超聲波測量缺陷延伸長度

丁 街

（溧陽中材重型機器有限公司，常州 213000）

鍛件缺陷延伸長度是很多標準的評判參數，筆者以JB／T 5000.15－2007《重型機械通用技術條件鍛鋼件無損探傷》標準為例。標準中規定1級不允許有延伸長度，2級允許延伸長度30mm，3級允許延伸長度40mm，4級允許延伸長度60mm。延伸性缺陷的定義為連續回波高度至少在一個方向上不得低于起始記錄當量值，其延伸長度應大于缺陷允許的最大當量值，延伸性缺陷的延伸尺寸采用半波高度法測定（6dB法），在測定延伸尺寸時應考慮探頭的聲域特性進行修正，見公式（1）［1］。現場檢測延伸性缺陷長度使用JB／T 5000.15－2007標準中6dB聲束直徑的計算公式進行修正，測量結果往往存在很大的爭議，針對超聲波測量缺陷延伸長度提出了2個假設來進行討論和分析：第一，寬度小于聲束直徑的點狀缺陷6dB 法測長需修正；第二，缺陷寬度大于聲束直徑時用6dB法測長不需修正。

6dB聲束直徑的計算公式為：

式中：Ts為晶片直徑，mm；D6dB為6dB 聲束直徑，mm；λ為波長，mm；S為缺陷深度，mm。

1 小于聲束直徑的點狀缺陷6dB法測長修正

1.1 提出假設

根據《超聲檢測》中缺陷指示長度測定的原理，當整個聲束全部入射到大于聲束截面的缺陷上時，缺陷的反射幅度為最大值，而當聲束的一部分離開缺陷時，缺陷反射面積減少，回波幅度降低，完全離開時，缺陷回波不再顯現，這樣，就可以根據缺陷最大回波高度降低的情況和探頭移動的距離確定缺陷的邊緣范圍或長度。根據指示長度測定原則，寬度小于聲束直徑的點狀缺陷是不符合6dB 法測長的，只是實際檢測過程中缺陷是否是點狀缺陷是未知的，是在未知缺陷的情況下提出的假設。根據指示長度的原則寬度小于聲束直徑的點狀缺陷使用6 dB法測量延伸長度的原則是指：探頭移動使聲束覆蓋整個缺陷，找到缺陷最高回波（80%），左右推動探頭使波高下降到最高回波（80%）的一半（40%），也就是6dB作為缺陷邊界，此時為6dB法測量的指示長度如圖1所示。圖1中假設6dB法測量長度L與試塊缺陷大小相差很大，需根據公式（1）進行修正。

圖1 點狀缺陷使用6dB法測量長度

1.2 實際測量

對4種不同深度的φ5平底孔試塊，用2.5 MHzφ14mm 的探頭，6dB 法實測缺陷長度，缺陷測量結果見表1。從表1中可以看出缺陷測量長度隨缺陷深度增加，測量長度越大誤差也越大，對測量結果用公式（1）進行修正結果見表1。修正值與實際值相差很大，缺陷的評定存在困難。

