淺談埋藏裂紋的檢測(cè)

淺談埋藏裂紋的檢測(cè)

1混合式罪犯裂紋檢測(cè)方法主要分為3個(gè)步驟服務(wù)零件和焊接件中存在不同程度的裂紋缺陷。斷裂力學(xué)證明，具有鋒利邊緣的平面缺陷（如裂縫）是最危險(xiǎn)的，結(jié)果往往是災(zāi)難。同時(shí)，還證明了與壓裂零件的損壞距離以外的其他缺陷之間的距離是重要的尺寸，而平方零件表面的裂縫長(zhǎng)度是次要的。據(jù)統(tǒng)計(jì),鍋爐壓力容器的損壞大部分是由于零件內(nèi)部裂紋擴(kuò)展所致,英國(guó)曾對(duì)10萬(wàn)個(gè)壓力容器進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)由于裂紋擴(kuò)展所造成的破壞占總數(shù)的89.3%,因此對(duì)裂紋的檢測(cè)和對(duì)裂紋類缺陷的高度進(jìn)行精確測(cè)量,是運(yùn)用斷裂力學(xué)進(jìn)行在役零件壽命評(píng)估的前提,也是評(píng)估正確與否的基礎(chǔ)。而埋藏型裂紋由于其隱蔽性,如果不及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量,造成的后果往往是不可預(yù)知的,因此對(duì)埋藏裂紋的高度進(jìn)行測(cè)量就顯得尤為重要。目前運(yùn)用超聲測(cè)定埋藏裂紋高度的常用方法主要有橫波串列式雙探頭法、相對(duì)靈敏度法(包括6dB,20dB法)、端點(diǎn)衍射波法、端點(diǎn)反射回波法。然而,橫波串列式雙探頭法操作復(fù)雜,回波難以確認(rèn);相對(duì)靈敏度法測(cè)得的高度值是裂紋高度的指示值,與實(shí)際值有較大的誤差;端點(diǎn)衍射波法由于衍射波的強(qiáng)度很弱,往往難以發(fā)現(xiàn),對(duì)儀器的精度要求較高。相對(duì)于以上幾種方法,端點(diǎn)反射回波法(以下簡(jiǎn)稱端點(diǎn)反射法)是較為可行的方法。本文對(duì)端點(diǎn)反射法及波型轉(zhuǎn)換法進(jìn)行了介紹,且用試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和測(cè)量的精確度。2測(cè)量原理2.1表面線下裂紋的高度當(dāng)超聲波入射到裂紋端部時(shí),有一部分將沿著原路反射,稱為端部反射波;由惠更斯原理,橫波在裂紋尖端會(huì)形成次波源而產(chǎn)生衍射,稱為端部衍射波;如果端部有一反射面與入射波方向垂直,則反射波的強(qiáng)度很大,衍射波強(qiáng)度減弱甚至消失。端點(diǎn)反射法就是依據(jù)此來(lái)測(cè)量裂紋的高度。如圖1所示,垂直于表面的埋藏裂紋高度為h,裂紋端部與根部的聲程為w1和w2,探頭折射角為β,工件高度為T(mén),則:h=(w2-w1)cosβ(1)如果上端點(diǎn)是由一次波探測(cè)到,而下端點(diǎn)是由二次波(一次反射波)探測(cè)到,如圖2所示。設(shè)下端點(diǎn)一、二次波的總聲程為L(zhǎng),工件厚度為T(mén),那么L中一次波聲程為:T/cosβ;二次波聲程為:L-(T/cosβ);則w2=L-2[L-(T/cosβ)],所以有:h=(w2-w1)cosβ=2T-(w1+L)cosβ(2)準(zhǔn)確測(cè)定聲程和探頭的折射角(或探頭K值)及工件厚度,就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出裂紋高度h。2.2表面波沿裂紋方向傳播如圖3所示,當(dāng)超聲波入射到裂紋型缺陷的端部時(shí),一部分沿原路返回從而被探頭接收到(S波),一部分發(fā)生波型轉(zhuǎn)換,變?yōu)楸砻娌?并沿著裂紋平面?zhèn)鞑?當(dāng)?shù)竭_(dá)裂紋的根部時(shí),一部分被直接反射沿裂紋高度方向反向傳播,另一部分在裂紋根部尖端處繞射,也沿著裂紋高度方向反方向傳播,兩者到達(dá)裂紋頂端時(shí)再次發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并被探頭所接收到(R波),由于裂紋的寬度很小,因此兩種表面波沿裂紋方向的傳播時(shí)間認(rèn)為是相同的。