影響使用鋁合金試塊測試斜探頭K值的因素

馬魁一，王麗鵬，趙 陽，張 冰，韓 超，祝 哮

（營口忠旺鋁業(yè)有限公司，營口 115000）

0 前言

鋁合金因具有比強度高、密度小、延伸率高、成本低、耐腐蝕性好和易于加工成型等優(yōu)點而被廣泛應用于航空航天、容器罐體、儀器儀表、GIS筒體、電器外殼、船舶和汽車等加工制造領域[1-4]。隨著無損檢測技術的發(fā)展，人們使用超聲波檢測鋁合金產(chǎn)品的水平正逐步提高，但仍有許多難題需要克服。比如超聲波定位時會有較大誤差[5]，而探頭K值的準確度會極大影響超聲波定位分析。雖然雷勝軍[6]等、胡智[7]和閆偉明[8]等已經(jīng)研究出影響使用鋼制試塊測試K值準確度的因素，但在鋁合金領域這個問題卻少有研究。本文擬研究溫度、孔徑、孔深及擴散角因素對斜探頭K值的影響，總結出使用鋁合金試塊測試K值的正確方法。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備

本次試驗選取超聲波設備及探頭為美國GE公司生產(chǎn)的USM36超聲波探傷儀和6種類型橫波斜探頭，其探頭信息如表1所示。試驗使用試塊為CSK-ⅢA鋁合金試塊和CSK-ⅠA鋁合金試塊。試驗前使用公式（1）～（13）依次計算出鋁中橫波折射角β、有機玻璃中縱波入射角α、有機玻璃中近場區(qū)長度L有、探頭近場區(qū)總長度N總、工件中剩余近場區(qū)長度N剩、上擴散角θ上、下擴散角θ下、上擴散角與下擴散角之和θ總及矩形晶片半擴散角θ0矩形，并將探頭參數(shù)也記錄到表1中。

從表1可以看出：近場區(qū)總長度和擴散角均與頻率及K值有關。頻率越高，K值越小，則擴散角越小且近場區(qū)總長度越大；頻率越低，K值越大，則擴散角越大且近場區(qū)總長度越小。

式中：β為橫波折射角；α為縱波入射角；D為探頭標稱角度；C為各介質中聲速（C鋼=3.23 km/s，C鋁=3.08 km/s，C有=2.73 km/s）。

式中：f為探頭頻率；λ為各種介質中波長。

式中：N總為探頭近場區(qū)總長度；a、b為矩形探頭晶片的兩個邊長（本次試驗均為a=b=14 mm）；λ鋁為鋁中波長。

式中：L有為有機玻璃中近場區(qū)長度；T為有機玻璃中傳播時間。

式中：N剩為工件中剩余近場區(qū)長度。

式中：β為橫波折射角；θ0矩形為矩形晶片半擴散角。

式中：α為縱波入射角；θ0矩形為矩形晶片半擴散角。

式中：θ0矩為矩形晶片半擴散角；a為矩形晶片邊長（本次試驗選取的探頭晶片尺寸均為14 mm×14 mm）；λ有為有機玻璃中波長。

1.2 試驗方法

在室溫條件下，分別使用表1所示的6種類型探頭，先利用CSK-ⅢA鋁合金試塊中埋深為70 mm的?1 mm×6 mm短橫孔和CSK-ⅠA鋁合金試塊中埋深為70 mm的?40 mm橫孔及?50 mm橫孔研究孔徑及擴散角對K值準確度的影響，再利用CSK-ⅢA鋁合金試塊中不同埋深的?1 mm×6 mm短橫孔研究孔深對K值準確度的影響，最后研究溫度是否對K值有影響。

表1 橫波斜探頭信息及參數(shù)

2 試驗結果與分析

2.1 孔徑的影響

為了去除實驗溫度及孔深對試驗的干擾，進行分析孔徑及擴散角影響試驗時，將測試環(huán)境恒定在23℃。圖1為使用70-2探頭時分別利用CSK-ⅠA鋁合金試塊上?50 mm橫孔及?40 mm橫孔和CSK-ⅢA鋁合金試塊上?1 mm×6 mm橫孔制作出的包絡曲線（孔深均為70 mm）。試驗結果表明：孔徑越小，包絡曲線越尖銳，孔徑越大，包絡曲線越平緩。這個結果是由于角度偏移造成的。

