摘. . 要：随着近几年汽车工业的迅速发展，汽车用薄钢板的需求量也在不断地上升，宝钢是国内知名的钢制产品生产企业，为了能生产出优质的汽车薄钢板，需对生产薄钢板用的轧辊表面的质量进行检测，因为薄钢板的质量取决于轧辊表面的质量，本文依据生产汽车薄钢板用轧辊超声表面波检测的应用技术开发项目，通过对超声技术运用于生产汽车薄钢板轧辊检测的可行性分析，结合超声检测原理、检测方法、方法选择，及在检测过程中对耦合剂、棱角反射、划伤的影响因素分析，得出了超声表面波检测生产汽车薄钢板用轧辊时的仪器设置、探头选择、灵敏度设置及扫查方式的方法，最终在实际应用中达到了满意的检测效果，有效地确保了轧辊的表面质量。
关键词：汽车薄钢板；轧辊；超声表面波检测
ABSTRACT:?With?the?rapid?development?of?automobile?industry?in?recent?years,?the?demand?of?automotive?steel?sheet?is?in?constant?rise.
Baosteel?is?a?famous?steel?product?manufacturer?in?China.?In?order?to?produce?high?quality?automobile?sheet?steel,?it?is?necessary?to?testthe?surface?quality?of?the?roll?used?in?the?production?of?sheet?steel,?because?the?quality?of?the?steel?sheet?depends?on?the?quality?of?the?rollsurface.?In?this?paper,?based?on?the?production?of?automobile?sheet?steel?roll?the?application?of?ultrasonic?surface?wave?testing?technologydevelopment?project,?by?means?of?ultrasonic?testing?technology?applied?to?production?of?automobile?sheet?steel?roll?of?feasibility?analysis,combined?with?ultrasonic?testing?principle,?testing?method,?the?method?choice,?and?testing?of?coupling?agent,?the?reflection,?analysis?ofthe?influence?factors?of?cut?edges?and?corners,?the?method?of?instrument?setting,?probe?selection,?sensitivity?setting?and?scanning?modefor?ultrasonic?surface?wave?detection?of?automobile?sheet?steel?roll?were?obtained.?Finally?reached?satisfactory?detection?effect?in?practicalapplication,?effectively?to?ensure?the?quality?of?the?surface?of?the?roll.
KEY?WORD:?Automobile?sheet?steel；Roll；Ultrasonic?surface?wave?testing1 超声技术运用于生产汽车薄钢板轧辊检测的可行性分析1.1 背景介绍随着我国汽车工业的迅猛发展，对汽车用薄钢板的需求量也不断上升，以往我国对中厚钢板的生产属于长线产品，而汽车用薄钢板，则根据中外合资公司的技术要求，实施进口解决。
由于汽车用薄钢板的制造技术特殊性，及中国大量自主生产汽车刚需的不匹配，矛盾十分突出，所以我国钢铁企业决定自主生产汽车用薄钢板，宝钢等一些现代化炼钢企业走上了自行开发和生产汽车用薄钢板的道路。
众所周知，要生产出既平整又光滑的薄型汽车用钢板，首先要有成熟的轧制工艺和可靠实用的钢轧辊，而我国钢铁企业大量使用的这类轧辊都是由德国和日本进口的，价格十分昂贵，且日常维护的技术要求也很高。要保证轧制出优质的薄钢板，就必须保证轧辊质量的安全可靠[1] 。
1.2 生产技术要求
生产汽车用薄钢板的轧制车间对环境清洁度有很高的要求，同时对轧辊表面的质量也有极高的要求，只有优质的轧辊表面质量才能制造出平整光滑的汽车用薄钢板。
由于轧辊是在高温、高压、急速冷却的工作状态下，因此在其表面极易产生细小的表面裂纹，而这些裂纹的存在会造成质量事故的发生和巨大的经济损失，甚至还有可能发生机毁伤人的恶性事故，为此必须解决日常工作中的轧辊质量检测问题。
1.3 无损检测技术的选用
在国内，为检测工件表面裂纹，常用的无损检测方法是采用磁粉或渗透，这两种方法虽然都可以检测出表面裂纹，但对薄钢板轧辊检测来说存在很大的弊端。
如在清洁度要求高的车间内实施磁粉检测，很难符合生产环境要求，且在检测过程中，可能会划伤光滑的轧辊表面，还有很重要的一点就是退磁问题，如退磁效果不良，容易造成轧辊吸附铁粉和铁颗粒，在轧制过程中造成钢板的次品和轧辊损伤。
又如采用渗透检测，其对环境和空气的污染也是不可接受的，且对微小裂纹的检测灵敏度也远远低于磁粉检测，尤为重要的是，渗透剂如果没有彻底清洗干净，会对轧辊材料产生腐蚀作用。由此可见，常用的表面检测方法都不适合于薄钢板轧辊的表面裂纹检测，而超声表面波检测显得不失为一种较好的检测手段，能解决环境污染、表面划伤、颗粒吸附、工件腐蚀、检测灵敏度等问题。
2 超声检测原理及波型选择
2.1 超声检测原理
超声波可在均匀的弹性介质中传播，但在传播过程中遇到不同介质时，由于不同介质的声阻抗不同，就会造成超声波在不同界面上的反射，通过利用这种反射，可探知何处存在缺陷，这就类似于雷达探测飞机的原理[2] 。
? ? =
? ? ?? ?
