水浸探頭聲場(chǎng)參數(shù)對(duì)缺陷評(píng)定的影響

韓 波，楊平華，郝軍君

（北京航空材料研究院，北京 100095）

隨著對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，水浸超聲檢測(cè)的應(yīng)用越來越多。水浸法超聲檢測(cè)可縮小檢測(cè)盲區(qū)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，減少影響檢測(cè)可靠性的人為因素，還為實(shí)現(xiàn)聚焦聲束檢測(cè)，滿足高靈敏度、高分辨率檢測(cè)需求提供了條件。聚焦探頭由于其檢測(cè)靈敏度高、對(duì)缺陷方向不敏感等優(yōu)點(diǎn)，在一些重要零件的檢測(cè)中應(yīng)用得越來越多。筆者通過采用不同聲場(chǎng)參數(shù)的水浸探頭對(duì)同一零件的檢測(cè)和評(píng)定結(jié)果的對(duì)比，分析和討論了水浸探頭聲場(chǎng)對(duì)缺陷檢測(cè)和評(píng)定的影響，為日后檢測(cè)參數(shù)的選擇和缺陷評(píng)定提供一些參考。

1 檢測(cè)原理

水浸檢測(cè)分為普通非聚焦探頭和聚焦探頭兩種。如圖1所示，其中，D為晶片直徑，R為聚集透鏡半徑，F(xiàn)為焦距，L為焦程長(zhǎng)度。在普通非聚焦探頭的聲場(chǎng)中，聲束寬度約為換能器直徑，且隨著距離的增大逐漸加寬。由于聲束穿過的多晶結(jié)構(gòu)基體材料體積較大，聲波遇到的散射體數(shù)量較多，相應(yīng)引起散射噪聲也較大，對(duì)于反射幅度較低的小缺陷，就會(huì)造成信噪比不足。而帶有聚焦透鏡的探頭，由于透鏡的聚焦作用，使焦點(diǎn)附近能量高度集中，因此，在焦區(qū)內(nèi)可使小缺陷檢測(cè)靈敏度提高，同時(shí)，由于聲束變窄也使聲場(chǎng)內(nèi)組織散射信號(hào)減少，從而提高了檢測(cè)信噪比。但是，聚焦探頭高靈敏度范圍有限，在聚焦區(qū)之外靈敏度和信噪比仍會(huì)變得很低。

圖1 聚焦探頭與非聚焦探頭檢測(cè)波形效果示意

聚焦探頭能量較集中的聚焦聲場(chǎng)主要由焦柱長(zhǎng)度L和焦點(diǎn)直徑φ兩個(gè)參數(shù)決定，分別如式（1）和（2）表示：

式中：λ為超聲波波長(zhǎng)。

由上述兩式可以看出，若要增大焦柱長(zhǎng)度，則需增大焦距，減小晶片直徑，但同時(shí)聲束直徑會(huì)增大。根據(jù)理論研究結(jié)果，聚焦探頭焦點(diǎn)能量集中的效果在N／F值較大時(shí)為好。增加焦距減少晶片直徑，就會(huì)使N／F減小，聚焦探頭提高信噪比的能力減弱［1］。

通常由于聚焦探頭焦柱直徑遠(yuǎn)小于壓電晶片直徑，利用焦柱區(qū)可準(zhǔn)確測(cè)定缺陷尺寸。在缺陷的尺寸評(píng)定中，如果測(cè)出的尺寸不大于焦柱截面積，則測(cè)出的是焦柱區(qū)尺寸；如果測(cè)出的尺寸遠(yuǎn)大于焦柱尺寸，則測(cè)出的是缺陷尺寸。因此焦點(diǎn)尺寸越小缺陷的尺寸測(cè)量越準(zhǔn)，但焦點(diǎn)尺寸越小檢測(cè)效率越低，因此需要結(jié)合檢測(cè)要求確定檢測(cè)用探頭參數(shù)［2］。

2 試驗(yàn)過程和檢測(cè)結(jié)果

選取了日常檢測(cè)中常用的3 種類型探頭：5 MHz水浸平探頭，5 MHz 水浸聚焦探頭和10 MHz水浸聚焦探頭，依據(jù)美國材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTME 1065［3］對(duì)各探頭進(jìn)行了聲場(chǎng)參數(shù)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1和圖2。采用上述探頭分別對(duì)有缺陷的某一零件進(jìn)行了水浸C 掃描檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)靈敏度均為φ0.8mm 當(dāng)量平底孔。

