超聲波探傷表面耦合幅值差試驗(yàn)

黃永巍，高東海，任明照，范振中，郭 犇

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

長(zhǎng)期以來，超聲波探傷時(shí)表面耦合差的補(bǔ)償基本采用兩種方式：① 通過實(shí)際測(cè)量工件與對(duì)比試塊界面損失來決定表面耦合差值［1］。這種方法準(zhǔn)確、合理。缺點(diǎn)是操作麻煩，有時(shí)需要特制試塊。② 不論是直探頭還是斜探頭，表面耦合補(bǔ)償籠統(tǒng)地規(guī)定為0～6dB，沒有確定數(shù)值，全憑探傷人員估計(jì)，給探傷結(jié)果帶來了很大的差異［2］。

為了確定不同表面粗糙度的超聲波探傷耦合差精確值，筆者分直探頭與斜探頭兩種方式，在不同的加工方式和不同表面粗糙度的試塊上進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，結(jié)果令人滿意，但出人意料。

1 直探頭探傷時(shí)耦合差試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

圖1 直探頭粗糙度測(cè)試用試塊

（1）試塊 試塊材質(zhì)為45號(hào)鋼，直徑60mm，高度100mm，探測(cè)面P面分為車加工表面和銑加工表面，反射底面粗糙度 Ra1.6，其余 Ra3.2。Ra0.2和Ra0.4由磨床加工而得。

（2）超聲波探傷儀 采用KW－4C數(shù)字式超聲波探傷儀。

（3）超聲波直探頭 采用頻率分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0MHz的直探頭。

（4）耦合劑 機(jī)油。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）將直探頭放置在試塊P面上，調(diào)節(jié)一次底面回波至滿屏的80%高度，讀出此時(shí)的儀器dB值。

（2）同一試塊上選取3點(diǎn)測(cè)量，取平均值。

（3）以Ra0.2為基準(zhǔn)，分別計(jì)算出其它表面粗糙度與其相差的dB差值。

（4）根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，得出不同粗糙度表面耦合差。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 直探頭車加工表面粗糙度耦合差

以1.0MHz探頭為例，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示（其余頻率的探頭測(cè)試數(shù)據(jù)略）。將所有探頭對(duì)應(yīng)的與Ra0.2的dB差值匯總后如表2所示，趨勢(shì)圖如圖2所示。

表1 1N20直探頭車加工表面耦合差測(cè)試數(shù)據(jù) dB

表2 車加工表面不同頻率直探頭耦合差值（以Ra0.2為基準(zhǔn)） dB

從圖2可知，對(duì)于不同粗糙度的表面，各不同頻率直探頭的耦合差的趨勢(shì)是一致的。將表2中的各列數(shù)據(jù)取平均值，并經(jīng)適當(dāng)修正，可得到表3和圖3所示的車加工表面直探頭探傷時(shí)的耦合差。

1.3.2 直探頭銑加工表面粗糙度耦合差

以上述同樣的方法測(cè)試銑加工的粗糙度試塊，結(jié)果如表4和圖4所示。

圖2 車加工表面直探頭耦合差趨勢(shì)圖

表3 車加工表面直探頭探傷時(shí)的耦合差

圖3 車加工表面直探頭探傷時(shí)的耦合差

表4 銑加工表面直探頭耦合差值（以Ra0.2為基準(zhǔn)） dB

圖4 銑加工表面直探頭表面耦合差趨勢(shì)圖

從圖4中明顯可見，探頭頻率≥4.5MHz時(shí)，差值增大。因此，耦合差的計(jì)算分為＜4.5MHz和≥4.5MHz兩種情況。將這兩種情況計(jì)算平均值，并作相應(yīng)數(shù)據(jù)修正處理，得到① 頻率＜4.5MHz時(shí)，直探頭的幅值與粗糙度的關(guān)系如表5和圖5。②探頭頻率≥4.5MHz時(shí)，直探頭的幅值與粗糙度關(guān)系見表6和圖6。

