方坯軋材超聲波探傷設備的技術改進

尹 平，周久圣

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

近年來，超聲波無損探傷技術在交通、建筑、鋼鐵、化工等行業領域中受到廣泛的青睞。它是一門在不破壞原工件的基礎上，運用聲、光、電磁等物理因素對加工制品內部質量進行判定和檢測的技術［1］。相對于傳統的探傷檢測技術，不論是經濟成本、操作高效性和便捷性，還是檢測人員安全性，超聲波探傷技術都更勝一籌。

馬鋼特鋼方坯生產線利用超聲波無損探傷技術自動檢測方坯內部的缺陷、亞表面缺陷等，適用的產品主要是140 mm～250 mm 車軸鋼、彈簧鋼等公司主力產品。目前，系統已上線穩定運行，并取得一定的經濟和管理效益。隨著用戶對產品的質量等級要求越來越嚴格，設備原設計不能適應檢測性能提升的需求，本文在結合生產實際情況下，對系統設備進行了優化改造，不斷提高方坯生產水平和產品質量。

1 超聲波無損檢測技術分析

隨著我國現代工業的飛速發展，為生產高質量的材料提供保障，研究先進的探傷檢測技術成了檢測人員迫在眉睫的任務?，F代探傷檢測技術主要有兩種，有損和無損探傷檢測。顧名思義，有損探傷需要破壞原工件的內部結構，對其進行切割、剖面等探傷檢測。而無損探傷檢測技術是利用聲、光、電磁等物理學因素，并結合相關儀器設備對材料內部進行缺陷探傷檢測［2］。無損探傷檢測主要有射線檢測、磁粉檢測、超聲波檢測、滲透檢測、渦流檢測等五種常見的技術［3］。超聲波檢測技術基于近幾年聲學領域的迅速發展，其檢測的高效、便捷、安全等特性，受到各行業領域的歡迎。

1.1 超聲波無損檢測原理

超聲波的聲波頻率高于20 000 Hz，是人們無法聽見的聲波。但超聲波傳播有其獨有的特點：頻率高、波長短、方向性好、穿透能力強、能夠傳遞信息等［4］。工程上正是利用這些特點將其運用到探傷檢測領域。

超聲波探傷檢測是利用超聲波穿透至介質的內部，從一個截面進入到另一個截面，遇到材料不均勻時，便會發生發射現象，從而可以檢測出材料是否存在缺陷。方坯是通過軋機軋制而成，在生產過程中，會產生表面或者內部的缺陷。當超聲波在方坯中傳播時，遇到缺陷發生反射，根據反射回波的電壓脈沖波形確定缺陷的位置和大小。缺陷的形狀不同，超聲波的返回規律也不同，從而可以確定其大小。根據聲速和聲波在介質中的傳播至缺陷所需的時間可以測定缺陷的距離R。

式中：c——材料中的聲速；

t——聲波遇到缺陷時的來回傳播時間［5］。

1.2 超聲波無損檢測方法

常用的工業超聲波檢測方法主要有脈沖波法和共振法，其中脈沖波法又分成脈沖反射法和脈沖穿透法。根據本系統采用的檢測原理，主要采用的是脈沖反射法。脈沖反射法根據聲波在傳播過程中，彈性介質中質點的振動方向與波的傳播方向之間的關系，可分為縱波、橫波、表面波和板波等［6］。不同的檢測方法適用不同的鋼材材料。下文主要介紹和本系統有關的檢測方法。

1.2.1 縱波法

質點的振動方向與波的傳播方向相互平行的波稱為縱波。當介質受到往復壓應力的時候，質點之間就會產生相應的伸縮應變，從而形成縱波?？v波可以在固體、氣體、液體三大類介質中傳播?？v波法進行工件質量探測主要利用直探頭垂直發射縱波信號至工件探測面，遇到缺陷面，反射脈沖信號，通過接收脈沖信號測定缺陷。該方法可以檢測鑄造、鍛壓、軋材及其制品的探傷。本系統中主要利用縱波法檢測軋件的內部缺陷，該方法與探測面平行的缺陷檢出效果最佳。

