超声纵波远场盲区检测及其应用

■ 刘仕远



超声纵波远场盲区检测及其应用

■ 刘仕远

摘 要：通过分析超声纵波检测特点，提出远场盲区的问题，通过合理制作检测试块，能够准确测试出各种超声纵波直探头的远场盲区，且操作简单、适用性广，解决了直探头远场盲区检测技术缺失的问题；并通过远场盲区的测量能够为产品设计人员设计加工余量提供准确数据，避免由于超声波直探头远场盲区造成近底面缺陷无法检出而在进一步加工为成品过程中出现缺陷露头等情况，造成产品成品率低甚至报废，保证了产品加工质量，节约了加工成本。

关键词：超声检测；纵波；远场盲区；产品设计

超声检测是无损检测常规方法的一种，超声纵波直探头是超声检测中使用范围最广的探头之一，大量应用于石油、冶金、军工、铁路、航空、航天、特检、桥梁、船舶、建筑等领域铸件、锻件、焊接件等的检测，对于保障零件产品质量安全具有重要作用。

在使用超声纵波直探头进行工件检测时，经常会遇到近底面缺陷反射回波同工件本身底面反射回波之间的分辨问题，即超声波直探头检测远场近底面缺陷的盲区问题。该情况常被检测人员忽视。

1　问题提出

在采用超声纵波进行产品检测过程中，当检测面与底面基本平行时，都会出现底面反射回波，由于通常工件底面反射回波能量高、反射强烈，当在工件近底面一定范围内存在缺陷时，该范围内的缺陷反射回波靠近工件本身底面反射回波，两回波靠近到一定距离时，检测人员从超声检测仪示波器上就无法分辨出缺陷反射波，通常会被认为只有底面反射回波，没有缺陷回波，造成缺陷漏检（见图1）。有的工件超声波检测后，往往还需进一步加工为成品，也经常出现加工后缺陷露头的情况，造成加工成本的浪费。因此，解决超声波直探头远场盲区的测试问题，对于防止超声检测缺陷漏检、降低成本、为产品设计人员加工余量设计提供准确数据具有重要意义。

然而，目前还未发现公布的超声波直探头远场盲区检测试块及方法，国内对于超声波直探头性能测试的标准主要有国家标准及行业标准，对于超声波直探头的性能指标主要有灵敏度余量、回波频率、回波长度、垂直线性、水平线性、声束宽度、声束偏移、分辨力及近场盲区等[1]。已有的方法只能检测直探头近场盲区，近场盲区是由于超声波直探头始脉冲占宽，造成距离检测面一段距离范围内的缺陷反射回波与始脉冲重叠，进而无法分辨（见图2），检测近场盲区的方法不适用于远场盲区的检测。

2　远场盲区检测方案

为了测量在某一特定工件厚度情况下，某一特定当量大小的缺陷究竟距离工件底面多大距离时其反射回波同工件底面回波刚好无法区分，即测量远场盲区的大小。

根据测试需要，制作指定规格的检测试块。盲区检测方案为：在所述超声波直探头与检测试块之间施加适当耦合剂，将超声波直探头置于检测试块上表面；移动所述超声波直探头依次检测不同深度的平底圆柱孔，并将平底圆柱孔的回波幅度调至仪器示波屏满刻度的50%～90%；并根据波形图判断不同深度平底圆柱孔所对应的深度是否为超声波直探头的远场盲区。

（1）水平测距标定：将超声波直探头置于检测试块的完好部位，进行水平测距标定，得出无缺陷情况下的波形图作为参照；

（2）人工缺陷测试：移动超声波直探头，逐一测量不同深度的平底圆柱孔，观察每次测量的平底圆柱孔反射回波与检测试块底面反射回波间的波形情况，并将所得波形图与水平测距标定步骤中所得到的波形图进行对比；

（3）盲区确定：当平底圆柱孔的反射回波后沿与底面反射回波的前沿相交的波谷是示波器满屏刻度的指定值时，认定所述平底圆柱孔深度为所述超声波直探头的远场盲区。

图3　远场盲区检测试块

3　远场盲区检测试验

根据上述方案，通过实例说明具体应用方法。针对检测厚度为107 mm的锻钢件，要求内部缺陷当量大小为2 mm。

首先制作远场盲区检测试块（见图3），试块上共有4个平底孔，大小及孔深分别为φ2 mm×1 mm、φ2 mm×2 mm、φ2 mm×3 mm、φ2 mm×4 mm。

然后采用数字式超声检测仪及2.5P20Z纵波直探头，以机油作耦合剂。将探头置于盲区试块完好部位，将试块底面反射回波调至第8大格左右，调整仪器水平刻度显示范围及灵偏等按钮，将屏幕深度显示值与试块厚度值调整一致，此时仪器比例校准完毕。采用不同深度平底孔的最高反射波调为荧光屏的80%，测试结果见图4—图7。

通过试验可知，在工件厚度为107 mm、平底孔大小为2 mm情况下，深度为2 mm的平底孔反射波和底面反射波重叠无法分辨，即在距离工件底面2 mm范围内，当量2 mm的缺陷都无法发现（盲区为2 mm试验结果的前提是工件材料为锻钢件、探头规格2.5P20Z、工件厚度107 mm、平底孔大小为2 mm。如果这些条件发生改变，所得盲区大小也会不同，但试验方法是通用的）。

图4　水平测距　

图5　φ2 mm×4 mm平底孔检测

图6　φ2 mm×3 mm平底孔检测　

图7　φ2 mm×2 mm平底孔检测

为了避免该2 mm范围内的缺陷因无法检测出而造成产品制造成本的增加，产品设计时可预留2 mm加工余量，即使该2 mm范围内存在缺陷，通过后续的加工去除，也可降低产品的报废率。

4　结束语

介绍一种超声波直探头远场盲区的检测方法：首先根据测试需要，制作指定规格的检测试块；然后采用超声波检测仪、超声纵波直探头及盲区检测试块进行盲区大小检测；最后根据盲区大小，为产品余量设计提供数据参考。

该方法操作简单、结果准确，通过合理制作检测试块，能够准确测试出各种超声波直探头的远场盲区，适用性广，解决了直探头远场盲区检测技术缺失的问题；且通过远场盲区的测量，能够为产品设计人员设计加工余量提供参考数据，保证产品加工质量，节约加工成本。

5　参考文献

[1] 中国机械工程学会无损检测分会．超声波检测[M]．北京：机械工业出版社，2012．

刘仕远：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，工程师，江苏 常州，213011

责任编辑 高红义

中图分类号：U216.3

文献标识码：A

文章编号：1672-061X（2016）02-0083-03