刘力1, 刘硕2
Liu Li Liu Shuo
【1:湖南金天钛业科技有限公司 长沙 410015 2:〔现〕中国联通深圳分公司 深圳 518105】
摘要:钛合金棒材由于材料及使用领域的特殊性，超声波检测标准要求高。本文采用水浸聚焦超声波探伤方法，并设计用于手动水浸探伤的纵、横波转换器和适用于该转换器的对比试块，并在实际生产检测过程中应用。结果表明纵、横波转换器、设计合理、简单实用，完全满足用户对钛合金棒材检测标准的要求。
Abstract: Titanium alloy has high requirements in ultrasonic testing due to the specification of material and the applicable fields. In this paper, we use water immersion focusing ultrasonic flaw detection method, design the longitudinal, transverse wave converter for hand immersion testing and contrast test block applicable to the converter, and apply it in the production testing process The results show that the longitudinal, transverse wave converter has reasonable design, simple and practical, and fully meets titanium alloy bar detection standards of user
关键词：钛合金棒材；手动超声波水浸探伤；纵、横波转换器；对比试块
Keywords: Titanium alloy; Manual ultrasonic immersion testing; Longitudinal, transverse wave converter; Contrast test block
我公司生产的钛合金棒材用于航空、医疗领域，采用GB/T5193-2007 AA级检测标准，检测级别高，客户订单要求棒材纵波检测和横波检测，这就要求我们既要纵波检测φ0.8mm人工平底孔伤和又要横波检测Φ0.8mm横孔伤。通常我们水浸手动探伤只能探测纵波缺陷伤，而应用于横波缺陷伤检测却很困难。若采用其他方法检测横孔伤缺陷，由于棒材曲率大，探伤耦合效果差，且检测波形波动大；另外操作过程过于繁琐，效率不高，检测的可靠性也不理想。所以手动横波探伤检测是一直困扰我们探伤检测人员的新课题。为了确保探伤检测的可靠性，我们选用水浸探伤方法，即要满足探伤过程中一个聚焦探头垂直于被检测棒材进行纵波检测，又要能通过简单的计算和调整用该探头进行横波检测，同时探头即可以在水中上下移动调整焦距又可以水平方向平移探头位置调整偏心距，为了达到这个检测目的，必须设计一个水浸纵、横波探伤转换器以满足上述要求。
1、探伤原理：
由于水浸法探伤与直接接触法探伤相比其声波的发射与接受要稳定的多，另外探头相对于工件的角度可以自由变换，便于采用聚焦声束。纵波检测：当置于水中聚焦探头垂直于被检工件表面，探头中心线与圆形工件几何中心及人工平底孔伤中心线重合，将平底孔人工伤信号调整置满屏80%。既完成了纵波检测；当置于水中聚焦探头偏离圆形工件中心线一定的偏心距离，纵波倾斜入射水/钛界面，且入射角α1≤α≤α2时，同理，将横孔人工伤调整置满屏80%，可在棒材内实现纯横波检测。见图1
图1、纵、横波转换原理图
为了在取得水浸聚焦探伤更好效果，我们依据航空工业标准HB/Z 59-1997设计样棒，样棒用牌号TC4；规格φ40×L；状态M的钛合金棒材。在棒表面纵横方向上加工两个φ0.8平底孔，分别埋深D和D：在棒材两个端面距离表面1.5mm和距离表面分别加工φ0.8两个横孔，孔深距离为15mm,见文中图4。
1.1纵波探伤参数选择：
纵波探伤水层计算可采用公式：
其中式中: 
—纵波水层厚度
CL钛—钛合金纵波声速
CL水—水声速
T—被测工件直径
N=为重合次数
水层厚度应满足，工件上的第二次界面回波落在工件一次底波之后。将CL钛=6100m/s；CL水=1480m/s；T=φ40mm；N=2代入上述公式.
计算水层厚度： HL≥19.4mm；取H = 20mm
对于纵波探伤焦距: FL = HL + T = 60mm
选择水浸探伤探头焦距FL必须不小于60mm.