? ? +? ?
公式（1）
Z 1 -第一种介质的声阻抗（被检材料的声阻抗）；Z 2 -第二种介质的声阻抗（缺陷的声阻抗）；R p -反射系数。
由公式（1）可知，反射系数大小主要取决于被检材料的声阻抗与缺陷声阻抗的差异。当超声波在完好的材料中传播时，声阻抗是相同的，即反射系数等于零；而当材料中存在缺陷，且缺陷的声阻抗与被检材料的声阻抗有差异时，即反射系数不为零，这时差异越大，超声反射也越强烈。
由于空气的声阻抗接近于零，所以当超声波检测到裂纹类缺陷时，只要缺陷取向良好，则其反射波是很高的，因此利用超声方法来检测裂纹类缺陷是非常合适的。
2.2 超声纵波与横波
超声检测中波型的分类主要有二种，即纵波和横波，所谓纵波其传播特点为波的传播方向与振动方向一致。所谓横波其传播特点为振动方向和传播方向垂直。
纵波主要用于锻件类及平板类的检测方法中，因为锻件和平板在压力作用下，材料内存在的气孔、夹渣类缺陷都被压成与加工表面平行的方向，而纵波的传播最有利于与缺陷形成垂直反射，获得较高的缺陷反射信号，极易发现缺陷。
横波主要用于焊缝检测中，横波是利用了超声波在不同界面的折射原理，使纵波以斜入射的方式折射成横波对焊缝进行检测。这种横波的传播形式主要检测与工件表面垂直的缺陷，因为只有横波才能对这类缺陷形成反射面，从而对焊缝中的未熔合、未焊透等与表面基本垂直的危害性缺陷进行有效检测。
而轧辊表面的裂纹虽然与工件表面垂直，但其只是分布在轧辊的表面而不是内部，所以采用与焊缝检测同样的横波法是无法检测到该类缺陷的，为此需要考虑用纵波折射的一种特殊形式，使折射后的横波只在轧辊表面传播。
根据光学中的斯涅尔（Snell）定律，见公式（2）：
公式（）
? ? -探头斜楔的纵波入射角；
? ? -超声进入工件产生的横波折射角；
? ?? -探头材料的纵波声速；
? ?? -工件材料的横波声速。
2.3 表面波的获得
焊缝检测中为了确保缺陷的定位准确，因此需要利用纯横波检测，此时探头的斜楔入射角应使工件中纵波完全反射，只剩下横波，而这一斜楔入射角被称作为第一临界角，随着斜楔入射角的不断增加在工件中传播的横波折射角也随之增加，当斜楔入射角达到一定数值后，在被检材料中横波产生了全反射，此时该斜楔入射角称为第二临界角。
综上可知，为了保证利用纯横波检测焊缝，即要使探头的斜楔入射角大于第一临界角而小于第二临界角，这样才能确保缺陷的传播距离与传播时间的对应关系，从而对缺陷准确定位。
在对轧辊表面裂纹进行检测时，同样利用斯涅尔（Snell）定律，根据公式[2]计算，使超声横波进入轧辊的折射角接近 90?，即探头的斜楔入射角正好接近第二临界角，此时将在轧辊表面形成一种特殊横波——表面波，利用表面波即可实现对轧辊表面裂纹的检测（见图 1）。
图 1 表面波对表面裂纹的检测
2.4 检测灵敏度的选择
众所周知，超声检测的灵敏取决于波长，根据声速 ?、波长?、频率 ? 三者之间的关系可计算出波长，见公式（3）。
公式（3）
在一介质中，表面波的传播速度慢于纵波和横波，若同样的检测频率，则通过公式[3]可知，表面波在工件里传播的波长最短，这样一来就可得到比纵波和横波更高的检测灵敏度，因此更有利于检测轧辊表面的微小裂纹。
表面波主要沿介质表面传播，在均匀介质中能定向传播较远的距离，表面波的能量主要集中于距工件表面 1 个波长深度范围内，当传播路径上遇到一个细小的缺陷，如夹杂物、划痕、裂纹等，就会产生波的反射，即从超声检测仪显示屏上显示出来。
