超聲檢測時探頭壓力對缺陷尺寸評定的影響

肖 峰，俞衛權，桂興亮

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪公司，馬鞍山 243000）

GB／T 6402－2008《鋼鍛件超聲檢測》中規定，探頭標稱頻率應在1.0～6.0MHz范圍之內，直探頭的晶片有效直徑應在10～40mm 之間。2.5MHzφ20mm，5MHzφ14mm，5MHzφ20mm，2.5 MHzφ14mm是國內最常見的幾種探頭。鋼鍛件手動超聲檢測中發現，不同探傷人員使用相同的儀器、相同的5MHz、φ14mm 探頭和同樣耦合劑，缺陷大小評定結果存在較大差異（可達4～6dB）。這種差異來源于不同探傷人員用手壓探頭的操作習慣不同。而使用2.5 MHzφ20mm探頭時，這種差異卻不明顯（一般為1～2dB）。這給鋼鍛件超聲檢測的結果判定帶來較大分歧。

1 耦合層厚度和聲波透射率

在手壓探頭用力不同時會導致回波幅度的變化，這種現象在手動超聲檢測時比較常見。分析原因很簡單，是因為手壓探頭用力不同而影響探頭與工件表面的耦合效果。如果工件表面平面度和粗糙度、所用耦合劑符合檢測要求，而且操作方法正確的話，那么耦合效果表現為聲強透射率的大小，并取決于耦合層厚度d2。當超聲波垂直入到兩側介質聲阻抗不同的薄層時（如圖1所示），聲強透射率為［1］：式中：T為聲強透射 率；I1、I1′為入射波、返回波在介質1界面處的聲強；I2、I2′為入射波、返回波在薄層介質2中的聲強；I3、I3′為入射波、返回波在介質3界面處的聲強；Z2為薄層介質2的聲阻抗；Z1、Z3為薄層兩側介質1、3的聲阻抗；d2為薄層厚度；λ2為薄層介質中聲波波長。

聲波往復的聲能損失（dB值）：

圖1 超聲波在薄層的透射和反射

具體到采用2.5 MHz和5 MHz帶剛玉保護膜的縱波直探頭、機油耦合劑對鋼進行檢測的情況下：Z1＝33×106kg／（m2·s），Z2＝1.28×106kg／（m2·s，）Z3＝45×106kg／（m2·s），C2＝1 425 m／s，對 于2.5MHz，λ2＝0.57mm；對于5MHz，λ2＝0.285mm按公式（1）計算聲強透射率T，再計算20lgT聲強往復透射率值，得到不同薄層厚度對應的20lgT值和20lgT—d2曲線，分別見表1和圖2。按公式（3）和表1計算耦合層厚度變化引起的回波高度變化，見表2。

表1 不同薄層厚度（d2）對應的聲強往復透射率值 dB

圖2 聲強往復透射率對應薄層厚度曲線

表2 薄層厚度（d2）變化引起的回波高度變化 dB

由圖2和表2可見：

（1）相同薄層厚度條件下，低頻聲波的聲強往復透射率大于高頻聲波的聲強往復透射率。

（2）回波高度將隨著薄層厚度的減小而上升。

（3）當薄層厚度發生同樣變化時，高頻聲波的回波高度變化大于低頻聲波的回波高度變化。

2 探頭壓力與回波高度試驗

超聲檢測時薄層厚度無法準確測量。但在其他條件一定時，可以認為薄層厚度與探頭壓力有關，且在一定范圍內薄層厚度隨著壓力的加大而減小。因此，根據前面的理論分析結論可以推斷在一定范圍內加大探頭壓力將使回波高度上升。為比較使用不同頻率探頭檢測時探頭壓力大小對回波高度的影響，設計了以下試驗。

試驗一為探頭壓塊質量對缺陷波高的影響。

（1）試驗條件：①一臺CUD－2080A 型數字超聲檢測儀；②一只2.5 MHzφ20 直探頭和一只5MHzφ20 直探頭，按TB／T 2047.3 標 準測試合格；③一塊高度為145mm 鍛件參考試塊，含有距掃查面85 mm 深φ1 mm 的平底孔，掃查面粗糙度Ra≤1.6μm；④若干探頭壓塊，重量分別為0.5，1.0，2.0，5.0kg。

（2）試驗方法：探頭上加不同數量壓塊，在試塊上找準平底孔，不改變增益量，記錄φ1平底孔反射波高。

（3）試驗結果圖3所示。

圖3 探頭壓塊質量－φ1／80平底孔反射波高度曲線

試驗二為手動檢測探頭壓力測試。

（1）試驗條件：①一臺CUD－2080A 型數字超聲檢測儀；②一 只2.5 MHz／φ20 直探頭和一只5 MHz／φ20直探頭，按TB／T 2047.3 標準測試合格；③一塊高度為145mm 鍛件參考試塊，含有距掃查面85mm 深 的φ1 mm 平底孔，掃查面粗糙度Ra≤1.6μm；④一臺電子臺秤。

（2）試驗方法：在電子臺秤模擬超聲檢測動作，記錄正常單手持探頭掃查、正常單手壓探頭進行靈敏度校準或缺陷定量、雙手壓探頭進行缺陷定量等三種狀態下臺秤的顯示值。

（3）試驗結果見表3。

表3 手動超聲檢測探頭壓力

試驗結果分析和討論：

從表3中三種狀態對應的壓力范圍內分別選取1～2個壓力值，再從圖3中查不同壓力值所對應的平底孔反射波高值，得到表4。由表4可見，手動檢測時探頭壓力對缺陷波高的影響，以及這種影響因探頭頻率的不同而產生的差異。

表4 手動超聲檢測平底孔反射波高度變化

以上結果是在掃查面粗糙度Ra不大于1.6μm的試塊上通過試驗得出的。在對掃查面粗糙度Ra不大于6.3μm 的工件進行實際檢測時發現，缺陷定量時加大用力壓探頭得到的缺陷當量大小要比正常用力（與靈敏度校準時用力一致）壓探頭得到的結果大得多，對于5MHz和2.5MHz直探頭，變化分別可達4～6dB、1～2dB。

另外實際檢測時還發現，即使同樣是5MHz直探頭，使用φ14探頭時壓力對缺陷波高的影響要比使用φ20探頭時大。推斷其中原因是：同樣壓力下小直徑探頭下的壓強大于大直徑探頭，因此相同的探頭壓力變化應使得小直徑探頭下的耦合層厚度變化大于大直徑探頭。

3 結論

（1）相同耦合層厚度條件下，低頻聲波的聲強往復透射率大于高頻聲波的聲強往復透射率；回波高度將隨著耦合層厚度的減小而上升；當耦合層厚度發生同樣變化時，高頻聲波的回波高度變化大于低頻聲波的回波高度變化。

（2）探頭壓力影響探頭與工件之間的耦合層厚度，缺陷波高隨探頭壓力的加大而上升；當探頭壓力發生同樣變化時，高頻探頭的回波高度變化大于低頻探頭的變化。

（3）實際手動檢測中，若使用高頻探頭，尤其是小直徑的高頻探頭，缺陷定量時探頭壓力的大小對得出的缺陷當量大小有不可忽視的影響。因此，使用高頻探頭檢測時，保證缺陷定量時探頭壓力與探傷靈敏度校準時一致，對于缺陷準確定量至關重要。

（4）應考慮耦合劑中雜質對耦合層厚度的影響以及因此導致對探傷靈敏度校準和缺陷定量的影響。因此，實際手動檢測中，應事先清潔待檢工件的掃查面和使用無雜質的耦合劑。

［1］鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.2 版.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：37.