TB∕T 3568.3-2021 铁路无损检测材料 第3部分：超声波检测探头

1、ICS 45.020中华人民共和国铁道行业标准TB/T 3568.32021铁路无损检测材料第3部分:超声波检测探头Materials used for non-destructive testing in railway一Part 3: Probes for ultrasonic testing2021-12-01 实施2021-05-28 发布国家路"局发布目 次hitW n弓|胃ivi范围12规范性引用文件13术语和定义14技术要求25试验设备46检验方法57 检验规则128标识及储存14附录A（规范性）横通孔试块15库七七 标准下载TB/T 3568.3-2021本文件按照G

2、B/T 1. 1-2020标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则的规 定起草。本文件是TB/T 3568（铁路无损检测材料的第3部分。TB/T 3568已经发布了以下部分： 第1部分:磁粉检测材料；第2部分:渗透检测材料；第3部分:超声波检测探头。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司提出并归口。本文件起草单位：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司、中车太原机车车辆有限公司、中国铁 路武汉局集团有限公司、中车长春客车股份有限公司、中车戚墅堰机车有限公司、中车南京浦镇车辆有 限公司。本文件主要起草人:贾

3、敏、万升云、章文显、易双清、程志义、沈科、谢宁、桑劲鹏、任好娟、陈翠丽。IV库七七 标准下载无损检测技术是在不损害被检测对象的物理化学性能和几何完整性的情况下，对产品的表面质 量、内部质量等进行检测和测量，从而判定其是否合格的一种技术工艺方法，是有效控制机车车辆产品 质量、确保铁路运行安全极为重要的技术手段。无损检测用材料是影响无损检测结果的关键因素之一，为保证无损检测结果的准确性和可靠性， 对无损检测材料进行有效的控制，有必要制定适用于铁路行业的无损检测材料标准。根据铁路行业应用的实际情况，TB/T 3568铁路无损检测材料分为以下三个部分：第1部分:磁粉检测材料；第2部分:渗透检测材料；第

4、3部分:超声波检测探头。铁路无损检测材料第3部分:超声波检测探头1范围本文件规定了铁路超声波检测用探头的术语和定义、技术要求、试验设备、检验方法、检验规则、标 识及储存。本文件适用于以下探头的检验与验收：a) 中心频率范围在(0.5-15) MHz压电材料的超声波检测直接接触法纵波直探头、横波斜探 头、纵波小角度探头、双晶纵波直探头、双晶横波斜探头等；b) 中心频率范围在(0.5-10) MHz接触法(带或不带楔块)或液浸法相控阵探头。注:本文件所规定的与超声评价相关的材料是以超声纵波速度(5 920 ±50)m/s和横波速度(3 255 ± 30) m/s的钢 为基础的。

5、2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于 本文件。GB/T 6992015优质碳素结构钢GB/T 11259无损检测超声检测用钢参考试块的制作和控制方法GB/T 12604.1无损检测术语超声检测GB/T 27664. 22011无损检测 超声检测设备的性能与检验 第2部分:探头3术语和定义GB/T 12604. 1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1探头数据页probe data sheet随同每个探头提供探头性能信息的数据页，该数

6、据页不必对单个探头性能提供测试证明。 来源；GB/T 27664. 22011，3. 6,有修改3.2中心频率 centre frequencyf0回波频谱中与最大振幅相比较上下截止-6 dB所确定的髙、低截止频率尺和/之间的频率，并按公 式(1)定义中心频率人。f0=-(1)TB/T 3568.3-2021相对带宽 relative bandwidth高、低截止频率人和之差与中心频率尺之百分比。来源：GB/T 27664. 22011,3-9,有修改3.4峰一峰值幅度 peak-to-peak amplitude脉冲最大正负周期之间的最大偏离。来源：GB/T 27664. 22011,3.

7、5，有修改3.5脉冲宽度 pulse duration未校正脉冲幅度超过最大振幅10%部分的时间间隔。来源：GB/T 27664. 22011,3.7，有修改3.6声轴偏斜角squint angle8声束轴线与垂直于耦合面人射点之间的偏离角。 注:对于斜探头（横波斜探头、纵波小角度探头）为探头壳体侧面与投射在探头面平面上测量声束轴线之间的角度。 来源：GB/T 27664. 22011,3.10,有修改3.7相邻晶片 adjacent element至少有一个共同接触点的晶片。4技术要求4.1常规探头4.1.1物理外观探头应有标识，不应有影响可靠性的物理损伤。对于平面探头，在整个探头表面上间隙

