双晶探头在扁钢探伤中的应用讲诉.docx
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双晶探头在扁钢探伤中的应用讲诉
采用双晶直探头探伤模具钢厚板
何勇智
（攀长特公司质量计量中心，四川江油621701）
摘要：
攀长特公司生产的模具钢厚板规格基本上在所使用单晶直探头的三倍近场区内，若采用单晶直探头势必要制作大量对比试块，操作繁琐。
为达到模具钢板不得有大于Φ3mm平底孔当量缺陷的超声检测内控要求，本文结合GB/T2970-2004标准，提出对模具钢厚板探伤采用数字超声仪做双晶直探头距离—波幅曲线来调整检测灵敏度和对缺陷判定（定量），并通过测试选定探头型号和做曲线的试块。
关键词：
双晶直探头距离—波幅曲线灵敏度平底孔焦距
攀长特公司生产的模具钢板超声波探伤参照GB/T2970-2004执行，按不大于Φ3mm平底孔当量缺陷进行判定。
目前我们用的单晶直探头直径为Φ14～20mm，频率为2.5MHz或5MHz，模具钢厚板规格基本在所使用单晶直探头的三倍近场区内，所以单晶直探头对缺陷定量采用当量试块法。
这样需要制作大量的试块，操作也较繁琐，现场探伤要携带许多试块，很不方便。
双晶直探头有灵敏度高、杂波少盲区小、近场区长度小，波形简单等优点已被广泛用于中厚板的检测。
为有效评判检测出的内部缺陷，我们试着采用双晶直探头来检测模具钢厚板。
由于不同型号的双晶直探头在不同声程处灵敏度差异较大，检测工件厚度范围不同。
如果选择探头型号不当，加上调整检测灵敏度方法不合理，容易造成检测灵敏度过高或过低，影响缺陷的定量而产生误判。
所以首先应根据模具钢板厚度合理选择双晶直探头型号，然后正确选择检测灵敏度的调整方法，才能对不大于Φ3mm平底孔当量缺陷进行较为准确的判定。
1.双晶直探头的选择
双晶直探头的结构如图1所示。
探头采用两块晶片，发射与接收分开，消除了发射压电晶片与延迟块之间的反射波。
同时由于始脉冲未进入放大器，克服了阻塞现象，有效减少杂波。
双晶探头的发射和接收部分都带有延迟块，使盲区大大减小，为探伤近表面缺陷提供了有利条件。
双晶直探头探伤时，对于位于棱形区ABCD内的缺陷反射信号比区外强。
当入射角αL愈大，棱形区水平方向变扁，适合薄工件的探伤检验；反之，入射角αL愈小，棱形区垂直方向变扁，有效探测深度愈深，适合厚工件的探伤检验。
所以双晶直探头的选择主要为焦距长度的选择。
图1双晶直探头结构图
其中：
L为延迟块高度，F为焦距，αL和βL分别为入射角和折射角。
目前我们使用较多的是标称为入射角为2.5P10×12mm5°的双晶直探头，其焦距可按如下步骤计算出来：
根据斯涅尔定律
=
求出折射角arcsinβL=
。
式中：
αL为入射角，
CL1为有机玻璃声速2700m/s
CL2钢中声速5900m/s
再由几何原理推导DO≈
⑴可近似求得10×12mm规格5°双晶直探头焦距为26.1mm。
理论近似计算的结果，为我们选择探头提供了主要依据。
从焦距来看，理想的双晶直探头焦距应等于钢板厚度的一半⑵，根据理论近似计算入射角为5°探头较合理的最大探伤厚度在50mm左右。
由于探头制作的差异性，按标准要求对探头进行性能测定以确定所选双晶直探头是否满足要求。
2.探头的性能测定
2.1探伤设施
2.1.1仪器：
武汉中科HS610e数字超声波探伤仪。
2.1.2探头选择：
⑴频率选择：
超声频率高时，波长短，声束指向性好，扩散角小，能量集中，发现缺陷能力强，分辨力好，定位准确。
但高频率超声波在材料中衰减大，穿透能力差。
目前生产的模具钢表面较为粗糙，加之选取双晶直探头检测的主要针对模具扁钢的厚板，若采用较高频率易出现林状回波，给探伤带来难度，所以检测采用频率为2.5MHz的双晶直探头。
⑵探头型号：
2个2.5P10×125°探头，根据不同厂家生产，分别标记为5-1#、5-2#。
2.1.3耦合剂：
机油
2.1.4制作试块：
