小规格锻棒的超声波检测
摘 要：针对有一定超声波检测难度的、尺寸在 15～ 35mm之间的小规格锻棒，在基本手动接触法检测的基础上结合实际生产情况进行修改，通过现场操作证明此方法确实有效可行。
关键词：超声波检测 小规格 锻棒 手动接触法
中图分类号：TH7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-097-03
1 总则
适用范围：本方法是主要用于直径在 15～ 35mm之间的小规格棒材的手动脉冲反射式超声波检测。
2 检测时机
棒材的此项检测应在性能热处理和精加工后进行。
3 表面状态
探伤表面不应有划伤及影响探头移动的外来物质，如松散的氧化皮、油漆或附着物。
被检锻件表面粗糙度一般应满足Ra≤6.3 m。
4 检测难度分析
对于轴类锻件的锻造工艺是以把长为主，因而大部分缺陷的取向与轴线平行，此类缺陷的探测以直探头径向探测效果最佳。
实际生产过程中，对直径在 15～ 35mm之间的小规格锻棒进行超声波检测会有一些难度，主要体现在：(1)周向检测时，因为探头与圆柱面接触面积过小，使得耦合效果不佳，波束严重扩散；(2)轴向检测时，对锻棒长度较大的工件，存在有波形转换，对检测信号的判定产生干扰。
为了使探头与被检工件之间有最大的接触面积，获得良好的耦合效果，很多标准规范（比如ASME，RCC-M等）都会要求使用带楔块的探头，实际操作中发现，要使反射回波明显，楔块必须磨制的很薄，这就导致一个楔块在检测了几件或十几件后就报废了，消耗量很大，并且检测的灵敏度也不高，由此可见，这种方式的操作性不佳，特别在实际的加工生产过程中，会对生产进度带来影响。
对于普遍认同的水浸法检测，由于探头不直接与被检测面接触，要获得缺陷在工件上的平面位置有一定难度，特别是水槽或工件较大时，操作者无法在工件表面上作出标记。因此，常常需要在水浸检测发现缺陷后，用接触法进行定位。虽然该方法灵敏度高、可靠性好，但不适于原位探伤，且检测速度慢、设备昂贵，在实际生产中，对不是经常使用到此类检测方法的厂家来说成本较高，效率较低。
5 检测方法
在分析了进行超声波检测的难度后，同时结合接触法和水浸法的优点，本文在基本的手动接触式超声波检测方法上做了一些细节上的变化。
（1）解决接触面积大小的问题，要进行超声波检测必须先保证工件中有足够有效的用来检测缺陷的波束。按照标准中规定的使用带楔块的探头，不过这个楔块只是一个保证探头与被检工件最大耦合的装置，也就是说探头上的楔块在外形与被检工件曲率相匹配，但是与探头晶片接触的部位是空心的，见图1。这时选用的探头应有小的晶片尺寸和大的标称频率。
图1 带曲率的楔块
（2）为了使声束更好地进入工件，可将工件浸入到耦合剂中充分湿润，再将探头放置在工件上进行检测。
（3）在调节灵敏度时，根据标准规范的要求，可以使用底波法，也可以使用参考试块法。对参考试块的制作可以采用曲率与被检件一致的平底孔试块，孔径大小可以根据标准及验收来制定，孔的深度可以为D/4、D/2 和3D/4，对 15mm左右的锻棒因为尺寸较小，可作两个孔来进行灵敏度的调节。
6 检测设备
6.1 超声波探伤仪
使用A型显示脉冲反射式超声探伤仪，频带范围为0.5～6MHz，在全屏高度的至少80%以内垂直线性误差不大于2%，水平线性误差在示波屏有效宽度范围内不大于1%。超声波探伤仪的性能测试应符合合同中相关技术条件和标准的规定。
本文使用的超声波探伤仪型号为USN-60。
6.2 探头
探头的标称频率及尺寸应按被检材料的种类和尺度进行选择。原则上，频率应在1～6MHZ之间。然而，由于被检材料的种类和/或厚度的要求，也可以使用其它的频率。用于超声波检测的探头不应有明显的双峰，声束轴线偏离角不应大于2€埃酵沸阅懿馐杂Ψ虾贤邢喙丶际跆跫捅曜嫉墓娑ā?