8、不应大于0.05 mm。 4.1.2脉冲宽度脉冲宽度的偏差不应超过标称值的±10%。4.1.3中心频率中心频率的偏差不应超过标称值的±10%。如果回波频谱下降6 dB低截止频率/和回波频谱下降6 dB髙截止频率又之间的频谱有多于一个 的极大值,相邻极小值与极大值之间的振幅差不应超过3 dB。4.1.4相对带宽相对带宽的偏差不应超过标称值的±15%。4.1.5相对脉冲回波灵敏度相对脉冲回波灵敏度与标称值的偏差不应超过±3 dB。库七七 标准下载TB/T 3568.3-20214.1.6声轴偏斜角纵波直探头、横波斜探头（单晶）声轴偏斜角不应大于2°

9、。纵波小角度探头声轴偏斜角不应大于1. 5°。4.1.7入射点横波斜探头（单晶、双晶）人射点与标称值的偏差不应超过±1 mm。对于单晶横波斜探头，晶片尺寸不大于15 mm且频率不大于2 MHz时，人射点与标称值的偏差不 应超过±2 mmo4.1.8折射角4.1.8.1横波斜探头横波斜探头（单晶、双晶）折射角与标称值的偏差不应超过*2°。4.1.8.2纵波小角度探头纵波小角度探头折射角的偏差不应超过标称值的*5%。4.1.9焦距双晶探头焦距与标称值的偏差不应超过±20%。4.1.10串扰双晶探头的串扰是参考试块底面回波（声程处于焦区范围内）与耦合

10、回波之dB差，应大于30 dB。 4.2相控阵探头4.2.1物理外观探头物理几何结构在探头数据表中所规定的公差范围内。4.2.2相对脉冲回波灵敏度差值相控阵探头所有晶片应符合下列规定：a）非矩阵阵列探头：对所有具有相同大小和形状的晶片，其相对脉冲回波灵敏度变化应在 ±3 dB内;对于不同大小和形状的晶片（环绕探头和雏菊形探头），所有的差值应在±4 dB内。b）二维矩阵探头：晶片尺寸大于或等于1 mm2所有晶片，可接受的相对脉冲回波灵敏度差值应符合表1的规定;晶片尺寸小于1 mm2所有晶片，可接受的相对脉冲回波灵敏度差值应符合 表2的规定。表1二维相控阵探头用相对灵敏度差值的

11、验收标准（晶片尺寸大于或等于1 mm2）頻率/MHz可接受的相对脉冲灵敏度回波差值n名6464 < nl28128 <n5120.5</s£l±5 dB±5 dB±5 dB1 </1.5±4 dB±4 dB±5 dB1.5 <f(5±3 dB±4 dB±5 dB3库七七 标准下载TB/T 3568.3-2021表1二维相控阵探头用相对灵敏度差值的验收标准（晶片尺寸大于或等于1 mm2）（续）频率/MHz可接受的相对脉冲灵敏度回波差值n<6464 <nl2

12、8128 <n5125 </<10±4 dB±5 dB±5 dB注:n为晶片个数。表2二维相控阵探头用相对灵敏度差值的验收标准（晶片尺寸小于1 mm2）频率/MHz可接受的相对脉冲灵敏度回波差值64<n128128 <n<5120.5莓/名10±5 dB±5 dB±5 dB注为晶片个数。4.2.3频率、带宽平均中心频率应在探头数据表中所规定标称频率的±10%范围内。每个晶片的中心频率应在平 均中心频率的±10%范围内。-6 dB平均相对带宽不小于探头数据表中规定的相对带宽值。 4

13、.2.4脉冲持续时间平均脉冲持续时间不大于探头数据表中规定的脉冲持续时间值。4.2.5晶片间串扰晶片间串扰（任一晶片激发脉冲电压与相邻晶片接收信号之间dB差为串扰）至少为25 dB。 4.2.6失效晶片数非矩阵相控阵探头:不应存在失效晶片。不符合4. 2.2.4. 2. 3任意一条测试验收标准的晶片为失效晶片。二维矩阵相控阵探头:失效晶片的最大数不应大于表3中的值。 表3失效晶片数占比频率/MHz晶片个数nn >64n640.5 </名 52%05</名103%05试验设备5.1电子设备5.1.1数字式超声波探伤仪或实验室脉冲发生/接收器、超声相控阵检测仪、转换器。 5.1.