综上所述，就是需要选择用表面波检测轧辊表面裂纹的主要依据。
3 超声表面波应用于生产汽车薄钢板轧辊检测的影响因素3.1 耦合层的影响由于超声波传播需要在弹性介质中进行，因此在检测时必须在工件表面涂上一层耦合剂，以消除超声探头与工件之间的空气间隙，保证超声波在工件中的良好传播。
由于轧辊检测选择的是超声表面波的传播形式，超声传播的主要能量都集中在工件表面一个波长深度的范围内，检测时，探头非耦合处的前端面和表面波传播的途径中不得有油污，这就不同于常规的纵波检测和横波检测，必须在探头移动区覆盖耦合剂，倘若表面波在前进和反射波的传播途中表面沾有油、水、化学浆糊等耦合剂时，那么所传播的表面波几乎完全被衰减和吸收，这样就无法达到缺陷检测的目的。
3.2 棱角反射的影响
超声表面波在传播过程中，如遇到工件的棱角边会产生反射波，这种反射会造成对工件缺陷的误判。当表面波在棱边上的反射棱边为直角时，反射率极高。若用沾有耦合剂的手指去触摸棱角边缘时，在仪器显示屏上反射波形会有高低变化，可以此来判断是缺陷波还是棱角边的反射波。同理，当探测与轧辊圆周方向一致的表面裂纹时，可以利用棱角边的反射波作为探测圆周方向缺陷的检测灵敏度的调节基准。
当工件边缘有倒角时，在倒角处也会产生反射波，若工件的倒角加工成圆弧的曲面状，即随着曲率半径 r 的增加，反射回波会逐渐降低直至消失，也就是说有超声能量可通过圆弧面顺利传播，理论上的知识是，当被传播工件的曲率半径 r 大于5倍表面波波长时，超声波的传播几乎不受影响。尽管薄钢板用轧辊的表面是呈圆弧状的，但其曲率半径远远大于表面波波长的 5 倍以上，这就是超声表面波可用于薄钢板用轧辊表面裂纹检测的原理[3] 。
因此，在检测轴向缺陷时，可通过轴向刻槽作为灵敏度基准，在检测周向缺陷时，以棱边反射或周向刻槽作为灵敏度基准。3.3 划伤反射的影响由于超声表面波检测具有较高的检测灵敏度，因此轧辊表面存在的某些加工划痕或装配形成的划痕也会产生反射波。
检测时，当这种反射波远低于灵敏度当量的基准波高时，简单标记即可，那是因为经超声检测过的轧辊，可通过磨削处理完全消除该反射记录的部位。
但如果反射波接近或超过灵敏度当量的基准波高时，应借助目视放大镜检测，以判断是裂纹或划痕，如是划痕产生的反射波，可先通过磨床去除痕迹，然后再用超声检测，如未再发现反射波可以验收，反之，则会导致轧辊不可接受。
4 超声表面波应用于生产汽车薄钢板轧辊检测条件的选择4.1 探头基本要求表面波探头通常采用有机玻璃作为纵波—表面波转换的斜楔块，当压电晶片安放在有一定斜入射角度的有机玻璃楔块上时，使在轧辊表面传播的横波折射角接近 90°时，即产生表面波，表面波具有传播速度小，波长短，检测灵敏度高的特点。
对常用于轧辊表面检测的表面波探头规格为：频率 2.5MHz、5MHz；晶片尺寸：10×10、10×12mm； 探头前沿：≤5mm。
对于探头性能要求为：灵敏度余量≥40dB；无双峰；无偏离。
4.2 扫描比例调整
表面波检测时，扫描比例的调整方法与普通斜探头是不同的。
调整扫描比例时，先设置探头声速 2900m/s，再将探头对准试块刻槽处，得到最高反射波，再通过前后移动探头，改变反射波的显示值，然后将回波信号按水平距离调节成一定比例。
4.3 检测灵敏度设定
将探头对准试块刻槽，调整该处的反射回波高度达到满屏的80%，作为基准高度，再增加 20dB 作为检测灵敏度。使用 5MHz的探头时，可发现不小于 0.1mm 深度的裂纹类缺陷，也可根据不同频率探头和不同检测灵敏度要求进行调节。