圖1 不同孔徑的包絡曲線

圖2為主聲束偏離橫孔中心時入射角和反射角的關系示意圖。理論上當探頭只在試塊上前后移動時，屏幕上出現(xiàn)最高波的位置應該是探頭主聲束正對孔中心處時（即沿L線傳播）且反射波會沿原路徑反射回探頭并被接收，這時所測得K值為探頭實際K值。但實際測試時，探頭在尋找最高波做前后移動時，主聲束會因為偏離橫孔中心而導致部分能量因發(fā)散而未被探頭接收。例如圖2中主聲束沿M線傳播時，其反射波會沿N線傳播回探頭并被接收。探頭接收能量的大小和反射波與入射波的夾角Δ有關。夾角Δ越大，那么反射波與入射波偏離變大，兩者偏離太遠會導致反射波中被探頭接收的能量變少。這會出現(xiàn)以下情況：探頭移動時，即使主聲束偏離孔中心很短的距離，波幅也會下降很嚴重，包絡曲線就會變得尖銳。包絡曲線越尖銳，測試K值時就會越準確。相反包絡曲線平緩會導致誤將其他聲束判斷成主聲束，使測出的K值不準確。因此，我們需通過以下函數(shù)推導出夾角Δ與孔徑之間的關系：

圖2 孔徑的影響示意圖

探頭是前后平行移動，則直線L平行于直線M，入射角等于反射角。

從上述推論可知：孔徑越小，夾角Δ越大，包絡曲線越尖銳，則我們誤判主聲束的概率就會越低，K值會越準確。因此建議使用小孔徑去測試K值。但孔徑不能過小，當孔徑小于波長一半時會出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，測試時可能造成干擾，此外孔徑太小也不易加工。

2.2 擴散角的影響

圖3為6種類型探頭的包絡曲線，聲程范圍均設置為250 mm。從圖3可以看出，探頭頻率相同時，K值越小，則包絡曲線最尖銳。探頭K值相同時，頻率越高，則包絡曲線更尖銳。綜合圖3和表1可知：擴散角越小，則包絡曲線越尖銳，擴散角越大，則包絡曲線越平緩。

圖3 不同類型探頭包絡曲線

擴散角影響包絡曲線的原因需參考圖4。從圖中可知，超聲波聲束是呈喇叭形分布而并非一條直線分布，除了主聲束外還會有其他聲束存在，而聲束發(fā)射范圍θ總越大，其探頭接收的聲束范圍就會越大，這會導致波寬變寬，聲束能量降低，聲束指向性越差，使包絡曲線變得平緩。

圖4 擴散角影響示意圖

2.3 孔深的影響

為了去除孔徑和實驗溫度對試驗的干擾，選取CSK-ⅢA鋁合金試塊上?1 mm×6 mm的橫孔進行測試。試驗在室溫下進行。為了減少手工誤差，每個試驗數(shù)據(jù)均測試5次，去掉最高值與最低值后，將剩余3個數(shù)值求取平均數(shù)，并將數(shù)值記錄在表2中。為了研究孔深與實測K值的關系，將修正值與孔深進行比較，結果如圖5所示。為了找出適合于測試K值的孔深，將實測K值分別與近場區(qū)K值進行比較，結果如圖6所示。

圖5 修正值與孔深關系示意圖

表2 不同探頭K值

由圖可知，70°探頭與60°探頭均符合指數(shù)函數(shù)y=y0+A×e R0?X的關系。其擬合出的函數(shù)公式分別見公式（14）～（17），線性相關系數(shù)均不超過0.98且偏差值均不超過±0.1。45°探頭不符合指數(shù)函數(shù)關系且實測K值基本保持不變，可能是因為45°探頭擴散角太小造成的。4個70°探頭與60°探頭的函數(shù)關系式分別為：

