超聲場擴(kuò)散聲束對焊縫超聲波入射角的影響

超聲場擴(kuò)散聲束對焊縫超聲波入射角的影響

1聲速ct2—理論分析在焊接超聲干燥劑中，只考慮超聲介質(zhì)的功能，而忽視了聲段的影響，導(dǎo)致實(shí)際誤差的定位偏差，甚至出現(xiàn)誤差和遺漏。文獻(xiàn)指出:斜射波在其入射平面內(nèi),橫波聲束的兩個半擴(kuò)散角是不對稱的。設(shè)中心聲束的折射角為β,當(dāng)使用矩形聲源時(見圖1):sinα=(CL1/CT2)sinβα=arcsin[(CL1/CT2)sinβ]sinβ1=sinβ1?(λL1/b)2??????????√?(λT2/b)cosα(1)sinβ2=sinβ1?(λL1/b)2??????????√+(λT2/b)cosα(2)sinα=(CL1/CΤ2)sinβα=arcsin[(CL1/CΤ2)sinβ]sinβ1=sinβ1-(λL1/b)2-(λΤ2/b)cosα(1)sinβ2=sinβ1-(λL1/b)2+(λΤ2/b)cosα(2)式中α—為中心聲束的入射角β—中心聲束的折射角β1—下邊緣聲束的折射角β2—上邊緣聲束的折射角θ下=β-β1—下半擴(kuò)散角θ上=β2-β—上半擴(kuò)散角θ=θ上+θ下—超聲場的擴(kuò)散角b—探頭斜面長度CL1—縱波在探頭斜楔內(nèi)的聲速CT2—橫波在被探材料中的聲速當(dāng)使用圓形聲源時:sinβ1=sinβ1?(1.22λL1/D)2??????????????√?(1.22λT2/D)cosα(3)sinβ2=sinβ1?(1.22λL1/D)2??????????????√+(1.22λT2/D)cosα(4)sinβ1=sinβ1-(1.22λL1/D)2-(1.22λΤ2/D)cosα(3)sinβ2=sinβ1-(1.22λL1/D)2+(1.22λΤ2/D)cosα(4)其中,D為晶片直徑,其它符號意義同矩形聲源。當(dāng)用K=2,13×13mm,2.5MHz的斜探頭探鋼焊縫時,已知有機(jī)玻璃的探頭斜楔CL1=2730m/s,鋼中橫波聲束CT2=3230m/s。λL1=CL1/f=1.1mmλT2=CT2/f=1.3mmtgβ=2β=63.4°sinα=(CL1/CT2)sinβ=0.756α=49.1°代入(1)、(2)式,計(jì)算得:β1=55.7°,β2=73.0°θ上=β2-β=9.6°θ下=β-β1=7.7°可見,超聲場存在一定的擴(kuò)散角。如果忽略了擴(kuò)散聲束的影響,勢必產(chǎn)生定位偏差。2分析和驗(yàn)證生產(chǎn)的實(shí)踐2.18缺陷信號的出現(xiàn)位置探測條件:CTS—22型超聲波探傷儀;上述探頭;CSK-IA、CSK—ⅢA試塊;CG-85藕合劑;按垂直深度1∶1調(diào)定探傷儀。在筒體外表面進(jìn)行超聲波探傷,探傷中發(fā)現(xiàn)在示波屏刻度16mm處經(jīng)常出現(xiàn)一個回波信號,而用沾藕合劑的手指在焊縫內(nèi)表面輕輕拍擊反射點(diǎn),信號明顯跳動,說明不是焊縫內(nèi)部缺陷,這已多次為X射線檢驗(yàn)和實(shí)際剖析所證實(shí)。如果不考慮聲束擴(kuò)散的話,即只考慮中心聲束,則內(nèi)表面一次回波信號應(yīng)出現(xiàn)在22mm左右(因?yàn)橐紤]焊縫余高)。這個出現(xiàn)在示波屏刻度讀數(shù)16mm處的看似缺陷回波,實(shí)際上卻不是缺陷回波的信號究竟是如何產(chǎn)生的?