縱波檢測中試塊法與計(jì)算法的當(dāng)量評定結(jié)果比對

王麗鵬，趙 陽，馬魁一

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

在超聲波縱波檢測中，調(diào)整檢測靈敏度的方法有試塊調(diào)整法和工件底波調(diào)整法兩種。試塊法是根據(jù)工件的厚度和對靈敏度的要求選擇相應(yīng)的試塊，將探頭對準(zhǔn)試塊上的人工反射體，調(diào)整儀器，使示波屏上人工反射體的最高回波達(dá)到基準(zhǔn)波高。當(dāng)采用試塊法調(diào)整檢測靈敏度時(shí)，需要根據(jù)試塊的表面狀態(tài)及材質(zhì)衰減與被檢工件的差異所引起的反射波高的差異值來對靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償。而利用工件底波調(diào)整檢測靈敏度時(shí)，則無需考慮這些因素；工件底波調(diào)整法只適用于厚度x≥3N(N為近場區(qū)長度)的工件，同時(shí)要求工件具有平行底面或圓柱曲底面，且底面光潔干凈，如鍛件檢測。利用試塊法調(diào)整檢測靈敏度時(shí)，常用試塊對比法進(jìn)行缺陷當(dāng)量尺寸的評定；利用底波調(diào)整檢測靈敏度時(shí)，常用當(dāng)量計(jì)算法進(jìn)行缺陷當(dāng)量尺寸的評定。試塊對比法是將缺陷的最高反射波幅度直接與對比試塊中人工反射體回波幅度相比較，兩者相等時(shí)以該人工反射體的尺寸為此缺陷的當(dāng)量尺寸。因此，采用試塊對比法進(jìn)行缺陷定量時(shí)，要保證所用試塊的材質(zhì)、表面粗糙度和形狀等盡可能與被檢工件相同或相近，試塊中平底孔的埋深應(yīng)與缺陷的埋深相同，并且所用的儀器、探頭及檢驗(yàn)人員對探頭施加的力度等也要相同。雖然試塊對比法的結(jié)果直觀可靠，不受近場區(qū)的限制，但需要制作一系列的含不同聲程不同直徑人工缺陷的試塊，并且現(xiàn)場檢測時(shí)，攜帶和使用都不方便。而當(dāng)量計(jì)算法是根據(jù)所測得的缺陷回波與基準(zhǔn)波高(或底波)的分貝差值，利用各種規(guī)則反射體的理論回波聲壓公式進(jìn)行計(jì)算，求出缺陷當(dāng)量尺寸的定量方法，計(jì)算法應(yīng)用的前提條件為缺陷必須位于3倍近場區(qū)長度以外。無論哪種評定方法都只適用于面積小于聲束截面的缺陷的當(dāng)量尺寸評定。

由于試塊法需要制作一系列的含不同聲程不同直徑人工缺陷的試塊，加工難度大，成本高昂，攜帶不方便，因此，當(dāng)缺陷埋深大于3倍近場區(qū)長度時(shí)，是否可用計(jì)算法代替試塊法進(jìn)行缺陷當(dāng)量尺寸評定有待研究。本次實(shí)驗(yàn)通過試塊對比法和當(dāng)量計(jì)算法分別對鋁合金板材試樣上的不同直徑、不同埋深的人工缺陷進(jìn)行當(dāng)量尺寸評定，并進(jìn)行比對分析，得出兩種缺陷當(dāng)量尺寸評定方法的差異；同時(shí)得出采用同種評定方法時(shí)，不同檢測頻率對缺陷當(dāng)量尺寸大小的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣

本次試驗(yàn)共制作了8塊不同厚度的鋁合金板材試樣，并在鉆孔前經(jīng)過超聲檢測無影響試驗(yàn)結(jié)果的其他缺陷。然后在試樣表面加工不同孔徑的平底孔人工缺陷，其孔徑分別為Φ2mm、Φ4mm、Φ6mm、Φ8mm，試樣尺寸見表1。

表1 參考試樣尺寸(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

超聲波探傷儀為USM 36超聲波探傷儀?？v波單晶直探頭為MB 5 S-E和MB 2 S-E，具體參數(shù)見表2。標(biāo)準(zhǔn)試塊為GB/T 6519-2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鋁合金縱波檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試塊，Φ2.0mm平底孔系列。耦合劑為機(jī)油。

表2 探頭參數(shù)

1.3 超聲檢測試驗(yàn)

