纵波检测中试块法与计算法的当量评定结果比对

王丽鹏，赵 阳，马魁一

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

在超声波纵波检测中，调整检测灵敏度的方法有试块调整法和工件底波调整法两种。试块法是根据工件的厚度和对灵敏度的要求选择相应的试块，将探头对准试块上的人工反射体，调整仪器，使示波屏上人工反射体的最高回波达到基准波高。当采用试块法调整检测灵敏度时，需要根据试块的表面状态及材质衰减与被检工件的差异所引起的反射波高的差异值来对灵敏度进行补偿。而利用工件底波调整检测灵敏度时，则无需考虑这些因素；工件底波调整法只适用于厚度x≥3N(N为近场区长度)的工件，同时要求工件具有平行底面或圆柱曲底面，且底面光洁干净，如锻件检测。利用试块法调整检测灵敏度时，常用试块对比法进行缺陷当量尺寸的评定；利用底波调整检测灵敏度时，常用当量计算法进行缺陷当量尺寸的评定。试块对比法是将缺陷的最高反射波幅度直接与对比试块中人工反射体回波幅度相比较，两者相等时以该人工反射体的尺寸为此缺陷的当量尺寸。因此，采用试块对比法进行缺陷定量时，要保证所用试块的材质、表面粗糙度和形状等尽可能与被检工件相同或相近，试块中平底孔的埋深应与缺陷的埋深相同，并且所用的仪器、探头及检验人员对探头施加的力度等也要相同。虽然试块对比法的结果直观可靠，不受近场区的限制，但需要制作一系列的含不同声程不同直径人工缺陷的试块，并且现场检测时，携带和使用都不方便。而当量计算法是根据所测得的缺陷回波与基准波高(或底波)的分贝差值，利用各种规则反射体的理论回波声压公式进行计算，求出缺陷当量尺寸的定量方法，计算法应用的前提条件为缺陷必须位于3倍近场区长度以外。无论哪种评定方法都只适用于面积小于声束截面的缺陷的当量尺寸评定。

由于试块法需要制作一系列的含不同声程不同直径人工缺陷的试块，加工难度大，成本高昂，携带不方便，因此，当缺陷埋深大于3倍近场区长度时，是否可用计算法代替试块法进行缺陷当量尺寸评定有待研究。本次实验通过试块对比法和当量计算法分别对铝合金板材试样上的不同直径、不同埋深的人工缺陷进行当量尺寸评定，并进行比对分析，得出两种缺陷当量尺寸评定方法的差异；同时得出采用同种评定方法时，不同检测频率对缺陷当量尺寸大小的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试样

本次试验共制作了8块不同厚度的铝合金板材试样，并在钻孔前经过超声检测无影响试验结果的其他缺陷。然后在试样表面加工不同孔径的平底孔人工缺陷，其孔径分别为Φ2mm、Φ4mm、Φ6mm、Φ8mm，试样尺寸见表1。

表1 参考试样尺寸(单位：mm)

1.2 试验设备

超声波探伤仪为USM 36超声波探伤仪。纵波单晶直探头为MB 5 S-E和MB 2 S-E，具体参数见表2。标准试块为GB/T 6519-2013标准中规定的铝合金纵波检验标准试块，Φ2.0mm平底孔系列。耦合剂为机油。

表2 探头参数

1.3 超声检测试验

1.3.1 声速校准

分别选用MB 2 S-E和MB 5 S-E纵波单晶直探头，在标准试块上进行声速校准，调试设备，记录声速零点等参数，具体参数见表3。

1.3.2 测试探头有效声束宽度

将探头放在标准试块上扫查，找到平底孔最大反射波高，调试仪器灵敏度，使最大反射波高为满屏刻度的80%，分别沿平底孔直径方向两边移动探头，使反射波高降至40%，此时探头两中心点间距离即为该深度处有效声速宽度。分别测试2MHZ、5MHZ探头在不同深度处的有效声速宽度(图1和图2)。

表3 试验参数

参考图1和图2的测试结果，本次试验只对平底孔直径小于同深度处有效声束宽度的人工缺陷进行评定。

1.3.3 试块法

(1)传输修正。选择与试样同厚度的标准试块，均匀涂抹耦合剂，将探头放在标准试块上，使其第一次底面回波B1达到满屏高度的80%，记录此时仪器增益读数V1；将探头放置在参考试块上，同样使第一次底波B2达到满屏刻度的80%，记录此时仪器增益读数V2；传输修正值，△dB=V1-V2。

经过对所有试样的传输修正测试，计算得出标准试块与试样的传输修正值均小于0.5dB，对试验结果影响较小，可忽略不计。

(2)调试灵敏度。选择7块不同声程的铝合金纵波标准试块Φ2.0mm系列，其平底孔埋藏深度分别为12.7mm、20mm、40mm、50mm、60mm、80mm、100mm。将MB 2 S-E探头分别对准各标准试块上平底孔，找到其最高回波，使最大反射波高为满屏刻度的80%，并记录此时仪器的增益值。制作距离-波幅曲线，将最远声程处的最高回波调整到满屏刻度的80%作为基准灵敏度。

