的超声波探伤装置对轧制钢板进行检测，判断出缺陷为线状缺陷，利用实验数据通过线性缺陷的计算方法计算出缺陷大小，得到的计算结果和实际缺陷长度更接近，而且从实验过程可以看出，对于有一定方向的缺陷也可以通过此装置测出，可有效防止缺陷漏检，而且还能够大致判断缺陷的形状，有助于对缺陷性质判断。

Claims (1)

1.一种轧制钢材缺陷的超声波探伤判定方法，其特征在于该方法具体步骤如下：

(1)准备超声波探伤装置及测试试块：

所述超声波探伤装置包括一个主探头和八个结构大小相同的辅助探头，所述主探头设置在正中间，八个所述辅助探头均布在所述主探头为圆心半径为R的圆周上，所述主探头与所述辅助探头之间通过传动杆相连组成整体，所述主探头发射信号并接收直线返回的回波信号，所述辅助探头接收回波信号，所述辅助探头能够在一定范围内移动的，通过改变所述辅助探头与所述主探头之间的距离R，能够对不同角度、不同深度的缺陷进行探伤；选用长方体轧制钢材的锻钢件作为测试试块，所述测试试块表面较光滑，在所述测试试块底部刻有人工线状缺陷；根据所述测试试块材质及检测要求，选择2～5MHz的主探头及辅助探头，将超声波探伤装置连接好并调整探伤仪增益及范围；

(2)所述超声波探伤装置中仪器参数确定：根据所述测试试块厚度L确定范围，使主探头显示器上仅显示始波和一次底波，进行小幅度调整延迟，使仪器中读取的所述测试试块厚度为L；

(3)根据标准规定的最小缺陷不漏检来确定仪器增益大小，增益调整值计算公式如下：

其中：φ为标准规定的最小缺陷当量，单位毫米(mm)；

P_Φ为缺陷反射声强，单位帕斯卡(Pa)；

P_B为缺陷底面反射声强，单位帕斯卡(Pa)；

L为测试试块厚度，单位毫米(mm)；

λ为波长，单位毫米(mm)；

将所述超声波探伤装置中闸门位置调整到一次底波上方，调整增益，使底波高度为满屏高度的80％，计此时增益为B，然后将增益调整到B+B₁；

(4)当所述主探头找到缺陷位置时，记录缺陷深度H_f，移动所述辅助探头，寻找缺陷回波，由接收到缺陷回波的辅助探头个数来确定缺陷形状类型，具体为：当只有主探头接收到缺陷回波信号时，判断缺陷类型为平底孔缺陷；当主探头接收到缺陷回波信号，同时还有一个辅助探头接收到回波信号，判断缺陷类型为线状缺陷；当主探头接收到缺陷回波信号，同时有2～3个辅助探头接收到回波信号，判断缺陷类型为面缺陷；当主探头接收到缺陷回波信号，同时有4个以上辅助探头接收到回波信号，判断缺陷类型为体缺陷；

当只有主探头接收到缺陷回波时，缺陷为平底孔缺陷，由平底孔计算公式得：

Φ_f为缺陷大小，单位毫米(mm)，Φ为对比试块人工缺陷大小，单位毫米(mm)，X、X_f分别为所述测试试块缺陷深度与对比试块缺陷深度，单位毫米(mm)，ΔdB为对比试块缺陷回波与所述测试试块缺陷回波之差，单位分贝(dB)；

当只有主探头和一个辅助探头接收到缺陷回波时，能够判断缺陷为线性缺陷，移动所述辅助探头，缺陷回波高度达到最高时，调整衰减器增益，将缺陷回波高度调整为满屏高度的80％，移动所述辅助探头，当缺陷波高为满屏高度的40％时，记录此时所述辅助探头位置X₁，向反方向移动所述辅助探头，当缺陷波高达到满屏高度40％时，记录此时辅助探头位置X₂，通过计算确定缺陷长度及角度：

由

得到缺陷角度θ为：

由三角形角度与边长的关系得到

即可求出缺陷大小为：

Φ_f＝2(X₂-X₁)sinθ；

式中：Φ_f为缺陷大小，单位毫米(mm)，θ为缺陷角度，单位为度，X₁、X₂为辅助探头位置，单位为毫米(mm)，H_f为缺陷深度，单位毫米(mm)。

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