镍铜合金棒材超声波检测方法

刘英和，蔡诗瑶，范铁铮，王 洋

（天津市友联螺旋钢管有限公司，天津 301606）

1 存在问题

常用镍铜合金棒材有φ17.4mm，φ22.2mm，φ 25.4mm，φ31.5mm等四种规格，超声波探伤时使用CSK－ⅠA型标准试块校准2.5P8×8K2横波探头的前沿与K值及扫描基线，探伤时棒材中心的缩孔、夹渣类缺陷常出现漏检。笔者提出的超声波探伤方法最大限度减少了横波探伤的盲区，提高了缺陷检出率。

2 原因分析

2.1 小晶片探头（9mm×9mm以下）频率

超声波的频率取决于压电晶片的厚度，厚度越薄频率越高。图1是2.5P8×8K2和5P8×8K2探头与探伤仪器组合始波宽度，比较后不难看出，压电晶片面积相同，频率不同，仪器与探头的组合始脉冲宽度不同（仪器自身始脉冲宽度固定不变，而仪器探头的组合始脉冲宽度主要受超声波频率影响）。

图1 K2斜探头与仪器组合始波宽度

镍铜合金棒材加工程序为浇铸锭、开坯、轧制、拉拔，依据铸件的特点、圆心部位为缺陷较为集中的区域。以φ17.4mm棒材为例，半径为8.7mm，参考图1，2.5P8×8K2探头与探伤仪器组合始波宽度已经占到仪器扫描基线9.8mm的位置，棒材圆心位置8.7mm附近的缺陷反射回波全部裹在仪器与探头组合始波宽度之内而无法分辨，此即为出现缺陷漏检的原因之一，因此应选用频率较高的探头。

2.2 距探头1.64N（N探头近场长度）处对探伤的影响

（1）声压分布的影响

参考图2，从超声场横截面声压分布情况来看，声源附近的声波存在极大与极小值不利于探伤，当超声波传输到N／2时主声束上的声压是零，图中A、B位置的声压较高但不利于缺陷定位。当超声波传输到N的位置时超声波的能量逐渐开始向主声束集中，当超声波传输到1.64 N的位置时超声波的能量集中在主声束上（C点位置），此点声的能量最高，指向性最好，也最有利于发现缺陷。探伤时如能将容易出现缺陷的位置落在1.64 N的附近，缺陷检出概率将明显增加。

图2 超声场声压分布示意图

（2）不同介质（探头斜楔与被检棒材）对近场长度的影响

横波探头近场区长度计算公式为：

式中：a，b为压电晶片的边长；λ为波长；β为横波折射角度；α纵波入射角度。

横波探头斜楔中占有近场区长度N″的计算公式为：

式中：L为超声波在探头斜楔中走过的距离。

不同斜楔材质（有机玻璃与聚峰材质）与K值及余弦三角函数、正切三角函数的比值见表1。

表1 不同斜楔材质的cosβ／cosα、tgα／tgβ与K 值的关系

横波探头斜楔中占有近场长度N″的计算过程：

以使用2.5P8×8K2聚峰材质斜楔横波探头为例，K 值即tgβ等于2，因此有β＝63.44°。

通过表1可查出K＝2时tgα／tgβ＝0.44，由此得α＝41.35°。

式中：cs为横波声速；f为超声频率。

从图3得：tgα＝L1／4，则L1＝tg41.35°×4mm＝3.52mm。

图3 横波斜探头中斜楔结构示意

cosα＝2.5mm／L2，L2＝2.5mm／cos41.5°＝3.33mm，超声波在探头斜楔内的声程L＝L1＋L2＝6.85mm，探头内部占有的近场长度N″由式（2）计算得3.02mm。

以φ17.4mm镍铜合金棒材为例分析1.64 N所处的位置：

计算2.5P8×8K2聚峰材质斜楔横波斜探头的近场长度得N 为9.4mm，1.64 N 则为15.42mm（晶片边长为8mm×8mm）。

通过图4可知声程 S＝8.7mm／cosβ＝8.7mm／cos63.44°＝19.33mm。

1.64 N在图4声程S中所占有的长度N′＝1.64 N－N″＝12.4mm，N′对应的深度h′＝cosβ×N′＝5.54mm，与图4中的h 相差8.7mm－5.54mm＝3.16mm。

N′＝12.4mm，S－N′＝6.93mm。

图4 φ17.4mm镍铜合金棒材探伤模拟示意

上述分析说明超声波指向性最好，能量最集中，最有利于发现缺陷的声场位置的1.64 N 不在φ17.4mm棒材缺陷较为集中的圆心位置，此即为被检棒材出现缺陷漏检的原因之二。

（3）规格2.5P8×8K2探头与CSK－ⅠA型校准试块对灵敏度的影响

超声波探伤属于接触式探伤，所用探头与校准试块及被检工件的耦合效果将直接影响探伤灵敏度。2.5P8×8K2探头与CSK－ⅠA型校准试块均为平面，而被检棒材的曲率半径R为8.7mm，很显然用平面探头与平面试块的校准结果检测曲率较大的棒材工件是不合适的，这即是出现缺陷漏检的原因之三。

