超聲檢測標準試塊的分析與實驗教學試件的設計

(南京航空航天大學 機電學院，南京 210016)

超聲檢測是一種在各行業均應用廣泛的無損檢測技術，既可用于金屬合金材料的檢測，也可用于非金屬以及復合材料的檢測。因此，超聲檢測是無損檢測技術教學和培訓的一項必要的和較為重要的部分。實驗教學環節對于該技術的理論學習和工程實踐兩方面的作用不容忽視，而且是各無損檢測技術中的重點實驗內容。

在實際工程應用中，需要依據有關標準采用標準試塊(也稱校準試塊)來評定和校準超聲檢測設備；對比試塊(也稱參考試塊)則含有意義明確的參考反射體，用以調節超聲檢測設備的幅度和(或)時間分度，并將所檢出的不連續信號與已知反射體所產生的信號進行比較 。

對于教學實驗中的樣件及不連續(缺陷)的選用，含有自然缺陷的實際零件在自身類型的不確定性和不可控性等因素的影響下，收集某類典型自然缺陷的實際零件并加工為實驗試件存在操作、成本等方面的難度，因此初步考慮選用標準試塊作為課程實驗樣件。但由于標準試塊在功能上具有一定的專用性和單一性，同時考慮實驗中分別使用不同標準試塊所存在的管理、成本等方面的因素，所以最終決定綜合當前教學實驗的實際目標以及不同標準試塊的特征，設計可用于超聲檢測技術本科教學實驗的試件。

使用參考超聲標準試塊來設計專用試件的方法，也見于一些特定材料和應用領域。在焊縫的超聲檢測中，由于場地等的限制，參考現有的標準試塊和對比試塊，設計了檢測靈敏度與標準試塊相當的專用檢驗試塊[1]。針對小直徑鎢合金棒材超聲檢測質量的要求，在分析棒材成型工藝過程中可能產生的缺陷類型的基礎上，設計了超聲檢測用對比試塊，實現了對超聲水浸縱波和折射橫波的靈敏度調節[2]。超聲相控陣技術也逐漸應用于工業無損檢測領域，正如常規超聲檢測需要各種試塊一樣，超聲相控陣檢測也需要各種類型的試塊，主要包括校準試塊、參考試塊和模擬試塊等[3]。

筆者結合當前超聲檢測技術理論教學的特點，以及所具備的實驗設備條件，分析了當前相關國家標準和行業標準中實驗試塊的功能特征結構，設計了符合當前本科無損檢測技術課程教學中超聲檢測技術部分的實驗教學試件。

1 標準試塊分析

各級標準中定義的超聲標準試塊按功能分可分為校準試塊和參考試塊。試塊具有規定的材料、形式、尺寸、形狀等屬性，以提供相應的功能，如參考面、不連續、指示值刻度等。文中將標準試塊中的各類參考面、不連續稱為試塊的功能特征。

1.1 校準試塊

1.1.1 JB/T 8428-2015 《無損檢測 超聲試塊通用規范》 / CSK-IA試塊

CSK-IA試塊是在荷蘭試塊的基礎上改進的，主要特征包括厚度25 mm或100 mm，R100、R50的階梯圓弧，寬2 mm、深6 mm的矩形槽，φ1.5 mm的橫孔，φ50 ，φ44，φ40 mm的階梯孔等。CSK-IA試塊的主要特征及其功能如表1所示。

表1 CSK-IA試塊的特征及功能

1.1.2 GB/T 19799.2-2012 《無損檢測 超聲檢測 2號校準試塊》/2號試塊

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

表2 2號試塊的特征與功能

1.2 參考試塊

1.2.1 JB/T 8428—2015/平底孔試塊

CS-1、CS-2、CS-3等參考試塊具有平底孔參考反射體，適用于鍛造鋼坯材料低倍缺陷的超聲波檢驗。對于其他合金材料，也有相似的標準試塊及其特征。主要特征平底孔具有一定埋藏深度和直徑，根據測得平底孔回波的幅度來調節直探頭和檢測儀器的基準靈敏度、檢測靈敏度余量的大小和變化等，利用平底孔多次回波處的實際值與理論值的偏差可求出水平線性誤差。

