超聲波弧面探頭入射點(diǎn)和折射角的測量方法

馬文民，陳智聰，劉 洋

(中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215021)

對承壓部件進(jìn)行超聲波無損檢測時(shí)，經(jīng)常會遇到被檢工件為筒體、管道、棒材等表面為弧面的情況。對表面為弧面的工件進(jìn)行超聲波周向掃查時(shí)，由于被檢工件曲率較小，為了保證耦合，常會選用接觸面為弧面的超聲波探頭或?qū)⑵矫嫣筋^修磨為與工件相同曲率來進(jìn)行檢測。此時(shí)，弧面斜探頭入射點(diǎn)和折射角會發(fā)生變化(見圖1)。也就是說，由于無法保證良好的耦合，在平面試塊上很難準(zhǔn)確地測量探頭的入射點(diǎn)和折射角，因此需要采用特殊的方法和專用試塊來進(jìn)行測量。

入射點(diǎn)和折射角是超聲波檢測探頭極為重要的特性，若測量不準(zhǔn)確，將會影響缺陷位置的判定。筆者對目前使用的弧面探頭入射點(diǎn)和折射角的各種測量方法進(jìn)行了介紹，并提出了測量弧面探頭入射點(diǎn)和折射角的一種新方法，該方法根據(jù)超聲波聲束的反射特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)曲率與被檢工件曲率相同的專用試塊，保證了探頭與工件的良好耦合，并在試塊上加工入射點(diǎn)和折射角的標(biāo)識，利用超聲波聲束在試塊圓弧面和大平底面處的反射，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、便捷地測量弧面斜探頭入射點(diǎn)和折射角。

圖1 弧面斜探頭入射點(diǎn)和折射角變化示意

圖2 平面探頭測量方法示意

1 相關(guān)測量方法介紹

1.1 平面探頭測量方法

平面探頭測量方法示意如圖2所示，將斜探頭放置于CSK-ⅠA試塊上的A點(diǎn)位置，測量斜探頭的入射點(diǎn)。

根據(jù)斜探頭折射角的不同標(biāo)稱值，把探頭放置于試塊上不同位置，測量斜探頭的折射角。當(dāng)折射角為60°75°時(shí)，探頭放置于B位置；當(dāng)折射角為34°66°時(shí)，探頭放置于C位置；當(dāng)折射角為74°80°時(shí)，探頭放置于D位置。

1.2 弧面探頭測量方法一

弧面探頭測量方法一依據(jù)的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN583-2：2001《超聲波檢測 第2部分-2基線和靈敏度的調(diào)整》中推薦的曲面工件實(shí)際折射角計(jì)算方法，磨弧探頭入射點(diǎn)的確定方法示意如圖3所示。

圖3 磨弧探頭入射點(diǎn)的確定方法示意

入射角度如式(1)所示。

(1)

式中：Cd為探頭斜楔的縱波聲速；Ct為試塊中的橫波聲速；β為折射角。

折射角可直接在試件、參考試塊或坐標(biāo)圖上測出，曲面探頭折射角β的測量方法示意如圖4所示。折射角的表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

式中：DSDH為橫孔直徑；S為聲程長度；t為橫孔距離外表面的深度；Dobj為參考試塊的外徑。

圖4 曲面探頭折射角β的測量方法示意

1.3 弧面探頭測量方法二

目前普遍采用菱角反射法測量入射點(diǎn)(見圖5)，將探頭楔塊的圓弧面置于試塊的菱角上，前后移動探頭，以菱角反射波最高時(shí)試塊菱角處對應(yīng)的點(diǎn)為探頭入射點(diǎn)[1]。

圖5 菱角反射法測量探頭入射點(diǎn)的方法示意

折射角的測量方法一：先加工一個(gè)曲率半徑與工件曲率半徑相同的試塊，在試塊表面附近加工一個(gè)φ1.5 mm×20 mm(直徑×長度)的橫孔。折射角的測量方法一示意如圖6所示，分別從兩個(gè)方向找到φ1.5 mm×20 mm橫孔的最高回波，分別測定探頭入射點(diǎn)A和C的位置，并測量A、C兩點(diǎn)之間的距離b，折射角β1的表達(dá)式如式(3)所示。

β1=arccos(b/D1)

(3)

式中：D1為圓柱試塊的直徑。

圖6 折射角的測量方法一示意

折射角的測量方法二：將探頭置于試塊上，測出刻槽直射波與第一次反射波最大值在示波屏上所對應(yīng)的顯示聲程S1和S2，因此實(shí)際一次波聲程S=S2-S1，折射角的測量方法二示意如圖7所示。折射角β2的表達(dá)式如式(4)所示。