由于品种主要以Cr12系列冷作模具钢为主，所以我们采用D2模具钢参照GB/T2970-2004标准制作大平底阶梯试块（见图2）和Φ5.6mm平底孔试块（注：
Φ5.6mm平底孔试块用来测定检出灵敏度和有效波束宽度）。
其中阶梯试块用来测定探头距离—波幅特性曲线。
图2：
大平底阶梯试块
2.2探头距离—波幅特性曲线：
将探头置于大平底阶梯试块不同声程处找到最高回波，将最高回波调至到荧光屏满刻度的50%，测得不同声程处最高回波的dB值。
经测试，在25mm声程处灵敏度最高，以此作为参考波。
再依次记下参考波与大平底阶梯试块各声程处最高回波的dB差值，得到相对回波dB值。
测试结果见表1。
以纵坐标表示相对回波dB值，以横坐标表示回波声程距离作探头距离—波幅特性曲线。
5-1#、5-2#距离—波幅特性曲线如图3、图4所示。
图3：
5-1#探头距离—波幅特性曲线图4：
5-2#距离—波幅特性曲线
表1双晶直探头性能测定结果
探头编号
阶梯试块厚度（波高/dB）
≤6dB范围（dB）
检出灵敏度（dB）
有效波束宽度（mm）
3mm
5mm
10mm
20mm
25mm
30mm
40mm
50mm
60mm
5-1#
-5
-4
-2
-1
0
-1
-2
-3.5
-6.5
3～56
-10
17
5-2#
-5.5
-5
-4
-2
0
-1.5
-4
-6.5
-8
3～48
-12
15
理论计算的5°探头的焦距长度约为26.1mm。
从图3和图4探头的距离波幅特性曲线看，5-1#、5-2#探头在25mm左右灵敏度最高，说明对探头焦距的理论近似计算结果与性能测试结果基本一致。
根据双晶直探头焦距应等于钢板厚度的一半原则，那么5°探头最大检测厚度应为50mm。
而通过实测，5-1#探头按标准要求最大检测厚度56mm，5-2#探头按标准要求最大检测厚度48mm，实测结果也基本一致。
3.确定调整检测灵敏度方法
双晶直探头调整检测灵敏度有2种方法：
3.1第一种方法是参照GB/T2970-2004标准要求：
“采用双晶直探头检验时，用图2大平底阶梯试块或在同厚度钢板上将第一次底波高度调整到满刻度的50%，再提高灵敏度10dB作为检验灵敏度”。
但是GB/T2970-2004标准中单晶直探头是按Φ5.6mm当量试块进行调整，而双晶直探头没有说明提高10dB是按什么当量调整。
由于模具钢板缺陷主要集中在钢板中心，而双晶直探头不同声程灵敏度是变化的，若采用这种方式调整，不同声程的同当量缺陷在焦距处验收比较严，在远离焦距处验收比较松。
显然不适合模具钢内控标准要求。
3.2第二种方法是根据工件形状和厚度采用合理对比试块制作平底孔距离—波幅曲线。
3.2.1试块的选择：
由于5°探头在10mm以下灵敏度降低幅度较大，加上模具钢板的缺陷一般在中心位置，也就是说最小检测厚度最好在20mm左右。
为此我们参照JB/T8428-2006《无损检测超声检测用试块》中CS-3纵波双晶直探头标准试块，采用与大平底阶梯试块同材质的D2模具钢制作了两块纵波双晶直探头对比试块，厚度分别为50mm和20mm（如图5、图6）。
图550mm厚Φ3mm平底孔对比试块
图620mm厚Φ3mm平底孔对比试块
用5-1#双晶直探头分别检测20mm、50mm厚对比试块平底孔。
将探头依次置于不同深度的Φ3mm平底孔上，找到各平底孔最高回波，调整波高到荧光屏满刻度的80%。
得出记下各dB值，见表2。
表2Φ3mm平底孔对比试块dB值
检测面到平底孔距离（mm）
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
50mm厚试块
Φ3mm平底孔波高（dB）
52
49
46.5
45
44.5
45.5
47
48
49
51
与大平底dB差
13
13
12
12
11.5
11.5
12
12
12
13
20mm厚试块
Φ3mm平底孔波高（dB）
51
48.5
46.5
—
—
—
—
—
—
—
与大平底dB差
12
12
