马魁一，王丽鹏，赵 阳，张 冰，韩 超，祝 哮

（营口忠旺铝业有限公司，营口 115000）

0 前言

铝合金因具有比强度高、密度小、延伸率高、成本低、耐腐蚀性好和易于加工成型等优点而被广泛应用于航空航天、容器罐体、仪器仪表、GIS筒体、电器外壳、船舶和汽车等加工制造领域[1-4]。随着无损检测技术的发展，人们使用超声波检测铝合金产品的水平正逐步提高，但仍有许多难题需要克服。比如超声波定位时会有较大误差[5]，而探头K值的准确度会极大影响超声波定位分析。虽然雷胜军[6]等、胡智[7]和闫伟明[8]等已经研究出影响使用钢制试块测试K值准确度的因素，但在铝合金领域这个问题却少有研究。本文拟研究温度、孔径、孔深及扩散角因素对斜探头K值的影响，总结出使用铝合金试块测试K值的正确方法。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

本次试验选取超声波设备及探头为美国GE公司生产的USM36超声波探伤仪和6种类型横波斜探头，其探头信息如表1所示。试验使用试块为CSK-ⅢA铝合金试块和CSK-ⅠA铝合金试块。试验前使用公式（1）～（13）依次计算出铝中横波折射角β、有机玻璃中纵波入射角α、有机玻璃中近场区长度L有、探头近场区总长度N总、工件中剩余近场区长度N剩、上扩散角θ上、下扩散角θ下、上扩散角与下扩散角之和θ总及矩形晶片半扩散角θ0矩形，并将探头参数也记录到表1中。

从表1可以看出：近场区总长度和扩散角均与频率及K值有关。频率越高，K值越小，则扩散角越小且近场区总长度越大；频率越低，K值越大，则扩散角越大且近场区总长度越小。

式中：β为横波折射角；α为纵波入射角；D为探头标称角度；C为各介质中声速（C钢=3.23 km/s，C铝=3.08 km/s，C有=2.73 km/s）。

式中：f为探头频率；λ为各种介质中波长。

式中：N总为探头近场区总长度；a、b为矩形探头晶片的两个边长（本次试验均为a=b=14 mm）；λ铝为铝中波长。

式中：L有为有机玻璃中近场区长度；T为有机玻璃中传播时间。

式中：N剩为工件中剩余近场区长度。

式中：β为横波折射角；θ0矩形为矩形晶片半扩散角。

式中：α为纵波入射角；θ0矩形为矩形晶片半扩散角。

式中：θ0矩为矩形晶片半扩散角；a为矩形晶片边长（本次试验选取的探头晶片尺寸均为14 mm×14 mm）；λ有为有机玻璃中波长。

1.2 试验方法

在室温条件下，分别使用表1所示的6种类型探头，先利用CSK-ⅢA铝合金试块中埋深为70 mm的ϕ1 mm×6 mm短横孔和CSK-ⅠA铝合金试块中埋深为70 mm的ϕ40 mm横孔及ϕ50 mm横孔研究孔径及扩散角对K值准确度的影响，再利用CSK-ⅢA铝合金试块中不同埋深的ϕ1 mm×6 mm短横孔研究孔深对K值准确度的影响，最后研究温度是否对K值有影响。

表1 横波斜探头信息及参数

2 试验结果与分析

2.1 孔径的影响

为了去除实验温度及孔深对试验的干扰，进行分析孔径及扩散角影响试验时，将测试环境恒定在23℃。图1为使用70-2探头时分别利用CSK-ⅠA铝合金试块上ϕ50 mm横孔及ϕ40 mm横孔和CSK-ⅢA铝合金试块上ϕ1 mm×6 mm横孔制作出的包络曲线（孔深均为70 mm）。试验结果表明：孔径越小，包络曲线越尖锐，孔径越大，包络曲线越平缓。这个结果是由于角度偏移造成的。

图1 不同孔径的包络曲线

图2为主声束偏离横孔中心时入射角和反射角的关系示意图。理论上当探头只在试块上前后移动时，屏幕上出现最高波的位置应该是探头主声束正对孔中心处时（即沿L线传播）且反射波会沿原路径反射回探头并被接收，这时所测得K值为探头实际K值。但实际测试时，探头在寻找最高波做前后移动时，主声束会因为偏离横孔中心而导致部分能量因发散而未被探头接收。例如图2中主声束沿M线传播时，其反射波会沿N线传播回探头并被接收。探头接收能量的大小和反射波与入射波的夹角Δ有关。夹角Δ越大，那么反射波与入射波偏离变大，两者偏离太远会导致反射波中被探头接收的能量变少。这会出现以下情况：探头移动时，即使主声束偏离孔中心很短的距离，波幅也会下降很严重，包络曲线就会变得尖锐。包络曲线越尖锐，测试K值时就会越准确。相反包络曲线平缓会导致误将其他声束判断成主声束，使测出的K值不准确。因此，我们需通过以下函数推导出夹角Δ与孔径之间的关系：

图2 孔径的影响示意图

探头是前后平行移动，则直线L平行于直线M，入射角等于反射角。

从上述推论可知：孔径越小，夹角Δ越大，包络曲线越尖锐，则我们误判主声束的概率就会越低，K值会越准确。因此建议使用小孔径去测试K值。但孔径不能过小，当孔径小于波长一半时会出现衍射现象，测试时可能造成干扰，此外孔径太小也不易加工。

