装置的设计及缺陷的检测

第十章　基于DT−CWT的楔横轧零件的非接触式水浸超声探伤

第一节　超声探伤与楔横轧轧制工艺综述

一、楔横轧零件的超声探伤的意义

随着交通运输业的快速发展，铁路车辆用车轴、汽车半轴等大型长轴类零件需求量与日俱增，传统锻造工艺生产长轴类零件存在生产效率低、材料利用率低、投资大、成本高等缺点，难以适应资源节约型社会需求。楔横轧多楔轧制是近净成形大型长轴类零件的先进工艺，该工艺具有显著节省辊面，减少模具尺寸，降低成本，高效节材等优点，易于实现大型长轴类零件的经济化生产，是成形铁路车辆用车轴、汽车半轴等长轴类零件的最佳工艺［182］。该工艺已在全国24个省市推广，还向国外（包括美国）出口，开发并投产的零件300多种，累计生产达数百万吨。楔横轧多楔轧制时，由于多对楔同时对轧件的作用和确定外楔工艺参数的复杂性，引起轧辊表面速度沿轴向分布不均，工件旋转速度与轧辊存在多个同步点，在工件与轧辊之间的非同步区出现轧辊与轧件间的相对滑动，径向和轴向流动速度的不一致等，这些复杂的工况会使轧件组织结构沿轴向分布不一致；轧制长轴时外楔成形的锥形过渡段，内楔需对其再次轧制，这样在轧制长轴接口处有可能存在混晶问题；多楔轧制时楔与楔之间的相互作用也会影响组织的变化等［183］。这样在轧制过程中轧件经常出现内部疏松和裂纹等缺陷。上述结果都会导致产品机械性能受到影响，甚至达不到产品的性能要求，影响楔横轧轧制技术的推广和应用。对轧件内部缺陷的确定和产品质量的评价需用到无损检测方法。

目前对轧件内部缺陷的检测是通过抽样切开或用便携式超声探伤仪去人工探伤。抽样切开方法不仅破坏了已有的轧件，而且不能完全保证未被切开的轧件跟已切开的轧件是否同样有缺陷，以及缺陷大小、性质等是否相同；用便携式超声探伤仪去人工探伤受操作者的主观因素影响很大，尤其是对于微小缺陷很可能出现漏检现象。因此开展楔横轧零件无损检测与质量评价方法的研究，促进建立缺陷产生与工艺参数间的关系，指导楔横轧生产和工艺改进，具有重要的现实意义，是目前急待解决的研究课题。

在各种检测方法中，超声检测因其对人体无害、操作方便和易于实现自动化而应用最为广泛。信号处理技术是超声检测研究的一个重要方向，研究主要集中在用常规检测方法难以解决和为进一步提高检测灵敏度和精度的一些问题上，如：大背景噪声下有效信号的提取，缺陷的定性定量分析和对材料的质量评价等。超声检测中所期望获得的与缺陷性质有关的各种信息往往以某种方式隐藏在所获取的信号之中，这是因为超声波在弹性介质的传播过程中随着声程的增加，超声信号逐渐减弱，随着探测深度的增加，信噪比将会下降。另外，材料噪声、仪器噪声和超声信号数字化时有限字长效应引起的噪声合在一起，也往往淹没微弱的缺陷信号。如果对超声信号不加处理，那么，对于被测工件中较小的缺陷反射或深处的不连续性反射会受噪声的影响而难以辨别。目前广泛采用的超声信号噪声去除方法主要有自适应滤波［184］、裂谱分析［185］、维纳滤波［186］、神经网络［187］和高阶统计分析［188］等，这些方法的应用有一定的局限性，有时不能获得令人满意的去噪效果，如：自适应滤波在实际使用时难以保证参考信号与噪声信号的相关性或实现起来非常困难；裂谱法算法中每个滤波器的带宽都是常数，不能进行多分辨率的分析处理，难以适应信号剧变和缓变的特征［189］；等等。小波分析技术以其在降噪、特征提取、多分辨率分析等方面的突出成就而在信号处理领域中得到了广泛的应用。它根据缺陷信号和噪声在不同尺度上的表现分别处理，完成信噪分离，在超声检测中能够实现弱信号检测或提取特征信息［190，191，192］。文献［193］介绍了利用连续小波变换来进行钢层下橡胶界面脱粘信号研究，但连续小波变换会带来冗余信息，且尺度函数的选取对小波变换的结果影响极大，使得分析的结果具有不确定性。文献［194］应用离散小波变换，利用变换后各频段能量的差异来进行缺陷回波信号的分析和特征提取。文献［195］采用非抽样小波进行超声回波信号的消噪。文献［196］利用导波进行管中缺陷检测时，也采用多尺度小波变换进行去噪以提取缺陷回波信号。文献［197］在利用超声兰姆波对焊点进行无损评估时，利用小波分析方法提取时域超声信号特征，然后在获得大量样本的基础上，利用神经网络对焊点进行分类。

