棒材超聲水浸法縱波檢測聚焦探頭的選用探析

摘 要：在我國科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展下，近些年在從超聲自動化檢測設(shè)備中出現(xiàn)了如水浸點聚焦探頭、線聚焦探頭等在內(nèi)的眾多不同類型的聚焦探頭。而現(xiàn)階段在選用聚焦探頭當(dāng)中大多使用橫波檢測的方式，關(guān)于棒材超聲水浸法縱波檢測聚焦探頭方面的研究則相對較少。因此本文將通過從簡單說明縱波水浸法以及棒材水浸檢測法的相關(guān)原理入手，著重圍繞棒材超聲水浸法縱波檢測聚焦探頭的選用進(jìn)行簡要分析研究。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測；縱波；點聚焦

在運用縱波檢測方式檢驗棒材內(nèi)部缺陷的過程中，水浸聚焦探頭的選型對于最終的檢測結(jié)果的真實性與可靠性有著直接的影響作用。因此為了有效保障檢測工作的順利進(jìn)行，使得而檢測結(jié)果能夠更加精準(zhǔn)在有效，還需要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求合理選用棒材超聲水浸法縱波檢測聚焦探頭。對比于西方國家，我國學(xué)者對棒材超聲水浸法的研究不夠深入，并且研究視域較狹窄，所得到的研究結(jié)論不能更好的指導(dǎo)實踐，最終影響聚焦探頭檢測準(zhǔn)確性。為了縮小我國西方國家在這一方面的差距，針對“棒材超聲水浸法縱波檢測聚焦探頭的選用探析”這一論題展開分析是極為必要的，論題探究如下。

一、縱波水浸法與棒材水浸檢測法的基本原理

縱波水浸檢測法主要是通過在水中放入探頭之后利用超聲波能夠多次自動生成水與鋼界面反射波的原理，結(jié)合被檢件內(nèi)部所產(chǎn)生的反射波完成檢測工作。而由于水與鋼這兩種傳播介質(zhì)不同，因此使得在不同介質(zhì)中的超聲波傳播速度會出現(xiàn)一定差異。[1]此時通過對探頭和被檢件之間的水層距離進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使得在二次水界面反射波之前可以出現(xiàn)被檢件底波。此時介于底波與水鋼界面波的中間位置處將會出現(xiàn)缺陷波。

通過結(jié)合相關(guān)資料可知絕大多數(shù)棒材中的缺陷會沿著棒材軋制方向延伸，在橫截面上則多集中分布于棒材中心。而因受到近場區(qū)長度、脈沖寬度等因素的影響，縱波直探頭并不適用于檢測棒材表面以及近表面周圍的曲線。同樣，在缺陷自身以及較小聲束夾角的影響下，垂直于棒材表面或是基本垂直于棒材表面的裂紋類缺陷缺乏較高的回波幅度，因而也在一定程度上增加了檢測缺陷的難度。此時需要通過配合使用橫波檢測的方式才能有效完成特殊棒材的缺陷檢測工作。

二、棒材超聲水浸法縱波檢測聚焦探頭選用

棒材內(nèi)部缺陷現(xiàn)象出現(xiàn)后，應(yīng)盡可能在短時間內(nèi)探索缺陷彌補(bǔ)措施，在這一過程中，做好缺陷檢測工作，同時，按照既定順序完成缺陷檢測任務(wù)。選用棒材超聲水浸法縱波檢測聚焦探頭的過程中，以實驗分析的方式選用適合探頭，在此期間，優(yōu)選適合的驗證方法，并針對驗證結(jié)果具體分析，最后進(jìn)行取樣分析，希望相關(guān)人員能夠以此為借鑒，掌握聚焦探頭選用技巧。

（一）試驗用探頭

本文所使用的檢測設(shè)備為分別擁有兩個橫向通道和縱向通道的超聲波自動化檢測設(shè)備，在縱波檢測中各運用一個線聚焦探頭和點聚焦探頭，并采用旋轉(zhuǎn)探頭的方式進(jìn)行掃查，棒材則直線前進(jìn)。雖然兩種類型的聚焦探頭中，檢測界面上的聲束輪廓基本一致，點聚焦探頭與線聚焦探頭在管材上會分別形成點狀以及沿軸線延長的現(xiàn)狀聚焦區(qū)。并且點聚焦與線聚焦檢測方式在各縱長人工傷檢測中所表現(xiàn)出的靈敏性也不盡相同。考慮到棒材的特殊性，在依照試塊比較法運用縱波對檢測靈敏度進(jìn)行調(diào)試時，相比于點聚焦，線聚焦的橫向分辨率以及信噪比均相對較低。[2]

此外，本文也還運用了縱波雙晶探頭，其兩個晶片相向傾斜共同構(gòu)成了一個菱形聲束會聚區(qū)，聲束聚焦后會在一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)直徑變窄、聲強(qiáng)增高的情況，進(jìn)而使得局部區(qū)域檢測擁有較好的靈敏性與較高的信噪比、橫向分辨力。但由于縱波雙晶探頭智能檢測菱形聲束會聚區(qū)以內(nèi)的缺陷，因而在聲束有效區(qū)域的限制作用下，雙晶探頭聲束掃查范圍比較小，難以達(dá)到提升檢測效率的效果。

（二）驗證方法與結(jié)果分析

在驗證探傷方法中，檢測標(biāo)準(zhǔn)GB/T4162-2008 B級，基準(zhǔn)靈敏度可發(fā)現(xiàn)最大聲程處2MM平底孔。[3]而通過結(jié)合手工接觸法驗證結(jié)果可知，在雙晶直探頭下，根據(jù)被檢棒材缺陷反射波形可知缺陷反射波幅度比檢測基準(zhǔn)靈敏度波高要高，缺陷長度為130MM，按長條形缺陷評定為不合格。在水浸法驗證中，線聚焦探頭與點聚焦探頭均使用水作為耦合劑。

