摘要：長期以來研究人員利用水浸聚焦探頭發(fā)出的超聲波在水中聚焦形成的焦點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的微小缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)，從中可知，對(duì)于焦柱的位置的確定直接影響著檢測(cè)結(jié)果的好壞。檢測(cè)人員所采用檢驗(yàn)工藝的理論依據(jù)是幾何聚焦原理，這是一種近似的幾何運(yùn)算，在進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)時(shí)可能存在一些偏差。本文對(duì)此進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果表明運(yùn)用幾何聚焦原理測(cè)算出的焦點(diǎn)位置與實(shí)際焦點(diǎn)位置存在一些偏差，作者還介紹了一種測(cè)試和分析聲場(chǎng)的方法，通過實(shí)驗(yàn)并結(jié)合軟件對(duì)斜入射時(shí)超聲在試件內(nèi)部的聲場(chǎng)進(jìn)行了分析。
Analisising and experiment of ultrasonic field with immersion focusing ultrasonic test in angle beam incidence WANG Jun1,2, GANG Tie1, TIAN Chun-ying2, Gao Shuang-sheng1, ZHANG Wei-zhi1,3 (1.State Key Lab of Advanced Welding Production Technology, Harbin Institue of Technology, Harbin 150001; 2.College of Material and Technology, Jiamusi University, Jiamusi 154007; 3.Shanghai volkswagen motor Ltd., Shanghai 200000 ) Abstract: Immersion focusing ultrasonic test technology was widely used in testing fine defects of structure specimen by researcher. So focus position is highlightedly important to the result of detecting discontinuity. Testing process by detector is based on geometry focus principles and it’s a approximate caculation, so that it will leads to a certain extent error. This paper confirm the exists of the error between theory analysising and experiment validating, at the same time a new method of measuring sound field analysized by this method in angle beam incidence is proposed. Keywords: ultrasonic test； immersion focusing； sound field
前言
水浸聚焦超聲無損檢測(cè)技術(shù)是利用凹透鏡將探頭發(fā)出的超聲波在水中進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚的超聲波束遇到工件后進(jìn)一步聚焦,在工件內(nèi)部形成二次聚焦焦點(diǎn)，然后利用焦點(diǎn)對(duì)工件內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。它避免了水浸超聲檢測(cè)時(shí)超聲波束在水中的發(fā)散現(xiàn)象，提高了缺陷的檢測(cè)精度及靈敏度，特別適用于檢測(cè)焊件內(nèi)部的微小缺陷。
