張富生，孫遠(yuǎn)霞，周鳳革

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司核電石化事業(yè)部，遼寧大連 116113)

0 引言

目前的工業(yè)領(lǐng)域中，核電、火電、鋼鐵、機(jī)械、軍工、礦山、航空航天、石化、船舶等行業(yè)的產(chǎn)品，在制造階段為保證零部件的內(nèi)部質(zhì)量，均要采用無(wú)損檢測(cè)的手段來(lái)判斷和把關(guān)，其中有一些由于外形尺寸、形狀的原因，使用常規(guī)的檢測(cè)設(shè)備、探頭進(jìn)行檢測(cè)的可實(shí)施性較差，給常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法帶來(lái)很大困難。因此，檢測(cè)技術(shù)人員在常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)性研究方面要增加力度，以適應(yīng)新發(fā)展階段的要求。例如，對(duì)于帶曲率工件的超聲波檢測(cè)，使用常規(guī)的直探頭和斜探頭在平面校準(zhǔn)試塊上校對(duì)靈敏度，需要補(bǔ)償多少增益量(dB)才能保證對(duì)實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷給出正確的評(píng)價(jià)結(jié)果，始終沒(méi)有具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)作可靠的依據(jù)。在美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)A388附錄X1中是針對(duì)具體探頭(晶片尺寸 ?30、頻率2.25 MHz)、具體試塊(ASTM No3－0600)使用的曲線，而曲線的繪制沒(méi)有作詳細(xì)說(shuō)明。另外，在美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ卷中焊縫檢驗(yàn)章中，對(duì)于檢測(cè)面帶曲率的焊縫的檢測(cè)在附錄G中有論述，但對(duì)目前國(guó)內(nèi)使用的探頭參數(shù)不能完全對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)中給出的曲線參數(shù)只能作為參考，從而造成在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中設(shè)定檢測(cè)靈敏度時(shí)，附加的曲率補(bǔ)償增益(dB)值也只是估計(jì)值，沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證。

針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了帶有不同曲率的模擬試塊，然后用經(jīng)常使用的、不同類(lèi)型的硬膜直探頭或斜探頭在該模擬試塊上進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)繪制出具體探頭所對(duì)應(yīng)的不同工件曲率(半徑)—增益之間的關(guān)系曲線。該曲線直觀地反映出不同曲率的檢測(cè)面與平面之間，由于曲率的不同，所對(duì)應(yīng)的同聲程、同外形尺寸的反射體所產(chǎn)生的不同反射波增益之間的差值，即曲率補(bǔ)償增益(dB)值。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，將該補(bǔ)償值補(bǔ)償?shù)綑z測(cè)靈敏度中，則可以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 原因分析(曲率的改變對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響)

對(duì)于帶有曲率的工件，使用常規(guī)探頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于常規(guī)探頭都是硬膜直探頭或斜探頭，在與工件帶曲率的表面接觸時(shí)，對(duì)于凸曲面只能以帶有一定寬度的線或一定直徑點(diǎn)的方式(凸曲率柱面為線，凸球面為點(diǎn))接觸(見(jiàn)圖1)，使這類(lèi)探頭發(fā)出的超聲波束在工件中發(fā)散;對(duì)于凹曲率表面，這類(lèi)探頭中心部位根本接觸不上，只能靠邊緣接觸(見(jiàn)圖1)，曲率半徑小到一定值時(shí)，通過(guò)耦合劑，僅有部分聲能透射。雖然凹曲面還有聚焦作用，在某一曲率范圍內(nèi)會(huì)部分抵消接觸不良影響的效果，但最終都是導(dǎo)致聲束傳輸耦合效果變差。隨著曲面的曲率逐漸趨近于零(平面曲率為零)，超聲波傳輸耦合的效果會(huì)逐漸接近于平面的傳輸效果。

