钢材检测中的超声波自动化探伤研究

朱柳忠

（江阴兴澄特种钢铁有限公司）

0 引言

高铁是设计时速超250km／h的铁路，高铁是安全高效的现代运输方式，随着高铁运行速度提高，对零部件加工质量要求不断提高。动车车轴是高速列车关键部件，车轴行驶中出现故障会产生严重后果。高铁车轴毛坯质量达不到要求是部分依赖进口的主要原因。车轴钢坯是生产原料，存在质量缺陷会在加工中遗留在车轴内。目前毛坯无损检测靠人工使用超声波探伤仪手动探伤，劳动强度大，制约我国高速动车的发展。在回转零件无损检测中，自动超声波探伤设备起到重要作用。要求探头在回转零件圆柱表面完成扫描工作，设备占地面积较大，结构复杂，限制了实际推广应用。目前自动探伤设备对非圆截面零件缺少自动化设备，导致零件无损检测依赖人工。急需对车轴钢坯自动检测设备。

1 钢材检测超声波探伤技术的发展

随着制造业的蓬勃发展，工厂提出生产周期中监测机械部件质量的要求。各国积极研发新型检测技术设备，开发数字化检测设备。为保证大荷载的大型零件质量，提出钢材坯料进行遍历超声波无损探伤的要求［1］。为提高检测可靠性，开发智能化超声波无损检测系统成为建设铁路装备重要研究方向。很多国家重视超声无损检测技术，目前瑞士、日本等发达国家主要采用大型在线超声波探伤设备对钢材在线检测。

随着中国高铁事业的发展，对列车零部件要求不断提高。车轴易发生损伤，保证生产质量对确保列车运行安全性意义重大。保证方钢材料质量是工作重点。超声波检测分为手动与自动化探伤，手动探伤仪具有使用灵活等优点，但存在探伤时间长，劳动强度大等缺点，我国钢材生产厂家对钢材坯料无损探伤不够重视，现阶段主要采用人工手持超声波探头对钢材进行无损探伤。人工探伤速度效率较低，易影响探伤质量［2］。钢材工件表面质量不同，影响检测结果与效率。超声波检测设备多在电路中集成带通滤波器去噪，国内众多研究机构开展钢材超声波自动探伤设备的研究，通过结合手持式超声波探伤仪开发自动探伤设备有利于减轻人员劳动负担。

坯料无损检测对保证加工件质量具有重要意义，加工为轴料后发现缺陷会浪费材料。提高坯料缺陷检测能力是保证加工轴件质量的基础。坯料无损检测技术手段包括涡流探伤、超声波探伤等。1929年苏联科学家提出可使用超声波检测金属内部缺陷，很多学者投入超声波探伤研究中。1949年德国科学家研制出A型超声波探伤仪，使得探伤仪具有实用的探伤功能，能检出锻件等缺陷［3］。超声波探伤仪大面积推广，随着计算机技术的发展，超声波环能器精度不断提高，使得超声波探伤仪交互性提高。

2 钢材检测超声波自动化探伤技术研究

超声探伤是利用超声波检测缺陷的技术，机械振动是某质点在回复力作用下作周期性运动，振动频率是波的固有特性，可根据频率辨别不同声波。声波频率超过20kHz时为超声波，低于20Hz为次声波。超声波在频率、能量等方面具有很多优点，常应用于工业领域。应用中会因材料不同选择不同超声频率检测。频率在1～10MHz间的超声波常用于对金属材料进行检测。超声波探伤是利用超声波产生反射进行检测，超声波检测是无损检测学术研究的活跃领域。

