棒材超声水浸法纵波检测聚焦探头的选用探析

摘 要：在我国科学技术的持续发展下，近些年在从超声自动化检测设备中出现了如水浸点聚焦探头、线聚焦探头等在内的众多不同类型的聚焦探头。而现阶段在选用聚焦探头当中大多使用横波检测的方式，关于棒材超声水浸法纵波检测聚焦探头方面的研究则相对较少。因此本文将通过从简单说明纵波水浸法以及棒材水浸检测法的相关原理入手，着重围绕棒材超声水浸法纵波检测聚焦探头的选用进行简要分析研究。

关键词：超声波检测；纵波；点聚焦

在运用纵波检测方式检验棒材内部缺陷的过程中，水浸聚焦探头的选型对于最终的检测结果的真实性与可靠性有着直接的影响作用。因此为了有效保障检测工作的顺利进行，使得而检测结果能够更加精准在有效，还需要严格按照相关标准要求合理选用棒材超声水浸法纵波检测聚焦探头。对比于西方国家，我国学者对棒材超声水浸法的研究不够深入，并且研究视域较狭窄，所得到的研究结论不能更好的指导实践，最终影响聚焦探头检测准确性。为了缩小我国西方国家在这一方面的差距，针对“棒材超声水浸法纵波检测聚焦探头的选用探析”这一论题展开分析是极为必要的，论题探究如下。

一、纵波水浸法与棒材水浸检测法的基本原理

纵波水浸检测法主要是通过在水中放入探头之后利用超声波能够多次自动生成水与钢界面反射波的原理，结合被检件内部所产生的反射波完成检测工作。而由于水与钢这两种传播介质不同，因此使得在不同介质中的超声波传播速度会出现一定差异。[1]此时通过对探头和被检件之间的水层距离进行相应调整，使得在二次水界面反射波之前可以出现被检件底波。此时介于底波与水钢界面波的中间位置处将会出现缺陷波。

通过结合相关资料可知绝大多数棒材中的缺陷会沿着棒材轧制方向延伸，在横截面上则多集中分布于棒材中心。而因受到近场区长度、脉冲宽度等因素的影响，纵波直探头并不适用于检测棒材表面以及近表面周围的曲线。同样，在缺陷自身以及较小声束夹角的影响下，垂直于棒材表面或是基本垂直于棒材表面的裂纹类缺陷缺乏较高的回波幅度，因而也在一定程度上增加了检测缺陷的难度。此时需要通过配合使用横波检测的方式才能有效完成特殊棒材的缺陷检测工作。

二、棒材超声水浸法纵波检测聚焦探头选用

棒材内部缺陷现象出现后，应尽可能在短时间内探索缺陷弥补措施，在这一过程中，做好缺陷检测工作，同时，按照既定顺序完成缺陷检测任务。选用棒材超声水浸法纵波检测聚焦探头的过程中，以实验分析的方式选用适合探头，在此期间，优选适合的验证方法，并针对验证结果具体分析，最后进行取样分析，希望相关人员能够以此为借鉴，掌握聚焦探头选用技巧。

（一）试验用探头

本文所使用的检测设备为分别拥有两个横向通道和纵向通道的超声波自动化检测设备，在纵波检测中各运用一个线聚焦探头和点聚焦探头，并采用旋转探头的方式进行扫查，棒材则直线前进。虽然两种类型的聚焦探头中，检测界面上的声束轮廓基本一致，点聚焦探头与线聚焦探头在管材上会分别形成点状以及沿轴线延长的现状聚焦区。并且点聚焦与线聚焦检测方式在各纵长人工伤检测中所表现出的灵敏性也不尽相同。考虑到棒材的特殊性，在依照试块比较法运用纵波对检测灵敏度进行调试时，相比于点聚焦，线聚焦的横向分辨率以及信噪比均相对较低。[2]

此外，本文也还运用了纵波双晶探头，其两个晶片相向倾斜共同构成了一个菱形声束会聚区，声束聚焦后会在一定深度范围内出现直径变窄、声强增高的情况，进而使得局部区域检测拥有较好的灵敏性与较高的信噪比、横向分辨力。但由于纵波双晶探头智能检测菱形声束会聚区以内的缺陷，因而在声束有效区域的限制作用下，双晶探头声束扫查范围比较小，难以达到提升检测效率的效果。

（二）验证方法与结果分析

在验证探伤方法中，检测标准GB/T4162-2008 B级，基准灵敏度可发现最大声程处2MM平底孔。[3]而通过结合手工接触法验证结果可知，在双晶直探头下，根据被检棒材缺陷反射波形可知缺陷反射波幅度比检测基准灵敏度波高要高，缺陷长度为130MM，按长条形缺陷评定为不合格。在水浸法验证中，线聚焦探头与点聚焦探头均使用水作为耦合剂。