由于存在上述情況，導(dǎo)致檢測(cè)面為平面的耦合效果最好，凸曲面次之，凹曲面最差。

理論上，柱面工件曲率半徑對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響主要是通過(guò)改變探頭晶片在工件上的有效接觸面積造成的，公式如下［1］:

圖1 常規(guī)硬膜直探頭與帶曲率工件表面接觸狀態(tài)示意

式中 PΦ——平面工件圓形平面缺陷的反射聲壓

po——平面工件上晶片振動(dòng)面上的平均聲壓

A——晶片面積

A'——有效接觸面積

S——平面工件上圓形平面缺陷距探測(cè)面的距離

S'——柱面工件的圓形平面缺陷距探測(cè)面的距離

α——平面工件的材質(zhì)衰減系數(shù)

α'——柱面工件的材質(zhì)衰減系數(shù)

從式(1)中可以看出，第一項(xiàng)、第三項(xiàng)和第四項(xiàng)與曲率半徑無(wú)關(guān)，因此曲率半徑的影響可以用探頭晶片在平面上的接觸面積A和柱面工件上的有效接觸面積A'之比的分貝差表示，即20lg求出不同曲率時(shí)的有效接觸面積A'，就可以得出不同柱面工件半徑對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。

需要說(shuō)明的是，有效接觸面積A'在這里是指與該有效接觸面積的等效圓相比，等效圓的接觸處于平面狀態(tài)時(shí)，兩者的測(cè)量誤差在2.5 dB以內(nèi)，則此時(shí)的接觸面積稱為“探頭晶片在工件上的有效接觸面積”。

計(jì)算有效接觸面積，以凸曲柱面工件為例，首先需從聲壓在多層界面上的往復(fù)透過(guò)率導(dǎo)出平面狀態(tài)下和曲面狀態(tài)往復(fù)透過(guò)率的聲壓比，并假定平面狀態(tài)的油層厚度為零。導(dǎo)出結(jié)果如下:

式中 T——平面接觸狀態(tài)的聲壓往復(fù)透過(guò)率

T'——曲面接觸狀態(tài)下的聲壓往復(fù)透過(guò)率

k2——穿透聲壓在油層中的波矢量

l——油層的厚度

Z1，Z2，Z3——探頭保護(hù)膜、油層和工件的聲阻抗

通過(guò)式(2)，經(jīng)過(guò)一系列假設(shè)和推導(dǎo)(假設(shè)條件和推導(dǎo)過(guò)程略)，可導(dǎo)出有效接觸上的最大油層厚度 lmax的表達(dá)式為［1］:

從最大油層厚度lmax、柱面工作曲率半徑R和晶片半徑r，就可以導(dǎo)出有效接觸面積A'的計(jì)算式［1］:

2 對(duì)檢驗(yàn)靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠懻?/h2>

硬膜直探頭或斜探頭與帶曲率的表面接觸，造成了接觸面的減小和聲能的分散，使檢測(cè)靈敏度下降。在探測(cè)相同距離和尺寸的缺陷時(shí)，平面接觸的回波波高，顯然要大于曲面接觸的回波波高。欲得到相同的波高，必須適當(dāng)提高曲面探測(cè)時(shí)儀器的增益，即補(bǔ)償量。這個(gè)增益值(補(bǔ)償量)通常被稱為曲率修正系數(shù)。該系數(shù)除與工件表面曲率半徑有關(guān)外，還與所用的超聲探頭的頻率、晶片尺寸、探頭保護(hù)膜材料、耦合劑種類(lèi)以及被檢材料有關(guān)。