表5 銑加工表面直探頭頻率＜4.5MHz的耦合差

圖5 銑加工表面直探頭頻率＜4.5MHz的耦合差

表6 銑加工表面直探頭頻率≥4.5MHz的耦合差

圖6 銑加工表面直探頭頻率≥4.5MHz的耦合差

2 斜探頭探傷時(shí)耦合補(bǔ)償試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

（1）試塊 試塊材質(zhì)為45號(hào)鋼，尺寸為160mm（長(zhǎng)）×50mm（高）×25mm（寬）。探測(cè)面P面分為車加工表面和銑加工表面，底面粗糙度Ra1.6，其余Ra3.2，Ra0.2和Ra0.4由磨床加工而得（圖7）。

（2）超聲波探傷儀 采用KW－4C數(shù)字式超聲波探傷儀。

圖7 斜探頭粗糙度測(cè)試用試塊

（3）超聲波探頭 共采用了 K0.7，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.7，2，2.5九種不同 K 值的斜探頭，其中K2.5的探頭頻率為5MHz，其余為2.5MHz。

（4）耦合劑 機(jī)油。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）將斜探頭放置在試塊P面上，調(diào)節(jié)一次底面回波至滿屏的80%高度，讀出此時(shí)的儀器dB值。

（2）同一試塊上測(cè)量3次，取平均值。

（3）以Ra0.2為基準(zhǔn)，分別計(jì)算出其它表面粗糙度與其相差的dB值。

（4）根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)相關(guān)處理，得出不同粗糙度表面耦合差。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 斜探頭車加工表面粗糙度耦合差

各探頭測(cè)試數(shù)據(jù)略。將各探頭與基準(zhǔn)差值數(shù)據(jù)匯總后，如表7所示，差值趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 車加工表面斜探頭耦合差趨勢(shì)圖

從圖8可見，各探頭數(shù)值較平均，趨勢(shì)一致。因此，可將各值平均，并作修正，得表8和圖9。

2.3.2 斜探頭銑加工表面粗糙度耦合差

從圖10可見，各探頭耦合差值較均勻，趨勢(shì)一致，由此可取平均值，并作數(shù)據(jù)修正處理，結(jié)果如表10和圖11。

3 試驗(yàn)結(jié)果

（1）對(duì)于相同的表面粗糙度，直探頭和斜探頭的耦合值相差很大。

表7 車加工表面斜探頭耦合差值（以Ra0.2為基準(zhǔn)）dB

表8 斜探頭車加工表面耦合差

圖9 斜探頭車加工表面耦合差

表9 銑加工表面斜探頭耦合差值（以Ra0.2為基準(zhǔn)）dB

圖10 銑加工表面斜探頭耦合差趨勢(shì)圖

表10 斜探頭銑加工表面耦合差

圖11 斜探頭銑加工表面耦合差

（2）不同的機(jī)加工方式，同一個(gè)探頭，尤其是直探頭，耦合值相差很大。

（3）表面粗糙度超過Ra6.3后，探頭移動(dòng)性能不好。因此，超聲波探傷規(guī)定表面粗糙度不超過Ra6.3是科學(xué)的。

（4）銑加工表面的直探頭超聲耦合補(bǔ)償還與探頭頻率有關(guān)。

4 試驗(yàn)結(jié)論

（1）超聲波探傷時(shí)，工件和試塊表面粗糙度均應(yīng)為Ra≤6.3，且機(jī)加工方式應(yīng)一致。

（2）采用表面粗糙度測(cè)量?jī)x或粗糙度對(duì)比樣塊，分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試塊和工件表面粗糙度，根據(jù)不同的機(jī)加工方式，按如下方式進(jìn)行耦合差補(bǔ)償。

a）直探頭 ① 工件表面為車加工時(shí)，可選擇表3進(jìn)行粗略補(bǔ)償，或選擇圖3進(jìn)行精細(xì)補(bǔ)償。② 工件表面銑加工時(shí)，探頭頻率＜4.5MHz時(shí)，可選擇表5進(jìn)行粗略補(bǔ)償，或選擇圖5進(jìn)行精細(xì)補(bǔ)償；探頭頻率≥4.5MHz時(shí)，可選擇表6進(jìn)行粗略補(bǔ)償，或選擇圖6進(jìn)行精細(xì)補(bǔ)償。

b）斜探頭 工件表面無論是車加工或銑加工，與標(biāo)準(zhǔn)試塊之間差值很小，均不需補(bǔ)償耦合差。

［1］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測(cè)分會(huì)，編.超聲波檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.