以上所提到的小波方法都存在某些不足［198］，如：连续小波变换计算量太大、离散正交小波变换（DWT）缺乏平移不变性以及非抽样小波变换带来大量冗余等，另外常规复小波变换不能精确重构。而对偶树复小波变换（Dual-Tree Complex Wavelet Transform，DT−CWT）因其同时具备平移不变性、有限的冗余度和计算量、精确重构等特性可较好解决这些问题。因此，利用DT−CWT的优势，可以改进现有的基于常规DWT的回波信号处理方法。

拟研究楔横轧多楔和单楔轧制零件的内部缺陷的超声无损检测方法，针对楔横轧轧件经常出现内部疏松和裂纹等缺陷的现象，采用较新的数字信号处理技术中的对偶树复小波分析方法，研究材料中缺陷的分布、大小、类型等情况。

二、超声探伤综述

无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。无损检测的目的：（1）改进制造工艺；（2）降低制造成本；（3）提高产品的可靠性；（4）保证设备的安全运行。

常规无损检测包括射线检测（RT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）和涡流检测（ET）以及本文所采用的超声检测（UT）等五种检测方法。

射线检测适用于碳素钢、低合金钢、铝及铝合金、钛及钛合金材料制机械、器件等的焊缝及钢管对接环缝。射线对人体不利，应尽量避免射线的直接照射和散射线的影响。

磁粉检测适用于铁磁性材料制品及其零部件表面、近表面缺陷的检测，包括干磁粉、湿磁粉、荧光和非荧光磁粉检测方法。

渗透检测适用于金属制品及其零部件表面开口缺陷的检测，包括荧光和着色渗透检测。

涡流检测适用于管材检测，如圆形无缝钢管及焊接钢管、铝及铝合金拉薄壁管等。

在以上检测方法中，磁粉、渗透和涡流三种检测方法，只能检查表面和近表面缺陷，对试件内部的裂纹则不敏感，因此它们统称为表面检测。射线检测法虽然可以用于检测内部缺陷，但是它对裂纹等面形缺陷检测灵敏度低。由于其检测速度慢，并且需要专门的防护设备，另外，对于直径大于60mm的轴类零件，X射线光管依赖于国外进口，费用高昂，从而大大限制了该方法的实际应用范围。超声检测与射线检测相比，对不理想的波束方向有更大的适应性。它既可检测材料或构件的表面缺陷，又可以检测内部缺陷，尤其是对裂纹、叠层和分层等平面状缺陷，具有很强的检出能力，而且对夹渣和气孔也有较高的灵敏性。此外，超声波对人体无害，并且检测速度快，操作方便，易于实现自动化，因此应用最为广泛，其缺点是需要耦合剂。

除以上方法外，近代不断涌现的无损探伤技术有电子透射照相法、高能X射线法、射线层析照相法、光学全息法、超声全息法、红外测试法、微波测试法、剩磁法、矫顽力法、涡流法、磁噪声法（巴克森效应法）、高次谐波法、超声散射回波法以及声发射法等。

