刷式水浸超声波探头在铝合金中厚板探伤中的应用

杨庚辰

摘   要：介绍了用于铝合金中厚板水浸式探伤的刷式探头，介绍了刷式水浸探头的基本原理、重要技术参数、灵敏度设置方法以及应用过程中的注意事项。

关键词：铝合金中厚板;水浸超声波探伤;刷式水浸探头

近年来，随着节能环保和轻量化概念的兴起，高性能铝合金中厚板在航空航天、轨道交通等领域中的应用越来越广泛。水浸式超声波探头在高性能铝合金中厚板质量的控制方面发挥着不可替代的作用。但由于铝合金中厚板的尺寸较大，全覆盖扫查十分耗时。因此，水浸探伤成为铝合金中厚板生产过程中的瓶颈工序。刷式水浸探头可以提供可靠的扫查灵敏度，并在一定程度上提升扫查效率。因此，其在平面大规格产品探伤方面的应用也越来越广泛。本研究主要介绍水浸式刷式探头在铝合金中厚板探伤领域的应用[1]。

1    刷式水浸探頭概述

水浸式探伤相对于接触式探伤的主要优点有：耦合连续且稳定，不会出现因耦合状况不均而造成的灵敏度变化;不与试件接触，便于配合自动测试系统使用，探伤效率高;降低探伤过程对人员的依赖程度;可通过调整水程控制近场效应及近表面盲区效应，能探测比较薄的板材;探头角度可调整，便于确认缺陷的最大回波高度，这一点对于评估材料内部形状不规则的缺陷尤为重要。

为了提供较大的声束覆盖面积，提升扫查效率。人们设计了具有较宽声束的矩形水浸探头。此类探头的宽度范围一般为6.4～13.0 mm，长度范围一般为 25～75 mm。

因其在扫查过程中刷过板材表面，所以被形象地称为刷式探头（见图1）。

刷式水浸探头的基本原理是通过激发压电材料产生超声波脉冲，并借助耦合介质使脉冲进入材料内部，实现对材料内部连续性的检查和确认。多种压电材料都可以用于制造刷式探头。对于铝合金而言，极化陶瓷是最常用的晶片材料。因为水浸刷式探头的晶片面积比较大，所以晶片边缘更容易产生过量振动以及由声波衍射和干涉引起的副瓣效应。二者都会影响探头表面灵敏度的均匀性。为了降低晶片边缘带来的负面影响，一般要求对水浸刷式探头的晶片进行边缘屏蔽。另外，刷式水浸探头要求外壳具备良好的密封性。

刷式水浸探头通常不用于评估缺陷大小。主要原因是其声束不够集中且对称性较差。另外，晶片有效范围内的灵敏度差异也可能影响评估的可靠性。因此，一般标准只允许在板材全覆盖扫查过程中应用刷式探头，以确定相关不连续性（真实缺陷）的位置，同时排除非相关不连续性（虚假缺陷）造成的干扰。对于板材而言，刷式探头一般不需要聚焦功能，平面探头即可满足初步扫查的需求。初步扫查完成后，可以使用对称性好且声束较集中的圆形水浸探头进行缺陷大小评估。

2    刷式探头的声束轮廓

声束轮廓是水浸刷式探头的重要性能参数，它提供了探头声场的重要特征信息。刷式探头的声束轮廓是针对位于某一固定深度位置的确定反射体，绘制其反射回波高度与声束宽度的曲线。钢球、反射杆、平底孔等是测绘刷式探头声束轮廓常用的反射体。

图2是典型的刷式探头的声束轮廓。横轴代表声束宽度即反射体与刷式探头的相对位移，纵轴表示反射体回波的相对波幅。该刷式探头晶片的标称频率为7.5 MHz，探头尺寸为6.4 mm×34.9 mm。该声束轮廓是在铝合金板材内60.0 mm处，通过测量1.2 mm平底孔的回波高度得到的。

声场的均匀程度是刷式探头的重要技术指标之一。在增益不变的条件下，沿探头长度方向移动平底孔试块并保持其深度位置不变，位移过程中所得的平底孔回波高度变化不能超过平均回波高度的10%（不考虑副瓣效应造成的回波）。

不均匀的声场有可能造成漏检。通常将晶片的末端切割成适合的形状，包括点状、斜切状以及半椭圆状等以获得比较平滑的声束轮廓从而满足探头表面探测灵敏度的均匀性。但晶片末端的切割也可能导致探头的有效声束宽度变窄。刷式探头在开始使用前，制造商必须按照标准要求绘制声束轮廓曲线，以证明探头表面灵敏度的一致性[2]。此外，在使用过程中也需要定期检查测绘声束轮廓曲线，确保扫查结果的可靠性。