常規(guī)的方法是采用探頭垂直工件表面入射進(jìn)行檢測(cè)，但對(duì)垂直于工件表面的面缺陷來說，垂直入射很難發(fā)現(xiàn)缺陷。理想的解決方法是采用斜入射的檢測(cè)工藝。一方面可以提高檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)到更小的面缺陷，另一方面還可以對(duì)該缺陷進(jìn)行定量分析。在斜入射時(shí)工件內(nèi)部的聲場(chǎng)更加復(fù)雜，焦點(diǎn)位置的確定是諸多檢測(cè)參數(shù)中最重要的，它直接影響著檢測(cè)靈敏度及精度，但其相關(guān)研究還比較少，因此作者針對(duì)水浸聚焦斜入射時(shí)工件內(nèi)部焦點(diǎn)的位置進(jìn)行了比較深入的分析和研究。
1 理論分析
水浸聚焦探傷中，探頭是通過水耦合到工件上的。聲波在進(jìn)入工件之前，在水中要走一段距離。又由于聚焦聲束中的各個(gè)聲線(對(duì)焦點(diǎn)而言)是會(huì)聚的，因此各聲線對(duì)工件的入射表面的入射角是不同的。聚焦聲束經(jīng)過工件表面時(shí)，總有折射發(fā)生，原來是聚焦的聲束，斜穿過工件表面后也應(yīng)該是會(huì)聚的。由于聚焦探頭斜入射的聲場(chǎng)比垂直入射時(shí)復(fù)雜，所以準(zhǔn)確把握焦點(diǎn)位置對(duì)于精確檢驗(yàn)工件內(nèi)部的缺陷，特別是微小缺陷至關(guān)重要。
根據(jù)幾何光學(xué)原理，探頭垂直入射至工件內(nèi)部時(shí)焦點(diǎn)位置如圖1。在圖中 
代表聚焦探頭在水中的一次焦距， 代表超聲波遇到工件后進(jìn)一步會(huì)聚形成的二次焦距。 是聚焦探頭晶片的曲率半徑。D為探頭晶片直徑。簡
| 圖1水浸聚焦探頭垂直入射時(shí)聲場(chǎng)分布情況 |
| Fig.1 Sound field of immersion focusing UT with vertical beam incidence |
化起見，我們用 、 表示一次和二次焦點(diǎn)的
| 圖2水浸聚焦探頭斜入射時(shí)聲場(chǎng)分布情況 |
| Fig.2 Sound field of immersion focusing UT with angle beam incidence |
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位置。 其焦點(diǎn)位置用公式表示為[1]： 式中C2、C3——分別為介質(zhì)聲速和工件聲速
同樣根據(jù)幾何光學(xué)原理，探頭斜入射至工件內(nèi)部時(shí)，焦點(diǎn)位置如圖2[2]。聚焦探頭的任意一條聲線A1B1經(jīng)工件表面折射后與軸向聲線SO的折射聲線OP￠交于P￠點(diǎn)。設(shè)B1P與OP的夾角為q。i，r分別為軸向聲線SOP￠的入射角和折射角，i￠，r￠分別為聲線A1B1P￠的入射角和折射角。我們用 、 代表一次和二次焦點(diǎn)的位置。 設(shè)DB1P￠O=a，n=C2/C1，C1和C2分別是液體介質(zhì)和檢測(cè)工件聲速。對(duì)于不銹鋼工件檢測(cè)，水聲速C1=1480米/秒，鋼中縱波聲速Cl2=5650米/秒，鋼中橫波聲速Cs2=3120米/秒。根據(jù)幾何聲學(xué)原理通過公式推導(dǎo)得到下式：
由式中可知，如果給定r值和OP值，那么OP’值將隨 的變化而變化。當(dāng) 角很小時(shí)聲線可以近似地認(rèn)為聚焦于一點(diǎn)，所以探頭斜入射時(shí)越是靠近軸線處的聲線，聲線之間的聚焦效果就越好，但根據(jù)上述公式，當(dāng) 增大時(shí)，遠(yuǎn)離軸線的聲束聚焦效果相對(duì)要差。所以我們認(rèn)為，當(dāng)水浸聚焦探頭斜入射至某一平界面時(shí)，其聲線會(huì)聚狀況與直入射不同，直入射時(shí)水浸聚焦探頭發(fā)出的聲線進(jìn)入工件后基本會(huì)聚于一點(diǎn)，而斜入射時(shí)，只有比較靠近軸線處的聲線才能近似地會(huì)聚于一點(diǎn)。顯然兩種入射方式的聚焦情況有所不同，但是在斜入射時(shí)，如果缺陷處于焦點(diǎn)位置，仍能夠得到最大的檢測(cè)靈敏度，因此精確確定斜入射時(shí)的焦點(diǎn)位置是能否最大限度提高檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵所在。通常我們所采用的超聲波水浸聚焦探頭的擴(kuò)散角 比較大，所以從理論上講通過上述計(jì)算公式得到的焦點(diǎn)位置是不適用于微小缺陷的精密檢測(cè)的。
| (b)16mm |
| (a)19mm |