超声波探伤仪是对工件发射超声波接的电子设备，苏联科学家Sokolov在1929年提出采用连续超声波穿透性探测物体缺陷，Mulhanser提出不连续检测方法，1964年开发出具有实际用途的探伤仪。基于不连续理论的A型脉冲反射式超声波探伤仪广泛应用于机械制造等工业。随着电子元器件的快速发展，超声波探伤仪向智能化等方向发展。各大制造厂大多采用A型超声波扫描方式对钢材质量检测，手动检测大量金属合金原材料导致原材料堆积。探伤人员需紧盯仪器波形图像显示，长时间检测易导致视力疲劳。由于钢材通常体积大，为确保材料检验准确性，需研制现场检查的检测设备［4］。为减轻探伤人员负担，工件探伤工人探查动作趋向于机械代替，由于工件检测特征不同，超声波检测方案差异性大，超声波检测系统向小型化方向发展。

传统便携式超声波探伤仪使用中由工人手持探头检测构件，探伤方法工作效率低，手工操作各环节易引入误差，如手动扫描造成局部漏检等。近年来开始发展自动超声波探伤设备。涡流探伤常用于材料表面探伤，近年来微处理器不断发展，目前自动超声波探伤仪造价昂贵，导致自动超声波探伤仪应用不普及。自动超声波探伤仪主要在内轴类零件开发，开发钢类零件自动检测超声波探伤设备具有重要意义。缺陷定位是工业生产超声波检测中的关键问题，获取探伤回波是工件探伤系统的综合响应，国内外关于工业生产超声波无损检测信号研究围绕智能识别方面进行，用于超声波回波信号处理方法有频域分析等。超声波反射回波是宽带信号。经典时域内分析效果一般，经典傅里叶变换频域分析对非平稳信号无法同时分析。

3 自动化超声波探伤在钢材检测中的应用

SONOTROTM66钢材检测器是NDT技术公司运用的非损伤性检测系统，覆盖100%表面，采用高性能压电晶体制成探头，探头运转由电子脉冲产生高频脉波进入钢材，缺陷表面大反射能量大，操作方式为脉冲回声模式［5］。超声波测试方法是基于超声波频率对不同波形，超声波进入材料后产生机械振动，材料声学特性对超声波传播产生影响。检测中通过使用压电晶片发射超声波，探头基于脉冲反射原理，超声波进入材料后，声波被反射探头通过观察波形反射能量了解缺陷大小。测试中通过纵横波完成。纵波适合检测钢板内部分层，横波用于检测钢板表面缺陷。

为使超声波进入材料，反射探头需靠近材料，钢材超声波探伤中多用水耦合剂。超声波探伤装置是完整的系统，由数据系统、报告输出系统等子系统组成，需配套运输辊道、打正机等。检测探头安装在伺服驱动架探头机座，最窄的钢材要求测试一个通道。探头在支架内执行倾斜功能，探头表面与工件水平接触。为实现100%探伤需要一定速度检测元件，探头间超声波应100%覆盖，探头必须与被测材料接近。检测探头安装在小车上能横向移动，伺服驱动能与钢材边部保持同步。自动化控制系统将主操作员与现场操作柜联锁，系统把采集数据发送给视频检测器操作员，功能包括通过计算机可调节灵敏度、补偿范围，自动报警及监测不良耦合等。

钢材位置检测靠光电开关动作实现，根据需要进行来回检测。光电开关PC101动作表明钢板进入测试区，钢材将探头覆盖后加速至2m／min进行超声波探伤，完成扫描后减速运行，检测中系统使用传感器检测钢板边缘，纵向架有16个高温传感器，摄像机定位在探头家测量钢板宽度，探头能上下移动，保证测试中与钢板表面接触。探头表面安装高效防腐材料制作防磨装置。自动化监测中注意工件表面状态良好，工件进入水槽前用高压水冲洗。

4 结束语

超声波检测系统能100%覆盖材料表面，探头与钢材表面良好耦合。检测缺陷尺寸精度达到最小，计算机系统能判断钢材缺陷。本文针对高铁车轴钢坯超声波探伤系统进行研究，采用移动探伤平台便携超声波探伤仪，确定探伤平台嵌入式控制系统功能，通过上位机对探伤平台控制，具有良好的交互界面。目前解决方案采用在售超声波探伤仪，可针对探伤系统设计专用探伤仪。目前不能识别缺陷类型，未来研究可开发智能识别系统识别缺陷类型。