圓棒手動超聲波探傷靈敏度調(diào)整及缺陷定量評定

李金浩

（山鋼股份萊蕪分公司 技術(shù)中心，山東 萊蕪271104）

圓棒手動超聲波探傷靈敏度調(diào)整及缺陷定量評定

李金浩

（山鋼股份萊蕪分公司 技術(shù)中心，山東 萊蕪271104）

手動超聲波探傷儀具有攜帶方便、使用靈活的特點(diǎn)，根據(jù)其探頭型號2.5P12可計算出近場區(qū)長度，利用聲壓發(fā)射規(guī)律可計算出Φ12～Φ72 mm圓棒需使用對比試塊法調(diào)整探傷靈敏度，Φ73～Φ310 mm圓棒可使用底波方式法調(diào)整探傷靈敏度。缺陷的定量評定采用當(dāng)量計算法和對比試塊法評定。

圓棒探傷；手動超聲波探傷儀；靈敏度調(diào)整；缺陷評定

1 手動超聲波探傷儀

手動超聲波探傷儀具有攜帶方便、使用靈活的特點(diǎn)。在實(shí)踐中探傷靈敏度的調(diào)整以及缺陷定量分析對于被檢圓棒的探傷有重要影響。利用試塊方式調(diào)整檢測靈敏度的優(yōu)點(diǎn)是有直觀的比較對象，特別是因為近場區(qū)的聲壓分布不均勻，只有使用一系列的試塊進(jìn)行選擇對比才能較可靠地進(jìn)行檢測。缺點(diǎn)是試塊的加工比較困難，而且在現(xiàn)場作業(yè)時也不便于攜帶。利用底波方式法調(diào)整檢測靈敏度的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，無需攜帶大量的對比試塊，缺點(diǎn)是只有滿足探傷直徑處于遠(yuǎn)場區(qū)的大規(guī)格圓棒才能使用此方法。

1）直探頭縱波探傷。指由直探頭單發(fā)單收，利用脈沖超聲波發(fā)射和接收來實(shí)現(xiàn)探傷目的。這主要是由圓棒的軋制工藝所決定的，由于在軋制過程中連鑄坯內(nèi)部的缺陷主要沿金屬流線方向延伸，即缺陷沿軋制方向伸展，由此在軋材中缺陷的取向一般垂直于聲束，并使缺陷反射的聲波能夠到達(dá)探頭，從而易于發(fā)現(xiàn)缺陷［1］。在超聲檢測中，通常把兩個聲壓之比用常用對數(shù)值來表示，以便于表示與運(yùn)算，并以分貝（dB）為單位。聲壓1與2之比：△dB=20lg（1/2）。檢測到的超聲波信號幅度與聲壓成正比，因此在超聲波檢測儀器上顯示的回波幅度1與2之比也是：△dB=20lg（1/2）。

2）超聲場的近場區(qū)與遠(yuǎn)場區(qū)。圓盤聲源向自由場輻射時，聲源附近聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度不同相位的聲場稱為近場，在近場區(qū)域中中心軸線的聲壓分布是不均勻的，聲軸線上最后一個極大值點(diǎn)至聲源的距離稱為近場長度 。在近場長度范圍內(nèi)，整個聲束軸線上存在聲壓極大值和聲壓極小值的波動。超聲場結(jié)構(gòu)如圖1所示，探頭直徑d，近場區(qū)長度近似為=d2/4λ，近場區(qū)內(nèi)的聲壓分布變化是不均勻的，即聲壓發(fā)射是無規(guī)律的［2］，只有在遠(yuǎn)場時，才能利用聲壓發(fā)射規(guī)律評估各種反射體的回波聲壓變化。當(dāng)擴(kuò)散聲束截面尺寸與聲源尺寸相等的那一點(diǎn)至聲源的距離約為進(jìn)場區(qū)長度 的1.6倍，即在近場區(qū)末端進(jìn)入遠(yuǎn)場區(qū)的過渡點(diǎn)的距離。在遠(yuǎn)場中，聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度同相位，聲壓隨著距離的增大按指數(shù)規(guī)律呈單調(diào)下降變化。

圖1 超聲場結(jié)構(gòu)示意圖

2 探傷靈敏度調(diào)整

鋼中縱波速度通常取c=5 850 m/s，探頭型號2.5P12，頻率f=2.5 MHz，可計算出波長 λ=c/f，即λ=2.34 mm。根據(jù)近場區(qū)長度公式N=d2/4λ（d為探頭直徑），可求出N=15.38 mm。

