鎳銅合金棒材超聲波檢測方法

劉英和，蔡詩瑤，范鐵錚，王 洋

（天津市友聯螺旋鋼管有限公司，天津 301606）

1 存在問題

常用鎳銅合金棒材有φ17.4mm，φ22.2mm，φ 25.4mm，φ31.5mm等四種規格，超聲波探傷時使用CSK－ⅠA型標準試塊校準2.5P8×8K2橫波探頭的前沿與K值及掃描基線，探傷時棒材中心的縮孔、夾渣類缺陷常出現漏檢。筆者提出的超聲波探傷方法最大限度減少了橫波探傷的盲區，提高了缺陷檢出率。

2 原因分析

2.1 小晶片探頭（9mm×9mm以下）頻率

超聲波的頻率取決于壓電晶片的厚度，厚度越薄頻率越高。圖1是2.5P8×8K2和5P8×8K2探頭與探傷儀器組合始波寬度，比較后不難看出，壓電晶片面積相同，頻率不同，儀器與探頭的組合始脈沖寬度不同（儀器自身始脈沖寬度固定不變，而儀器探頭的組合始脈沖寬度主要受超聲波頻率影響）。

圖1 K2斜探頭與儀器組合始波寬度

鎳銅合金棒材加工程序為澆鑄錠、開坯、軋制、拉拔，依據鑄件的特點、圓心部位為缺陷較為集中的區域。以φ17.4mm棒材為例，半徑為8.7mm，參考圖1，2.5P8×8K2探頭與探傷儀器組合始波寬度已經占到儀器掃描基線9.8mm的位置，棒材圓心位置8.7mm附近的缺陷反射回波全部裹在儀器與探頭組合始波寬度之內而無法分辨，此即為出現缺陷漏檢的原因之一，因此應選用頻率較高的探頭。

2.2 距探頭1.64N（N探頭近場長度）處對探傷的影響

（1）聲壓分布的影響

參考圖2，從超聲場橫截面聲壓分布情況來看，聲源附近的聲波存在極大與極小值不利于探傷，當超聲波傳輸到N／2時主聲束上的聲壓是零，圖中A、B位置的聲壓較高但不利于缺陷定位。當超聲波傳輸到N的位置時超聲波的能量逐漸開始向主聲束集中，當超聲波傳輸到1.64 N的位置時超聲波的能量集中在主聲束上（C點位置），此點聲的能量最高，指向性最好，也最有利于發現缺陷。探傷時如能將容易出現缺陷的位置落在1.64 N的附近，缺陷檢出概率將明顯增加。

圖2 超聲場聲壓分布示意圖

（2）不同介質（探頭斜楔與被檢棒材）對近場長度的影響

橫波探頭近場區長度計算公式為：

式中：a，b為壓電晶片的邊長；λ為波長；β為橫波折射角度；α縱波入射角度。

橫波探頭斜楔中占有近場區長度N″的計算公式為：

式中：L為超聲波在探頭斜楔中走過的距離。

不同斜楔材質（有機玻璃與聚峰材質）與K值及余弦三角函數、正切三角函數的比值見表1。

表1 不同斜楔材質的cosβ／cosα、tgα／tgβ與K 值的關系

橫波探頭斜楔中占有近場長度N″的計算過程：

以使用2.5P8×8K2聚峰材質斜楔橫波探頭為例，K 值即tgβ等于2，因此有β＝63.44°。

通過表1可查出K＝2時tgα／tgβ＝0.44，由此得α＝41.35°。

式中：cs為橫波聲速；f為超聲頻率。

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

圖3 橫波斜探頭中斜楔結構示意

cosα＝2.5mm／L2，L2＝2.5mm／cos41.5°＝3.33mm，超聲波在探頭斜楔內的聲程L＝L1＋L2＝6.85mm，探頭內部占有的近場長度N″由式（2）計算得3.02mm。

以φ17.4mm鎳銅合金棒材為例分析1.64 N所處的位置：

計算2.5P8×8K2聚峰材質斜楔橫波斜探頭的近場長度得N 為9.4mm，1.64 N 則為15.42mm（晶片邊長為8mm×8mm）。

通過圖4可知聲程 S＝8.7mm／cosβ＝8.7mm／cos63.44°＝19.33mm。

1.64 N在圖4聲程S中所占有的長度N′＝1.64 N－N″＝12.4mm，N′對應的深度h′＝cosβ×N′＝5.54mm，與圖4中的h 相差8.7mm－5.54mm＝3.16mm。

N′＝12.4mm，S－N′＝6.93mm。

圖4 φ17.4mm鎳銅合金棒材探傷模擬示意

上述分析說明超聲波指向性最好，能量最集中，最有利于發現缺陷的聲場位置的1.64 N 不在φ17.4mm棒材缺陷較為集中的圓心位置，此即為被檢棒材出現缺陷漏檢的原因之二。

