張樂 趙赫 陳繼平

【摘 要】針對(duì)連鑄坯試樣中的人工缺陷，通過超聲波檢測技術(shù)進(jìn)行缺陷定位、定量和性質(zhì)估判，以及制作AVG曲線。研究超聲波探傷技術(shù)在連鑄坯試樣中人工缺陷探傷檢測中的應(yīng)用，并對(duì)缺陷作出詳細(xì)分析，為將來在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)連鑄坯中的缺陷進(jìn)行超聲探測分析提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】人工缺陷；超聲波檢測；試驗(yàn)研究

Ultrasonic testing of artificial defects in continuous casting billet samples

ZHANG LE ZHAO HE CHEN JI PNG

（Anhui university of technology，ma'anshan 243000，China）

Abstract：Aiming at the artificial defects in continuous casting billet samples，ultrasonic detection technology was used to locate，quantify and evaluate the defects，as well as to make AVG curves.The application of ultrasonic flaw detection technology in artificial flaw detection and detection of continuous casting billet samples was studied，and the defects were analyzed in detail，which provided a basis for ultrasonic flaw detection and analysis of continuous casting billet in actual production in the future.

Key words：Artificial defects；ultrasonic testing；experimental research

自從鋼鐵行業(yè)成為經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)之后，連鑄已經(jīng)成為了現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的重要工藝流程。隨著對(duì)連鑄技術(shù)的持續(xù)研究，例如高效連鑄、直接軋制和熱送熱裝等，連鑄以其生產(chǎn)效率高，自動(dòng)化程度高勞動(dòng)強(qiáng)度小，占據(jù)了主流。與此同時(shí)，人們也開始漸漸關(guān)注連鑄坯的質(zhì)量問題。其中，連鑄坯的內(nèi)部裂紋、疏松和縮孔為主要缺陷問題，其形成往往伴隨著嚴(yán)重的偏析線，對(duì)鋼材的均勻性和連續(xù)性造成很大的破壞[1]。目前，表面裂紋有諸多檢測手段：采用超聲表面波、Lamb波檢測方法中信號(hào)特征變化曲線可用于表面缺陷裂紋角度、長度、埋深等特征定量分析[2-3]。

但是對(duì)于檢測1000℃左右的連鑄坯內(nèi)部缺陷，由于溫度太高，導(dǎo)致檢測條件很困難，無論是儀器的研究和制造方面，還是超聲波檢測技術(shù)方面仍然處于初期。但是如果連鑄坯中的內(nèi)部缺陷不進(jìn)行檢查和安全評(píng)定，而盲目使用勢必會(huì)造成重大惡性事故，給企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此嘗試?yán)贸暡ǚ椒▽?duì)內(nèi)部孔洞缺陷的定量檢測，勢必要研究超聲波在內(nèi)部孔洞缺陷上傳播情況，通過攜帶了孔洞缺陷信息的輻射波，包含了孔洞缺陷的位置、尺寸等檢測和評(píng)估信息。通過準(zhǔn)確判定缺陷的種類，可以及時(shí)制定正確的檢測方案、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平。

1 試驗(yàn)對(duì)象與儀器

試驗(yàn)材料是鉆有平底孔的冷態(tài)連鑄坯小方塊，選用型號(hào)為Smartor X1的A型顯示脈沖反射數(shù)字式超聲波探傷儀，探頭選用SIUI的2.5Z20N圓形直探頭，耦合劑采用機(jī)油。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 校準(zhǔn)儀器

1）輸入方坯和探頭的基本參數(shù)。2）零點(diǎn)校準(zhǔn)：為了減少誤差，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，手動(dòng)調(diào)整。3）靈敏度調(diào)整：利用試塊上基準(zhǔn)反射體或工件底面作為靈敏度調(diào)節(jié)基準(zhǔn)，只要計(jì)算出該校準(zhǔn)基準(zhǔn)與所要求的靈敏度之間由分貝數(shù)表示的聲壓反射率差異，此dB差就是靈敏度調(diào)整量。基準(zhǔn)為大平底面，當(dāng)探測靈敏度所要求的聲程 ，則靈敏度調(diào)整量為 。需要將其第一個(gè)底面回波與噪聲信號(hào)進(jìn)行比較，背面回波至少應(yīng)比噪聲信號(hào)高6dB，靈敏度要求是 平底孔，但靈敏度應(yīng)放大到可以看到噪聲，約為平底孔 之間。

