超声波探伤仪、探头及试块

第二章超声波探伤仪、探头及试块第三节超声波探伤用试块在无损检测中，常常用所求的未知量与已知量相比较的方法来确定未知量量检测灵敏度。

例如，射线照相法探伤是以像质计的可分辨影像作为比较的依据；磁粉探伤用灵敏度试验片的可显性来衡量磁化规范是否合理；渗透探伤是以发现人工表面缺陷的数量级来表示其检测灵敏度和可靠性；超声波探伤则以各种标准试块和对比试块为比较的依据，试块上具有特定尺寸的规则反射体为所求量提供了一个固定声学特性，以此作为比较的基准。

1. 标准试块标准试块简称STB试块，通常由国际有关组织，国家和工业部的技术部门、标准化组织等权威机关推荐、确定和通过使用的。

它们可作为探伤仪、探头性能的测定；探伤灵敏度和时间轴比例等的调整，以及缺陷尺寸的评价。

但某一种试块不一定都具备这些功能，而是随应用对象不同而有所侧重，它们常常在使用目的相同的检查之间通用，其材质、形状、尺寸及使用性能也均已达到了标准化程度。

例如，国际上通用的标准试块有IIW试块、IIW2试块等，我国的CS–1，CS–2，CSK–IA，CSK–IB，CSK–IC(如图2–34)，日本的STB –G系列试块，美国的ASTM和ASME的标准试块，英国的BS–A2，BS–A4试块，西德DIN54120中的1#试块等等均属此列，其中有些试块可用于制作距离–波幅曲线或面积–波幅曲线。

图2–342. 对比试块对比试块简称RB 试块，它们大多为非标准的参考试块，试用者可以根据需要自行设计，其用途一般比较单一，常用于时间轴校正和灵敏度调整。

例如，国内用于锅炉、压力容器焊缝探伤的CSK –IIA 、 CSK –IIIA 、用于钢结构焊缝探伤的RB –1，RB –2，RB –3，RBJ –1，此外如半圆试块，薄板试块、三角试块等等。

日本的RB –4也是对比试块。

3. IIW 、IIW 2、STB –G 等几种标准试块的使用(1) IIW 试块IIW 试块即所谓荷兰试块，它是国际焊接学会通过、国际标准化组织(ISO)推荐使用的标准试块。

日本JIS 标准中命名为STB –A1试块、英国BS 标准中命名为BS –A2试块，我国ZBY322–84中的1#标准试块，和JB1152–81标准中的CSK –IA 以及西德DIN54120标准中的1#试块均属于IIW 试块的改进型，其用法与IIW 试块大同小异。

IIW 试块材质为平炉镇静钢或电炉软钢，相当于我国的20号钢，要求材质均匀，无杂质，晶粒度达7～8级，并经正火处理。

IIW 试块在仪器和探头性能测试中已有多种应用，这里不再细述，仅归纳如图2–35和图2–36所示。

图2–36为直探头在IIW 试块上的用法，图中探头所在位置代号与下述文字说明的序号相对应。

a. 利用试块厚25mm 、有机玻璃厚23mm 相当于钢中纵波声程m m 502700590023≈⨯，试块宽100m m 和 200mm 处糟口平面，以上这四个成倍递增尺寸可用于校正时间轴比例，达到实际探伤所需纵波探测范围。

b. 利用φ50有机玻璃底面的多次反射，测定仪器与探头组合后的穿透能力，所得反射波次数越多，穿透能力越高。

c. 利用φ50有机玻璃弧面与探测面间距5mm 和10mm 这两个尺寸，可以粗略估计直探头的盲区，若盲区大于5mm 而小于10mm ，则始脉冲与间距为10mm 圆弧反射波之间的波谷应低于垂直刻度的10%。

