CN111595937A - 一种超声波测定v型辊裂纹深度的方法 - Google Patents

一种超声波测定v型辊裂纹深度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波测定V型辊裂纹深度的方法，包括在轧辊辊肩以外的轧辊侧壁处设置一组相对的超声波发射装置和超声波接收装置的步骤，所述超声波发射装置的发射位置点与所述超声波接收装置的接收位置点距离轧辊轴线的距离相等；并且，所述发射位置点和接收位置点两点的连线与V型槽底所形成的圆在同一轧辊断面上的投影相交叉。

Description

一种超声波测定V型辊裂纹深度的方法
技术领域
本发明涉及V型轧辊质量无损探伤技术领域，具体涉及一种超声波测定V型辊裂纹深度的方法。
背景技术
现有技术中，条钢生产厂家在利用异形轧辊生产小方坯的过程中，经轧制一定量产品后，在V型辊V型槽底部会出现开裂情况，此时，如果不及时处理，在生产过程中就会出现V型辊断裂并造成事故。对于V型辊来说，最深的裂纹大多存在于V型槽底的中心位置，且此处裂纹越深，危害越大，有些开裂处，深度可达几十毫米。另一方面，由于此类轧辊自重较重，最适合的方式应该是在现场原地进行裂纹深度的探测。从V型辊本身来说，其整体外观尺寸较大，其中V型槽位于辊身靠近驱动一侧的位置处。
检索相关钢材裂纹深度探测的技术文件后了解到，对于V型辊的裂纹深度探测，由于外形、尺寸、及裂纹深度情况限制，使用着色、磁法检测深度会存在一定难度。有关表面开口裂纹的检测方法，有声表面波传播时间测量法、裂缝尖端的端部回波测量法等，方法大多用在平面钢材上下表面不穿透类型裂纹的开裂深度探测方面，在涉及到衍射信号探测时候，探测形式多采取一对相同参数的超声传感器裂纹两侧进行不同形式的测量。在应用在V型辊靠近V型槽底有弧度的表面时，如果采用类似方法，则需要对超声传感器接触面做出适应被测工件弧面的处理，以利于声波传入工件。而V型辊槽底裂纹深浅不定，如果采用诸如端部衍射法等通常需要固定角度斜探头入射声波的方式，则距离槽底远近不同，检测面弧度有所差异，势必给传感器制作造成麻烦。同时，上述方法在声信号微弱的情况下会导致衍射或反射信号难以辨识而不好使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以在不需要挪动V型辊的情况下，实现对生产现场V型辊V形槽底可能存在的裂纹深度进行探测的方法。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种超声波测定V型辊裂纹深度的方法，包括在轧辊辊肩以外的轧辊侧壁处设置一组相对的超声波发射装置和超声波接收装置的步骤，所述超声波发射装置的发射位置点与所述超声波接收装置的接收位置点距离轧辊轴线的距离相等；并且，
所述发射位置点和接收位置点两点的连线与V型槽底所形成的圆在同一轧辊断面上的投影相交叉。
作为本技术方案的进一步改进，所述发射位置点和接收位置点两点的连线与V型槽底所形成的圆在同一轧辊断面上的投影相切。
也作为本技术方案的进一步改进，超声波发射装置所发射的超声波频率范围在1MHz-5MHz之间。
作为本技术方案的更进一步改进，所述超声波发射装置所发射的超声波为纵波或横波。
还作为本技术方案的进一步改进，所述发射位置点距离轧辊侧壁边缘57mm范围内。
作为本发明的优选实施例，所述超声波发射装置所发射超声波到达V型槽底时，其设定声场宽度大于环状开裂面预估宽度。
也作为本发明的优选实施例，所述超声波发射装置和超声波接收装置为超声波传感器。
采用上述技术方案的超声波测定V型辊裂纹深度的方法，通过采用一种点对点的方式来测定V型辊槽底裂纹深度，技术上突破常规，以更方便操作人员实施的方式，在辊身端部实施深度探测，可以方便地、在不需要挪动V型辊的情况下，实现对生产现场V型辊V形槽底可能存在的裂纹深度进行探测。通过该方法，可以进行轧辊能否继续正常使用的前期安全判断，并为此类轧辊的使用经验积累提供量化分析手段。解决了目前V型辊在槽底的较深裂纹无法快捷方便地在现场实施深度探测评价的问题。
附图说明
图1为斜入射时的声压往复透射率计算结果；
图2为本发明检测方法中超声波入射点和接受点所处位置区域侧视图；
图3为本发明检测方法中超声波入射点和接受点所处位置区域、开裂面，以及超声波信号发射/接受路径的断面投影分布图；
图4为超声波在轧辊内部V型槽底和开裂断面位置处垂直入射到开裂断面的示意简图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。
分析V型辊整体外形和尺寸情况，本发明采用一种点对点方式的超声波测定V型槽底裂纹深度的方法，采用超声波频率范围在1MHz-5MHz之间，与V型槽底环状开裂断面发生作用的声波，可以采用纵波，或者横波，设计超声传感器到达V型槽底时候的声场宽度大于实际环状开裂面的宽度。裂纹深度测量采用两个超声波传感器，一个用作发射，另一个用作接收。发射位置点和接收位置点均位于轧辊侧壁距离边缘一定范围的环状边缘内、同一个与侧面圆形同心的圆弧上。并且在断面投影分布图上，两位置点的连线与裂纹反射面圆弧相切，以切点为从入射点入射到轧辊内的声束与开裂面相交的位置，那么在轧辊侧壁的接收点可以接收到与裂纹断面相作用后的声波信号，在入射声场分布稳定的情况下，声信号的强弱只与裂纹深度有关。