1.2.2 橫波法

質點的振動方向與波的傳播方向相互垂直的波稱為橫波。當介質受到交變的剪切力作用時，就會發生形變，從而產生橫波。由于承受交變應力的介質只有固體類，所有橫波只能在固體中傳播，不能在氣體和液體中傳播。橫波在探測工件時，會收到工件上、下斷面多次反射后的脈沖波。該方法主要用于管材、焊縫等的探傷檢測，其它試件進行探傷時，可以作為輔助設備手段。

1.2.3 表面波法

表面波可以看成是縱波和橫波的合成。當介質表面受到交變應力時，波沿著介質表面傳播，稱為表面波。表面波只能發生在固體介質的表面，在兩種介質的表面或近表面進行傳播。由于表面波法只能沿著試件的表面或亞表面進行傳播，所以只能檢測試件的表面缺陷。

本設備的無損探傷方法主要是通過探傷支架及噴淋水系統將縱波直探頭的探頭晶片耦合到被測方坯表面，形成水膜法超聲檢測方式（探頭與被檢方坯的水層間距約為：0.3～1 mm）。該檢測方式廣泛適用于方坯及板坯等鋼材的超聲檢測，其檢測優點是檢測靈敏度高、結構簡單易維護、檢測消耗小、經濟實用且污染??；其缺點是受檢測方坯外形及表面光潔度影響較大，尤其是邊角部位可能無法形成有效水膜，導致檢測信號異常，產生盲區。

2 超聲波探傷技術在方坯質量檢測中的應用

2.1 方坯探傷檢測系統設計及設備概述

超聲波探傷檢測設備原系統設計采用64 通道超聲波掃查的方式，主要用于自動檢測方坯的內部缺陷、亞表面缺陷，適用于140～250 mm 車軸鋼、彈簧鋼等產品的質量檢測，系統主體設備主要有超聲波主機、人機界面、PLC控制系統、集成板卡系統、耦合水循環系統、探頭架及探頭、噴標系統等組成。圖1為方坯超聲波自動檢測系統設備架構。

圖1 方坯超聲波自動檢測系統設備架構

2.2 工藝流程介紹

生產前首先對探傷系統中的“看門狗”設備高度進行調整，以匹配被檢坯料的規格要求，利用“看門狗”的防撞拒止功能對探傷主機進行保護。其次是被檢測鋼坯經過拋丸機對表面進行拋丸處理后，經拋丸輸送輥道將棒料送入“看門狗”，待坯料的頭部到達噴淋位置后啟動預噴淋系統，待主機入口對射元件檢測到坯料料頭時，夾緊輪和探頭按照程序規定指令依次夾緊并開始進行探傷作業，待坯料拖尾后，探頭及夾緊輪再依次松開，此階段探傷結果經板卡集中處理后顯示在人機界面HMI 上，隨后噴標系統會根據檢查結果自動執行噴標作業，探傷結束。

