淺談脈沖式超聲波反射法測(cè)厚的測(cè)量精度

蔡保山 王俊立 朱超陽(yáng)

(1.空軍駐北京代表局， 北京 100009； 2.鄭州飛機(jī)制造有限公司，河南 鄭州 450005)

淺談脈沖式超聲波反射法測(cè)厚的測(cè)量精度

蔡保山1王俊立2朱超陽(yáng)2

(1.空軍駐北京代表局， 北京 100009； 2.鄭州飛機(jī)制造有限公司，河南 鄭州 450005)

本文介紹了脈沖式超聲波反射法測(cè)厚原理，分析了影響測(cè)量精度的相關(guān)因素，提出了相應(yīng)措施，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，探討了采用超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)厚的應(yīng)用范圍及測(cè)量誤差問(wèn)題，為使用超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行高精度測(cè)厚提供了借鑒。

超聲波檢測(cè)儀；厚度測(cè)量；精度

日常工作中，經(jīng)常遇到工件封閉腔壁厚檢測(cè)或各種管道及壓力容器在使用過(guò)程中受腐蝕后的壁厚減薄程度檢測(cè)問(wèn)題，由于受到構(gòu)件結(jié)構(gòu)的限制，采用常規(guī)的檢測(cè)手段(如：卡尺、壁厚卡尺、千分尺等)無(wú)法完成壁厚測(cè)量工作。此種情況下，通常采用脈沖式超聲波反射法完成厚度測(cè)量工作。

脈沖式超聲波反射法測(cè)厚作為超聲波測(cè)厚的常規(guī)方法，在各種超聲波測(cè)厚方法中應(yīng)用最為普遍，大多數(shù)的超聲波測(cè)厚儀均按照此原理制造而成。當(dāng)采用該方法進(jìn)行壁厚測(cè)量時(shí)，由于其測(cè)量精度不僅受工件材質(zhì)、表面質(zhì)量及熱處理狀態(tài)的影響，而且還受檢測(cè)設(shè)備及探頭性能、對(duì)比試塊選擇是否合適、檢測(cè)參數(shù)標(biāo)定是否準(zhǔn)確等多種因素影響，導(dǎo)致測(cè)量精度經(jīng)常出現(xiàn)偏差，從而影響測(cè)量結(jié)果的可靠性，使其無(wú)法取代常規(guī)檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)高精度尺寸(如：測(cè)量精度為0.01～0.05mm)的有效測(cè)量。

本文從脈沖反射式超聲波測(cè)厚原理，檢測(cè)設(shè)備及探頭選擇、聲速標(biāo)定、工件材質(zhì)及表面質(zhì)量等多方面分析了影響測(cè)量精度的因素，通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了利用數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀檢測(cè)鋼和鋁材質(zhì)構(gòu)件各種壁厚情況下的測(cè)量精度，對(duì)脈沖反射式超聲波測(cè)厚技術(shù)的應(yīng)用具有借鑒意義。

1 脈沖反射式超聲波測(cè)厚原理

脈沖反射式超聲波測(cè)厚是通過(guò)測(cè)量超聲波在工件上下底面間往返一次傳播的時(shí)間來(lái)求得工件的厚度。其測(cè)厚原理為：根據(jù)超聲波在工件中的傳播特性，超聲波檢測(cè)儀發(fā)射超聲波進(jìn)入工件，經(jīng)工件底面反射后被超聲波檢測(cè)儀接收，通過(guò)有效測(cè)定超聲波在工件中的傳播速度及傳播時(shí)間，確定超聲波在工件中的傳播距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件壁厚的有效測(cè)量。

2 檢測(cè)設(shè)備及探頭選擇影響

市場(chǎng)上超聲波檢測(cè)儀種類繁多、性能各異，使用超聲波檢測(cè)儀測(cè)厚應(yīng)選擇合適的設(shè)備，主要考慮工件材質(zhì)、熱處理狀態(tài)、表面狀態(tài)及工件壁厚影響。

2.1 工件材質(zhì)及熱處理狀態(tài)影響

當(dāng)測(cè)量未經(jīng)過(guò)淬回火的鑄件和奧氏體鋼時(shí)，因結(jié)構(gòu)組織不均勻或晶粒粗大，超聲波在其中穿過(guò)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射衰減，宜選用探頭頻率不大于2.5MHz的粗晶探頭；當(dāng)檢測(cè)鍛件、已進(jìn)行淬回火的精加工鑄件、表面粗糙度不大于3.2μm的管材及板材制件時(shí)，宜選用探頭頻率不大于5MHz的探頭；當(dāng)測(cè)量復(fù)合材料制件時(shí)，由于其對(duì)聲能衰減大，宜選用專用的復(fù)合材料探頭。

