摘 要：簡(jiǎn)述了薄壁管材水浸檢測(cè)的原理，主要介紹聚焦形式、晶片尺寸、頻率、檢測(cè)儀器、管材、傳動(dòng)裝置、檢測(cè)用水、對(duì)比試樣的制作等檢測(cè)要求，為薄壁管材提供了檢測(cè)理論基礎(chǔ)。進(jìn)一步對(duì)檢測(cè)參數(shù)，如入射角、螺距、轉(zhuǎn)速、焦點(diǎn)位置的選擇以及檢測(cè)步驟和檢測(cè)注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，為薄壁管材的實(shí)際檢測(cè)提供了方法，并且論證了水浸檢測(cè)管材的可行性。

關(guān)鍵詞：薄壁管材 聚焦 晶片尺寸 頻率 入射角 焦點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH215文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2012）09（a）-0015-03

1 引言

在超聲波檢測(cè)中，隨著被檢對(duì)象的不同往往采用不同的超聲波型。對(duì)薄壁管材進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于壁厚較薄，與波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)，即T/D比（壁厚/外徑）小于20%的管材，為了實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)，常用在管壁內(nèi)激發(fā)橫波的方法進(jìn)行。實(shí)際檢驗(yàn)時(shí)，為提高檢測(cè)效率易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減少探頭的磨損，提高檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性，常采用水浸聚焦橫波法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。聚焦探頭較常規(guī)探頭來(lái)講，聲束指向性好，對(duì)提高探傷靈敏度、分辯力和信噪比均有利，在焦點(diǎn)處聲能更為集中，在中心軸線上聲壓強(qiáng)，近場(chǎng)區(qū)小。

2 檢測(cè)原理

管材超聲波水浸檢測(cè)是探頭發(fā)射的超聲波經(jīng)過(guò)一段水后在進(jìn)入試件的檢測(cè)方法。薄壁管材一般采用聚焦探頭，利用折射橫波進(jìn)行檢測(cè)。原理如圖1。

由超聲波的理論可知，當(dāng)水中入射的超聲縱波經(jīng)折射進(jìn)入管材時(shí)，管材內(nèi)就能產(chǎn)生縱波L和橫波T。折射角根據(jù)折射定律。

（1）

式中：——水中聲速，——管材中縱，橫波的聲速，——入射角，——縱，橫波的折射角。

從上式可知，要進(jìn)行純橫波檢測(cè)，入射角必須大于第一臨界角而小于第二臨界角，即入射角滿(mǎn)足：

arcsin（cL1/cL2）<а

3 檢測(cè)要求

3.1 探頭選擇

（1）探頭聚焦形式

用于管材水浸橫波檢測(cè)的聚焦探頭一般有線聚焦和點(diǎn)聚焦兩種形式。點(diǎn)聚焦聲束直徑小，長(zhǎng)短缺陷的探測(cè)靈敏度都較高，但檢測(cè)速度慢。線聚焦探頭，長(zhǎng)缺陷的檢出靈敏度比短缺陷的檢出靈敏度高。若以一定長(zhǎng)度的缺陷為檢測(cè)靈敏度時(shí)，有些缺陷可能有誤檢和漏檢現(xiàn)象，但檢測(cè)速度快。選擇哪種探頭聚焦形式應(yīng)根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。一般情況下，由于加工工藝，管材產(chǎn)生的缺陷主要為縱向延伸裂紋，批量生產(chǎn)，檢測(cè)任務(wù)大，所以檢測(cè)速度要快，檢測(cè)效率要高。綜合以上因素，選用線聚焦探頭檢測(cè)薄壁管材。

（2）探頭晶片尺寸和頻率

薄壁管材檢測(cè)中，所用的聚焦聲束實(shí)際上并不是聚焦成一點(diǎn)。在聲束軸線上由于焦點(diǎn)附近存在干涉現(xiàn)象，形成有一定長(zhǎng)度的細(xì)聲束，如圖2，這段有一定長(zhǎng)度的細(xì)束稱(chēng)為焦柱。焦柱的寬度和長(zhǎng)度公式給出為

（3）

（4）

式中：—聲束寬度，—聲束長(zhǎng)度

—波長(zhǎng)，—焦距，，—晶片半徑

在薄壁管材檢測(cè)中，利用這段焦柱進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)管徑很大時(shí)，壁厚絕對(duì)值較厚，考慮利用這段焦柱以外的聲束部分。從公式（3）和（4）可知：

（1）從公式（3）和（4）可知，焦柱的寬度、長(zhǎng)度與晶片的頻率、尺寸有關(guān)，為了在管內(nèi)激發(fā)純橫波，避免在管壁內(nèi)聲波來(lái)回反射而產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換和形成復(fù)雜的干擾，為保證內(nèi)外壁缺陷的檢出，要求焦柱的寬度必須足夠窄。

