超声波雪深测量仪

第一篇：超声波雪深测量仪

如图是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图

如图是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图.测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度.图b中P

1、P2是测速仪发出的超声波，n

1、n2分别是P

1、P2由汽车反射回来的信号.设测速仪匀速扫描，P

1、P2之间的时间间隔△t=0.8s，超声波在空气中传播的速度是v=340m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图b可知，图中每小格表示的时间是 0.027 秒，汽车在接收到P

1、P2两个信号之间的时间内前进的距离是 13.6米.

分析：由题意可知，P

1、P2的时间间隔为0.8秒，根据图b所示P

1、P2的间隔的刻度值，即可求出图中每小格表示的时间;以及P

1、n1和P

2、n2之间间隔的刻度值.可以求出P

1、n1和P

2、n2之间的时间，即超声波由发出到接收所需要的时间.从而可以求出超声波前后两次从测速仪汽车所用的时间，结合声速，进而可以求出前后两次汽车到测速仪之间的距离.

解答：解：P

1、P2的间隔的刻度值为30个格，时间长为0.8秒，因此图中每小格表示的时间为t=

0.8s 30 =0.027s;

因为P

1、n1之间间隔的刻度值为12，所以对应的时间为0.32秒;P

2、n2之间间隔的刻度值9，所以对应的这两点之间对应的时间为0.24秒.

P

1、n1之间的时间为超声波第一次从测速仪发出后遇到行进的汽车又回来所用的时间，所以超声波传播到汽车所用的时间t1为0.16秒.由此可以求出汽车在接收到p1的信号时汽车与测速仪之间距离：S1=vt1=340m/s×0.16s=54.4m;

同理可求出汽车在接收P2信号时汽车与测速仪之间的距离：S2=vt2=340m/s×0.12s=40.8m. 由此可知，汽车在接收到P

1、P2两个信号之间的时间内前进的距离：S=54.4m-40.8m=13.6m.

故答案为 0.027，13.6.

点评：本题综合考查速度和声波的计算，确定声音传播的时间是本题的难点，注意紧扣公式然后找出相关物理量才是解答本题的关键.

水缸穿裙子，天就要下雨是什么物理现象

水缸“穿裙子”是指在盛水的水缸外表面，平着水面所在位置往下，出现一层均匀分布的小水珠

下雨前，大气中水蒸气含量增加，而水缸中水面以下的部分温度较低，水蒸气接触缸壁遇冷液化成小水滴，附着在水缸外表面上，于是水缸便穿上了裙子。

给一定质量的水加热，其温度与时间的关系如图中a图线所示.若其他条件不变，仅将水的质量增加，则温度与时间的关系图线正确的是(填字母)，如果其他条件不变，增加水上方的大气压强，则水的温度与时间的关系图线变为图中的(填字母).

分析：液体的沸点跟液体上方的大气压有关，压强越大，液体的沸点越高.只增加水的质量，只能是从加热到沸腾的时间加长，不会改变水的沸点.

解答：解：其它条件不变，增加水的质量，从开始加热到沸腾的时间会增加，但是水的沸点不变，图象c符合题意.

如果其他条件不变，增加水上方的大气压强，水沸点会升高，图象b符合题意. 故答案为：c;b.

点评：水的沸腾实验是初中热学中一个重要的实验，要从图象上找到水的

第二篇：超声波检测

超声波无损检测

NDT (Non-destructive testing)，就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态(如合格与否、剩余寿命等)的所有技术手段的总称

无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反应了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。我国在1978年11月成立了全国性的无损检测学术组织——中国机械工程学会无损检测分会。此外，冶金、电力、石油化工、船舶、宇航、核能等行业还成立了各自的无损检测学会或协会;部分省、自治区、直辖市和地级市成立了省(市)级、地市级无损检测学会或协会;东北、华东、西南等区域还各自成立了区域性的无损检测学会或协会。我国目前开设无损检测专业课程的高校有大连理工大学、西安工程大学、南昌航空工业学院等院校。在无损检测的基础理论研究和仪器设备开发方面，我国与世界先进国家之间仍有较大的差距，特别是在红外、声发射等高新技术检测设备方面更是如此。

无损检测的应用特点

a.无损检测的最大特点就是能在不损坏试件材质、结构的前提下进行检测，所以实施无损检测后，产品的检查率可以达到100%。但是，并不是所有需要测试的项目和指标都能进行无损检测，无损检测技术也有自身的局限性。某些试验只能采用破坏性试验，因此，在目前无损检测还不能代替破坏性检测。也就是说，对一个工件、材料、机器设备的评价，必须把无损检测的结果与破坏性试验的结果互相对比和配合，才能作出准确的评定。

b.正确选用实施无损检测的时机：在无损检测时，必须根据无损检测的目的，正确选择无损检测实施的时机。

c.正确选用最适当的无损检测方法：由于各种检测方法都具有一定的特点，为提高检测结果可靠性，应根据设备材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式，预计可能产生的缺陷种类、形状、部位和取向，选择合适的无损检测方法。

d.综合应用各种无损检测方法：任何一种无损检测方法都不是万能的，每种方法都有自己的优点和缺点。应尽可能多用几种检测方法，互相取长补短，以保障承压设备安全运行。此外在无损检测的应用中，还应充分认识到，检测的目的不是片面追求过高要求的“高质量”，而是应在充分保证安全性和合适风险率的前提下，着重考虑其经济性。只有这样，无损检测在承压设备的应用才能达到预期目的

二、超声波检测(UT)

1、超声波检测的定义：通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

2、超声波工作的原理：主要是基于超声波在试件中的传播特性。a.声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件;b.超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变;c.改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析;d.根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

3、超声波检测的优点：a.适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测;b.穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件;c.缺陷定位较准确;d.对面积型缺陷的检出率较高;e.灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷;f.检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。

4、超声波检测的局限性a.对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究;b.对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难;c.缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响;d.材质、晶粒度等对检测有较大影响;e.以常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无直接见证记录。

5、超声检测的适用范围a.从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料;b.从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等;c.从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等;d.从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米;e.从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。

超声波无损检测在无损检测焊接质量验收中非常重要

来自：soundrey 2007年1月22日10:45

化工企业在厂房建设及设备安装中大量使用钢结构，钢结构的焊接质量十分重要，无损检测是保证钢结构焊接质量的重要方法。

无损检测的常规方法有直接用肉眼检查的宏观检验和用射线照相探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤等仪器检测。肉眼宏观检测可以不使用任何仪器和设备，但肉眼不能穿透工件来检查工件内部缺陷，而射线照相等方法则可以通过各种各样的仪器或设备来进行检测，既可以检查肉眼不能检查的工件内部缺陷，也可以大大提高检测的准确性和可靠性。至于用什么方法来进行无损检测，这需根据工件的情况和检测的目的来确定。

那么什么又叫超声波呢?声波频率超过人耳听觉，频率比20千赫兹高的声波叫超声波。用于探伤的超声波，频率为0.4-25兆赫兹，其中用得最多的是1-5兆赫兹。利用声音来检测物体的好坏，这种方法早已被人们所采用。例如，用手拍拍西瓜听听是否熟了;医生敲敲病人的胸部，检验内脏是否正常;用手敲敲瓷碗，看看瓷碗是否坏了等等。但这些依靠人的听觉来判断声响的检测法，比声响法要客观和准确，而且也比较容易作出定量的表示。由于超声波探伤具有探测距离大，探伤装置体积小，重量轻，便于携带到现场探伤，检测速度快，而且探伤中只消耗耦合剂和磨损探头，总的检测费用较低等特点，目前建筑业市场主要采用此种方法进行检测。下面介绍一下超声波探伤在实际工作中的应用。

接到探伤任务后，首先要了解图纸对焊接质量的技术要求。目前钢结构的验收标准是依据GB50205-95《钢结构工程施工及验收规范》来执行的。标准规定：对于图纸要求焊缝焊接质量等级为一级时评定等级为Ⅱ级时规范规定要求做100%超声波探伤;对于图纸要求焊缝焊接质量等级为二级时评定等级为Ⅲ级时规范规定要求做20%超声波探伤;对于图纸要求焊缝焊接质量等级为三级时不做超声波内部缺陷检查。

在此值得注意的是超声波探伤用于全熔透焊缝，其探伤比例按每条焊缝长度的百分数计算，并且不小于200mm。对于局部探伤的焊缝如果发现有不允许的缺陷时，应在该缺陷两端的延伸部位增加探伤长度，增加长度不应小于该焊缝长度的10%且不应小于200mm，当仍有不允许的缺陷时，应对该焊缝进行100%的探伤检查，其次应该清楚探伤时机，碳素结构钢应在焊缝冷却到环境温度后、低合金结构钢在焊接完成24小时以后方可进行焊缝探伤检验。另外还应该知道待测工件母材厚度、接头型式及坡口型式。截止到目前为止我在实际工作中接触到的要求探伤的绝大多数焊缝都是中板对接焊缝的接头型式，所以我下面主要就对焊缝探伤的操作做针对性的总结。一般地母材厚度在8-16 mm之间，坡口型式有I型、单V型、X型等几种形式。在弄清楚以上这此东西后才可以进行探伤前的准备工作。