总之，考虑经济成本、实际使用效益及方便安全等因素，本文选择使用超声波探伤方法。

超声波探伤的基本原理是：超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来在萤光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

超声波探伤与X射线探伤相比较的优缺点：超声波探伤比X射线探伤具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高，对人体无害等优点；缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性；超声波探伤适合于厚度较大的零件检验。

超声波的频率高至20 000Hz以上，由于它的频率高，因此具有以下特点：（1）超声波在介质中传播时，在不同质界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，则超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可将反射波显示出来；如缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过射线而不能反射；（2）方向性好，几乎沿直线传播：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷；（3）穿透能力强，能穿透许多电磁波不能穿透的物质，超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米；（4）在媒质中传播时在一定频率下能产生巨大的作用力，可以用来为硬质材料做切割、凿孔等，也可以用来清洗和消毒，能量高，由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于一般声波的能量；（5）良好的反射性能；（6）探测距离远，定位精度高；（7）检测灵敏度高，可获得丰富的探测信息；（8）检测很安全。

用超声波探伤时，底波消失可能是以下原因造成的：（1）近表大缺陷；（2）吸收性缺陷；（3）倾斜大缺陷；（4）氧化皮与钢板结合不好。

超声波探伤中，超声波在介质中传播时引起衰减的原因是：（1）超声波的扩散传播距离增加，波束截面愈来愈大，单位面积上的能量减少。（2）材质衰减：一是介质黏滞性引起的吸收；二是介质界面杂乱反射引起的散射。

超声无损检测技术作为工业上几种常规无损检测技术之一，一直被人们广泛地使用着。数字化超声探伤仪有优点，也有不足之处，它有着广泛的应用前景。

第二节　装置的设计及缺陷的检测

一、装置的设计

1. 楔横轧轴类零件的形状及缺陷的类型

楔横轧轴类零件有各种形状，如图10.1所示。

图10.1　各种形状的楔横轧轴类零件

缺陷的类型有：缩孔、夹杂和裂纹等，如图10.2所示。

2. 现有及补充设计的装置

（1）现有装置

美国泛美公司的EPOCH4数字式超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤仪器，通常使用其A型显示功能，能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（裂纹、夹杂、气孔等）的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工厂现场。它以荧光屏上的水平亮线为扫描线（时间基准），代表反射波的传播时间，其长度与时间成正比；以纵坐标代表反射波的幅度。由发射波、缺陷波及底波在扫描线上的位置，可求出缺陷的位置；由缺陷的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷的形状，可分析缺陷的性质。它的缺点是难以判断缺陷的几何形状和缺乏直观性。

图10.2　各种类型缺陷的轧件示意图

图10.3　EPOCH4数字式超声波探伤仪

EPOCH4数字式超声波探伤仪如图10.3所示。

EPOCH4主要特点：

测量范围：1～10 000mm；频率范围：0.05～25MHz。

其他的详细特点：可调的窄带滤波器；可调的方波或尖波；超低的PRF （30Hz）；高速视频VGA输出；高能NiMH充电电池；高分辨率大显示屏（可选LED或LCD），可全屏/分屏显示；自动探头校准功能；双闸门模式；回波−回波测量模式；最小深度报警模式；大容量可编辑的字母数字式数据存储器，可存储500组波形或10 000个厚度值；以微秒计的飞行时间测量功能；轻便（2.6kg），易于携带；双向传输的RS−232接口；波峰记忆，波峰捕获，屏幕冻结功能；可选的特殊应用的软件功能。

（2）补充设计的装置

工作平台采用的是专门设计的三维扫描平台，它有X、Y、Z三个轴。X轴为主扫查轴，可完成对一定直线范围内内部缺陷扫查的要求；Y轴扫查水平方向；Z轴扫查竖直方向。平台本身是一个V形水槽，轴类零件置于其中，V形方便定位。还有两根支撑杆，便于支撑带台阶的轴类零件。探头可沿X、Y轴方向转动。

