超聲波測(cè)量缺陷延伸長(zhǎng)度

丁 街

（溧陽中材重型機(jī)器有限公司，常州 213000）

鍛件缺陷延伸長(zhǎng)度是很多標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判參數(shù)，筆者以JB／T 5000.15－2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件鍛鋼件無損探傷》標(biāo)準(zhǔn)為例。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定1級(jí)不允許有延伸長(zhǎng)度，2級(jí)允許延伸長(zhǎng)度30mm，3級(jí)允許延伸長(zhǎng)度40mm，4級(jí)允許延伸長(zhǎng)度60mm。延伸性缺陷的定義為連續(xù)回波高度至少在一個(gè)方向上不得低于起始記錄當(dāng)量值，其延伸長(zhǎng)度應(yīng)大于缺陷允許的最大當(dāng)量值，延伸性缺陷的延伸尺寸采用半波高度法測(cè)定（6dB法），在測(cè)定延伸尺寸時(shí)應(yīng)考慮探頭的聲域特性進(jìn)行修正，見公式（1）［1］?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)延伸性缺陷長(zhǎng)度使用JB／T 5000.15－2007標(biāo)準(zhǔn)中6dB聲束直徑的計(jì)算公式進(jìn)行修正，測(cè)量結(jié)果往往存在很大的爭(zhēng)議，針對(duì)超聲波測(cè)量缺陷延伸長(zhǎng)度提出了2個(gè)假設(shè)來進(jìn)行討論和分析：第一，寬度小于聲束直徑的點(diǎn)狀缺陷6dB 法測(cè)長(zhǎng)需修正；第二，缺陷寬度大于聲束直徑時(shí)用6dB法測(cè)長(zhǎng)不需修正。

6dB聲束直徑的計(jì)算公式為：

式中：Ts為晶片直徑，mm；D6dB為6dB 聲束直徑，mm；λ為波長(zhǎng)，mm；S為缺陷深度，mm。

1 小于聲束直徑的點(diǎn)狀缺陷6dB法測(cè)長(zhǎng)修正

1.1 提出假設(shè)

根據(jù)《超聲檢測(cè)》中缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)定的原理，當(dāng)整個(gè)聲束全部入射到大于聲束截面的缺陷上時(shí)，缺陷的反射幅度為最大值，而當(dāng)聲束的一部分離開缺陷時(shí)，缺陷反射面積減少，回波幅度降低，完全離開時(shí)，缺陷回波不再顯現(xiàn)，這樣，就可以根據(jù)缺陷最大回波高度降低的情況和探頭移動(dòng)的距離確定缺陷的邊緣范圍或長(zhǎng)度。根據(jù)指示長(zhǎng)度測(cè)定原則，寬度小于聲束直徑的點(diǎn)狀缺陷是不符合6dB 法測(cè)長(zhǎng)的，只是實(shí)際檢測(cè)過程中缺陷是否是點(diǎn)狀缺陷是未知的，是在未知缺陷的情況下提出的假設(shè)。根據(jù)指示長(zhǎng)度的原則寬度小于聲束直徑的點(diǎn)狀缺陷使用6 dB法測(cè)量延伸長(zhǎng)度的原則是指：探頭移動(dòng)使聲束覆蓋整個(gè)缺陷，找到缺陷最高回波（80%），左右推動(dòng)探頭使波高下降到最高回波（80%）的一半（40%），也就是6dB作為缺陷邊界，此時(shí)為6dB法測(cè)量的指示長(zhǎng)度如圖1所示。圖1中假設(shè)6dB法測(cè)量長(zhǎng)度L與試塊缺陷大小相差很大，需根據(jù)公式（1）進(jìn)行修正。