本文使用的探头型号为MSEB4 EN。
双晶探头具有以下优点：
(1)灵敏度高。双晶探头的两块晶片，一发一收，发射晶片用发射灵敏度高的压电材料制成，如PZT。接收晶片由接收灵敏度高的压电材料制成，如硫酸锂。这样探头发射和接收灵敏度都高，这是单晶探头无法比拟的。
(2)杂波少盲区小。双晶探头的发射与接收分开，消除了发射压电晶片与延迟块之间的反射杂波。同时由于始脉冲未进入放大器，克服了阻塞现象，使盲区大大减小。
(3)工件中近场区长度小。双晶探头采用了延迟块，缩短了工件中的近场区长度，这对检测是有利的。
(4)检测范围可调。双晶探头检测时，对应位于菱形内的缺陷灵敏度较高。而菱形区域可以通过改变入射角来进行调整。
6.3 参考试块
图2 参考试块图
制作参考试块的材料应取自：
(1)被检件延长段或自被检件割下来的余料；
(2)与被检件相同材料和热处理状态的部件割下来的余料；
(3)与被检材料具有相近的声学特性的材料。除另有规定外，参考试块与被检件声学特性差异存在下列范围内，则认为具有相近的声学特性：声速€?%，声阻抗€?%，衰减系数€?0%或厚度相同底波信号差异小于4dB。
本文使用的试块类型为柱面试块，编号为XL/HD-NDTUT348，用于检测直径为30mm的棒材，规格尺寸及要求见图2。
7 检测条件
7.1 扫查要求
借助探头在被检验表面上的移动来进行检查，并以此来扫查到整个检验的体积。探头的每次移动要和上一次有部分重叠，其范围为换能器尺寸(直径或宽度)的20%以上。
探头在被检件上移动时，其速度不应超过150mm/s。
7.2 耦合剂
应采用润湿性好、透射性好，且不损伤检测表面的耦合剂，如机油、浆糊、甘油和水等。检测过程中，耦合剂的性质应稳定不变化。检测和校准过程中，应使用相同的耦合介质。检测结束后，影响后续加工和检测的耦合剂应清除干净。对奥氏体不锈钢材料或镍基合金材料还应根据技术条件和标准的要求，限制有害元素的含量。
本文中使用的耦合剂为机油。
7.3 仪器的校核
仪器的校核应根据技术条件或相应的标准来规定。一般是在每次检测开始之前，应调节灵敏度，并在检测一小时后和此后每两小时进行校验；当操作人员认为有漂移时，以及每轮检测结束时，也应进行校验。
如果校验时测得的漂移值不大于土2dB，则可认为该次校验结果正常。如超过士2dB，则前次校验后所检测的零件须重新检测。
8 信号分析
在超声波检测中，常常遇到的一些非缺陷回波，主要有迟到波，三角反射波和61€胺瓷洳āＯ志腿欠瓷洳ń兴得鳌?
8.1 三角反射波
纵波直探头径向探测实心圆柱体时，由于探头平面与柱面接触面积小，使波束扩散角增加，这样扩散波束就会在圆柱面上形成三角反射路径，从而在示波屏上出现三角反射波，称为三角反射。见图3。
纵波扩散波束在圆柱面上不发生波型转换，形成等边三角形反射，其回波声程为： 式中d为圆柱体直径。
纵波扩散波束在圆柱面上发生波型转换，即L→S→L，形成等腰三角形反射，其声程为： 由和反射定律得：
(1)
对于钢可求得
∴
由以上计算可知，两次三角反射波总是位于第一次底波B1之后，而且位置特定，分别为1.3d和1.67d，而缺陷波一般位于 B1之前，因此三角反射波不会干扰缺陷波的判别。
图3 三角反射波
9 灵敏度调节
9.1 试块法
用对比试块人工反射体的反射波绘制距离—波幅曲线，使选择合适的探头位置能得到响应最强的反射体最大回波，并且将波幅调到满屏高度的80%左右。然后，测出其它反射体的最大回波幅度。将测点连线，做出的曲线即是距离—波幅曲线。
如果一个反射体的回波幅度小于屏幕的20%，则可绘制分段距离—波幅校正曲线。
9.2 底波法
将探头置于被检工件表面，调节仪器使一次底波波幅达到满屏高度的80%左右，以此作为基准灵敏度。
10 扫查
(1)扫查灵敏度应至少高于基准灵敏度6dB。
(2)扫查方向应沿着棒材轴向扫查，扫查时要监视底面反射波幅度是否有明显的降低，对非工件几何因素引起底面反射降低的任何区域需重新检验。
11 检验结果
操作方法在做了相应的调整后，检测的灵敏度有了较大的提高，因为检测是在一个容器中进行的，还保证了一定的清洁要求。
本文也截取了实际操作过程中的信号波形，从图4中可以清晰的看到检测信号十分清晰，同时也发现除了一次波外还有另外两个波，这就是非缺陷回波中的三角反射波。在示波屏上用波门框住一次波声程读数为30.01mm，而一次波后第一个回波最大波幅在波门框住后声程读数为39.02mm，一次波后第二个回波最大波幅在波门框住后声程读数为50.00mm，与8.1节所描述的三角反射波特征吻合。
图4 检测过程中的示波屏
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