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1 超聲探傷技術(shù)的基本原理

超聲探傷是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，相比于X射線探傷，渦流探傷、磁粉、滲透等方法來(lái)講，其具有對(duì)人體與環(huán)境無(wú)害、靈敏度高、適用材料種類多等優(yōu)點(diǎn)。超聲檢測(cè)簡(jiǎn)稱UT，主要利用超聲波在材料中傳播的特性來(lái)對(duì)材料中的不連續(xù)（即缺陷）進(jìn)行判定，超聲波是一種很強(qiáng)的能量，其在材料中傳播時(shí)會(huì)有一定的損失，當(dāng)它在傳播過(guò)程中遇到缺陷時(shí)（可以是氣孔、夾渣、裂紋等）聲阻抗發(fā)生了改變。

（Z為聲阻抗、ρ為材料密度、C為材料聲速，r為聲壓反射率）

不同聲阻抗具有不同的聲壓透射率和反射率的特性，因此根據(jù)透射率或反射率改變的大小，就會(huì)有相應(yīng)的反射波產(chǎn)生，而同時(shí)伴隨著能量的損失，底波回波幅度會(huì)降低，這是超聲波無(wú)損探傷的一個(gè)基本原理。超聲檢測(cè)設(shè)備又分為便攜式手探設(shè)備和水浸式自動(dòng)掃查設(shè)備，便攜式手探設(shè)備的特點(diǎn)是成本低，方便靈活，可以對(duì)異形工件進(jìn)行探傷，但工作量大，易受不同操作人員的力度，手法等影響，精度及穩(wěn)定性差。而水浸自動(dòng)掃查設(shè)備，恰好解決了便攜式設(shè)備的缺點(diǎn)，效率高，穩(wěn)定，但成本高，對(duì)于特殊異形工件需要增加附件進(jìn)行大規(guī)模改造。根據(jù)掃查顯示來(lái)區(qū)分，又可以分為：A掃、B掃、C掃等，A掃是最基本的信號(hào)源，是根據(jù)超聲換能器（即探頭）接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)在屏幕上顯示的波，具有一定的寬度，如圖1所示，利用A掃的基本信號(hào)源，運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)以及強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，又發(fā)展出了B掃和C掃兩種掃查模式，分別是缺陷在深度方向的投影如圖2所示，和平行于掃查方向的投影，如圖3所示。本文主要是利用水浸式自動(dòng)探傷設(shè)備C-SCAN，結(jié)合A掃，B掃來(lái)判定材料中的缺陷的。水浸就是用水作為耦合劑，因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵械纳⑸浞浅４?，需要用如機(jī)油、水、漿糊等物質(zhì)來(lái)防止超聲波的散射，增加其進(jìn)入材料中的能量，另外超聲波檢測(cè)是一種對(duì)比的檢測(cè)方法，主要是以人造缺陷（如平底孔、V型槽等）為基準(zhǔn)來(lái)確定材料中的自然缺陷的當(dāng)量大小。

2 靶材用高純鋁的材料特性以及對(duì)超聲波的影響

濺射靶材主要應(yīng)用于微電子半導(dǎo)體集成電路和LCD液晶顯示行業(yè)的鍍膜領(lǐng)域，高純鋁作為靶材的基材有著較高的要求，首先是純度要在4N6甚至是5N或5N5，才能滿足0.3um以下集成電路布線寬度的要求，因基材只是靶材的一部分，基材和散熱背板需要進(jìn)行釬焊，以提升其在濺射過(guò)程中的散熱效率，因此基材與背板的釬焊質(zhì)量的結(jié)合率好壞直接影響其散熱效率，這就需要用到C-scan超聲探傷系統(tǒng)進(jìn)行缺陷率檢測(cè)，通過(guò)C-Scan成像能清楚的發(fā)現(xiàn)未焊合部位的大小，位置，同時(shí)由于基材在靶材中的重要作用，對(duì)于基材內(nèi)部的缺陷在后續(xù)靶材加工及濺射鍍膜環(huán)節(jié)也是有著嚴(yán)格的控制，高純鋁由于純度高，鑄造過(guò)程中的形核質(zhì)點(diǎn)少，因此晶粒比較粗大，而由于晶粒的直徑大多小于超聲波的波長(zhǎng)，超聲波在材料中傳播時(shí)能量的衰減主要是散射的衰減，散射的衰減又隨著晶粒的增大而增大。

