2.5 MHz直探头检测能力探讨

陈士华 钱政平 徐作照 曹金龙 王 飞

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

锻件超声波探伤灵敏度调整方式有3种： 对比试块法、 AVG法、 底面反射法。 对比试块法适用于模拟式和数字式A型脉冲反射式超声波探伤仪， 对现场超声波探伤人员计算能力要求较低， 探伤结果不易出错， 使用起来简单直观， 当供需双方对探伤结果有争议时， 一般采取这种方式协商解决。 但是这种方式依赖对比试块、 试块每年均需要校准、 需要旋转装置和存放场地、 日常保管需要涂油防锈。 AVG法属于最经济的超声波探伤灵敏度调整方式， 其平底孔“距离—波幅”曲线涵盖了初始脉冲宽度范围外的所有区域， 定量精度取决于仪器软件和配套探头组合的完美程度， 目前国内具有这种能力的仪器极少。 底面反射法也适用于模拟式和数字式A型脉冲反射式超声波探伤仪，对模拟式超声波探伤仪而言， 非常考验超声波探伤人员的计算能力和耐心。 目前国内许多数字式超声波探伤仪公司生产的超声波探伤仪自带有底面反射法辅助计算平底孔当量曲线，对于产品品种多、 探伤场地较多、 对探伤灵活性要求极高的公司而言， 这是一种低成本探伤方式， 也深受现场超声波探伤人员欢迎； 但是这个曲线只能适用于直探头三倍近场长度以外区域， 三倍近场长度以内区域缺陷不能自动计算缺陷平底孔当量。

2.5 MHz直探头波长λ=C/f=5.9/2.5=2.36 mm，λ/2=1.18 mm， 根据检测灵敏度不大于λ/2的理论， 2.5 MHz直探头可以检测不小于ø1.18 mm的平底孔当量缺陷， 一般探伤人员对于该探头是否具有检测ø1.0 mm甚至ø0.5 mm平底孔当量灵敏度的能力持怀疑态度， 因此现场应用时，ø1.0 mm平底孔当量灵敏度均使用5 MHz的直探头。 查阅有关超声波探伤教材可知， 直径相同、 频率相差一倍的直探头， 二者之间三倍近场长度也相差一倍， 严重限制了数字式超声波探伤仪自带辅助计算平底孔当量曲线的使用范围， 也给自带有底面反射法辅助计算平底孔当量曲线的仪器现场使用带来很大不便和困扰。

1 直探头检测灵敏度上限的理论依据

直探头检测灵敏度上限的理论依据源于波的衍射(见图1)。超声波在介质中传播时，若遇到缺陷AB，根据惠更斯-菲涅尔原理，缺陷边缘A、B可以看作是发射子波的波源，使波的传播方向改变，从而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低。波的绕射和障碍物尺寸Df及波长λ的相对大小有关，当Df<<λ时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。当Df>>λ时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射[1]。

图1 波的衍射

当对比试块中平底孔或者工件中缺陷的平底孔当量直径Df<(λ/2)时，不少探伤人员即认为达到了“波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低”，检测结果“肯定”偏差较大，不满足超声检测准确性要求。

根据公式λ=C/f，2.5 MHz直探头波长λ=2.36 mm，λ/2=1.18 mm，平底孔当量直径1 mm<1.18 mm，因此2.5 MHz直探头不能用于检测和评价平底孔当量1 mm及以下尺寸的缺陷。5 MHz直探头波长λ=1.18 mm，λ/2=0.59 mm，平底孔当量直径1 mm>0.59 mm，因此，5 MHz直探头可以用于检测和评价平底孔当量为1 mm及以下尺寸缺陷。

