超聲波爬波檢測精準(zhǔn)度因素分析

謝志強(qiáng)

（中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力建設(shè)工程有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710000）

一、探傷誤差分析

在人工超聲波爬波接觸法探傷時(shí)，對探傷結(jié)果的影響因素主要來自儀器誤差的影響，探頭誤差的影響、耦合的影響和人工操作者的影響。其中儀器的誤差影響和探頭的誤差影響可以通過使用試塊來準(zhǔn)確的測定出，但是對于耦合的影響和工作者自身的影響，就無法通過有利的實(shí)驗(yàn)測試出一個(gè)準(zhǔn)確地?cái)?shù)值。因此，在對探傷結(jié)果進(jìn)行分析的時(shí)候，耦合的誤差和人工操作者的誤差只能通過測定其范圍。這就降低了超聲波對缺陷大小的精確測量。

二、探頭耦合層厚度引起的誤差

在人工接觸法超聲波檢測中有四類對檢測結(jié)果精準(zhǔn)度的影響[1]，其中人為因素的影響最主要體現(xiàn)在探傷人員對探頭施加的壓力不恒定，探傷時(shí)，探頭在被檢工件表面上移動(dòng)的速度也不恒定，使在探傷過程中導(dǎo)致耦合質(zhì)量不一致，回波高度變化較大。由于超聲波檢測在探傷時(shí)主要依靠探頭在被檢工件表面移動(dòng)來進(jìn)行對工件內(nèi)部缺陷的探測，因而探頭與工件的良好耦合質(zhì)量的好壞對檢測結(jié)果影響很大，在檢測時(shí)，耦合層厚度如果發(fā)生變化，則透入工件中的聲能也會(huì)發(fā)生變化，并且使工件中一定深度處的聲壓也發(fā)生變化，結(jié)果造成當(dāng)聲程和缺陷尺寸相同時(shí)，用相同的探頭檢測發(fā)出的聲波在反射體上反射的回波，在示波屏上的回波高度不同，如圖1-1所示。

圖1-1 試塊上耦合厚度的差異對回波的影響

從圖上可以看到，在人工缺陷試塊上測試耦合劑層的影響時(shí)圖1-1（a）在檢測的某時(shí)刻，工作人員手拿探頭在被檢面上移動(dòng)的時(shí)候?qū)μ筋^的壓力較小，導(dǎo)致此時(shí)耦合劑層變厚，在示波器上的現(xiàn)象為目標(biāo)缺陷波降低了，圖1-1（b）則為操作者手拿探頭在工件表面移動(dòng)是壓力過大使耦合劑層變薄，示波器上的缺陷回波變高。對于手動(dòng)接觸法超聲檢測來說，要想實(shí)現(xiàn)耦合一致，是一個(gè)非常麻煩又費(fèi)時(shí)間的過程[2]；在板材超聲波探傷時(shí)，盡量采用液浸法，制作專門的儀器和探頭支架，采用液浸自動(dòng)探傷來保障相同的耦合層是非常有效的。

耦合層發(fā)生厚度變化的主要原因是被檢工件表面的粗糙度和曲率造成的。除了表面的粗糙度外，工件具有一定的曲率也是影響探傷結(jié)果精準(zhǔn)度的重要因素。由于絕緣子在超聲波檢測時(shí)都是在外表面選擇用爬波接觸法探傷的，如圖1-2所示。為了提升探傷效率，必須使探頭和絕緣子表面盡可能接觸，在實(shí)際探傷中，可以在探頭下方制作一個(gè)曲率與被檢曲面相同的延遲塊，如圖1-3，通過增加延遲塊，探頭與曲面接觸良好，便于控制耦合層的厚度，減小由于耦合層厚度不一致引發(fā)的誤差。

圖1-2 探頭與曲面工件接觸圖

圖1-3 延遲塊在耦合中的作用

三、探頭外部延遲塊引起的誤差

爬波探頭晶片外部有一層延遲塊如圖1-4所示，延遲塊是用有機(jī)玻璃制成，它的作用是使從晶片發(fā)出的超聲波通過延遲塊改變?nèi)肷浣?，從而改變聲場的傳播方向和探傷靈敏度，因此，可以根據(jù)想要發(fā)現(xiàn)探傷中缺陷的位置，將延遲塊加工成一定的角度來使用，所以超聲波檢測各類斜探頭，表面波探頭及爬波探頭都是運(yùn)用這個(gè)原理讓聲波從不同角度入射到被檢物體中通過改變波型的方向?qū)崿F(xiàn)的。但在實(shí)際探傷時(shí)延遲塊的底面會(huì)在接觸面表面逐漸磨損，對于一個(gè)延遲塊底面如果已磨損到外殼的探頭，如果要想繼續(xù)使用，在修磨的時(shí)候，可以粘貼一塊有機(jī)玻璃板來修復(fù)。