如图1所示，我们结合已有的斜入射时的声压往复透射率计算结果，对采用的声波模式，用TLL和TLS分别表示水-钢入射波分别转换成纵波和横波时的声压往复透过率，在水-钢入射波入射角αL小于第一临界角(14.53°)和第二临界角(27.27°)时，TLL均在25％以下，TLS能够达到接近40％以下，为了使得声信号能力尽可能大，采用折射横波可获得更大的往复能量。
结合图2和图3所示，V型辊上的V型槽开裂(裂纹11)一般处于V型槽10的槽底，虽然对于V型辊来说，还有其它类型的孔型底部的裂纹，如圆形底部的裂纹，但由于圆形槽的绝对深度不大，远小于V型槽深度，所以较容易得到检测。而深度最大的V型槽由于深度大(在本专利申请例中，V型槽10的深度为113mm，远大于深度分别为79mm和56mm的另外两个圆形底20和30)，这意味着按照V型辊的外形来看，如果采用超声波从较浅的圆形槽20或30的槽底发射声波入射到V型槽10槽底的开裂面上，难以接收到反射回来的信号。并且由于辊身侧壁存在辊肩40，对检测的实施也造成了阻碍(本专利申请例中，轧辊肩部留出来的侧壁边缘高度H也只有57mm)，也面临着和借助圆型孔来实施常规检测同样的困难。
在开裂初期，V型辊上的V型槽开裂大多沿着辊身垂直断面纵深方向发展，考虑到上述常规检测的困难，本技术方案可以在轧辊侧壁操作的，以一种点对点方式发射和接收的超声波测定V型辊裂纹深度方法，检测原理可以结合图2-4来说明。
图2中显示了检测方法中超声波入射点和接受点所处位置区域的侧视图，图中两个圆圈处即为检测入射点和接收点所处的辊身侧端的环带区域，其位于轧辊肩部40外部的辊身侧壁处。
检测采用两个超声波传感器，一个用作发射传感器，发射超声波进入轧辊中与V型槽底的开裂断面发生作用，另一个超声波传感器用作接收传感器，接收发射传感器经开裂断面反射后的超声波信号。发射位置点和接收位置点均位于轧辊侧壁的环状边缘，该环状边缘是除去了轧辊辊肩40安装区域后，在辊身侧壁自然留出来的、宽度为57mm的环状区域(图中H所标示的区域)。本方法的检测发射/接收点处于该环状区域内，且在检测过程中，要求两点距离轧辊轴线的距离相同，也就是检测点和入射点位于轧辊侧壁距离边缘57mm范围内、同一个与侧面圆形同心的圆弧上。
图3中显示了检测方法中超声波入射点和接受点所处位置区域、开裂面，以及超声波信号发射/接受路径在与轧辊垂直的断面上的投影分布图。图中左侧图为V1孔型侧视图，图中右侧图为开裂环和检测区在辊断面上的投影图。
从图中可以看到，由于一般V型槽底的裂纹一般都是环绕辊身的、沿着垂直于辊身方向向内发展的开裂，所以开裂断面在轧辊断面上投影图为一个与辊身投影同心的圆环50(即图中的灰色圆环，圆环的宽度即为裂纹11的裂纹深度)，该圆环在检测深度时，就是可以对入射超声波进行反射的裂纹反射面。图3中标出了用于检测深度的传感器入射点A和接收点B的位置，该两点距离轧辊轴线的距离(AO与BO)相同，在轧辊侧壁距离边缘57mm范围内(即图中H所标示的区域，对应为检测入射点和接收点所述的辊身侧壁的环带60)、同一个与侧面圆形同心的圆弧上，并且在断面投影分布图上，两位置点的连线与裂纹反射面圆弧相切(图中T为切点)，如图中所示，由于从侧视图分析，入射点A和接收点B处于轧辊侧壁(即图中H所标示的侧壁区域)，而开裂断面位于与侧壁相平行的开裂断面平面内(本实施例中为相距255mm)，如果以断面圆环上的切点T为从入射点A入射到轧辊内的声束与开裂面相交的位置，那么在轧辊侧壁的接收点B则可以接收到与裂纹断面相作用后的声波信号，由于该声信号的设计宽度大于预计的开裂深度，所以开裂面积与声束作用的面积大小，就会直接影响到声信号的强弱，而在入射声场分布稳定的情况下，该面积大小只受到裂纹深度的影响。辊肩区域半径61的圆外部形成的环带60即为入射点和接收点所处的区域。
图4可以进一步比较直接的说明这个作用过程，从图4中可以看出，根据前述的入射和接收方式，入射超声波实际上是实现了在轧辊内部V型槽底和开裂断面位置处垂直入射到开裂断面上，这样就可以形成最大的反射能量，更有利于深度测量。图中的箭头为检测声波入射及反射路径(该入射声波的声束宽度大于开裂断面宽度)。
采用如上方法对带有已知的、不同深度裂纹的同型号轧辊进行深度测量，在同样的检测条件下，就会得到不同强度信号的超声波信号，这样就形成了校准后的信号强度与裂纹深度之间的对应数值样本，为以后未知深度的实际裂纹深度测定，提供了测深依据。
该点对点方式的超声波测定V型辊裂纹深度方法时，在轧辊被磨削后辊身直径减小的情况下，两个探测传感器在轧辊侧壁外沿环带内的相对位置均需要调整，均保持与轧辊轴心的距离不变，并保证两只传感器相向发射和接收超声探测信号，以实现对不同磨削深度的裂纹深度探测。