2 2.5 MHz直探头检测能力实际对比验证

目前， 工业产品超声检测灵敏度一般不大于ø0.5 mm， ø2 mm平底孔当量较为常见。当工件壁厚小于150 mm、 探伤灵敏度为ø1 mm平底孔当量、 使用型号为5 MHzø14直探头检测时， 探头三倍近场长度为124.6 mm， 国产仪器使用底面反射法调整探伤灵敏度时， 其平底孔“距离——波幅”曲线从124.6 mm至工件底面声程范围具有自动计算缺陷平底孔当量的能力， 从相互平行两端面分别检测， 芯部有较大计算盲区， 这种情况下使用5 MHzø14直探头采用底面反射法检测明显不合适， 必须采用对比试块法。如果想节约成本不想做对比试块， 此时研究2.5 MHz直探头在三倍近场区外是否可以按照理论计算公式计算ø0.5 mm、 ø1 mm平底孔反射波幅与底面回波之间的dB差值， 也就是2.5 MHz直探头能否检测ø0.5 mm、 ø1 mm平底孔当量缺陷很有必要。

试验过程按照以下步骤进行：(1)将2.5 MHz直探头置于平底孔对比试块上，(2)测出平底孔最大反射波幅度对应dB值；(3)测出试块底波dB值；(4)计算出平底孔反射波幅度与底面回波幅度之间的dB差值；(5)将该dB差与理论公式计算结果比对，判断2.5 MHz直探头检测能力。

仪器为KW-4C数字式超声波探伤仪。探头采用型号为2.5P10、2.5P14的直探头。试块为材质18CrNiMo7-6，ø0.5 mm的平底孔对比试块和ø1.0 mm的平底孔对比试块照片如图2和图3所示。

图2 ø0.5 mm平底孔对比试块

图3 ø1.0 mm平底孔对比试块

ø0.5 mm平底孔对比试块试验结果如表1所示，ø1.0 mm平底孔对比试块试验结果如表2所示。

表1 ø0.5 mm平底孔对比试块试验结果

表2 ø1.0 mm平底孔对比试块试验结果

2.5P14直探头测试ø0.5 mm平底孔信噪比情况如图4、图5所示，2.5P10直探头测试ø0.5 mm平底孔信噪比情况如图6、图7所示。

图4 2.5P14测试60 mm处ø0.5 mm平底孔

图5 2.5P14测试80 mm处ø0.5 mm平底孔

图6 2.5P10测试60 mm处ø0.5 mm平底孔

图7 2.5P10测试80 mm处ø0.5 mm平底孔

3 数据分析

从表1和表2可以看出，2.5P10直探头和2.5P14直探头均可以检出ø0.5 mm和ø1.0 mm平底孔。关于平底孔反射波幅度与底面回波幅度之间dB的差值方面，实际测试与理论计算之间的差值在+0.2～+2.6 dB之间，晶片直径越大差值越小，晶片直径越小差值越大，但是差值不算遥远。

从图4～图7可以看出，2.5P14直探头测试ø0.5 mm时的信噪比远比2.5P10直探头好，二者之间差值约为8 dB左右，说明晶片直径对信噪比影响巨大。

一般认为，如果a+b≈a，那么b对于a而言属于“<< ”，平底孔直径0.5 mm为2.5 MHz直探头λ(2.36 mm)的21.2%，因此，远没达到“当Df<<λ时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检”的适用条件。

4 结论

(1)2.5 MHz直探头可以按照理论公式计算ø0.5 mm、ø1.0 mm平底孔与底面回波幅度之间的dB差值。

(2)2.5 MHz直探头能否用于检测ø0.5 mm平底孔和ø1.0 mm平底孔缺陷，取决于信噪比。条件许可时尽可能选择较大直径的晶片，以期取得图4和图5那样的信噪比效果，有利于现场超声波探伤人员识别缺陷，防止漏检。

(3)对于自带有底面反射法辅助计算平底孔当量曲线的数字式超声波探伤仪而言，在灵敏度和信噪比均满足要求的情况下，适当降低探头频率有利于缩短探头的三倍近场长度，也有利于扩大该类仪器自动计算缺陷的平底孔当量范围，给现场探伤操作提供便利。