在每次探伤操作前都必须利用标准试块(CSK-I A、CSK-ⅢA)校准仪器的综合性能，校准面板曲线，以保证探伤结果的准确性。

1、探测面的修整：应清除焊接工作表面飞溅物、氧化皮、凹坑及锈蚀等，光洁度一般低于▽4。焊缝两侧探伤面的修整宽度一般为大于等于2KT+50mm，(K:探头K值，T：工件厚度)。一般的根据焊件母材选择K值为2.5探头。例如：待测工件母材厚度为10mm,那么就应在焊缝两侧各修磨100mm。

2、耦合剂的选择应考虑到粘度、流动性、附着力、对工件表面无腐蚀、易清洗，而且经济，综合以上因素选择浆糊作为耦合剂。

3、由于母材厚度较薄因此探测方向采用单面双侧进行。

4、由于板厚小于20mm所以采用水平定位法来调节仪器的扫描速度。

5、在探伤操作过程中采用粗探伤和精探伤。为了大概了解缺陷的有无和分布状态、定量、定位就是精探伤。使用锯齿形扫查、左右扫查、前后扫查、转角扫查、环绕扫查等几种扫查方式以便于发现各种不同的缺陷并且判断缺陷性质。

6、对探测结果进行记录，如发现内部缺陷对其进行评定分析。焊接对头内部缺陷分级应符合现行国家标准GB11345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》的规定，来评判该焊否合格。如果发现有超标缺陷，向车间下达整改通知书，令其整改后进行复验直至合格。

一般的焊缝中常见的缺陷有：气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等。到目前为止还没有一个成熟的方法对缺陷的性质进行准确的评判，只是根据荧光屏上得到的缺陷波的形状和反射波高度的变化结合缺陷的位置和焊接工艺对缺陷进行综合估判。对于内部缺陷的性质的估判以及缺陷的产生的原因和防止措施大体总结了以下几点：

1、气孔：单个气孔回波高度低，波形为单缝，较稳定。从各个方向探测，反射波大体相同，但稍一动探头就消失，密集气孔会出现一簇反射波，波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。产生这类缺陷的原因主要是焊材未按规定温度烘干，焊条药皮变质脱落、焊芯锈蚀，焊丝清理不干净，手工焊时电流过大，电弧过长;埋弧焊时电压过高或网络电压波动太大;气体保护焊时保护气体纯度低等。如果焊缝中存在着气孔，既破坏了焊缝金属的致密性，又使得焊缝有效截面积减少，降低了机械性能，特别是存链状气孔时，对弯曲和冲击韧性会有比较明显降低。防止这类缺陷产生的措施有：不使用药皮开裂、剥落、变质及焊芯锈蚀的焊条，生锈的焊丝必须除锈后才能使用。所用焊接材料应按规定温度烘干，坡口及其两侧清理干净，并要选用合适的焊接电流、电弧电压和焊接速度等。

2、夹渣：点状夹渣回波信号与点状气孔相似，条状夹渣回波信号多呈锯齿状波幅不高，波形多呈树枝状，主峰边上有小峰，探头平移波幅有变动，从各个方向探测时反射波幅不相同。这类缺陷产生的原因有：焊接电流过小，速度过快，熔渣来不及浮起，被焊边缘和各层焊缝清理不干净，其本金属和焊接材料化学成分不当，含硫、磷较多等。防止措施有：正确选用焊接电流，焊接件的坡口角度不要太小，焊前必须把坡口清理干净，多层焊时必须层层清除焊渣;并合理选择运条角度焊接速度等。

3、未焊透：反射率高，波幅也较高，探头平移时，波形较稳定，在焊缝两侧探伤时均能得到大致相同的反射波幅。这类缺陷不仅降低了焊接接头的机械性能，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点，承载后往往会引起裂纹，是一种危险性缺陷。其产生原因一般是：坡口纯边间隙太小，焊接电流太小或运条速度过快，坡口角度小，运条角度不对以及电弧偏吹等。防止措施有：合理选用坡口型式、装配间隙和采用正确的焊接工艺等。

4、未熔合：探头平移时，波形较稳定，两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一侧探到。其产生的原因：坡口不干净，焊速太快，电流过小或过大，焊条角度不对，电弧偏吹等。防止措施：正确选用坡口和电流，坡口清理干净，正确操作防止焊偏等。

5、裂纹：回波高度较大，波幅宽，会出现多峰，探头平移时反射波连续出现波幅有变动，探头转时，波峰有上下错动现象。裂纹是一种危险性最大的缺陷，它除降低焊接接头的强度外，还因裂纹的末端呈尖销的缺口，焊件承载后，引起应力集中，成为结构断裂的起源。裂纹分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹三种。热裂纹产生的原因是：焊接时熔池的冷却速度很快，造成偏析;焊缝受热不均匀产生拉应力。防止措施：限制母材和焊接材料中易偏析元素和有害杂质的含量，主要限制硫含量，提高锰含量;提高焊条或焊剂的碱度，以降低杂质含量，改善偏析程度;改进焊接结构形式，采用合理的焊接顺序，提高焊缝收缩时的自由度。

冷裂纹产生的原因：被焊材料淬透性较大在冷却过程中受到人的焊接拉力作用时易裂开;焊接时冷却速度很快氢来不及逸出而残留在焊缝中，氢原子结合成氢分子，以气体状态进到金属的细微孔隙中，并造成很大的压力，使局部金属产生很大的压力而形成冷裂纹;焊接应力拉应力并与氢的析集中和淬火脆化同时发生时易形成冷裂纹。防止措施：焊前预热，焊后缓慢冷却，使热影响区的奥氏体分解能在足够的温度区间内进行，避免淬硬组织的产生，同时有减少焊接应力的作用;焊接后及时进行低温退火，去氢处理，消除焊接时产生的应力，并使氢及时扩散到外界去;选用低氢型焊条和碱性焊剂或奥氏体不锈钢焊条焊丝等，焊材按规定烘干，并严格清理坡口;加强焊接时的保护和被焊处表面的清理，避免氢的侵入;选用合理的焊接规范，采用合理的装焊顺序，以改善焊件的应力状态。

以上所总结的几个方面还不够全面，有待于在实际工作中不断地总结和完善，为化工企业生产把好质量关。

第三篇：超声波图文详解

超声波探伤原理(初学者入门篇)

超声波是频率很高的声波，定向性很强，尤如手电筒发出的一束光，射到物体时，会被反射回来。超声波探头内，有个压电晶片，施加一个发射脉冲电压，就会产生超声波脉冲，当把探头压紧在光洁的被测工件上时，超声波束就会传入工件，以每秒数千米的声速前进，当碰到裂缝等缺陷时，从缺陷表面反射回来，传回到探头晶片上，产生回波电压。经仪器处理后，从声波来回所花费时间，再扣除掉晶片到探头表面保护膜所化的时间(称作探头零点)，乘上声速就是超声波脉冲走过的路程称作声程，也就是从探头表面，声波入射到工件的点(称作入射点)到缺陷之间的距离，同时从回波电压大小也可推算出缺陷大小。由于发射时晶片强裂振动，震动哀减下来需要一定时间，此期间收到的回波混在余震中无法区别，故最小探测距离一般为5mm以上。如要探测近距离缺陷，需用频率高阻尼好的探头或双晶探头。

当声波前进到工件底部时，也会产生反射。反射方向同镜子反光规则，即垂直射入时，垂直反射回;斜射时，反射角等于入射角，且在法线两侧。如果工件底面平行于放置探头的探测面，垂直反射的回波仍能被探头接收到，而且工件底面面积一般来说远比缺陷大，故底面回波幅度也远比缺陷波幅度大。

底面回波简称底波。底波回传到探测面时，又会产生反射，又会向底面传播，如此来回反射，形成2次底波，3次底波，4次底波等等。由于存在扩散现象，反射损耗，吸收损耗等，各次底波会越来越小，经过一段时间后，能量就会耗尽，再起动下一次发射。每秒发射次数称发射重复频率，探头移动速度快时，要求较高发射重复频率，否则会造成漏检。

如果工件底面同探测面不平行，根据反射角等于入射角原理，反射波偏向一边，底面反射波就回不到探头，也就收不到底波，故工件的上下面不平行时，是看不到底波的。同理，如工件内部缺陷面平行于波束传播方向，也是收不到缺陷回彼的。如缺陷面垂直于波束传播方向，收到的缺陷回波会最大，所以要根据缺陷最可能的方向，尽量选择探伤灵敏度高的探测面探伤，或选不同方向探测面反复探测，如找不到合适的探测面，也可改用斜探头。

