超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)試塊的分析與實(shí)驗(yàn)教學(xué)試件的設(shè)計(jì)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

超聲檢測是一種在各行業(yè)均應(yīng)用廣泛的無損檢測技術(shù)，既可用于金屬合金材料的檢測，也可用于非金屬以及復(fù)合材料的檢測。因此，超聲檢測是無損檢測技術(shù)教學(xué)和培訓(xùn)的一項(xiàng)必要的和較為重要的部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對于該技術(shù)的理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐兩方面的作用不容忽視，而且是各無損檢測技術(shù)中的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)試塊(也稱校準(zhǔn)試塊)來評定和校準(zhǔn)超聲檢測設(shè)備；對比試塊(也稱參考試塊)則含有意義明確的參考反射體，用以調(diào)節(jié)超聲檢測設(shè)備的幅度和(或)時(shí)間分度，并將所檢出的不連續(xù)信號與已知反射體所產(chǎn)生的信號進(jìn)行比較 。

對于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的樣件及不連續(xù)(缺陷)的選用，含有自然缺陷的實(shí)際零件在自身類型的不確定性和不可控性等因素的影響下，收集某類典型自然缺陷的實(shí)際零件并加工為實(shí)驗(yàn)試件存在操作、成本等方面的難度，因此初步考慮選用標(biāo)準(zhǔn)試塊作為課程實(shí)驗(yàn)樣件。但由于標(biāo)準(zhǔn)試塊在功能上具有一定的專用性和單一性，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)中分別使用不同標(biāo)準(zhǔn)試塊所存在的管理、成本等方面的因素，所以最終決定綜合當(dāng)前教學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際目標(biāo)以及不同標(biāo)準(zhǔn)試塊的特征，設(shè)計(jì)可用于超聲檢測技術(shù)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)的試件。

使用參考超聲標(biāo)準(zhǔn)試塊來設(shè)計(jì)專用試件的方法，也見于一些特定材料和應(yīng)用領(lǐng)域。在焊縫的超聲檢測中，由于場地等的限制，參考現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)試塊和對比試塊，設(shè)計(jì)了檢測靈敏度與標(biāo)準(zhǔn)試塊相當(dāng)?shù)膶Ｓ脵z驗(yàn)試塊[1]。針對小直徑鎢合金棒材超聲檢測質(zhì)量的要求，在分析棒材成型工藝過程中可能產(chǎn)生的缺陷類型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了超聲檢測用對比試塊，實(shí)現(xiàn)了對超聲水浸縱波和折射橫波的靈敏度調(diào)節(jié)[2]。超聲相控陣技術(shù)也逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，正如常規(guī)超聲檢測需要各種試塊一樣，超聲相控陣檢測也需要各種類型的試塊，主要包括校準(zhǔn)試塊、參考試塊和模擬試塊等[3]。

筆者結(jié)合當(dāng)前超聲檢測技術(shù)理論教學(xué)的特點(diǎn)，以及所具備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，分析了當(dāng)前相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)驗(yàn)試塊的功能特征結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了符合當(dāng)前本科無損檢測技術(shù)課程教學(xué)中超聲檢測技術(shù)部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)試件。

1 標(biāo)準(zhǔn)試塊分析

各級標(biāo)準(zhǔn)中定義的超聲標(biāo)準(zhǔn)試塊按功能分可分為校準(zhǔn)試塊和參考試塊。試塊具有規(guī)定的材料、形式、尺寸、形狀等屬性，以提供相應(yīng)的功能，如參考面、不連續(xù)、指示值刻度等。文中將標(biāo)準(zhǔn)試塊中的各類參考面、不連續(xù)稱為試塊的功能特征。

1.1 校準(zhǔn)試塊

1.1.1 JB/T 8428-2015 《無損檢測 超聲試塊通用規(guī)范》 / CSK-IA試塊

CSK-IA試塊是在荷蘭試塊的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，主要特征包括厚度25 mm或100 mm，R100、R50的階梯圓弧，寬2 mm、深6 mm的矩形槽，φ1.5 mm的橫孔，φ50 ，φ44，φ40 mm的階梯孔等。CSK-IA試塊的主要特征及其功能如表1所示。

表1 CSK-IA試塊的特征及功能

1.1.2 GB/T 19799.2-2012 《無損檢測 超聲檢測 2號校準(zhǔn)試塊》/2號試塊

主要特征包括R25圓弧、R50圓弧、φ5 mm橫孔。主要特征及功能如表2所示。

表2 2號試塊的特征與功能

1.2 參考試塊

1.2.1 JB/T 8428—2015/平底孔試塊

CS-1、CS-2、CS-3等參考試塊具有平底孔參考反射體，適用于鍛造鋼坯材料低倍缺陷的超聲波檢驗(yàn)。對于其他合金材料，也有相似的標(biāo)準(zhǔn)試塊及其特征。主要特征平底孔具有一定埋藏深度和直徑，根據(jù)測得平底孔回波的幅度來調(diào)節(jié)直探頭和檢測儀器的基準(zhǔn)靈敏度、檢測靈敏度余量的大小和變化等，利用平底孔多次回波處的實(shí)際值與理論值的偏差可求出水平線性誤差。