14、2数字存储示波器或频谱分析仪：a）最小带宽：不小于100 MHz;b）幅值灵敏度：幅值灵敏度小于每格5 mV,测量误差不大于±5%。5.2试块及其他设备5.2.1下述试块可用于对接触法常规探头进行规定范围的试验。a）推荐使用具有不同半径Z?的半圆柱形钢试块，半径范围12 mm-200 mm,步进为及。钢的 质量按GB/T 11259规定。每个试块的厚度应大于或等于其半径，最大厚度为100 mm。b）具有平行面的钢试块，侧面钻制3 mm直径的孔，应符合附录A的图A. 1。试块的尺寸应满足 下列要求：1）试块的长、高、宽应使超声波束不受其侧面影响；2）横孔至少应有3个在近场区以外；3）孔

15、间距离应使相邻两横孔i示的回波幅度至少下降26 dB。c）对于弧面探头（如探测车轴、车轮的探头），上述3 mm横通孔试块的探测面设计应适应探头 的弧面，也可在弧面加工前采用平面试块进行测试。d）CSK-IA试块或IIW试块。e）直尺。f）塞尺。5.2.2用于相控阵探头试验试块的材料、尺寸，反射体类型及位置等应在探头测试报告中注明，对于 局部环形阵列探头（雏菊型）直接在平面反射面上进行测试。接触法使用的试块应符合下列规定：a）带楔块:采用与楔块相同材质的试块和适当几何尺寸，以使超声波的路径对每个晶片而言均 一致；b）不带楔块:采用与被测材料相同的试块，以使超声波的路径对每个晶片而言均一致。 注:

16、如楔块可被移除，优先采用无楔块的測试。液浸法使用的试块，采用相应的实物试块进行性能测试。6检验方法 6.1常规探头6.1.1物理外观目视检验探头外侧有无正确标识，以及可能影响其当前或以后可靠性的物理损伤。用直尺和塞尺 测量探头接触表面的平直度。6.1.2脉冲宽度6.1.2.1将被测试探头与测试设备按图1所示方法连接，使用半圆柱试块，半圆柱面的半径应大于探 头近场长度的1.5倍。对于双晶探头，工作方式应设置为一发一收模式，半圆柱试块的半径应尽量接 近探头的焦距。图1测试设备连接示意图5库七七 标准下载TB/T 3568.3-20216.1.2.2将探头置于半圆柱试块中心，转动和移动探头使来自试块

17、柱面的多次回波幅度最大，在示波 器上找到第一次回波并放大，得到如图2所示的脉冲波形，读出脉冲幅度为最大峰一峰值幅度的10% 处的脉冲波形宽度即为脉冲宽度。注:仪器的参数如发射电压、阻尼会影响脉冲宽度的数据測试结果，因此，上述参数应在数据页中予以明确。说明：h 峰一峰值幅度；L脉冲宽度。图2典型的超声脉冲6.1.3中心频率和相对带宽使用图1的试块与检测装置，将反射体回波放在闸门内，闸门最小应设置为脉冲宽度的两倍并使 脉冲最大值居中，用频谱分析或离散傅里叶变换测出频谱。测量出回波频谱下降6 dB时的髙、低截止 频率，按公式(2)、公式(3)及公式(4)分别计算得出中心频率、带宽和相对带宽。根据高、

18、低频率人和Z，按公式(2)计算中心频率兑。2 (2)带宽按公式(3)计算。A/-Z. fi(3)相对带宽按公式(4)计算，以百分数表示。4 = (4/,) x 100%(4)6.1.4相对脉冲回波灵敏度对于纵波直探头测试平面反射体的大平面，对于横波斜探头、纵波小角度探头、双晶探头测试半圆 柱试块，测试装置见图1，测出施加到探头上的峰一峰值电压和大平底反射回波放大前回波的峰一峰 值电压V。，相对脉冲回波灵敏度Srel按公式(5)计算。5rel=201g(Vc/.)(5)式中：SreI相对脉冲回波灵敏度；Vc-来自规定反射体的放大前回波峰一峰值电压；V,施加到探头上的峰一峰值电压。探头灵敏度受耦合

19、条件、脉冲发生器、探头、电缆以及接收器的阻抗等因素的影响，上述参数应在 探头数据页中予以明确。#库七七 标准下载TB/T 3568.3-20216.1.5声轴偏斜角6.1.5.1纵波直探头6.1.5.1.1采用超声波探伤仪和附录A中3 mm横通孔参考试块测量。6.1.5.1.2在试块上选取深度约为2倍被测探头近场长度的横通孔，移动探头，找到探头接收到最大 回波的位置，测量探头几何中心点与横通孔中心点的位移，见图3。Xc说明：e偏移(直探头几何中心点与测量到的声中心点之间的距离)；X'a探头中心；XC,YC探头中心坐标；Xm，ym横通孔中心坐标。图3测量探头几何中心点与横通孔中心点的位移

