马文民，陈智聪，刘 洋

(中广核检测技术有限公司，苏州 215021)

对承压部件进行超声波无损检测时，经常会遇到被检工件为筒体、管道、棒材等表面为弧面的情况。对表面为弧面的工件进行超声波周向扫查时，由于被检工件曲率较小，为了保证耦合，常会选用接触面为弧面的超声波探头或将平面探头修磨为与工件相同曲率来进行检测。此时，弧面斜探头入射点和折射角会发生变化(见图1)。也就是说，由于无法保证良好的耦合，在平面试块上很难准确地测量探头的入射点和折射角，因此需要采用特殊的方法和专用试块来进行测量。

入射点和折射角是超声波检测探头极为重要的特性，若测量不准确，将会影响缺陷位置的判定。笔者对目前使用的弧面探头入射点和折射角的各种测量方法进行了介绍，并提出了测量弧面探头入射点和折射角的一种新方法，该方法根据超声波声束的反射特点，通过设计曲率与被检工件曲率相同的专用试块，保证了探头与工件的良好耦合，并在试块上加工入射点和折射角的标识，利用超声波声束在试块圆弧面和大平底面处的反射，实现准确、便捷地测量弧面斜探头入射点和折射角。

图1 弧面斜探头入射点和折射角变化示意

图2 平面探头测量方法示意

1 相关测量方法介绍

1.1 平面探头测量方法

平面探头测量方法示意如图2所示，将斜探头放置于CSK-ⅠA试块上的A点位置，测量斜探头的入射点。

根据斜探头折射角的不同标称值，把探头放置于试块上不同位置，测量斜探头的折射角。当折射角为60°75°时，探头放置于B位置；当折射角为34°66°时，探头放置于C位置；当折射角为74°80°时，探头放置于D位置。

1.2 弧面探头测量方法一

弧面探头测量方法一依据的是欧洲标准EN583-2：2001《超声波检测 第2部分-2基线和灵敏度的调整》中推荐的曲面工件实际折射角计算方法，磨弧探头入射点的确定方法示意如图3所示。

图3 磨弧探头入射点的确定方法示意

入射角度如式(1)所示。

(1)

式中：Cd为探头斜楔的纵波声速；Ct为试块中的横波声速；β为折射角。

折射角可直接在试件、参考试块或坐标图上测出，曲面探头折射角β的测量方法示意如图4所示。折射角的表达式如式(2)所示。

(2)

式中：DSDH为横孔直径；S为声程长度；t为横孔距离外表面的深度；Dobj为参考试块的外径。

图4 曲面探头折射角β的测量方法示意

1.3 弧面探头测量方法二

目前普遍采用菱角反射法测量入射点(见图5)，将探头楔块的圆弧面置于试块的菱角上，前后移动探头，以菱角反射波最高时试块菱角处对应的点为探头入射点[1]。

图5 菱角反射法测量探头入射点的方法示意

折射角的测量方法一：先加工一个曲率半径与工件曲率半径相同的试块，在试块表面附近加工一个φ1.5 mm×20 mm(直径×长度)的横孔。折射角的测量方法一示意如图6所示，分别从两个方向找到φ1.5 mm×20 mm横孔的最高回波，分别测定探头入射点A和C的位置，并测量A、C两点之间的距离b，折射角β1的表达式如式(3)所示。

β1=arccos(b/D1)

(3)

式中：D1为圆柱试块的直径。

图6 折射角的测量方法一示意

折射角的测量方法二：将探头置于试块上，测出刻槽直射波与第一次反射波最大值在示波屏上所对应的显示声程S1和S2，因此实际一次波声程S=S2-S1，折射角的测量方法二示意如图7所示。折射角β2的表达式如式(4)所示。

(4)

式中：δ为试块的厚度；D2为试块的外径。

图7 折射角的测量方法二示意

1.4 弧面探头测量方法三

采用与工件曲率相同的对比试块，将斜探头置于如图8所示的试块上，测出横孔直射波与第一次反射波最大值所对应的水平距离L1、L2，根据试块曲率半径R、壁厚δ，计算出(L2-L1)/2R和δ/2R的值，折射角β3与(L1-L2)/2R和δ/2R的关系曲线如图9所示，从图9中可查出折射角β。利用中心发现仪测量入射点方法示意如图10所示，然后中心发现仪角度指针拨到β3值，并使指针通过试块横孔中心，则中心发现仪上β3角顶点对应的点即为探头的入射点[2]。

图8 弧面对比试块结构示意

图9 折射角β3与(L1-L2)/2R和δ/2R的关系曲线

图10 利用中心发现仪测量入射点的方法示意

2 新测量方法

上述列举的3种弧面斜探头折射角和入射点的测量方法各有优势，有的操作方便但准确度不高；有的测量较准确但操作不便，需要用到查表、计算和使用中心发现仪等专用设备，不利于现场实施。新的超声波弧面(外弧面和内弧面)斜探头参数测量方法是利用超声波在试块弧面处反射和平面处反射，并在试块上加工折射角刻度，来对弧面探头折射角和入射点实现快速便捷、准确直观地测量。