斜探头内的晶片是倾斜安装的，射出的超声波束也是斜线进入工件的。为表明倾斜程度，用工件内波束方向同探测面垂线之间的夹角表示。角度越大，波束越倾斜;声程在水平方向上的分量(也可叫投影)所占比例越大，垂直分量比例越小。常用的60度斜探头，水平同垂直之比为1.73比1(60度正切函数值)，也可用这个比值称为K值来表示，故K = 1.73就是60度的斜探头，而K = 0是斜探头的特例，即称为直探头，没有水平分量，垂直分量就是声程。

斜探头常用于焊缝探伤，因为焊缝表面高低不平，不能用直探头直接在焊缝上探伤，而且缺陷往往平行于焊缝，直探头的声束和缺陷面的夹角很小，也不易发现缺陷。由于斜探头的声束是倾斜进入工件的，可以避开高低不平的焊缝表面，在焊缝一侧探伤，而且声束和缺陷面的夹角比较大，尤其是先入射到底面再斜着反射的声束正好垂直于缺陷表面，能产生比较大的反射波，容易检测到缺陷，这也称为2次波探伤。随着探头朝远离焊缝方向移动，一直可以探到焊缝最上部，不过再移下去声束会先打到上表面，再斜着反射下来，也可打到焊缝，形成3次波探伤。但是路程越远回波强度越弱，应尽量不用。用1次波探到的缺陷深度，就等于声束走过的垂直分量;用2次波探到的缺陷深度不等于垂直分量走过的路程之和。缺陷越浅，垂直分量走过的路程之和反而越大。例如板厚20mm，声束的垂直分量走过35mm(缺陷波出现在刻度垂直分量35mm处)，这表明声束的垂直分量走20mm，碰到底面后反射向上走15mm(3515)。读者可在纸上画示意图理解。

由于超声波在传递过程中，强度会遂步衰减，相同大小的缺陷，在不同深度时，缺陷回波的高度是不一样的，不能用某一波高一刀切来定缺陷大小。为了帮助判断缺陷大小，用曲线来表示某一大小的缺陷回波高度同深度的关系。直探头探伤往往用AVG曲线，斜探头用DAC曲线。

超声波探头必须同工件表面紧密接触，中间那怕一层极薄的空气，也会产生极大衰减，在工件上刷耦合剂(例如机油)就能减少耦合损失。如工件表面光洁度不好，而曲线是对试块做的，那末根据两者光洁度的差别，探伤时，应对增益(仪器放大量)增加一些，以补偿耦合损失。补偿量大小可凭经验确定，也可通过先测一下底波或某一大缺陷波的波高和增益dB数，再把探测面磨光洁，重新测一下底波或某一大缺陷波达到原来波高时增益减小的dB数，就是所需补偿量。这也积累了经验。知道了光洁度程度和补偿量大小关系，通常，对加工过表面，如没有试块那样平整光洁，就补偿6dB左右，末加工过表面，差别很大，最好按上法做一次试验。如曲线是对工件自身做的，就不需补偿。

超声波探伤仪不是计量仪器，不能像如游标卡尺一样，直接读出尺寸，而是有点像内外径卡一样先卡一下工件大小，再在尺子刻度上量出尺寸。由于回波高度同仪器灵敏度高底，发射脉冲强度，探头效率，工件表面光洁度，缺陷大小，缺陷深度，缺陷面方向，缺陷面对超声波的反射能力等因素有关，所以只能用比较的方法(用已知缺陷大小来比)，来探测末知缺陷，并以相对已知标准缺陷来表达所探测缺陷大小。例如等效φ3平底孔大小，实际缺陷不一定是园孔，也不大可能是平底，方向很可能是倾斜的，后二个因素会造成反射波减小，所以实际缺陷比φ3大些。

超声波探伤一般只能检测出大于1到2mm的缺陷。由于始波比较宽，故离探头接触面近的缺陷的回波容易被淹没在始波内，因此无法有效检测;用频率较高的探头，能检测较小的缺陷，而且始波也较窄，故能检测较近的缺陷，但高频探头不适合粗晶粒材料和远距离检测。

第四篇：超声波制备粉体

超声波化学法制备无机粉体的研究进展

李金换,王国文

( 陕西科技大学材料科学与工程学院, 咸阳710021) 摘要随着科技的发展, 合成无机粉体的新方法层出不穷。近年来,超声化学方法 合成无机材料得到了飞速的发展, 引起了科学界越来越多的关注。本文从超声化学 的基本原理和特点出发, 简要介绍了近年来超声化学法在无机粉体合成中的研究进 展。在化学方法的基础之上结合超声波的特色, 在有机溶剂和微乳液中制备无机粉 体, 能更好地控制粒子的尺寸和形貌。 关键词超声化学; 空化;无机粉体

8 化泡崩溃时, 极短时间内在空化泡周围的极小空间 中, 将产生瞬间的高温( 5 000K) 和高压( 1 800atm) 及超过1010K/s 的冷却速度, 并伴随强烈的冲击波和 时速达400km 的射流及放电发光作用。由上所述, 超声空化伴随的物理效应归纳为4 种: ( 1) 机械效应 ( 体系中的冲击波、冲击流和微射流) ; ( 2) 热效应( 体 系中的高温、高压和整体的升温) ; ( 3) 光效应( 声致 发光) ; ( 4) 活化效应( 产生自由基) 。液体声空化的过 程是集中声场能量并迅速释放的过程。这就为在一 般条件下不可能或难以实现的化学反应提供了一种 非常特殊的物理环境, 足以使有机物、无机物在空化 气泡内发生化学键断裂、水相燃烧和热分解条件, 促 进非均相界面之间搅动和相界面的更新, 加速了界 面间的传质和传热过程完成, 使很多采用传统方法 难以进行的反应得以顺利进行。

一般认为, 声化学反应过程可能发生在三个不 同的区域中: ( 1) 流体空化泡中; ( 2) 在空化泡与液 体的气( 汽) 液界面上; ( 3) 发生在空化冲击波传播 的流体里。

超声的频率也比较低, 一般小于1MHz,而声强 则要求较高, 一般大于(5W/cm2)。影响声化学反应的 声学参数很多, 主要包括超声频率、超声强度与声功 率、超声辐照时间、超声波形、声场的性质及形状等。 其他影响参数包括温度、大气压强、反应液体等[4,5]。

2 超声波化学法在制备无机粉体中的

应用

超声空化作用产生的高温和在固体颗粒表面产 生的大量微小气泡也大大降低了微小晶粒的比表面 自由能, 抑制了晶核的聚集与长大。另外超声空化产 生的冲击波和微射流对颗粒的剪切与破碎作用也有 效地破坏了晶核或微粒间的团聚, 控制了颗粒的尺 寸。因此, 超声波化学法在制备无机粉体中得到了广 泛的应用。

2.1 超声共沉淀法制备无机纳米粉体

共沉淀工艺法是典型的液相湿化学方法, 是指 在溶液中由反应物相互作用同时形成沉淀的方法。 而超声波- 共沉淀法制备无机粉体是基于化学共沉 淀法, 其主要过程是利用金属盐溶液与沉淀剂反应, 制取相应盐的凝胶沉淀, 在共沉淀的过程中采用超 声波辐照辅助反应, 然后将洗净的凝胶沉淀经过热 处理之后而转化为超细的无机纳米粉体。超声辐射 通过影响沉淀晶核形成与生长的动力学过程及微粒 间的相互作用, 有效地防止与控制了沉淀反应过程中 形成的微小颗粒的长大与团聚, 从而获得粒径细小、 分散程度高的前驱物沉淀颗粒。

郑少华[6]、王平等以ZrOCl2·8H2O 和MgO、乙醇 和盐酸等作为原料, 采用超声波- 共沉淀法制备出

ZrO2-MgO 超细粉。实验结果表明: 用超声波辐照制备 合成出来的MgO 稳定ZrO2 超细粉, 结晶温度低, 粉

料的分散性好, 不易团聚。

陈雪梅[7]、陈彩凤等将超声辐射应用于以硫酸铝 铵和碳酸氢铵为原料的沉淀法制备了Al2O3 纳米粉 体。实验结果表明: 超声辐射由于其自身的空化作用 不仅细化了前驱体颗粒、抑制了其间的团聚, 而且延 缓了其向凝胶的转变过程, 从而有效地细化α- Al2O3 颗粒, 但过高的频率却易导致颗粒间的进一步聚合。

Nina Perkas[8]等以HAuCl4 为原料, 将其溶解于 盐酸水溶液中, 加入二氧化钛粉体, 在95%氩气和 5%氢气的混合气氛中, 在超声波的辐照下进行一定

