双晶探头在扁钢探伤中的应用.pdf

1 采用双晶直探头探伤模具钢厚板何勇智（攀长特公司质量计量中心，四川江油621701）摘 要：攀长特公司生产的模具钢厚板规格基本上在所使用单晶直探头的三倍近 场区内，若采用单晶直探头势必要制作大量对比试块，操作繁琐 为达到模具钢 板 不 得 有 大 于 Φ 3mm平 底 孔 当 量 缺 陷 的 超 声 检 测 内 控 要 求 ， 本 文 结合 GB/T2970-2004标准，提出对模具钢厚板探伤采用数字超声仪做双晶直探头距离 —波幅曲线来调整检测灵敏度和对缺陷判定（定量），并通过测试选定探头型号 和做曲线的试块关键词： 双晶直探头距离—波幅曲线灵敏度平底孔焦距攀长特公司生产的模具钢板超声波探伤参照GB/T2970-2004 执行，按不大于Φ 3mm 平底孔当量缺陷进行判定目前我们用的单晶直探头直径为Φ 14～20mm ，频率为 2.5MHz或 5MHz ，模具钢厚板规格基本在所使用单晶直探头的三倍近场区内，所以单晶直探头对缺陷定量采用当量试块法这样需要制作大量的试块，操作也较繁琐，现场探伤要携带许多试块，很不方便双晶直探头有灵敏度高、杂波少盲区小、近场区长度小，波形简单等优点已被广泛用于中厚板的检测。

为有效评判检测出的内部缺陷， 我们试着采用双晶直探头来检测模具钢厚板由于不同型号的双晶直探头在不同声程处灵敏度差异较大，检测工件厚度范围不同 如果选择探头型号不当， 加上调整检测灵敏度方法不合理，容易造成检测灵敏度过高或过低，影响缺陷的定量而产生误判所以首先应根据模具钢板厚度合理选择双晶直探头型号，然后2 正确选择检测灵敏度的调整方法，才能对不大于Φ3mm 平底孔当量缺陷进行较为准确的判定1. 双晶直探头的选择双晶直探头的结构如图1 所示探头采用两块晶片，发射与接收分开，消除了发射压电晶片与延迟块之间的反射波同时由于始脉冲未进入放大器，克服了阻塞现象，有效减少杂波双晶探头的发射和接收部分都带有延迟块， 使盲区大大减小， 为探伤近表面缺陷提供了有利条件双晶直探头探伤时，对于位于棱形区ABCD 内的缺陷反射信号比区外强当入射角αL 愈大，棱形区水平方向变扁，适合薄工件的探伤检验；反之，入射角αL 愈小，棱形区垂直方向变扁，有效探测深度愈深， 适合厚工件的探伤检验 所以双晶直探头的选择主要为焦距长度的选择图 1 双晶直探头结构图其中： L 为延迟块高度，F 为焦距，α L 和β L 分别为入射角和折射角。

目前我们使用较多的是标称为入射角为2.5P10×12mm 5 °的双3 晶直探头，其焦距可按如下步骤计算出来：根据斯涅尔定律1sinCLLα=2sinCLLβ求出折射角 arcsin βL=CL1CL2Lsin×α式中：αL为入射角，CL1为有机玻璃声速 2700m/s CL2钢中声速 5900m/s 再由几何原理推导DO ≈LLHββ2sincos2⑴可近似求得10×12mm规格5°双晶直探头焦距为26.1mm 理论近似计算的结果， 为我们选择探头提供了主要依据从焦距来看，理想的双晶直探头焦距应等于钢板厚度的一半⑵，根据理论近似计算入射角为5°探头较合理的最大探伤厚度在50mm 左右由于探头制作的差异性， 按标准要求对探头进行性能测定以确定所选双晶直探头是否满足要求2. 探头的性能测定2.1 探伤设施2.1.1 仪器：武汉中科 HS610e数字超声波探伤仪2.1.2 探头选择：⑴频率选择：超声频率高时，波长短，声束指向性好，扩散角小，能量集中，发现缺陷能力强，分辨力好，定位准确但高频率超声波在材料中衰减大，穿透能力差目前生产的模具钢表面较为粗糙，加之选取双晶直探头检测的主要针对模具扁钢的厚板，若采用较高频率易出现林状回波，给探伤带来难度，所以检测采用频率为2.5MHz的双晶直探头。