| (c) 13mm |
| 圖4 不同軸向液程二次焦點(diǎn)的確定 Fig.4 measurement of second focus in different acoustic length |
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圖5 探頭斜入射聲場(chǎng)分布 Fig.5 Sonic field of ultrasonic with angle beam incidence | |
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2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
通過上述的理論分析，我們知道根據(jù)幾何聚焦原理來計(jì)算二次焦點(diǎn)的位置是不精確的。下面通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步研究水浸聚焦斜入射時(shí)二次焦點(diǎn)的位置。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自動(dòng)超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)格遵循無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)所制訂的基本條件[3]。
探頭實(shí)測(cè)技術(shù)參數(shù)為頻率7.8MHz，焦距26mm，晶片直徑10mm。
| 圖3水浸聚焦探頭斜入射聲場(chǎng)測(cè)試方案 |
| Fig.3 Measurement of sonic field with immersion focusing UT of angle beam incidence |
標(biāo)準(zhǔn)試樣的制備：如圖3所示，該試件是一個(gè)200 20mm，厚度為10mm的不銹鋼。在該試件中有一排直徑是1.5mm，橫向距離相差7mm，深度距離相差0.5mm的橫通孔。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：我們使用上述水浸聚焦探頭，以19.5度的傾斜角和不同的軸向液程(在這里記為從探頭到試件表面的距離)斜入射試件表面，并按圖3中所示方向運(yùn)動(dòng)。記錄每個(gè)孔的回波最高值，回波高度代表了聲束進(jìn)入試件后遇到反射體(圓孔)后反射回來聲束的強(qiáng)弱。它同時(shí)代表了探頭聲束的檢測(cè)能力。對(duì)于單個(gè)的孔來說，在反射波最強(qiáng)處可以認(rèn)為探頭以一定角度和軸向液程發(fā)出的聲束的中軸線與反射體正交。因試件中每個(gè)孔的深度不同，記錄不同深度的每個(gè)孔回波的最高值，就可以確定焦點(diǎn)的位置。前面我們已經(jīng)通過理論分析證實(shí)了聚焦探頭斜入射時(shí)，聲束在試件內(nèi)部也是會(huì)聚的，在焦點(diǎn)處遇到反射體的回波強(qiáng)度應(yīng)該是最大的。我們分別以19mm，16mm，13mm的軸向液程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4。
圖中可知，通過改變軸向液程可以調(diào)節(jié)焦點(diǎn)的位置，即不同的軸向液程進(jìn)入試件后焦點(diǎn)的位置也不同。19mm軸向液程時(shí)在試件內(nèi)部焦點(diǎn)深度的理論計(jì)算值為2mm，實(shí)測(cè)值為2.5mm，其相對(duì)誤差是25%。16mm時(shí)理論計(jì)算值是2.7mm，實(shí)測(cè)值為3.5mm，其相對(duì)誤差29%。13mm時(shí)理論計(jì)算值是3.7mm，實(shí)測(cè)值為5mm，其相對(duì)誤差35%。隨著軸向液程降低，焦點(diǎn)深度加大。而且，隨著軸向液程的降低，其理論計(jì)算焦點(diǎn)位置與實(shí)際焦點(diǎn)位置偏差增加。
通過上述實(shí)驗(yàn)可以看到水浸聚焦探頭斜入射的聲場(chǎng)更為復(fù)雜，單純應(yīng)用焦點(diǎn)深度的理論計(jì)算值進(jìn)行檢測(cè)是難以獲得較高的檢測(cè)靈敏度的，尤其對(duì)于微小缺陷檢測(cè)的影響更大。因此我們可以首先通過理論計(jì)算大致估算出焦點(diǎn)的位置，然后再通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定焦點(diǎn)所在，準(zhǔn)確把握水浸聚焦探頭斜入射時(shí)試件內(nèi)部的二次焦點(diǎn)的位置。
