超聲DGS法檢測鍛件時探頭頻率對缺陷當量的影響

施道蕓　范呂慧　周　澄　姚　力

(1.中國第二重型機械集團公司，四川618013；2.中國空氣動力研究與發展中心，四川621000)

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超聲DGS法檢測鍛件時探頭頻率對缺陷當量的影響

施道蕓1范呂慧1周澄1姚力2

(1.中國第二重型機械集團公司，四川618013；2.中國空氣動力研究與發展中心，四川621000)

通過試驗數據分析得出了缺陷平底孔當量尺寸與探頭頻率的關系，缺陷平底孔當量尺寸隨探頭頻率升高而減小，隨探頭頻率降低而增大。

超聲檢測；DGS；鍛件；探頭頻率；缺陷當量

在鍛件超聲檢測實踐中，人們經常發現，對于同一個缺陷，采用不同頻率探頭進行檢測時，其當量值差異較大。但是，很多超聲檢測標準卻給出了一個比較寬的檢測頻率范圍(如1 MHz ～5 MHz)，導致不同的單位或不同的人在檢測同一零件時，對同一缺陷定量出現較大分歧。為了弄清楚超聲檢測時不同探頭頻率對鍛件缺陷平底孔當量尺寸的影響規律，我們以最常用頻率的單晶直探頭為代表做了一些試驗，并給出了分析結果。

1　試驗方法

1.1檢測試件

試件為產品制造過程中產生的有缺陷鍛件，鍛件材料為20Mn，檢測部位厚度分別為410 mm和750 mm。該鍛件已經多人、多次進行超聲檢測，發現較多缺陷。我們從中隨意選擇了兩件，挑選缺陷較多的部位進行測試。

1.2試驗儀器

試驗儀器為德國K.K公司USM 35 XS。該儀器自帶DGS功能，現場檢測時可以直接顯示缺陷的平底孔當量值和深度等缺陷參數，使用方便，檢測效率高。

1.3檢測探頭

本試驗中，我們選擇鍛件檢測常用的、最有代表性的兩種晶片尺寸和三種頻率共五個探頭進行試驗。試驗所用探頭及其參數見表1。

表1　試驗用探頭及其參數

1.4靈敏度和儀器校驗

按照超聲檢測DGS法要求，在受檢工件本體上選擇一處沒有缺陷的完好部位作為各探頭檢測時的時基線性和靈敏度校驗基準點。該部位位于工件檢測面上，檢測面與底面平行，粗糙度為Ra3.2 μm，所有探頭均用該點校驗系統靈敏度。

1.5檢測方法

1.5.1系統校驗

用工件本體上預先確定的基準點校驗系統的時基線性和檢測靈敏度。

1.5.2系統靈敏度校驗方法和缺陷定量方法

利用儀器自帶的DGS功能進行系統靈敏度校驗，并應用該功能確定鍛件中缺陷的平底孔當量尺寸。各個探頭均以?3 mm平底孔的DGS曲線作為參考線。具體方法：

(1)在工件上利用兩次底波校驗好儀器時基線性。

(2)測定各探頭在工件中的材質衰減系數，見表2。

表2　試件衰減系數(dB/m)

(3)根據探頭型號設置對應的晶片尺寸和探頭頻率。為了達到最佳的匹配效果，將儀器頻率設置成與探頭頻率相同。

(4)設置DGS參考線為?3 mm平底孔當量。

(5)輸入材質衰減。由于試塊和工件是同一零件，所以材質衰減相同。

(6)將基準點處工件底波調到滿屏高的80%，打開DGS功能，制作出?3 mm DGS參考線(圖1)。

(7)檢測中，需設置好儀器的閘門范圍，以便能方便地顯示缺陷的當量尺寸和深度。

圖1　儀器參數與?3 mm DGS參考線

2　試驗結果與分析

2.1試驗結果

本次試驗分別用5個探頭，認真測定了14處缺陷，見表3。

2.2結果分析

2.2.1與缺陷反射當量有關的參數

根據超聲檢測理論和實踐，與缺陷反射當量有關的因素有儀器、探頭和缺陷特性。當使用同一臺儀器時，缺陷的當量就只跟探頭和缺陷特性有關。

(1)探頭參數

與缺陷當量有關的直探頭參數：晶片材料、晶片直徑和頻率。

表3　對應探頭的缺陷當量尺寸(mm)

當直探頭的晶片材料和直徑相同時，影響缺陷當量的參數就只有頻率，用變量f表示，這里f= 1,2,4。

(2)缺陷特性參數

與缺陷反射當量有關的缺陷特性參數：缺陷尺寸、缺陷表面狀態、缺陷對聲波的反射角度和缺陷的性質(裂紋、夾雜、氣孔等)。

由于缺陷的特性參數對缺陷反射當量的影響因素很復雜，在現有技術下，定量描述每項參數對自然缺陷反射當量的影響幾乎不可能。為了便于分析，我們將各項缺陷特性參數對缺陷當量的綜合影響總稱為“缺陷特性參數”，用變量y表示。對于同一個缺陷，這些參數都是相同的，因此，y的值就可以用缺陷編號代替，即y=1，2，3，…，14。

綜合以上，在儀器、探頭材料與探頭晶片尺寸相同的情況下，缺陷當量直徑D就只跟探頭頻率f和缺陷特性參數y有關，它們之間的關系可以用一個函數Φ來表示：

Df,y=Φ(f，y)

式中，Df,y為缺陷平底孔當量直徑，單位為mm；f為探頭頻率，單位為MHz；y為缺陷特性參數，其綜合影響效果可視為一個缺陷的“固有”尺寸，單位為mm；Φ為函數符號。

