锻件近表面缺陷的超声检测

姜 炜，庄志强，丁 杰，樊艳霞

（1.上海材料研究所，上海 200437；2.上海苏科建筑技术发展有限公司，上海 200124）

1 锻件的检测技术要求

随着现代科学技术的发展，人们对产品质量的要求越来越高，特别是对航空、航天、核电等工业领域的产品。超声检测作为工件内部缺陷检测的有效手段，具有可靠、灵敏度高等优点，在现代无损检测领域有着重要地位。

锻件超声检测时，对近表面缺陷容易漏检，这主要与探头盲区及近表面检测有关。许多重要锻件对表面检测的要求很高。如：某航空锻件的灵敏度要求为φ1.6mm 平底孔，对近表面质量检测甚至要求达到φ0.8mm。为此，急需解决锻件近表面缺陷难于检测的问题。

为寻求减小盲区和提高近表面缺陷检测精度的方法，笔者依据现行国家标准、国外标准，结合超声检测原理，在现有方法的基础上进行改进，使锻件近表面缺陷的检测盲区减小到3mm 以内，并能检测出φ0.8mm 的缺陷［1－2］。

2 试验器材

根据超声检测方法准备了以下试验器材：

（1）超声波探伤仪 1台。

（2）探头 双晶直探头，规格为10P10FG5；延迟块探头，规格为10P10；水浸聚焦探头，规格为10P10SJ5DJ。

选用以上探头检测近表面小缺陷，是因为：探头频率高，分辨力好，波长短及脉冲窄，有利于发现小缺陷；探头尺寸小，入射能量低，阻尼较大，脉冲窄，有利于发现小缺陷。

（3）试块 在航空、航天、核电等领域中，重要锻件一般是高强钢，如A100钢和300 M 钢，钢的组织都较为均匀。如果声速相同、组织相近，超声检测用对比试块可以使用其他钢种进行代替。从已有资料知，A100钢声速约为5 750mm／s，300M 钢声速约为5 800mm／s。笔者单位现有的超声波试块，实测声速约为5 850mm／s，声阻抗与A100钢和300M 钢的声阻抗较为接近。因此，可使用现有的试块进行试验。对试块进行编号：1＃、2＃、3＃；各试块的俯视图均如图1所示，图中的孔均为平底孔，1＃，2＃，3＃试块上的孔到上表面的距离分别为1，2，3mm。

图1 1＃，2＃，3＃试块的俯视图示意

3 试验过程与结果

3.1 双晶探头

使用10P10FG5双晶探头分别对1＃、2＃、3＃试块进行测试，得到的回波波形如图2所示。

图2 使用双晶探头对各试块的检测回波波形

由试验结果可见，使用双晶探头能成功检测出2＃试块上φ1.6mm，φ2mm 的平底孔与3＃试块上所有的平底孔；但2＃试块上φ0.8mm 的平底孔，以及1＃试块上所有的平底孔都未能有效地检测出来。

从图3可知，双晶探头的聚焦区限制了2＃试块上φ0.8mm 及1＃试块上所有平底孔的检出。故得出：①只有当缺陷位于聚焦区内，才能得到较高的反射回波，容易被检出。②当缺陷位于聚焦区外，无法为声束扫查到，所以得不到缺陷的回波，因此就很难发现此类缺陷。

图3 双晶探头的聚焦区示意

3.2 延迟块探头

为解决由于双晶探头聚焦区的限制而造成的2＃试块上φ0.8 mm 及1＃试块上的所有平底孔无法检出的问题，改用无聚焦的10P10 延迟块探头，对2＃试块上φ0.8mm 及1＃试块上的所有平底孔进行测试，得到的回波波形如图4所示。

图4 使用延迟块探头对各试块的检测结果

由图4可见，使用延迟块探头能成功检测出2＃试块上φ0.8mm 及1＃试块上所有的平底孔。

3.3 水浸聚焦探头

3.1 和3.2都是利用直接接触法进行检测，接下来使用10P10SJ5DJ水浸聚焦探头，利用水浸法分别对1＃、2＃、3＃试块进行测试。检测示意如图5（a）所示，得到的波形如图5（b）所示。

由试验结果可见，试验未能检测出1＃、2＃、3＃试块上所有的平底孔。

原因分析：水／钢之间介质的声阻抗不同，水／钢会产生界面波；超声波从水中经过，水对超声的衰减，造成了超声能量的降低；而此问题需通过提高脉冲发射强度来解决。但提高脉冲发射强度的同时，脉冲自身会变宽，会造成近场干扰加大；因此，声束在由水进入钢时形成发散，导致无法分辨接近表面的小缺陷，也就未能检测出试块中的平底孔。

图5 使用水浸聚焦探头的检测装置示意和得到的检测波形

4 结语

从上述三种类型探头分别对1＃、2＃、3＃试块进行测试的试验结果可知，对于近表面小缺陷的检测，在兼顾检测灵敏度和检测盲区的情况下，采用高频窄脉冲延迟块探头的检测效果最佳，且能发现距表面1mm 的φ0.8mm 的平底孔，取得了满意的检测效果。在该方法研究的基础上，运用常规方法解决近表面小缺陷的检测方法还有待进一步探索。

［1］郑晖，林树青.超声检测［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

［2］王少军，俞厚德，钱耀洲，等.基于超声散射法的微小缺陷及近表面缺陷的检测［J］.无损检测，2014，36（1）：53－57.