铸坯内部夹杂物的超声检测评价

邹 兵 黄亚俊 张国星

(1.上海宝华国际招标有限公司，上海201900；2.上海梅山钢铁股份有限公司，上海210039；3.宝山钢铁股份有限公司，上海201900)

夹杂物的检查主要涉及夹杂物的分布情况、大小、种类、数量等方面。超声波检测应用广泛，但大多需要对被检测件进行粗加工，以使被检测件在表面、内部组织等方面都处于比较理想的检查状态。采用直探头纵波对铸坯检测，铸坯粗大晶粒的晶界会对声波形成较强的散射，在时域上形成随机分布的大量“草状波”背景噪声，对检测不利。所以，目前相关的实验结果不是很多[1]。在本文中，我们介绍了对铸坯内部夹杂物采用聚焦声场进行检测评价的设备和应用效果。

实现聚焦声场对铸坯夹杂物的检测关系到两个方面，一是采用聚焦声场能够实现的检测连铸坯夹杂物的灵敏度；二是在满足连铸坯夹杂物检测需求的情况下，对一定尺寸的夹杂物，能够检测到的距离样品表面的深度。聚焦换能器的焦距局限在近场区范围内，对于点聚焦换能器，最大的实际焦距为0.8倍的近场长度。

最大的实际聚焦长度Fl为：

(1)

式中，D是换能器直径；λ是波长；N是近场长度。

(2)

归一化焦距SF为：

(3)

式中，F是换能器在水中的聚焦长度。

超出SF的聚焦设计将引起弱聚焦，与非聚焦探头相比，弱聚焦根本无法体现出聚焦产生的能量集中的效果。在聚焦长度选定的状态下，实际的换能器测量聚焦长度是由被检测材料的性质决定的，其主要原因是由于不同材料的声速差异，所以选定探头的焦距长度之前必须参考待确定的被检测材料的厚度、声速、和检测方式，以及耦合液体的性质。由于一般而言，大多数材料的声速均大于超声波在水中的声速，耦合液选取水，材料为钢，两者的纵波声速相差约为4倍。实际检测时聚焦的改变情况可以用下述公式表示：

WP=F-MP(ctm/cw)

(4)

式中，WP是水层厚度；MP是焦点在材料中的深度；ctm是被检材料中的声速；cw是水中的声速。

聚焦区长度和聚集声束宽度可以判断换能器声能集中的效果，它们和聚焦换能器的频率、直径和聚焦长度都有关系，可以根据被检测样品外观尺寸、检测任务的不同，经过计算后进行折衷选取。如果聚集声束宽度边界以相比聚焦声场轴线上最大声压处声能下降-6dB处为确定条件，则有：

BD(-6dB)=1.02Fc/fD

(5)

式中，BD是声束宽度；c是材料中的声速；f是检测频率。

同样，如果聚焦区长度边界以相比聚焦声场轴线上最大声压处声能下降-6dB为确定条件，则焦斑长度为：

(6)

1 聚焦声场检测设备介绍

1.1 铸坯夹杂物聚焦声场检测设备

本文研制的铸坯夹杂物超声检测系统主要用于对铸坯样品进行宏观洁净度的评价以及板材的高灵敏度内部缺陷检查，图1为检测系统组成示意图。检测系统包括超声检测单元、运动控制单元、检测结果分析单元以及检测结果输出单元。出于保证聚焦声场检测高灵敏度对样品的要求，设备配有样品表面磨光制样装置。

检测物理过程为：样品置于水槽，发射脉冲激励超声换能器探头产生高频超声波，超声波经过C扫描装置中的液体耦合进入连铸坯试样，一部分在试样表面产生反射，一部分进入连铸坯试样。在试样内传播的超声波，当其遇到声阻抗与连铸坯基体材料有明显差异的情况时，即产生反射，叠加在整个反射回波序列中。整个反射波经超声换能器接收后转变成电信号，经由A/D转换卡将模拟信号转变成数字信号传入计算机，再通过数字信号处理，达到抑制噪声，突出夹杂物信号的目的，进而能提取出表征夹杂物的信号，完成对试样中夹杂物情况的检测。根据夹杂物的多少和分布情况，给出夹杂物的检测结果，最后显示检测结果的C扫描图像和生成检测报告。

图1 铸坯夹杂物聚焦声场检测系统组成示意图Figure 1 Illustration of focused ultrasonic field test system fabrication of casting blank inclusion

本文所研制设备可以在10 min内对尺寸1 200 mm×300 mm×80 mm的铸坯样品完成内部夹杂物的检测评价，检查灵敏度最佳可达到50 μm，大大优于相应坯料轧成厚板后检测的灵敏度。

设计针对的待检铸坯样品的体积较大，重量约300 kg左右。为了提高检查的效率，设计了相应的检测结构配合实现宏观夹杂物的检测分析，涉及到水槽、水槽托座、水槽水平调整结构、运动扫查架。各部分的指标如下：

(1)样品水槽：尺寸是1 400 mm×600 mm×300 mm，自重60 kg。

(2)样品水槽托座：尺寸是1 400 mm×600 mm×100 mm，自重500 kg，承重2 500 kg。

(3)手动样品水平调整机构行程：0～40 mm。

(4)超声扫查架运动范围：1 250 mm×600 mm×200 mm。空间重复定位精度≤±0.10 mm；单轴重复定位精度≤±0.05 mm：最大运动速度≥500 mm/s。