美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅴ卷正文第4節(jié)焊縫超聲檢驗(yàn)篇中，在附錄G中對(duì)曲率修正系數(shù)(補(bǔ)償量)的求解過(guò)程作了明確規(guī)定。首先，要掌握被檢測(cè)工件的實(shí)際曲率半徑R、所用換能器的直徑、頻率、保護(hù)膜材質(zhì)及檢測(cè)所用的耦合劑種類(lèi)。根據(jù)所用的換能器直徑和頻率數(shù)值查表求出換能器系數(shù)F1值，再由F1值、所用的探頭保護(hù)膜材質(zhì)和使用的耦合劑種類(lèi)來(lái)具體確定應(yīng)用F1—Rc(換能器臨界半徑)曲線圖中的一條曲線，求出換能器臨界尺寸半徑Rc值。然后根據(jù)工件實(shí)際曲率半徑與換能器臨界半徑之比R/Rc值，最終在曲率修正系數(shù)曲線圖上查出具體的補(bǔ)償量(曲率修正系數(shù))［2－3］。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，帶曲率工件上的檢測(cè)靈敏度就等于在平面試塊上校準(zhǔn)好的靈敏度加上該曲率修正系數(shù)。

然而在上述根據(jù)探頭保護(hù)膜材質(zhì)和使用的耦合劑種類(lèi)確定使用具體F1—Rc曲線時(shí)，ASMEⅤ卷附錄G中所給出的探頭保護(hù)膜和耦合劑種類(lèi)不夠全面，沒(méi)有覆蓋我國(guó)目前經(jīng)常使用的探頭和耦合劑，所以不能確定具體使用圖中的哪一條曲線適合求出Rc，最終導(dǎo)致無(wú)法確定曲率補(bǔ)償量(曲率修正系數(shù))。因此可以看出，這一環(huán)節(jié)中的通用性稍差一些。另外，ASME標(biāo)準(zhǔn)附錄G中明確地規(guī)定了適用的范圍，即當(dāng)凸面材料的曲率直徑＞508 mm時(shí)，可用平面試塊來(lái)校定靈敏度，再另外加上曲率修正系數(shù)值，即可進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)曲率直徑≤508 mm時(shí)，必須使用帶有曲率的(該試塊適用于0.9～1.5倍試塊曲率直徑的帶曲率工件)試塊進(jìn)行校定靈敏度。當(dāng)R/Rc≥1.0時(shí)，使用平面試塊校定靈敏度時(shí)，不用進(jìn)行靈敏度的增益校正。

對(duì)于帶曲率的鍛件檢測(cè)，在美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)A388附錄X1中給出了曲率半徑與波高之間的關(guān)系曲線。該曲線是針對(duì)具體探頭(晶片尺寸?30、頻率2.25 MHz)、耦合劑(只標(biāo)出了機(jī)油和甘油兩種)和具體試塊(ASTM No3－0600)所使用的曲線，而曲線的繪制沒(méi)有作詳細(xì)說(shuō)明，適用的范圍有局限性。如更換不同尺寸的探頭和耦合劑，該曲線反映的數(shù)值就不準(zhǔn)確，從而在確定不同曲率的鍛件超聲檢驗(yàn)靈敏度時(shí)無(wú)法給出相應(yīng)的補(bǔ)償量。

另外，對(duì)于一些曲率半徑很小的工件，例如，小直徑的棒料和管材，在使用接觸法超聲檢測(cè)時(shí)，如果試塊的曲率與被檢工件相同，而且通過(guò)特殊修磨、加楔塊或探頭前加軟保護(hù)膜的方法使探頭表面與工件的曲率全面相吻合，可不考慮曲率修正問(wèn)題。

3 模擬曲率試塊上的實(shí)際測(cè)試

為了彌補(bǔ)日常使用常規(guī)探頭來(lái)檢測(cè)帶曲率工件時(shí)無(wú)法得到具體曲率補(bǔ)償量這一漏洞，筆者首先設(shè)計(jì)了2組帶有不同曲率的柱面模擬試塊，一組帶有凸曲率面;另一組帶有凹曲率面;還有1塊是平面試塊(見(jiàn)圖2)。然后以平面試塊為基準(zhǔn)，使用硬膜直探頭或斜探頭在這兩組試塊上分別進(jìn)行測(cè)試，并與平面試塊上校定的基準(zhǔn)進(jìn)行比較，得出了與具體探頭、不同工件曲率相對(duì)應(yīng)的曲率補(bǔ)償量(曲率修正系數(shù))dB值。在試塊上用于直探頭測(cè)試的基準(zhǔn)反射體為?5橫孔;用于斜探頭測(cè)試的反射體為R50的柱面。