时间的热处理制备出金诱导的和结。实验结果表明, 可以在较低的温度下制备出方石英相的SiO2 晶体和 锐钛矿相的TiO2 晶体。

2.2 超声溶胶- 凝胶法制备无机金属氧化物粉体 溶胶- 凝胶工艺是60 年代发展起来的一种材料

制备方法, 其基本过程是: 一些易水解的金属化合物 ( 无机盐或金属醇盐) 在某种溶剂中与水发生反应, 经 过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化, 再经过干燥、煅烧、 烧结等后处理工序, 最后制得所需的材料。在溶胶- 凝 胶过程中引入一定强度和时间的超声波, 可以促进或 改变水解、缩聚、成核及晶体生长过程。 龚晓钟[9]、汤皎宁以乙酸锌水溶液和草酸无水乙 醇溶液为原料, 又以乙酸锌和柠檬酸无水乙醇溶液为 原料, 用溶胶- 凝胶法以超声振荡方式制备出粒径为

37.0nm 左右的六方晶型。制得的ZnO 微粒与用一般 溶胶- 凝胶法制备的颗粒比较, 发现前者颗粒均匀, 粒 径较小, 比表面积大。

国伟林[10]等利用钛酸四丁酯为原料, 在超声波辐 照下直接制备出粒径为5nm×9nm、单分散性良好的 锐钛矿型长柱状纳米Ti02。还利用TiCl4 为原料, 制备 出粒径为 3nm×9nm 的金红石型纳米Ti0 2, 颗粒形状 为长柱状, 且粒子之间相互取向连生形成羽状枝蔓 晶。

2.3 超声悬浮液法制备无机复合粉体

作为结构材料的陶瓷粉体例如Al2O3, SiC 等, 由

于单组分的材料难以满足多种性能的要求, 特别是它

李金换等: 超声波化学法制备无机粉体的研究进展学术研究9 的韧性不够好, 使用受到限制, 长期以来, 科学家们 对此进行了大量的研究工作, 通过各种途径改善材 料的断裂韧性。通过复合, 集不同组分的优点于一 身, 或者不同组分的协同作用, 以获取高韧性的陶瓷 复合材料。这是当前的一大研究课题, 在二元或多元 粉体的复合过程中, 如何使各组分均匀化分散是一 个关键问题。

多相悬浮分散法是一种相悬浮液分散法, 是一 种有效的降低粉体团聚、使复合粉体各组分充分混 合的方法。但是研究表明, 料浆中颗粒之间的硬团聚 无法用传统的机械搅拌和球磨方式来消除, 而超声 振荡可以达到更好的分散效果。

用超声波来均匀分散复合粉体时, 必须充分考 虑到过度超声引起的团聚现象。Xiao- feng Qiu[11] , Jun- Jie Zhu 等在利用超声化学法制备Bi2Se3 纳米

粉体时, 发现过度的超声波作用反而会引起颗粒的 团聚。可见, 要利用超声振荡来得到均匀分散的无机 复合粉体, 必须把超声处理的条件, 如强度、功率、作 用时间等控制在适当的范围。否则, 可能会产生适得 其反的效果。

D.N. Srivastava[12] , V.G. Pol 用超声波来均匀

分散复合悬浮液, 发现随着超声波分散时间的延长, 复合悬浮液的粘度显著降低, 颗粒分散程度得到提 高, 所得到的粉料平均粒径为4～6nm 。

Kurikka[13]等采用超声悬浮技术, 以硅烷和二氧

化钛还有戊烷、庚烷为原料, 制备出硅烷包裹的二氧 化钛粒子。将采用离心分离技术干燥后制得的样品 和未经超声辐射的样品进行对比发现, 超声辐射之 后的微粒平均颗粒粒径比前者小几十个纳米, 而且 颗粒团聚程度低, 性能良好。但是颗粒粒度分布范围 比较窄。

3 结束语 超声化学法是将物理方法与化学方法有机结合 起来的一种方便、有效、安全的技术, 已发展成为一 种材料合成、处理的重要方法, 引起了人们极大的兴 趣和高度重视。超声波在材料合成中有着极大的潜 力, 特别是一些目前我们采用激光、紫外线照射和 热、电作用无法实现的目标, 通过超声波方法却能达 到, 尤其是纳米材料的制备方面。超声波化学法可以 利用超声能量来加速和控制物质的化学反应, 能提 高反应产率和引发新的化学反应, 具有反应速度快、 条件温和、反应效率高的优点。

关于声化学的实验室研究报道很多, 然而大规模 的工业应用很少。尽管不合适的超声频率和温度会导 致颗粒的团聚, 恰当的条件还有待于我们去发现和探 索, 但是我们应该充满信心, 预计随着声化学研究领 域的不断扩大和深入, 随着超声化学机理和设备的进 一步完善和发展, 其工业化程度必将进一步得到提 高, 其必将为社会和人类创造更多的财富。

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第五篇：冷轧辊超声波探伤

锻钢冷轧辊的无损检测

周 鼎 祥

摘

要: 带钢冷轧工作辊的各项高性能指标及严酷的使用条件，使无损检测(NDT)技术在其研制、生产、试验和日常使用管理中得到广泛应用。本文对冷轧工作辊的材质、性能指标、使用条件及检测项目进行了介绍，对冷轧工作辊超声检测(UT)中常见技术问题进行了研讨，文章还对三种主要的表面探伤技术在冷轧工作辊表面缺陷检测中的效能进行了评述。

关键词: 锻钢冷轧工作辊超声波探伤表面波涡流检测旋磁探伤 1 概述

现代带钢冷连轧工作辊及中间辊的材质通常为含Cr2～5%的高碳合金锻钢，近年来已开始使用高速钢及半高速钢材质来制造冷轧工作辊。小规格的森吉米尔多辊轧机(Sendzimir mill)的工作辊及中间辊的材质主要为Cr12系列锻钢及锻造高速钢。

现代冷连轧机的的轧制速度很高，可达每秒数十米。轧辊所承受的轧制力很大，按辊面母线单位长度计算，单位长度轧制压力常在10KN/mm以上。轧制的板宽很宽，板厚越来越薄，钢材的强度日益提高。因轧制极薄板而使轧制事故容易发生，辊面受粘钢及热冲击损伤的几率增加。因此冷轧辊的使用条件极其严酷。由于市场对现代冷轧板的质量要求日益提高，例如对板面要求光滑，不得有辊印、桔皮状糙化等影响板面质量的缺陷;对板形要求平整，对板面中间的瓢形、边部的浪皱及镰形侧弯的控制很严，这就要求轧辊辊面有很高的耐磨性、耐糙化性;由于轧钢生产中可能发生辊面打滑、卡钢、粘钢等事故，辊面容易受热冲击而产生热裂纹，这些表面细小裂纹在未磨尽的情况下，在随后的使用中将引起裂纹向辊身皮下发展而形成大而深的带状剥落，使轧辊彻底报废。这就要求轧辊兼有良好的耐事故性，即要求辊面有适当的硬度和残余压应力水平。总而言之，既要求轧辊有高的耐磨性，又要求它具有良好的耐事故性。通常轧辊的耐磨性和耐事故性是一对矛盾，过高的耐磨性(硬度)通常伴随着耐事故性的降低，而降低硬度一般可使耐事故性得到提高。所以轧辊的生产者和使用者在轧辊的生产和使用管理中，不仅要根据其使用条件和材质特点选择适当的热处理工艺以获得轧辊的适当的硬度范围和表面残余压应力水平，同时还要在轧辊的修磨过程中加强修磨控制和辊面缺陷检测，这在轧钢生产中卡钢、甩尾、打滑和跑偏等事故较多的情况下，尤为重要。对于一般的中、窄带钢冷轧工作辊来说，使用条件比宽带钢冷连轧辊要相对好一些。但除了轧制速度较慢、单位轧制力较低外，其他对于辊面耐磨性、耐糙化性和耐事故性仍有很高要求。为了满足轧钢生产的使用，冷轧工作辊必须有足够深的辊身淬硬层深度。从 20世纪70年代开始，冷连轧辊的淬硬层深度从≥12mm，逐步增加到20和30mm左右，目前已达到约50mm的水平。由于淬硬层的增厚，辊身淬硬层的残余压应力对轧辊中心区域残余应力的影响，使心部的残余拉应力水平有所增高，拉应力峰值区范围进一步扩大。这就使得对于冷轧工作辊中心区域的缺陷控制要求更加严格。换言之，轧辊制造厂和轧钢厂对于冷轧工作辊内部缺陷超声波检测提出了日益更高的要求。为了满足上述冷连轧机的使用条件，对冷轧辊提出了下列很高的检测要求：轧辊辊面和辊颈轴承部位的硬度检测为了达到辊面的高耐磨性要求，辊面硬度通常都要求达到HSD93以上，对于平整工作辊硬度更是要求HSD95以上，且要求硬度均匀，辊身硬度均匀度不超出HSD2。为了防止辊身两端部在表面淬火过程中和以后使用时的脱肩事故，在辊身两端要留有一定宽度的淬火过渡区—软带。为了使辊颈轴承部位有良好的耐磨性，在轧辊制造时，通常需要对辊颈轴承部位进行表面高频感应淬火硬化处理—辊颈强化。上述部位均需进行硬度检测。 轧辊的金相检测