楔横轧轴类零件探伤条件和步骤应符合GB/T 4162—2008《锻轧钢棒超声检测方法》和TB/T 1618—2001《机车车辆车轴超声波检验》。装置适用于外径φ10～φ70mm的轴类零件（有无台阶均可），长度小于1 000mm，直线度≤5mm/m。耦合介质为水，探头相对钢管作轴向移动。超声探头采用美国Panametrics-NDT公司的5MHz、直径13mm的双晶直探头，采用反射式探测，采样频率为100MHz。

检验结果的确定基于被检钢管的缺陷回波与对比试样的人工缺陷回波的幅度比较，即当量法。轴的各种缺陷将实时进行声报警，在荧光屏上显示并可打印出检测报告。

在超声波检测设备中，探头的布置方式、探头的性能及探头的耦合方式是至关重要的。现采用水浸法，使探头在小水箱中以一定速度移动，速度以不产生波纹影响检测精度为限。本设备采用探头固定在扫查轴上，牢靠稳定。机构调节方便、探头可在任何位置固定等。尽量避免了人为操作带来的干扰。

装置的主要特点：探头直线运动，信号耦合采用水浸非接触式，探头固定在扫查轴上，调节机构简单。探头理论上可对准任何方向。

二、缺陷的检测

1. 缺陷的检测

在UT中长期使用的是A型脉冲反射式超声波探伤仪。此种仪器显示器显示的是电脉冲信号，探伤人员要从这些信号中区分出缺陷波和其他各种类型的波，其难度相当大，错判、漏判现象时常发生，严重地阻碍了UT技术在更深层次上的应用。但随着电子技术的发展，其成果在UT业中的被广泛应用，一种数字化超声探伤仪应运而生，与A型脉冲式探伤仪不同，数字化探伤仪在电路上有重大改变，它使UT技术产生了革命性的变革，不仅能对超声波信号进行实时记录，甚至可以给出缺陷波的性质。

（1）接触法探伤

双晶直探头和单晶直探头接触法探伤时，将探头放置在与被检棒材相同直径的对比试块中埋藏深度为1/2D的短横孔人工缺陷的上方，调整仪器增益旋钮，使短横孔人工缺陷的反射波高为满幅的80%，作为探伤灵敏度。

接触法探伤时注意以下几点：

① 实际探伤，在上述探伤灵敏度的基础上再提高2dB，作为扫查灵敏度，当发现缺陷时，再将灵敏度降低2dB，并以此进行缺陷的判定；

② 接触法探伤时扫查速度应不大于150mm/s；

③ 探头沿棒材轴向进行100%的扫查；

④ 在探伤过程中如发现缺陷，应沿棒材轴向确定该缺陷的最大反射波高和指示长度；

⑤ 在所发现的缺陷部位做上标记。

人工接触式探伤其缺点是：受人为干扰因素影响大；探头与试样接触部分磨损大。

（2）液浸法探伤

液浸法探伤时，正确调节水层距离和超声波声速与棒材轴向之间的垂直度，使得超声波波速能垂直入射棒材。

将探头放置在与被检棒材相同直径的对比试块中埋藏深度为1/2D的平底孔人工缺陷的上方，移动探头，使其反射波为最高，同时调整仪器增益旋钮，使反射波高为满幅的80%，然后移动探头到埋藏深度为1/4D的平底孔人工缺陷的上方，同样使反射波高为满幅的80%，两次调整衰减器读数相差小于2dB，此时已调整好探伤灵敏度。

本试验中，轴类零件埋入水中并固定，探头作直线运动，移动速度以不易产生气泡为准，耦合采用非接触式，即采用水箱水浸。探头固定在调节机构上，探头调节机构简单，不用再调，增加了稳定性和准确性。缺陷将实时进行声报警，在有缺陷的部位打上标记，在荧光屏上显示出检测报告。

