鍛件近表面缺陷的超聲檢測(cè)

姜 煒，莊志強(qiáng)，丁 杰，樊艷霞

（1.上海材料研究所，上海 200437；2.上海蘇科建筑技術(shù)發(fā)展有限公司，上海 200124）

1 鍛件的檢測(cè)技術(shù)要求

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，特別是對(duì)航空、航天、核電等工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品。超聲檢測(cè)作為工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)的有效手段，具有可靠、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域有著重要地位。

鍛件超聲檢測(cè)時(shí)，對(duì)近表面缺陷容易漏檢，這主要與探頭盲區(qū)及近表面檢測(cè)有關(guān)。許多重要鍛件對(duì)表面檢測(cè)的要求很高。如：某航空鍛件的靈敏度要求為φ1.6mm 平底孔，對(duì)近表面質(zhì)量檢測(cè)甚至要求達(dá)到φ0.8mm。為此，急需解決鍛件近表面缺陷難于檢測(cè)的問(wèn)題。

為尋求減小盲區(qū)和提高近表面缺陷檢測(cè)精度的方法，筆者依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合超聲檢測(cè)原理，在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使鍛件近表面缺陷的檢測(cè)盲區(qū)減小到3mm 以內(nèi)，并能檢測(cè)出φ0.8mm 的缺陷［1－2］。

2 試驗(yàn)器材

根據(jù)超聲檢測(cè)方法準(zhǔn)備了以下試驗(yàn)器材：

（1）超聲波探傷儀 1臺(tái)。

（2）探頭 雙晶直探頭，規(guī)格為10P10FG5；延遲塊探頭，規(guī)格為10P10；水浸聚焦探頭，規(guī)格為10P10SJ5DJ。

選用以上探頭檢測(cè)近表面小缺陷，是因?yàn)椋禾筋^頻率高，分辨力好，波長(zhǎng)短及脈沖窄，有利于發(fā)現(xiàn)小缺陷；探頭尺寸小，入射能量低，阻尼較大，脈沖窄，有利于發(fā)現(xiàn)小缺陷。

（3）試塊 在航空、航天、核電等領(lǐng)域中，重要鍛件一般是高強(qiáng)鋼，如A100鋼和300 M 鋼，鋼的組織都較為均勻。如果聲速相同、組織相近，超聲檢測(cè)用對(duì)比試塊可以使用其他鋼種進(jìn)行代替。從已有資料知，A100鋼聲速約為5 750mm／s，300M 鋼聲速約為5 800mm／s。筆者單位現(xiàn)有的超聲波試塊，實(shí)測(cè)聲速約為5 850mm／s，聲阻抗與A100鋼和300M 鋼的聲阻抗較為接近。因此，可使用現(xiàn)有的試塊進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)試塊進(jìn)行編號(hào)：1＃、2＃、3＃；各試塊的俯視圖均如圖1所示，圖中的孔均為平底孔，1＃，2＃，3＃試塊上的孔到上表面的距離分別為1，2，3mm。

圖1 1＃，2＃，3＃試塊的俯視圖示意

3 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

3.1 雙晶探頭

使用10P10FG5雙晶探頭分別對(duì)1＃、2＃、3＃試塊進(jìn)行測(cè)試，得到的回波波形如圖2所示。

圖2 使用雙晶探頭對(duì)各試塊的檢測(cè)回波波形

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，使用雙晶探頭能成功檢測(cè)出2＃試塊上φ1.6mm，φ2mm 的平底孔與3＃試塊上所有的平底孔；但2＃試塊上φ0.8mm 的平底孔，以及1＃試塊上所有的平底孔都未能有效地檢測(cè)出來(lái)。

從圖3可知，雙晶探頭的聚焦區(qū)限制了2＃試塊上φ0.8mm 及1＃試塊上所有平底孔的檢出。故得出：①只有當(dāng)缺陷位于聚焦區(qū)內(nèi)，才能得到較高的反射回波，容易被檢出。②當(dāng)缺陷位于聚焦區(qū)外，無(wú)法為聲束掃查到，所以得不到缺陷的回波，因此就很難發(fā)現(xiàn)此類缺陷。

圖3 雙晶探頭的聚焦區(qū)示意

3.2 延遲塊探頭

為解決由于雙晶探頭聚焦區(qū)的限制而造成的2＃試塊上φ0.8 mm 及1＃試塊上的所有平底孔無(wú)法檢出的問(wèn)題，改用無(wú)聚焦的10P10 延遲塊探頭，對(duì)2＃試塊上φ0.8mm 及1＃試塊上的所有平底孔進(jìn)行測(cè)試，得到的回波波形如圖4所示。

圖4 使用延遲塊探頭對(duì)各試塊的檢測(cè)結(jié)果

由圖4可見(jiàn)，使用延遲塊探頭能成功檢測(cè)出2＃試塊上φ0.8mm 及1＃試塊上所有的平底孔。

3.3 水浸聚焦探頭

3.1 和3.2都是利用直接接觸法進(jìn)行檢測(cè)，接下來(lái)使用10P10SJ5DJ水浸聚焦探頭，利用水浸法分別對(duì)1＃、2＃、3＃試塊進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)示意如圖5（a）所示，得到的波形如圖5（b）所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，試驗(yàn)未能檢測(cè)出1＃、2＃、3＃試塊上所有的平底孔。

原因分析：水／鋼之間介質(zhì)的聲阻抗不同，水／鋼會(huì)產(chǎn)生界面波；超聲波從水中經(jīng)過(guò)，水對(duì)超聲的衰減，造成了超聲能量的降低；而此問(wèn)題需通過(guò)提高脈沖發(fā)射強(qiáng)度來(lái)解決。但提高脈沖發(fā)射強(qiáng)度的同時(shí)，脈沖自身會(huì)變寬，會(huì)造成近場(chǎng)干擾加大；因此，聲束在由水進(jìn)入鋼時(shí)形成發(fā)散，導(dǎo)致無(wú)法分辨接近表面的小缺陷，也就未能檢測(cè)出試塊中的平底孔。

圖5 使用水浸聚焦探頭的檢測(cè)裝置示意和得到的檢測(cè)波形

4 結(jié)語(yǔ)

從上述三種類型探頭分別對(duì)1＃、2＃、3＃試塊進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于近表面小缺陷的檢測(cè)，在兼顧檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)盲區(qū)的情況下，采用高頻窄脈沖延遲塊探頭的檢測(cè)效果最佳，且能發(fā)現(xiàn)距表面1mm 的φ0.8mm 的平底孔，取得了滿意的檢測(cè)效果。在該方法研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用常規(guī)方法解決近表面小缺陷的檢測(cè)方法還有待進(jìn)一步探索。

［1］鄭暉，林樹(shù)青.超聲檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

［2］王少軍，俞厚德，錢(qián)耀洲，等.基于超聲散射法的微小缺陷及近表面缺陷的檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2014，36（1）：53－57.