聚焦探頭概述

應(yīng)用學(xué)科

機(jī)械工程(一級(jí)學(xué)科)，試驗(yàn)機(jī)(二級(jí)學(xué)科)

引言

水浸點(diǎn)聚焦或線聚焦探頭廣泛用于超聲自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備上，關(guān)于聚焦探頭的選取，目前能查閱到的資料中，多是對(duì)橫波檢測(cè)方式，特別是在管材探傷運(yùn)用中的介紹。棒材超聲水浸法縱波檢測(cè)聚焦探頭的選用卻少有具體介紹。本文通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和原理分析，對(duì)超聲自動(dòng)化棒材內(nèi)部缺陷的檢測(cè)探頭的選用進(jìn)行探討。

2017年初，檢測(cè)人員用超聲自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備對(duì)一批316LФ30mm棒材進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過程發(fā)現(xiàn)棒材距端部300mm位置有一段區(qū)域(130mm)比較異常，一個(gè)通道報(bào)警幅度很高，而另一個(gè)通道持續(xù)有較小的反射信號(hào)（圖1、圖2）。

圖1 異常部位檢測(cè)顯示圖

圖2 異常部位長度

一 檢測(cè)方法及設(shè)備簡介

（一）檢測(cè)方法

1、小直徑棒材水浸檢測(cè)法

小直徑棒材中的缺陷主要沿軋制方向延伸，在橫截面上的分布主要集中于棒材中心，由于縱波直探頭受脈沖寬度及近場(chǎng)區(qū)長度的影響，棒材表面及近表面附近的缺陷無法發(fā)現(xiàn)，而與表面垂直或近似垂直的裂紋類缺陷，受缺陷與聲束夾角小的影響，回波幅度較低，使得缺陷難以檢出，因此，對(duì)于一些特殊用途及要求比較高的棒材探傷還須輔以橫波檢測(cè)。

2、縱波水浸檢測(cè)法原理

水浸檢測(cè)法是將探頭放入水中，超聲波會(huì)產(chǎn)生多次水和鋼界面反射波，同時(shí)被檢件內(nèi)也產(chǎn)生反射波，由于超聲波在水中和鋼中的傳播速度不同，通過調(diào)整探頭與被檢件間的水層距離，使被檢件底波位于二次水界面反射波前，缺陷波將在一次水鋼界面波和底波之間產(chǎn)生。

（二）檢測(cè)設(shè)備

超聲自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，四通道（2縱2橫），縱波檢測(cè)采用5P10F32點(diǎn)、線聚焦探頭各1個(gè)，掃查方式為探頭旋轉(zhuǎn)，棒材直線前進(jìn)。

二 驗(yàn)證方法理論依據(jù)

棒材檢測(cè)方式主要以縱波檢測(cè)為主，檢測(cè)靈敏度的高低與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人工傷（平底孔）尺寸大小和位置有直接的關(guān)系。其檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)方式主要分為試塊比較法和計(jì)算法兩種。試塊比較法是將試塊中規(guī)定深度的人工反射體的反射波高調(diào)節(jié)到顯示屏上一定的高度作為檢測(cè)靈敏度。另一種計(jì)算法是根據(jù)需檢測(cè)的人工缺陷（通常為平底孔）與某反射體反射波高的理論差值確定檢測(cè)靈敏度，計(jì)算法又分為試塊計(jì)算法與底波計(jì)算法。計(jì)算法的應(yīng)用前提是，缺陷據(jù)探頭晶片的距離大于3倍近場(chǎng)區(qū)長度。

從理論上講，聚焦探頭是不能直接采用規(guī)則反射體回波聲壓規(guī)律進(jìn)行當(dāng)量評(píng)定的，因其聲場(chǎng)不符合公式推導(dǎo)的條件。但在聲束直徑大于平底孔直徑時(shí)，同聲程的平底孔反射聲壓與平底孔直徑的平方也基本上成正比的，可借用平底孔當(dāng)量的概念用試塊對(duì)比法進(jìn)行缺陷當(dāng)量的評(píng)定。但是，從嚴(yán)格意義上講，采用缺陷當(dāng)量對(duì)試件進(jìn)行合格判定時(shí)，需要采用非聚焦探頭對(duì)聚焦探頭發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行評(píng)定。