利用同一對比試樣即2MM平底孔調(diào)節(jié)儀器的靈敏度，可知點聚焦探頭底波出現(xiàn)了大幅下降的情況，但并未完全消失。而水浸線聚焦探頭以及雙晶直探頭底波則并沒有出現(xiàn)實質(zhì)性的變化，這也意味著聲束直徑均比平底孔直徑大。在將探頭移動至被檢棒材的缺陷位置時，無論是水浸線聚焦探頭、點聚焦探頭還是雙晶直探頭，其底波均未出現(xiàn)明顯變化。水浸線聚焦探頭檢測與接觸法手工檢測所獲得的結(jié)果基本相同，即均檢測得到缺陷長度為130MM，驗證評定為不合格。但點水浸聚焦探頭的檢測結(jié)果中，驗收評定為合格。，因此總體來看，運用同一對比試樣調(diào)節(jié)儀器的靈敏度進(jìn)行檢測，5MHZ點聚焦探頭在缺陷檢測中并未表現(xiàn)出較高的靈敏性。

在重新更換10MHZ水浸點聚焦探頭后，根據(jù)獲得的檢測結(jié)果顯示，對比試樣反射體回波高度基本不變，但相比于5MHZ點聚焦探頭，10MHZ水浸點聚焦探頭底波出現(xiàn)了更加顯著的降低變化。被檢間缺陷反射波與5MHZ點聚焦探頭相比也沒有出現(xiàn)明顯變化。由此看來，對于此類缺陷，兩種水浸點聚焦探頭所獲得的檢測結(jié)果之間并沒有明顯處于，缺陷的反射波幅遠(yuǎn)低于多個或長條形不連續(xù)2MM平底孔的定量報閘門，因而檢測結(jié)果均為合格?？梢姡幢銠z測標(biāo)準(zhǔn)完全一致，對于此類缺陷而言頻率更高并不代表著會檢測靈敏度也會相對較高。

（三）取樣分析

在選取缺陷反射波幅最高的一段區(qū)域并進(jìn)行低倍觀察可知顯示出了明顯的微小缺陷。而使用50倍電子顯微鏡進(jìn)行觀察，可以清晰看出缺陷輪廓，其中間位置相對較粗，端頭則比較細(xì)小、尖銳。裂紋最大寬度在0.95mm左右，并未超過1mm。著色顯示缺陷位置約為1/2R半徑處，雖然點聚焦探頭焦點尺寸并不大，但呈細(xì)長形的缺陷最寬部位也并未超過1mm，比探頭聚焦區(qū)尺寸要小。在長度足夠的情況下，在整個聲束范圍內(nèi)所占比率也比較小，缺陷有效面積反射的能量并不高。雖然后期更換使用了檢測頻率更高的探頭，但檢測缺陷效果依然無明顯變化。

線聚焦探頭聚焦區(qū)與棒材長條形缺陷均沿棒材軸向而形成，但由于缺陷本身比較微小，長度較長，因此從探頭聚焦區(qū)尺寸面積中軸向占比的角度出發(fā)，其占比相對較大，反射能量也相對較高?；究梢詫嶋H缺陷情況進(jìn)行準(zhǔn)確反映，這一檢測結(jié)果也與雙晶直探頭獲得的檢測結(jié)果相似。

總結(jié)可知，取樣分析能為缺陷程度確定提供相對準(zhǔn)確的資料，同時，還能大致掌握缺陷長度、寬度、方向等基本信息，進(jìn)而能為接下來缺陷具體處理提供依據(jù)，這對缺陷處理方案調(diào)整，處理計劃改進(jìn)有促進(jìn)作用。需要注意的是，盡可能優(yōu)化取樣分析程序、探索適合的取樣分析方法，保證取樣分析結(jié)果的真實性。

三、結(jié)語

對于規(guī)格較小的棒材而言，因其缺陷基本沿軋制方向延伸，受線聚焦探頭聲束在軸線方向上長度較大的因素影響，隨著缺陷沿軸向長度的不斷延長，其在聲束反射面積中的占比也將逐漸增大，因而檢測靈敏度會出現(xiàn)提升的情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)特殊棒材中存在缺陷時，工作人員應(yīng)當(dāng)及時切除缺陷部位，此時相比于點聚焦探頭，選用線聚焦探頭可以獲得更優(yōu)的檢測效果。從中能夠看出，聚焦探頭選用應(yīng)結(jié)合棒材實際缺陷，選擇適合的線聚焦探頭不僅能夠縮短檢測時間，而且還能提高檢測效率。除此之外，我國應(yīng)適當(dāng)向外國借鑒棒材超聲水浸法應(yīng)用經(jīng)驗，結(jié)合我國聚焦探頭檢測實際需要探索適合的檢測方法，與此同時，這有利于提高線聚焦探頭設(shè)計水平，能夠大大提高線聚焦探頭實用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅經(jīng)晶.影響棒材超聲水浸檢測靈敏度的因素[J].無損探傷，2016，40（02）：45-46.

[2]江健，周曉軍，郭天太，吳思源.水浸式棒材超聲檢測成像系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2016（01）：161-165.

[3]陳堯.鍛鋼超聲波水浸探傷及三維成像技術(shù)研究[D].安徽工業(yè)大學(xué)，2016.

作者簡介：范志山（1982-），男，河北故城人，碩士，工程師，無損檢測。