1.3.1 聲速校準(zhǔn)

分別選用MB 2 S-E和MB 5 S-E縱波單晶直探頭，在標(biāo)準(zhǔn)試塊上進(jìn)行聲速校準(zhǔn)，調(diào)試設(shè)備，記錄聲速零點(diǎn)等參數(shù)，具體參數(shù)見表3。

1.3.2 測試探頭有效聲束寬度

將探頭放在標(biāo)準(zhǔn)試塊上掃查，找到平底孔最大反射波高，調(diào)試儀器靈敏度，使最大反射波高為滿屏刻度的80%，分別沿平底孔直徑方向兩邊移動(dòng)探頭，使反射波高降至40%，此時(shí)探頭兩中心點(diǎn)間距離即為該深度處有效聲速寬度。分別測試2MHZ、5MHZ探頭在不同深度處的有效聲速寬度(圖1和圖2)。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

參考圖1和圖2的測試結(jié)果，本次試驗(yàn)只對平底孔直徑小于同深度處有效聲束寬度的人工缺陷進(jìn)行評定。

1.3.3 試塊法

(1)傳輸修正。選擇與試樣同厚度的標(biāo)準(zhǔn)試塊，均勻涂抹耦合劑，將探頭放在標(biāo)準(zhǔn)試塊上，使其第一次底面回波B1達(dá)到滿屏高度的80%，記錄此時(shí)儀器增益讀數(shù)V1；將探頭放置在參考試塊上，同樣使第一次底波B2達(dá)到滿屏刻度的80%，記錄此時(shí)儀器增益讀數(shù)V2；傳輸修正值，△dB=V1-V2。

經(jīng)過對所有試樣的傳輸修正測試，計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)試塊與試樣的傳輸修正值均小于0.5dB，對試驗(yàn)結(jié)果影響較小，可忽略不計(jì)。

(2)調(diào)試靈敏度。選擇7塊不同聲程的鋁合金縱波標(biāo)準(zhǔn)試塊Φ2.0mm系列，其平底孔埋藏深度分別為12.7mm、20mm、40mm、50mm、60mm、80mm、100mm。將MB 2 S-E探頭分別對準(zhǔn)各標(biāo)準(zhǔn)試塊上平底孔，找到其最高回波，使最大反射波高為滿屏刻度的80%，并記錄此時(shí)儀器的增益值。制作距離-波幅曲線，將最遠(yuǎn)聲程處的最高回波調(diào)整到滿屏刻度的80%作為基準(zhǔn)靈敏度。

(3)在此靈敏度下，分別對8個(gè)試樣上各組人工缺陷進(jìn)行超聲波檢測，并記錄每個(gè)平底孔的最高回波與距離-波幅曲線之間的增益差值△dB1。

表4 2MHZ 試塊法的當(dāng)量直徑(單位：mm)

(5)將探頭更換為MB 5 S-E縱波單晶直探頭，重復(fù)前述步驟，測出各試樣中每個(gè)平底孔的當(dāng)量直徑，測試結(jié)果見表5。

1.3.4 計(jì)算法

(1)衰減系數(shù)的測定。在試樣無缺陷完好區(qū)域，選取檢測面與底面平行且有代表性的部位，調(diào)節(jié)儀器使第一次底面回波幅度B1(或Bn)為滿屏刻度的50%，記錄此時(shí)儀器增益讀數(shù)；再調(diào)節(jié)儀器，使第二次底面回波幅度B2(或Bm)為滿屏刻度的50%。當(dāng)試樣厚度小于探頭3倍近場區(qū)時(shí)，衰減系數(shù)α按公式，α=(Bn-Bm-20lgn/m)/2x(m-n) 計(jì)算。當(dāng)試樣厚度大于等于探頭3倍近場區(qū)時(shí)，衰減系數(shù)α按公式，α=(B1-B2-6)/2x計(jì)算；式中，α為工件衰減系數(shù)；Bn-Bm為第n次底波與第m次增益讀數(shù)之差；x為工件厚度。

選取試樣上三處衰減系數(shù)的平均值作為該試樣的衰減系數(shù)，經(jīng)測試，試樣的衰減系數(shù)為0.033dB/mm，因試樣厚度與平底孔埋深差值為5mm，其對試驗(yàn)結(jié)果影響較小，可忽略不計(jì)。

表5 5MHZ試塊法的當(dāng)量直徑(單位：mm)

