鍛件近表面缺陷的超聲檢測

姜 煒，莊志強，丁 杰，樊艷霞

（1.上海材料研究所，上海 200437；2.上海蘇科建筑技術發展有限公司，上海 200124）

1 鍛件的檢測技術要求

隨著現代科學技術的發展，人們對產品質量的要求越來越高，特別是對航空、航天、核電等工業領域的產品。超聲檢測作為工件內部缺陷檢測的有效手段，具有可靠、靈敏度高等優點，在現代無損檢測領域有著重要地位。

鍛件超聲檢測時，對近表面缺陷容易漏檢，這主要與探頭盲區及近表面檢測有關。許多重要鍛件對表面檢測的要求很高。如：某航空鍛件的靈敏度要求為φ1.6mm 平底孔，對近表面質量檢測甚至要求達到φ0.8mm。為此，急需解決鍛件近表面缺陷難于檢測的問題。

為尋求減小盲區和提高近表面缺陷檢測精度的方法，筆者依據現行國家標準、國外標準，結合超聲檢測原理，在現有方法的基礎上進行改進，使鍛件近表面缺陷的檢測盲區減小到3mm 以內，并能檢測出φ0.8mm 的缺陷［1－2］。

2 試驗器材

根據超聲檢測方法準備了以下試驗器材：

（1）超聲波探傷儀 1臺。

（2）探頭 雙晶直探頭，規格為10P10FG5；延遲塊探頭，規格為10P10；水浸聚焦探頭，規格為10P10SJ5DJ。

選用以上探頭檢測近表面小缺陷，是因為：探頭頻率高，分辨力好，波長短及脈沖窄，有利于發現小缺陷；探頭尺寸小，入射能量低，阻尼較大，脈沖窄，有利于發現小缺陷。

（3）試塊 在航空、航天、核電等領域中，重要鍛件一般是高強鋼，如A100鋼和300 M 鋼，鋼的組織都較為均勻。如果聲速相同、組織相近，超聲檢測用對比試塊可以使用其他鋼種進行代替。從已有資料知，A100鋼聲速約為5 750mm／s，300M 鋼聲速約為5 800mm／s。筆者單位現有的超聲波試塊，實測聲速約為5 850mm／s，聲阻抗與A100鋼和300M 鋼的聲阻抗較為接近。因此，可使用現有的試塊進行試驗。對試塊進行編號：1＃、2＃、3＃；各試塊的俯視圖均如圖1所示，圖中的孔均為平底孔，1＃，2＃，3＃試塊上的孔到上表面的距離分別為1，2，3mm。

圖1 1＃，2＃，3＃試塊的俯視圖示意

3 試驗過程與結果

3.1 雙晶探頭

使用10P10FG5雙晶探頭分別對1＃、2＃、3＃試塊進行測試，得到的回波波形如圖2所示。

圖2 使用雙晶探頭對各試塊的檢測回波波形

由試驗結果可見，使用雙晶探頭能成功檢測出2＃試塊上φ1.6mm，φ2mm 的平底孔與3＃試塊上所有的平底孔；但2＃試塊上φ0.8mm 的平底孔，以及1＃試塊上所有的平底孔都未能有效地檢測出來。

從圖3可知，雙晶探頭的聚焦區限制了2＃試塊上φ0.8mm 及1＃試塊上所有平底孔的檢出。故得出：①只有當缺陷位于聚焦區內，才能得到較高的反射回波，容易被檢出。②當缺陷位于聚焦區外，無法為聲束掃查到，所以得不到缺陷的回波，因此就很難發現此類缺陷。

圖3 雙晶探頭的聚焦區示意

3.2 延遲塊探頭

為解決由于雙晶探頭聚焦區的限制而造成的2＃試塊上φ0.8 mm 及1＃試塊上的所有平底孔無法檢出的問題，改用無聚焦的10P10 延遲塊探頭，對2＃試塊上φ0.8mm 及1＃試塊上的所有平底孔進行測試，得到的回波波形如圖4所示。

圖4 使用延遲塊探頭對各試塊的檢測結果

由圖4可見，使用延遲塊探頭能成功檢測出2＃試塊上φ0.8mm 及1＃試塊上所有的平底孔。

3.3 水浸聚焦探頭

3.1 和3.2都是利用直接接觸法進行檢測，接下來使用10P10SJ5DJ水浸聚焦探頭，利用水浸法分別對1＃、2＃、3＃試塊進行測試。檢測示意如圖5（a）所示，得到的波形如圖5（b）所示。

由試驗結果可見，試驗未能檢測出1＃、2＃、3＃試塊上所有的平底孔。

原因分析：水／鋼之間介質的聲阻抗不同，水／鋼會產生界面波；超聲波從水中經過，水對超聲的衰減，造成了超聲能量的降低；而此問題需通過提高脈沖發射強度來解決。但提高脈沖發射強度的同時，脈沖自身會變寬，會造成近場干擾加大；因此，聲束在由水進入鋼時形成發散，導致無法分辨接近表面的小缺陷，也就未能檢測出試塊中的平底孔。

圖5 使用水浸聚焦探頭的檢測裝置示意和得到的檢測波形

4 結語

從上述三種類型探頭分別對1＃、2＃、3＃試塊進行測試的試驗結果可知，對于近表面小缺陷的檢測，在兼顧檢測靈敏度和檢測盲區的情況下，采用高頻窄脈沖延遲塊探頭的檢測效果最佳，且能發現距表面1mm 的φ0.8mm 的平底孔，取得了滿意的檢測效果。在該方法研究的基礎上，運用常規方法解決近表面小缺陷的檢測方法還有待進一步探索。

［1］鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

［2］王少軍，俞厚德，錢耀洲，等.基于超聲散射法的微小缺陷及近表面缺陷的檢測［J］.無損檢測，2014，36（1）：53－57.