4 ⑵探头型号： 2 个 2.5P10×12 5°探头，根据不同厂家生产，分别标记为 5-1#、5-2#2.1.3 耦合剂：机油2.1.4制作试块：由于品种主要以Cr12 系列冷作模具钢为主，所以我们采用 D2模具钢参照 GB/T2970-2004标准制作大平底阶梯试块 （见图 2）和Φ 5.6mm平底孔试块（注：Φ 5.6mm平底孔试块用来测定检出灵敏度和有效波束宽度） 其中阶梯试块用来测定探头距离—波幅特性曲线图 2：大平底阶梯试块2.2 探头距离—波幅特性曲线：将探头臵于大平底阶梯试块不同声程处找到最高回波，将最高回波调至到荧光屏满刻度的50% ，测得不同声程处最高回波的dB值经测试，在 25mm 声程处灵敏度最高，以此作为参考波 再依次记下参考波与大平底阶梯试块各声程处最高回波的 dB差值，得到相对回波dB值测试结果见表1以纵坐标表示相对回波dB 值，以横坐标表示回波声程距离作探头距离—波幅特性曲线 5-1#、5-2#距离—波幅特性曲线如图3、图4 所示5 图 3：5-1#探头距离—波幅特性曲线图 4：5-2# 距离—波幅特性曲线表 1 双晶直探头性能测定结果探头编号阶梯试块厚度（波高/dB）≤ 6dB范 围(dB) 检 出 灵敏度(dB) 有效波束宽度(mm) 3mm 5mm 10mm 20mm 25mm 30mm 40mm 50mm 60mm 5-1# -5 -4 -2 -1 0 -1 -2 -3.5 -6.5 3～56 -10 17 5-2# -5.5 -5 -4 -2 0 -1.5 -4 -6.5 -8 3～48 -12 15 理论计算的 5°探头的焦距长度约为26.1mm 。

从图 3 和图 4 探头的距离波幅特性曲线看，5-1#、5-2#探头在 25mm 左右灵敏度最高，说明对探头焦距的理论近似计算结果与性能测试结果基本一致根据双晶直探头焦距应等于钢板厚度的一半原则，那么5°探头最大检测厚度应为50mm 而通过实测， 5-1#探头按标准要求最大检测厚度 56mm ，5-2#探头按标准要求最大检测厚度48mm ，实测结果也基本一致3. 确定调整检测灵敏度方法双晶直探头调整检测灵敏度有2 种方法：6 3.1 第一种方法是参照GB/T2970-2004 标准要求：“采用双晶直探头检验时，用图 2 大平底阶梯试块或在同厚度钢板上将第一次底波高度调整到满刻度的50% ，再提高灵敏度 10dB作为检验灵敏度”但是 GB/T2970-2004 标准中单晶直探头是按Φ5.6mm当量试块进行调整，而双晶直探头没有说明提高10dB是按什么当量调整由于模具钢板缺陷主要集中在钢板中心， 而双晶直探头不同声程灵敏度是变化的，若采用这种方式调整， 不同声程的同当量缺陷在焦距处验收比较严，在远离焦距处验收比较松显然不适合模具钢内控标准要求3.2 第二种方法是根据工件形状和厚度采用合理对比试块制作平底孔距离—波幅曲线。

3.2.1 试块的选择：由于 5°探头在 10mm 以下灵敏度降低幅度较大，加上模具钢板的缺陷一般在中心位臵，也就是说最小检测厚度最好在 20mm 左右为此我们参照JB/T8428-2006 《无损检测超声检测用试块》中CS-3 纵波双晶直探头标准试块，采用与大平底阶梯试块同材质的 D2模具钢制作了两块纵波双晶直探头对比试块，厚度分别为 50mm 和 20mm （如图 5、图 6） 7 图 5 50mm 厚Φ 3mm平底孔对比试块图 6 20mm 厚Φ 3mm 平底孔对比试块用 5-1#双晶直探头分别检测20mm 、50mm 厚对比试块平底孔将探头依次臵于不同深度的Φ3mm 平底孔上，找到各平底孔最高回波，调整波高到荧光屏满刻度的80% 得出记下各 dB值，见表 2表 2 Φ3mm平底孔对比试块dB值检测面到平底孔距离(mm) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 50mm厚试块Φ 3mm平底孔波高(dB) 52 49 46.5 45 44.5 45.5 47 48 49 51 与大平底dB 差13 13 12 12 11.5 11.5 12 12 12 13 20mm厚试块Φ 3mm平底孔波高(dB) 51 48.5 46.5 ———————与大平底dB 差12 12 11 ———————8 从表 2 可以看出， 50mm 厚试块上各检测面到平底孔的距离与相同声程大平底的分贝差最高+13dB ，最低 +11.5dB；20mm厚试块与上各检测面到平底孔的距离与相同声程大平底的分贝差最高+12dB ，最低+11dB 。