20、6.1.5.1.3直探头的声轴偏斜角测试见图4。按公式(6).(7)计算倾斜角久和图4直探头的声轴偏斜角测试示意图按公式(6)计算S，。8X = arc tan (Ax/fc)(6)按公式(7)计算S，。= arctan( Ly/h)(7)6.1.5.1.4按公式(8)计算声轴偏斜角。S = arc tan ( sin 8y/sin(8)6.1.5.2横波斜探头6.1.5.2.1调整探头在适当参考试块的大平面上的位置，使直接来自试块端角的回波达到最大，见 图5,该端角反射体应处于探头的远场。6.1.5.2.2利用直角边和量角器测量探头参考测面相对垂直角面的方向，此角度即声轴偏斜角。76.1.5

21、.2.3如果第一次测出的偏斜角超过1°，则需测量三次，取其平均值。标引序号说明:1 探头；2 声束；3直尺。囹5横波斜探头声轴偏斜角测量6.1.5.3纵波小角度探头6.1.5.3.1将探头置于横通孔试块的侧面，见图6,使直接来自试块直角拐角的回波达到最大。6.1.5.3.2利用直角边和量角器测探头前沿相对垂直角面的方向，此角度即声轴偏斜角。6.1.5.3.3如果第一次测出的偏斜角超过1%则需测量3次，取其平均值。图6纵波小角度探头声轴偏斜角测量6.1.6横波斜探头（单晶、双晶）入射点使用nW或CSK-IA试块，调整探头,使来自及100圆弧的反射回波最大，这时，对应试块«10

22、0的 圆心刻度线位置便是探头人射点。对于弧面探头，应采用带有弧面的试块，如采用弧面CSK- IA试块 或其他检测面为弧面且具有扇形反射面的试块。86.1.7折射角6.1.7.1横波斜探头（单晶、双晶）6.1.7.1.1平面横波斜探头折射角可采用6.1.7. 1.2或6.1.7. 1. 3的方法进行测试，弧面斜探头折 射角可将3 mm横孔试块、CSK-IA试块探测面设计成弧面，或采用与探头弧面相适应的试块进行 测试。6.1.7.1.2使用3 mm横通孔试块，依次至少测量3个横孔，使来自每个孔的反射回波达到最大，分别 测量孔中心投影至探头前沿的距离a'，以测出的距离a'为横坐标，孔

23、深f为纵坐标，绘出相应的标记 点，再绘出通过这些点的直线Z,直线I与纵坐标的夹角即探头折射角氏见图7。库七七 标准下载说明：L探头前沿至试块端面距离；a探头前沿距离。说明：x探头人射点。囲7测定横波斜探头入射点和折射角的图示法6.1.7.1.3将探头置于CSK- IA试块上，见图8，当jB < 60°时，探头放在图8的a）位置，观察小50 mm 孔的回波；当60°8<70°时，探头放在图8的b）位置，观察4>5O mm孔的回波；当/3>10°时探头放在图 8的c）位置，观察*1.5 mm横通孔的回波。前后移动探头，直到回波最髙时，

24、测量入射点对应的角度刻度/3j8角度精确到0.5°,或按公式(9)、(10)、(11)计算，精确到0.1。X = tan 8 = (£ + a-35)/70(3 <60。)(9)K = tan/3 = (£+a -35)/30(60°<j8<70°)(10)K = tanj8 = (Z, + a-35)/15(>70°)(11)a） p <60。b） 60°fl <70。c） 3*70°囲8采用CSK- IA试块测试探头折射角示意图TB/T 3568.3-20216.1.7.1.

25、4两种方法检测结果有疑义时，以6. 1.7.1. 3为准。6.1.7.2纵波小角度探头6.1.7.2.1 方法一采用巾3 mm横通孔试块进行测试，测试方法按6. 1. 7.1. 2执行，探头测试位置见图9。#库七七 标准下载6.1.7.2.2 方法二采用TZS-R型标准试块进行测试。将探头置于TZS-R试块的C面或fl面上，见图10、图11，当找到端面（A面）棱角的最大反射波髙 时，则:当探头人射角在 6° 8°时：K= （X+£）/200； = arctan Ko图1013°-17°（人射角约6° 8'）小角度纵波探头折射角

