超声波测量缺陷延伸长度

丁 街

（溧阳中材重型机器有限公司，常州 213000）

锻件缺陷延伸长度是很多标准的评判参数，笔者以JB／T 5000.15－2007《重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤》标准为例。标准中规定1级不允许有延伸长度，2级允许延伸长度30mm，3级允许延伸长度40mm，4级允许延伸长度60mm。延伸性缺陷的定义为连续回波高度至少在一个方向上不得低于起始记录当量值，其延伸长度应大于缺陷允许的最大当量值，延伸性缺陷的延伸尺寸采用半波高度法测定（6dB法），在测定延伸尺寸时应考虑探头的声域特性进行修正，见公式（1）［1］。现场检测延伸性缺陷长度使用JB／T 5000.15－2007标准中6dB声束直径的计算公式进行修正，测量结果往往存在很大的争议，针对超声波测量缺陷延伸长度提出了2个假设来进行讨论和分析：第一，宽度小于声束直径的点状缺陷6dB 法测长需修正；第二，缺陷宽度大于声束直径时用6dB法测长不需修正。

6dB声束直径的计算公式为：

式中：Ts为晶片直径，mm；D6dB为6dB 声束直径，mm；λ为波长，mm；S为缺陷深度，mm。

1 小于声束直径的点状缺陷6dB法测长修正

1.1 提出假设

根据《超声检测》中缺陷指示长度测定的原理，当整个声束全部入射到大于声束截面的缺陷上时，缺陷的反射幅度为最大值，而当声束的一部分离开缺陷时，缺陷反射面积减少，回波幅度降低，完全离开时，缺陷回波不再显现，这样，就可以根据缺陷最大回波高度降低的情况和探头移动的距离确定缺陷的边缘范围或长度。根据指示长度测定原则，宽度小于声束直径的点状缺陷是不符合6dB 法测长的，只是实际检测过程中缺陷是否是点状缺陷是未知的，是在未知缺陷的情况下提出的假设。根据指示长度的原则宽度小于声束直径的点状缺陷使用6 dB法测量延伸长度的原则是指：探头移动使声束覆盖整个缺陷，找到缺陷最高回波（80%），左右推动探头使波高下降到最高回波（80%）的一半（40%），也就是6dB作为缺陷边界，此时为6dB法测量的指示长度如图1所示。图1中假设6dB法测量长度L与试块缺陷大小相差很大，需根据公式（1）进行修正。

图1 点状缺陷使用6dB法测量长度

1.2 实际测量

对4种不同深度的φ5平底孔试块，用2.5 MHzφ14mm 的探头，6dB 法实测缺陷长度，缺陷测量结果见表1。从表1中可以看出缺陷测量长度随缺陷深度增加，测量长度越大误差也越大，对测量结果用公式（1）进行修正结果见表1。修正值与实际值相差很大，缺陷的评定存在困难。

表1 φ5平底孔试块6dB法测长测量值与修正值对比

1.3 分析与结果

超声波探头发出的声波以主声束中心点声压最大，偏离中心点声压逐渐下降，如图2所示。通过相对于主声束为0 分贝点和－6 分贝点扩散角公式（2）、（3）进行计算：

相对于主声束为0分贝点计算公式为：

相对于主声束为－6分贝点计算公式为：

式中：θ0dB为0分贝点扩散角的角度；θ6dB为－6分贝点扩散角的角度；λ为波长，mm；D为探头直径，mm。

图2 圆盘声源声场指向性示意

得出2.5MHzφ14mm 探头主声束角度分别为：0分贝点为11.8°；－6分贝点为6.74°；－10分贝点为8.5°；－20分贝点为10.5°。再根据表1中φ5平底孔试块6dB法实测长度在CAD 软件上生成平面图如图3所示，从图3中可以看出6dB法测量时缺陷始终位于0分贝声束内。缺陷位于－6分贝点位置时，随着缺陷深度的增大，缺陷在－6dB声束内越多，最后缺陷全部被－6dB声束所覆盖。这说明缺陷波下降6dB并不是由于声束只覆盖缺陷的一半造成的，而是由于缺陷偏离主声束落在－6分贝点声束的区域造成的。这也证实了宽度小于声束直径的点状缺陷，其延伸长度的测量是不符合缺陷指示长度测定原理的。用JB／T 5000.15－2007标准的6dB声束直径计算公式进行修正，修正值误差也较大，作为评定缺陷的测量数据也是不合理的。

根据《超声检测》中当缺陷尺寸小于声束截面时，可用缺陷回波幅度当量直接表示缺陷大小。实际探伤时由于小于声束截面的点状缺陷是未知的，所以根据探头的移动绘制出缺陷动态波形图如图4所示。从图4中φ5平底孔动态波形图中可以看出探头左右移动时波高从80%迅速下降，波形尖锐没有直线段的现象，这可以说明缺陷是以小于声束截面的点状缺陷存在的，小于声束截面的点状缺陷测量延伸长度时可以用当量值来衡量缺陷的延伸长度，作为缺陷评定的数据是比较合理的。

图4 φ5平底孔试块动态波形

2 缺陷宽度大于声束直径时6dB法测长不需修正

2.1 提出假设

根据假设1中缺陷指示长度测定的原理，缺陷大于声束直径时6dB 法测量延伸长度符合这一要求。如图5所示，图中假设6dB法测量长度L与试块缺陷大小一样，不需要进行修正。

图5 延伸性缺陷6dB法测量长度

2.2 实际测量

对4种不同深度的人工刻槽（长）35mm×（宽）8mm 的试块，用2.5MHz、φ14mm、6dB法实测缺陷长度，缺陷测量结果见表2，可以看出缺陷的测量长度随缺陷深度的增加变化很小，测量值与实际长度相比偏小，符合6dB法测量长度小于实际长度的原理，对测量值进行修正，修正值与实际值相差太大，所以当缺陷长度大于探头声束直径时使用6dB法测长不需修正。

表2 人工刻槽35mm×8mm 试块6dB法测长测量值与修正值对比

2.3 分析与结果

根据2.5 MHz、φ14 mm、探头0 分贝点和－6分贝点的扩散角度和表2 中35 mm×8 mm 试块6dB法实测长度在CAD 软件上生成平面图如图6，可以看出声束覆盖整个缺陷波高80%，左右移动探头声束覆盖缺陷一半波高下降6dB，此时探头的中心即作为缺陷的边界，符合缺陷指示长度测定的原理。

实际探伤中由于缺陷是否有延伸长度是未知的，通过探头的移动绘制出缺陷动态波形图如图7所示，从35mm×8 mm 试块动态波形图中可以看出探头左右移动时波高保持80%有一直线段，说明缺陷具有一定的延伸长度，符合缺陷指示长度测定的原理。6dB测量长度与实际长度相比有点误差，但误差相对较小，可以作为评定缺陷的数据，不需修正。

图7 35mm×8mm 人工刻槽试块动态波形

3 结论

宽度小于声束直径的点状缺陷使用6dB 法测量延伸长度需修正，用JB／T 5000.15－2007标准中6dB声束直径的计算公式进行修正时误差较大，故使用时有待考虑，当缺陷尺寸小于声束截面时，可用缺陷回波幅度当量直接表示缺陷延伸长度。宽度小于声束直径的点状缺陷延伸长度的测量是不符合缺陷指示长度测定原理的，用6dB法测量时误差较大。

宽度大于声束直径的缺陷6dB 法测长不需修正，可用6dB法测量值来表示缺陷的延伸长度。

［1］JB／T 5000.15－2007 重型机械通用技术条件第15部分：锻钢件无损检测［S］.