50mm 厚试块与 20mm 厚试块同声程的平底孔分贝差在+0.5～1dB之间，两试块同声程的平底孔波高基本一致因此，可以用图5平底孔对比试块对20～50mm 的模具厚板进行探伤检测3.2.2 制作Φ3mm 平底孔距离—波幅曲线在实际检测工作中，纵波双晶直探头制作距离—波幅曲线最好采用面板曲线， 这样可以直观的评判不同声程处缺陷的当量的大小使用模拟超声探伤仪需要在试块上依次测试一组不同检测距离的Φ3mm平底孔（至少三个）调节衰减器，使其中最高的回波幅度达到满刻度的 80% 不改变仪器的参数，测出其它平底孔回波的最高点，用笔将其标在荧光屏上， 连接这些点， 即是纵波双晶直探头的距离—波幅面板曲线使用数字超声探伤仪可以更加方便的制作出平底孔距离—波幅面板曲线，评判不同声程处缺陷的当量大小更加直观本文以HS610e数字超声探伤仪为例来制作Φ3mm 平底孔距离—波幅曲线首先为了准确地对工件缺陷定位，双晶直探头必须先要校正探头的入射零点 校正结束后， 就可以采用仪器的曲线制作功能开始制作Φ3mm 平底孔距离—波幅曲线将探头依次对准图5 对比试块中不同埋深平底孔，调节增益使波高稳定于屏幕80% 高度，点击波峰记忆和确定，仪器自动将测得的各点进行连线，保存后一条Φ3mm 平底孔距离—波幅曲线就做好了。

9 由于试块和检测钢板表面粗糙度存在差异，所以还要考虑耦合补偿测得阶梯试块50mm 厚大平底为 38dB ，与同厚度模具钢大平底三点 dB值分别为 43dB 、 42dB、 43.5dB， 三点均值后与大平底差为4.8dB，表面耦合补偿 5dB 即直接在探伤仪表面补偿选项中输入5dB 3.2.3 距离—波幅曲线实际应用以 5-1#探头为例，现场对30mm 厚 D2进行检测先将制作好的距离—波幅曲线增加6dB作为扫查灵敏度检测时在钢板中部位臵发现一缺陷距检测面深15mm ，反射波已超过 80% 降低 6dB后，缺陷反射波仍超过 80% 此时仪器自动显示缺陷当量为Φ3.66mm ，超过标准要求不合格经取典型样做低倍确定为夹杂，直径约3.1mm 图 7 超过Φ 3mm 平底孔当量缺陷5. 结论5.1 通过理论计算和实际测试，证明了2.5P10×12 5°双晶直探头灵敏度特性适合检测20～50mm 规格的模具厚板为 GB/T2970-2004标准中双晶直探头可探厚度范围由原20mm 扩大到 60mm 提供了试验测试数据的支撑理论依据5.2 为获得较好的检测灵敏度，20mm 规格以下的钢板可采用入射10 角大于 5°的探头另作距离—波幅曲线。

50mm 以上模具钢板继续采用单晶直探头检测5.3 由于模具钢板内部质量要求较严，同时考虑双晶直探头灵敏度变化特点，双晶直探头检测灵敏度的调整以做平底孔距离—波幅曲线为准对于成分偏差较大或不同热处理方式交货的其他模具钢，如P20、PC20等采用预硬工艺的模具钢，应采用相应材质另作纵波双晶直探头试块参考文献(1) 王朝辉 , 刘峰, 周丽. 超声检测双晶纵波探头的选择机理. 无损检测，（2011） 01-0023-02 ⑵司春杰 . 双晶探头在中厚板探伤应用中应注意的问题. 无损检测 , （2011） 08-0075-04 ⑶全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会. 超声波探伤（试用本） . 劳 动部锅炉压力容器安全杂志社，1995. ⑷JB/T8428-2006 无损检测超声检测用试块 ⑸GB/T2970 —2004 厚钢板超声波检测方。