检测过程中采用双晶轴向线聚焦法［199］。轴向线聚焦双晶探头是利用宽度较窄的瓦形晶片制成，采用一发一收的工作方式，其发射晶片产生纵波线聚焦声场，其接收晶片则接收工件中的缺陷回波。由于晶片的宽度尺寸较小，且其形状具有聚焦效果，因此进入棒材表面的声束很窄，从而有效地克服了声束在棒材表面的发散和散射，也有效地减小了探测盲区。

（3）仪器、探头及耦合剂的选择与使用

仪器应符合JB 1834—76所规定的技术性能指标，并应具有衰减器，对液浸法应有报警装置（接触法可不用报警装置）。

接触法和液浸法探伤采用工作频率为2.5～5MHz、晶片直径或边长为10～20mm的直探头、双斜探头及线聚焦探头，根据需要也可采用其他类型的探头。

接触法探伤采用20#～40#机油或其他介质作耦合剂。液浸法探伤采用水或油作耦合剂。

超声波探伤中，晶片表面和被探工件表面之间使用耦合剂的原因是：晶片表面和被检工件表面之间的空气间隙，会使超声波完全反射，造成探伤结果不准确和无法探伤。

（4）探伤结果的评定

当缺陷反射波高度超过满幅的20%时，则判定为超声波探伤不合格。

液浸法探伤时，当缺陷反射波高度小于等于满幅的20%时，则该缺陷不计。

接触法探伤时，当缺陷反射波高度小于等于满幅的20%时，用6dB法测定缺陷的指示长度，若缺陷的指示长度小于探头晶片尺寸时，则该缺陷不计；若缺陷指示长度大于探头晶片尺寸，则该部位为超声波探伤不合格。

接触法探伤时，当发现底波消失或底波前移，探伤确认为棒材的内部缺陷所致，用6dB法测定缺陷的指示长度，若缺陷的的指示长度大于探头晶片尺寸，该部位为超声探伤不合格。

2. A型超声回波的C扫描成像

现在超声探伤最常用的方法是A扫描方式，在实际操作中这种方法需要工作人员有很强的经验，且结果很不直观。如果把扫描信号用C扫描方式显示，则会给现场的探伤人员带来极大的方便。进一步地，如果把超声扫描信号用4维立体显示，则可以给抽检、事后详细复查、对该零件的加工工艺进行研究无疑会带来好处。

图10.4　实际测试样品

本章对这方面的研究进行了初步的探索。其中图10.4是实际测试的样品，图10.5是A扫描信号示例，图10.6是所有A扫描信号的立体化处理，图10.7是所有A扫描信号转化成C扫描显示并用黑框指出可能的缺陷。

图10.5　A扫描信号示例

图10.6　所有A扫描信号的立体化处理

图10.7　C扫描显示图中用黑框指出可能的缺陷

第三节　对偶树复小波分析在楔横轧轧件缺陷检测中的应用

超声检测中所期望获得的与缺陷性质有关的各种信息往往以某种方式隐藏在所获取的信号之中。小波变换独具的“局部化”特性，使小波信号分析成为探测和识别奇异信号和分析非平稳随机信号的有力手段，小波分析技术以其在降噪、特征提取、多分辨率分析等方面的突出成就而在信号处理领域中得到了广泛的应用。它根据缺陷信号和噪声在不同尺度上的表现分别处理，在超声检测中能够实现弱信号检测或提取特征信息［192］。文献［193］介绍了利用连续小波变换来进行钢层下橡胶界面脱粘信号研究。文献［194］应用离散小波变换，利用变换后各频段能量的差异来进行缺陷回波信号的分析和特征提取。文献［195］采用非抽样小波进行超声回波信号的消噪。这些小波方法都存在某些不足，而DT−CWT因其同时具备平移不变性、有限的冗余度和计算量、精确重构等特性可较好解决这些问题。因此，利用DT−CWT的优势，可以改进现有的基于常规DWT的回波信号处理方法。