工藝流程詳細介紹如下：

（1）當PLC 控制器接收到方坯頭部傳感信號后，首先通過交互控制通訊與主控系統建立應答機制，啟動探傷程序。

（2）同時向氣動缸驅動器發出指令，使探頭壓至被檢物料表面，并開啟耦合水，為物料探傷做好準備。

（3）開始探傷，由主控機通過信號處理單元向探頭發送激勵信號，開始超聲波探傷，待信號處理單元接收到回波信號后，對其進行采集、A/D 轉化等處理后傳輸至主控機。

（4）主控探傷程序實時智能判斷檢測信號是否為缺陷回波，如果是缺陷回波，則通知PLC 控制器啟動打標裝置，對物料缺陷進行打標。

（5）主控程序全程監控檢測過程，并實時保存檢測數據，待PLC 控制器接收到物料尾端信號后，停止探傷，并啟動物料分選功能，對其有無缺陷進行分選。

（6）探傷結束后，主控探傷程序形成探傷報告，并通過智能判定給出探傷結果。

圖2為探傷工藝流程圖。

圖2 探傷工藝流程

2.3 設備結構

本工藝流程中涉及的“看門狗”和預噴淋裝置的結構功能如下。

（1）“看門狗”安全防護裝置

“看門狗”安全防護裝置主要由底座、縱向定位定向吸震裝置、橫向手動開閉裝置、前后安全防護板、防護板間距調整裝置及高度微調裝置組成，圖3為參考圖樣。

圖3 “看門狗”結構示意圖

底座由厚板焊接而成，堅固耐用，并可調整高低及水平。

縱向定位定向吸震裝置：當棒材撞擊前端導套時，由縱向定位定向吸震裝置吸收棒材撞擊產生的沖擊力。

橫向手動開閉裝置：當棒材因彎曲卡死在“看門狗”中時，人工手動使縱向開閉裝置打開，推出彎曲度超過設定值的棒材，使之不再進入聯合檢測平臺。

前后安全防護板及防護板間距調整裝置：“看門狗”裝置棒材進出口均設有導套，此導套數量規格一般根據用戶產品生產大綱設計制造，用戶不提供產品生產大綱時根據樣棒規格設計制造。

（2）預噴淋裝置

預噴淋裝置用于方坯超聲檢測前對被檢工件表面的預潤濕，以保證方坯超聲檢測耦合效果，利用工業水或自來水進行預潤濕，水壓≤4 kg/cm2，流量≤10 m3/h。

3 超聲波探傷設備技術改造和優化

3.1 設備現狀和必要性

結合公司現有的產品優化升級、管理體系貫標等要求，方坯超探設備為應對新要求仍存在以下主要問題：

（1）原設備經過長時間運行后，設備功能精度缺失，不能保證設備的正常工作和持續穩定運行，因此需要對設備進行升級改造。

（2）原設備探頭運行中會承受較大的側向力，導致探頭架使用一段時間后，形變較大，造成支架斷裂，設備故障率較高。

（3）超探設備需要應對新的產品規格，原規格匹配需要重新升級電控系統和PLC 控制代碼，并提升整體的檢測精度。

3.2 系統設備改造方案

根據方坯質量超聲波探傷設備檢測中存在的問題，以及產品質量提升對設備檢測能力和檢測精度的要求，對方坯質量超聲波探傷設備進行改造的技術方案如下：

（1）對探頭架重新進行設計，保證探頭架的側向力為最小，保證探頭不受到嚴重的沖擊。

（2）重新設計和構建電氣控制系統，以適應新的產品規格提升帶來的檢測要求。

（3）對主機機械部分進行解體，重新更換和優化機械設計，適應新的探頭架系統，同時帶來更好的易維護性。

（4）改進現有探頭，減少探頭數量，使得探頭的頻率和尺寸都最大限度滿足靈敏度的檢測要求。

3.3 系統設備改造詳細設計

3.3.1 超聲波探頭架的改造

超聲波探頭架改造前采用垂直壓下方式，鋼坯穿過探頭架時，側向力較大，應力難以釋放，造成探頭架頻繁刮擦脫落、斷裂。圖4 為探頭架垂直壓下結構的方坯超探內部結構示意圖。

