超聲縱波檢測(cè)用對(duì)比試塊透聲特性控制及測(cè)試方法

王廣星，孟倩倩，李 晴，張微微

(山東瑞祥模具有限公司，濟(jì)寧 272400)

成套對(duì)比試塊中各試塊透聲特性的一致性會(huì)直接影響儀器校準(zhǔn)、靈敏度確定、檢測(cè)結(jié)果的一致性及缺陷定量的準(zhǔn)確性。因此，試塊材料透聲性能的測(cè)試對(duì)超聲檢測(cè)有重要的意義。對(duì)于成套試塊，在制作后應(yīng)采用液浸法測(cè)定其距離-波幅曲線，即測(cè)定將每一平底孔回波提高到相同幅值時(shí)所需增益與聲程的關(guān)系，并通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)畫出最佳擬合線。對(duì)于一套可接受的試塊，不應(yīng)有任一點(diǎn)與擬合線相差超過(guò)±1 dB[1]。

筆者為了確保高要求平底孔試塊的產(chǎn)品質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從試塊原材料方面進(jìn)行透聲特性控制并采取標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的水浸檢測(cè)方式對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

1 試塊材料透聲特性的控制

試塊材料的一致性和純凈度是透聲特性的保證。標(biāo)準(zhǔn)GJB 1580A-2004 《變形金屬超聲檢驗(yàn)方法》 中規(guī)定，對(duì)于每套試塊(不少于12 塊)材料，在制作前應(yīng)采用液浸法測(cè)定其透聲特性的一致性。所有試塊材料在加工前必須進(jìn)行超聲檢測(cè)，在檢測(cè)要求規(guī)定的工作頻率下進(jìn)行材料檢測(cè)時(shí)，不應(yīng)有任何高于擬加工標(biāo)準(zhǔn)反射體回波幅值25%的回波顯示。

對(duì)每一厚度的試塊材料進(jìn)行測(cè)量，記錄將一次底面反射信號(hào)提高至同一幅值所需的增益量，同時(shí)繪制分貝值與材料厚度的關(guān)系圖，通過(guò)各數(shù)據(jù)點(diǎn)畫出最佳擬合線。

對(duì)于圓柱形曲面試塊，任何部位由材料引起的底反射幅值變化均不應(yīng)大于2 dB。

2 試塊透聲特性的測(cè)試

2.1 測(cè)試方法的選擇

2.1.1 儀器和探頭

對(duì)于原材料驗(yàn)收和試塊擬合曲線的制作，使用的探頭一般以5 MHz水浸探頭為主，對(duì)于上表面分辨率人工傷的驗(yàn)收，可以增加10 MHz水浸探頭，但是在制作擬合曲線時(shí)，必須保證兩條曲線有若干個(gè)人工傷的重疊，以確保人工傷的聲學(xué)準(zhǔn)確性[2]。

2.1.2 焦點(diǎn)的測(cè)試

在制作原材料驗(yàn)收和擬合曲線時(shí)，水層距離應(yīng)為探頭的焦距長(zhǎng)度。使用直徑3.2 mm的鋼球?qū)μ筋^焦點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，探頭焦點(diǎn)測(cè)試工裝如圖1所示。將探頭放置在鋼球正上方，鋼球緊貼探頭，同時(shí)觀察鋼球回波幅度，當(dāng)鋼球反射波達(dá)到最高回波時(shí)對(duì)應(yīng)的水層距離即為探頭的實(shí)際焦距。該測(cè)試可確保焦點(diǎn)落在試塊表面。

2.1.3 探頭參數(shù)

使用的超聲波儀器和水浸探頭必須按照相關(guān)規(guī)定每年進(jìn)行定期校驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，水浸探頭參數(shù)主要涉及探頭水層距離、頻率。當(dāng)復(fù)驗(yàn)的參數(shù)相差超過(guò)10%時(shí)，該探頭不可再用于擬合曲線的制作。

2.1.4 水浸檢測(cè)裝置

使用的水槽在長(zhǎng)、寬、高方向應(yīng)滿足試塊的水浸要求，x軸行程應(yīng)能夠滿足測(cè)試試塊長(zhǎng)度方向要求，z軸行程應(yīng)能夠滿足測(cè)試試塊水層距離要求，水槽底部對(duì)圓柱形試塊應(yīng)有固定裝置，并能夠進(jìn)行w軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括x,y,z,a,b,w軸，且6個(gè)軸能夠單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，各軸運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)保證滿足相對(duì)精度和運(yùn)動(dòng)控制的要求。水浸檢測(cè)設(shè)備實(shí)物如圖2所示，水浸檢測(cè)試塊及工裝如圖3所示。

2.2 試塊的水浸檢測(cè)

2.2.1 平面試塊水浸檢測(cè)

制作距離-波幅曲線時(shí)首先調(diào)整水層距離，水層距離以探頭的實(shí)際焦點(diǎn)落在試塊的表面為準(zhǔn)[1]；其次，調(diào)整a、b軸，獲得界面波的最大值，此時(shí)探頭和試塊表面成垂直狀態(tài)；最后提高靈敏度，移動(dòng)x,y軸，將人工傷信號(hào)的波幅調(diào)整到滿屏高度的80%，記錄儀器的分貝值；重復(fù)上面的步驟對(duì)所有試塊進(jìn)行檢測(cè)。將所有試塊的埋深和分貝值進(jìn)行整理，形成一條距離-波幅曲線。