（2）焦柱寬度與焦距成正比，小焦距可以得到比較小的焦柱寬度，但焦距不能太小，否則半收斂角就會(huì)太大，使聚焦聲束在管壁折射進(jìn)入管內(nèi)時(shí)，由于像差大而聚不到一起，使用頂角錐度來(lái)衡量探頭特征的綜合要求，一般選擇聚焦探頭的焦距與晶片直徑之比即F/D選擇在2～4為宜。

（3）頻率與焦柱寬度成反比，提高頻率可以減小聲束寬度，但頻率過(guò)高，焦點(diǎn)尺寸會(huì)很小，影響檢測(cè)速度，因此，頻率要選擇適宜，一般在5～20MHz。

（4）為了盡量減少聲束擴(kuò)散的影響，晶片直徑一般不小于20λ（水中波長(zhǎng)），一般管材檢測(cè)中晶片直徑都大于20λ，但晶片直徑不能取得太大，晶片直徑大，雖使焦柱寬度變窄，但會(huì)造成焦柱長(zhǎng)度嚴(yán)重變短。

3.2 檢測(cè)儀器

檢測(cè)儀器要靈敏度高，脈沖前沿上升時(shí)間短，脈沖要窄，而且脈沖的重復(fù)頻率要高，有界面跟蹤和自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，如USD-15型檢測(cè)儀。

3.3 管材

檢測(cè)時(shí)，管材表面應(yīng)光滑，防止因表面粗糙引起檢測(cè)雜波出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，內(nèi)外表面應(yīng)干凈無(wú)影響檢測(cè)的油污或其它臟物。對(duì)管材的不直度也要有一定的要求，以免旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生振動(dòng)使波不穩(wěn)定。

3.4 球傳動(dòng)裝置

管材水浸檢測(cè)時(shí)，傳動(dòng)裝置有三種形式：（1）探頭固定不動(dòng)，管子由機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)作螺旋形前進(jìn)，使探頭沿管子軸線作相對(duì)移動(dòng)。（2）管子由機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)作旋轉(zhuǎn)，探頭由傳動(dòng)小車(chē)帶動(dòng)沿管子軸線方向作勻速運(yùn)動(dòng)。（3）在探頭旋轉(zhuǎn)同時(shí)，管子由機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)作直線送進(jìn)，一般使用功能各異，形式不同的多個(gè)探頭，配合多通檢測(cè)。

以上幾種形式中不管采用哪種都要求必須運(yùn)行平穩(wěn)可靠且不會(huì)對(duì)管材造成損傷，調(diào)試操作方便運(yùn)行過(guò)程中調(diào)試狀態(tài)保持不變等。一般多采用第（1）種，該種裝置有設(shè)計(jì)制造容易，造價(jià)便宜，調(diào)試簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.5 檢測(cè)用水

管材水浸檢測(cè)所用的水必須干凈，沒(méi)有影響檢測(cè)的懸浮物和氣泡等，實(shí)際生產(chǎn)中，可加入消泡劑或濕潤(rùn)劑來(lái)減小影響。

3.6 對(duì)比試樣

對(duì)比試樣是調(diào)整檢測(cè)靈敏度和判斷缺陷允許與否的重要依據(jù)。對(duì)比試樣是根據(jù)有關(guān)技術(shù)要求在選取的試樣上加工人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷制成的。人工標(biāo)準(zhǔn)試樣有V型和U型，V型試樣在車(chē)床上刻制，U型試樣一般用電火花刻制。對(duì)比試樣的材質(zhì)，加工工藝規(guī)格等要與被檢管子相一致。

4 檢測(cè)主要參數(shù)的選擇

4.1 入射角的選取

在一般橫波檢測(cè)中，入射角一般在到第一臨界角和第二臨界角之間，但在管材檢測(cè)中，要求就更為嚴(yán)格。

在檢測(cè)中，為了避免出現(xiàn)干擾，焦柱的-6dB寬度應(yīng)滿(mǎn)足下式：

（5）

式中m為折射率即，t為管壁厚，——折射角，——入射角。

如圖3以平板為例，若AC

聲波折射以后，聚焦細(xì)聲束的焦距長(zhǎng)度變短，因此其焦柱長(zhǎng)度相應(yīng)變短，焦柱長(zhǎng)度滿(mǎn)足公式6

（6）

式中——折射后焦柱的長(zhǎng)度，——折射前在水中的焦柱長(zhǎng)度

由公式（6）可知θ越小，則L2就越長(zhǎng)，因此薄壁管檢測(cè)時(shí)一般要求焦柱寬度d-6dB滿(mǎn)足公式（5），折射后焦柱長(zhǎng)度滿(mǎn)足公式（7）時(shí)的入射角。一般以管內(nèi)橫波折射角為45°的入射角為佳。

為了使內(nèi)外傷都能位于細(xì)束中，折射后的焦柱長(zhǎng)度應(yīng)大于圖4中AB+BC即應(yīng)滿(mǎn)足：

（7）

式中：——折射聲束焦柱長(zhǎng)度，——擴(kuò)散角，t——管材后度

4.2 螺距的選擇

對(duì)管材進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為了漏檢且不影響檢測(cè)速度，螺距的選擇是一個(gè)非常重要的因素，螺距應(yīng)滿(mǎn)足公式（8）

