超聲縱波遠場盲區檢測及其應用

■ 劉仕遠

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超聲縱波遠場盲區檢測及其應用

■ 劉仕遠

摘 要：通過分析超聲縱波檢測特點，提出遠場盲區的問題，通過合理制作檢測試塊，能夠準確測試出各種超聲縱波直探頭的遠場盲區，且操作簡單、適用性廣，解決了直探頭遠場盲區檢測技術缺失的問題；并通過遠場盲區的測量能夠為產品設計人員設計加工余量提供準確數據，避免由于超聲波直探頭遠場盲區造成近底面缺陷無法檢出而在進一步加工為成品過程中出現缺陷露頭等情況，造成產品成品率低甚至報廢，保證了產品加工質量，節約了加工成本。

關鍵詞：超聲檢測；縱波；遠場盲區；產品設計

超聲檢測是無損檢測常規方法的一種，超聲縱波直探頭是超聲檢測中使用范圍最廣的探頭之一，大量應用于石油、冶金、軍工、鐵路、航空、航天、特檢、橋梁、船舶、建筑等領域鑄件、鍛件、焊接件等的檢測，對于保障零件產品質量安全具有重要作用。

在使用超聲縱波直探頭進行工件檢測時，經常會遇到近底面缺陷反射回波同工件本身底面反射回波之間的分辨問題，即超聲波直探頭檢測遠場近底面缺陷的盲區問題。該情況常被檢測人員忽視。

1　問題提出

在采用超聲縱波進行產品檢測過程中，當檢測面與底面基本平行時，都會出現底面反射回波，由于通常工件底面反射回波能量高、反射強烈，當在工件近底面一定范圍內存在缺陷時，該范圍內的缺陷反射回波靠近工件本身底面反射回波，兩回波靠近到一定距離時，檢測人員從超聲檢測儀示波器上就無法分辨出缺陷反射波，通常會被認為只有底面反射回波，沒有缺陷回波，造成缺陷漏檢（見圖1）。有的工件超聲波檢測后，往往還需進一步加工為成品，也經常出現加工后缺陷露頭的情況，造成加工成本的浪費。因此，解決超聲波直探頭遠場盲區的測試問題，對于防止超聲檢測缺陷漏檢、降低成本、為產品設計人員加工余量設計提供準確數據具有重要意義。

然而，目前還未發現公布的超聲波直探頭遠場盲區檢測試塊及方法，國內對于超聲波直探頭性能測試的標準主要有國家標準及行業標準，對于超聲波直探頭的性能指標主要有靈敏度余量、回波頻率、回波長度、垂直線性、水平線性、聲束寬度、聲束偏移、分辨力及近場盲區等[1]。已有的方法只能檢測直探頭近場盲區，近場盲區是由于超聲波直探頭始脈沖占寬，造成距離檢測面一段距離范圍內的缺陷反射回波與始脈沖重疊，進而無法分辨（見圖2），檢測近場盲區的方法不適用于遠場盲區的檢測。

2　遠場盲區檢測方案

為了測量在某一特定工件厚度情況下，某一特定當量大小的缺陷究竟距離工件底面多大距離時其反射回波同工件底面回波剛好無法區分，即測量遠場盲區的大小。

根據測試需要，制作指定規格的檢測試塊。盲區檢測方案為：在所述超聲波直探頭與檢測試塊之間施加適當耦合劑，將超聲波直探頭置于檢測試塊上表面；移動所述超聲波直探頭依次檢測不同深度的平底圓柱孔，并將平底圓柱孔的回波幅度調至儀器示波屏滿刻度的50%～90%；并根據波形圖判斷不同深度平底圓柱孔所對應的深度是否為超聲波直探頭的遠場盲區。

（1）水平測距標定：將超聲波直探頭置于檢測試塊的完好部位，進行水平測距標定，得出無缺陷情況下的波形圖作為參照；

（2）人工缺陷測試：移動超聲波直探頭，逐一測量不同深度的平底圓柱孔，觀察每次測量的平底圓柱孔反射回波與檢測試塊底面反射回波間的波形情況，并將所得波形圖與水平測距標定步驟中所得到的波形圖進行對比；

（3）盲區確定：當平底圓柱孔的反射回波后沿與底面反射回波的前沿相交的波谷是示波器滿屏刻度的指定值時，認定所述平底圓柱孔深度為所述超聲波直探頭的遠場盲區。

圖3　遠場盲區檢測試塊

3　遠場盲區檢測試驗

根據上述方案，通過實例說明具體應用方法。針對檢測厚度為107 mm的鍛鋼件，要求內部缺陷當量大小為2 mm。

首先制作遠場盲區檢測試塊（見圖3），試塊上共有4個平底孔，大小及孔深分別為φ2 mm×1 mm、φ2 mm×2 mm、φ2 mm×3 mm、φ2 mm×4 mm。

然后采用數字式超聲檢測儀及2.5P20Z縱波直探頭，以機油作耦合劑。將探頭置于盲區試塊完好部位，將試塊底面反射回波調至第8大格左右，調整儀器水平刻度顯示范圍及靈偏等按鈕，將屏幕深度顯示值與試塊厚度值調整一致，此時儀器比例校準完畢。采用不同深度平底孔的最高反射波調為熒光屏的80%，測試結果見圖4—圖7。

通過試驗可知，在工件厚度為107 mm、平底孔大小為2 mm情況下，深度為2 mm的平底孔反射波和底面反射波重疊無法分辨，即在距離工件底面2 mm范圍內，當量2 mm的缺陷都無法發現（盲區為2 mm試驗結果的前提是工件材料為鍛鋼件、探頭規格2.5P20Z、工件厚度107 mm、平底孔大小為2 mm。如果這些條件發生改變，所得盲區大小也會不同，但試驗方法是通用的）。

圖4　水平測距　

圖5　φ2 mm×4 mm平底孔檢測

圖6　φ2 mm×3 mm平底孔檢測　

圖7　φ2 mm×2 mm平底孔檢測

為了避免該2 mm范圍內的缺陷因無法檢測出而造成產品制造成本的增加，產品設計時可預留2 mm加工余量，即使該2 mm范圍內存在缺陷，通過后續的加工去除，也可降低產品的報廢率。

4　結束語

介紹一種超聲波直探頭遠場盲區的檢測方法：首先根據測試需要，制作指定規格的檢測試塊；然后采用超聲波檢測儀、超聲縱波直探頭及盲區檢測試塊進行盲區大小檢測；最后根據盲區大小，為產品余量設計提供數據參考。

該方法操作簡單、結果準確，通過合理制作檢測試塊，能夠準確測試出各種超聲波直探頭的遠場盲區，適用性廣，解決了直探頭遠場盲區檢測技術缺失的問題；且通過遠場盲區的測量，能夠為產品設計人員設計加工余量提供參考數據，保證產品加工質量，節約加工成本。

5　參考文獻

[1] 中國機械工程學會無損檢測分會．超聲波檢測[M]．北京：機械工業出版社，2012．

劉仕遠：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，工程師，江蘇 常州，213011

責任編輯 高紅義

中圖分類號：U216.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0083-03