(3)在此灵敏度下，分别对8个试样上各组人工缺陷进行超声波检测，并记录每个平底孔的最高回波与距离-波幅曲线之间的增益差值△dB1。

表4 2MHZ 试块法的当量直径(单位：mm)

(5)将探头更换为MB 5 S-E纵波单晶直探头，重复前述步骤，测出各试样中每个平底孔的当量直径，测试结果见表5。

1.3.4 计算法

(1)衰减系数的测定。在试样无缺陷完好区域，选取检测面与底面平行且有代表性的部位，调节仪器使第一次底面回波幅度B1(或Bn)为满屏刻度的50%，记录此时仪器增益读数；再调节仪器，使第二次底面回波幅度B2(或Bm)为满屏刻度的50%。当试样厚度小于探头3倍近场区时，衰减系数α按公式，α=(Bn-Bm-20lgn/m)/2x(m-n) 计算。当试样厚度大于等于探头3倍近场区时，衰减系数α按公式，α=(B1-B2-6)/2x计算；式中，α为工件衰减系数；Bn-Bm为第n次底波与第m次增益读数之差；x为工件厚度。

选取试样上三处衰减系数的平均值作为该试样的衰减系数，经测试，试样的衰减系数为0.033dB/mm，因试样厚度与平底孔埋深差值为5mm，其对试验结果影响较小，可忽略不计。

表5 5MHZ试块法的当量直径(单位：mm)

(2)将探头依次对准每个试样的完好部位，将第一次底波高度调节为满屏刻度的80%，以此作为基准灵敏度，并记录当前增益值V3。再将探头对准试样上的平底孔，找到其最高回波，并调整至满屏刻度的80%，记录此时的增益值V4，计算增益差ΔdB2=V4-V3。

表6 2MHZ计算法的当量直径(单位：mm)

(4)将探头更换为MB 5 S-E纵波单晶直探头，重复前述步骤，测出各试样中每个平底孔的当量直径，测试结果见表7。

表7 5MHZ计算法的当量直径(单位：mm)

2 试验结果分析

(1)比较同一频率探头的试块法与计算法的测试结果及差值，如图3所示，图3中(c)和(d)的纵坐标为计算法减去试块法后的当量直径差值。

由图3可知，采用2MHZ探头检测时，无论多大直径平底孔的计算法与试块法的检测结果差值均随埋藏深度的增加而增大，约为0mm～3mm；采用5MHZ探头检测时，各直径平底孔的计算法与试块法的检测结果差值随深度的增加变化相对较小，约为0mm～1mm。由θ0=70λ/Ds=70c/fDs(式中，θ0为声束半扩散角，f为探头频率，Ds为探头晶片直径)可知，当频率较小时，声束扩散角较大，导致超声波能量不集中，穿透力低，分辨力差，对缺陷的测量结果误差就大。因此，无特殊要求时，锻件超声检测时一般会采用较高频率的探头进行检测；也可能是由于自制试样的加工精度较低，其尺寸精度和平底孔底面平整度等与标准试块存在较大差距，导致了人工缺陷的回波比标准平底孔的回波偏低，当量偏小。而计算法使用被检试样底面确定灵敏度和评定当量，受此方面影响较小。

(2)比较同一评估方法不同探头频率的测试结果，见图4。

由图4可知，当采用试块法检测时，两种频率的探头所测缺陷的当量结果相差较小；当采用计算法检测时，2MHZ探头所测缺陷的当量尺寸较大于5MHZ探头所测结果。其原因可能是，随频率的增加，波长变短，人工缺陷表面漫反射加重，反射回探头的超声波能量减少，当量降低；也可能是由于频率的增加，使声束扩散角变小，导致超声波束截面积变小，检测区域变窄，所以检测到的缺陷当量值就越小。

3 结论

(1)采用较高频率探头检测时，随着工件厚度的增加，试块法与计算法所测缺陷当量结果相差越来越小，约为0mm～1mm；采用较低频率探头检测时，随着工件厚度的增加，试块法与计算法所测缺陷当量结果相差越来越大，约为0mm～3mm；

(2)采用试块法检测时，两种频率探头所测缺陷当量结果相差较小；采用计算法检测时，较高频率探头所测缺陷当量结果小于较低频率探头测得的当量结果。

(3)当对工件质量要求较高时，可采用计算法进行缺陷定量，且在不影响检测灵敏度和分辨力足够的情况下，优先使用较低频率探头进行检测，避免误判和漏检。

(4)当工件厚度较大，导致无法制作对比试块时，可采用计算法代替试块法。