超声检测标准试块的分析与实验教学试件的设计

(南京航空航天大学 机电学院，南京 210016)

超声检测是一种在各行业均应用广泛的无损检测技术，既可用于金属合金材料的检测，也可用于非金属以及复合材料的检测。因此，超声检测是无损检测技术教学和培训的一项必要的和较为重要的部分。实验教学环节对于该技术的理论学习和工程实践两方面的作用不容忽视，而且是各无损检测技术中的重点实验内容。

在实际工程应用中，需要依据有关标准采用标准试块(也称校准试块)来评定和校准超声检测设备；对比试块(也称参考试块)则含有意义明确的参考反射体，用以调节超声检测设备的幅度和(或)时间分度，并将所检出的不连续信号与已知反射体所产生的信号进行比较 。

对于教学实验中的样件及不连续(缺陷)的选用，含有自然缺陷的实际零件在自身类型的不确定性和不可控性等因素的影响下，收集某类典型自然缺陷的实际零件并加工为实验试件存在操作、成本等方面的难度，因此初步考虑选用标准试块作为课程实验样件。但由于标准试块在功能上具有一定的专用性和单一性，同时考虑实验中分别使用不同标准试块所存在的管理、成本等方面的因素，所以最终决定综合当前教学实验的实际目标以及不同标准试块的特征，设计可用于超声检测技术本科教学实验的试件。

使用参考超声标准试块来设计专用试件的方法，也见于一些特定材料和应用领域。在焊缝的超声检测中，由于场地等的限制，参考现有的标准试块和对比试块，设计了检测灵敏度与标准试块相当的专用检验试块[1]。针对小直径钨合金棒材超声检测质量的要求，在分析棒材成型工艺过程中可能产生的缺陷类型的基础上，设计了超声检测用对比试块，实现了对超声水浸纵波和折射横波的灵敏度调节[2]。超声相控阵技术也逐渐应用于工业无损检测领域，正如常规超声检测需要各种试块一样，超声相控阵检测也需要各种类型的试块，主要包括校准试块、参考试块和模拟试块等[3]。

笔者结合当前超声检测技术理论教学的特点，以及所具备的实验设备条件，分析了当前相关国家标准和行业标准中实验试块的功能特征结构，设计了符合当前本科无损检测技术课程教学中超声检测技术部分的实验教学试件。

1 标准试块分析

各级标准中定义的超声标准试块按功能分可分为校准试块和参考试块。试块具有规定的材料、形式、尺寸、形状等属性，以提供相应的功能，如参考面、不连续、指示值刻度等。文中将标准试块中的各类参考面、不连续称为试块的功能特征。

1.1 校准试块

1.1.1 JB/T 8428-2015 《无损检测 超声试块通用规范》 / CSK-IA试块

CSK-IA试块是在荷兰试块的基础上改进的，主要特征包括厚度25 mm或100 mm，R100、R50的阶梯圆弧，宽2 mm、深6 mm的矩形槽，φ1.5 mm的横孔，φ50 ，φ44，φ40 mm的阶梯孔等。CSK-IA试块的主要特征及其功能如表1所示。

表1 CSK-IA试块的特征及功能

1.1.2 GB/T 19799.2-2012 《无损检测 超声检测 2号校准试块》/2号试块

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

表2 2号试块的特征与功能

1.2 参考试块

1.2.1 JB/T 8428—2015/平底孔试块

CS-1、CS-2、CS-3等参考试块具有平底孔参考反射体，适用于锻造钢坯材料低倍缺陷的超声波检验。对于其他合金材料，也有相似的标准试块及其特征。主要特征平底孔具有一定埋藏深度和直径，根据测得平底孔回波的幅度来调节直探头和检测仪器的基准灵敏度、检测灵敏度余量的大小和变化等，利用平底孔多次回波处的实际值与理论值的偏差可求出水平线性误差。