2.2 工件表面狀態(tài)影響

未進(jìn)行加工的鍛鑄件毛坯表面多存在銹蝕、氧化皮、夾雜物等表面臟污使工件表面粗糙度變差(砂型鑄件表面粗糙度達(dá)12.5μm)，這類工件測(cè)厚時(shí)極易造成探頭磨損致使檢測(cè)靈敏度下降，因此易選用軟膜探頭。

2.3 工件壁厚影響

應(yīng)根據(jù)需檢測(cè)的工件壁厚狀況選擇合適的探頭?？紤]到探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的影響，如果需檢測(cè)壁厚較薄(如：T≤5mm)的工件時(shí)，應(yīng)使用雙晶探頭或帶有延遲塊的探頭進(jìn)行檢測(cè)，且探頭的晶片直徑應(yīng)盡可能地小，頻率應(yīng)選擇不小于5MHz；如果檢測(cè)工件壁厚較大(如：T≥100mm)，應(yīng)使用單晶探頭進(jìn)行檢測(cè)，且探頭的晶片直徑應(yīng)盡量大一些，頻率不大于5MHz。

3 對(duì)比試塊選用原則及聲速標(biāo)定方法

在使用超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行壁厚測(cè)量時(shí)，對(duì)比試塊的選用直接影響聲速的標(biāo)定和衰減補(bǔ)償，如果對(duì)比試塊選擇不當(dāng)，將會(huì)造成聲速標(biāo)定存在較大誤差，從而影響測(cè)量精度。

3.1 對(duì)比試塊的選用原則

盡量選用和所測(cè)工件同厚度、同材質(zhì)、同熱處理狀態(tài)和表面狀態(tài)的對(duì)比試塊，這樣標(biāo)定出的聲速最接近工件本身，因此測(cè)出來(lái)的壁厚誤差最小。如果制作此類對(duì)比試塊存在困難，也可利用工件本身來(lái)進(jìn)行標(biāo)定，此時(shí)可從工件上選取和所測(cè)壁厚相似的、可用通用量具測(cè)量的部位的壁厚進(jìn)行標(biāo)定，但通常要求可標(biāo)定的壁厚尺寸和所要求檢測(cè)的壁厚尺寸值的差值不大于10mm，當(dāng)差值增大時(shí)，由于聲能的衰減將會(huì)使測(cè)量誤差增大。

3.2 聲速標(biāo)定方法

當(dāng)采用對(duì)比試塊進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，可選用常規(guī)量具實(shí)測(cè)試塊的壁厚值，然后通過(guò)分別標(biāo)定試塊的一次底波和二次底波，確保試塊的一、二次底波的顯示值和實(shí)測(cè)數(shù)值保持一致，此時(shí)對(duì)應(yīng)的聲速最接近工件內(nèi)的聲速，因此測(cè)量誤差最小。當(dāng)采用工件標(biāo)定聲速時(shí)，方法與上述相同。

4 測(cè)量精度影響因素分析及對(duì)策研究

影響超聲波測(cè)厚的測(cè)量精度因素主要有七個(gè)方面。?被測(cè)工件表面所有的灰塵、污垢、氧化皮及銹蝕物對(duì)測(cè)量精度存在顯著影響，在施測(cè)前應(yīng)予以清除；?金屬表面產(chǎn)生的致密氧化物或油漆防腐層，聲速在兩種物質(zhì)中的傳播速度不同，實(shí)施測(cè)量前應(yīng)對(duì)測(cè)量位置打磨清除；?當(dāng)工件壁厚尺寸精度要求高，工件表面粗糙度差時(shí)，采用超聲波測(cè)厚時(shí)應(yīng)對(duì)表面粗糙度引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償；?工件上下底面平行度較差(如：管材)時(shí)，將使測(cè)量精度急劇下降，此類情況應(yīng)選擇小晶片探頭或筆式探頭進(jìn)行測(cè)厚，當(dāng)上下表面的夾角大于15°時(shí)，不宜采用超聲波法進(jìn)行測(cè)厚；?探頭長(zhǎng)期使用時(shí)，接觸面會(huì)有一定磨損，使其表面粗糙度增加，導(dǎo)致靈敏度下降，從而造成測(cè)量精度下降，對(duì)經(jīng)常使用的探頭，要確保接觸面平滑并保證平行度；?耦合劑的使用對(duì)測(cè)量精度同樣存在影響，當(dāng)工件表面粗糙度較低時(shí)，可使用低黏度耦合劑(如：甘油)；當(dāng)工件表面粗糙度較高時(shí)可使用高黏度耦合劑(如：機(jī)油或水玻璃)；?當(dāng)進(jìn)行在役檢測(cè)(如：管道和壓力容器)時(shí)，若工件內(nèi)表面存在嚴(yán)重銹蝕造成腐蝕坑，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)厚示值無(wú)規(guī)則變化，底波衰減嚴(yán)重并存在大量草狀回波，此時(shí)應(yīng)選用低頻粗晶探頭(≤2.5MHz)減少雜波干擾以確定壁厚實(shí)際值。