70-5探頭函數(shù)關系為：y=-0.18392+1.33889×e?0.03858?X，公式（14），其線性相關系數(shù)為0.9984。

70-2探頭函數(shù)關系為：y=-0.10284+2.32415×e?0.07366?X，公式（15），其線性相關系數(shù)為0.9976。

60-5探頭函數(shù)關系為：y=0.01797+0.83921×e?0.03561?X，公式（16），其線性相關系數(shù)為0.9876。

60-2探頭函數(shù)關系為：y=0.02891+1.65408×e?0.05994?X，公式（17），其線性相關系數(shù)為0.9974。

從上述4個函數(shù)關系式可以看出：相同K值的2 MHz探頭A值和y0值比5 MHz探頭高，但R0值卻低。相同頻率的70°探頭比60°探頭的A值高，但R0值和y0值低。綜上可知其函數(shù)關系式中A值、y0值、R0值與探頭的頻率及K值有直接關系，而頻率與K值也是影響擴散角數(shù)值的主要因素，由此可以推導出擴散角是造成孔深影響K值的主要因素之一。由圖6可知，探頭近場區(qū)較大時，測試K值的孔深應避免在工件中剩余近場區(qū)長度之內，否則測出的K值不穩(wěn)定；探頭近場區(qū)較小時，測試K值的孔深應位于2倍近場區(qū)長度以外。這是因為近場區(qū)內聲壓分布不規(guī)律，所以在近場區(qū)內測試時其比值會不穩(wěn)定。當孔深超過近場區(qū)長度時，其比值會逐漸趨于穩(wěn)定。當孔深超過2倍近場區(qū)長度時，其比值基本保持不變。所以只要孔深超過兩倍總近場區(qū)長度就可以測試K值。

圖6 實測K值與近場區(qū)K值的比值示意圖

60-5 60-2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 2.10 1.82 1.77 1.70 1.63 1.59 1.56 1.53 1.52 1.48 1.49 1.48 2.41 1.96 1.75 1.66 1.59 1.55 1.53 1.51 1.49 1.48 1.49 1.46 1.46 1.46 0.64 0.36 0.31 0.24 0.17 0.13 0.10 0.07 0.06 0.02 0.03 0.02 0.95 0.50 0.29 0.20 0.13 0.09 0.07 0.05 0.03 0.02 0.03 0 0.606 0.430 0.306 0.220 0.159 0.117 0.087 0.067 0.052 0.042 0.035 0.030 0.937 0.528 0.303 0.179 0.112 0.074 0.054 0.043 0.036 0.033 0.031 0.030 0.034-0.070 0.004 0.020 0.011 0.013 0.013 0.003 0.008-0.022-0.005-0.01 0.013-0.028-0.013 0.021 0.018 0.016 0.016 0.007-0.006-0.013-0.001-0.030探頭分類孔深/mm 實測值 鋁中標稱值 修正值 計算值 偏差值

45-5 45-2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0.77 0.92 0.95 0.94 1.00 0.98 0.97 0.97 0.96 0.95 0.95 0.96 0.74 1.00 0.99 0.98 0.96 0.95 0.94 0.93 0.94 0.93 0.91 0.92 0.91 0.91-0.24 0.10 0.04 0.03 0.09 0.07 0.06 0.06 0.05 0.04 0.04 0.05-0.27 0.09 0.08 0.07 0.05 0.04 0.03 0.02 0.03 0.02 0 0.01- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -探頭分類孔深/mm 實測值 鋁中標稱值 修正值 計算值 偏差值

3 結論

（1）在測試探頭K值時，應盡量使用小孔徑試塊測試K值，但也應注意孔徑不得小于波長的一半，以免有衍射波的干擾。

（2）使用擴散角大的探頭測試K值時應注意找準主聲束，以免測試有誤。

（3）應避免在近場區(qū)內測量K值，孔深超過兩倍近場區(qū)長度最佳。

（4）應注意溫度對K值的影響，不要在與測量K值溫差大的地方工作。