(4)

式中：δ為試塊的厚度；D2為試塊的外徑。

圖7 折射角的測量方法二示意

1.4 弧面探頭測量方法三

采用與工件曲率相同的對比試塊，將斜探頭置于如圖8所示的試塊上，測出橫孔直射波與第一次反射波最大值所對應(yīng)的水平距離L1、L2，根據(jù)試塊曲率半徑R、壁厚δ，計(jì)算出(L2-L1)/2R和δ/2R的值，折射角β3與(L1-L2)/2R和δ/2R的關(guān)系曲線如圖9所示，從圖9中可查出折射角β。利用中心發(fā)現(xiàn)儀測量入射點(diǎn)方法示意如圖10所示，然后中心發(fā)現(xiàn)儀角度指針撥到β3值，并使指針通過試塊橫孔中心，則中心發(fā)現(xiàn)儀上β3角頂點(diǎn)對應(yīng)的點(diǎn)即為探頭的入射點(diǎn)[2]。

圖8 弧面對比試塊結(jié)構(gòu)示意

圖9 折射角β3與(L1-L2)/2R和δ/2R的關(guān)系曲線

圖10 利用中心發(fā)現(xiàn)儀測量入射點(diǎn)的方法示意

2 新測量方法

上述列舉的3種弧面斜探頭折射角和入射點(diǎn)的測量方法各有優(yōu)勢，有的操作方便但準(zhǔn)確度不高；有的測量較準(zhǔn)確但操作不便，需要用到查表、計(jì)算和使用中心發(fā)現(xiàn)儀等專用設(shè)備，不利于現(xiàn)場實(shí)施。新的超聲波弧面(外弧面和內(nèi)弧面)斜探頭參數(shù)測量方法是利用超聲波在試塊弧面處反射和平面處反射，并在試塊上加工折射角刻度，來對弧面探頭折射角和入射點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速便捷、準(zhǔn)確直觀地測量。

2.1 入射點(diǎn)的測量

2.1.1 入射點(diǎn)測量試塊的設(shè)計(jì)

試塊應(yīng)采用與被檢工件聲學(xué)特性相同或相似的材料，試塊厚度為25 mm，弧面曲率與被檢工件的曲率相差應(yīng)小于10%。

圖11 弧面探頭入射點(diǎn)測量試塊示意

根據(jù)被檢工件選擇外弧面或內(nèi)弧面試塊，形狀為如圖11所示的雙弧面試塊，上弧面曲率與被檢工件的曲率一致。上弧面和下弧面的圓心處在一條垂直直線上，下弧面的圓心在上弧面上，在試塊上弧面的側(cè)面以永久刻槽的形式標(biāo)示出下弧面的圓心(圖11中0點(diǎn))。對于曲率半徑不小于80 mm的工件，下弧面曲率半徑為50 mm。對于圓弧面曲率半徑小于80 mm的工件，下弧面曲率半徑為25 mm。

2.1.2 入射點(diǎn)的測量

將斜探頭放置于曲率與工件曲率相同的試塊表面上，弧面探頭入射點(diǎn)新測量方法示意如圖12所示，前后移動探頭，利用試塊上加工的曲率為50 mm(或25 mm)的下弧面，將下弧面反射波調(diào)整到最大幅值，此時(shí)探頭入射點(diǎn)處于下弧面的圓心位置。根據(jù)試塊上標(biāo)示圓心的刻槽，確定探頭入射點(diǎn)的位置，用直尺測量入射點(diǎn)距離探頭前端的前沿長度，并在探頭側(cè)面采用記號筆或刻槽形式標(biāo)識出探頭入射點(diǎn)位置。

圖12 弧面探頭入射點(diǎn)新測量方法

2.2 折射角的測量

2.2.1 折射角測量試塊的設(shè)計(jì)

試塊應(yīng)采用與被檢工件聲學(xué)特性相同或相似的材料制作，試塊厚度為25 mm，曲率與被檢工件的曲率相差應(yīng)小于10%。在試塊圓弧面上以永久刻槽的形式標(biāo)示折射角刻度，并標(biāo)示30°，40°，50°，60°，70°折射角。對于工件曲率半徑大于120 mm的試塊，角度刻度間距為0.5°，對于工件曲率半徑不大于120 mm的試塊，角度刻度間距為1°。

對于被檢工件的外圓弧面，采用形狀如圖13(a)所示的直角外弧面試塊。試塊弧面曲率與被檢工件的曲率一致。O點(diǎn)為圓弧面圓心，∠BAC為直角，圓弧面上角度刻度值為該處到圓心的連線與側(cè)面(圖中AC邊)的夾角β。