表1 φ5平底孔試塊6dB法測長測量值與修正值對比

1.3 分析與結果

超聲波探頭發出的聲波以主聲束中心點聲壓最大，偏離中心點聲壓逐漸下降，如圖2所示。通過相對于主聲束為0 分貝點和－6 分貝點擴散角公式（2）、（3）進行計算：

相對于主聲束為0分貝點計算公式為：

相對于主聲束為－6分貝點計算公式為：

式中：θ0dB為0分貝點擴散角的角度；θ6dB為－6分貝點擴散角的角度；λ為波長，mm；D為探頭直徑，mm。

圖2 圓盤聲源聲場指向性示意

得出2.5MHzφ14mm 探頭主聲束角度分別為：0分貝點為11.8°；－6分貝點為6.74°；－10分貝點為8.5°；－20分貝點為10.5°。再根據表1中φ5平底孔試塊6dB法實測長度在CAD 軟件上生成平面圖如圖3所示，從圖3中可以看出6dB法測量時缺陷始終位于0分貝聲束內。缺陷位于－6分貝點位置時，隨著缺陷深度的增大，缺陷在－6dB聲束內越多，最后缺陷全部被－6dB聲束所覆蓋。這說明缺陷波下降6dB并不是由于聲束只覆蓋缺陷的一半造成的，而是由于缺陷偏離主聲束落在－6分貝點聲束的區域造成的。這也證實了寬度小于聲束直徑的點狀缺陷，其延伸長度的測量是不符合缺陷指示長度測定原理的。用JB／T 5000.15－2007標準的6dB聲束直徑計算公式進行修正，修正值誤差也較大，作為評定缺陷的測量數據也是不合理的。

根據《超聲檢測》中當缺陷尺寸小于聲束截面時，可用缺陷回波幅度當量直接表示缺陷大小。實際探傷時由于小于聲束截面的點狀缺陷是未知的，所以根據探頭的移動繪制出缺陷動態波形圖如圖4所示。從圖4中φ5平底孔動態波形圖中可以看出探頭左右移動時波高從80%迅速下降，波形尖銳沒有直線段的現象，這可以說明缺陷是以小于聲束截面的點狀缺陷存在的，小于聲束截面的點狀缺陷測量延伸長度時可以用當量值來衡量缺陷的延伸長度，作為缺陷評定的數據是比較合理的。

圖4 φ5平底孔試塊動態波形

2 缺陷寬度大于聲束直徑時6dB法測長不需修正

2.1 提出假設

根據假設1中缺陷指示長度測定的原理，缺陷大于聲束直徑時6dB 法測量延伸長度符合這一要求。如圖5所示，圖中假設6dB法測量長度L與試塊缺陷大小一樣，不需要進行修正。

圖5 延伸性缺陷6dB法測量長度

2.2 實際測量

對4種不同深度的人工刻槽（長）35mm×（寬）8mm 的試塊，用2.5MHz、φ14mm、6dB法實測缺陷長度，缺陷測量結果見表2，可以看出缺陷的測量長度隨缺陷深度的增加變化很小，測量值與實際長度相比偏小，符合6dB法測量長度小于實際長度的原理，對測量值進行修正，修正值與實際值相差太大，所以當缺陷長度大于探頭聲束直徑時使用6dB法測長不需修正。

表2 人工刻槽35mm×8mm 試塊6dB法測長測量值與修正值對比

2.3 分析與結果

根據2.5 MHz、φ14 mm、探頭0 分貝點和－6分貝點的擴散角度和表2 中35 mm×8 mm 試塊6dB法實測長度在CAD 軟件上生成平面圖如圖6，可以看出聲束覆蓋整個缺陷波高80%，左右移動探頭聲束覆蓋缺陷一半波高下降6dB，此時探頭的中心即作為缺陷的邊界，符合缺陷指示長度測定的原理。

實際探傷中由于缺陷是否有延伸長度是未知的，通過探頭的移動繪制出缺陷動態波形圖如圖7所示，從35mm×8 mm 試塊動態波形圖中可以看出探頭左右移動時波高保持80%有一直線段，說明缺陷具有一定的延伸長度，符合缺陷指示長度測定的原理。6dB測量長度與實際長度相比有點誤差，但誤差相對較小，可以作為評定缺陷的數據，不需修正。

圖7 35mm×8mm 人工刻槽試塊動態波形

3 結論

寬度小于聲束直徑的點狀缺陷使用6dB 法測量延伸長度需修正，用JB／T 5000.15－2007標準中6dB聲束直徑的計算公式進行修正時誤差較大，故使用時有待考慮，當缺陷尺寸小于聲束截面時，可用缺陷回波幅度當量直接表示缺陷延伸長度。寬度小于聲束直徑的點狀缺陷延伸長度的測量是不符合缺陷指示長度測定原理的，用6dB法測量時誤差較大。

寬度大于聲束直徑的缺陷6dB 法測長不需修正，可用6dB法測量值來表示缺陷的延伸長度。

［1］JB／T 5000.15－2007 重型機械通用技術條件第15部分：鍛鋼件無損檢測［S］.