因此在探傷儀上所接收到的只有一次R波,探傷儀上顯示的S波在R波之前(如圖4所示),如果將儀器的時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)置為入射橫波的速度,則裂紋的高度H可以由下式確定:H=(CR/CS)×ΔW(3)式中CR——表面波速度CS——橫波速度3測(cè)試3.1使用健康試驗(yàn)、檢測(cè)和測(cè)試塊3.1.1不同透聲斜契中聲程的測(cè)量本試驗(yàn)采用汕頭超聲研究所生產(chǎn)的CTS-3600數(shù)字式超聲探傷儀,通過(guò)閘門(mén)方式準(zhǔn)確計(jì)算出聲程。端點(diǎn)反射法采用折射角為45°、60°、70°橫波斜探頭,頻率均為2.5MHz,波型轉(zhuǎn)換法采用聚焦探頭(2.5Z10K1-DR50),頻率為2.5MHz。試驗(yàn)開(kāi)始前,將各探頭K值進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,并將儀器的掃描速度設(shè)置為1∶1,調(diào)整延遲及零點(diǎn),將透聲斜契中的聲程移至原點(diǎn)之外,以便準(zhǔn)確計(jì)算聲程。若需雙探頭測(cè)量時(shí),還需自行設(shè)置一簡(jiǎn)易探頭架,用于固定探頭及方便探頭移動(dòng)。3.1.2試驗(yàn)塊的表面缺陷用45號(hào)鋼制作了兩套裂紋試塊,試塊尺寸為360mm×10mm×10mm,每套試塊中埋藏有垂直于表面的裂紋,其深度值分別為:2,3,5,7,9,12mm。3.2試驗(yàn)結(jié)果3.2.1器門(mén)結(jié)構(gòu)聲程的裂紋高度前后移動(dòng)探頭,找到裂紋端點(diǎn)反射的最大幅度回波,利用儀器閘門(mén)方式記下聲程,代入式(1)或者式(2),計(jì)算所得出的裂紋高度。端點(diǎn)反射法測(cè)量的裂紋高度結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,端點(diǎn)反射法測(cè)量的誤差均在±1mm之內(nèi)。3.2.2裂紋的測(cè)量取定移動(dòng)探頭并同時(shí)調(diào)整儀器的分辨率找到最高反射回波(S波),將S波的高度調(diào)節(jié)為滿屏的50%,利用儀器記下其聲程w1,調(diào)節(jié)衰減提高儀器靈敏度,看S波后面出現(xiàn)的R波,前后掃查,R波就在熒光屏?xí)r基線上與S波一起向同一方向移動(dòng),同樣將S波的高度調(diào)節(jié)為滿屏的50%,記下聲程w2,代入式(3)即可得出此方法測(cè)量的裂紋高度,為了測(cè)量的準(zhǔn)確性,沿著裂紋長(zhǎng)度方向平行移動(dòng)探頭,對(duì)裂紋高度進(jìn)行三次測(cè)量取平均值,結(jié)果如表2所示。由表2可知,波型轉(zhuǎn)換法測(cè)量的誤差也在±1mm之內(nèi)。3.3測(cè)量結(jié)果對(duì)比分別對(duì)以上兩種方法所得出的結(jié)果作曲線擬合,如圖5,6所示。對(duì)兩種方法的誤差(以絕對(duì)值作為參考值)進(jìn)行比較,如圖7所示。由圖5,6可以看出,此兩種方法測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值均有較好的線性關(guān)系,說(shuō)明這兩種方法均可行且比較準(zhǔn)確。由擬合曲線的斜率可得出,相對(duì)于波型轉(zhuǎn)換法而言,端點(diǎn)反射法具有更好的擬合度,測(cè)量精度更高。由表1可以得出,采用端點(diǎn)反射法時(shí)折射角為45°探頭具有較高的測(cè)量精度。探頭折射角越大(也即K值越大)對(duì)測(cè)量精確度的影響也就越明顯。實(shí)際測(cè)量中,建議采用K值較小的探頭。由圖7可以看出,裂紋高度在5～7mm時(shí),兩種方法具有較高的測(cè)量精確度。4試驗(yàn)儀器及設(shè)備為了準(zhǔn)確測(cè)定埋藏裂紋的高度,達(dá)到較高的測(cè)量精度,若能滿足以下條件,將有利于試驗(yàn)工作。(1)試塊表面具有一定光滑度,建議達(dá)到入射波長(zhǎng)的1/15或1/30為佳,與探頭耦合性越好試驗(yàn)精度越高,耦合劑采用普通機(jī)油即可;(2)低于2mm的缺陷,往往測(cè)量不夠準(zhǔn)確,這可能跟儀器的精確度及分辨率有關(guān),因此應(yīng)該保證裂紋具有可觀的高度;(3)探頭應(yīng)選用較低的頻率,由試驗(yàn)還可以看出,選用較小K值的橫波斜探頭有助于試驗(yàn)精度的提高;(4)在裂紋附近區(qū)域最好不要有其他缺陷,如氣孔、夾渣、裂紋等,否則