3 靶材用高純鋁坯料的超聲探傷驗(yàn)收合格性要求

綜合多家靶材生產(chǎn)加工企業(yè)的要求來(lái)看，高純鋁鑄造板坯的內(nèi)部缺陷不得大于0.4mm，根據(jù)GB/T6519-2013 《變形鋁鎂合金超聲波檢驗(yàn)方法》（等同于ASTM B594）中規(guī)定，超聲探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)分為：AAA，AA，A，B，C級(jí)，綜合來(lái)看，靶材的探傷等級(jí)要求要優(yōu)于最高的AAA級(jí)別，且由于超聲探傷固有回波寬度的影響，存在一定的表面盲區(qū)，還需滿足底波衰減的要求，即底波損失不應(yīng)使第一次底波降低到正常被檢樣品的第一次底波的50%或更低，如果在掃查過(guò)程中違反任何以上兩個(gè)合格性驗(yàn)收條件中的任何一條，則高純鋁靶材坯料可以認(rèn)定不不合格。

4 超聲探傷設(shè)備的選擇及參數(shù)的設(shè)定

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)超聲探傷儀器的公司有很多，但技術(shù)水平或質(zhì)量卻良莠不齊，受制于成本和價(jià)格的影響，國(guó)產(chǎn)的儀器在精度和軟件方面同進(jìn)口設(shè)備還有一定的差距，產(chǎn)品性能比較好的包括：GE（前身是德國(guó)KK），Olympus，PAC（美國(guó)物理聲學(xué)），以及由這兩家公司分離出來(lái)的如我公司使用的加拿大的TECSCAN，日本的KJTD，C-SCAN超聲探傷系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件包括：超聲處理器（負(fù)責(zé)產(chǎn)生和接受并處理各種信號(hào)），多軸自動(dòng)掃查器，超聲換能器（探頭），軟件。尤其是探頭和軟件，也正是國(guó)內(nèi)外技術(shù)的差距所在，缺少了任何一項(xiàng)，都無(wú)法發(fā)揮其它部分的優(yōu)勢(shì)，在超聲探傷系統(tǒng)的選擇和配置上要做到好馬配好鞍。

超聲探傷處理器的關(guān)鍵指標(biāo)有：垂直線性、水平線性、入射面分辨率、各靈敏度下的信噪比，頻帶寬度，激勵(lì)電壓等。

軟件功能上最主要的是全波形存儲(chǔ)，可以對(duì)掃查的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行記錄。

超聲探頭的性能非常關(guān)鍵，主要的指標(biāo)有：類型（平探頭或聚焦探頭），頻率（峰值頻率和中心頻率），晶片尺寸、震蕩時(shí)間（越短越好），頻譜及帶寬。

（f為頻率，C為聲波在備檢材料中的傳播速度，C水=1375m/s，C鋁=6324m/s，λ為波長(zhǎng)）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲波在材料中發(fā)現(xiàn)的最小缺陷約為其波長(zhǎng)的一半，因此由公式④，可得到要想在高純鋁材料中加測(cè)小于0.4mm大小的缺陷，應(yīng)該選用10MHz以上的頻率。頻率越高，發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力越強(qiáng)，但是通過(guò)下面兩個(gè)公式可以看出，頻率越高，超聲波在材料中傳播時(shí)的衰減越大，簡(jiǎn)言之，無(wú)法穿透并檢測(cè)較厚的工件，根據(jù)公式⑤-⑧，可知超聲波在材料中傳播時(shí)的能量衰減因素。

