水浸探头对1Cr21Ni5Ti钢棒材底波监控的影响

罗经晶，王勇灵，姜毅敏

（1.上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200240；2.宝钢特钢有限公司，上海 200940）

棒材水浸超声波检测是将被检棒材置于水中，水为耦合剂，使用水浸探头实现探头与被检棒材的非接触式检测。探头发射的超声纵波，经过水进入到被检棒材内部，通过分析反射波，对被检棒材内部进行检测［1－2］。

在对棒材的检测过程中，通常使用超声波检测方法控制产品内部品质；对表面品质控制采用漏磁、涡流等检测方法，也可以使用超声斜入射检测方法。对于有加工余量要求的棒材，只要超声波检测的盲区小于加工余量要求时，也符合质量控制要求。当使用水浸直射波方法检测棒材时，越来越多的使用底波监控技术作为辅助评估手段。在对棒材的验收等级中，有些标准也加入了底波验收要求。例如：AMS－STD－2154A（2012）标准在直射波检测中规定：在所有的质量等级中，当被检材料底波损失超过50%，同时伴有不小于2倍背景噪声的噪声信号时，都应拒收［3］。

由于被检棒材内部组织的不均匀或不连续性的不同方向等，会造成对棒材进行检测时，即使棒材内部具有不连续性，也不一定会产生反射信号。但是，此时往往都会伴随底波的损失，这就是进行底波监控的最大意义。同时，掌握被检材料底波情况，也是进行衰减补偿的重要前提［4］。

1 水浸法超声波的检测优势和影响因素

棒材超声波检测常用方法有：接触法和水浸法。对被检棒材进行底波监控采用接触法检测时，由于被检棒材表面曲率和检测人员手持探头扫查时力量不均匀，很容易造成底波的变化，从而对检测结果产生影响。当使用自动化设备采用水浸法检测时，可以避免以上的问题。

对棒材进行水浸法超声波检测时，影响底波监控的因素有很多，例如：设备稳定性、检测参数设置、被检材料表面状况和探头的选择等。笔者主要对1Cr21Ni5Ti不锈钢棒材进行底波监控时，选择不同的探头对底波监控的结果是否产生影响，探讨探头的频率、聚焦类型、水程距离三种因素变化对底波监控的影响。

2 试验方案

水浸超声波检测试验选择的被检不锈钢棒材材质为1Cr21Ni5Ti，规格为φ110 mm×300 mm。棒材表面经车削加工，符合1.0mm 平底孔（FBH）灵敏度检测要求；选取被检棒材上200 mm 长度作为扫查范围，扫查方式如图1所示。

图1 水浸超声检测扫查方式示意

试验方案分下列三步：

（1）为了确认被检棒材表面是否对底波监控产生影响，试验应先进行一次界面波监控。

（2）采用1.0mm 平底孔灵敏度检测被检棒材内部，了解材料内部组织情况。为便于比较，试验前在被检材料上采用机加工方式加工1.2 mm 和2.0mm 平底孔各一个，孔深均为10 mm，如图1所示。

（3）选取水浸探头，分别以40mm 间距设置若干水程距离，对棒材进行扫查，设置采集闸门监控底波水平。试验选取的水浸探头参数如表1所示。

表1 选取水浸探头参数

3 试验过程

3.1 界面波监控

在进行界面波监控时，应首先调整探头垂直于被检棒材，使得探头的中心线与被检棒材的中心线重合。然后将界面波初始波高设为40%满屏高度（FSH），数据采集闸门设置在界面波上。最终得到C扫描图如图2所示。再运用LS－200B系统集成的图像评估软件PROCESS，对图2 分析后得出图3所示的结果。

图2 1Cr21Ni5Ti不锈钢棒材界面波C扫描图

图3 界面波C扫描图数据统计（不包括FBH）

由图2和3可以得出：①被检棒材的表面状况是比较均匀的，其中有两个部分波高比较低（如图2中1.2mm 和2.0mm 平底孔处所示），是由于声束发射到1.2mm 和2.0mm平底孔上，使得界面波降低。②图3的数据统计结果看出：表面反射波的高度都集中在很小的区间范围内，表明被检棒材的表面状况比较理想，对反射波高的影响很小。

