刷式水浸超聲波探頭在鋁合金中厚板探傷中的應用

楊庚辰

摘 ? 要：介紹了用于鋁合金中厚板水浸式探傷的刷式探頭，介紹了刷式水浸探頭的基本原理、重要技術參數、靈敏度設置方法以及應用過程中的注意事項。

關鍵詞：鋁合金中厚板;水浸超聲波探傷;刷式水浸探頭

近年來，隨著節能環保和輕量化概念的興起，高性能鋁合金中厚板在航空航天、軌道交通等領域中的應用越來越廣泛。水浸式超聲波探頭在高性能鋁合金中厚板質量的控制方面發揮著不可替代的作用。但由于鋁合金中厚板的尺寸較大，全覆蓋掃查十分耗時。因此，水浸探傷成為鋁合金中厚板生產過程中的瓶頸工序。刷式水浸探頭可以提供可靠的掃查靈敏度，并在一定程度上提升掃查效率。因此，其在平面大規格產品探傷方面的應用也越來越廣泛。本研究主要介紹水浸式刷式探頭在鋁合金中厚板探傷領域的應用[1]。

1 ? ?刷式水浸探頭概述

水浸式探傷相對于接觸式探傷的主要優點有：耦合連續且穩定，不會出現因耦合狀況不均而造成的靈敏度變化;不與試件接觸，便于配合自動測試系統使用，探傷效率高;降低探傷過程對人員的依賴程度;可通過調整水程控制近場效應及近表面盲區效應，能探測比較薄的板材;探頭角度可調整，便于確認缺陷的最大回波高度，這一點對于評估材料內部形狀不規則的缺陷尤為重要。

為了提供較大的聲束覆蓋面積，提升掃查效率。人們設計了具有較寬聲束的矩形水浸探頭。此類探頭的寬度范圍一般為6.4～13.0 mm，長度范圍一般為 25～75 mm。

因其在掃查過程中刷過板材表面，所以被形象地稱為刷式探頭（見圖1）。

刷式水浸探頭的基本原理是通過激發壓電材料產生超聲波脈沖，并借助耦合介質使脈沖進入材料內部，實現對材料內部連續性的檢查和確認。多種壓電材料都可以用于制造刷式探頭。對于鋁合金而言，極化陶瓷是最常用的晶片材料。因為水浸刷式探頭的晶片面積比較大，所以晶片邊緣更容易產生過量振動以及由聲波衍射和干涉引起的副瓣效應。二者都會影響探頭表面靈敏度的均勻性。為了降低晶片邊緣帶來的負面影響，一般要求對水浸刷式探頭的晶片進行邊緣屏蔽。另外，刷式水浸探頭要求外殼具備良好的密封性。

刷式水浸探頭通常不用于評估缺陷大小。主要原因是其聲束不夠集中且對稱性較差。另外，晶片有效范圍內的靈敏度差異也可能影響評估的可靠性。因此，一般標準只允許在板材全覆蓋掃查過程中應用刷式探頭，以確定相關不連續性（真實缺陷）的位置，同時排除非相關不連續性（虛假缺陷）造成的干擾。對于板材而言，刷式探頭一般不需要聚焦功能，平面探頭即可滿足初步掃查的需求。初步掃查完成后，可以使用對稱性好且聲束較集中的圓形水浸探頭進行缺陷大小評估。

2 ? ?刷式探頭的聲束輪廓

聲束輪廓是水浸刷式探頭的重要性能參數，它提供了探頭聲場的重要特征信息。刷式探頭的聲束輪廓是針對位于某一固定深度位置的確定反射體，繪制其反射回波高度與聲束寬度的曲線。鋼球、反射桿、平底孔等是測繪刷式探頭聲束輪廓常用的反射體。

圖2是典型的刷式探頭的聲束輪廓。橫軸代表聲束寬度即反射體與刷式探頭的相對位移，縱軸表示反射體回波的相對波幅。該刷式探頭晶片的標稱頻率為7.5 MHz，探頭尺寸為6.4 mm×34.9 mm。該聲束輪廓是在鋁合金板材內60.0 mm處，通過測量1.2 mm平底孔的回波高度得到的。

聲場的均勻程度是刷式探頭的重要技術指標之一。在增益不變的條件下，沿探頭長度方向移動平底孔試塊并保持其深度位置不變，位移過程中所得的平底孔回波高度變化不能超過平均回波高度的10%（不考慮副瓣效應造成的回波）。

不均勻的聲場有可能造成漏檢。通常將晶片的末端切割成適合的形狀，包括點狀、斜切狀以及半橢圓狀等以獲得比較平滑的聲束輪廓從而滿足探頭表面探測靈敏度的均勻性。但晶片末端的切割也可能導致探頭的有效聲束寬度變窄。刷式探頭在開始使用前，制造商必須按照標準要求繪制聲束輪廓曲線，以證明探頭表面靈敏度的一致性[2]。此外，在使用過程中也需要定期檢查測繪聲束輪廓曲線，確保掃查結果的可靠性。

