超聲檢測時探頭壓力對缺陷尺寸評定的影響

肖 峰，俞衛(wèi)權(quán)，桂興亮

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪公司，馬鞍山 243000）

GB／T 6402－2008《鋼鍛件超聲檢測》中規(guī)定，探頭標(biāo)稱頻率應(yīng)在1.0～6.0MHz范圍之內(nèi)，直探頭的晶片有效直徑應(yīng)在10～40mm 之間。2.5MHzφ20mm，5MHzφ14mm，5MHzφ20mm，2.5 MHzφ14mm是國內(nèi)最常見的幾種探頭。鋼鍛件手動超聲檢測中發(fā)現(xiàn)，不同探傷人員使用相同的儀器、相同的5MHz、φ14mm 探頭和同樣耦合劑，缺陷大小評定結(jié)果存在較大差異（可達(dá)4～6dB）。這種差異來源于不同探傷人員用手壓探頭的操作習(xí)慣不同。而使用2.5 MHzφ20mm探頭時，這種差異卻不明顯（一般為1～2dB）。這給鋼鍛件超聲檢測的結(jié)果判定帶來較大分歧。

1 耦合層厚度和聲波透射率

在手壓探頭用力不同時會導(dǎo)致回波幅度的變化，這種現(xiàn)象在手動超聲檢測時比較常見。分析原因很簡單，是因?yàn)槭謮禾筋^用力不同而影響探頭與工件表面的耦合效果。如果工件表面平面度和粗糙度、所用耦合劑符合檢測要求，而且操作方法正確的話，那么耦合效果表現(xiàn)為聲強(qiáng)透射率的大小，并取決于耦合層厚度d2。當(dāng)超聲波垂直入到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層時（如圖1所示），聲強(qiáng)透射率為［1］：式中：T為聲強(qiáng)透射 率；I1、I1′為入射波、返回波在介質(zhì)1界面處的聲強(qiáng)；I2、I2′為入射波、返回波在薄層介質(zhì)2中的聲強(qiáng)；I3、I3′為入射波、返回波在介質(zhì)3界面處的聲強(qiáng)；Z2為薄層介質(zhì)2的聲阻抗；Z1、Z3為薄層兩側(cè)介質(zhì)1、3的聲阻抗；d2為薄層厚度；λ2為薄層介質(zhì)中聲波波長。

聲波往復(fù)的聲能損失（dB值）：

圖1 超聲波在薄層的透射和反射

具體到采用2.5 MHz和5 MHz帶剛玉保護(hù)膜的縱波直探頭、機(jī)油耦合劑對鋼進(jìn)行檢測的情況下：Z1＝33×106kg／（m2·s），Z2＝1.28×106kg／（m2·s，）Z3＝45×106kg／（m2·s），C2＝1 425 m／s，對 于2.5MHz，λ2＝0.57mm；對于5MHz，λ2＝0.285mm按公式（1）計(jì)算聲強(qiáng)透射率T，再計(jì)算20lgT聲強(qiáng)往復(fù)透射率值，得到不同薄層厚度對應(yīng)的20lgT值和20lgT—d2曲線，分別見表1和圖2。按公式（3）和表1計(jì)算耦合層厚度變化引起的回波高度變化，見表2。

表1 不同薄層厚度（d2）對應(yīng)的聲強(qiáng)往復(fù)透射率值 dB

圖2 聲強(qiáng)往復(fù)透射率對應(yīng)薄層厚度曲線

表2 薄層厚度（d2）變化引起的回波高度變化 dB

由圖2和表2可見：

（1）相同薄層厚度條件下，低頻聲波的聲強(qiáng)往復(fù)透射率大于高頻聲波的聲強(qiáng)往復(fù)透射率。

（2）回波高度將隨著薄層厚度的減小而上升。

（3）當(dāng)薄層厚度發(fā)生同樣變化時，高頻聲波的回波高度變化大于低頻聲波的回波高度變化。

2 探頭壓力與回波高度試驗(yàn)

超聲檢測時薄層厚度無法準(zhǔn)確測量。但在其他條件一定時，可以認(rèn)為薄層厚度與探頭壓力有關(guān)，且在一定范圍內(nèi)薄層厚度隨著壓力的加大而減小。因此，根據(jù)前面的理論分析結(jié)論可以推斷在一定范圍內(nèi)加大探頭壓力將使回波高度上升。為比較使用不同頻率探頭檢測時探頭壓力大小對回波高度的影響，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)。

