2.5 MHz直探頭檢測能力探討

陳士華 錢政平 徐作照 曹金龍 王 飛

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

鍛件超聲波探傷靈敏度調(diào)整方式有3種： 對比試塊法、 AVG法、 底面反射法。 對比試塊法適用于模擬式和數(shù)字式A型脈沖反射式超聲波探傷儀， 對現(xiàn)場超聲波探傷人員計算能力要求較低， 探傷結(jié)果不易出錯， 使用起來簡單直觀， 當供需雙方對探傷結(jié)果有爭議時， 一般采取這種方式協(xié)商解決。 但是這種方式依賴對比試塊、 試塊每年均需要校準、 需要旋轉(zhuǎn)裝置和存放場地、 日常保管需要涂油防銹。 AVG法屬于最經(jīng)濟的超聲波探傷靈敏度調(diào)整方式， 其平底孔“距離—波幅”曲線涵蓋了初始脈沖寬度范圍外的所有區(qū)域， 定量精度取決于儀器軟件和配套探頭組合的完美程度， 目前國內(nèi)具有這種能力的儀器極少。 底面反射法也適用于模擬式和數(shù)字式A型脈沖反射式超聲波探傷儀，對模擬式超聲波探傷儀而言， 非?？简灣暡ㄌ絺藛T的計算能力和耐心。 目前國內(nèi)許多數(shù)字式超聲波探傷儀公司生產(chǎn)的超聲波探傷儀自帶有底面反射法輔助計算平底孔當量曲線，對于產(chǎn)品品種多、 探傷場地較多、 對探傷靈活性要求極高的公司而言， 這是一種低成本探傷方式， 也深受現(xiàn)場超聲波探傷人員歡迎； 但是這個曲線只能適用于直探頭三倍近場長度以外區(qū)域， 三倍近場長度以內(nèi)區(qū)域缺陷不能自動計算缺陷平底孔當量。

2.5 MHz直探頭波長λ=C/f=5.9/2.5=2.36 mm，λ/2=1.18 mm， 根據(jù)檢測靈敏度不大于λ/2的理論， 2.5 MHz直探頭可以檢測不小于?1.18 mm的平底孔當量缺陷， 一般探傷人員對于該探頭是否具有檢測?1.0 mm甚至?0.5 mm平底孔當量靈敏度的能力持懷疑態(tài)度， 因此現(xiàn)場應(yīng)用時，?1.0 mm平底孔當量靈敏度均使用5 MHz的直探頭。 查閱有關(guān)超聲波探傷教材可知， 直徑相同、 頻率相差一倍的直探頭， 二者之間三倍近場長度也相差一倍， 嚴重限制了數(shù)字式超聲波探傷儀自帶輔助計算平底孔當量曲線的使用范圍， 也給自帶有底面反射法輔助計算平底孔當量曲線的儀器現(xiàn)場使用帶來很大不便和困擾。

1 直探頭檢測靈敏度上限的理論依據(jù)

直探頭檢測靈敏度上限的理論依據(jù)源于波的衍射(見圖1)。超聲波在介質(zhì)中傳播時，若遇到缺陷AB，根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理，缺陷邊緣A、B可以看作是發(fā)射子波的波源，使波的傳播方向改變，從而使缺陷背后的聲影縮小，反射波降低。波的繞射和障礙物尺寸Df及波長λ的相對大小有關(guān)，當Df<<λ時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。當Df>>λ時，反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射[1]。

圖1 波的衍射

當對比試塊中平底孔或者工件中缺陷的平底孔當量直徑Df<(λ/2)時，不少探傷人員即認為達到了“波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低”，檢測結(jié)果“肯定”偏差較大，不滿足超聲檢測準確性要求。

根據(jù)公式λ=C/f，2.5 MHz直探頭波長λ=2.36 mm，λ/2=1.18 mm，平底孔當量直徑1 mm<1.18 mm，因此2.5 MHz直探頭不能用于檢測和評價平底孔當量1 mm及以下尺寸的缺陷。5 MHz直探頭波長λ=1.18 mm，λ/2=0.59 mm，平底孔當量直徑1 mm>0.59 mm，因此，5 MHz直探頭可以用于檢測和評價平底孔當量為1 mm及以下尺寸缺陷。