圖1 點(diǎn)狀缺陷使用6dB法測(cè)量長(zhǎng)度

1.2 實(shí)際測(cè)量

對(duì)4種不同深度的φ5平底孔試塊，用2.5 MHzφ14mm 的探頭，6dB 法實(shí)測(cè)缺陷長(zhǎng)度，缺陷測(cè)量結(jié)果見表1。從表1中可以看出缺陷測(cè)量長(zhǎng)度隨缺陷深度增加，測(cè)量長(zhǎng)度越大誤差也越大，對(duì)測(cè)量結(jié)果用公式（1）進(jìn)行修正結(jié)果見表1。修正值與實(shí)際值相差很大，缺陷的評(píng)定存在困難。

表1 φ5平底孔試塊6dB法測(cè)長(zhǎng)測(cè)量值與修正值對(duì)比

1.3 分析與結(jié)果

超聲波探頭發(fā)出的聲波以主聲束中心點(diǎn)聲壓最大，偏離中心點(diǎn)聲壓逐漸下降，如圖2所示。通過相對(duì)于主聲束為0 分貝點(diǎn)和－6 分貝點(diǎn)擴(kuò)散角公式（2）、（3）進(jìn)行計(jì)算：

相對(duì)于主聲束為0分貝點(diǎn)計(jì)算公式為：

相對(duì)于主聲束為－6分貝點(diǎn)計(jì)算公式為：

式中：θ0dB為0分貝點(diǎn)擴(kuò)散角的角度；θ6dB為－6分貝點(diǎn)擴(kuò)散角的角度；λ為波長(zhǎng)，mm；D為探頭直徑，mm。

圖2 圓盤聲源聲場(chǎng)指向性示意

得出2.5MHzφ14mm 探頭主聲束角度分別為：0分貝點(diǎn)為11.8°；－6分貝點(diǎn)為6.74°；－10分貝點(diǎn)為8.5°；－20分貝點(diǎn)為10.5°。再根據(jù)表1中φ5平底孔試塊6dB法實(shí)測(cè)長(zhǎng)度在CAD 軟件上生成平面圖如圖3所示，從圖3中可以看出6dB法測(cè)量時(shí)缺陷始終位于0分貝聲束內(nèi)。缺陷位于－6分貝點(diǎn)位置時(shí)，隨著缺陷深度的增大，缺陷在－6dB聲束內(nèi)越多，最后缺陷全部被－6dB聲束所覆蓋。這說明缺陷波下降6dB并不是由于聲束只覆蓋缺陷的一半造成的，而是由于缺陷偏離主聲束落在－6分貝點(diǎn)聲束的區(qū)域造成的。這也證實(shí)了寬度小于聲束直徑的點(diǎn)狀缺陷，其延伸長(zhǎng)度的測(cè)量是不符合缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)定原理的。用JB／T 5000.15－2007標(biāo)準(zhǔn)的6dB聲束直徑計(jì)算公式進(jìn)行修正，修正值誤差也較大，作為評(píng)定缺陷的測(cè)量數(shù)據(jù)也是不合理的。

根據(jù)《超聲檢測(cè)》中當(dāng)缺陷尺寸小于聲束截面時(shí)，可用缺陷回波幅度當(dāng)量直接表示缺陷大小。實(shí)際探傷時(shí)由于小于聲束截面的點(diǎn)狀缺陷是未知的，所以根據(jù)探頭的移動(dòng)繪制出缺陷動(dòng)態(tài)波形圖如圖4所示。從圖4中φ5平底孔動(dòng)態(tài)波形圖中可以看出探頭左右移動(dòng)時(shí)波高從80%迅速下降，波形尖銳沒有直線段的現(xiàn)象，這可以說明缺陷是以小于聲束截面的點(diǎn)狀缺陷存在的，小于聲束截面的點(diǎn)狀缺陷測(cè)量延伸長(zhǎng)度時(shí)可以用當(dāng)量值來衡量缺陷的延伸長(zhǎng)度，作為缺陷評(píng)定的數(shù)據(jù)是比較合理的。

