韓 波，楊平華，郝軍君

（北京航空材料研究院，北京 100095）

隨著對產(chǎn)品質量要求的提高，水浸超聲檢測的應用越來越多。水浸法超聲檢測可縮小檢測盲區(qū)，便于實現(xiàn)自動檢測，減少影響檢測可靠性的人為因素，還為實現(xiàn)聚焦聲束檢測，滿足高靈敏度、高分辨率檢測需求提供了條件。聚焦探頭由于其檢測靈敏度高、對缺陷方向不敏感等優(yōu)點，在一些重要零件的檢測中應用得越來越多。筆者通過采用不同聲場參數(shù)的水浸探頭對同一零件的檢測和評定結果的對比，分析和討論了水浸探頭聲場對缺陷檢測和評定的影響，為日后檢測參數(shù)的選擇和缺陷評定提供一些參考。

1 檢測原理

水浸檢測分為普通非聚焦探頭和聚焦探頭兩種。如圖1所示，其中，D為晶片直徑，R為聚集透鏡半徑，F(xiàn)為焦距，L為焦程長度。在普通非聚焦探頭的聲場中，聲束寬度約為換能器直徑，且隨著距離的增大逐漸加寬。由于聲束穿過的多晶結構基體材料體積較大，聲波遇到的散射體數(shù)量較多，相應引起散射噪聲也較大，對于反射幅度較低的小缺陷，就會造成信噪比不足。而帶有聚焦透鏡的探頭，由于透鏡的聚焦作用，使焦點附近能量高度集中，因此，在焦區(qū)內可使小缺陷檢測靈敏度提高，同時，由于聲束變窄也使聲場內組織散射信號減少，從而提高了檢測信噪比。但是，聚焦探頭高靈敏度范圍有限，在聚焦區(qū)之外靈敏度和信噪比仍會變得很低。

圖1 聚焦探頭與非聚焦探頭檢測波形效果示意

聚焦探頭能量較集中的聚焦聲場主要由焦柱長度L和焦點直徑φ兩個參數(shù)決定，分別如式（1）和（2）表示：

式中：λ為超聲波波長。

由上述兩式可以看出，若要增大焦柱長度，則需增大焦距，減小晶片直徑，但同時聲束直徑會增大。根據(jù)理論研究結果，聚焦探頭焦點能量集中的效果在N／F值較大時為好。增加焦距減少晶片直徑，就會使N／F減小，聚焦探頭提高信噪比的能力減弱［1］。

通常由于聚焦探頭焦柱直徑遠小于壓電晶片直徑，利用焦柱區(qū)可準確測定缺陷尺寸。在缺陷的尺寸評定中，如果測出的尺寸不大于焦柱截面積，則測出的是焦柱區(qū)尺寸；如果測出的尺寸遠大于焦柱尺寸，則測出的是缺陷尺寸。因此焦點尺寸越小缺陷的尺寸測量越準，但焦點尺寸越小檢測效率越低，因此需要結合檢測要求確定檢測用探頭參數(shù)［2］。

2 試驗過程和檢測結果

選取了日常檢測中常用的3 種類型探頭：5 MHz水浸平探頭，5 MHz 水浸聚焦探頭和10 MHz水浸聚焦探頭，依據(jù)美國材料學會標準ASTME 1065［3］對各探頭進行了聲場參數(shù)的測試，測試結果見表1和圖2。采用上述探頭分別對有缺陷的某一零件進行了水浸C 掃描檢測，檢測時靈敏度均為φ0.8mm 當量平底孔。

表1 水浸探頭的聲場參數(shù)測試結果 mm

試驗中聚焦探頭檢測時焦距落在零件表面上，水浸平探頭的水距則選取近場N 點落在零件表面上進行掃查。各探頭的檢測C掃描圖見圖3。

3 缺陷的評定結果與分析

3.1 缺陷的評定結果對比

對各探頭檢測出的缺陷尺寸和當量進行了評定，結果見圖4，5。為了對結果進行進一步確認，改變檢測水距，使焦點或N點落在F1處再次進行了評定。評定結果圖見圖6，7，其中Ⅰ為5 MHz平探頭，Ⅱ為5MHz聚焦探頭，Ⅲ為10MHz聚焦探頭。

3.2 結果分析

（1）從試驗結果可以看出，不同探頭檢測的結果相差較大，得出的結論也不相同。按照0.8 mm當量平底孔驗收的話，5 MHz平探頭的檢測結果不合格，而其他兩個探頭的檢測結果均合格。

（2）從缺陷的評定結果看，水浸平探頭評定缺陷的當量和尺寸遠大于聚焦探頭的評定結果，分析原因可能是因為F1和F2是面積型缺陷，平探頭晶片尺寸和聲束寬度大（見表1），缺陷反射能量高，因此評定的當量和尺寸較大；聚焦探頭檢測中，5 MHz聚焦探頭的評定結果大于10 MHz聚焦探頭的評定結果，這是因為5 MHz探頭聲束寬度大于10 MHz聚焦探頭（見表1），兩個聚焦探頭對F1和F2的評定結果均相差11.5dB。

（3）將焦點（或N點）落在F1深度處再次進行檢測的結果顯示，各探頭評定F1尺寸相近（見圖6F1的長度尺寸評定結果），F(xiàn)1寬度方向的差距也減少；當量評定的差距也減少。比較探頭的聲束寬度發(fā)現(xiàn)，此時的聲束寬度差異也最小。因此說明，在缺陷的尺寸遠遠大于探頭聲束直徑時，評定結果相差不大（見圖4 中F1的長度尺寸評定結果）；而在缺陷的尺寸接近或小于探頭聲束直徑時（寬度方向），不同聲束直徑的探頭評定結果相差較大（見圖4 中F1的寬度尺寸評定結果），聲束直徑越小，評定缺陷的尺寸越準。因此，檢測和結果評定時應考慮到探頭聲場參數(shù)對結果評定的影響，盡量選取聲場參數(shù)適合的探頭進行檢測和結果評定。

4 結論

水浸探頭的聲場參數(shù)對零件檢測和缺陷評定有較大的影響，因此了解探頭聲場參數(shù)對缺陷的檢測和評定至關重要。在產(chǎn)品的檢測中應了解探頭的相關參數(shù)，適當選用，才能夠滿足檢測和正確評定的要求。

［1］ 史亦韋.超聲檢測［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005，36－37.

［2］ 莫潤陽.超聲聚焦探頭缺陷檢測能力探討［J］.無損檢測，2000，22（2）：62－63.

［3］ ASTM E1065Evaluating Characteristics of Ultrasonicsearch Units［S］.