3 ? ?刷式探頭的有效聲束寬度

在固定深度下，使反射體與探頭沿探頭長度方向發生相對位移，其中能夠保持該反射體回波高度不低于某一設定值的一段位移被定義為探頭的有效聲束寬度。即在這段距離內，探頭對該反射體的靈敏度可以達到預期要求。

依據標準，有效聲束寬度的測試方法如下：以1.2 mm平底孔為基準反射體，將探頭設置在相對反射體固定的位置，使聲束垂直入射，改變探頭位置以獲得最高的反射波形。調整設備增益，使最高峰達到滿屏高度的80%[3]。

沿探頭長度方向移動刷式探頭直至平底孔波幅下降為最高波幅的50%（﹣6 dB），然后反向移動探頭，直至平底孔波幅在另一側下降到最高波幅的50%（﹣6 dB）。兩個位置之間的距離—探頭所移動的距離，被稱為有效聲束寬度（見圖3）。

為確保板材表面被100%掃查到，要求掃查步進必須小于有效聲束寬度，即相鄰兩個掃查行必須有重疊的部分。工業上一般使用90%的有效聲束寬度作為掃查步進。在不同深度位置，刷式探頭的有效聲束寬度是不同的，這是因為聲束在傳播過程中存在擴張和損耗。聲強會隨著遠離聲場中軸線距離的擴大而減弱。所以，板材的厚度越大，所采用的掃查步進應當越小。討論有效聲束寬度必須以固定的試塊深度（金屬聲程）和固定的反射體為前提。

4 ? ?刷式探頭靈敏的設定

利用人造平底孔試塊繪制距離波幅修正（Distance Amplitude Correction，DAC）曲線是目前比較常見的刷式探頭靈敏度設置方法。一般使用ASTM E127中定義的距離波幅試塊組（包含19個試塊）繪制曲線[4]。選用的平底孔直徑由測試等級決定。

目前，已廣泛使用的數字化超聲探傷儀器具備存儲電子DAC曲線的功能，每個平底孔的反射回波對應DAC曲線上的一個點，過程類似于曲線擬合。所選用的平底孔反射體越多，曲線越精確。鋁合金中厚板水浸探傷領域一般依據板材的最大厚度選取試塊，一般要求最厚的試塊大于板材的厚度。通過對不同深度位置平底孔回波施加時間修正增益（Time Correction Gain，TCG）使所有選定試塊的回波信號在基準增益條件下都達到某一預定屏幕高度（例如80%屏高），得到時間修正增益線。TCG的優點是將大小相同，深度位置不同的反射體回波設置在同一屏幕高度，便于在掃查過程中搭配報警閘門。一般要求TCG修正時多加1～2 dB的增益，目的是使平底孔回波能夠超過預設報警閘門的高度，確保靈敏度高于基本要求。圖3是典型的刷式探頭距離波幅曲線。標準要求在連續掃查過程中必須定期檢驗探頭距離波幅曲線的有效性。一旦發現某一深度位置靈敏度低于要求，則應調整對應深度的增益，更新DAC曲線，并對上一次有效校準后測試的所有板材重新進行測試。

5 ? ?結語

刷式水浸探頭的主要作用是在初步掃查過程中確定真實缺陷的位置，同時排除可能存在的假缺陷干擾。掃查步進應小于等于探頭的有效聲束寬度，確保相鄰掃查行有重疊區域，以滿足全覆蓋掃查的要求。刷式水浸探頭最大的優點在于其較大的聲束覆蓋面積，能夠提升掃查效率。聲束輪廓和有效聲束寬度是水浸刷式探頭的重要參數，使用過程中需要對二者進行定期檢查驗證，以確保掃查的可靠性。探頭靈敏度設置是通過建立DAC曲線實現的，掃查過程中必須定期驗證曲線的可靠性。ASTM E127標準規定的距離波幅試塊組是水浸探傷常用的試塊。

[參考文獻]

[1]馬玉蕊.超聲波探傷在鋁合金中厚板檢測中的應用[J].有色金屬加工，2015，44（2）：33-35.

[2]ASTM E1065/E1065M-14.Standard practice for evaluating characteristics of ultrasonic search units[EB/OL].（2015-12-15）[2020-02-20].http：//www.doc88.com/p-1806917260381.html.

[3]ASTM B 594—06.Standard practice for ultrasonic inspection of aluminum alloy wrought products[EB/OL].（2015-12-25）[2020-02-20].http：//www.doc88.com/p-9953828174645.html.

[4]WARCHOL M F A，WARCHOL L V.Standard practice for fabricating and checking aluminum alloy ultrasonic standard reference blocks[C]//American：Aip Conference，2014.

Abstract：The brush probe used for aluminum alloy plate water-immersed flaw detection is described.The basic principle， important technical parameters， sensitivity setting method and matters needing attention in the application of brush immersion probe are summarized.

Key words：rolled aluminum plate; immersing ultrasonic inspection; immersing paintbrush transducer