(5)检测系统：尺寸为2 000 mm×1 000 mm×1 900 mm，重量约3 000 kg。

1.2 铸坯夹杂物聚焦声场检测系统软件

检测系统程序完成设备灵敏度调试、运动控制、检测任务和检测结果的输出，包括控制探头的运动、发射脉冲激励探头发射超声波等，采集信号的处理和存储，对夹杂物缺陷信息的提取，C扫查检测结果的成像，及检测报告的生成和打印输出。根据实际需要，检测系统软件能交互式的完成操作者对系统的各种参数设置、命令控制，并自动的按照设置要求完成扫描检测并生成检测报告。

铸坯夹杂物聚焦声场检测设备软件系统包括伺服电机运动控制、脉冲发射/接收控制、数据采集控制、检测参数设定等控制功能，在检测过程中还具有当前位置回波波形显示、B(C)扫描成像、信号处理、夹杂物统计、检测结果的三维显示、保存和打印检测结果报告等显示处理功能。采用分组式任务管理，按操作人员、任务、单位等分类存储检测结果信息。在从进入检测界面到检测结束的处理流程中，使信息登记、检测条件设置、检测过程执行、检测结果保存、检测结果再处理、调出、报告生成等环节符合检测操作者的一般视窗操作规范。

连铸坯内部夹杂物超声检测设备的一些控制处理流程，如脉冲发射/接收控制，相关的检测条件设定和存储采用独立线程调用，通过对接口函数的操作来完成设定，或者可以通过调用初始化函数来自动完成对检测条件的重新设定，该初始化设置是按照一定的数据结构文件对某种实验情况下的检测条件的保存，超声波脉冲发射/接收的控制流程见图2。开发脉冲发射/接收控制程序主要是存取和设定超声脉冲检测条件，配合检测系统的主线程或者在检测进行之前快速做出检测条件等的初始化设定。超声信号采集和处理的控制流程与脉冲发射/接收控制界面的情况相似，超声信号数据采集控制流程见图3。

图2 超声波脉冲发射/接收的控制流程Figure 2 Control flow chart of ultrasonic pulse emission and receiving

图3 超声信号数据采集控制流程Figure 3 Control flow chart of ultrasonic signal data gathering

1.3 检测结果分析统计

检测系统要完成对夹杂物信号的检测和对夹杂物的评定，需要对夹杂物信号进行统计处理。对是否为夹杂物的判断通过是否超过设定阈值来判断。如果超过阈值，该点则被记为有夹杂物点，并且对该点坐标位置相邻点也进行比较，来判断是否为更大的夹杂物。图4说明了对夹杂物总面积和最大夹杂物面积的统计过程。最大夹杂物统计方法根据检测的编码位置，可以将相应C扫描结果数组中的夹杂物按其是否相连进行判断并依次编号。在判断当前夹杂物点中，要依次判断其周围已判点是否也为夹杂物，以保证相连夹杂物做相同标记。

图4 检测到的夹杂物回波信号统计处理流程Figure 4 Statistical and handling flow chart of detected inclusion echo signal

图5 对样品检测方式示意图Figure 5 Sketch of detected specimen manner

2 铸坯夹杂物检测系统应用实验

2.1 对两块铸坯样品的检测对比实验

对提取的两块铸坯样品(980 mm×280 mm×60 mm)经检测表面处理后，按图5检查方式，控制聚焦换能器在样品的检测表面上方的平行平面内平行移动并作逐点检查，扫查步长2 mm，检测时间8 min。检测结果见图6，图6中的点是对检测点(2 mm×2 mm)内部有缺陷超标的标识。可以看到A样品的中心区域夹杂物密集分布，右上角有小块的集中分布；而B样品靠近边部两侧夹杂物分布比中心区域要多。对比两块铸坯样品的结果，可以看出内部缺陷分布的数量和分布位置存在较大差异。图7是对图6(a)样品检测条件和检测评价情况的输出。

图6 铸坯样品夹杂物检测系统对 两块铸坯样品的检测结果Figure 6 Test results of two pieces of specimen by detection system of casting blank sample inclusion

图7 检测条件和检测结果输出Figure 7 Test condition and result output

2.2 对样品的解剖检测结果

利用精密加工磨床对检测结果进行解剖验证。解剖逐层进行，在解剖之前，对检测到的夹杂物位置进行了确定，通过磨床将样品从表面加工到存在目的夹杂物的深度后，以每层0.1 mm的厚度进行解剖并结合光学显微镜的观察交替对夹杂物进行统计查找。解剖结果表明，在检测成像显示存在夹杂物的位置有相应的夹杂物存在，并且分布情况和检测系统超声成像的结果相符。图8为根据检测到的夹杂物位置对样品进行解剖后，得到的和检测结果相对应的夹杂物形貌。

3 结论

研究表明，采用聚焦声场设备可以有效的对铸坯样品内部夹杂物实施检查评价，快速实现对大体积的钢材样品进行内部夹杂物的宏观检测评价，是一种重要的评价钢材质量的新手段。

图8 对铸坯样品内部夹杂物的解剖验证Figure 8 Anatomic verification of specimen inclusion

[1] (译文)[意].G.Canella, F.Monti, L.Pedicell, A.L’Erede, 钢的液浸法超声探伤中应用不同聚焦探头分辨微小夹杂物的几种效果. 译自10th World Conference on Nondestructive Testing