圖4 探頭架垂直壓下結構的方坯超探內部結構示意圖

使用新設計的探頭架系統替代原來的探頭機械系統，方坯超探設備機械部分由原來探頭架采用垂直壓下方式變為擺動壓下方式。圖5為改造后探頭架擺動壓下結構內部布置示意圖。

圖5 探頭架擺動壓下結構內部布置示意圖

更改的探頭架系統的設計避免了原設備承受過大側向力、探頭架易變形的缺點，有效保證了設備的運行穩定性。

3.3.2 控制系統優化改造

（1）增加新的升降控制部分，以保證產品規格提升所要求的多規格適應性。

（2）增加新的PLC模塊及控制程序，確保PLC控制與探傷主機和工控機之間通訊的可靠性和穩定性。

（3）重新編制故障自診斷程序，方便更快解決和處置現場設備異常問題。為了和新系統的接口匹配，有必要進行重新設計和構建，以適應用戶新要求和高標準。

（4）新的超聲波系統與原有的PLC 系統要進行通訊，需要重新開發接口和通訊方式來和原有的PLC系統兼容，從而實現完整的自動化探傷過程。

3.3.3 機械系統改造

為了適配新的探頭架系統，同時考慮到原設備的部分部件經過多次維修，精度已經降低，因此需要對原設計的主機部分進行解體更換，并同步根據現場需求和設計要求進行相應優化，以確保設備機械精度更高，提高機械設備的使用壽命，保證檢測設備整體的檢測精度。主要工作包括更換絲桿、氣缸等關鍵部件，關鍵的懸掛裝置進行重新制作加工。具體改造要點如下：

（1）重新定制機械懸掛系統，優化機械抱緊裝置和探頭夾持裝置，使得整體機械浮動機構和探頭夾持裝置工作穩定性更好，機械抱緊裝置實用性更強。

（2）重新定制探頭架固定裝置，確保設備檢測精度的穩定性。

（3）修復整體框架，恢復整體機械的精度和穩定性。

（4）為了防止鐵銹堵住出水孔，對探頭的耐磨靴進行優化設計，并加大出水孔尺寸，同時能夠對孔有沖洗功能。

（5）改進水箱清理模式，能夠方便清理水垢，提高系統可維護性。

3.3.4 超聲探頭改造

為了在保證檢測精度的前提下，盡可能減少探頭數量并提升設備的可維護性，對原使用的超聲探頭進行改造，具體改造要點如下：

（1）改進原超聲探頭，改造后的超聲探頭可以檢測更廣的范圍，滿足新的生產工藝需求。

（2）改進探頭耦合系統，使得探頭耦合系統能適應新探頭的使用。

3.3.5 改進和優化信號傳輸系統

由于該設備已經發現有探頭線破損，干擾信號容易進入超聲系統，造成設備的信號抖動失真，從而導致超聲信號不穩定、不可靠，設備不能正常使用，因此我們本次對探頭線進行全面升級，全面更換破損的探傷信號線，升級成雙層屏蔽信號線，另外對設備的接地進行重新排查，使用雙接地方式，全面排查設備現有干擾。

3.4 系統改造效果

（1）升級改進原探傷平臺上的探頭架系統，提升設備的生產穩定性。

（2）配套升級原設備的機械主機系統，適應新的探頭架系統，提升設備的可維護性。

（3）升級改造原設備的電控系統，適應產品規格的升級，并提升設備的總體精度。

（4）保證檢測精度的前提下，優化檢測探頭，減少探頭的裝機量，減少備件的庫存數量。

（5）改造后的設備故障率大幅降低，設備故障維修時間及故障停機時間減少，設備的有效使用率得到提升。

（6）本項目以高度自動化、工藝最優化為改造目標，同時預留遠程設備運維數據接口，兼容設備遠程診斷、點檢的設備狀態數據化功能，為設備遠程智能運維提供有效數據支撐。

4 結語

超聲波探傷技術在工業生產領域得到廣泛的應用。本文主要分析其技術原理和使用方法，將其運用到棒材質量檢測中。為滿足客戶的需求，并結合生產實際，對系統設備技術進行了升級和改造。目前，系統已上線穩定運行，改造優化后的系統提高了探傷的精度、可靠性、穩定性等，保障了客戶對產品質量的高要求。