水浸检测系统平探头与聚焦探头对GH738检测结果的影响分析工艺探讨—论文

水浸检测系统平探头与聚焦探头对GH738检测结果的影响分析刘路1 范兴义 罗顺明(1.中航检测安大分中心 安顺 561000)摘要： GH738材料因具有各方面的优异性能，已然成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。而进行超声波检测时往往会发现有单显和底波损失严重等问题。笔者现采用5MHz平探头与5MHz聚焦探头来对GH738材料进行底波检测和缺陷评定，通过分析数据，从而可以对材料作出正确的拒收/接收的结论。关键词：GH738材料、超声波检测、平探头与聚焦探头Analysis of the effect of flat probe and focused probe on GH738 detection in water immersion test systemLiu Lu(1.AVIC Anda Testing Centre,Co,Ltd AnShun 561000)Abstract:Because of the excellent performance, GH738 materials has become the key material of gas turbine engine. But the ultrasonic testing often will find a single display and the loss of the wave is serious. Now the author adopts the 5MHz flat probe and 5 MHz focused probe to test GH738 material, through the analysis of the data, we can get a correct rejection / received conclusion on the material.Keywords: GH738 material Ultrasonic testing Flat probe and focused probe0前言随着科技的发展、质量检测要求的提高以及水浸超声检测的普及，分析水浸检测系统换能器对检测结果的影响非常必要。水浸法检测是将探头和试件全部或部分浸于水中，以水作为耦合剂，声波通过水进入试件进行检测的技术。图1为水浸法直射声束纵波检测的示意图。图1水浸法直射声束纵波检测的示意图水浸检测法通过运用聚焦声束的模式实现高灵敏度、高分辨率的检测要求，并且拥有比接触法更小的检测盲区以及更可靠的检测结果，避免了人为因素的检测影响，完成了自动化的检测。当下鉴于GH738材料经常出现的底波损失严重，检测频率必须为5MHz。现采用5MHz平探头与5MHz聚焦探头来对GH738材料进行底波检测和缺陷评定，并进行数据分析，从而可以有针对性的对GH738检测反映出来的问题进行相应的探头选择提供可靠性参考。1 检测原理水浸平探头相当于可在水中使用的纵波直探头，用于水浸法检测。在水浸平探头前加上声透镜则可产生聚焦声束，成为聚焦探头（如图2）。聚焦使声束在某一深度范围内直径变窄，声强增高，可提高局部区域的检测灵敏度与信噪比和横向分辨力，在C扫描检测中可以提高图像分辨率。图2 聚焦探头与平探头声场示意图如图2所示，其中D为晶片直径，R为聚焦透镜半径,F为焦距，L为焦程长度。在普通非聚焦探头的声场中，声束宽度约为换能器直径，且随着距离的增大逐渐加宽。由于声束穿过的多晶结构基体材料体积较大，声波遇到的散射体数量较多，相应引起散射噪声也较大，对于反射幅度较低的小缺陷，就会造成信噪比不足。而带有聚焦透镜的探头，由于透镜的聚焦作用，使焦点附近能量高度集中，因此，在焦区内可使小缺陷检测灵敏度提高，同时，由于声束变窄也使声场内组织散射信号减少，从而提高了检测信噪比。但是，聚焦探头高灵敏度范围有限，在聚焦区之外灵敏度和信噪比仍会变得很低。聚焦探头能量较集中的聚焦声场主要由焦柱长度和焦点直径两个参数决定，分别如式（）和（）表示： (F/D)2 （1）F/D （2）式中：为超声波波长，F为焦距，D为晶片尺寸。由上述两式可以看出，若要增大焦柱长度，则需增大焦距，减小晶片直径，但同时声束直径会增大。根据理论研究结果，聚焦探头焦点能量集中的效果在值较大时为好。增加焦距减少晶片直径，就会使减小，聚焦探头提高信噪比的能力减弱。通常由于聚焦探头焦柱直径远小于压电晶片直径，利用焦柱区可准确测定缺陷尺寸。在缺陷的尺寸评定中，如果测出的尺寸不大于焦柱截面积，则测出的是焦柱区尺寸；如果测出的尺寸远大于焦柱尺寸，则测出的是缺陷尺寸。因此焦点尺寸越小缺陷的尺寸测量越准，但焦点尺寸越小检测效率越低，因此需要结合检测要求确定检测用探头参数。