26、的測试示意图当探头人射角在 9° -12°时:K=（X+£）/80;j8 = arctan K。XLR图1119° 27°（人射角约9°-12°）小角度纵波探头折射角的测试示意图6.1.8双晶探头焦距6.1.8.1工作模式设置为一发一收，采用*3 imn横通孔试块（试块尺寸及横孔深度根据探头预期焦 距而定），以横孔深度为横坐标，回波幅度为纵坐标，制作距离一波幅曲线。6.1.8.2距离一波幅曲线至少应有8个测量点，所选取的距离应包括探头的近场长度范围。6.1.8.3测试时探头的隔声层应垂直于横通孔。6.1.8.4距离一波幅曲线

27、上最大振幅点给出焦距。TB/T 3568.3-20216.1.9双晶探头串扰6.1.9.1工作模式为一发一收，将双晶探头置于参考试块上，参考试块的尺寸应能使得到的底面回波 处于探头聚焦区以内，调整该回波达到8096并记录増益值(4,)。6.1.9.2在显示屏上可以看到来自耦合表面的回波，调节仪器増益直至其波幅达到80%，记录增益值(42)，计算皂与卑的差值。如果看不到耦合回波，则只能给出低的串扰极限。6.2相控阵探头6.2.1物理外观目视检测探头外形，对接触法探头接触面的平整度、探头的物理几何结构进行检测。6.2.2相对脉冲回波灵敏度差值6.2.2.1将仪器设为收发模式，发射器脉冲应为负方波脉

28、冲或负尖脉冲，其持续时间等于与标称探头 频率相对应周期的1/2,将反射回波置于示波器时间窗口中，时间窗口持续时间至少是信号波幅在 -20 dB测得的脉冲回波持续时间的两倍。6.2.2.2测量每个晶片参考回波波幅电压匕并记录，计算的算术平均值1并记录。6.2.2.3每个晶片的相对脉冲回波灵敏度差值按公式(12)计算。Sel=20 1g-(12)'av式中：Sb1相对脉冲回波灵敏度差值；yel某个晶片的参考回波波幅电压；所有晶片参考回波波幅电压算术平均值。6.2.3频率、带宽按收发模式进行测试，测试条件按6.2.2. 1执行，在使用时间窗口的信号上确定频谱，确定频谱最 大波幅-6 dB处相

29、应的频率。由此可获得髙频人和低频_/；，根据和/；,按公式(2)计算中心频率/);带宽按公式(3)计算;相对带 宽按公式(4)计算，以百分数表示。6.2.4脉冲持续时间将仪器设为收发模式，对探头的每个晶片逐一进行测试，测试条件按6.2. 2.1执行，测试方法应符 合6. 1.2,记录每个晶片的脉冲持续时间，计算平均脉冲持续时间。6.2.5晶片间串扰6.2.5.1采用示波器进行测量，激励信号应为持续时间至少为6个周期的正弦脉冲信号，通过激励随 机选取的晶片并测量相邻晶片的接收信号获得串扰。6.2.5.2晶片数不大于64的相控阵探头在2个定位点上确定晶片间串扰，晶片数大于64的相控阵 探头在4个定

30、位点上确定晶片间串扰。B.2.5.3示波器与两个相邻晶片连接，对于接触法，探头与工件接触，对于水浸法，探头置于水中。6.2.5.4测试时不应受到来自试块或水浸槽的影响。6.2.5.5按公式(13)计算晶片间串扰CT。11库七七 标准下载TB/T 3568.3-2021CT = 20 1g(13)"rec式中：CT晶片间串扰；相邻晶片接收电压；激发脉冲电压。6.2.6失效晶片数计算在6. 2.2.6. 2.3中失效的晶片数。7检验规则 7.1出厂检验7.1.1每个探头出厂前，均应进行出厂检验。7.1.2探头检验过程中，任一指标不符合本部分规定，不应出厂。7.1.3探头出厂检验项目应符合

31、表4的规定。表4检验项目序号探头规格检验项目检验性质技术要求对应条款检验方法 对应条款出厂检验人厂复验1直探头物理外观V4.1.16.1.1脉冲宽度V4. 1.26.1.2中心频率VV4.1.36.1.3相对带宽VV4.1.46.1.3相对脉冲回波灵敏度V4. 1.56. 1.4声轴偏斜角VV4.1.66.1.5.12横波斜探头物理外观V4.1.16.1.1脉冲宽度V4.1.26. 1.2中心頻率VV4. 1.36.1.3相对带宽VV4.1.46.1.3相对脉冲回波灵敏度V4.1.56.1.4声轴偏斜角VV4. 1.66.1.5.2人射点VV4. 1.76.1.6折射角VV4.1. 8.16. 1. 7.