引言
采用温度-形变控制工艺 (Thermal Mechanical Control Process, TMCP) 制作的厚钢板具有高强度、高韧性和良好的焊接性能。TMCP钢在控轧控冷过程中, 晶粒沿着主变形方向被拉长, 呈现纤维组织, 各向异性。[1]由于TMCP钢的组织各向异性, 平行于轧制方向与垂直于轧制方向的超声波速不同, 折射角也不同。[2]某大型集装箱船的甲板和舱口围使用80mm厚的TMCP钢, 按照船级社规范的要求, 使用TMCP钢制作了对比试块。本文针对在使用TMCP钢对比试块制作参考曲线 (也可称为距离波幅曲线) 时出现的问题, 提出了改善方法, 以提高参考曲线的精确性。

1 试验设备和试块
试验设备采用南通友联PXUT-350+数字超声波探伤仪, 探头采用常州电子超声研究所标称为K1和K2的探头各两个, 探头频率为2.5MHz。试块采用CSK-IA标准试块和船级社规范推荐的TMCP对比试块, 耦合剂为机油。

2 TMCP对比试块
由于需测试的TMCP钢厚度为80 mm, 对比试块也采用80 mm厚度的TMCP钢制作, 这样可避免耦合补偿和衰减补偿。

2.1 船级社规范推荐的TMCP对比试块
规范推荐在平行和垂直轧制方向各设置两个Ф3×30的短横孔, 在厚度方向, 横孔的深度分别为1/2T和3/4T (T为板厚) , 即40 mm和60 mm。横孔与对比试块边界距离为30 mm。对比试块的边长为440 mm, 如图1所示。

2.2 TMCP对比试块的改善
(1) 对比试块的不足。经过一段时间的使用, 发现推荐的对比试块存在以下不足之处:质量约为122 kg, 非常笨重, 无法搬运和翻转;反射体较少, 只有依次为20 mm、40 mm、60 mm、100 mm和120 mm等深度的短横孔;反射体与对比试块边界距离短, 仅为30 mm, 在制作参考曲线时, 会出现边界干涉。

(2) 对比试块的改善。针对以上不足之处, 对推荐的TMCP对比试块做了如下改善:把一块笨重的大试块改成了平行和垂直于轧制方向的两块相对较小的试块, 每个试块约14 kg, 方便了使用;增加10 mm深度的反射体, 这样可以使用依次为10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、70 mm、90 mm、100 mm和120 mm等深度的横孔, 提升了制作参考曲线的精确性;把反射体与对比试块边界的距离改为50 mm, 减小了边界干涉, 同时把Ф3×30的短横孔改成了常见的Ф3×40横通孔, 增加了反射体的面积。改善后的TMCP对比试块如图2所示。

 图1 规范推荐的TMCP对比试块
图1 规范推荐的TMCP对比试块   下载原图

 图2 改善后的TMCP对比试块
图2 改善后的TMCP对比试块   下载原图

3 制作参考曲线的方法和结果
3.1 船级社推荐的参考曲线制作方法和结果
(1) 参考曲线制作方法。常规横波斜探头的入射点在TMCP钢上不会发生变化, 可直接在CSK-IA试块上测定探头前沿L1和L2、声速CS和折射角βS。测定好两个相同标称的探头前沿L1和L2后, 选择超声仪“穿透”选项, 输入声速CS和折射角βS。分别在平行和垂直于轧制方向的TMCP试块上放置两探头, 移动探头, 找到全跨距最高波, 测量探头间距L。这样可得tanβTMCP= (L1+L2+L) /2T, 如图3所示, 图中T为试验板厚。

 图3 双探头测TMCP钢折射角βTMCP
图3 双探头测TMCP钢折射角βTMCP   下载原图

按照斯涅尔定律, 可得式 (1) 。

 
式中, βS为超声波在CSK-IA试块中的折射角;CS为CSK-IA试块中的声速;βTMCP为超声波在TMCP试块中的折射角;CTMCP为TMCP试块中的声速。其中, βS和CS在CSK-IA试块中已测出, βTMCP在TMCP试块中已测出, 可应用式 (1) 计算得出CTMCP。