2.2檢測方向的選擇

連鑄坯的工藝流程一般為，將裝有精煉好鋼水的鋼包運(yùn)至回轉(zhuǎn)臺(tái)，回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到澆位置后，將鋼水注入中間包，中間包再由水口將鋼水分配到各個(gè)結(jié)晶器中去。結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心設(shè)備之一，它使鑄件成形并迅速凝固結(jié)晶拉矯機(jī)與結(jié)晶振動(dòng)裝置共同作用，將結(jié)晶器內(nèi)的鑄件拉出，經(jīng)冷卻、電磁攪拌后，切割成一定長度的板坯。再結(jié)合工藝澆注方向，一般表面邊緣區(qū)氧化渣多，且屬于檢測近場區(qū)，雜波多而影響判定；心部鐵水比較純凈，基本無氧化渣，所以應(yīng)選擇選擇兩個(gè)相互垂直的方向檢測。實(shí)際檢測中，檢測人員要視鑄件外形結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場具體狀況來判斷從哪個(gè)方向進(jìn)行檢測。對(duì)于形狀特殊的無法將底平面朝上放置，只能從上表面往下檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常波時(shí)，再從側(cè)面檢測。

2.3波形的分析

在超聲波探傷中，不同性質(zhì)的缺陷其反射回波的波形區(qū)別不大，往往難于區(qū)分，常見的估性方法有：1）靜態(tài)波形法；2）動(dòng)態(tài)波形法；3）底波法。

連鑄坯內(nèi)部普遍為不致密枝晶，其結(jié)構(gòu)組織不均勻且晶粒粗大，聲波在晶界面和不均勻結(jié)構(gòu)處會(huì)產(chǎn)生散射，示波屏上往往產(chǎn)生雜亂無章的叢狀回波。特別要注意的是異常波形從近場盲區(qū)就開始，且底波不可見，異常波形的表現(xiàn)形式為：一是鑄件背面回波的衰減；二是鑄件中間為異常波形[4]。但是圖1中均存在底波，紅圈內(nèi)的異常波峰②④，位于底波后面，經(jīng)分析應(yīng)屬于側(cè)壁干涉產(chǎn)生的。其中①③與相同區(qū)域的平底孔波形相比較，界面反射率低，波形寬大并帶有鋸齒，屬于夾渣、疏松或者對(duì)象表面粗糙造成的。

因此缺陷內(nèi)含物的聲阻抗對(duì)缺陷回波高度有較大的影響，常見1）夾渣：帶有棱角、界面反射率低，波形寬大并帶有鋸齒；2）縮孔：是一波多峰，幅度高，對(duì)底波有明顯影響；3）冷裂紋：回波較高，對(duì)底波影響明顯，移動(dòng)探頭時(shí)波形此起彼伏，變化較大。4）白點(diǎn)：聲阻抗很小，反射回波高，根部清晰的林狀間波；5）氣孔等內(nèi)含氣體：表面平滑，界面反射率高，波形陡直尖銳。它們都會(huì)形成不同的波形，甚至缺陷波形狀相似，為了更準(zhǔn)確地分析缺陷性質(zhì)，具體情況要進(jìn)一步進(jìn)行檢測和分析。