（一）試驗(yàn)用探頭性能特點(diǎn)分析

1、聚焦探頭

聚焦探頭在管材自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備中使用最為廣泛，管材的檢測(cè)方式有點(diǎn)聚焦和線聚焦兩種。不論是點(diǎn)聚焦還是線聚焦，聲束在檢測(cè)截面上的輪廓都是一樣的，如圖3,4所示。點(diǎn)、線聚焦探頭焦點(diǎn)形狀的差別在于其在管材軸向上的聲束輪廓是不同的，如圖所示。點(diǎn)聚焦探頭在管材上形成的是點(diǎn)狀聚焦區(qū)，線聚焦探頭在管材上形成的是沿軸線延長的線狀聚焦區(qū)。

圖3 點(diǎn)、線聚焦聲束在棒材截面上的輪廓

圖4 點(diǎn)、線聚焦聲束在棒材軸向上的輪廓

1）點(diǎn)聚焦和線聚焦兩種檢測(cè)方法對(duì)不同長度人工傷（縱向）的檢測(cè)靈敏度存在差異，并且與焦點(diǎn)尺寸和人工傷長度之比有關(guān)。

2）根據(jù)槽型人工傷采用橫波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用點(diǎn)聚焦探頭時(shí)，由于焦點(diǎn)尺寸小，靈敏度高，橫向分辨力好，發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強(qiáng)；線聚焦掃查范圍寬，掃查速度快，但對(duì)短小缺陷分辨力差。

3）對(duì)于棒材來說，采用縱波按試塊比較法調(diào)試檢測(cè)靈敏度時(shí)，線聚焦除了橫向分辨率、信噪比與線聚焦相比較低外，對(duì)于小于聲束寬度的相同缺陷大小的檢測(cè)能力應(yīng)該是一致的，而檢測(cè)效率應(yīng)更高。

2、縱波雙晶探頭

1)雙晶探頭兩個(gè)晶片采用一發(fā)一收工作模式，檢測(cè)盲區(qū)小，主要適用于近表面缺陷和小尺寸工件的手工檢測(cè)。

2）雙晶探頭的兩個(gè)晶片相向傾斜，形成菱形聲束會(huì)聚區(qū)。聚焦使聲束在某一深度范圍內(nèi)直徑變窄，聲強(qiáng)增高，可提高局部區(qū)域的檢測(cè)靈敏度、信噪比和橫向分辨力。

3）只有菱形區(qū)內(nèi)的缺陷才能被檢測(cè)到，因此，受聲束有效區(qū)域限制，雙晶探頭聲束的掃查范圍較小，檢測(cè)效率不高。

（二）探傷方法驗(yàn)證

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4162-2008 B級(jí)，基準(zhǔn)靈敏度可發(fā)現(xiàn)最大聲程處φ2mm平底孔。

1、手工接觸法驗(yàn)證

檢測(cè)儀器：便攜式超聲波探傷儀

探頭型號(hào)：2.5P10x10x2F20

耦合劑：機(jī)油

圖5 2.5P10x10x2 F20 雙晶直探頭

缺陷反射波幅度達(dá)到并高于檢測(cè)基準(zhǔn)靈敏度波高，缺陷長度130mm，按長條形缺陷評(píng)定為不合格。

2、水浸法驗(yàn)證

1)線聚焦探頭

5P10 F32線聚焦探頭，耦合劑為水

圖6 5P10 F32線聚焦探頭

2)點(diǎn)聚焦探頭

5P10 F32點(diǎn)聚焦探頭，耦合劑為水

圖7 5P10 F32點(diǎn)聚焦探頭

3、驗(yàn)證結(jié)果

1）利用同一對(duì)比試樣（φ2mm平底孔）對(duì)儀器進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)，點(diǎn)聚焦探頭底波降低明顯，但沒有消失，而雙晶直探頭和水浸線聚焦探頭底波無變化，說明聲束直徑都大于平底孔直徑，符合以當(dāng)量比對(duì)法檢測(cè)判定的前提條件。

2）探頭移至被檢棒材缺陷位置時(shí)，三種探頭的底波都基本無變化。

3）水浸線聚焦探頭的檢測(cè)結(jié)果與接觸法手工檢測(cè)結(jié)果較為一致，都達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求的記錄水平，且長度為130mm，驗(yàn)收評(píng)定都為不合格；而點(diǎn)水浸聚焦探頭檢測(cè)結(jié)果按標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到記錄水平要求，評(píng)定為合格。