1.2.2 GB/T 23905-2009《无损检测 超声试块通用规范》, GB/T 11345—2013《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》/横孔试块

CSK-IIA参考试块具有平面上的横孔参考反射体特征，为若干2 mm直径的横孔，用于斜探头入射点与折射角的测量、焊接接头的斜射探头测量时仪器时间基线的调整、距离-波幅曲线的绘制等。焊缝无损检测时，以直径3 mm横孔作为基准反射体，制作距离-波幅曲线，设定参考灵敏度。RB-2参考试块主要特征为测量距离不同的直径3 mm横孔。

1.2.3 NB/T 47013.3-2015 《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》/短横孔试块

CSK-IIIA参考试块具有短横孔参考反射体，在半径10 mm的开放孔内壁上具有若干1 mm直径的短横孔，用于焊接接头斜射探头测量时的距离-波幅曲线的绘制及其灵敏度的检测。

2 实验试件的设计

针对当前本科课程教学的要求设计实验用试件，其功能特征参考现有的对比试块和标准试块，将多种试块功能特征集于一体，使其功能多样化，同时具有校准试块和参考试块的功能。

2.1 设计目标与方案

在校准试块与对比试块功能特征的基础上，同时考虑教学中对理论基础、设备仪器、典型缺陷的常用检测方法等内容的辅助与巩固，对设备仪器的操作训练和实践能力培养，以及实验课时限制等因素，实验试件的目标功能包括校准试块的评定校准仪器设备的功能，以及对比试块参考反射体功能两部分。

仪器设备评定校准功能包括传感器和仪器水平线性与垂直线性的测定、直探头与斜探头远程分辨力的测定；斜探头入射点与折射角(K值)的测定、直探头盲区的估计、传感器与仪器灵敏度余量的设定等。对比试块以平底孔特征进行直探头不连续的检测，以横孔和短横孔特征进行斜探头不连续的检测。

2.2 设计方案

从实验要求出发，以CSK-IA校准试块结构和功能为基础，综合平底孔试块、横孔试块、短横孔试块等参考试块的功能特征进行设计，实验试件三维图如图1所示。

图1 实验试件三维图

2.2.1 半径100 mm圆弧与矩形槽

参考CSK-IA试块，用来测定斜探头的入射点、斜探头与仪器的水平线性、直探头的远场分辨力等。圆弧和矩形槽部分厚度为25 mm。

2.2.2φ50-44-40 mm阶梯孔和φ1.5 mm盲孔

参考CSK-IA试块，阶梯孔具有φ50，φ44，φ40 mm三段圆柱孔组成的阶梯；φ1.5 mm盲孔作为横孔使用，孔深25 mm。可以进行斜探头的K值、远程分辨力、声束扩散角等的测定。

2.2.3 一组φ2,φ3,φ4 mm平底孔

参考CS-1、CS-2试块，参考反射体为具有相同声程(100 mm)、不同孔径的平底孔，孔深25 mm。用于以φ2 mm孔为基准确定直探头探测基准灵敏度、孔缺陷当量测量、检测范围调整等。同时可进行直探头纵向模拟缺陷检测的练习。

2.2.4 一组φ3 mm横孔

参考CSK-IIA与RB-2对比试块，参考反射体设计为一组φ3 mm横孔，孔深为40 mm，孔中心距为40 mm。作为对比试块的特征，可以进行斜探头距离-波幅曲线的绘制。同时在实验中，可以模拟直探头及斜探头对焊缝不连续缺陷长度的检测以及用于距离-波幅关系的测定。

2.2.5 短横孔试块(CSK-IIIA参考试块)

短横孔参考试块设计有半径为10 mm的开放半圆柱孔，内壁上的若干孔为深6 mm、φ1 mm的短横孔，用于堆焊接头中横向缺陷斜射探头测量中的距离-波幅曲线的绘制。同时在练习中可以模拟焊接区域斜探头探测扫查的操作。

3 结语

以超声检测相关标准中校准试块与参考试块功能特征的分析为基础，针对无损检测技术课程本科教学超声检测实验环节的教学目标，设计了满足实验教学需求的实验试件。该试件具有常用的典型特征，不仅可以用于超声检测设备分辨力、灵敏度、水平线性、垂直线性、斜探头入射点等的实验，也可用于直探头和斜探头模拟检测的实验操作。