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超声波斜探头的前沿会变吗?

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这期我们聊聊常规超声波检测容易被忽略的问题——探头前沿变化。

探头前沿是探头的一个重要参数,探头前沿、探头K值、延迟等参数,是影响焊缝中缺陷定位的重要因素。

探头前沿的测量方法,将探头置于CSK-IA试块上,移动探头找到R100圆弧的最高反射波,探头前沿为100减去探头前沿至试块边缘的距离,此时圆心的位置即为探头声束入射点。通常我们会认为探头前沿值是探头的固有参数,不会随被检材料的声学特性变化而变化。

超声波斜探头的前沿会变吗?

超声波斜探头的前沿测量方法

这段时间,我在做铝合金对接焊缝的超声检测,在校准仪器过程中,用规格为5P9×9K3的探头,在铝制CKS-IA试块R100圆弧上测量探头前沿为23mm,在R50圆弧上测量的前沿为16mm。另外,用该探头在20号钢制CSK-IA试块R100圆弧测量前沿为11mm,在R50圆弧上测量前沿为11.2mm。在钢制试块上测量探头前沿值基本一致,而铝合金测量方法偏差甚大,并且在铝合金制试块R100圆弧上,测出的探头前沿值不符合逻辑,因为探头总长才25mm。

百度搜索相关资料,发现在远东无损检测论坛,曾经激烈探讨过探头前沿值变化情况,有些人认为探头前沿确实会随被检材料的声学特性改变而改变,另一方则认为探头前沿是探头特有的参数,且是固定不变的。讨论到最后,没有一致认同的答案。

其中网友“糟老头子”用esbeamtool软件,模拟声束在R100圆弧的传播情况,见下图。其模拟探头入射点不在圆心上,因此不能证明探头前沿变化情况,但是提供了一种很好的思考方式。

超声波斜探头的前沿会变吗?

超声波声束入射CSK-IA试块

那么问题来了,探头前沿值会随材质改变而改变吗?或者随不同圆弧变化而变化吗?

找到一篇论文《超声斜探头入射点变化讨论》,这篇论文中指出,探头实测入射点与被检材料声速有密切关系,与理论入射点不同,它与声速之间没有绝对而简单的线性关系。文章的作者并提出“声线梭形”理论——所有声线的等效路线呈一个梭形,梭形随折射角变化而变化。

超声波斜探头的前沿会变吗?

声线梭形原理

作者提出的依据是,每组与发射声束中心线对称的声线经过界面折射、圆弧面反射和界面再次折射的路径都不对称,所以声束并不是中心线一条路径上传播,在圆弧反射并不按原路返回。

探头接收到的信号是所有回到晶片的声线的效应的总和,因此,探头的声束中心线对准圆心时,不一定能收到最强的反射信号。而获得最大反射信号的声束中心线将可能偏离圆心。似乎不太好理解,简单说说我对该“声线梭形”理论的理解。

探头发射的声束入射至CSK-IA试块中,上、下扩散角区域内的声束,经过R100圆弧面反射后再叠加(波动干涉叠加?)形成一个最高波,此最高波声束可以简化为某个角度的声束,但此声束不是中心声束,另外声束上扩散角(探头中心声束以上扩散角)大于下扩散角(探头中心声束以下扩散角),因此最高波的声束可能大于中心声束的角度,所以在试块中会形成一个梭形。

按照作者的意思,探头前沿的测量值不是一个定值,移动探头找到R100mm圆弧的最高反射波,此时测量出来的探头前沿才是准确的值。因此,我的理解是,钢中测量的探头前沿和实际值存在偏差,并且K值越大,偏差越大。下表为探头前沿值的随被检材料和探头规格改变而改变。百度搜索该论文,查看更详细的介绍。

超声波斜探头的前沿会变吗?

超声波斜探头的前沿

从上表中确实可以看出,探头前沿随K值的变化而变化,且K值越大,探头前沿值越大,被检材料声学特性不同,探头前沿也不同。似乎可以印证作者的推论。

探头前沿值真的会随材质改变而改变吗?——我认为探头的实际前沿(理论前沿)不会改变。

先来回顾什么是探头前沿,探头前沿是指探头发射的声束入射点至探头前沿值的距离。提出探头前沿这个概念的目的,是便于实际检测中测量缺陷的水平位置。

为了更好的理解,我将探头前沿分为两种类型,一种为实测前沿,即在R100圆弧上测量的前沿,另外一种为实际前沿(理论前沿),即探头声束入射点至探头前沿的距离。

其实我非常赞同上述论文提出的“声线梭形”理论,并且认为测量的前沿值确实是会发生改变,但是探头的实际前沿(理论前沿)是不会发生改变的。

我个人观点:探头实际前沿(理论前沿)和探头零偏(零点或延迟)相似,都是探头的固有参数,探头延迟是纵波在斜楔块中传播的时间,探头前沿是声束入射点至探头前沿值,两者都不会随被检材质的改变而改变。

我认为在检测中测量缺陷的位置,探头的实际前沿(理论前沿)才是被用到的。实测前沿和理论前沿不同,是由于测量方法“有误”导致的,特别是各向异性明显的材质。

那为什么我们实际检测过程中,用的都是实测探头前沿,而不用实际探头前沿呢?

因为我们检测的对象一般都是类似于20号钢的细晶材料,材质均匀,几乎可以忽略材质的各向异性引起的声束偏转,因此,采用R100圆弧测量的实测前沿和实际前沿值相差不大,并且采用R100圆弧测量探头前沿是最简单的方法。如果被检工件的材质存在各向异性,声束偏转明显,则不能采用该方法测量探头前沿值。

比如不能在铝合金材质CSK-IA试块的R100圆弧上测量前沿值,在做铝合金超声检测是,可以先在20号钢的CSK-IA试块上测量探头前沿值,再将此测量值输入仪器中。这就是为什么我认为实际前沿(理论前沿)比实测前沿值更重要的原因。

最近在搞铝合金的超声检测,发现由于铝合金材质存在声速不等、各向异性等因素,导致无法调整仪器的扫查灵敏度,以及无法准确校准探头前沿、K值。

但是通过和我的师父交流,再进行理论推导,这类问题似乎得到解释,并且提出了相应的解决方法,比如:测量铝合金的声速、最接近理论前沿值的测量方法等。由于文章篇幅过长,择另文探讨,并列举遇到的各种问题,或者会写一篇关于铝合金超声检测方法的文章。


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