圖1-4 爬波探頭內(nèi)部的延遲塊

四、聲束形狀的影響

超聲波探頭所用的晶片一般有圓形和方形兩種，對于一個(gè)長分別為2a，寬度為2b的矩形聲源，假定聲波為連續(xù)正弦波，如圖1-5所示，假設(shè)超聲波的晶片是一個(gè)矩形，長度為2a寬度為2b，傳聲介質(zhì)為液體的條件下傳播模型，向量Q是從晶片發(fā)出的任意一個(gè)方向的超聲波聲束，建立立體坐標(biāo)系，聲束在空間坐標(biāo)平面上的與xoz面上的夾角記為θ（∠P0Q），與xoy平面上的夾角記為ψ（∠P0Z）。

圖1-5 方形晶片發(fā)射聲波的指向性

方形晶片上的聲場符合公式1-1

式中，F(xiàn)1——矩形圓盤面積；p0——晶片上平均回波聲壓；

k—晶面指數(shù)；d—超聲波聲束Q向量的模

當(dāng)θ=ψ=0時(shí)，聲束就沿著z軸方向傳播，也就是垂直于晶片傳播，可以求得聲束主軸上任何一點(diǎn)的聲壓為公式1-2

當(dāng)θ=0時(shí)，可以求得在yoz平面內(nèi)的聲束指向系數(shù)Dr為公式1-3

從式中可以看出，在yoz平面內(nèi)影響聲束形狀和指向性的因素是晶片的長度，和聲束偏離yoz平面的夾角ψ，要使聲束指向系數(shù)Dr為0，則需要調(diào)整聲束與yoz平面的夾角ψ。這個(gè)夾角在制作晶片的時(shí)候就存在著偏差。

五、由聲束的聚焦或發(fā)散引起的誤差

在檢測曲面工件時(shí)，超聲波從晶片發(fā)出，先經(jīng)過有機(jī)玻璃延遲塊再進(jìn)入支柱瓷絕緣子總，有機(jī)玻璃延遲塊中的縱波平均聲速為2730m/s，比支柱瓷絕緣子的平均聲速為6300m/s低，所以會(huì)產(chǎn)生一定的聲束發(fā)散如圖1-6所示。

圖1-6 超聲波在曲面上發(fā)散示意圖

超聲波探傷中，要想獲得要求尺寸的晶片，如3×3mm，1.5×6mm等尺寸的晶片，通常常見的晶片制作方法有切割法和燒結(jié)法。對于大晶片的單晶探頭來說，晶片由切割法成型，將一整張200×200mm的晶片按需要切割成若干的小晶片，然后在對所有的小晶片進(jìn)行逐一測試，挑出聲場主聲束方向與晶片完全垂直的小晶片，然后制作探頭。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是便于制作探頭，但是缺點(diǎn)是，同一批次的不同探頭有可能存在著誤差。而對于制作小尺寸多晶片探頭來說，切割法時(shí)常會(huì)因?yàn)榫《y以一次切割完全相同的數(shù)個(gè)小晶片，因此，常見的成型方法是燒結(jié)法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是便于得到屬性完全一樣的小晶片，缺點(diǎn)是成型工藝要求高。

因此，對超聲波探傷時(shí)所使用的探頭，如果探頭晶片發(fā)出的聲束在入射前就有一定的偏差，那么通過延遲塊再經(jīng)過耦合層在支柱瓷絕緣子內(nèi)傳播時(shí)聲束會(huì)受到發(fā)散，這就會(huì)導(dǎo)致在探傷過程中，當(dāng)掃查到缺陷時(shí)，缺陷的回波會(huì)在對其進(jìn)行定位的時(shí)候發(fā)生偏差。對于這類偏差，需要在試塊準(zhǔn)確測定聲波入射角的斜率，通過試塊上人工反射缺陷對其進(jìn)行定位校準(zhǔn)，即可在實(shí)際探傷中消除探頭聲束引起的誤差。