圖1 超聲A掃描圖

圖2 超聲B掃描圖

圖4 超聲波在材料中的傳播路徑

圖5 超聲波焦點(diǎn)在水中與工件中位置

（α為超聲波衰減系數(shù)，αS為散射衰減系數(shù)，αa為吸收衰減系數(shù)，C1、C2、C3為常數(shù)，F(xiàn)為材料各項(xiàng)異性，f為超聲波頻率，d為晶粒直徑，λ為聲波波長(zhǎng)）

根據(jù)高純鋁靶材坯料的晶粒尺寸一般較大在幾百個(gè)微米，并結(jié)合所檢測(cè)樣品的厚度約在20～40mm之間，考慮超聲處理器的增益與信噪比特性，設(shè)定超聲探傷頻率為10MHz。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明，采用10MHz（晶片尺寸為：0.375’，焦距為：4.12’）的GE生產(chǎn)聚焦探頭可以有效提高小缺陷檢出靈敏度，改善信噪比，及降低表面盲區(qū)。

超聲探傷儀基礎(chǔ)設(shè)置：激勵(lì)電壓采用方波300V，采樣頻率：100MHz，阻抗50Ω，阻尼：78Ω，增益在35db，LPF--Broadband（低通濾波隨帶寬），HPF（高通濾波）—2.5MHz。

水層厚度的設(shè)定也是一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程，10MHz超聲波從探頭發(fā)出，經(jīng)過(guò)水層（假設(shè)厚度25mm），有一定的衰減，達(dá)到樣品表面時(shí)（假設(shè)樣品厚度25mm），由于水和樣品鋁的聲阻抗差異，形成了回波，造成大部分的能量損失，進(jìn)入材料中的能量?jī)H為原來(lái)的27%左右，在高純鋁中傳播過(guò)程中進(jìn)一步衰減，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)埋深約12mm的缺陷缺陷，產(chǎn)生回波再返回到探頭時(shí)，能量只有初始能量的約7.5%，因此從能量損失的角度考慮，水層厚度應(yīng)當(dāng)盡可能小，但是還應(yīng)當(dāng)考慮聚焦探頭的焦距，以及超聲中近場(chǎng)的影響，超聲探頭的焦距是在水中的焦距，從水中到鋁中，由于超聲波傳播速度以及聲阻抗的差異，會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，導(dǎo)致焦點(diǎn)位置的變化，如圖5所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，焦點(diǎn)在被檢樣品中的實(shí)際位置應(yīng)為：

表1 靶材驗(yàn)收等級(jí) AAA級(jí)缺陷定義列表

（F為探頭標(biāo)稱焦距，h為工件中實(shí)際焦點(diǎn)，C3為超聲波在鋁中的傳播速度C2為超聲波在水中的傳播速度）。

一般情況下由于超聲波有近場(chǎng)應(yīng)，在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，超聲波聲壓會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有規(guī)律的極大和極小值，在遠(yuǎn)離近場(chǎng)區(qū)，超聲波聲壓才會(huì)隨著工件厚度的增加而單調(diào)減小，如圖7所示，近場(chǎng)區(qū)對(duì)AVG當(dāng)量計(jì)算會(huì)有較大影響，在靶材坯料的超聲檢測(cè)中雖不涉論AVG當(dāng)量計(jì)算，但對(duì)于DAC曲線的建立會(huì)有較大的影響。

（N為近場(chǎng)距離，D為圓形探頭晶片直徑，或a為矩形探頭晶片的長(zhǎng)，b為矩形探頭晶片的寬，λ為波長(zhǎng)）。

根據(jù)上述公式，并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定50mm～60mm水層厚度比較合適。