d. 利用φ1.5横通孔反射，可测定直探头的灵敏度余量。

e. 利用厚为25mm 的底面反射基准，也可测定探伤仪的动态范围和水平线性。

f. 利用测距为85mm 、91mm 和100mm 三个槽口平面，可测定直探头纵向分辨力。

图2–37为斜探头在IIW 试块上的用法。

图中探头所在位置代号与下述文字说明的序号对应。

2–35 直探头在IIW试块上的测试方法2–36 斜探头在IIW试块上的应用a. 利用半径为100mm的圆弧面反射基准测定斜探头入射点。

b. 利用φ50圆弧反射面和φ1.5通孔测定斜探头折射角。

c. 利用试块的直角棱边测定探头声束偏斜角。

d. 利用R100圆弧面或φ1.5通孔测定斜探头的灵敏度余量。

e. 利用R100圆弧面反射基准校正时间轴比例和零位校正。

f. 利用R100圆弧面和测距为91mm的反射面，配合STB–A2试块上φ4×4柱孔可测定斜探头的盲区。

(2) IIW2试块IIW2试块也是国际焊接学会通过的标准试块，它与IIW试块相比具有尺寸小、重量轻、加工方便、便于携带和现场使用等优点；缺点是其用途比IIW试块少。

其材质与IIW试块的材质相同。

图2–37为IIW 2试块的几种用法。

图中探头所在位置代号与下述文字说明的序号对应。

a. 利用半径为50mm 的圆弧反射面测定斜探头入射点。

b. 利用试块上φ5通孔反射可分别测定斜探头折射角为45°～65°和65°～75°。

c. 利用厚度为12.5mm 的底面多次纵波反射可测定探伤仪的水平线性和垂直线性。

d. 利用R 50圆弧面或φ5通孔反射可测定斜探头和仪器组合的灵敏度余量。

e. 利用R 25和R 50两个圆弧面，并使它们两次以上反射波调节在时间轴上的不同位置，即可得到不同的时间轴刻度与横波声程的比例，并同时达到了零位校正，这一用途是IIW 2试块的显著特点。

常用的几种比例见图2–38所示。

图2–38 利用IIW 2试块调节不同时间轴比例 3. 几种常用的对比试块的使用(1) 半圆试块图2–37 IIW 2试块的应用半圆试块形状简单、制作方便、便于携带，是斜探头横波探伤中用得较多的现场调节试块为便于安放，试块可削去无用的部分，其形状和使用方法见图2–39所示。

a. 利用半圆试块的圆弧反射面可测定斜探头入射点，测定方法与斜探头在IIW 试块上利用R 100圆弧面测定时相同。

b. 调节时间轴比例和校正零位。

斜探头横波探伤在半圆试块上调节时基轴比例和校正零位的方法与IIW 试块上的使用方法基本相同，也是以圆弧面二次或二次以上的反射波作为基准。

半圆试块的最大特点是可以根据不同的探测条件下、不同探头折射角自行设计试块的半径，使得实际需要的时间轴比例方式多样、调节方便。

例如，斜探头探测焊缝时用时间轴与声程的比例来对缺陷进行定位，往往不方便，因此，习惯上对中薄板对接焊缝宜用水平定位法即建立时间轴与水平距的比例后，以确定缺陷距探头入射点(或前沿)的水平距为主。

对厚板对接焊缝宜用垂直定位法，即建立时间轴与垂直距的比例后，以确定缺陷距探测面垂直距离为主。

而缺陷的声程、水平距、垂直距离三者之间是可互相换算的。

图2–40所示为用半圆试块调节时间轴比例和校正零位的基本波形。

例题1中薄板(钢板)对接焊缝横波探伤常用入射角50°或K 2斜探头。

问如何设计适合上述探头水平1∶1调节的半圆试块？解：入射角α=50°的斜探头探钢时折射角为：50sin 27003230sin 2⋅=β 05661'=βK 2(即K=2)斜探头折射为82632tg 12'==β- 。