2.1 入射点的测量

2.1.1 入射点测量试块的设计

试块应采用与被检工件声学特性相同或相似的材料，试块厚度为25 mm，弧面曲率与被检工件的曲率相差应小于10%。

图11 弧面探头入射点测量试块示意

根据被检工件选择外弧面或内弧面试块，形状为如图11所示的双弧面试块，上弧面曲率与被检工件的曲率一致。上弧面和下弧面的圆心处在一条垂直直线上，下弧面的圆心在上弧面上，在试块上弧面的侧面以永久刻槽的形式标示出下弧面的圆心(图11中0点)。对于曲率半径不小于80 mm的工件，下弧面曲率半径为50 mm。对于圆弧面曲率半径小于80 mm的工件，下弧面曲率半径为25 mm。

2.1.2 入射点的测量

将斜探头放置于曲率与工件曲率相同的试块表面上，弧面探头入射点新测量方法示意如图12所示，前后移动探头，利用试块上加工的曲率为50 mm(或25 mm)的下弧面，将下弧面反射波调整到最大幅值，此时探头入射点处于下弧面的圆心位置。根据试块上标示圆心的刻槽，确定探头入射点的位置，用直尺测量入射点距离探头前端的前沿长度，并在探头侧面采用记号笔或刻槽形式标识出探头入射点位置。

图12 弧面探头入射点新测量方法

2.2 折射角的测量

2.2.1 折射角测量试块的设计

试块应采用与被检工件声学特性相同或相似的材料制作，试块厚度为25 mm，曲率与被检工件的曲率相差应小于10%。在试块圆弧面上以永久刻槽的形式标示折射角刻度，并标示30°，40°，50°，60°，70°折射角。对于工件曲率半径大于120 mm的试块，角度刻度间距为0.5°，对于工件曲率半径不大于120 mm的试块，角度刻度间距为1°。

对于被检工件的外圆弧面，采用形状如图13(a)所示的直角外弧面试块。试块弧面曲率与被检工件的曲率一致。O点为圆弧面圆心，∠BAC为直角，圆弧面上角度刻度值为该处到圆心的连线与侧面(图中AC边)的夹角β。

对于被检工件的内圆弧面，采用试块形状如图13(b)所示的直角内弧面试块。O点为圆弧面圆心，∠BAC为直角，圆弧面上角度刻度值为该处到圆心的连线与侧面(图中BE边)的夹角β。

图13 弧面探头折射角测量试块示意

2.2.2 折射角的测量

将斜探头放置于与被检工件曲率相同的试块圆弧面上，弧面探头折射角测量方法示意如图14所示。声束朝向试块底面大平底(图14中AB边)，前后移动探头，将底面大平底面反射波调整到最大幅值，此时超声波声束与底面大平底面垂直，探头入射点的标识位置对应的试块侧面标识的角度刻度值即为该探头的折射角。

图14 弧面探头折射角测量方法示意

新测量方法对于折射角的测量精度，取决于试块侧面刻度的精度，如果要提高测量精度，需要加工更为精密的刻度。由于角度增大后移动探头，声束角度改变将趋于不明显，所以当测量的探头折射角大于55°后，随着折射角的增加，误差将增大。此外，操作人员的测量手法也将影响探头的测量结果。

2.3 合并后的弧面探头参数测量试块

为了便于现场操作，可将上述探头入射点测量试块和折射角测量试块合并为一块弧面探头参数测量专用试块，试块的制作方法参见第2.1和2.2节。

试块外形为如图15所示的双弧面直角试块。弧面斜探头入射点和折射角在同一弧面上进行测量，先将声束朝向右侧50 mm(或25 mm)弧面，测量探头入射点。然后将声束朝向底面大平底，利用试块侧面的角度刻度值，测量探头折射角。

3 测量方法对比

为了分析不同方法的实际测量效果，对各种方法进行对比测试。检测仪器选用汕头市超声仪器研究所CTS-9009数字超声仪。探头选用GE公司生产的弧面斜探头，探头曲率半径为84 mm。测量方法一的适用对象为平面探头经磨制加工后的弧面探头，测量的探头出厂即为弧面，因此测量方法一不适用。其他3种方法的测量结果如表1所示，测量结果均为分别测量3次后所取的平均值。

图15 弧面探头参数测量试块结构示意

表1 弧面探头入射点、折射角的3种测量方法的测量结果

测量方法二入射点测量采用CSK-ⅠA试块，折射角测量分别采用φ168 mm圆柱体和φ168 mm×18 mm(外径×壁厚)的钢管。采用菱角反射法测量入射点，入射点的测量偏差较大，由于入射点不太准确，所以折射角的测量也存在较大偏差，其中折射角测量方法一由于声束指向横孔时形成游动回波，回波包络较宽，不易判别最大回波位置。而折射角测量方法二的一次反射波由于声程较长且经过内表面反射，信号较弱且回波包络较宽，判别最大回波位置较困难。

测量方法三的试块采用φ168 mm×18 mm的钢管制作。首先测量探头折射角，由于一次反射波的声程较长且经过内表面反射，回波包络较宽，不易判别最大回波位置。水平距离L1和L2的测量、折射角的查表均存在一定误差，随后使用中心发现仪测量入射点也存在人为测量误差。

新测量方法采用所述的外弧面探头参数测量专用试块。入射点的测量利用试块弧面回波，与平面探头的测量方法类似。折射角利用试块大平底面回波，最大回波明显且位置较好判别。

4 结语

对于外弧面和内弧面的两种情况分别设计了专用试块，试块外形简单、使用方便。利用超声波声束在专用试块弧面和大平底面的反射，通过试块侧面的刻度标识，实现对弧面超声波探头入射点和折射角直观、准确地测量，无需计算和查表，很好地解决了弧面斜探头入射点和折射角测量的难题。