2.2 扩散角的影响

图3为6种类型探头的包络曲线，声程范围均设置为250 mm。从图3可以看出，探头频率相同时，K值越小，则包络曲线最尖锐。探头K值相同时，频率越高，则包络曲线更尖锐。综合图3和表1可知：扩散角越小，则包络曲线越尖锐，扩散角越大，则包络曲线越平缓。

图3 不同类型探头包络曲线

扩散角影响包络曲线的原因需参考图4。从图中可知，超声波声束是呈喇叭形分布而并非一条直线分布，除了主声束外还会有其他声束存在，而声束发射范围θ总越大，其探头接收的声束范围就会越大，这会导致波宽变宽，声束能量降低，声束指向性越差，使包络曲线变得平缓。

图4 扩散角影响示意图

2.3 孔深的影响

为了去除孔径和实验温度对试验的干扰，选取CSK-ⅢA铝合金试块上ϕ1 mm×6 mm的横孔进行测试。试验在室温下进行。为了减少手工误差，每个试验数据均测试5次，去掉最高值与最低值后，将剩余3个数值求取平均数，并将数值记录在表2中。为了研究孔深与实测K值的关系，将修正值与孔深进行比较，结果如图5所示。为了找出适合于测试K值的孔深，将实测K值分别与近场区K值进行比较，结果如图6所示。

图5 修正值与孔深关系示意图

表2 不同探头K值

由图可知，70°探头与60°探头均符合指数函数y=y0+A×e R0∗X的关系。其拟合出的函数公式分别见公式（14）～（17），线性相关系数均不超过0.98且偏差值均不超过±0.1。45°探头不符合指数函数关系且实测K值基本保持不变，可能是因为45°探头扩散角太小造成的。4个70°探头与60°探头的函数关系式分别为：

70-5探头函数关系为：y=-0.18392+1.33889×e−0.03858∗X，公式（14），其线性相关系数为0.9984。

70-2探头函数关系为：y=-0.10284+2.32415×e−0.07366∗X，公式（15），其线性相关系数为0.9976。

60-5探头函数关系为：y=0.01797+0.83921×e−0.03561∗X，公式（16），其线性相关系数为0.9876。

60-2探头函数关系为：y=0.02891+1.65408×e−0.05994∗X，公式（17），其线性相关系数为0.9974。

从上述4个函数关系式可以看出：相同K值的2 MHz探头A值和y0值比5 MHz探头高，但R0值却低。相同频率的70°探头比60°探头的A值高，但R0值和y0值低。综上可知其函数关系式中A值、y0值、R0值与探头的频率及K值有直接关系，而频率与K值也是影响扩散角数值的主要因素，由此可以推导出扩散角是造成孔深影响K值的主要因素之一。由图6可知，探头近场区较大时，测试K值的孔深应避免在工件中剩余近场区长度之内，否则测出的K值不稳定；探头近场区较小时，测试K值的孔深应位于2倍近场区长度以外。这是因为近场区内声压分布不规律，所以在近场区内测试时其比值会不稳定。当孔深超过近场区长度时，其比值会逐渐趋于稳定。当孔深超过2倍近场区长度时，其比值基本保持不变。所以只要孔深超过两倍总近场区长度就可以测试K值。

图6 实测K值与近场区K值的比值示意图

60-5 60-2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 2.10 1.82 1.77 1.70 1.63 1.59 1.56 1.53 1.52 1.48 1.49 1.48 2.41 1.96 1.75 1.66 1.59 1.55 1.53 1.51 1.49 1.48 1.49 1.46 1.46 1.46 0.64 0.36 0.31 0.24 0.17 0.13 0.10 0.07 0.06 0.02 0.03 0.02 0.95 0.50 0.29 0.20 0.13 0.09 0.07 0.05 0.03 0.02 0.03 0 0.606 0.430 0.306 0.220 0.159 0.117 0.087 0.067 0.052 0.042 0.035 0.030 0.937 0.528 0.303 0.179 0.112 0.074 0.054 0.043 0.036 0.033 0.031 0.030 0.034-0.070 0.004 0.020 0.011 0.013 0.013 0.003 0.008-0.022-0.005-0.01 0.013-0.028-0.013 0.021 0.018 0.016 0.016 0.007-0.006-0.013-0.001-0.030探头分类孔深/mm 实测值 铝中标称值 修正值 计算值 偏差值

45-5 45-2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0.77 0.92 0.95 0.94 1.00 0.98 0.97 0.97 0.96 0.95 0.95 0.96 0.74 1.00 0.99 0.98 0.96 0.95 0.94 0.93 0.94 0.93 0.91 0.92 0.91 0.91-0.24 0.10 0.04 0.03 0.09 0.07 0.06 0.06 0.05 0.04 0.04 0.05-0.27 0.09 0.08 0.07 0.05 0.04 0.03 0.02 0.03 0.02 0 0.01- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -探头分类孔深/mm 实测值 铝中标称值 修正值 计算值 偏差值

3 结论

（1）在测试探头K值时，应尽量使用小孔径试块测试K值，但也应注意孔径不得小于波长的一半，以免有衍射波的干扰。

（2）使用扩散角大的探头测试K值时应注意找准主声束，以免测试有误。

（3）应避免在近场区内测量K值，孔深超过两倍近场区长度最佳。

（4）应注意温度对K值的影响，不要在与测量K值温差大的地方工作。