若所求半圆试块半径为R ，则这二个探头的水平距离分别为1sin R β和2sin R β，同时，调节时希望圆弧的第一次反射波和第二次反射波处在时间轴十等分刻度内的整数位置，所以将第一次反射波和第二次反射波分别调在3格和9格上，即30sin R =β⋅，将1β和2β代入此式，可得对应水平距的变化范围为：取R=33mm ，=β⋅1sin R 3.300566sin 33='⋅ ；5.298263sin 33sin R 2='⨯=β⋅ 。

调整时都取30sin R =β⋅，即两个反射波分别在3格和9格出现，其误差在±0.5mm 之内，对水平定位来说已足够精确，为此，取R=33mm图2–40 用半圆试块调节时间轴和零位校正图2–39 半圆试块形状和用法作为半圆试块半径，可满足要求。

例题2如何设计适于厚板焊缝用K 1斜探头探伤时垂直1∶1调节的半圆试块？解：K 1斜探头即1tg =β，β=45°设垂直1∶1时半圆试块圆弧的两个基准反射回波也分别调整在3格和9格，则Rcos β=30)m m (4.4245cos 30cos 30R ==β=例题3如何设计用K 2斜探头探测铝合金焊缝时适于水平1∶1调节的半圆试块？解：K 2斜探头即2tg =β，β=63°28'设水平1∶1调节时，半圆试块圆弧的两个基准反射回波也分别调整在3格和9格，则30cos R s =β⋅铝，由正弦定理可知：铝铝钢钢有s s s s L C sin C sin C sin β=β=α3230sin 3130sin s s 铝铝β⨯=β )m m (6.34sin 3130323030sin 30R s s =β⨯⨯=β=铝铝 c. 利用半圆试块上距探测面一定深度的横通孔(如图2–39中的φ2横孔)，可调节探测灵敏度，即将φ2横孔调到基准高，再提高一定的增益量时，仪器和探头所具有的灵敏度作为探测灵敏度。

(2) 薄板试块薄板试块是一种适于薄板焊缝探伤时调节时间轴和水平距比例为1∶1和探测灵敏度的对比试块，其尺寸和形状见图2–41所示。

调节时将探头前沿与试块上φ1柱孔对齐，此时，在示波屏时间轴上同时出现两个反射波，前面一个是柱孔侧面反射波，后面一个为板端面反射波。

通过调节水平和深度细调将两个反射波分别调在3格和6格出现(见图2–42所示)，此时，时间轴与水平距就建立了1∶1的关系，示波屏时间轴上每格代表水平距为10mm 。

试块上的φ1柱孔也可用来作为调节探测灵敏度的基准，即将φ1图2–41 薄板试块形状和尺寸柱孔反射波调在一定高度上，此时，仪器和探头所具有的灵敏度作为探测灵敏度。

薄板试块的调节原理见图2–43所示，它表示薄板中多次反射后的回波声程与假定几倍薄板试块厚度的工件中声程是基本相同的；因此，在试块上得到的水平1∶1可以在薄板焊缝探伤中使用。

但当用于厚度大于12mm的钢板焊缝探伤时，水平定位误差较大，一般不宜使用。

此外，薄板试块水平1∶1校正时有机玻璃中声程并不移至零位以外，只是将此声程l折算成钢中横波声程l'后，再取水平距x'，并与入射点至探头前沿的水平距离a加在一起。

有些常用探头(如入射角α=50°，K=2的斜探头)它们的x与a之和刚好为30mm；因此，对这样的斜探头，按上述方法调节水平1∶1十分方便。

如果探头尺寸变化时(例如x'+a≠30mm)，则调节时应将柱孔反射波调在x'+a处，端面反射波调到(x'+a+30)/10格处同样可达到水平1∶1。

图2–42 薄板试块调节水平1∶1的方法图2–43 薄板试块调节原理(3) RB–2试块GB11345－89标准中规定的RB–2试块与ASME对比试块、CSK –IIA试块的形状、尺寸和用法基本相同，它主要用于制作距离—波幅曲线，其用法见图2–44所示。