超声纵波检测用对比试块透声特性控制及测试方法

王广星，孟倩倩，李 晴，张微微

(山东瑞祥模具有限公司，济宁 272400)

成套对比试块中各试块透声特性的一致性会直接影响仪器校准、灵敏度确定、检测结果的一致性及缺陷定量的准确性。因此，试块材料透声性能的测试对超声检测有重要的意义。对于成套试块，在制作后应采用液浸法测定其距离-波幅曲线，即测定将每一平底孔回波提高到相同幅值时所需增益与声程的关系，并通过数据点画出最佳拟合线。对于一套可接受的试块，不应有任一点与拟合线相差超过±1 dB[1]。

笔者为了确保高要求平底孔试块的产品质量满足标准要求，从试块原材料方面进行透声特性控制并采取标准中规定的水浸检测方式对其进行测试。

1 试块材料透声特性的控制

试块材料的一致性和纯净度是透声特性的保证。标准GJB 1580A-2004 《变形金属超声检验方法》 中规定，对于每套试块(不少于12 块)材料，在制作前应采用液浸法测定其透声特性的一致性。所有试块材料在加工前必须进行超声检测，在检测要求规定的工作频率下进行材料检测时，不应有任何高于拟加工标准反射体回波幅值25%的回波显示。

对每一厚度的试块材料进行测量，记录将一次底面反射信号提高至同一幅值所需的增益量，同时绘制分贝值与材料厚度的关系图，通过各数据点画出最佳拟合线。

对于圆柱形曲面试块，任何部位由材料引起的底反射幅值变化均不应大于2 dB。

2 试块透声特性的测试

2.1 测试方法的选择

2.1.1 仪器和探头

对于原材料验收和试块拟合曲线的制作，使用的探头一般以5 MHz水浸探头为主，对于上表面分辨率人工伤的验收，可以增加10 MHz水浸探头，但是在制作拟合曲线时，必须保证两条曲线有若干个人工伤的重叠，以确保人工伤的声学准确性[2]。

2.1.2 焦点的测试

在制作原材料验收和拟合曲线时，水层距离应为探头的焦距长度。使用直径3.2 mm的钢球对探头焦点进行测试，探头焦点测试工装如图1所示。将探头放置在钢球正上方，钢球紧贴探头，同时观察钢球回波幅度，当钢球反射波达到最高回波时对应的水层距离即为探头的实际焦距。该测试可确保焦点落在试块表面。

2.1.3 探头参数

使用的超声波仪器和水浸探头必须按照相关规定每年进行定期校验，相关技术指标应符合标准要求，水浸探头参数主要涉及探头水层距离、频率。当复验的参数相差超过10%时，该探头不可再用于拟合曲线的制作。

2.1.4 水浸检测装置

使用的水槽在长、宽、高方向应满足试块的水浸要求，x轴行程应能够满足测试试块长度方向要求，z轴行程应能够满足测试试块水层距离要求，水槽底部对圆柱形试块应有固定装置，并能够进行w轴的转动，运动机构包括x,y,z,a,b,w轴，且6个轴能够单独进行运动，各轴运动时应保证满足相对精度和运动控制的要求。水浸检测设备实物如图2所示，水浸检测试块及工装如图3所示。

2.2 试块的水浸检测

2.2.1 平面试块水浸检测

制作距离-波幅曲线时首先调整水层距离，水层距离以探头的实际焦点落在试块的表面为准[1]；其次，调整a、b轴，获得界面波的最大值，此时探头和试块表面成垂直状态；最后提高灵敏度，移动x,y轴，将人工伤信号的波幅调整到满屏高度的80%，记录仪器的分贝值；重复上面的步骤对所有试块进行检测。将所有试块的埋深和分贝值进行整理，形成一条距离-波幅曲线。

2.2.2 曲面试块水浸检测

一套曲面试块的水浸测试可能包含了距离-波幅和面积-波幅关系。制作曲线时首先调整水层距离，水层距离以探头的实际焦点落在试块的表面为准；其次调整a,b轴，获得界面波的最大值，此时探头和试块表面成垂直状态；最后提高灵敏度，移动x,y,w轴，将人工伤调整到满屏高度的80%，记录仪器的分贝值；重复上面的步骤对所有试块进行检测。将所有试块的埋深和分贝值根据人工伤孔径大小规律进行整理，形成若干条曲线。

2.2.3 上表面分辨率标准反射体水浸检测

对于埋深在10 mm以内的且5 MHz探头无法发现的人工伤，一般采用10 MHz探头进行检测，具体步骤和其他埋深的人工伤相同，考虑到10 MHz探头可能无法满足整套试块的拟合曲线制作，在使用10 MHz探头制作曲线时，可仅用10 MHz探头测试埋深较小的点，5 MHz探头测试埋深较大的点，为保证各点的连续性，两种探头测试曲线必须重合3个点以上，确保人工伤的声学对应关系，制作曲线时，会单独形成一条10 MHz探头的曲线。

2.2.4 小规格曲面试块水浸检测

水浸平探头的焦点相对较大，对小规格曲面试块的检测效果不佳，因此对于该类试块，宜采用水浸点聚焦探头进行检测，检测方法和曲线制作过程相同。

2.3 测试结果的确认

2.3.1 反射波幅拟合曲线的测试

将测试试块第一点的反射波幅调整至满屏的80%，固定检测灵敏度，依次测量不同埋深的平底孔发射回波幅值，记录基准波幅值，并计算±1 dB增益所对应的反射波幅，依次填入表格中。试块测试数据如表1所示，制作的试块验收波幅拟合曲线如图4所示。

表1 试块测试数据

图4 试块验收波幅拟合曲线

试块材料为TC4；标准反射体为φ2 mm平底孔；测试仪器型号为CTS-1010；测试探头为5 MHzφ10 mm直探头。

拟合曲线图中“■”位置为测试试块实际反射波幅，红色“●”位置为±1 dB点。

采用该方式，在一条曲线不能实现全覆盖时，增加一条曲线，增加的曲线与原曲线至少重叠3点以上。若两条曲线上的所有点均符合要求，则该试块测试合格。

2.3.2 反射量拟合曲线的测试

将测试试块第一点的反射波幅调整至满屏的80%，记录此时的检测灵敏度，依次测量不同埋深的平底孔(均使反射回波幅值达到满屏的80%)，记录各自的检测灵敏度，不同缺陷埋深试块测试基准灵敏度如表2所示。试块验收灵敏度拟合曲线如图5所示。

表2 不同缺陷埋深试块测试基准灵敏度 dB

图5 试块验收灵敏度拟合曲线

2.3.3 拟合曲线评定

对于一套可接受的试块，不应有任一点幅值与

拟合线相差超过±1 dB，超过该值时，应重新进行制作和测试，确保试块满足要求。

3 结语

纵波检测用标准试块是超声检测的常用试块，为保证试块的一致性及测试数据的可重复性，在标准中对其加工和验收有着严格的要求。文章介绍了纵波检测标准试块超声检测的质量控制及测试方法同时，保证了各试块材料声学性能的一致性。同时详细介绍了试块加工完成后基于液浸检测的两种超声检测拟合曲线制作方法。以上两种检测方法有效地保障了试块的验收质量，同时也为超声检测同行进行检测及拟合曲线制作提供了一些参考。