試驗(yàn)一為探頭壓塊質(zhì)量對缺陷波高的影響。

（1）試驗(yàn)條件：①一臺CUD－2080A 型數(shù)字超聲檢測儀；②一只2.5 MHzφ20 直探頭和一只5MHzφ20 直探頭，按TB／T 2047.3 標(biāo) 準(zhǔn)測試合格；③一塊高度為145mm 鍛件參考試塊，含有距掃查面85 mm 深φ1 mm 的平底孔，掃查面粗糙度Ra≤1.6μm；④若干探頭壓塊，重量分別為0.5，1.0，2.0，5.0kg。

（2）試驗(yàn)方法：探頭上加不同數(shù)量壓塊，在試塊上找準(zhǔn)平底孔，不改變增益量，記錄φ1平底孔反射波高。

（3）試驗(yàn)結(jié)果圖3所示。

圖3 探頭壓塊質(zhì)量－φ1／80平底孔反射波高度曲線

試驗(yàn)二為手動檢測探頭壓力測試。

（1）試驗(yàn)條件：①一臺CUD－2080A 型數(shù)字超聲檢測儀；②一 只2.5 MHz／φ20 直探頭和一只5 MHz／φ20直探頭，按TB／T 2047.3 標(biāo)準(zhǔn)測試合格；③一塊高度為145mm 鍛件參考試塊，含有距掃查面85mm 深 的φ1 mm 平底孔，掃查面粗糙度Ra≤1.6μm；④一臺電子臺秤。

（2）試驗(yàn)方法：在電子臺秤模擬超聲檢測動作，記錄正常單手持探頭掃查、正常單手壓探頭進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)或缺陷定量、雙手壓探頭進(jìn)行缺陷定量等三種狀態(tài)下臺秤的顯示值。

（3）試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 手動超聲檢測探頭壓力

試驗(yàn)結(jié)果分析和討論：

從表3中三種狀態(tài)對應(yīng)的壓力范圍內(nèi)分別選取1～2個壓力值，再從圖3中查不同壓力值所對應(yīng)的平底孔反射波高值，得到表4。由表4可見，手動檢測時探頭壓力對缺陷波高的影響，以及這種影響因探頭頻率的不同而產(chǎn)生的差異。

表4 手動超聲檢測平底孔反射波高度變化

以上結(jié)果是在掃查面粗糙度Ra不大于1.6μm的試塊上通過試驗(yàn)得出的。在對掃查面粗糙度Ra不大于6.3μm 的工件進(jìn)行實(shí)際檢測時發(fā)現(xiàn)，缺陷定量時加大用力壓探頭得到的缺陷當(dāng)量大小要比正常用力（與靈敏度校準(zhǔn)時用力一致）壓探頭得到的結(jié)果大得多，對于5MHz和2.5MHz直探頭，變化分別可達(dá)4～6dB、1～2dB。

另外實(shí)際檢測時還發(fā)現(xiàn)，即使同樣是5MHz直探頭，使用φ14探頭時壓力對缺陷波高的影響要比使用φ20探頭時大。推斷其中原因是：同樣壓力下小直徑探頭下的壓強(qiáng)大于大直徑探頭，因此相同的探頭壓力變化應(yīng)使得小直徑探頭下的耦合層厚度變化大于大直徑探頭。

3 結(jié)論

（1）相同耦合層厚度條件下，低頻聲波的聲強(qiáng)往復(fù)透射率大于高頻聲波的聲強(qiáng)往復(fù)透射率；回波高度將隨著耦合層厚度的減小而上升；當(dāng)耦合層厚度發(fā)生同樣變化時，高頻聲波的回波高度變化大于低頻聲波的回波高度變化。

（2）探頭壓力影響探頭與工件之間的耦合層厚度，缺陷波高隨探頭壓力的加大而上升；當(dāng)探頭壓力發(fā)生同樣變化時，高頻探頭的回波高度變化大于低頻探頭的變化。

（3）實(shí)際手動檢測中，若使用高頻探頭，尤其是小直徑的高頻探頭，缺陷定量時探頭壓力的大小對得出的缺陷當(dāng)量大小有不可忽視的影響。因此，使用高頻探頭檢測時，保證缺陷定量時探頭壓力與探傷靈敏度校準(zhǔn)時一致，對于缺陷準(zhǔn)確定量至關(guān)重要。

（4）應(yīng)考慮耦合劑中雜質(zhì)對耦合層厚度的影響以及因此導(dǎo)致對探傷靈敏度校準(zhǔn)和缺陷定量的影響。因此，實(shí)際手動檢測中，應(yīng)事先清潔待檢工件的掃查面和使用無雜質(zhì)的耦合劑。

［1］鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.2 版.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：37.