为了说明构造的新小波对在DT−CWT降噪算法中的有效性，采用实际的从楔横轧轧件采集的超声回波信号进行了分析研究。

楔横轧多楔轧制是内楔和外楔同时对轧件进行径向压下和轴向延伸的塑性成型，它的工作原理如图10.8所示。两个具有多个楔形模具的轧辊，以相同的方向旋转并带动圆形轧件旋转，轧件在楔形孔型的作用下，轧制成各种形状和长度的轴类零件。在轧制过程中，轧件基本上受到轧辊外力作用。轧辊给轧件的径向轧制力，使轧件径向压缩变形，轧辊给轧件的切向摩擦力，使轧件产生旋转，这样轧件边旋转边受到径向压下，实现连续小变形成形过程。对于多楔轧制，由于楔与楔之间的金属流动要受到一个轴向力的作用，它将促使或阻止轧件产生轴向延伸变形，因此楔与楔之间就存在着复杂的相互制约关系，轧件内部的变形过程和金属流动规律就很复杂，也因此更容易产生缺陷。

图10.8　楔横轧多楔轧制工作原理示意图

一、轧制试验

本试验中的主要设备是H630楔横轧机，如图10.9所示，该轧机主要技术参数如下：电机功率：40kW；轧辊直径：620mm；轧辊宽度：500mm；轧件最大直径：50mm；轧件最大长度：500mm；轧辊转速：10r/min；轧制温度：1 200℃。

图10.9　H630楔横轧机

超声探头采用美国Panametrics-NDT公司的5MHz、直径13mm的双晶直探头，采用反射式探测，采样频率为100MHz。试验对象为45#圆钢，直径20mm。

二、试验结果与分析

轧件中间横向剖开后的照片，中心出现了针孔形状的破坏。在轧件的中心位置有一个不规则的孔腔，旁边有一个比较小的小孔，如图10.10（a）所示。通常的方法可以检出这个较大的中心孔腔，而对旁边的小孔会漏检，如图10.10（b）所示为所采集的原始超声回波信号。对所采集到超声信号利用DT−CWT进行分解，小波分解层数为4层，得图10.10（c）。由图10.10（c）可以看到：在底波之前有两个非常明显的缺陷回波，表明此处有两个缺陷。而由图10.10（b）在相同位置只可发现一个缺陷，另外一个缺陷极不明显。由此可以看出，采用DT−CWT分解可以有效地提取出微弱缺陷信息。进而根据该结果，可以进一步探求模具工艺参数和变形参数与不产生缺陷的理论关系，进而改善轧件缺陷的产生。

图10.11所示的非接触式水浸探伤示例表明了DT−CWT分解可以有效地滤除噪声从而突出缺陷信息。

图10.10　接触式探伤示例

图10.11　非接触式水浸探伤示例

第四节　基于DT−CWT的匹配追踪的缺陷特征信号提取

对仿真信号和试验得到的信号分别用匹配追踪方法进行了处理，并和基于DWT的匹配追踪方法结果进行了比较。结果表明基于DT−CWT的匹配追踪方法能更有效提取状态信号中的特征，在低信噪比时能获得比其他小波方法更多的特征信息。

对楔横轧轧件的超声回波信号进行了匹配追踪信号提取及结果分析如下：

轧件中间横向剖开后的照片如图10.10（a）所示，中心出现了针孔形状的破坏。在轧件的中心位置的不规则的孔腔的旁边有一个比较小的小孔。通常的方法可以检出这个较大的中心孔腔，而通常对旁边的小孔会漏检，如图10.10 （b）所示所采集的原始超声回波信号，其中波峰最大的是底波回波信号。对所采集到的超声信号利用基于DT−CWT的匹配追踪信号提取方法进行处理，得图10.12。由该图可以看出，采用本方法可有效地提取出微弱缺陷信息。

图10.12　接触式探伤方法处理——基于DT−CWT的匹配追踪信号提取方法处理后的结果

由图10.13（b）也可以看出，采用本方法可以有效地提取出非接触式水浸探伤条件下的微弱缺陷信息。

图10.13　非接触式水浸探伤方法处理