为了保证辊面的耐糙化性，防止在很高接触应力使用条件下辊面的滚动接触疲劳所引起的辊面微裂纹和小掉肉，对轧辊的显微组织要求也很高。要求晶粒组织细小均匀;要求高倍夹杂物少，通常要求A系(加工变形)夹杂物(硫化物、硅酸盐)、B系夹杂物(氧化铝)、C系(不 变形氧化物、氮化物等)夹杂物的总量不大于0.04%;要求偏析程度低，防止树枝晶出现。同时对组织中的液析碳化物的大小也有控制要求，一般碳化物的大小应在2μm以下，个别碳化物不应大于3μm。对于夹杂物的定量通常可采用网格法来计算，也可采用图像分析法来定量;对于液析碳化物的大小测量，一般应以在显微镜下测得的液析碳化物块的长轴尺寸为准。 轧辊的表面残余应力测试

为了处理好辊身的耐磨性和耐事故性这一对矛盾，辊身表面应保持适当的热处理残余压应力。这个残余压应力不能太高，也不能太低。残余压应力较低则反映辊面硬度也较低，耐磨性也较差，但轧辊的抗事故性可能较好，属于耐事故型轧辊;残余压应力较高，则通常辊面硬度很高，辊面的耐磨性高，属于耐磨型轧辊，但在发生辊面打滑、粘钢和烧伤等轧钢事故时，产生的表面裂纹较深，易导致辊面剥落事故。辊面的残余压应力与硬度的关系密切，有资料指出，对于辊身直径在Φ550mm左右的冷轧辊，当辊面残余压应力增大或减小100MPa，则辊面硬度相应增大或减小约0.8HS。辊面的残余应力一般可采用X射线应力检测法进行检测。 轧辊的无损探伤

如果辊身内部存在某些缺陷，则轧辊在预备热处理─调质过程和最终热处理─辊身淬火/回火及辊颈表面强化过程中，在热应力和组织应力的作用下，可能引起缺陷的扩展甚至导致轧辊的断裂事故;如果辊身表面及近表层存在缺陷─疲劳源，将引起轧辊在使用中的掉肉和剥落事故;对于一些需要重复淬火硬化的轧辊，必须防止重淬过程中因轧辊原始内在缺陷诱发的断裂事故。以上种种都对冷轧辊的辊坯、半成品以及成品辊的低倍冶金缺陷提出了很高的检测控制要求。对轧辊内部的低倍缺陷采用超声波纵波探伤法来探测。而对轧辊表面的缺陷，主要包括翻皮、锻造折叠、热处理裂纹、疲劳裂纹及磨削裂纹等，可采用渗透探伤或磁力探伤法进行检测，也可采用超声表面波法来进行检测。在上述诸项检测中，对新辊及在用辊最常用的是无损检测项目，它对于轧辊的安全制造和合理使用管理以及反映其内在质量信息有着重大的意义。

新品冷轧辊的超声检测

2.1 冷轧辊 UT中的若干问题

2.1.1 空心辊的中心缺陷问题

冷轧工作辊有开中心孔的空心辊和不开中心孔的实心辊两种。从使用角度看，有的工厂在轧制前，需要向轧辊的内孔通蒸汽预热轧辊。另外，因为轧辊中心部位在热处理(包括调质及表面淬火)时是拉应力峰值区，因此中心缺陷很有害。通常可加工一个去除这些缺陷的工艺孔。该孔在辊坯整体调质时还可通油冷却，以产生表面残余压应力，使热处理的残余拉应力峰值区不在孔壁上。因此带中心通孔轧辊的UT是一个常见的检测问题。当中心缺陷未能完全去除，特别是残留缺陷在孔壁上显露时，将更具危险性。轧辊使用时，工作辊夹在支承辊之间，在很大的压力下转动。因此，在中心孔壁上产生拉伸和压缩的交变应力。当该应力与残余应力叠加，超过孔壁疲劳极限、特别是由于孔壁上缺陷显露形成应力集中部位时，将由此发生疲劳破坏。日本三喜代三指出，采用感应加热方式进行冷轧辊淬火时，在无法冷却中心孔或冷却能力较差时，一定要避免使用开中心孔的轧辊，这是一条原则。据我国常州冶金机械厂报道，一批开有Φ80mm中心孔的9Cr2MoΦ400×1200mm冷轧辊，在使用中断辊率高达20%。经分析，其原因是辊坯存在中心部位缺陷，中心孔使材料的内在缺陷外露，调质时孔壁氧化脱碳使材料的疲劳强度下降，加上加工刀痕产生应力集中，加速了疲劳裂纹的形成而导致断辊。当针对上述原因采取措施，生产20支实心辊，经两年的使用考核，再未发生断辊。宝钢冷轧厂也曾使用过一支冷轧辊，内孔存在一个3～5mm的接刀台阶，结果该辊使用不久就发生断辊事故。因此，对空心辊的孔壁表面质量要求很严，规定必须采用超声探伤及内窥镜进行检查，不允许孔壁表面有尖锐的刀痕、划伤以及任何暴露在孔壁表面的缺陷。在GB/T 13315《锻钢冷轧工作辊超声波探伤方法》标准中将中心孔附近定为Ⅲ区，对此区UT的要求与辊身近表层的Ⅰ区相似。一般说来，在实际生产中，因为在锻件的近表层区(Ⅰ区)材料很纯净，组织很致密而很少遇到缺陷，而Ⅲ区因处于锻件的中心部位，容易残留一些锻造不致密及夹杂性缺陷而在探伤中被发现。这类缺陷中危害最大的是与中心孔壁基本垂直的裂纹。鉴于其方向性不利于径向垂直探查，检测人员在探伤中应特别注意中心孔底波后一个小范围内的回波信号，当探头沿周向或轴向移动时注意这种回波信号的变化，以作出正确的判断。见图1所示:图1 带中心孔轧辊内孔壁附近裂纹性缺陷的波形空心辊的超声探伤中另一个需要注意的是灵敏度校定问题。由于空心辊探伤时使用内孔回波作为基准底波，在用DGS方法校定灵敏度时，要对内孔凸弧面发散衰减进行修正，将计算出的起始灵敏度增益量减去修正值10Log10Rr(dB)。 2.1.2 Phantom Echo问题

冷轧辊在UT时有时会出现幻象波(Phantom echo)干扰问题，对此UT人员应能进行正确的识别。无论是冷轧辊的锻件、中间半成品以及成品辊，其金相组织均很细，对GB/T 13315标准中规定使用的2～2.5MHz的超声而言，基本无材质衰减。由于规定的φ2平底孔起始灵敏度很高，对于直径在400～600mm的实心辊，灵敏度约为基准底波再加43～49dB，一般探伤仪与这些声程相配的脉冲重复频率(PRF)约为250～500Hz，在这些条件下探伤极易产生幻象波或混响回波。这时必须注意区别是真实的缺陷信号还是幻象波信号。探伤中，当前一次超声脉冲在工件中反复传输形成的多次底波未因扩散、散射和吸收衰减而在下一次超声脉冲到来前降至足够低，则此种残余信号将与下一次超声脉冲信号相混合而显示在屏幕上，形成幻象波。因此幻象波的产生有三个条件：

·工件材质对所用频率的超声有足够低的超声衰减系数; ·仪器发射的两次相邻脉冲间隔时间足够短，即PRF足够高; ·仪器接收放大电路的增益量足够大，即灵敏度足够高。

工件的超声衰减由扩散衰减和材质衰减两部分组成。扩散衰减在所用探头确定后仅与工件形状尺寸有关。由于空心辊的内孔凸弧面扩散衰减很大，因而空心辊没有幻象波问题。从UT角度看，工件品质越优良，组织中各种夹杂物包括低倍缺陷越少，晶粒越细小、均匀，材质的超声衰减也越小。因此优质的锻钢冷轧辊在UT时易产生幻象波。幻象波具有下列特征：它不因探头在探伤面上的移动而发生波高和位置的变化，波的前沿陡直，波形尖细;当仪器PRF(脉冲重复频率)不够稳定时，幻象波位置能随时间由左向右缓慢移动;使用交流电源时，幻象波可能因交流频率的变化而变得虚幻，在屏幕上的图像变粗;幻象波的数量及高度随所用的PRF增加而增加，随PRF的降低而降低以致消失。此外，由于使用较高频率超声时，材料衰减系数增大，此时即使用较高的PRF也不易产生幻象波干扰。参见图片2。图2. PRF 500Hz时的波形(左)，幻象波既高又多;PRF 125Hz时，幻象波大为降低和减少(右)。综上所述，鉴别幻象波的简单方法如下： a.探伤发现可疑回波时，降低PRF，如果可疑波消失或波幅降低可确认为幻象波,真正的缺陷波是没有变化的;

b.幻象波是底波的多次反射，因此，用探头检查工件另一面时或直径相同的其他部位时，波的位置不变。用手或油刷触动探头检查的底面时，屏幕上的波形也跟着跳动，则可确认是幻象波，真正的缺陷波是不会跳动的。