1.2.2 GB/T 23905-2009《無損檢測 超聲試塊通用規范》, GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》/橫孔試塊

CSK-IIA參考試塊具有平面上的橫孔參考反射體特征，為若干2 mm直徑的橫孔，用于斜探頭入射點與折射角的測量、焊接接頭的斜射探頭測量時儀器時間基線的調整、距離-波幅曲線的繪制等。焊縫無損檢測時，以直徑3 mm橫孔作為基準反射體，制作距離-波幅曲線，設定參考靈敏度。RB-2參考試塊主要特征為測量距離不同的直徑3 mm橫孔。

1.2.3 NB/T 47013.3-2015 《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》/短橫孔試塊

CSK-IIIA參考試塊具有短橫孔參考反射體，在半徑10 mm的開放孔內壁上具有若干1 mm直徑的短橫孔，用于焊接接頭斜射探頭測量時的距離-波幅曲線的繪制及其靈敏度的檢測。

2 實驗試件的設計

針對當前本科課程教學的要求設計實驗用試件，其功能特征參考現有的對比試塊和標準試塊，將多種試塊功能特征集于一體，使其功能多樣化，同時具有校準試塊和參考試塊的功能。

2.1 設計目標與方案

在校準試塊與對比試塊功能特征的基礎上，同時考慮教學中對理論基礎、設備儀器、典型缺陷的常用檢測方法等內容的輔助與鞏固，對設備儀器的操作訓練和實踐能力培養，以及實驗課時限制等因素，實驗試件的目標功能包括校準試塊的評定校準儀器設備的功能，以及對比試塊參考反射體功能兩部分。

儀器設備評定校準功能包括傳感器和儀器水平線性與垂直線性的測定、直探頭與斜探頭遠程分辨力的測定；斜探頭入射點與折射角(K值)的測定、直探頭盲區的估計、傳感器與儀器靈敏度余量的設定等。對比試塊以平底孔特征進行直探頭不連續的檢測，以橫孔和短橫孔特征進行斜探頭不連續的檢測。

2.2 設計方案

從實驗要求出發，以CSK-IA校準試塊結構和功能為基礎，綜合平底孔試塊、橫孔試塊、短橫孔試塊等參考試塊的功能特征進行設計，實驗試件三維圖如圖1所示。

圖1 實驗試件三維圖

2.2.1 半徑100 mm圓弧與矩形槽

參考CSK-IA試塊，用來測定斜探頭的入射點、斜探頭與儀器的水平線性、直探頭的遠場分辨力等。圓弧和矩形槽部分厚度為25 mm。

2.2.2φ50-44-40 mm階梯孔和φ1.5 mm盲孔

參考CSK-IA試塊，階梯孔具有φ50，φ44，φ40 mm三段圓柱孔組成的階梯；φ1.5 mm盲孔作為橫孔使用，孔深25 mm。可以進行斜探頭的K值、遠程分辨力、聲束擴散角等的測定。

2.2.3 一組φ2,φ3,φ4 mm平底孔

參考CS-1、CS-2試塊，參考反射體為具有相同聲程(100 mm)、不同孔徑的平底孔，孔深25 mm。用于以φ2 mm孔為基準確定直探頭探測基準靈敏度、孔缺陷當量測量、檢測范圍調整等。同時可進行直探頭縱向模擬缺陷檢測的練習。

2.2.4 一組φ3 mm橫孔

參考CSK-IIA與RB-2對比試塊，參考反射體設計為一組φ3 mm橫孔，孔深為40 mm，孔中心距為40 mm。作為對比試塊的特征，可以進行斜探頭距離-波幅曲線的繪制。同時在實驗中，可以模擬直探頭及斜探頭對焊縫不連續缺陷長度的檢測以及用于距離-波幅關系的測定。

2.2.5 短橫孔試塊(CSK-IIIA參考試塊)

短橫孔參考試塊設計有半徑為10 mm的開放半圓柱孔，內壁上的若干孔為深6 mm、φ1 mm的短橫孔，用于堆焊接頭中橫向缺陷斜射探頭測量中的距離-波幅曲線的繪制。同時在練習中可以模擬焊接區域斜探頭探測掃查的操作。

3 結語

以超聲檢測相關標準中校準試塊與參考試塊功能特征的分析為基礎，針對無損檢測技術課程本科教學超聲檢測實驗環節的教學目標，設計了滿足實驗教學需求的實驗試件。該試件具有常用的典型特征，不僅可以用于超聲檢測設備分辨力、靈敏度、水平線性、垂直線性、斜探頭入射點等的實驗，也可用于直探頭和斜探頭模擬檢測的實驗操作。