2 试验过程和检测结果2.1 不同形式探头的参数测量选取I7-0512-S平探头与I7-0512-G聚焦探头，由公式(1)和(2)可推算出聚焦探头的焦柱长度L=76.8mm 和焦点直径=2.6mm。采用GH9011.2mm平底孔试块进行水浸探头的声场参数测试，测试结果如下表1：表1 聚焦探头与平探头声场参数测试结果平底孔埋深探头3.2mm6.4mm12.7mm19.1mm22.2mm25.4mmI7-0512-GF=152.4mmX2.54 mm2.68 mm3.02 mm3.41 mm3.8 mm3.87 mmY2.53 mm2.69 mm2.98 mm3.42 mm3.83 mm3.77 mmI7-0512-SF=152.4mmX4.66 mm4.36 mm4.46 mm4.41 mmY4.72 mm4.79 mm4.81 mm4.66 mm2.1试验选取I7-0512-S平探头与I7-0512-G聚焦探头，针对GH738产品中某件有缺陷的产品进行水浸C扫描检测。试验参数如下表2：表2 聚焦探头与平探头的试验参数试验参数探头水距步进电压能量阻尼转速重复频率I7-0512-G152.4mm0.8mm高高500 Ohm20r/min398HzI7-0512-S152.4mm0.8mm高高500 Ohm20r/min398Hz按照试验参数进行试验，所得的试验数据如下表3：表3聚焦探头与平探头扫查所得试验数据探头补偿测得缺陷当量缺陷埋深缺陷面积I7-0512-G4.5dB0.8+0dB17.9mm76.72mm2I7-0512-S3dB0.8+5dB17.67mm80mm2试验所得C扫与A扫检测图如下图3与图4：图3 5MHz聚焦探头扫查所得C扫与A扫图图4 5MHz平探头扫查所得C扫与A扫图现另取一件GH738材料产品与该件一同进行底波损失检测所得试验数据如下表： 产品编号试验探头1-2-51-5AI7-0512-G3.064dB9.622dBI7-0512-S4.795dB11.596dB表4 聚焦探头与平探头扫查各试样底波损失值扫查所得C扫对比图如下：图5 聚焦探头与平探头扫查1-2-5所得底损C扫图（左侧为聚焦探头扫查所得）图6 聚焦探头与平探头扫查1-5A所得底损C扫图（左侧为聚焦探头扫查所得）3 试验结果分析从试验结果可以看出，聚焦探头与平探头检测的结果相差较大，得出的结论也不相同。如果按照0.8mm当量平底孔验收的话，5MHz平探头的检测结果不合格，为0.8+5dB；而5MHz聚焦探头的检测结果为0.8+0dB刚好符合验收条件。分析其原因为：由图2聚焦探头与平探头检测波形效果示意图可知，平探头在近场区N以后的能量为单调递减，声束宽度单调递增；而聚焦探头的能量在焦点附近最强，离焦点越远能量越低，声束扩散也越大。扫查时发现扫查所得的缺陷是在靠近上表面约18mm的位置，由试验一所测得声束参数可知在18mm处平探头比聚焦探头的声束宽度大，当缺陷的面积远大于超声波声束截面积时，声束宽度越大所反射会来的能量就越大。因而平探头所得的缺陷反射能量要大于聚焦探头。所测得当量也会大于聚焦探头所得当量。又从C扫所得缺陷面积可以推测缺陷为簇状缺陷。扫查结果为平探头扫查所得的缺陷面积要大于聚焦探头。其原因为：一、平探头在该处的声束宽度要大于聚焦探头的声束宽度；二、平探头的横向分辨力要比聚焦探头的横向分辨力差，扫查所得缺陷边界要比聚焦探头模糊。试验所得真实面积应以聚焦探头扫查所得为准。因为声束直径越小所得的缺陷尺寸越符合缺陷的实际尺寸。同时平探头与聚焦探头针对GH738底波损失检测的结果也不相同。平探头所检测出来的底波损失值要大于聚焦探头所得值。分析其原因，聚焦探头由于有聚焦效应，声束在工件的整个检测范围内扩散程度比平探头小，聚焦探头的声场范围内所包含的工件体积比平探头小，材料内的晶粒散射作用相应变小，在相同的检测范围内的声波衰减也小于平探头，因此，对于材料组织引起的底损，聚焦探头测量值小于平探头。另由图5可知，聚焦探头在扫查有缺陷的工件时，缺陷对底波损失影响明显，也正是因为声束在工件的整个检测范围内扩散程度比平探头小的缘故。另平探头在扫底时边缘效应的影响区域大，边缘效应区域模糊，评定时会受到一定影响。4结论从实验数据可知，采用不同的探头得出来的试验结果不一定相同。缺陷实际尺寸大于探头声束直径时，对于相同的缺陷，平探头测出的缺陷当量值大于聚焦探头；在实际探伤过程中，单从缺陷当量值评价材料质量状况，有可能形成误判，应结合缺陷的位置深度和显示的范围，才能正确评价缺陷大小，对材料作出正确的拒收/验收结论。参 考 文 献1 史亦韦，超声检测M.北京：机械工业出版社，2005,36-372 莫润阳，超声聚焦探头缺陷检测能力探讨J。无损检测，2000,22