2.1.3电渣钢与钢包精炼钢轧辊的缺陷定性问题

现代带钢冷轧辊的材质通常为含Cr 2～5%的高碳合金锻钢。由于对冷连轧工作辊及中间辊的性能要求很高，冷轧辊坯必须采用电渣重熔法(ESR)冶炼的钢锭或钢包精炼工艺炼成的钢锭来锻造。在冷轧辊的制造中，通常要经过2～3次热处理和多项机加工。有时因为热处理工艺或使用的需要，在轧辊中要加工出中心通孔;对另一些冷轧辊，因为考虑用户后续的综合使用及改制的要求和对所用热处理工艺的适应性，则要求制造实心辊。上述生产工艺、材质以及形状、尺寸等因素决定了轧辊内部缺陷和相应的超声检测技术的特点。由于锻造对铸锭原始缺陷的消除和改善以及热处理对锻件内部缺陷的影响，锻钢冷轧辊的超声检测主要采用直探头沿径向探测的方法，通常不采用轴向检测和斜角探测。冷轧辊超声探伤时，对所发现的缺陷定位和定量均容易完成。对缺陷的定性则要在综合了解轧辊的铸、锻、热处理工艺的基础上进行。根据广大检测人员多年的工作实践，对冷轧辊进行缺陷定性分析时应注意以下几点：

a.不同的冶炼和铸锭方式会形成各自容易发生的冶金缺陷,因此对缺陷定性时应了解锻坯所用的钢锭的熔炼及铸造特性。常用的ESR锭的金属纯净度高，特别是当自耗电极由锻造制成时，其合金偏析小，高倍夹杂物少。由于ESR锭身是自下而上顺序凝固的，基本不存在中心疏松问题。故ESR锭锻坯是优质冷轧辊的最佳原料。但是ESR锭也有缺点。除了能源消耗高、成本昂贵外，ESR工艺本身不利于钢水脱气。特别是电渣料含水分高时，〔H〕有可能从电熔渣扩散到钢水中去，使钢中含〔H〕量升高。另一方面，对于含C在0.9%左右的高碳铬钢，在ESR锭钢水结晶时，因离异共晶作用，在铸造组织中形成伪共晶液析碳化物。这些碳化物如在加热锻造过程中如未得到充分扩散、固熔及锻造破碎，则可能在锻件中存在较大块的碳化物块和偏聚的碳化物团。在UT声程相近或相同时，会发生偏聚碳化物反射声压的叠加，形成缺陷反射回波。偏聚的液析碳化物的反射声压的平底孔当量可达φ2以上,位置通常在直径较大而锻比较小的辊身部位，分布深度常在直径的三分之一左右。在锻件含〔H〕量较高时，钢中的氢原子容易聚集到液析碳化物边界处，锻造后可能在这些部位引发微裂纹。此种微裂纹性质与合金结构钢的白点相似。在锻坯以后的热处理工艺中可能会发生微裂纹连接、扩展长大，在探伤时一旦发现则将予以判废。当ESR钢中液析碳化物的偏聚程度低，锻件的含〔H〕量低，而这种碳化物在热处理过程中因奥氏体化高温而发生进一步固溶，较大而长的碳化物块溶断、细化，使偏聚得到改善，这种情况在热处理后的UT中碳化物反射声压会比原先降低。上述两种情况都使UT发现的缺陷当量在热处理前后发生明显变化。这种变化不能用灵敏度波动来解释，恰恰说明了这种回波波形酷似夹杂物回波的“夹杂性缺陷”的性质是上述偏聚液析碳化物。实际上在电渣钢冷轧辊中真正的夹杂性缺陷是很罕见的。

b.冷轧辊的另一种常用锻坯锭料是采用吹氩精炼、真空除气的钢包精炼炉冶炼的钢锭。采用这种工艺路线制造的冷轧辊有效地克服了钢中〔H〕含量过高带来的危害，钢中其他气体和各种夹杂物也较少，成本也较ESR为低。钢包精炼辊UT中的一个主要问题是由铸锭中心低倍铸造缺陷在锻造中未能很好改善形成的中心缺陷。这些缺陷信号通常表现为单个的、密集的、线性的甚至连续性的夹杂性回波，当量大小一般在Φ2左右或稍大。在GB/T 13315标准中对此类缺陷有明确的质量控制要求。这种缺陷主要与铸锭及锻造工艺(包括锭型、锭模、铸造温度、锻造温度、锻比、砧形)等有关。采用斜度较大的锭型，适度变化的上薄下厚的锭模壁厚和上厚下薄的锭模涂料，适度降低钢水浇铸温度，改善钢锭的顺序凝固条件,将对此类缺陷的消除起明显效果。因此了解铸锭和锻造工艺是对缺陷进行定性分析的必要条件。

2.2 缺陷定量法及基于DGS原理探伤的快速心算法 2.2.1 冷轧辊的缺陷定量法 超声波探伤中的缺陷定量是对缺陷评定内容的基本组成部分，是指测定缺陷的大小和数量。缺陷的大小定量包括对缺陷的当量尺寸、指示面积和指示长度等的评定。目前对缺陷的定量大致分两类：当缺陷实际尺寸大于缺陷处声束直径时，可采用半波高法(6dB法)或20dB法测量缺陷的指示面积或指示长度;当缺陷的尺寸小于缺陷处的声束直径时，通常采用当量法对缺陷定量。国内的冷轧辊超声波探伤就是采用当量法。国外也有采用将缺陷波高与该处的底波高进行比较的方法，对冷轧辊进行缺陷定量。但是一般说来，这种方法的灵敏度较低，在轧辊的缺陷较多时，容易漏探。而当轧辊的冶金质量较好且稳定时，这种方法尚可采用。当量法探伤就是以标准人工反射体的回波高为基准，对缺陷进行定量的方法。如一个Φ2平底孔当量缺陷的含义是指在同样条件下,该缺陷的超声反射声压与同声程的Φ2平底孔的反射声压相同。由于缺陷方位对于入射超声波的反射不一定是最佳取向，加上实际缺陷的性质和反射面的光滑程度的影响，实际缺陷的大小总是比缺陷的当量大小要大，有时两者相差会很悬殊。在超声波探伤技术发展的早期，缺陷的当量法评定需要使用多块加工有不同声程人工反射体的对比试块。既不方便，也不够精确。随着对超声场数学分析研究的深入和超声波探伤仪、探头性能的完善和提高，基于DGS原理的探伤技术得到了广泛的应用。它克服了试块比较法的缺点，成为锻钢件超声波探伤的标准定量方法。根据超声场中反射体的距离(Distance)、反射体的声压增益量(Gain)及反射体的尺寸(Size)之间的内在数学关系，绘制出它们相关的曲线图表并用于实际的超声探伤工作，这就是DGS原理或DGS方法。根据超声波在无限大连续介质中的传播规律，圆盘形声源轴线上一点的声压为：D22PX=2P0Sin[ π (+X-X)] (1)λ4式中P0为声源的起始声压;PX为声源轴线上离声源距离X处的声压;D为圆盘源的有效直径;λ为超声波的波长。在超声波探伤中，超声的发射和接受都是由探头完成的。目前最常用的单直探头的换能器均为圆形压电晶片，其产生的超声场被视为活塞波声场。其声源轴线上一点的声压振幅可按式(1)计算。当X>D时，式(1)可简化为:D2PX=2P0Sin(2πλRX2)„„(2),式中R= D2即为晶片的半径。当X> 34λ时10有Sin2πλRX2≈2πλRX2，故式(1)又可简化为：PX= P0λFXS„„(3) 中Fs为晶片面积，即Fs= πD42。N为所用探头的近场长度，即N=D4λ2。由式(3)可知PX与X成反比，即当距离X足够大(X>3N)时，圆盘源轴线上的声压随距离的增加而衰减，并可按球面波的衰减规律进行计算。计算表明当X=3N时，用球面波衰减规律代替活塞波衰减规律产生的误差远小于10%，在工程上是完全允许的。当X=6N时，活塞波衰减曲线与球面波衰减曲线完全重合。在X<3N的情况下，使用球面波衰减规律来进行缺陷当量评定所产生的误差较大。此时应使用探头专用的DGS曲线图表来进行曲线当量测定，也可使用包括近场区和远场区的通用的DGS曲线图表，见下附图3：图3.包括近场区和远场区的通用的DGS曲线图曲线图表中的横坐标为归一化距离Xn，纵坐标为增益量(dB)，曲线旁边的数字G为缺陷的归一化大小。Xn、G的归一化计算如下Xn=X/N (4)G =Φ/D (5)现行标准GB/T13315规定，探伤的起始灵敏度为Φ2平底孔当量，是指在冷轧辊所探部位能发现最大声程处的Φ2当量缺陷的灵敏度。探伤灵敏度的调节可按将完好部位的底波调至基准波高后增益一定dB值的程序来进行。增益量n(dB)的计算按下式：n=20 log102λX„„(6)πΦ2式中λ为所用超声波的波长(mm);X为所探轧辊部位的直径(mm);Φ为起始灵敏度规定的平底孔直径(mm)。在检测中如发现在Xf深处有一缺陷，其回波高比基准波高高了ΔdB。则此时该缺陷的当量直径Φf可按下式计算：ΔdB=20 log10PPΦ2=40 log10ΦΦ2fXXf(7)式中PΦ为缺陷波高;P2为基准(Φ2)波高;Φ2=2mm;Φf为缺陷的平底孔当量大小(mm)。当冷轧工作辊开有中心通孔时，按内孔底波作为基准波高来校定探伤灵敏度所用的增益量计算公式为：n=20 log102λX-10 log10R (8)πΦ2 r式中R为所探部位的外半径;r为中心孔的半径;X为所探部位的壁厚：X=R-r 。