（8）

式中：L——聲束有效長(zhǎng)度，y——覆蓋率，Z——螺距。

4.3 管材相對(duì)探頭的轉(zhuǎn)速

為了使聚焦聲束脈沖能覆蓋整個(gè)管材表面而不致漏檢，管材相對(duì)探頭的轉(zhuǎn)速必須滿(mǎn)足：

（9）

式中：——重復(fù)頻率，d——聲束有效寬度，D——管材外徑，

k——系數(shù)，一般取2～3。

4.4 焦點(diǎn)位置的選擇（水距的選擇）

薄壁管材檢測(cè)時(shí)，內(nèi)外缺陷的回波幅度與焦點(diǎn)的位置有關(guān)，改變焦點(diǎn)位置可以改變內(nèi)外缺陷的相對(duì)幅度，達(dá)到內(nèi)外表面缺陷相等或近似相等。把探頭水中的焦點(diǎn)放在與聲束軸線垂直的半徑上作為晶片位置，但對(duì)于小徑薄壁管材并不合適，實(shí)踐證明，使水中焦點(diǎn)適當(dāng)進(jìn)入管內(nèi)，應(yīng)選擇焦柱前端的聚焦聲束，使之與管壁相交，從而內(nèi)外壁缺陷達(dá)到相近的反射高度。對(duì)壁厚較厚的薄壁管，可以利用焦柱外的部分檢測(cè)，一般取管內(nèi)焦點(diǎn)在二次聲程中。

4.5 焦線長(zhǎng)度與人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷長(zhǎng)度的關(guān)系

為了減小線聚焦探頭對(duì)短缺陷檢出能力差，對(duì)長(zhǎng)缺陷誤檢的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)線聚焦探頭時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足：

（10）

5 檢測(cè)步驟

管材水浸檢測(cè)，常用對(duì)比試樣來(lái)調(diào)節(jié)儀器和水距、入射角等參數(shù)。調(diào)節(jié)好后，就可以對(duì)所需檢測(cè)的管材進(jìn)行檢測(cè)。（方法如下）：（1）調(diào)節(jié)探頭，選擇合適的對(duì)比試管，使聲束軸線正好垂直于管軸，這時(shí)界面回波最大。（2）調(diào)偏心量（入射角），根據(jù)管材尺寸按折射角為45°計(jì)算好偏移量，調(diào)探頭偏移一定距離。（3）調(diào)進(jìn)焦量，使聲束的焦柱進(jìn)入管壁，以改變內(nèi)外壁缺陷回波的相對(duì)幅波。（4）調(diào)整儀器使內(nèi)外傷幅度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)報(bào)警幅度，并使內(nèi)外傷幅度相近或一致。（5）開(kāi)動(dòng)傳動(dòng)裝置，使對(duì)比試管多次通過(guò)，而且內(nèi)外傷均能穩(wěn)定報(bào)警。（6）完成以上工作后就可以對(duì)管材進(jìn)行檢測(cè)檢驗(yàn)。（7）按操作規(guī)程工作一定時(shí)間，再用對(duì)比試樣進(jìn)行校準(zhǔn)。如果符合要求，繼續(xù)檢測(cè)。否則，再調(diào)整到工作狀態(tài)，并對(duì)前一次校準(zhǔn)以后探測(cè)的管子有懷疑的進(jìn)行重測(cè)。

6 注意檢測(cè)事項(xiàng)

（1）檢測(cè)前應(yīng)用皮塞堵住管材兩頭，防止水進(jìn)入管材時(shí)出現(xiàn)的干擾波。（2）防止管材檢測(cè)時(shí)，管子顫動(dòng)幅度較大，對(duì)檢測(cè)造成的影響。為做到這一點(diǎn)，及時(shí)更換合適的導(dǎo)套，導(dǎo)套的間隙要符合一定的要求。（3）出現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)立即關(guān)機(jī)并查找發(fā)生異常的原因，及時(shí)排除后，應(yīng)用對(duì)比試樣對(duì)探測(cè)系統(tǒng)重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

管材的這套水浸檢測(cè)方法，既減小了探頭的磨損，又提高了檢測(cè)的速度。不僅滿(mǎn)足了生產(chǎn)需要，而且為用戶(hù)提供了高質(zhì)量的產(chǎn)品，可以成為生產(chǎn)管材的廠家及檢測(cè)公司首選的檢測(cè)方法。

7 結(jié)語(yǔ)

為了保證薄壁管材缺陷的檢出，水浸聚焦超聲波檢測(cè)需要選擇合適的焦點(diǎn)，焦柱，探頭的直徑，檢測(cè)頻率，入射角，螺距等檢測(cè)參數(shù)，另外還應(yīng)依照正確的檢測(cè)步驟來(lái)進(jìn)行。通過(guò)對(duì)對(duì)整個(gè)原理及檢測(cè)步驟的敘述，薄壁管水浸超聲檢測(cè)完全是可行的，并可用于大規(guī)模的的生產(chǎn)檢驗(yàn)中。

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