冷拉钢棒的超声波探伤技术：方法、挑战与实现路径

日期：2025-07-28 浏览：9

冷拉钢棒的超声波探伤技术：方法、挑战与实现路径

冷拉钢棒作为一种关键的工业材料，其内部质量的可靠性直接关系到最终产品的性能与安全。因此，对其进行严格的质量控制至关重要。在众多无损检测（NDT）技术中，超声波探伤因其高穿透性和对内部缺陷的敏感性，成为了检测冷拉钢棒内部瑕疵的主流方法。

然而，钢棒的内部缺陷分布复杂，既可能存在于心部，也可能潜藏于近表面区域。这就对检测方案的设计提出了严苛要求。在制定具体的超声波检测策略时，必须周全地考量声束的覆盖范围、检测盲区以及声波在钢棒曲面折射时可能产生的“透镜效应”对灵敏度的干扰。

圆形截面钢棒的超声波检测方案

对于常见的冷拉圆钢棒，自动化超声波探伤系统通常围绕两种核心的声束入射方案来构建。

1. 直声束垂直入射法

该方法采用直探头，使超声波声束垂直于钢棒表面入射，其主要目标是探测钢棒内部的缺陷，如缩孔、夹杂等。这是一种直观且有效的方法。

但是，它的局限性也相当明显。由于超声波脉冲具有一定的宽度，在探头发射和接收的瞬间，靠近钢棒上、下表面的区域会形成检测盲区，此区域内的缺陷信号会被初始脉冲或界面回波所掩盖，从而导致漏检。对于直径较小的钢棒，这个盲区问题尤为突出，甚至可能使直声束法完全失效。在这种情况下，采用双晶探头（一个晶片发射，一个晶片接收）是缩小盲区的一种有效途径。

另一个挑战在于，直声束（纵波）对与钢棒表面近乎垂直的裂纹类缺陷几乎不敏感。因为声束与缺陷面近乎平行，无法形成有效的反射，导致回波信号极其微弱，难以被识别。

图1 冷拉圆钢棒超声波检测方案示意（左：直声束入射，右：斜声束入射）

2. 斜声束入射法

为了克服直声束法的局限，特别是为了有效检测表面及近表面区域的缺陷，斜声束入射法应运而生。通过让声束以一定角度倾斜入射，声波在钢棒内部会发生折射，并主要以折射横波的形式传播。这种横波对于探测表面和近表面的周向及纵向裂纹非常有效。

入射角或折射角的选择并非随意，它需要根据目标缺陷的典型分布位置、取向以及声束在材料中的有效覆盖宽度来精密计算和确定。在某些要求极高的应用中，甚至会同时采用多个不同角度的斜探头，通过在钢棒内部激发出横波、纵波乃至表面波的复杂组合，以期实现对钢棒全截面、全方位缺陷的无死角探测。

要实现对整根钢棒的全面扫查，声束必须以螺旋路径覆盖其全部表面。这通常通过两种机械传动方式实现：

探头旋转，钢棒直线前进：这种方式常采用一个被称为“旋转水腔”或“旋转盘”的核心装置。钢棒匀速直线通过水腔中心，而水腔内预设的探头架则高速旋转（最高可达1000 r/min），探头通过水这一耦合介质将超声波发射到钢棒中。为保证检测的稳定性，水腔两侧会安装定心压辊，确保钢棒在传送过程中始终精确地位于旋转中心线上，避免因抖动影响耦合效果。
钢棒螺旋前进，探头固定：当钢棒直径较大时，旋转水腔的制造和运行成本急剧上升，不再适用。此时，则采用让钢棒自身进行螺旋运动（自转加平移），而探头相对固定的方式。探头通常安装在一个带有轮子的小车上，使其能够“骑”在钢棒上随动。通过调整探头相对于钢棒中心的位置，即可实现直声束（对准中心）或斜声束（偏离中心）的探伤。

图2 采用旋转水腔的探头旋转式探伤设备

六角形截面钢棒的超声波检测方案

相较于圆形棒材，冷拉六角钢棒的检测方案设计更为复杂，因为它具有多个平直的表面和棱角，缺陷的取向也更加多样化。设计目标是确保对任何部位、任何取向的缺陷都具备足够的检测灵敏度。

一个成熟的解决方案是采用组合式的探头布局策略，通常包含两种配置：

垂直入射探头组：在六角钢棒的六个平面上，各配置一个垂直入射的直探头。这组探头（共6个）主要负责检测与各个表面平行的内部缺陷。
斜向入射探头组：为了有效检出与表面不垂直的中心区域裂纹以及近表面区域的缺陷，需要在每个平面上再配置两个斜向入射的探头（共12个），它们的声束以特定角度射向材料内部。

图3 冷拉六角钢棒的组合式超声波检测方案（左：垂直入射，右：斜向入射）