圖2 帶有不同曲率的模擬試塊

4 專(zhuān)用曲率修正系數(shù)曲線的繪制

首先使用具體探頭，分別在不同曲率的試塊上測(cè)量基準(zhǔn)反射體的反射波高在儀器上的讀數(shù)，即衰減器讀數(shù)值(dB)，并列表。然后繪制出衰減器讀數(shù)與曲率之間的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3)。再將曲線上不同曲率所對(duì)應(yīng)的衰減器讀數(shù)與平面曲率(曲率半徑為∞)對(duì)應(yīng)的衰減器讀數(shù)相比較，即可得出不同曲率半徑的檢測(cè)面的曲率修正系數(shù)。

圖3 衰減器讀數(shù)與曲率半徑之間的關(guān)系曲線

從圖3可以看出，對(duì)于凸曲柱面工件的檢測(cè)，其實(shí)硬膜直探頭或斜探頭與凸曲柱面嚴(yán)格意義上是線接觸，其余部分均通過(guò)耦合劑與曲面接觸。隨著曲率半徑增大，探頭與凸曲柱面間的耦合劑厚度減少，并且由于耦合劑潤(rùn)濕性能的影響，使探頭通過(guò)耦合劑與凸曲柱面接觸面積增大，由此導(dǎo)致聲耦合性能的改善，對(duì)超聲傳輸?shù)鸟詈闲Ч饾u變好，以上共同作用的結(jié)果使凸曲柱面的曲線逐漸趨近平面曲線。當(dāng)曲率半徑大于一定值時(shí)，在工程實(shí)用意義上已不用補(bǔ)償，現(xiàn)行的ASME規(guī)范認(rèn)可這一點(diǎn)。對(duì)于凹曲柱面工件的檢測(cè)，第一個(gè)因素，硬膜直探頭或斜探頭是通過(guò)耦合劑與凹曲面接觸，隨著曲率半徑增大，探頭與凹曲柱面間的耦合劑厚度減少，由此導(dǎo)致聲耦合性能的改善，對(duì)超聲傳輸?shù)鸟詈闲Ч饾u變好;第二個(gè)因素，凹曲柱面對(duì)聲束有聚焦作用，隨著曲率半徑逐漸增大，對(duì)聲束的聚焦作用逐漸減小。以上兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果使凹曲面曲線在某一曲率范圍出現(xiàn)拐點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述工件曲率對(duì)超聲檢測(cè)靈敏度、缺陷定量影響的討論，可以看出，不同的工件形狀、曲率、探頭類(lèi)型、耦合劑種類(lèi)對(duì)曲率修正系數(shù)都有一定的影響。最終會(huì)影響到缺陷定量的準(zhǔn)確性，給產(chǎn)品安全使用評(píng)估帶來(lái)困難。所以在產(chǎn)品的實(shí)際超聲檢驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)考慮曲率的影響因素，才能得出正確的檢驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)具體的曲率修正系數(shù)，只有通過(guò)模擬試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，才能獲得實(shí)際具體數(shù)據(jù)并應(yīng)用于檢驗(yàn)過(guò)程中，使檢測(cè)結(jié)果真實(shí)、可靠。

［1］ 鄭中興.材料無(wú)損檢測(cè)與材料評(píng)估［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004:96－102.

［2］ 超聲探傷編寫(xiě)組.超聲波探傷［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1980.

［3］ ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范［S］.美國(guó)，2004.