11
—
—
—
—
—
—
—
从表2可以看出，50mm厚试块上各检测面到平底孔的距离与相同声程大平底的分贝差最高+13dB，最低+11.5dB；20mm厚试块与上各检测面到平底孔的距离与相同声程大平底的分贝差最高+12dB，最低+11dB。
50mm厚试块与20mm厚试块同声程的平底孔分贝差在+0.5～1dB之间，两试块同声程的平底孔波高基本一致。
因此，可以用图5平底孔对比试块对20～50mm的模具厚板进行探伤检测。
3.2.2制作Φ3mm平底孔距离—波幅曲线
在实际检测工作中，纵波双晶直探头制作距离—波幅曲线最好采用面板曲线，这样可以直观的评判不同声程处缺陷的当量的大小。
使用模拟超声探伤仪需要在试块上依次测试一组不同检测距离的Φ3mm平底孔（至少三个）。
调节衰减器，使其中最高的回波幅度达到满刻度的80%。
不改变仪器的参数，测出其它平底孔回波的最高点，用笔将其标在荧光屏上，连接这些点，即是纵波双晶直探头的距离—波幅面板曲线。
使用数字超声探伤仪可以更加方便的制作出平底孔距离—波幅面板曲线，评判不同声程处缺陷的当量大小更加直观。
本文以HS610e数字超声探伤仪为例来制作Φ3mm平底孔距离—波幅曲线。
首先为了准确地对工件缺陷定位，双晶直探头必须先要校正探头的入射零点。
校正结束后，就可以采用仪器的曲线制作功能开始制作Φ3mm平底孔距离—波幅曲线。
将探头依次对准图5对比试块中不同埋深平底孔，调节增益使波高稳定于屏幕80%高度，点击波峰记忆和确定，仪器自动将测得的各点进行连线，保存后一条Φ3mm平底孔距离—波幅曲线就做好了。
由于试块和检测钢板表面粗糙度存在差异，所以还要考虑耦合补偿。
测得阶梯试块50mm厚大平底为38dB，与同厚度模具钢大平底三点dB值分别为43dB、42dB、43.5dB，三点均值后与大平底差为4.8dB，表面耦合补偿5dB。
即直接在探伤仪表面补偿选项中输入5dB。
3.2.3距离—波幅曲线实际应用
以5-1#探头为例，现场对30mm厚D2进行检测。
先将制作好的距离—波幅曲线增加6dB作为扫查灵敏度。
检测时在钢板中部位置发现一缺陷距检测面深15mm，反射波已超过80%。
降低6dB后，缺陷反射波仍超过80%。
此时仪器自动显示缺陷当量为Φ3.66mm，超过标准要求不合格。
经取典型样做低倍确定为夹杂，直径约3.1mm。
图7超过Φ3mm平底孔当量缺陷
5.结论
5.1通过理论计算和实际测试，证明了2.5P10×125°双晶直探头灵敏度特性适合检测20～50mm规格的模具厚板。
为GB/T2970-2004标准中双晶直探头可探厚度范围由原20mm扩大到60mm提供了试验测试数据的支撑理论依据。
5.2为获得较好的检测灵敏度，20mm规格以下的钢板可采用入射角大于5°的探头另作距离—波幅曲线。
50mm以上模具钢板继续采用单晶直探头检测。
5.3由于模具钢板内部质量要求较严，同时考虑双晶直探头灵敏度变化特点，双晶直探头检测灵敏度的调整以做平底孔距离—波幅曲线为准。
对于成分偏差较大或不同热处理方式交货的其他模具钢，如P20、PC20等采用在线预硬工艺的模具钢，应采用相应材质另作纵波双晶直探头试块。
参考文献
（1）王朝辉,刘峰,周丽.超声检测双晶纵波探头的选择机理.无损检测，（2011）01-0023-02
⑵司春杰.双晶探头在中厚板探伤应用中应注意的问题.无损检测,（2011）08-0075-04
⑶全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会.超声波探伤（试用本）.劳动部锅炉压力容器安全杂志社，1995.
⑷JB/T8428-2006无损检测超声检测用试块
⑸GB/T2970—2004厚钢板超声波检测方法
作者简介：
何勇智（1977年-），男，助理工程师。
1996年毕业于重庆科技学院，现从事无损检测工作。
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