2.4缺陷對(duì)比分析

在超聲波探傷檢測技術(shù)的應(yīng)用過程中，常見的影響因素包括環(huán)境因素、技術(shù)因素、人為因素以及管理因素等等[5]。從而影響缺陷檢測的定位、定量的結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至造成漏檢或錯(cuò)檢。人為因素上，如果探傷人員在儀器調(diào)試時(shí)零點(diǎn)、K值等參數(shù)存在誤差或定位方法不當(dāng)；技術(shù)上，除了受現(xiàn)有的超聲波檢測技術(shù)發(fā)展本身局限性的限制外，同時(shí)也受所采用的設(shè)備的影響；環(huán)境因素上，探頭性能和工件的表面情況以及耦合狀況。以上種種因素，都會(huì)影響缺陷定位影響缺陷定位、定量。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集得到兩個(gè)缺陷位置 ，依照在一定探測靈敏度下所得的缺陷波高（高于或低于靈敏度基準(zhǔn)波高）的dB數(shù)，采用平底孔公式進(jìn)行定量計(jì)算得出 。因出現(xiàn)異常波形，從側(cè)面垂直于第一次掃查方向，進(jìn)行掃查得到圖2。

圖2中的①波形呈連續(xù)或斷續(xù)樹枝狀，一波多峰且回波反射較強(qiáng)，探頭移動(dòng)時(shí)多個(gè)回波此起彼伏，嚴(yán)重時(shí)影響底波。采用缺陷波高相對(duì)基準(zhǔn)反射體波高的百分比的方法，進(jìn)行當(dāng)量計(jì)算可得 。與上面計(jì)算差距較小，可認(rèn)為相對(duì)準(zhǔn)確。從②波形呈連續(xù)大區(qū)域低反射回波，移動(dòng)探頭時(shí)會(huì)出現(xiàn)波幅很低的不穩(wěn)定蠕動(dòng)動(dòng)態(tài)波形，提高靈敏度呈雜亂大區(qū)域，底波消失經(jīng)對(duì)比波形特征可判定為疏松缺陷。理論上②至底波區(qū)間應(yīng)該會(huì)有一個(gè)短橫孔缺陷，但是沒有探測到，估計(jì)能量被晶粒粗大疏松吸收損失過大導(dǎo)致的。這樣的結(jié)果不是我們想看到的，這樣的漏檢會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。

制作AVG曲線來表示回波聲程、幅度和缺陷當(dāng)量之間的關(guān)系見圖3。缺陷①和②出的波峰超出第一根線（2mm當(dāng)量），卻低于第二根線（3mm當(dāng)量），即該缺陷當(dāng)量大于2mm小于3mm。與上述平底孔當(dāng)量法計(jì)算的吻合，因此可認(rèn)為檢測準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

（1）該試驗(yàn)分析了連鑄坯的人工缺陷的波形，對(duì)比了采用當(dāng)量法和AVG曲線的缺陷當(dāng)量差異，并總結(jié)了連鑄坯常見缺陷所對(duì)應(yīng)的波形特征，為今后連鑄坯探傷中提供參考。

（2）雖然超聲波檢測作為檢測鋼制品質(zhì)量的一種有效方法，但是超聲波檢測的本身所固有的特點(diǎn)和局限性，再加上影響連鑄坯質(zhì)量的因素和缺陷的產(chǎn)生的原因是多方面的，應(yīng)充分了解工藝的基礎(chǔ)上，制定合理的檢測方案，還須與其他檢測方法配合使用，提高檢測質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚書芳、徐李軍.連鑄坯內(nèi)部裂紋的成形原因和防止措施[J].鋼鐵.2010，15（12）：95-99

[2 ]Edwards R S，Dixon S，Jian X.Enhancement of the Rayleigh Wave Signal at Surface Defects[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2004，37（16）：2291-2297

[3] Yun-Kyu A. Measurement of Crack-Induced Non-Propagating Lamb Wave Modes under Varying Crack Widths[J].International Journal of Solids and Structure，2015，62：134-143

[4] 唐愛國，孫存忠.鑄件缺陷的超聲波定性檢測[J].無損檢測.2017（36）：54-56

[5] 李樹軍，王志勇，牛曉光，董 國振，梁紅方.小徑管對(duì)接焊縫超聲波探傷規(guī)程、導(dǎo)則的應(yīng)用及缺陷波的識(shí)別[J].無損檢測.2012（34）：45-48

（作者單位：安徽工業(yè)大學(xué)）