双晶探头在扁钢探伤中的应用

模具扁钢使用双晶探头

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

模具扁钢使用双晶探头

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2.5P10×12mm 5°的双

模具扁钢使用双晶探头

晶直探头，其焦距可按如下步骤计算出来： 根据斯涅尔定律sinαLsinβLsinαL×CL2=求出折射角arcsinβL=。 CL1CL2CL1

式中：αL为入射角，

CL1为有机玻璃声速2700m/s

CL2钢中声速5900m/s

2HcosβL⑴再由几何原理推导DO≈可近似求得10×12mm规格 sin2βL

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。

模具扁钢使用双晶探头

⑵探头型号：2个2.5P10×12 5°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：将探头臵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。

模具扁钢使用双晶探头

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

3mm

5-1# -5 阶梯试块厚度（波高/dB） 5mm 10mm 20mm 25mm 30mm 40mm 50mm 60mm -4 -2

-4 -1 -2 0 0 -1 -2 -3.5 -6.5 -6.5 -8 ≤6dB范围(dB) 检出灵敏度(dB) 有效波束宽度(mm) 17 15 3～56 -10 3～48 -12 5-2# -5.5 -5 -1.5 -4

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：