利用同一对比试样即2MM平底孔调节仪器的灵敏度，可知点聚焦探头底波出现了大幅下降的情况，但并未完全消失。而水浸线聚焦探头以及双晶直探头底波则并没有出现实质性的变化，这也意味着声束直径均比平底孔直径大。在将探头移动至被检棒材的缺陷位置时，无论是水浸线聚焦探头、点聚焦探头还是双晶直探头，其底波均未出现明显变化。水浸线聚焦探头检测与接触法手工检测所获得的结果基本相同，即均检测得到缺陷长度为130MM，验证评定为不合格。但点水浸聚焦探头的检测结果中，验收评定为合格。，因此总体来看，运用同一对比试样调节仪器的灵敏度进行检测，5MHZ点聚焦探头在缺陷检测中并未表现出较高的灵敏性。

在重新更换10MHZ水浸点聚焦探头后，根据获得的检测结果显示，对比试样反射体回波高度基本不变，但相比于5MHZ点聚焦探头，10MHZ水浸点聚焦探头底波出现了更加显著的降低变化。被检间缺陷反射波与5MHZ点聚焦探头相比也没有出现明显变化。由此看来，对于此类缺陷，两种水浸点聚焦探头所获得的检测结果之间并没有明显处于，缺陷的反射波幅远低于多个或长条形不连续2MM平底孔的定量报闸门，因而检测结果均为合格。可见，即便检测标准完全一致，对于此类缺陷而言频率更高并不代表着会检测灵敏度也会相对较高。

（三）取样分析

在选取缺陷反射波幅最高的一段区域并进行低倍观察可知显示出了明显的微小缺陷。而使用50倍电子显微镜进行观察，可以清晰看出缺陷轮廓，其中间位置相对较粗，端头则比较细小、尖锐。裂纹最大宽度在0.95mm左右，并未超过1mm。着色显示缺陷位置约为1/2R半径处，虽然点聚焦探头焦点尺寸并不大，但呈细长形的缺陷最宽部位也并未超过1mm，比探头聚焦区尺寸要小。在长度足够的情况下，在整个声束范围内所占比率也比较小，缺陷有效面积反射的能量并不高。虽然后期更换使用了检测频率更高的探头，但检测缺陷效果依然无明显变化。

线聚焦探头聚焦区与棒材长条形缺陷均沿棒材轴向而形成，但由于缺陷本身比较微小，长度较长，因此从探头聚焦区尺寸面积中轴向占比的角度出发，其占比相对较大，反射能量也相对较高。基本可以对实际缺陷情况进行准确反映，这一检测结果也与双晶直探头获得的检测结果相似。

总结可知，取样分析能为缺陷程度确定提供相对准确的资料，同时，还能大致掌握缺陷长度、宽度、方向等基本信息，进而能为接下来缺陷具体处理提供依据，这对缺陷处理方案调整，处理计划改进有促进作用。需要注意的是，尽可能优化取样分析程序、探索适合的取样分析方法，保证取样分析结果的真实性。

三、结语

对于规格较小的棒材而言，因其缺陷基本沿轧制方向延伸，受线聚焦探头声束在轴线方向上长度较大的因素影响，随着缺陷沿轴向长度的不断延长，其在声束反射面积中的占比也将逐渐增大，因而检测灵敏度会出现提升的情况。当发现特殊棒材中存在缺陷时，工作人员应当及时切除缺陷部位，此时相比于点聚焦探头，选用线聚焦探头可以获得更优的檢测效果。从中能够看出，聚焦探头选用应结合棒材实际缺陷，选择适合的线聚焦探头不仅能够缩短检测时间，而且还能提高检测效率。除此之外，我国应适当向外国借鉴棒材超声水浸法应用经验，结合我国聚焦探头检测实际需要探索适合的检测方法，与此同时，这有利于提高线聚焦探头设计水平，能够大大提高线聚焦探头实用性。

参考文献：

[1]罗经晶.影响棒材超声水浸检测灵敏度的因素[J].无损探伤，2016，40（02）：45-46.

[2]江健，周晓军，郭天太，吴思源.水浸式棒材超声检测成像系统的若干关键技术研究[J].传感技术学报，2016（01）：161-165.

[3]陈尧.锻钢超声波水浸探伤及三维成像技术研究[D].安徽工业大学，2016.

作者简介：范志山（1982-），男，河北故城人，硕士，工程师，无损检测。