通過以上驗(yàn)證說明，利用同一對(duì)比試樣調(diào)節(jié)儀器的靈敏度進(jìn)行檢測(cè)，5MHz點(diǎn)聚焦探頭對(duì)此類缺陷不敏感。

4、提高點(diǎn)聚焦探頭檢測(cè)頻率

換用10P10 F32水浸點(diǎn)聚焦探頭

圖8 10P10 F32點(diǎn)聚焦探頭

10MHz點(diǎn)聚焦相對(duì)5MHz點(diǎn)聚焦探頭，對(duì)比試樣反射體回波高度無明顯變化，底波降低較5MHz更為明顯，而被檢件缺陷反射波高較5MHz點(diǎn)聚焦無明顯提升（底波無變化）。

兩種水浸點(diǎn)聚焦探頭對(duì)此類缺陷檢測(cè)結(jié)果基本一致，缺陷的反射波幅都遠(yuǎn)沒有達(dá)到多個(gè)的不連續(xù)或長條形的不連續(xù)判定的要求，檢測(cè)結(jié)果是合格的。同時(shí)也說明在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相同的前提條件下，更高的頻率對(duì)此類缺陷并不一定會(huì)有更好的檢測(cè)靈敏度。

（三）取樣分析

1、取缺陷反射波幅最高的一段區(qū)域，低倍觀察有微小缺陷顯示。

圖9 低倍

2、50倍電子顯微觀察，缺陷輪廓清晰，中間略粗，端頭細(xì)小尖銳，此為典型的裂紋特征。裂紋寬度最寬處大約為0.94mm，不到1mm。

圖10 高倍

3、著色顯示缺陷位置大約為1/2R半徑處

圖11 著色

（四）原因分析

缺陷長度較長（130mm）而寬度較窄，對(duì)于縱波法檢測(cè)，在小于聲束寬度的前提條件下，反射能量高低與缺陷所占聲束面積的比例有直接的關(guān)系。

從圖10、11中可以看出，點(diǎn)聚焦探頭焦點(diǎn)尺寸雖然小，而缺陷為細(xì)長形，最寬部位遠(yuǎn)小于探頭聚焦區(qū)尺寸（最寬不到1mm），位于探頭正下方的有效反射面積更小。即使有足夠的長度，在整個(gè)聲束范圍能所占的比率小，缺陷有效面積反射的能量較低；即使換用更高檢測(cè)頻率的探頭，對(duì)檢測(cè)出此類缺陷也沒有更好的效果。

線聚焦探頭的聚焦區(qū)主要沿棒材軸向形成，而棒材長條形缺陷也是沿軸向延伸的，缺陷雖小，長度較長，按其軸向所占探頭聚焦區(qū)尺寸的面積比來看，比例較大，反射能量較高，因此能很好的反映缺陷的實(shí)際情況，也與雙晶直探頭的檢測(cè)結(jié)果相一致。

三 結(jié)論

1、小規(guī)格棒材的主要缺陷都是沿軋制方向延伸，當(dāng)采用以平底孔型反射體調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度的情況下，對(duì)細(xì)長形缺陷點(diǎn)聚焦探頭由于反射面積比小，檢測(cè)靈敏度較低，容易誤判造成漏檢，而線聚焦探頭由于聲束在軸線方向上有較大長度，缺陷越長，其所占聲束反射面積比例越高，因而對(duì)此類缺陷具有較高的檢測(cè)靈敏度。

2、在相同檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)前提下，相對(duì)于點(diǎn)聚焦探頭，線聚焦除了信噪比稍差外，其對(duì)單個(gè)超標(biāo)缺陷的檢測(cè)能力與點(diǎn)聚焦探頭是相同的。

3、嚴(yán)格意義上講，小直徑棒材中的缺陷反射波高與缺陷的大小并無一定關(guān)系，更難用試塊中的平底孔進(jìn)行當(dāng)量比較，因?yàn)槿毕菰跈M截面上的分部通常并不在棒材中心部位。對(duì)于要求較高的棒材，一般發(fā)現(xiàn)缺陷后，就應(yīng)將有缺陷部位切除。因此選擇線聚焦探頭比點(diǎn)聚焦具有更好的檢測(cè)效果，更能保障產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

——摘自《2017年冶金UT3級(jí)培訓(xùn)班論文》

作者：趙善敏（江蘇圖南合金股份有限公司）

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