表1 水浸探頭的聲場(chǎng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果 mm

試驗(yàn)中聚焦探頭檢測(cè)時(shí)焦距落在零件表面上，水浸平探頭的水距則選取近場(chǎng)N 點(diǎn)落在零件表面上進(jìn)行掃查。各探頭的檢測(cè)C掃描圖見圖3。

3 缺陷的評(píng)定結(jié)果與分析

3.1 缺陷的評(píng)定結(jié)果對(duì)比

對(duì)各探頭檢測(cè)出的缺陷尺寸和當(dāng)量進(jìn)行了評(píng)定，結(jié)果見圖4，5。為了對(duì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，改變檢測(cè)水距，使焦點(diǎn)或N點(diǎn)落在F1處再次進(jìn)行了評(píng)定。評(píng)定結(jié)果圖見圖6，7，其中Ⅰ為5 MHz平探頭，Ⅱ?yàn)?MHz聚焦探頭，Ⅲ為10MHz聚焦探頭。

3.2 結(jié)果分析

（1）從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同探頭檢測(cè)的結(jié)果相差較大，得出的結(jié)論也不相同。按照0.8 mm當(dāng)量平底孔驗(yàn)收的話，5 MHz平探頭的檢測(cè)結(jié)果不合格，而其他兩個(gè)探頭的檢測(cè)結(jié)果均合格。

（2）從缺陷的評(píng)定結(jié)果看，水浸平探頭評(píng)定缺陷的當(dāng)量和尺寸遠(yuǎn)大于聚焦探頭的評(píng)定結(jié)果，分析原因可能是因?yàn)镕1和F2是面積型缺陷，平探頭晶片尺寸和聲束寬度大（見表1），缺陷反射能量高，因此評(píng)定的當(dāng)量和尺寸較大；聚焦探頭檢測(cè)中，5 MHz聚焦探頭的評(píng)定結(jié)果大于10 MHz聚焦探頭的評(píng)定結(jié)果，這是因?yàn)? MHz探頭聲束寬度大于10 MHz聚焦探頭（見表1），兩個(gè)聚焦探頭對(duì)F1和F2的評(píng)定結(jié)果均相差11.5dB。

（3）將焦點(diǎn)（或N點(diǎn)）落在F1深度處再次進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果顯示，各探頭評(píng)定F1尺寸相近（見圖6F1的長(zhǎng)度尺寸評(píng)定結(jié)果），F(xiàn)1寬度方向的差距也減少；當(dāng)量評(píng)定的差距也減少。比較探頭的聲束寬度發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的聲束寬度差異也最小。因此說明，在缺陷的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探頭聲束直徑時(shí)，評(píng)定結(jié)果相差不大（見圖4 中F1的長(zhǎng)度尺寸評(píng)定結(jié)果）；而在缺陷的尺寸接近或小于探頭聲束直徑時(shí)（寬度方向），不同聲束直徑的探頭評(píng)定結(jié)果相差較大（見圖4 中F1的寬度尺寸評(píng)定結(jié)果），聲束直徑越小，評(píng)定缺陷的尺寸越準(zhǔn)。因此，檢測(cè)和結(jié)果評(píng)定時(shí)應(yīng)考慮到探頭聲場(chǎng)參數(shù)對(duì)結(jié)果評(píng)定的影響，盡量選取聲場(chǎng)參數(shù)適合的探頭進(jìn)行檢測(cè)和結(jié)果評(píng)定。

4 結(jié)論

水浸探頭的聲場(chǎng)參數(shù)對(duì)零件檢測(cè)和缺陷評(píng)定有較大的影響，因此了解探頭聲場(chǎng)參數(shù)對(duì)缺陷的檢測(cè)和評(píng)定至關(guān)重要。在產(chǎn)品的檢測(cè)中應(yīng)了解探頭的相關(guān)參數(shù)，適當(dāng)選用，才能夠滿足檢測(cè)和正確評(píng)定的要求。

［1］ 史亦韋.超聲檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005，36－37.

［2］ 莫潤(rùn)陽.超聲聚焦探頭缺陷檢測(cè)能力探討［J］.無損檢測(cè)，2000，22（2）：62－63.

［3］ ASTM E1065Evaluating Characteristics of Ultrasonicsearch Units［S］.