(2) 制作参考曲线的结果。同一标称探头需同时使用两个, 数据也应是两组。相同标称的接收探头测试数据与发射探头略有差异。测试过程中的数据如表1所示 (只采用了发射探头测得的数据) 。

表1 测试过程中的数据     下载原表

 表1 测试过程中的数据
把测试得到的前沿、声速CTMCP和折射角βTMCP输入超声仪, 就可以制作参考曲线。参考曲线的校验数据如表2所示。在制作参考曲线时, 任意一点偏差不应大于该点读数的10%或扫描量程的2%。扫描量程为2倍板厚, 即160 mm。

表2 参考曲线的校验     下载原表

 表2 参考曲线的校验
3.2 改善的参考曲线制作方法和结果
(1) 改善的参考曲线制作方法。为改善TMCP钢折射角βTMCP测量方法, 选择超声仪“斜探头”选项, 输入声速CS和折射角βS, 然后分别在平行和垂直于轧制方向的TMCP试块上放置探头, 移动探头, 找到深度为60 mm反射体的最高波, 测量间距L, 如图4所示。已知L1是探头前沿, 从tanβTMCP= (L1+L) /60可以推测出βTMCP。

 图4 单探头测TMCP钢折射角βTMCP
图4 单探头测TMCP钢折射角βTMCP   下载原图

(2) 改善后的参考曲线制作结果。测试过程中的数据如表3所示。结果显示, 只用一个探头避免了使用两个相同标称探头存在的差异。把测试得到的前沿、声速CTMCP和折射角βTMCP输入超声仪, 制作参考曲线, 其校验数据如表4所示。

表3 改善后测试过程的数据     下载原表

 表3 改善后测试过程的数据
表4 改善后参考曲线的校验     下载原表

 表4 改善后参考曲线的校验
4 结果分析
表1中, K1探头在平行于轧制方向测得的角度为43.3°, 垂直于轧制方向测得的角度为43.2°, 变化很小。K2探头在平行于轧制方向测得的角度为64.8°, 垂直于轧制方向测得的角度为61.4°, 两角度相差3.4°。一般认为角度相差在2°以内的可以忽略。表2中, K1探头参考曲线的校验数据都合格。K2探头平行和垂直于轧制方向的参考曲线的100mm深度的反射体, 校验数据超出标准要求。在采用双探头测TMCP钢折射角时, 采用的是全跨距方式, 声程大, 接收探头出现了找到两个最高波的情况, 也就是超声波束出现了双峰。真实的最高波应在双峰之间, 接收探头不能准确测得, 这导致了参考曲线校验数据的不合格。表3中, K1探头在平行于轧制方向测得的角度为43.5°, 垂直于轧制方向测得的角度为42.5°, 变化也很小。K2探头在平行于轧制方向测得的角度为64.5°, 垂直于轧制方向测得的角度为59.0°, 两角度相差5.5°。平行和垂直于轧制方向的性能差异更加明显。表4中, K1和K2探头参考曲线的校验数据都合格。两个相同标称角度的探头, 角度也不会是完全一样的。单探头测TMCP钢折射角, 避免了双探头之间的角度误差。使用人工反射体代替底面反射的全跨距方式, 减小了声程, 检测过程中没有出现双峰, 测得的数据更为精确。

5 结束语
以上的试验中, 改善的试块重量减轻, 方便了使用;增加10mm深度的反射体, 提升了制作参考曲线的精确性;采用Ф3×40横通孔, 增加了反射体的面积。通过对比试验表明, 双探头测TMCP钢折射角, 采用的是全跨距方式, 接收探头会找出两个最高波, 也就是发射探头超声波束出现了双峰, 这导致了测得的数据不精确, 参考曲线校验不合格。而单探头测TMCP钢折射角, 使用人工反射体代替底面反射的全跨距方式, 检测过程中没有出现双峰, 消除了发射探头和接受探头之间的角度误差, 测得的数据更精确。因此, 在实际操作中推荐采用单探头测TMCP钢折射角的方法。