4.4 检测扫查方式
探头采用前后移动、左右移动的方式在轴向和周向两个方向进行扫查见图 2 和图 3。除此之外，还要在原来扫查过的路径上做相反方向上的扫查，以便发现走向不同的表面缺陷。
图 2 超声表面波轴向扫查 图 3 超声表面波周向扫查5 超声表面波检测用于生产汽车薄钢板轧辊的实际应用5.1 检测灵敏度确认表面波检测与横波检测焊缝较明显的差异是：表面波检测时，只要没有发现缺陷，则显示器上是看不到任何反射波形的，而横波检测焊缝时，即使没有缺陷存在，但由于焊道高低不平或根部反射等，也会在显示器上出现反射波。
因此，当利用表面波检测轧辊表面时，初探者常常因为看不到反射波，而怀疑自己检测结果的有效性和准确性，但其最简单的解决方法就是，在一定检测时间后，利用标准刻槽试块核查，以确认检测灵敏度是否有偏移。
5.2 检测距离设置
众所周知，探头发出的波形为活塞波，当超声波传播处于远场后，超声波的传播能量将随着传播距离的增加而衰减，由于表面波在介质中的传播波长较纵波和横波更短，所以在同样的传播距离时，其衰减量相对更大。
针对上述问题，需注意在对轧辊实施表面波检测时，每次检测的有效距离不宜设置太远，通常探头在轴向或周向的耦合连接间距宜不大于 150mm 为佳，即第一次在轧辊的轴向涂上一条耦合基准线后，第二次涂耦合剂的参考线应不大于原先基准线的 150mm 处，这样才能保证在 150mm 范围内，如果轧辊表面存在裂纹，而裂纹处得到的缺陷回波不至于太低，达到防止缺陷漏检的目的。
5.3 检测波形图
通过对宝钢薄钢板生产线上轧辊的表面波检测，极大地保证了轧辊表面裂纹类缺陷的检出，从而维持汽车用薄钢板生产线的正常生产次序，对我国汽车行业使用国产的汽车用薄钢板能得以实现，有力的促进了我国汽车生产的国产化。
超声表面波检测的缺陷波形详见图 4、图 5。
图 4 缺陷波形 1 图 5 缺陷波形 2
6 结论与建议
本文通过一个生产周期的在线跟踪，共对 20 件轧辊进行了表面波检测，其中在 3 件轧辊表面上发现有反射波存在，其余均为合格。
利用目视放大镜对 3 件有表面反射波的轧辊再次进行了确认，有 2 件为表面划伤，其痕迹特征为较浅、较宽且较光滑，有 1 件为表面裂纹，其长度 6mm~7mm；之后通过磨床对该 3 件轧辊进行加工，去除表面划伤及裂纹后复探合格。
通过此次检测实践可以认识到，超声表面波检测技术可以很成功的发现薄钢板生产用轧辊表面及近表面的裂纹类缺陷，且此方法可避免对生产环境造成的影响，及可降低大量检测耗材的成本，从而保证了国产化汽车用薄钢板的安全生产和产品质量。
综上所述，超声表面波检测技术是一种检测零部件光滑表面缺陷的非常实用有效的检测手段，且因其符合国家安全环保的生产理念，对行业又可提供很大的社会效益，对企业也可节约检测成本，故推荐此方法用于我国高铁运行的轴类件及其他安全运行部门所需的检测工作中。
参考文献：
［ 1 ］ 蒋 盛 . 轧 辊 表 面 波 超 声 检 测 技 术 . 无 损 检 测 ,2004 ，26(05):266-269.
［2］郑晖、林树青等.超声检测.中国劳动社会保障出版社,2008,第2 版:1-364.
［3］张海兵、黄荪凯.航空维修中超声表面波探伤的影响因素与对策.无损探伤，2010，34(6):38-39.
撰写日期：2021-2