當(dāng)被檢圓棒直徑D，探頭直徑d以及棒材中的進(jìn)場區(qū)長度N之間滿足下述關(guān)系：D≥3.7N和D≥d2/2時，可以對棒材如同有大平底面鍛件那樣采用底波方式法調(diào)整。已求出N=15.38 mm，可得出D必須同時滿足這兩個條件D≥3.7N=56.906 mm和D≥d2/2=72 mm。得出：當(dāng)被檢測圓棒直徑D＞72 mm時可以使用底波方式法調(diào)整探傷靈敏度［3］。

1）對比試塊法，適用于小尺寸以及處于近場區(qū)范圍檢測的情況。本研究探頭采用2.5P12型號，則規(guī)格為Φ12～Φ72 mm的圓棒需要用對比試塊法調(diào)整探傷靈敏度。

圓棒對比試塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，對比試塊的聲學(xué)性能應(yīng)與被檢圓棒相同或相近，表面狀態(tài)及曲率相差不大（一般要求圓棒試塊與實(shí)際被檢圓棒直徑公差在±10 mm之內(nèi)）。其平底孔的鉆制除孔徑準(zhǔn)確外，特別要注意保證孔軸線應(yīng)與圓棒直徑線重合且平底孔面與軸線垂直，孔內(nèi)保持清潔。

圖2 圓棒對比試塊結(jié)構(gòu)

調(diào)整探傷靈敏度時，把直探頭耦合在圓棒對比試塊的圓周面上，找出埋藏深度處于3/4D處找到平底孔最大回波，調(diào)整回波幅度至滿刻度的80%，然后在1/4D處找到缺陷最大回波，其缺陷最大回波不低于滿刻度的80%，以此為探傷靈敏度。

2）底波方式法，適用于遠(yuǎn)場區(qū)情況，大尺寸檢測。實(shí)驗證明只要厚度＞1.67倍近場長度時，應(yīng)用回波聲壓公式計算的結(jié)果已經(jīng)基本滿足檢測要求。Φ73～Φ310 mm圓棒適用于此方法，可使用聲壓發(fā)射定律計算。探頭在被檢測圓鋼上找到一次底波，將其回波幅度調(diào)整至基線50%，然后按照求得的△dB對探傷儀的增益按鍵增益△dB大小，以此為探傷靈敏度［4］。

采用底波方式調(diào)整起始靈敏度的基本原理，大平底面的回波聲壓：

平底孔的回波聲壓：

則對平底孔相對大平底的回波聲壓比取對數(shù)關(guān)系有如下關(guān)系式：

式中：XB為被檢圓棒直徑，mm；Xf為從探測面到發(fā)現(xiàn)缺陷的探測深度，mm；λ為被檢圓棒中的超聲波長，mm；Φ為要求發(fā)現(xiàn)缺陷的當(dāng)量平底孔直徑，mm；當(dāng)按照被檢圓棒直徑調(diào)整探傷靈敏度時，有XB=Xf。

例如采用2.5P12直探頭探傷Φ100 mm圓棒時，采用底波方式法，要求發(fā)現(xiàn)Φ2 mm平底孔直徑當(dāng)量的缺陷，c=5 850 mm/s，f=2.5 MHz，得以求出λ=c/f=2.34 mm，Φ=2 mm，XB=Xf=100 mm。則：

將2.5P12直探頭耦合在圓棒探測面上，調(diào)整超聲波探傷儀的增益微調(diào)，使圓棒的第一次底面回波高度達(dá)到50%滿刻度作為基準(zhǔn)波高，然后增益31 dB，此時已完成探傷靈敏度的調(diào)節(jié)，表示在圓棒底面Xf=100 mm處有Φ2 mm平底孔直徑當(dāng)量的缺陷存在時，其回波高度可達(dá)到50%滿刻度基準(zhǔn)波高。

底波方式調(diào)節(jié)探傷靈敏度的優(yōu)點(diǎn)是直接利用被檢圓棒本身進(jìn)行調(diào)整，不需要對比參考試塊，因此不必考慮被檢工件探測面的表面光潔度、材質(zhì)衰減等因素，這些影響因素在以底波方式調(diào)整第一次底面回波時自動補(bǔ)償，從而避免了攜帶對比試塊不便、加工等麻煩。

3 缺陷定量分析

超聲波檢測中，為了能根據(jù)回波幅度大小評估缺陷大小，當(dāng)被檢工件尺寸較小，落在超聲場的近場區(qū)范圍時，由于近場區(qū)內(nèi)的聲壓分布變化不均勻，聲壓發(fā)射無規(guī)律，因此需要采用參考對比試塊進(jìn)行比較評定，將發(fā)現(xiàn)的缺陷回波幅度與相同聲程的人工發(fā)射體回波幅度比較，得到人工發(fā)射體尺寸表示的缺陷當(dāng)量大小。