3.2 1.0mm 平底孔当量灵敏度扫查

对被检棒材进行1 mm 平底孔当量灵敏度检测。最终得到C扫描图如图4所示。

使用LS－500B水浸超声检测系统，1＃探头为点聚焦，5MHz，焦距152／mm，平底孔埋深为1／4D、1／2D和3／4D处，（D材为棒直径），检测灵敏度 为1.0mm 平底孔、80%满屏高度、TCG 曲线，轴向步径为1mm，圆周步径为1mm，扫查距离为200mm，棒材旋转速度为30转／分，脉冲重复频率为500Hz。

由图4所示的C 扫描图可以得出：①1.2mm和2.0mm 人工平底孔可以清晰显示。②在被检棒材360°圆周方向，材料组织的信号反射不均匀。

3.3 试验数据

选择1＃探头进行底波监控。一次底波设置为40%满屏高度，水程距离（WP）分别取152，112，72mm，其它超声参数和1.0mm 平底孔当量灵敏度检测设置一致。得出的C扫描图如图5所示。

图4 1Cr21Ni5Ti不锈钢棒材1mm 平底孔灵敏度C扫描图

对上述C 扫描图像，运用图像分析软件PROCESS进行数据分析。同理，对另外几个探头采用同样的超声检测参数设置，得到的数据汇总后如表2所示。根据表2中的数据，得出如图6所示的各种探头底波监控结果关系图。

表2 不同探头的C扫描数据统计

图5 1Cr21Ni5Ti不锈钢棒材不同水程距离底波监控C扫描图

图6 各种探头底波监控曲线关系

从表2和图6中可以看出：①同一个探头在设置不同水程距离时，底波监控的结果有差异；②不同类型的探头底波监控的结果也有差异。

为了更好的对数据结果进行分析，将表2的数据换算成dB值，得到的数据见表3。根据表3中的dB值数据，得出图7所示的各探头底波监控结果柱状图。

表3 不同探头C扫描数据换算成幅值 dB

图7 各种探头底波监控结果柱状图

4 试验分析

①从所有试验结果看：采用2.25 MHz点聚焦探头，将焦点落在被检棒材上表面时（见表3试验编号8），底波监控效果最好。不仅所有的底波波幅都在±6dB（20%～80%满屏高度）范围内，而且各个点底波波高的标准偏差也最小，表现在C 扫描上的结果为图像色彩比较均匀。

②当使用同一个探头进行底波监控时，比较每个探头在水程设置不同时的试验结果看：选择不同水程对底波监控结果影响明显。当把水程距离设为探头焦距长度时，底波波幅变化最小。

③从试验编号14～20可以看出，底波最大值和最小值的差值最小为15.7dB，因而采用平探头不适用于1Cr21Ni5Ti不锈钢棒材的底波监控。

④从表3试验1和11、试验4和13的结果比较看，同频率的点聚焦和线聚焦探头对1Cr21Ni5Ti不锈钢棒材底波监控的结果差异不大。

5 结语

（1）试验选用棒材1Cr21Ni5Ti是奥氏体不锈钢材料，晶粒比较粗大（经测量晶粒度为6级）。对晶粒比较大的棒材进行底波监控时，应尽量采用频率较低的聚焦探头，并且将水距设置为探头焦距时，底波幅值变化较小。

（2）棒材检测时，设置灵敏度有时需要衰减补偿。衰减补偿的依据是比较对比试样和被检棒材的底波波幅水平。从试验结果看，棒材底波衰减情况是不均匀的。为了保证实际检测中对不连续性不会产生漏检，从保守的角度出发，应该选择被检棒材上底波最低时，与对比试样上底波进行比较，进行衰减补偿。

（3）在选取被检棒材制作对比试样前，不仅应对选取的棒材进行高一等级的灵敏度检测，还应进行一次底波监控的检测，获取对比试样内部组织的衰减情况，尽量将人工伤加工在样棒底波衰减最大的地方。

［1］ASTM E 1001－11Standard Practice for Detection and Evaluation of Discontinuities by the Immersed Pulse－Echo Ultrasonic Method Using Longitudinal Waves［S］.

［2］中国特种设备检验协会编写.超声检测［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

［3］AMS－STD－2154A—（2012）Inspection，Ultrasonic，Wrought Metals，Process For［S］.

［4］Mike K，Thadd P.Inspection Development for Titanium Billet－Engine Titanium Consortium PhaseⅡ［R］.［s.1］［s.n］.2005.