2.2.2 DGS原理探伤快速心算口诀除了按上述公式进行探伤灵敏度计算和缺陷当量评定外，在现场探伤工作中，还可使用基于DGS原理的探伤快速心算口诀，方法简单易行，结果快捷准确。下面分几段介绍：a.校定探伤灵敏度的口诀“DGS-2.0-Φ2-100-33.4”;“频率加倍要减6，距离加倍增6定起始”;“加倍距离分5份，前面两份1.5，后面三份都是1。”口诀的第一部分是说：“按DGS原理探伤，用2.0MHz频率的探头，起始灵敏度为Φ2平底孔当量，当声程为100mm时，基准波高的灵敏度增益量为33.4dB。”在工作中应记住这个基准参数。口诀的第二部分是说：“如所用探伤的频率增大一倍，基准参数要减去6dB;探伤声程每增大一倍，基准参数要加上6dB。”口诀的第三部分是说：“当所探工件的声程增加时，基准参数的dB数将按下列方式增加：将增大一倍的声程平均分为五份，前面两份中每增加一份，需要将基准参数增加1.5dB;后面三份中每增加一份，需要将基准参数增加1dB。”下面举例说明这三段口诀的使用。 【例一】今有一Φ560/Φ280×1700mm的锻钢冷轧辊，按我国国标进行超声探伤，使用B2S探头，基准底波高为20%屏高。问灵敏度的底波增益量为多少dB?

〖解〗已知辊身直径为Φ560mm，辊颈直径为Φ280mm，B2S探头的标称频率为2.0MHz，国标规定的探伤灵敏度是Φ2起始。我们先算出Φ400mm的基准底波增益量为：n400=(33.4+6+6)dB，再将400～800mm这段声程均分为五份：400～480，480～560，560～640，640～720，720～800(mm)。可知400～560这部分声程的底波增益量为n’=(1.5+1.5)dB。因此为Φ560mm的辊身的基准底波增益量n560=(33.4+6+6+1.5+1.5)dB=48.4dB。因此可以快速心算出辊颈的基准底波增益量为：n280=(33.4+6+1.5+1.5)dB=42.4dB。

【例二】欲对某种冷轧辊Φ640mm的辊身部位，采用4MHz的MB4S探头进行探伤，灵敏度为Φ2起始，问探伤灵敏度如何校定? 〖解〗已知MB4S探头的频率为4MHz，因此基准底波的增益量为：n640=(33.4-6+6+6+1.5+1.5+1)dB=43.4dB。探伤灵敏度校定时，将辊身反射最强处的底波作为基准底波，并将其调至20%屏高，然后再增益43.4dB。此时起始灵敏度校定完毕。b.测算缺陷声程衰减量的口诀“声程距离分十份，三个二，两个三，四五七，一十二。”这部分口诀讲的是探伤中，相同当量缺陷因声程变化而引起的增益量变化规律。当在不同声程位置发现缺陷后，可用此口诀快速心算出缺陷的平底孔当量。探伤时，将始脉冲的前沿置于水平刻度零点的稍稍左边，底波声程调至100%。此时自满刻度100%，向左每隔10%声程，一直到接近起始点的10%水平刻度处，相同当量或波高的反射体的声压变化规律是依次增益

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7、12dB。只要知道了缺陷位置的水平百分数和基准波高的dB数，就可迅速地将该缺陷的当量直径确定下来。而当缺陷声程不在水平刻度的10%整数倍处时，可采用内插法，将上述各10%声程区域的dB数近似均分来确定各声程的声压衰减量。让我们记住下表(1)中数字：表1声程的水平刻度区域(%)0/10 10/20 20/30 30/40 40/50 50/60 60/70 70/80 80/90 90/100平底孔声压的声程衰减量(dB)12 7 5 4 3 3 2 2 2总衰减量(dB) 40 28 21 16 12 9 6 4下面举例说明本段口诀的实际应用：

【例三】按GB/T13315标准探伤，在某支Φ620mm冷轧光整机工作辊的探伤中发现在辊身直径的70%深处有一基准波高加12dB的单个缺陷，问该缺陷的平底孔当量为多大?另外在直径的55%深处发现一个基准波高加15.5dB的缺陷，它的当量又是多大?

〖解〗已知基准灵敏度为Φ2当量。按上述口诀，在70%深处的缺陷回波声压的声程衰减量为Δn1=(2+2+2)dB=6dB，因此该缺陷的当量尺寸应为Φ2+(12-6)dB=Φ2.8mm。第二个缺陷的声程衰减量为Δn2=(2+2+2+3+1.5)dB=11.5dB，因此，它的当量应为Φ2+(15.5-11.5)dB=Φ2+4dB=Φ2.5mm。另外，为了能快速地心算出不同缺陷平底孔当量之间以及不同缺陷当量和缺陷波高之间的dB值关系，我们也推荐记住下面三个表中的数字：表2缺陷当量ΦF/基准当量ΦR的dB值12 7 5 4 3 3 2 2 2缺陷当量ΦF/基准当量Φ1 1 2 3 4 5 6 7 8 910总dB差值0 12 19 24 28 31 34 36 38 40表3缺陷当量ΦF/基准当量ΦR的dB值4 3 3 2 4 3 3 2 2缺陷当量ΦF/基准当量Φ1 1 1.25 1.5 1.75 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5总dB差值0 4 7 10 12 16 19 21 24 26表4缺陷波高/基准波高的dB差值6 3.5 2.5 2 1.5 1.5 1 1 1缺陷波高/基准波高的比值1 2 3 4 5 6 7 8 9 10总dB差值0 6 9.5 12 14 15.5 17 18 19 20使用上述三个表格，在实际探伤中可快捷地对于缺陷当量数值进行换算。在实用中能得到足够的精确度。

【例四】Φ600mm冷轧辊按国标进行探伤，以声程600mm的轧辊健全底波PB=20%屏高为基准底波，起始灵敏度为Φ2当量。现：a.发现在离轧辊表面300mm深处有一缺陷，其波高PF=60%屏高，请估算其缺陷当量;b.又在轧辊表面下150mm深处发现一缺陷波，PF=100%+4dB，请估算其缺陷当量;c.在400mm深处发现有一缺陷，其波高PF=80%屏高，问此缺陷当量大小为多少?