在超聲場的遠(yuǎn)場檢測時，由于圓棒尺寸較大不易于加工，而且搬運(yùn)使用不方便，鑒于遠(yuǎn)場中的聲壓隨著距離的增大呈單調(diào)下降變化，各種人工發(fā)射體的回波聲壓變化是有規(guī)律可循的，因此可以采用當(dāng)量計算法來評定缺陷的當(dāng)量大小。

3.1 對比試塊法

采用含有同聲程的標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀人工反射體的對比試塊直接進(jìn)行比較評定。在用對比試塊進(jìn)行評定時，如果現(xiàn)有試塊上的人工發(fā)射體聲程與缺陷聲程不同，則采用插入法選擇試塊，即用于比較的人工反射體聲程應(yīng)該大于等于缺陷聲程。大于是指與缺陷聲程最接近的。對比試塊法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接進(jìn)行比較評定而不受近場區(qū)干涉的影響，對比結(jié)果直觀。缺陷埋藏深度位于D/4以內(nèi)時，與D/4位置的平底孔比較；缺陷位于D/4～D/2時，與D/2位置的平底孔比較；缺陷位于D/2～3/4D時，與3/4D位置的平底孔比較。

3.2 當(dāng)量計算法

當(dāng)采用底波方式法調(diào)整時，其定量方法可用當(dāng)量計算法。不同聲程與孔徑的平底孔相比：

實(shí)際應(yīng)用中，通常將參照物—標(biāo)準(zhǔn)平底孔的孔徑與聲程定位2、X2，以其回波高度作為基準(zhǔn)波高，根據(jù)聲程為X1的待測缺陷回波高度與基準(zhǔn)波高度相差的分貝（dB）值（高于基準(zhǔn)波高時為正值，低于基準(zhǔn)波高時為負(fù)值），即可計算出缺陷的平底孔當(dāng)量直徑1（mm）。

前例中檢測Φ100 mm圓棒，其衰減系數(shù)定為0.024 dB/mm，以底波方式按2（mm）調(diào)整探傷靈敏度，在掃查中發(fā)現(xiàn)埋藏深度50 mm處有一缺陷回波比基準(zhǔn)波高20 dB，用當(dāng)量計算法則：

求出埋藏深度50 mm處的缺陷平底孔當(dāng)量直徑為1=2.95 mm。

4 結(jié) 語

手動探傷儀由于攜帶方便，靈活使用，靈敏度調(diào)節(jié)方便特點(diǎn)，在萊鋼圓棒材探傷中廣泛使用，當(dāng)量法與底波高度法在實(shí)際中對于缺陷的定量分析比較準(zhǔn)確的。根據(jù)被檢測圓鋼棒直徑，選擇合適的探頭型號，對探傷起事半功倍的作用。

采用2.5P12探頭探傷時，Φ12～Φ72 mm規(guī)格圓棒采用對比試塊法調(diào)整探傷靈敏度和評定缺陷當(dāng)量大??；Φ73～Φ310 mm規(guī)格圓棒采用底波方式法調(diào)整探傷靈敏度和采用當(dāng)量計算法評定缺陷當(dāng)量大小。當(dāng)使用其他型號的縱波直探頭進(jìn)行超聲波探傷時，可以使用上述方法計算出近場區(qū)的距離和臨界探傷直徑，從而確定其探傷靈敏度調(diào)整方法和缺陷定量評定方法。

［1］ 王立國.圓棒軋材超聲波探傷方法［J］.一重技術(shù)，2009（6）：61-63.

［2］ Billman F R，Rudolph F F.Effects of Ti-6A1-4V Alloy Metallurgical Structures on Ultrasonic Response Characteristics［M］//Titanium Science and Technology.Springer US，1973：693-705.

［3］ Granville R K，Taylor J L.High noise levels during the ultrasonic testing of Titanium alloys［J］.The British Journal of NDT，1985，27（3）：156.

［4］ Mason Warren P.，Thurston R.N.Physical Acoustic Principles and Methods［M］.Vol.XII，1976：75-76.

Adjustment of the Flaw Detection Sensitivity and the Quantitative Evaluation of the Flaw of Manual Ultrasonic on Round Bars

LI Jinhao
（The Technology Center of Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.，Ltd.，Laiwu 271104，China）

TG115.28+5

A

1004-4620（2017）05-0047-03

2017-02-27

李金浩，男，1987年生，2010年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)?，F(xiàn)為萊鋼技術(shù)中心工程師，從事工程機(jī)械用鋼新產(chǎn)品研究與開發(fā)工作。