2 2.5 MHz直探頭檢測能力實際對比驗證

目前， 工業(yè)產(chǎn)品超聲檢測靈敏度一般不大于?0.5 mm， ?2 mm平底孔當量較為常見。當工件壁厚小于150 mm、 探傷靈敏度為?1 mm平底孔當量、 使用型號為5 MHz?14直探頭檢測時， 探頭三倍近場長度為124.6 mm， 國產(chǎn)儀器使用底面反射法調(diào)整探傷靈敏度時， 其平底孔“距離——波幅”曲線從124.6 mm至工件底面聲程范圍具有自動計算缺陷平底孔當量的能力， 從相互平行兩端面分別檢測， 芯部有較大計算盲區(qū)， 這種情況下使用5 MHz?14直探頭采用底面反射法檢測明顯不合適， 必須采用對比試塊法。如果想節(jié)約成本不想做對比試塊， 此時研究2.5 MHz直探頭在三倍近場區(qū)外是否可以按照理論計算公式計算?0.5 mm、 ?1 mm平底孔反射波幅與底面回波之間的dB差值， 也就是2.5 MHz直探頭能否檢測?0.5 mm、 ?1 mm平底孔當量缺陷很有必要。

試驗過程按照以下步驟進行：(1)將2.5 MHz直探頭置于平底孔對比試塊上，(2)測出平底孔最大反射波幅度對應(yīng)dB值；(3)測出試塊底波dB值；(4)計算出平底孔反射波幅度與底面回波幅度之間的dB差值；(5)將該dB差與理論公式計算結(jié)果比對，判斷2.5 MHz直探頭檢測能力。

儀器為KW-4C數(shù)字式超聲波探傷儀。探頭采用型號為2.5P10、2.5P14的直探頭。試塊為材質(zhì)18CrNiMo7-6，?0.5 mm的平底孔對比試塊和?1.0 mm的平底孔對比試塊照片如圖2和圖3所示。

圖2 ?0.5 mm平底孔對比試塊

圖3 ?1.0 mm平底孔對比試塊

?0.5 mm平底孔對比試塊試驗結(jié)果如表1所示，?1.0 mm平底孔對比試塊試驗結(jié)果如表2所示。

表1 ?0.5 mm平底孔對比試塊試驗結(jié)果

表2 ?1.0 mm平底孔對比試塊試驗結(jié)果

2.5P14直探頭測試?0.5 mm平底孔信噪比情況如圖4、圖5所示，2.5P10直探頭測試?0.5 mm平底孔信噪比情況如圖6、圖7所示。

圖4 2.5P14測試60 mm處?0.5 mm平底孔

圖5 2.5P14測試80 mm處?0.5 mm平底孔

圖6 2.5P10測試60 mm處?0.5 mm平底孔

圖7 2.5P10測試80 mm處?0.5 mm平底孔

3 數(shù)據(jù)分析

從表1和表2可以看出，2.5P10直探頭和2.5P14直探頭均可以檢出?0.5 mm和?1.0 mm平底孔。關(guān)于平底孔反射波幅度與底面回波幅度之間dB的差值方面，實際測試與理論計算之間的差值在+0.2～+2.6 dB之間，晶片直徑越大差值越小，晶片直徑越小差值越大，但是差值不算遙遠。

從圖4～圖7可以看出，2.5P14直探頭測試?0.5 mm時的信噪比遠比2.5P10直探頭好，二者之間差值約為8 dB左右，說明晶片直徑對信噪比影響巨大。

一般認為，如果a+b≈a，那么b對于a而言屬于“<< ”，平底孔直徑0.5 mm為2.5 MHz直探頭λ(2.36 mm)的21.2%，因此，遠沒達到“當Df<<λ時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢”的適用條件。

4 結(jié)論

(1)2.5 MHz直探頭可以按照理論公式計算?0.5 mm、?1.0 mm平底孔與底面回波幅度之間的dB差值。

(2)2.5 MHz直探頭能否用于檢測?0.5 mm平底孔和?1.0 mm平底孔缺陷，取決于信噪比。條件許可時盡可能選擇較大直徑的晶片，以期取得圖4和圖5那樣的信噪比效果，有利于現(xiàn)場超聲波探傷人員識別缺陷，防止漏檢。

(3)對于自帶有底面反射法輔助計算平底孔當量曲線的數(shù)字式超聲波探傷儀而言，在靈敏度和信噪比均滿足要求的情況下，適當降低探頭頻率有利于縮短探頭的三倍近場長度，也有利于擴大該類儀器自動計算缺陷的平底孔當量范圍，給現(xiàn)場探傷操作提供便利。