水浸超声波分层探伤技术|信号|声束|探头|灵敏度

随着一体成型和复合材料制备技术的不断发展，各类零部件呈现大型化和组织多元化的趋势，如飞机起落架、发动机叶盘等。大截面尺寸产品产品形状多变、包含较多种类的缺陷，组织相对不均匀，声学特性差异大，超声波衰减严重，给超声波探伤带来很大的困难。以大型锻造叶盘为例，芯部位置容易出现粗大晶粒、超声波穿透晶界时，容易产生散射和衍射，极大降低了超声波的穿透性和信噪比，出现草状杂波。

为了解决以上问题，近年来，水浸探伤得到越来越多的应用。但是常规的水浸超声波探伤方法受限于信噪比、分辨力和灵敏度，有时无法满足较高的无损验收标准。以某项目6 级整体叶盘锻坯为例，材料为粉末高温合金，余量3mm，直径650mm，厚度110mm，检测标准为ASTM2154，按AAA 级验收，要求组织均匀，没有粗大晶粒。

为准确检测大型铸锻件的内部缺陷，保证产品质量，文章采用超声纵波分层检测技术，成功完成了相关的无损质量评估任务。

工艺过程

1.1 探头的选择

聚焦探头在远场区域内会产生更有效的灵敏度。在近场区域内，探头声场可被聚汇聚成束，在将声束直径减少到焦点的过程中，在聚焦区域内声束每前进一步声能就会增加一点，从而提高探测小反射体的灵敏度。故文中检测方法优先选择聚焦探头进行相关检测工作。

当然，由于干涉现象，实际产生的聚焦声束并不是严格地汇聚为一个点或一条线，而是在声压最大值附近一定尺寸的区域内，声压保持一定的幅度，形成一个聚焦区，如图1 所示。

综上可知，聚焦区越长，检测的信噪比、灵敏度越好。聚焦区直径越小，横向分辨力越好。根据以上原则，可以有效选择不同探头。经过统计分析，现阶段，行业内常见聚焦探头的晶片直径和焦距呈线性关系，聚焦区直径相对变化量比较稳定。这也为实际探头的选择和工艺参数的设置带来了便利，不会因各分层使用了不同型号的探头导致焦点直径差异过大。

1.2 分层深度范围分层的深度范围应处于探头声场的位置，若各分层都在相应探头的理论聚焦区内，即可保证各分层检测结果的差异比较小，检测数据比较真实可靠，不会对验收与评判造成干扰。通过工艺试验在满足检测信噪比、分辨力、声压线性良好的前提下，尽可能使每个分层长度范围应尽可能大。当然，这样的分层方法使每个分层的长度范围按照理论计算的范围进行了细分，适用于灵敏度非常高的验收标准下的检测，如粉末合金的水浸超声波检测。

1.3 探头位置探头相对于工件的位置，主要由水距和焦点在材料中的下沉量决定，如图2 所示。

理论水距长度需超过分层厚度t 的1/4，否则界面二次反射信号会出现在一次底面反射信号之前。通过计算水距和焦点在材料中的下沉量，可将探头的焦点落在对应分层区域中心的位置，且界面二次反射信号不会出现在一次底面反射信号之前。

检测工艺过程

以前文提到的某项目6 级整体叶盘锻坯为例，检测工艺如下。

2.1 传统检测方式用超声波脉冲反射式直入射水浸法进行检测，使用标称水距152mm 的5MHz（频率）点聚焦探头，设置闸门深度范围为6.4~100mm，径向探伤，探伤结果显示，部分杂波当量超过Φ0.8mm 平底孔-6dB，干扰了正常的检测过程。经判断，此种方法无法满足HB 5266—1983《航空发动机用TC11 钛合金压气机盘及饼（环）坯的超声波验收标准》。这种杂波信号掩盖了-6dB 以下的密集型缺陷信号，对密集型缺陷信号的观测造成了影响。而HB5266 要求-6dB 以下的密集型缺陷信号是不允许存在的，杂波要求不大于-12dB。

2.2 分层检测方式在高灵敏度、高验收级别的情况下，应使被检材料中的声场特性非常好，这样才能保证被检缺陷的可观测性。此时，应考虑细分的分层方法，使探头焦点位于所分层范围内，极大地提高探头在被检材料中的声场特性。首先，小缺陷应考虑选用高频探头；其次，为了获得较大的聚焦区深度范围，应考虑选用大晶片直径、长焦距探头。为了使各所分层能取得良好的检测效果，各分层所用不同型号探头通过上文理论计算出焦点下沉量和聚焦区长度，然后进行各分层搭接组合，实现细分。第一分层为近表面分层，为了保证近表面分辨力，水距应使用标称焦距，那么选用高频、小直径探头，即可满足高分辨率、高灵敏度、浅探测深度范围内高信噪比的要求，例如，HGE-5827-A、IS1010GA 等，在后续的分层中由于探测深度的增加，应考虑选用高频、大晶片直径、长焦距探头，如V322 系列探头，晶片直径25.4mm，焦距8 英寸、10 英寸、12 英寸、16 英寸。 HGE-5827-A 探头，通过测定得到Φ0.4FBH 试块TCG 曲线，如图3 所示。

观察TCG 曲线，在3.2~20mm 深度范围内，曲线线性良好，且试块孔波与周围杂波的信噪比较好，第一分层选用HGE-5827-A 探头，使用标称水距89.6mm，分层深度范围3.2~20mm，近表面埋深3.2mm 试块做动态响应，满足规程±1dB 要求。通过实际检测验证被检材料第一分层实际检测结果满足验收要求，杂波均低于Φ0.4mm-12dB，即第一分层方案可行。那么后续分层应使用V322 系列探头，晶片直径25.4mm，焦距8 英寸、10 英寸、12 英寸、16 英寸。按照理论推导，暂定分层如下：第二分层，选用标称焦距8 英寸的探头，实际检测水距140mm，分层范围15~30mm ；第三分层标称焦距10 英寸的探头，实际检测水距150mm，分层范围25~50mm ；第四分层，选用标称焦距12 英寸的探头，实际检测水距100mm，分层范围45~70mm ；第五分层，选用标称焦距16 英寸探头，实际检测水距焦距100mm，分层范围65~110mm。第五分层检测所用的TCG 曲线如图4 所示。由此曲线可以看出，焦点在材料中下沉到约75mm 深度处，材料内-6dB聚焦区长度大约40mm，与理论计算一致。由此可见，16英寸探头，焦距100mm，分层范围65~110mm，是可行的。通过实际检测验证被检材料第五分层实际检测结果满足验收要求，杂波均低于Φ0.4mm-12dB，即第五分层方案可行。其他各层验证情况同此。从各分层探头所测定的Φ0.4FBH粉末合金试块TCG曲线来看，各分层范围均在曲线线性良好，灵敏度、信噪比高的声场区域，有利于检测，各分层系统动态响应良好。由此可见，此分层方案可行。