（3）規格2.5P8×8K2探頭與CSK－ⅠA型校準試塊對靈敏度的影響

超聲波探傷屬于接觸式探傷，所用探頭與校準試塊及被檢工件的耦合效果將直接影響探傷靈敏度。2.5P8×8K2探頭與CSK－ⅠA型校準試塊均為平面，而被檢棒材的曲率半徑R為8.7mm，很顯然用平面探頭與平面試塊的校準結果檢測曲率較大的棒材工件是不合適的，這即是出現缺陷漏檢的原因之三。

3 解決問題的方案

通過前述分析可知出現缺陷漏檢的因素主要是儀器與探頭組合始脈沖寬度過寬，聲場最佳位置1.64N不在缺陷密集區，探頭與校準試塊的選用不合理。

根據超聲波的基本知識可知提高超聲波的頻率可以有效地改變組合始脈沖寬度，同時也可以在較高頻率的情況下通過改變壓電晶片尺寸或折射角度β來改變1.64 N的位置，根據等效試塊的原理可以使用被檢棒材設計制作等效校準試塊。

3.1 解決問題的思路

針對φ17.4mm鎳銅合金棒材，以規格5P6×6K1.5，R8.7（軸向曲率）聚峰材質斜楔橫波斜探頭檢測作如下分析：

（1）通過上述分析可知，K＝1.5橫波折射角度β＝56.31°。通過表1查得此時tgα／tgβ＝0.52，縱波入射角度α＝38°。

（2）參考圖3與2.2的計算方法可知，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橫波探頭波長λ＝cs／f＝3.24／5.0＝0.65mm；

5P6×6K1.5，R8.7規格探頭近場長度N 按式（1）計算得12.424mm，1.64 N＝20.38mm。

（3）以入射點為基準分析1.64 N在圖4聲程S中所處的位置N′及對應深度h′：

1.64N在圖4聲程S中所占有的長度N′＝1.64 N－N″＝17.33mm；

對應深度 h′＝cos56.31°×17.33mm＝9.6mm；

與圖4中的h相差9.6mm－8.7mm＝0.9mm（2.5P8×8K2規格探頭相差3.16mm）。

5P6×6K1.5，R8.7規格探頭在圖4中聲程S＝h／cos56.31°＝15.68mm，N′－S＝17.33mm－15.68mm＝1.65mm（2.5P8×8K2規格探頭相差6.93mm）。

聲場最佳位置1.64 N基本在棒材缺陷密集的圓心位置，這說明使用5P6×6K1.5，R8.7橫波斜探頭檢測規格φ17.4mm鎳銅合金棒材較為合適。

同理規格φ22.2mm鎳銅合金棒材使用5P6×6K2，R11.1mm橫波斜探頭，規格φ25.4mm鎳銅合金棒材使用5P6×6K1，R12.7mm橫波斜探頭，規格φ31.5mm鎳銅合金棒材使用5P8×8K1，R15.75mm橫波斜探頭較為合適（計算過程略）。

3.2 等效校準試塊

（1）設計與制做

鎳、銅合金棒材表面軸向曲率與CSK－ⅠA型標準校準試塊有較大區別，為保證掃描基線或K值校準的準確性以及改善耦合效果提高檢測靈敏度，用鎳、銅合金棒材按圖5制做雙孔法等效校準試塊，試塊測試面的曲率半徑與被檢棒材曲率半徑相同，兩個間隔距離一定，不同深度相同孔徑的測試孔孔徑為φ1.0mm，見圖5（孔徑越小測試精度越高，不同規格鎳、銅合金棒材要分別制作等效校準試塊）。

圖5 雙孔法等效校準試塊

（2）試塊的使用方法

使用5P6×6K1.5，R8.7軸向曲率探頭分別掃查該校準試塊上兩個不同深度的測試孔，分別找到兩個測試孔反射回波最高點后測量出兩孔法線到探頭外殼前端的距離，將測量的距離值分別輸入到CBC－100型數字式超聲波探傷儀中（具有雙孔法自動校準功能）儀器自動完成掃描基線、探頭K值與前沿校準。

（3）圖6，7為使用同一臺CBC－100型數字式超聲波探傷儀，分別使用2.5P8×8K2探頭與5P6×6K1.5，R8.7軸向曲率橫波斜探頭，分別檢測規格φ17.4mm鎳銅合金棒材中深度為7.2mm的同一缺陷的結果比較。通過圖6，7可以看出不同規格探頭的檢測結果不同。

圖6 2.5P8×8K2探頭檢測結果

圖7 5P6×6K1.5，R8.7軸向曲率探頭檢測結果

4 結論

橫波探傷過程中如能依據被檢工件的材質、幾何形狀、制造特點正確選擇探頭頻率、壓電晶片尺寸與K值，盡量保證橫波探頭的1.64 N處在被檢工件的缺陷密集區，最大限度地縮小“組合始波寬度”將有效提高缺陷檢出率與信噪比。同時應盡量保證選用探頭的軸向曲率半徑與被檢棒材的軸向曲率半徑相同，在現有標準校準試塊與對比試塊均無法滿足探頭前沿、K值、掃描基線校準的情況下，利用等效試塊的原理設計、制作等效校準試塊，改善耦合條件是保證檢測靈敏度的重要因素。