圖4 φ5平底孔試塊動(dòng)態(tài)波形

2 缺陷寬度大于聲束直徑時(shí)6dB法測(cè)長(zhǎng)不需修正

2.1 提出假設(shè)

根據(jù)假設(shè)1中缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)定的原理，缺陷大于聲束直徑時(shí)6dB 法測(cè)量延伸長(zhǎng)度符合這一要求。如圖5所示，圖中假設(shè)6dB法測(cè)量長(zhǎng)度L與試塊缺陷大小一樣，不需要進(jìn)行修正。

圖5 延伸性缺陷6dB法測(cè)量長(zhǎng)度

2.2 實(shí)際測(cè)量

對(duì)4種不同深度的人工刻槽（長(zhǎng)）35mm×（寬）8mm 的試塊，用2.5MHz、φ14mm、6dB法實(shí)測(cè)缺陷長(zhǎng)度，缺陷測(cè)量結(jié)果見表2，可以看出缺陷的測(cè)量長(zhǎng)度隨缺陷深度的增加變化很小，測(cè)量值與實(shí)際長(zhǎng)度相比偏小，符合6dB法測(cè)量長(zhǎng)度小于實(shí)際長(zhǎng)度的原理，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，修正值與實(shí)際值相差太大，所以當(dāng)缺陷長(zhǎng)度大于探頭聲束直徑時(shí)使用6dB法測(cè)長(zhǎng)不需修正。

表2 人工刻槽35mm×8mm 試塊6dB法測(cè)長(zhǎng)測(cè)量值與修正值對(duì)比

2.3 分析與結(jié)果

根據(jù)2.5 MHz、φ14 mm、探頭0 分貝點(diǎn)和－6分貝點(diǎn)的擴(kuò)散角度和表2 中35 mm×8 mm 試塊6dB法實(shí)測(cè)長(zhǎng)度在CAD 軟件上生成平面圖如圖6，可以看出聲束覆蓋整個(gè)缺陷波高80%，左右移動(dòng)探頭聲束覆蓋缺陷一半波高下降6dB，此時(shí)探頭的中心即作為缺陷的邊界，符合缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)定的原理。

實(shí)際探傷中由于缺陷是否有延伸長(zhǎng)度是未知的，通過探頭的移動(dòng)繪制出缺陷動(dòng)態(tài)波形圖如圖7所示，從35mm×8 mm 試塊動(dòng)態(tài)波形圖中可以看出探頭左右移動(dòng)時(shí)波高保持80%有一直線段，說明缺陷具有一定的延伸長(zhǎng)度，符合缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)定的原理。6dB測(cè)量長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度相比有點(diǎn)誤差，但誤差相對(duì)較小，可以作為評(píng)定缺陷的數(shù)據(jù)，不需修正。

圖7 35mm×8mm 人工刻槽試塊動(dòng)態(tài)波形

3 結(jié)論

寬度小于聲束直徑的點(diǎn)狀缺陷使用6dB 法測(cè)量延伸長(zhǎng)度需修正，用JB／T 5000.15－2007標(biāo)準(zhǔn)中6dB聲束直徑的計(jì)算公式進(jìn)行修正時(shí)誤差較大，故使用時(shí)有待考慮，當(dāng)缺陷尺寸小于聲束截面時(shí)，可用缺陷回波幅度當(dāng)量直接表示缺陷延伸長(zhǎng)度。寬度小于聲束直徑的點(diǎn)狀缺陷延伸長(zhǎng)度的測(cè)量是不符合缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)定原理的，用6dB法測(cè)量時(shí)誤差較大。

寬度大于聲束直徑的缺陷6dB 法測(cè)長(zhǎng)不需修正，可用6dB法測(cè)量值來表示缺陷的延伸長(zhǎng)度。

［1］JB／T 5000.15－2007 重型機(jī)械通用技術(shù)條件第15部分：鍛鋼件無損檢測(cè)［S］.