2.2.2缺陷當量隨探頭頻率的變化關系

(1)將表3的數據按探頭晶片直徑重新歸類，并用上述函數關系式表示，見表4、表5。

(2)Df,y與f的關系

表4　頻率1 MHz～4 MHz、晶片直徑為24 mm探頭的缺陷平底孔當量(mm)

表5　頻率2 MHz～4 MHz、晶片直徑為10 mm探頭的缺陷平底孔當量(mm)

在Df,y=Φ(f，y)中，f(頻率)和y(缺陷特性參數)是自變量，Df,y是因變量。對于同一個缺陷，y是常數，Df,y隨f變化：

ΔDf,y=Φ(f2，y)-Φ(f1，y)

Δf = f2-f1

ΔDf,y/Δf=[Φ(f2，y)-Φ(f1，y)]/( f2-f1)

將表4(或表5)中y值相同(同一個缺陷)、f(頻率)不同的任意一組數據，如取y=3、f1=2、f2=4，及其對應的Df,y值代入，計算可得：

ΔDf,y/Δf=[Φ(f2，y)-Φ(f1，y)]/( f2-f1)

=[Φ(4，3)-Φ(2，3)]/( 4-2)

=(2.94-3.35)/(4-2)

=-0.205

即ΔDf,y/Δf<0。

從計算結果可以看出，無論代入哪一組數據，ΔDf,y/Δf始終為負值(ΔDf,1/Δf<0)。也就是說，若y不變，當f2>f1時，始終有Φ(f2，y)<Φ(f1，y)，即Df, y= Φ(f，y)是隨f(頻率)遞減的。

(3)從表4、表5和圖2也能明顯看出，雖然每個缺陷的當量大小不一樣，但是探頭頻率從1MHz升高到4MHz時，缺陷的平底孔當量隨之減小的趨勢非常明顯。

綜上所述，可以得出：用DGS法進行鍛件超聲檢測時，同一個自然缺陷的平底孔當量值，隨著探頭頻率增高而減小，隨著探頭頻率降低而增大。

圖2　缺陷平底孔當量與探頭頻率的關系趨勢圖

3　結果討論

(1)隨著探頭頻率升高，超聲波的波長變短，自然缺陷表面粗糙不平引起的漫反射加重，缺陷表面能夠反射回探頭的超聲波能量減少，宏觀效果就是缺陷的平底孔當量變小。即，用相同材料和晶片直徑的探頭檢測鍛件時，同一缺陷，頻率越高缺陷當量越小，頻率越低缺陷當量越大。

(2)理論上，材料的材質衰減可能引起高頻率探頭的衰減更嚴重，導致缺陷當量變小，但這里已經對材質衰減進行修正，這一影響已經排除。

(3)同一個缺陷，隨著頻率的變化，缺陷平底孔當量相差很大。隨著探頭頻率的增高，有的缺陷可以從超標缺陷變到小于記錄限(不需要記錄)。為此，在鍛件超聲檢測時，不能一味追求高頻率，發現小缺陷，這樣可能會導致大缺陷因為探頭頻率太高，儀器顯示出的缺陷當量太小而漏檢或誤判。實際工作中，也常有這樣的案例發生。

(4)由于缺陷平底孔當量隨頻率變化很大，如果我們在超聲檢測標準或規程中將探頭的頻率范圍規定太寬(如1 MHz～5 MHz)，將可能導致使用同一檢測標準或規程時，不同檢測機構或檢測人員，因在標準規定范圍內選用不同頻率而檢測結果差異很大，引起不應有的異議和糾紛。因此，在制訂超聲波檢測標準或規程時，應將缺陷最終評定使用的探頭頻率范圍規定得盡可能窄(如2 MHz～2.5 MHz)，最好是單一頻率，以避免由此產生的爭議。

(5)從試驗與分析結果看，超聲檢測時，似乎選擇低頻更有利，但是從超聲檢測實踐中發現，相同晶片尺寸的探頭，頻率越低，表面盲區范圍越大；探頭頻率越高，表面盲區范圍越小。因此，實際檢測中使用的探頭頻率，既不能太高，也不能太低，應平衡各種因素綜合考慮。

4　結論

(1)用超聲DGS法檢測鍛件時，在其它條件相同的情況下，缺陷的當量隨著探頭頻率的升高而減小，隨著探頭頻率的降低而增大。

(2)在能夠滿足檢測靈敏度和避開探頭表面盲區影響的前提下，探頭頻率越低，缺陷當量越大，缺陷波幅越高，缺陷漏檢的概率越小，因此，若其它條件滿足，鍛件超聲檢測應盡量選擇低頻率。

(3)在制訂鍛件超聲檢測標準或規程時，應將驗收用探頭頻率限定在一個較小的范圍，最好是單一頻率，以免因選用頻率不同，導致不同檢測機構或人員檢測結果出現較大分歧。

[1]J.克勞特克洛默，H.克勞特克洛默.超聲檢測技術[M]. 李靖，等譯.廣州：廣東科技出版社，1984：59-76.

[2]郭大鈞.大學數學手冊[M]. 濟南：山東科學技術出版社，1985.

[3]范呂慧，施道蕓，姚力.超聲檢測DGS技術及應用[J].大型鑄鍛件，2016(3)：21-26.

編輯杜青泉

Influence of Probe Frequency on Defect Equivalent During Ultrasonic Testing on Forgings with DGS Method

Shi Daoyun, Fan Lvhui, Zhou Cheng, Yao Li

By analyzing the test data, the relation between the flat-bottomed hole equivalent size of defect and the probe frequency has been obtained. The flat-bottomed hole equivalent size of defect shall be decreased along with the rising of probe frequency, and shall be increased along with the reducing of probe frequency.

ultrasonic testing; DGS; forging; probe frequency; defect equivalent

2016—04—27

TG115.28+5

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