5 測(cè)量精度驗(yàn)證情況

為驗(yàn)證超聲波檢測(cè)儀測(cè)厚精度，選用不同厚度的平底孔鋼試塊和鋁試塊進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)。

5.1 鋼試塊對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

鋼試塊材質(zhì)為30CrMnSiA；熱處理狀態(tài)為淬回火、σb=1080MPa；平底孔直徑為1.50mm，埋深為15mm，采用電火花加工而成；試塊表面粗糙度為3.20μm，上下底面平行度為±0.02mm。

由于所測(cè)試塊厚度范圍為17.25～105mm(試塊標(biāo)稱值)，因此，標(biāo)定聲速時(shí)選用厚度為55.10mm的對(duì)比試塊進(jìn)行標(biāo)定，采用試塊一次波和二次波法進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)測(cè)試塊縱波聲速為5896m/s；探頭延遲為0.63μs，然后分別使用超聲波探傷儀和0～125mm卡尺實(shí)測(cè)試塊壁厚，實(shí)測(cè)壁厚記錄見(jiàn)表1。

表1 鋼試塊對(duì)比驗(yàn)證實(shí)測(cè)壁厚 單位：mm

從實(shí)測(cè)情況看出，在0～100mm范圍內(nèi)，超聲波測(cè)厚精度和卡尺測(cè)厚精度誤差在0.05mm左右，當(dāng)所檢測(cè)厚度值大于100mm時(shí)，由于超聲波測(cè)厚精度只精確到0.10mm，因此對(duì)于大于100mm工件厚度的檢測(cè)，超聲波測(cè)厚精度只能滿足壁厚尺寸精度不小于0.10mm壁厚尺寸檢測(cè)要求。

5.2 鋁試塊對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

鋁試塊材質(zhì)為L(zhǎng)D5;熱處理狀態(tài)為固溶+人工時(shí)效、σb≥410MPa；平底孔直徑為1.50mm，埋深為15mm，采用電火花加工而成；試塊表面粗糙度為3.20μm，上下底面平行度為±0.02mm。

由于所測(cè)試塊厚度范圍為17.25～105mm(試塊標(biāo)稱值)，因此，標(biāo)定聲速時(shí)選用厚度為60.16mm的對(duì)比試塊進(jìn)行標(biāo)定，采用試塊一次波和二次波法進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)測(cè)試塊縱波聲速為6380m/s；探頭延遲為0.54μs，然后分別使用超聲波探傷儀和0～125mm卡尺實(shí)測(cè)試塊壁厚，實(shí)測(cè)壁厚記錄見(jiàn)表2。

表2 鋁塊對(duì)比試驗(yàn)實(shí)測(cè)壁厚 單位：mm

從實(shí)測(cè)情況可以看出，在0～100mm范圍內(nèi)，超聲波測(cè)厚精度和卡尺測(cè)厚精度誤差在0.05mm左右，當(dāng)所檢測(cè)厚度值大于100mm時(shí)，由于超聲波測(cè)厚精度只精確到0.10mm，因此對(duì)于大于100mm工件厚度的檢測(cè)，超聲波測(cè)厚精度只能滿足壁厚尺寸精度不小于0.10mm壁厚尺寸檢測(cè)要求。

通過(guò)上述兩組試塊的對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)情況，當(dāng)工件表面質(zhì)量狀況較好、工件經(jīng)過(guò)熱處理組織晶粒較細(xì)且工件厚度方向上下表面平行度較好時(shí)，采用超聲波法測(cè)厚和使用常規(guī)量具測(cè)厚二者的測(cè)量精度相差不大，可滿足尺寸精度要求不小于0.05mm的尺寸測(cè)量工作。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析驗(yàn)證，當(dāng)采用超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行壁厚測(cè)量時(shí)，只要選擇合適的設(shè)備類型、匹配合適的探頭，合理選用耦合劑和對(duì)比試塊，綜合考慮各種影響測(cè)量精度的因素，脈沖式超聲波反射法同樣可以具有較高的測(cè)量精度，代替常規(guī)檢測(cè)手段完成高精度測(cè)量工作。

On measuring precision of thickness measurement with pulsed ultrasonic wave reflection method

CAI Baoshan1, WANG Junli2, ZHU Chaoyang2

(1.AirForceRepresentativeOfficeinBeijing,Beijing100009,China;

2.ZhengzhouAircraftManufacturingCo.,Ltd.,Zhengzhou450005,China)

The principle of thickness measurement with pulsed ultrasonic wave reflection method is mainly introduced in this paper. Related factors affecting measurement precision are analyzed, and corresponding countermeasures are proposed. Application scope and measurement error problems of thickness measurement with ultrasonic detector are discussed through practical experiment. It provides reference for high-precision thickness measurement with ultrasonic detector.

ultrasonic detector; thickness measurement; precision

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.10.010

TU317+.8

A

1673-8241(2015)10-0028-03