1.2.2 GB/T 23905-2009《無損檢測 超聲試塊通用規(guī)范》, GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》/橫孔試塊

CSK-IIA參考試塊具有平面上的橫孔參考反射體特征，為若干2 mm直徑的橫孔，用于斜探頭入射點(diǎn)與折射角的測量、焊接接頭的斜射探頭測量時(shí)儀器時(shí)間基線的調(diào)整、距離-波幅曲線的繪制等。焊縫無損檢測時(shí)，以直徑3 mm橫孔作為基準(zhǔn)反射體，制作距離-波幅曲線，設(shè)定參考靈敏度。RB-2參考試塊主要特征為測量距離不同的直徑3 mm橫孔。

1.2.3 NB/T 47013.3-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》/短橫孔試塊

CSK-IIIA參考試塊具有短橫孔參考反射體，在半徑10 mm的開放孔內(nèi)壁上具有若干1 mm直徑的短橫孔，用于焊接接頭斜射探頭測量時(shí)的距離-波幅曲線的繪制及其靈敏度的檢測。

2 實(shí)驗(yàn)試件的設(shè)計(jì)

針對當(dāng)前本科課程教學(xué)的要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用試件，其功能特征參考現(xiàn)有的對比試塊和標(biāo)準(zhǔn)試塊，將多種試塊功能特征集于一體，使其功能多樣化，同時(shí)具有校準(zhǔn)試塊和參考試塊的功能。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與方案

在校準(zhǔn)試塊與對比試塊功能特征的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮教學(xué)中對理論基礎(chǔ)、設(shè)備儀器、典型缺陷的常用檢測方法等內(nèi)容的輔助與鞏固，對設(shè)備儀器的操作訓(xùn)練和實(shí)踐能力培養(yǎng)，以及實(shí)驗(yàn)課時(shí)限制等因素，實(shí)驗(yàn)試件的目標(biāo)功能包括校準(zhǔn)試塊的評定校準(zhǔn)儀器設(shè)備的功能，以及對比試塊參考反射體功能兩部分。

儀器設(shè)備評定校準(zhǔn)功能包括傳感器和儀器水平線性與垂直線性的測定、直探頭與斜探頭遠(yuǎn)程分辨力的測定；斜探頭入射點(diǎn)與折射角(K值)的測定、直探頭盲區(qū)的估計(jì)、傳感器與儀器靈敏度余量的設(shè)定等。對比試塊以平底孔特征進(jìn)行直探頭不連續(xù)的檢測，以橫孔和短橫孔特征進(jìn)行斜探頭不連續(xù)的檢測。

2.2 設(shè)計(jì)方案

從實(shí)驗(yàn)要求出發(fā)，以CSK-IA校準(zhǔn)試塊結(jié)構(gòu)和功能為基礎(chǔ)，綜合平底孔試塊、橫孔試塊、短橫孔試塊等參考試塊的功能特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)試件三維圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)試件三維圖

2.2.1 半徑100 mm圓弧與矩形槽

參考CSK-IA試塊，用來測定斜探頭的入射點(diǎn)、斜探頭與儀器的水平線性、直探頭的遠(yuǎn)場分辨力等。圓弧和矩形槽部分厚度為25 mm。

2.2.2φ50-44-40 mm階梯孔和φ1.5 mm盲孔

參考CSK-IA試塊，階梯孔具有φ50，φ44，φ40 mm三段圓柱孔組成的階梯；φ1.5 mm盲孔作為橫孔使用，孔深25 mm。可以進(jìn)行斜探頭的K值、遠(yuǎn)程分辨力、聲束擴(kuò)散角等的測定。

2.2.3 一組φ2,φ3,φ4 mm平底孔

參考CS-1、CS-2試塊，參考反射體為具有相同聲程(100 mm)、不同孔徑的平底孔，孔深25 mm。用于以φ2 mm孔為基準(zhǔn)確定直探頭探測基準(zhǔn)靈敏度、孔缺陷當(dāng)量測量、檢測范圍調(diào)整等。同時(shí)可進(jìn)行直探頭縱向模擬缺陷檢測的練習(xí)。

2.2.4 一組φ3 mm橫孔

參考CSK-IIA與RB-2對比試塊，參考反射體設(shè)計(jì)為一組φ3 mm橫孔，孔深為40 mm，孔中心距為40 mm。作為對比試塊的特征，可以進(jìn)行斜探頭距離-波幅曲線的繪制。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中，可以模擬直探頭及斜探頭對焊縫不連續(xù)缺陷長度的檢測以及用于距離-波幅關(guān)系的測定。

2.2.5 短橫孔試塊(CSK-IIIA參考試塊)

短橫孔參考試塊設(shè)計(jì)有半徑為10 mm的開放半圓柱孔，內(nèi)壁上的若干孔為深6 mm、φ1 mm的短橫孔，用于堆焊接頭中橫向缺陷斜射探頭測量中的距離-波幅曲線的繪制。同時(shí)在練習(xí)中可以模擬焊接區(qū)域斜探頭探測掃查的操作。

3 結(jié)語

以超聲檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中校準(zhǔn)試塊與參考試塊功能特征的分析為基礎(chǔ)，針對無損檢測技術(shù)課程本科教學(xué)超聲檢測實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求的實(shí)驗(yàn)試件。該試件具有常用的典型特征，不僅可以用于超聲檢測設(shè)備分辨力、靈敏度、水平線性、垂直線性、斜探頭入射點(diǎn)等的實(shí)驗(yàn)，也可用于直探頭和斜探頭模擬檢測的實(shí)驗(yàn)操作。