3 聲場(chǎng)的測(cè)試與分析
為了提高檢測(cè)缺陷的靈敏度，為了更全面更直觀地掌握探頭斜入射時(shí)超聲在工件內(nèi)部的聲場(chǎng)分布情況，作者通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合Origin軟件測(cè)試和分析了探頭斜入射時(shí)超聲在工件內(nèi)部的聲場(chǎng)分布情況。 實(shí)驗(yàn)采用上述探頭及圓孔試件和超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行。首先讓該探頭以19mm的軸向液程和19.5°的入射角按圖3所示的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行掃描，超聲波進(jìn)入到試件內(nèi)部遇到圓孔反射回來時(shí)，記錄該孔反射波的最高值，用該值代表試件內(nèi)部聲束軸線處聲場(chǎng)的強(qiáng)弱。
每一個(gè)孔代表試件內(nèi)不同的深度，不僅記錄了在該深度聲束軸線處的聲場(chǎng)強(qiáng)弱，而且對(duì)于該深度軸線周圍的聲線的強(qiáng)弱，也進(jìn)行了測(cè)試和記錄。方法是當(dāng)探頭移動(dòng)到一個(gè)孔的最高回波處時(shí)，使探頭以一定的步長，先向前再向后移動(dòng)一定的步數(shù)，同時(shí)記錄回波的高度。回波的高低代表該聲線的強(qiáng)弱，回波越高，聲線聚集程度越強(qiáng)。記錄回波高度值和試件內(nèi)部不同深度相應(yīng)的位置就可以描述試件內(nèi)部不同深度聲場(chǎng)的分布情況。
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，利用軟件進(jìn)行分析的結(jié)果，見圖7，橫坐標(biāo)代表圓孔試樣的上表面，縱坐標(biāo)代表試件的深度，不同顏色代表超聲在試件內(nèi)部不同位置的回波高度，它表示了各個(gè)位置聲場(chǎng)的強(qiáng)弱。由圖中分析可知，水浸聚焦探頭斜入射時(shí)，在聲束的橫截面上，軸線處的的聲場(chǎng)最強(qiáng)。而在整個(gè)聲束軸線上，聲場(chǎng)強(qiáng)度是不同的。聲束軸線處某一深度的聲場(chǎng)最強(qiáng)，那么焦點(diǎn)就應(yīng)該在此位置。當(dāng)被檢區(qū)域處于焦點(diǎn)處時(shí)，這時(shí)所獲得的檢測(cè)靈敏度最高。探頭移動(dòng)的步長對(duì)于聲場(chǎng)測(cè)試的精度具有決定意義，步長越小，則測(cè)試精度越高，但相應(yīng)測(cè)試時(shí)間長。
當(dāng)我們用某一型號(hào)探頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí)往往要先測(cè)試探頭的性能，估算試件內(nèi)部聲場(chǎng)。利用此方法可以更加準(zhǔn)確地描述出試件內(nèi)部聲場(chǎng)的實(shí)際情況，這為制訂檢測(cè)工藝提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)于提高檢測(cè)微小缺陷的靈敏度具于重要的意義。
4 結(jié)論
1) 采用水浸聚焦斜入射檢測(cè)工藝時(shí)，運(yùn)用幾何聚 焦原理測(cè)算出的二次焦點(diǎn)位置與實(shí)際焦點(diǎn)位置存在偏差，實(shí)驗(yàn)表明探頭與工件表面的距離越近，則偏差越大。
2) 實(shí)際檢測(cè)時(shí)，首先運(yùn)用幾何聚焦原理估算二 次焦點(diǎn)的位置，縮小實(shí)驗(yàn)范圍和實(shí)驗(yàn)量，然后通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定二次焦點(diǎn)的位置。
3) 為提高檢測(cè)精度及靈敏度，更全面直觀地掌
握試件內(nèi)部的聲場(chǎng)分布情況，通過實(shí)驗(yàn)并結(jié)合軟件提出了一種測(cè)試和分析聲場(chǎng)的方法，該方法不僅能提高檢測(cè)靈敏度，而且對(duì)檢測(cè)微小缺陷具有重要的指導(dǎo)意義。