聚焦探頭

應(yīng)用學(xué)科

機(jī)械工程(一級學(xué)科)，試驗機(jī)(二級學(xué)科)

引言

水浸點聚焦或線聚焦探頭廣泛用于超聲自動化檢測設(shè)備上，關(guān)于聚焦探頭的選取，目前能查閱到的資料中，多是對橫波檢測方式，特別是在管材探傷運用中的介紹。棒材超聲水浸法縱波檢測聚焦探頭的選用卻少有具體介紹。本文通過對現(xiàn)場檢驗發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行對比試驗和原理分析，對超聲自動化棒材內(nèi)部缺陷的檢測探頭的選用進(jìn)行探討。

2017年初，檢測人員用超聲自動化檢測設(shè)備對一批316LФ30mm棒材進(jìn)行檢測，檢測過程發(fā)現(xiàn)棒材距端部300mm位置有一段區(qū)域(130mm)比較異常，一個通道報警幅度很高，而另一個通道持續(xù)有較小的反射信號（圖1、圖2）。

圖1 異常部位檢測顯示圖

圖2 異常部位長度

一 檢測方法及設(shè)備簡介

（一）檢測方法

1、小直徑棒材水浸檢測法

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。

2、縱波水浸檢測法原理

水浸檢測法是將探頭放入水中，超聲波會產(chǎn)生多次水和鋼界面反射波，同時被檢件內(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）檢測設(shè)備

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

二 驗證方法理論依據(jù)

棒材檢測方式主要以縱波檢測為主，檢測靈敏度的高低與檢驗標(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。其檢測靈敏度調(diào)節(jié)方式主要分為試塊比較法和計算法兩種。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靈敏度。另一種計算法是根據(jù)需檢測的人工缺陷（通常為平底孔）與某反射體反射波高的理論差值確定檢測靈敏度，計算法又分為試塊計算法與底波計算法。計算法的應(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)量評定的，因其聲場不符合公式推導(dǎo)的條件。但在聲束直徑大于平底孔直徑時，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)量的概念用試塊對比法進(jìn)行缺陷當(dāng)量的評定。但是，從嚴(yán)格意義上講，采用缺陷當(dāng)量對試件進(jìn)行合格判定時，需要采用非聚焦探頭對聚焦探頭發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行評定。

（一）試驗用探頭性能特點分析

1、聚焦探頭

聚焦探頭在管材自動化檢測設(shè)備中使用最為廣泛，管材的檢測方式有點聚焦和線聚焦兩種。不論是點聚焦還是線聚焦，聲束在檢測截面上的輪廓都是一樣的，如圖3,4所示。點、線聚焦探頭焦點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。點聚焦探頭在管材上形成的是點狀聚焦區(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、線聚焦聲束在棒材截面上的輪廓

圖4 點、線聚焦聲束在棒材軸向上的輪廓

1）點聚焦和線聚焦兩種檢測方法對不同長度人工傷（縱向）的檢測靈敏度存在差異，并且與焦點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)行檢測時，采用點聚焦探頭時，由于焦點尺寸小，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，但對短小缺陷分辨力差。

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

2、縱波雙晶探頭

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

2）雙晶探頭的兩個晶片相向傾斜，形成菱形聲束會聚區(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，檢測效率不高。

（二）探傷方法驗證

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

1、手工接觸法驗證

檢測儀器：便攜式超聲波探傷儀

探頭型號：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)到并高于檢測基準(zhǔn)靈敏度波高，缺陷長度130mm，按長條形缺陷評定為不合格。

2、水浸法驗證

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)點聚焦探頭

5P10 F32點聚焦探頭，耦合劑為水

圖7 5P10 F32點聚焦探頭

3、驗證結(jié)果

1）利用同一對比試樣（φ2mm平底孔）對儀器進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)，點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)量比對法檢測判定的前提條件。

2）探頭移至被檢棒材缺陷位置時，三種探頭的底波都基本無變化。

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

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

4、提高點聚焦探頭檢測頻率

換用10P10 F32水浸點聚焦探頭

圖8 10P10 F32點聚焦探頭

10MHz點聚焦相對5MHz點聚焦探頭，對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點聚焦無明顯提升（底波無變化）。

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

（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，對于縱波法檢測，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，點聚焦探頭焦點尺寸雖然小，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；即使換用更高檢測頻率的探頭，對檢測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際情況，也與雙晶直探頭的檢測結(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)檢測靈敏度的情況下，對細(xì)長形缺陷點聚焦探頭由于反射面積比小，檢測靈敏度較低，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，因而對此類缺陷具有較高的檢測靈敏度。

2、在相同檢測標(biāo)準(zhǔn)前提下，相對于點聚焦探頭，線聚焦除了信噪比稍差外，其對單個超標(biāo)缺陷的檢測能力與點聚焦探頭是相同的。

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，因為缺陷在橫截面上的分部通常并不在棒材中心部位。對于要求較高的棒材，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聚焦具有更好的檢測效果，更能保障產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

——摘自《2017年冶金UT3級培訓(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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