對于被檢工件的內(nèi)圓弧面，采用試塊形狀如圖13(b)所示的直角內(nèi)弧面試塊。O點(diǎn)為圓弧面圓心，∠BAC為直角，圓弧面上角度刻度值為該處到圓心的連線與側(cè)面(圖中BE邊)的夾角β。

圖13 弧面探頭折射角測量試塊示意

2.2.2 折射角的測量

將斜探頭放置于與被檢工件曲率相同的試塊圓弧面上，弧面探頭折射角測量方法示意如圖14所示。聲束朝向試塊底面大平底(圖14中AB邊)，前后移動探頭，將底面大平底面反射波調(diào)整到最大幅值，此時(shí)超聲波聲束與底面大平底面垂直，探頭入射點(diǎn)的標(biāo)識位置對應(yīng)的試塊側(cè)面標(biāo)識的角度刻度值即為該探頭的折射角。

圖14 弧面探頭折射角測量方法示意

新測量方法對于折射角的測量精度，取決于試塊側(cè)面刻度的精度，如果要提高測量精度，需要加工更為精密的刻度。由于角度增大后移動探頭，聲束角度改變將趨于不明顯，所以當(dāng)測量的探頭折射角大于55°后，隨著折射角的增加，誤差將增大。此外，操作人員的測量手法也將影響探頭的測量結(jié)果。

2.3 合并后的弧面探頭參數(shù)測量試塊

為了便于現(xiàn)場操作，可將上述探頭入射點(diǎn)測量試塊和折射角測量試塊合并為一塊弧面探頭參數(shù)測量專用試塊，試塊的制作方法參見第2.1和2.2節(jié)。

試塊外形為如圖15所示的雙弧面直角試塊?；∶嫘碧筋^入射點(diǎn)和折射角在同一弧面上進(jìn)行測量，先將聲束朝向右側(cè)50 mm(或25 mm)弧面，測量探頭入射點(diǎn)。然后將聲束朝向底面大平底，利用試塊側(cè)面的角度刻度值，測量探頭折射角。

3 測量方法對比

為了分析不同方法的實(shí)際測量效果，對各種方法進(jìn)行對比測試。檢測儀器選用汕頭市超聲儀器研究所CTS-9009數(shù)字超聲儀。探頭選用GE公司生產(chǎn)的弧面斜探頭，探頭曲率半徑為84 mm。測量方法一的適用對象為平面探頭經(jīng)磨制加工后的弧面探頭，測量的探頭出廠即為弧面，因此測量方法一不適用。其他3種方法的測量結(jié)果如表1所示，測量結(jié)果均為分別測量3次后所取的平均值。

圖15 弧面探頭參數(shù)測量試塊結(jié)構(gòu)示意

表1 弧面探頭入射點(diǎn)、折射角的3種測量方法的測量結(jié)果

測量方法二入射點(diǎn)測量采用CSK-ⅠA試塊，折射角測量分別采用φ168 mm圓柱體和φ168 mm×18 mm(外徑×壁厚)的鋼管。采用菱角反射法測量入射點(diǎn)，入射點(diǎn)的測量偏差較大，由于入射點(diǎn)不太準(zhǔn)確，所以折射角的測量也存在較大偏差，其中折射角測量方法一由于聲束指向橫孔時(shí)形成游動回波，回波包絡(luò)較寬，不易判別最大回波位置。而折射角測量方法二的一次反射波由于聲程較長且經(jīng)過內(nèi)表面反射，信號較弱且回波包絡(luò)較寬，判別最大回波位置較困難。

測量方法三的試塊采用φ168 mm×18 mm的鋼管制作。首先測量探頭折射角，由于一次反射波的聲程較長且經(jīng)過內(nèi)表面反射，回波包絡(luò)較寬，不易判別最大回波位置。水平距離L1和L2的測量、折射角的查表均存在一定誤差，隨后使用中心發(fā)現(xiàn)儀測量入射點(diǎn)也存在人為測量誤差。

新測量方法采用所述的外弧面探頭參數(shù)測量專用試塊。入射點(diǎn)的測量利用試塊弧面回波，與平面探頭的測量方法類似。折射角利用試塊大平底面回波，最大回波明顯且位置較好判別。

4 結(jié)語

對于外弧面和內(nèi)弧面的兩種情況分別設(shè)計(jì)了專用試塊，試塊外形簡單、使用方便。利用超聲波聲束在專用試塊弧面和大平底面的反射，通過試塊側(cè)面的刻度標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)對弧面超聲波探頭入射點(diǎn)和折射角直觀、準(zhǔn)確地測量，無需計(jì)算和查表，很好地解決了弧面斜探頭入射點(diǎn)和折射角測量的難題。