Page 57 - 《应用声学》2023年第6期

第 42 卷 第 6 期 权鹏等： 小角度纵波水浸超声检测技术在消除锻件结构盲区中的应用 1167

其中，α 为入射角，c 1 是水中的纵波声速，β L 为纵波 水浸聚焦探头，探头晶片直径为 9.5 mm，焦距为
折射角 (即13.7 )，β S 为横波折射角，c L 为被检材料 76.2 mm。
◦
中的纵波声速，c S 为被检材料中的横波声速。 灵敏度调整采用与被检零件相同材料的高温
经过计算可以得出，探头入射角 α 偏转约 3.4 ， 合金距离幅度试块，其中含有 Φ0.4 mm 平底孔人工
◦
可在材料中获得垂直于下表面的折射纵波，当探头 缺陷，埋深 3.2 ∼ 19.1 mm，见图 3。此外，采用不
沿后轴颈表面由位置 1 ⃝ 扫查至位置 2 ⃝ 时，其折射 锈钢材料制作了与后轴颈局部结构相同的模拟样
纵波在材料中的检测区域(图2 中网格线区域)可以 件，在锥形段和筒形段过渡的部位，由内腔表面加工
完整覆盖原有的结构盲区。 Φ0.4 mm 平底孔人工缺陷，用于验证对于盲区的覆
盖情况，如图4所示。

ŀ
α
β L β S
ഷฉ Ł
ጫฉ
ᄯӝ
3.2 mm 12.7 mm 19.1 mm
13.7O
图 3 高温合金平底孔试块
Fig. 3 Superalloy reference blocks with flat bot-
tom holes

图 2 后轴颈锻件小角度纵波超声检测原理示意图 271
Fig. 2 Schematic diagram of small-angled oblique 228
longitudinal inspection for rear journal forgings Φ0.4 mm
ጫฉபК࠱C ࣱअߘ
ጫฉᄰК࠱A
需要说明的是，本文中后轴颈锻件所用高温合
金材料中纵波声速为 6000 m/s，水中纵波声速为 ጫฉᄰК࠱B 3
1500 m/s，根据 Snell 定律，可计算得到第一临界角
13.7O 90O
为14.5 。在小角度纵波检测时，由于入射角小于第
◦
一临界角，材料中除了会产生折射纵波外，还会产生
由波型转换而形成的折射横波，如图 2 所示。考虑 图 4 人工模拟样件结构及扫查方向示意图
到纵波声速大于横波声速，在 A 扫描显示屏中，横 Fig. 4 Schematic diagram of the mock-up sample
波的信号出现于底波以后，同时由于折射后的横波 structure and the inspection directions

与下表面呈一定角度，反射后的信号幅度远低于垂
直反射 [4] 。因此，对于本文的小角度纵波检测而言， 2.2 纵波直入射和斜入射C扫描成像
横波的影响较小，可以忽略。 将图4 所示模拟样件放置在超声水浸检测设备
中，用高温合金 Φ0.4 mm 平底孔试块调节灵敏度
2 实验过程和结果 并制作 TCG 曲线。调整探头使声束分别垂直入射

到模拟样件的筒形段 (图4 中检测方向 A) 和锥形段
本文采用了纵波直入射、小角度纵波斜入射两
(图4中检测方向B)，采用圆盘扫查方式对目标区域
种方法分别对含有人工缺陷的模拟样件进行了检
执行C扫描检测并成像。
测，验证盲区的覆盖情况。
保持灵敏度不变，在检测方向 A 的基础上，调
2.1 实验准备 整探头使声束向下方偏转3.4 ，形成检测方向C。同
◦
实验主要采用了水浸法超声检测技术进行，设 样采用圆盘扫查方式对目标区域执行 C 扫描检测
备为盘环件超声水浸检测成像系统，配合 10 MHz 并成像。