(2)將探頭依次對準(zhǔn)每個(gè)試樣的完好部位，將第一次底波高度調(diào)節(jié)為滿屏刻度的80%，以此作為基準(zhǔn)靈敏度，并記錄當(dāng)前增益值V3。再將探頭對準(zhǔn)試樣上的平底孔，找到其最高回波，并調(diào)整至滿屏刻度的80%，記錄此時(shí)的增益值V4，計(jì)算增益差ΔdB2=V4-V3。

表6 2MHZ計(jì)算法的當(dāng)量直徑(單位：mm)

(4)將探頭更換為MB 5 S-E縱波單晶直探頭，重復(fù)前述步驟，測出各試樣中每個(gè)平底孔的當(dāng)量直徑，測試結(jié)果見表7。

表7 5MHZ計(jì)算法的當(dāng)量直徑(單位：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)比較同一頻率探頭的試塊法與計(jì)算法的測試結(jié)果及差值，如圖3所示，圖3中(c)和(d)的縱坐標(biāo)為計(jì)算法減去試塊法后的當(dāng)量直徑差值。

由圖3可知，采用2MHZ探頭檢測時(shí)，無論多大直徑平底孔的計(jì)算法與試塊法的檢測結(jié)果差值均隨埋藏深度的增加而增大，約為0mm～3mm；采用5MHZ探頭檢測時(shí)，各直徑平底孔的計(jì)算法與試塊法的檢測結(jié)果差值隨深度的增加變化相對較小，約為0mm～1mm。由θ0=70λ/Ds=70c/fDs(式中，θ0為聲束半擴(kuò)散角，f為探頭頻率，Ds為探頭晶片直徑)可知，當(dāng)頻率較小時(shí)，聲束擴(kuò)散角較大，導(dǎo)致超聲波能量不集中，穿透力低，分辨力差，對缺陷的測量結(jié)果誤差就大。因此，無特殊要求時(shí)，鍛件超聲檢測時(shí)一般會(huì)采用較高頻率的探頭進(jìn)行檢測；也可能是由于自制試樣的加工精度較低，其尺寸精度和平底孔底面平整度等與標(biāo)準(zhǔn)試塊存在較大差距，導(dǎo)致了人工缺陷的回波比標(biāo)準(zhǔn)平底孔的回波偏低，當(dāng)量偏小。而計(jì)算法使用被檢試樣底面確定靈敏度和評定當(dāng)量，受此方面影響較小。

(2)比較同一評估方法不同探頭頻率的測試結(jié)果，見圖4。

由圖4可知，當(dāng)采用試塊法檢測時(shí)，兩種頻率的探頭所測缺陷的當(dāng)量結(jié)果相差較小；當(dāng)采用計(jì)算法檢測時(shí)，2MHZ探頭所測缺陷的當(dāng)量尺寸較大于5MHZ探頭所測結(jié)果。其原因可能是，隨頻率的增加，波長變短，人工缺陷表面漫反射加重，反射回探頭的超聲波能量減少，當(dāng)量降低；也可能是由于頻率的增加，使聲束擴(kuò)散角變小，導(dǎo)致超聲波束截面積變小，檢測區(qū)域變窄，所以檢測到的缺陷當(dāng)量值就越小。

3 結(jié)論

(1)采用較高頻率探頭檢測時(shí)，隨著工件厚度的增加，試塊法與計(jì)算法所測缺陷當(dāng)量結(jié)果相差越來越小，約為0mm～1mm；采用較低頻率探頭檢測時(shí)，隨著工件厚度的增加，試塊法與計(jì)算法所測缺陷當(dāng)量結(jié)果相差越來越大，約為0mm～3mm；

(2)采用試塊法檢測時(shí)，兩種頻率探頭所測缺陷當(dāng)量結(jié)果相差較?。徊捎糜?jì)算法檢測時(shí)，較高頻率探頭所測缺陷當(dāng)量結(jié)果小于較低頻率探頭測得的當(dāng)量結(jié)果。

(3)當(dāng)對工件質(zhì)量要求較高時(shí)，可采用計(jì)算法進(jìn)行缺陷定量，且在不影響檢測靈敏度和分辨力足夠的情況下，優(yōu)先使用較低頻率探頭進(jìn)行檢測，避免誤判和漏檢。

(4)當(dāng)工件厚度較大，導(dǎo)致無法制作對比試塊時(shí)，可采用計(jì)算法代替試塊法。