2.2.2 曲面試塊水浸檢測(cè)

一套曲面試塊的水浸測(cè)試可能包含了距離-波幅和面積-波幅關(guān)系。制作曲線時(shí)首先調(diào)整水層距離，水層距離以探頭的實(shí)際焦點(diǎn)落在試塊的表面為準(zhǔn)；其次調(diào)整a,b軸，獲得界面波的最大值，此時(shí)探頭和試塊表面成垂直狀態(tài)；最后提高靈敏度，移動(dòng)x,y,w軸，將人工傷調(diào)整到滿屏高度的80%，記錄儀器的分貝值；重復(fù)上面的步驟對(duì)所有試塊進(jìn)行檢測(cè)。將所有試塊的埋深和分貝值根據(jù)人工傷孔徑大小規(guī)律進(jìn)行整理，形成若干條曲線。

2.2.3 上表面分辨率標(biāo)準(zhǔn)反射體水浸檢測(cè)

對(duì)于埋深在10 mm以內(nèi)的且5 MHz探頭無(wú)法發(fā)現(xiàn)的人工傷，一般采用10 MHz探頭進(jìn)行檢測(cè)，具體步驟和其他埋深的人工傷相同，考慮到10 MHz探頭可能無(wú)法滿足整套試塊的擬合曲線制作，在使用10 MHz探頭制作曲線時(shí)，可僅用10 MHz探頭測(cè)試埋深較小的點(diǎn)，5 MHz探頭測(cè)試埋深較大的點(diǎn)，為保證各點(diǎn)的連續(xù)性，兩種探頭測(cè)試曲線必須重合3個(gè)點(diǎn)以上，確保人工傷的聲學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系，制作曲線時(shí)，會(huì)單獨(dú)形成一條10 MHz探頭的曲線。

2.2.4 小規(guī)格曲面試塊水浸檢測(cè)

水浸平探頭的焦點(diǎn)相對(duì)較大，對(duì)小規(guī)格曲面試塊的檢測(cè)效果不佳，因此對(duì)于該類試塊，宜采用水浸點(diǎn)聚焦探頭進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法和曲線制作過(guò)程相同。

2.3 測(cè)試結(jié)果的確認(rèn)

2.3.1 反射波幅擬合曲線的測(cè)試

將測(cè)試試塊第一點(diǎn)的反射波幅調(diào)整至滿屏的80%，固定檢測(cè)靈敏度，依次測(cè)量不同埋深的平底孔發(fā)射回波幅值，記錄基準(zhǔn)波幅值，并計(jì)算±1 dB增益所對(duì)應(yīng)的反射波幅，依次填入表格中。試塊測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，制作的試塊驗(yàn)收波幅擬合曲線如圖4所示。

表1 試塊測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 試塊驗(yàn)收波幅擬合曲線

試塊材料為TC4；標(biāo)準(zhǔn)反射體為φ2 mm平底孔；測(cè)試儀器型號(hào)為CTS-1010；測(cè)試探頭為5 MHzφ10 mm直探頭。

擬合曲線圖中“■”位置為測(cè)試試塊實(shí)際反射波幅，紅色“●”位置為±1 dB點(diǎn)。

采用該方式，在一條曲線不能實(shí)現(xiàn)全覆蓋時(shí)，增加一條曲線，增加的曲線與原曲線至少重疊3點(diǎn)以上。若兩條曲線上的所有點(diǎn)均符合要求，則該試塊測(cè)試合格。

2.3.2 反射量擬合曲線的測(cè)試

將測(cè)試試塊第一點(diǎn)的反射波幅調(diào)整至滿屏的80%，記錄此時(shí)的檢測(cè)靈敏度，依次測(cè)量不同埋深的平底孔(均使反射回波幅值達(dá)到滿屏的80%)，記錄各自的檢測(cè)靈敏度，不同缺陷埋深試塊測(cè)試基準(zhǔn)靈敏度如表2所示。試塊驗(yàn)收靈敏度擬合曲線如圖5所示。

表2 不同缺陷埋深試塊測(cè)試基準(zhǔn)靈敏度 dB

圖5 試塊驗(yàn)收靈敏度擬合曲線

2.3.3 擬合曲線評(píng)定

對(duì)于一套可接受的試塊，不應(yīng)有任一點(diǎn)幅值與

擬合線相差超過(guò)±1 dB，超過(guò)該值時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行制作和測(cè)試，確保試塊滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

縱波檢測(cè)用標(biāo)準(zhǔn)試塊是超聲檢測(cè)的常用試塊，為保證試塊的一致性及測(cè)試數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其加工和驗(yàn)收有著嚴(yán)格的要求。文章介紹了縱波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試塊超聲檢測(cè)的質(zhì)量控制及測(cè)試方法同時(shí)，保證了各試塊材料聲學(xué)性能的一致性。同時(shí)詳細(xì)介紹了試塊加工完成后基于液浸檢測(cè)的兩種超聲檢測(cè)擬合曲線制作方法。以上兩種檢測(cè)方法有效地保障了試塊的驗(yàn)收質(zhì)量，同時(shí)也為超聲檢測(cè)同行進(jìn)行檢測(cè)及擬合曲線制作提供了一些參考。