3 解决问题的方案

通过前述分析可知出现缺陷漏检的因素主要是仪器与探头组合始脉冲宽度过宽，声场最佳位置1.64N不在缺陷密集区，探头与校准试块的选用不合理。

根据超声波的基本知识可知提高超声波的频率可以有效地改变组合始脉冲宽度，同时也可以在较高频率的情况下通过改变压电晶片尺寸或折射角度β来改变1.64 N的位置，根据等效试块的原理可以使用被检棒材设计制作等效校准试块。

3.1 解决问题的思路

针对φ17.4mm镍铜合金棒材，以规格5P6×6K1.5，R8.7（轴向曲率）聚峰材质斜楔横波斜探头检测作如下分析：

（1）通过上述分析可知，K＝1.5横波折射角度β＝56.31°。通过表1查得此时tgα／tgβ＝0.52，纵波入射角度α＝38°。

（2）参考图3与2.2的计算方法可知，L1＝tg38°×3mm＝2.64mm，L2＝2.5mm／cos38°＝3.17mm，L＝L1＋L2＝5.87mm，N″＝Ltgα／tgβ＝5.87mm×0.52＝3.05mm。

5MHz横波探头波长λ＝cs／f＝3.24／5.0＝0.65mm；

5P6×6K1.5，R8.7规格探头近场长度N 按式（1）计算得12.424mm，1.64 N＝20.38mm。

（3）以入射点为基准分析1.64 N在图4声程S中所处的位置N′及对应深度h′：

1.64N在图4声程S中所占有的长度N′＝1.64 N－N″＝17.33mm；

对应深度 h′＝cos56.31°×17.33mm＝9.6mm；

与图4中的h相差9.6mm－8.7mm＝0.9mm（2.5P8×8K2规格探头相差3.16mm）。

5P6×6K1.5，R8.7规格探头在图4中声程S＝h／cos56.31°＝15.68mm，N′－S＝17.33mm－15.68mm＝1.65mm（2.5P8×8K2规格探头相差6.93mm）。

声场最佳位置1.64 N基本在棒材缺陷密集的圆心位置，这说明使用5P6×6K1.5，R8.7横波斜探头检测规格φ17.4mm镍铜合金棒材较为合适。

同理规格φ22.2mm镍铜合金棒材使用5P6×6K2，R11.1mm横波斜探头，规格φ25.4mm镍铜合金棒材使用5P6×6K1，R12.7mm横波斜探头，规格φ31.5mm镍铜合金棒材使用5P8×8K1，R15.75mm横波斜探头较为合适（计算过程略）。

3.2 等效校准试块

（1）设计与制做

镍、铜合金棒材表面轴向曲率与CSK－ⅠA型标准校准试块有较大区别，为保证扫描基线或K值校准的准确性以及改善耦合效果提高检测灵敏度，用镍、铜合金棒材按图5制做双孔法等效校准试块，试块测试面的曲率半径与被检棒材曲率半径相同，两个间隔距离一定，不同深度相同孔径的测试孔孔径为φ1.0mm，见图5（孔径越小测试精度越高，不同规格镍、铜合金棒材要分别制作等效校准试块）。

图5 双孔法等效校准试块

（2）试块的使用方法

使用5P6×6K1.5，R8.7轴向曲率探头分别扫查该校准试块上两个不同深度的测试孔，分别找到两个测试孔反射回波最高点后测量出两孔法线到探头外壳前端的距离，将测量的距离值分别输入到CBC－100型数字式超声波探伤仪中（具有双孔法自动校准功能）仪器自动完成扫描基线、探头K值与前沿校准。

（3）图6，7为使用同一台CBC－100型数字式超声波探伤仪，分别使用2.5P8×8K2探头与5P6×6K1.5，R8.7轴向曲率横波斜探头，分别检测规格φ17.4mm镍铜合金棒材中深度为7.2mm的同一缺陷的结果比较。通过图6，7可以看出不同规格探头的检测结果不同。

图6 2.5P8×8K2探头检测结果

图7 5P6×6K1.5，R8.7轴向曲率探头检测结果

4 结论

横波探伤过程中如能依据被检工件的材质、几何形状、制造特点正确选择探头频率、压电晶片尺寸与K值，尽量保证横波探头的1.64 N处在被检工件的缺陷密集区，最大限度地缩小“组合始波宽度”将有效提高缺陷检出率与信噪比。同时应尽量保证选用探头的轴向曲率半径与被检棒材的轴向曲率半径相同，在现有标准校准试块与对比试块均无法满足探头前沿、K值、扫描基线校准的情况下，利用等效试块的原理设计、制作等效校准试块，改善耦合条件是保证检测灵敏度的重要因素。