〖解〗心算：a.缺陷波高60%比基准波高20%，按表(4)，缺陷与基准波高相比高9.5dB;另外，按表1，缺陷声程300mm(50%)比基准声程600mm(100%)的声程衰减量为-12dB，故实际缺陷当量为ΦF=Φ2+(9.5-12)dB=Φ2-2.5dB，按表3，该缺陷当量略小于Φ1.75。探伤中可不计。心算b.缺陷波高100%+4dB比基准波高20%要高14+4=18dB;缺陷声程150mm(25%)的声程衰减量为-(21+3)=-24dB，故该缺陷的当量为Φ2+(18-24)dB=Φ2-6dB=Φ1.4，探伤中也可不计。心算c.此缺陷波高80%比基准波高20%高12dB;缺陷声程400(67%) 的声程衰减量为-(6+1)dB，故该缺陷的当量为Φ2+(12-7)dB=Φ2+5dB=Φ2.5+1dB，即略大于Φ2.5当量。

在用辊的无损检测主要是表面及近表面的缺陷检测，这些缺陷主要是在使用中产生的。冷轧辊在使用中，辊面因与轧件及支承辊周期性的接触而引起辊面的硬度升高和接触疲劳并产生细小的疲劳裂纹;此外，冷轧辊经常会由于轧制时的堆钢、打滑、粘钢、异物咬入等事故以及磨削时的烧伤，使辊面受到热冲击而产生热裂纹。这些裂纹缺陷在辊面的修磨中应被彻底去除。如果辊面在修磨中，裂纹未经磨净，则残余的裂纹缺陷将在随后的使用中在交变的轧制负荷下向辊面皮下扩展。经过一段时间的疲劳裂纹发展，通常将导致辊身带状疲劳剥落而致废，造成重大经济损失。日本方面有关研究指出，在一定条件下，辊面未磨净的残余裂纹长度达到0.2mm时，就有可能最终引起辊身带状剥落。我们知道，轧辊总消耗由正常辊耗和非正常消耗两部分构成。近年来，宝钢的冷轧辊辊耗约为日本同类型企业的一倍左右，其中的正常辊耗水平与日本的相似，之所以总辊耗比日方高得多，原因就是宝钢的非正常辊耗包括轧辊的剥落、断裂致废及因事故导致的无效磨削比日方高了很多。这些年来的在用轧辊检测实践表明，在用辊的有计划和定期检测，对消除和减少轧辊的剥落、爆辊及断辊等恶性事故，降低轧辊的无效磨削提高轧辊的使用效能，起到了关键性的作用。在用辊的表面检测目前主要为涡流检测(ET)、超声表面波检测(UT)和磁粉检测(MT)三种。 3.1 轧辊的涡流检测法

涡流检测法由于具有高速度、低消耗、易于实现自动化、探头不直接接触轧辊及无需耦合剂等特点，加上对辊面的硬度变化和表面细小裂纹的检测灵敏度高等优点而被广泛用于轧辊的在役检测。目前在用辊的自动检测，多采用在磨床上附加安装ET设备来进行。ET的基本原理是电磁感应原理。使用一个激励线圈在被检工件表面产生交变磁场，该变化的磁场又在工件表面感应出涡流。当工件中存在某一缺陷时，它将使磁场和涡流产生畸变，反映到探测线圈上则是使其阻抗发生变化。通过检测线圈的涡流信号，就可将上述缺陷引起的变化检测出来，从而起到探伤作用。宝钢几个冷轧厂的磨辊车间为配合磨床对轧辊的修磨，都使用涡

流检测设备进行轧辊的在役检测。检测实践表明增添涡流检测后，轧辊的剥落、损坏事故大为减少。我们知道，任何一项无损检测技术都有其局限性。实践检测中影响涡流检测结果的因素较多，例如轧辊显微组织中较多的游离合金碳化物，特别是高速钢组织中的粗大碳化物 等都能对涡流信号产生影响而产生误判，从而增加了无效修磨量，造成浪费。另一方面，在实际检测中，微细的辊面疲劳裂纹在ET时发生漏探而造成过轧辊剥落事故。其原因可能与此种微裂纹产生的微弱涡流信号与上述碳化物信号相似而造成的。目前，为保证检测准确无误，采用增加超声表面波检测以及磁粉探伤来确认缺陷的真实性，取得了很好的效果。 3.2 超声表面波检测

轧辊的ET检测技术是欧洲开发的，欧洲用得较多，而日本则多采用超声表面波检测技术。随着多年的生产和检测实践及对轧辊的表面质量要求的日益提高，国内外大多已将此两种技术联合使用，以取长补短。用超声表面波检测弥补涡流检测对浅表裂纹的发现能力，用涡流检测法来发现锻钢冷轧辊表面的软点，这又是超声检测技术所无能为力的。表面波因其发现者而命名为瑞利波，它只在厚度远大于波长的固体表面很浅的表层上传播，具有纵波和横波的双重性质，是纵波和横波的合成。作表面波振动的固体质点运动轨迹为在垂直于介质表面并与波传播方向平行的平面上的椭圆。表面波的振幅随着离表面深度的增加而迅速衰减，实际上离表面深度一个波长以上的部位质点振动振幅已很微弱(一个波长深处质点的振动能约为表面处的4%)。因此，用表面波进行探伤时，一般只能发现金属介质表面两个波长深度范围内的缺陷，但它对表面上的缺陷十分灵敏，其分辨力优于横波和纵波。当遇到表面或近表面裂纹时，部分声波在缺陷处仍以表面波的形式被反射，并沿物体表面返回。利用此特性，表面波可用以检测表面和近表面的缺陷。不同形状的缺陷对表面波的反射能力明显不同。对于暴露在表面上有尖锐棱角的缺陷，有较大的反射能力。当棱边的曲率半径较大(约大于五个波长)时，表面波甚至可全部通过而没有反射，继续前进，直至下一个较尖锐的棱边处才反射回来。随着缺陷埋藏深度的增加，反射能力将迅速下降。某冷轧厂使用表面波检查在役工作辊修磨前后的表面裂纹，取得明显效果。使用表面波检查后，防止了带有残余表面裂纹的轧辊进入生产线，从而有效地消灭了由此导致的轧辊剥落和爆辊事故。使用表面波检查时应注意： ·轧辊表面清洁度对检查的影响

传播表面波的表面附着油层时，表面波几乎完全衰减。这是因为表面波传播和振动状态的理论，是对固体介质的一侧为真空或空气时才成立，如附有油层，则表面波的垂直分量向油层辐射，从而使其衰减。极薄的油层对表面波的传播基本上没有什么影响，粘附于轧辊表面的油污、铁锈、水垢以及与材料表面相接触的其他物体，甚至灰尘对表面波也有强烈的衰减作用。因此，要将检查表面清除干净。 ·表面粗糙度和材料显微组织的影响

工件表面粗糙度对表面波的传播有明显的影响。粗糙的表面不但使声耦合不良，而且在传播过程中容易发生波的散射，使表面波衰减增大。因此表面粗糙度值低的可采用高频探测，表面粗糙高的应采用低频探测。由于表面波的波长较短，粗晶材料的晶界对表面波有明显的衰减作用，其晶粒度大小与所用表面波波长λ的比值越大，衰减作用越大。对于粗晶材料采用较低频率的表面波探测为宜。 ·材料厚度要大于表面波波长

当材料厚度小于波长的两倍时，衰减显著增加。 ·工件表面曲率的影响

表面波在凸圆柱面上的传播速度大于平面上的传播速度;凹弧面上的传播速度低于平面上的声速，并使衰减增大。 3.3 轧辊的磁粉探伤(MT) 磁粉检测是检测铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测方法，而轧辊材料正是铁磁性材料，用磁粉检测可探测如热冲击烧伤裂纹、磨削裂纹、疲劳裂纹及夹杂物等表面缺陷和近表层裂纹。因磁粉探伤可探测近表面未显露的缺陷和充满氧化物和其他杂质的裂纹，故使用 磁轭法磁粉探伤检测要比渗透探伤方法更优越。由于轧辊的自动化磁粉探伤难度较大，磁轭与轧辊既要紧密接触，又不能损坏其表面;磁痕的自动识别也很难实现。使用便携式磁粉探伤装置效率较低，轧辊由于重量大，移动和转动均很困难，也难以保证100%的全面检查，因此磁粉探伤应在局部应用，以及作为辊身涡流和超声表面波检测的辅助检测方法。便携式磁粉探伤装置中以旋转磁场荧光磁粉探伤装置较好，它可以通过一次磁化将辊面各种走向的裂纹性缺陷检测出来，旋磁磁轭还可以方便地用来进行辊面的退磁操作。目前在役轧辊的表面检测基本都用涡流和超声表面波技术来检测，若通过这两种设备检测合格，可以放心使用;如果ET和表面波两种方法之一发现问题，可借助MT来最后确认是否为危险的裂纹性缺陷。 〖结束语〗

锻钢冷轧辊作为宝钢冷轧生产的主要备件，其使用条件极其严酷，各项性能要求极高。可以说冷轧辊的生产和检测技术水平，代表了一个国家机械制造工业的水平。宝钢设备检测公司通过这些年来的工作，对各种新品及在用品冷轧辊进行了大量的检测实践，得到了充分的锻炼，掌握了较全面的无损检测技术，积累了许多宝贵的经验，为宝钢的冷轧生产的顺行起到了保驾护航作用。冷轧辊的材质和制造工艺技术还在不断更新发展，我们的工作也将与时俱进。我们将在复合高速钢、半高速钢冷轧辊的无损检测方面，进行探索;对引起冷轧辊带状剥落的辊面及皮下细小裂纹的监测进行试验研究，为我国的无损检测技术的进步作出应有的贡献。

英国轧辊制造有限公司提供

2007年6月