Claims (7)

1.一种超声波测定V型辊裂纹深度的方法，其特征在于，包括在轧辊辊肩以外的轧辊侧壁处设置一组相对的超声波发射装置和超声波接收装置的步骤，所述超声波发射装置的发射位置点与所述超声波接收装置的接收位置点距离轧辊轴线的距离相等；并且，
所述发射位置点和接收位置点两点的连线与V型槽底所形成的圆在同一轧辊断面上的投影相交叉。
2.根据权利要求1所述超声波测定V型辊裂纹深度的方法，其特征在于，所述发射位置点和接收位置点两点的连线与V型槽底所形成的圆在同一轧辊断面上的投影相切。
3.根据权利要求1所述超声波测定V型辊裂纹深度的方法，其特征在于，超声波发射装置所发射的超声波频率范围在1MHz-5MHz之间。
4.根据权利要求1或3所述超声波测定V型辊裂纹深度的方法，其特征在于，所述超声波发射装置所发射的超声波为纵波或横波。
5.根据权利要求1所述超声波测定V型辊裂纹深度的方法，其特征在于，所述发射位置点距离轧辊侧壁边缘57mm范围内。
6.根据权利要求1所述超声波测定V型辊裂纹深度的方法，其特征在于，所述超声波发射装置所发射超声波到达V型槽底时，其设定声场宽度大于环状开裂面预估宽度。
7.根据权利要求1所述超声波测定V型辊裂纹深度的方法，其特征在于，所述超声波发射装置和超声波接收装置为超声波传感器。
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