3    刷式探头的有效声束宽度

在固定深度下，使反射体与探头沿探头长度方向发生相对位移，其中能够保持该反射体回波高度不低于某一设定值的一段位移被定义为探头的有效声束宽度。即在这段距离内，探头对该反射体的灵敏度可以达到预期要求。

依据标准，有效声束宽度的测试方法如下：以1.2 mm平底孔为基准反射体，将探头设置在相对反射体固定的位置，使声束垂直入射，改变探头位置以获得最高的反射波形。调整设备增益，使最高峰达到满屏高度的80%[3]。

沿探头长度方向移动刷式探头直至平底孔波幅下降为最高波幅的50%（﹣6 dB），然后反向移动探头，直至平底孔波幅在另一侧下降到最高波幅的50%（﹣6 dB）。两个位置之间的距离—探头所移动的距离，被称为有效声束宽度（见图3）。

为确保板材表面被100%扫查到，要求扫查步进必须小于有效声束宽度，即相邻两个扫查行必须有重叠的部分。工业上一般使用90%的有效声束宽度作为扫查步进。在不同深度位置，刷式探头的有效声束宽度是不同的，这是因为声束在传播过程中存在扩张和损耗。声强会随着远离声场中轴线距离的扩大而减弱。所以，板材的厚度越大，所采用的扫查步进应当越小。讨论有效声束宽度必须以固定的试块深度（金属声程）和固定的反射体为前提。

4    刷式探头灵敏的设定

利用人造平底孔试块绘制距离波幅修正（Distance Amplitude Correction，DAC）曲线是目前比较常见的刷式探头灵敏度设置方法。一般使用ASTM E127中定义的距离波幅试块组（包含19个试块）绘制曲线[4]。选用的平底孔直径由测试等级决定。

目前，已廣泛使用的数字化超声探伤仪器具备存储电子DAC曲线的功能，每个平底孔的反射回波对应DAC曲线上的一个点，过程类似于曲线拟合。所选用的平底孔反射体越多，曲线越精确。铝合金中厚板水浸探伤领域一般依据板材的最大厚度选取试块，一般要求最厚的试块大于板材的厚度。通过对不同深度位置平底孔回波施加时间修正增益（Time Correction Gain，TCG）使所有选定试块的回波信号在基准增益条件下都达到某一预定屏幕高度（例如80%屏高），得到时间修正增益线。TCG的优点是将大小相同，深度位置不同的反射体回波设置在同一屏幕高度，便于在扫查过程中搭配报警闸门。一般要求TCG修正时多加1～2 dB的增益，目的是使平底孔回波能够超过预设报警闸门的高度，确保灵敏度高于基本要求。图3是典型的刷式探头距离波幅曲线。标准要求在连续扫查过程中必须定期检验探头距离波幅曲线的有效性。一旦发现某一深度位置灵敏度低于要求，则应调整对应深度的增益，更新DAC曲线，并对上一次有效校准后测试的所有板材重新进行测试。

5    结语

刷式水浸探头的主要作用是在初步扫查过程中确定真实缺陷的位置，同时排除可能存在的假缺陷干扰。扫查步进应小于等于探头的有效声束宽度，确保相邻扫查行有重叠区域，以满足全覆盖扫查的要求。刷式水浸探头最大的优点在于其较大的声束覆盖面积，能够提升扫查效率。声束轮廓和有效声束宽度是水浸刷式探头的重要参数，使用过程中需要对二者进行定期检查验证，以确保扫查的可靠性。探头灵敏度设置是通过建立DAC曲线实现的，扫查过程中必须定期验证曲线的可靠性。ASTM E127标准规定的距离波幅试块组是水浸探伤常用的试块。

[参考文献]

[1]马玉蕊.超声波探伤在铝合金中厚板检测中的应用[J].有色金属加工，2015，44（2）：33-35.

[2]ASTM E1065/E1065M-14.Standard practice for evaluating characteristics of ultrasonic search units[EB/OL].（2015-12-15）[2020-02-20].http：//www.doc88.com/p-1806917260381.html.

[3]ASTM B 594—06.Standard practice for ultrasonic inspection of aluminum alloy wrought products[EB/OL].（2015-12-25）[2020-02-20].http：//www.doc88.com/p-9953828174645.html.

[4]WARCHOL M F A，WARCHOL L V.Standard practice for fabricating and checking aluminum alloy ultrasonic standard reference blocks[C]//American：Aip Conference，2014.

Abstract：The brush probe used for aluminum alloy plate water-immersed flaw detection is described.The basic principle， important technical parameters， sensitivity setting method and matters needing attention in the application of brush immersion probe are summarized.

Key words：rolled aluminum plate; immersing ultrasonic inspection; immersing paintbrush transducer