1.2横波探伤参数选择：
其实棒材横波探伤检测原理和水浸探伤检测φ40×8（壁厚）管材的原理是一样，只是把棒材距离表面 横孔人工伤相当于探管
材的内壁人工缺陷，而距离棒材表面1.5mm横孔人工伤相当于探管材的外壁人工缺陷，同理棒材纯横波探伤检测必须满足的条件：
1) 
当βL==90°时，
α1为棒材水浸探伤的最小入射角，所选α＞α1。
2) 保证 的横孔检测到的条件（β＜βs）
其中R为棒材半径，r为棒材中心距表面 横孔伤距离。见图2： 
图2、横波探伤原理，设D/5为△直角三角形OBA顶点位置。
α2为棒材水浸探伤最大入射角，所选的α应小于α2，选择的入射角α应同时满足上述两个条件
即：α1≤α≤α2
经整理 
对于水浸探伤钛棒：x为探头水平调整偏心距离，CL水=1480m/s；CL钛=6100m/s；CS钛=3100 m/s
0.243R≤X≤0.477r对于牌号为TC4规格φ40工件，为了可靠检测到横孔为φ0.8孔深为15mm,距离表面1.5mm和距离表面人工伤，设：R=20mm；r=12mm
X偏心距= =5.292mm
X偏心距取5.5mm
横波水层厚度选择：
Hs ≥ 横波声程的1/2时，水/钢界面二次回波落在棒材缺陷波（D/5人工伤）和棒材二次表面缺陷波之后，这样有利于对缺陷判断。
根据图2横波检测原理，横波半声程AB为：
AB=
将其中R=20mm；r=12mm代入公式
AB=16mm (应用中取Hs≥16mm)
求焦距Fs= Hs + 
=35.2mm
Fs取40mm
上述公式中：α—为水浸探伤入射角；
βL—为工件中纵波折射角；
βs—为工件中横波折射角；
R — 为棒材半径；
r —为棒材中心到棒材人工伤位置的距离；
X — 为探头位移偏心距；
Hs — 为横波水层厚度；
Fs — 横波焦距
通过上述计算得知，只要将探头焦距取40mm.偏心距取5.5mm。就可以得到纯横波棒材近表面和亚表面探伤检测。
2、纵、横波转换器的设计
根据上述纵、横波探伤原理，我们设计的用于水浸探伤的纵、横波转换器，可以很好的解决上述问题并满足其纵、横波的检测需要。水浸聚焦探头可固定在纵、横波转换器探头加紧滑块中，该滑块可使探头上、下和左、右移动调节，并由定位锁紧螺丝固定，纵波探伤使得探头始终保持与被测试件垂直位置；横波探伤通过简单函数计算，平移调整器探头滑块对应纵、横波转换器标尺位置，就可以准确探出横孔人工缺陷。与试件接触部位采用比试件软的铜合金材料制做，确保对被检试件表面不损伤。纵、横波转换器外形结构设计采用直线和弧线构成，手持操作十分简便。
纵、横波转换器机装置如下图所示：
图3、纵、横波转换器
3、探伤样棒设计
为了适合手动探伤的特点，我们参考HB/Z 59-1997将样棒设计成如下图形式。
图4、纵、横波探伤样棒的加工制作
样棒的设计制作结合滑块的特点，两端连接棒起平衡支撑作用，使滑块检测横孔伤转动自如，同时避开端面部干扰，使纵、横波检测有良好信噪比。
4、实际探伤检测操作
探伤选用进口USN-60探伤仪器；探头选用国产水浸聚焦探头5P14F60XJ。
纵波探伤调整：首先调整仪器纵波探伤参数，随后将纵、横波转换器水浸聚焦探头固定在移动滑块上，置在水中样棒上进行焦距调整，调制出最佳水层位置，相续提高增益将埋深人工平底孔缺陷调整达到探伤仪器满屏80%时，锁紧探头固定螺丝将探头固定，随后将调好纵、横波探伤转换器一同垂直放置在其待检测的棒材表面上，进行滑动或转动棒材探伤，即完成纵波探伤。见图5和图6，
图5、直径φ40；TC4棒，埋深3/4处，φ0.8人工伤。
从图上看声程在3/4左右处φ0.8人工伤，杂波水平可达到φ0.8-12dB，完全满足客户协议要求的杂波水平不大于φ0.8-9dB要求。
图6、直径40；TC4棒，埋深1/2处，φ0.8人工伤。
声程在1/2处，杂波水平达到完全满足φ0.8-9dB要求。
横波探伤调整：上下移动探头，调制出横波最佳水层位置，锁紧探头，通过计算平移调整器探头滑块位置（偏心距数值），然后将纵、横波转换器对应样棒上撗孔人工伤位置，将纵波声束转换成横波声束，使距离表面人工伤调整达到探伤仪器满屏80%时，锁紧移动滑块固定定位螺栓，随后将调好的探头和纵横波探伤调节器一同置在其待检测的棒材上进行滑动或转动棒材探伤，即完成横波探伤。
图7、调整横波探伤滑块，按标尺调整滑块移动位置
图8、距表面1.5mm，φ0.8×15mm人工伤，横波检测波形。
图9、距表面D/5mm,φ0.8×15mm人工伤.横波检测波形。
图10、上图为纵波检测中发现的缩孔缺陷和横波检测表面缺陷裂纹。
5、结束语
纵、横波探伤转换器设计小巧轻便，便于携带；探伤调节容易、操作简单实用；适合于从事手动水浸聚焦探伤工作人员操作。对于生产检测工件批量不大，规格比较多，外径比较小（Φ100mm以下规格）且必须要求探伤的金属棒材产品，采用这种手动水浸探伤纵、横波探伤转换器，只用一个聚焦探头就可以解决纵波、横波探伤转换检测，是一个较经济适用的良好选择，同时对于大规模自动探伤，需要手动探伤对缺陷准确定位、判断分析解剖也不妨是一个很好的辅助工具。
相对于同类手动探伤来说，该转换器操作起来简单、直观、实用、清洁、卫生、环保等特点。不足之处探伤必须配备水槽等辅助设备方可工作，由于手动探伤是单通道仪器，所以纵、横波需要分别检测。
参考文献：
［1］［超声检测］ 中国劳动社会保障出版社 2007年3月
［2］［超声检测］ 史亦韦主编 2009年3月
［3］［超声波检测］HB/Z 59-1997
［4］［液浸式超声纵波直射探伤方法］JB/T 4008-1999
［5］］［钛及钛合金加工产品超声波探伤方法］GB/T5193-2007