圖7 近場(chǎng)區(qū)聲壓示意圖

圖8 不同埋深缺陷對(duì)回波幅度的影響

圖9 A掃描波形定性特征波形圖

由于C-SCAN系統(tǒng)中的軟件具有統(tǒng)一定量缺陷的功能，因此不得不考慮的另外一個(gè)會(huì)影響缺陷定量的因素便是，缺陷埋深，由于超聲波在被檢材料中傳播有能量損失，因此，不同埋深的缺陷回波幅度會(huì)不同，且差別很大如圖8所示，可以看到同樣大小的缺陷在不同埋深幅度下降非常大，如果做深度幅度補(bǔ)償曲線（DAC），那就會(huì)對(duì)最終的判定結(jié)果出現(xiàn)很大偏差，因此必須用一組不同埋深的平底孔進(jìn)行深度補(bǔ)償校準(zhǔn)，并在掃查時(shí)用打開(kāi)TCG功能，進(jìn)行自動(dòng)增益。

基準(zhǔn)靈敏度的調(diào)整，不同的靶材生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)于這方面的要求有所不同，有些選擇國(guó)際認(rèn)可標(biāo)樣，有些選擇內(nèi)控標(biāo)樣（用合格樣品做參考），原則上，超聲探傷用標(biāo)準(zhǔn)樣品要與被檢樣品在性能，規(guī)格上基本相同，我公司采用標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)調(diào)整基準(zhǔn)靈敏度。

5 掃查結(jié)果的分析與判定

將掃查結(jié)果利用C-Scan超聲探傷系統(tǒng)的分析軟件Analysis模塊打開(kāi)分析，在C掃圖上可以獲得樣品缺陷在其表面上的投影，利用其強(qiáng)大的缺陷分析功能，可顯示位置坐標(biāo)，不同標(biāo)準(zhǔn)下的缺陷面積大小，缺陷面積的占比等信息。需要指出的是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，缺陷面積是一個(gè)與當(dāng)量大小相關(guān)的近似值，不等同于物理面積，其會(huì)隨著缺陷定義標(biāo)準(zhǔn)的改變而不同，并且由于自然缺陷由于存在不同的形狀和取向，其投影與標(biāo)準(zhǔn)平底孔存在差異，因此在進(jìn)行缺陷分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)平底孔當(dāng)量的基礎(chǔ)上加嚴(yán)一個(gè)等級(jí)，如果標(biāo)準(zhǔn)平底孔是80%的回波高度，那如果檢出的缺陷在40%以上就視為不合格，或是根據(jù)用戶需求進(jìn)行判定。同時(shí)根據(jù)C掃圖上的缺陷，自動(dòng)調(diào)出A掃波形，進(jìn)一步對(duì)缺陷的深度方向分辨率，以及利用波形特征進(jìn)行定性分析，如有需要，還可以進(jìn)一步進(jìn)行剖傷，結(jié)合金相進(jìn)行分析，缺陷的性質(zhì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

超聲檢測(cè)是一個(gè)非常復(fù)雜的一個(gè)技術(shù)，因?yàn)槌暡床灰?jiàn)，摸不著，它從探頭發(fā)出，經(jīng)過(guò)透鏡、耦合劑、進(jìn)入材料內(nèi)部、達(dá)到底部，再原路返回到探頭的傳播是一個(gè)復(fù)雜的路徑，尤其是在材料中受到晶粒、不同形狀、類型的缺陷、以及上下表面粗糙度等的影響，其傳播路徑及方向會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)，自然缺陷由于性質(zhì)不同、大小不同、取向不同，因此其回波的幅度也不同，因此有時(shí)需要采用更多，更細(xì)致的方法進(jìn)行檢測(cè)，例如當(dāng)有必要時(shí)同時(shí)用橫波、縱波、及蘭姆波進(jìn)行綜合判定，或結(jié)合其它如X射線、CT等技術(shù)加以輔助確定，總之作為超聲探傷工作人員應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎，沒(méi)有檢出，不代表確實(shí)沒(méi)有，尤其是對(duì)于關(guān)乎安全的超聲檢測(cè)，不斷熟悉技術(shù)，積累經(jīng)驗(yàn)，了解檢測(cè)對(duì)象的材料特性，才能不斷使結(jié)果更準(zhǔn)確。