可從理論上加以分析。因?yàn)棣?=55.7°,β=63.4°β2=73.0°聲程L1=H/cosβ1=35.5mmL=H/cosβ=44.7mm(筒體厚度H=20mm)L2=H/cosβ2=68.4mm下邊緣聲束掃到表面焊波后,如果在示波屏上出現(xiàn)回波信號,則應(yīng)出現(xiàn)在(L1/L)H≈16mm處(見圖2);上邊緣聲束掃到內(nèi)表面焊波后,如果在示波屏上出現(xiàn)回波信號,則應(yīng)出現(xiàn)在(L2/L)H≈30mm處(見圖3),這個信號初看起來,更象是缺陷回波。不過,出現(xiàn)在30mm處的信號出現(xiàn)的機(jī)率比16mm處的信號出現(xiàn)機(jī)率要小一些,因?yàn)檎凵浣窃叫?越趨近于垂直內(nèi)表面。以上分析說明,在80m3貯罐的實(shí)際探傷中在示波屏刻度的16～30mm之間都有可能出現(xiàn)下表面回波信號,因此具有極大的迷惑性。實(shí)際焊縫探傷中可鉆入筒體在焊縫內(nèi)表面用沾藕合劑的手指輕輕拍擊反射點(diǎn),如果信號不跳動,則這個回波信號一般是焊縫內(nèi)部缺陷;如果信號明顯跳動,則這個位于示波屏上的16mm處的回波信號只是超聲場擴(kuò)散聲束的下邊緣掃到焊縫內(nèi)表面焊波而引起的前移偽缺陷信號;位于示波屏上30mm處的回波信號,可用水平定位和手指拍擊的方法判斷是焊縫內(nèi)部缺陷還是擴(kuò)散聲束的上邊緣掃到焊縫內(nèi)表面焊波而引起的后移偽缺陷信號。如果判定為內(nèi)部缺陷,可用本文3.1的作圖法求出實(shí)際缺陷的真實(shí)位置。總之,在80m3貯罐焊縫的實(shí)際探傷中用一次聲程掃查而出現(xiàn)在示波屏刻度讀數(shù)16～30mm之間的回波信號,可能是焊縫內(nèi)部缺陷信號,也可能是偽缺陷信號,究竟是內(nèi)部缺陷信號,還是超聲場擴(kuò)散引起的表面回波信號(要先排除表面結(jié)構(gòu)反射信號),這要借助于超聲波探傷經(jīng)驗(yàn)、不同的探傷措施和表面狀況來決定。可采用內(nèi)、外表面雙側(cè)、更換不同角度、不同頻率的探頭以及從焊接冶金過程產(chǎn)生缺陷的機(jī)理等來分析、判斷。二次聲程掃查出現(xiàn)在示波屏上的回波信號,經(jīng)與上述一次聲程掃查相同的方法進(jìn)行分析和驗(yàn)證,其結(jié)果與上述分析、驗(yàn)證的結(jié)果一致。2.2聲束下邊緣掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號探傷儀CTS-22型,探頭K=1,K=2,13×13mm,頻率f=2.5MHz藕合劑CG-85,試塊CSK-ⅠA、CSK—ⅢA,按垂直深度1∶1調(diào)定儀器。如圖4在探傷過程中,發(fā)現(xiàn)在示波屏刻度讀數(shù)47mm處的前后出現(xiàn)一個回波信號。因?yàn)檫@個回波信號的位置比表面位置前移了幾個、十幾個甚至二十幾個毫米,因此一時難以判定是什么回波信號。經(jīng)過整圈探傷后發(fā)現(xiàn),這條焊縫大部分區(qū)段都出現(xiàn)這種信號,并經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),終于證實(shí)這個前移的信號不是缺陷信號。最后經(jīng)X射線檢驗(yàn),進(jìn)一步證實(shí)了這個前移的信號不是缺陷信號而是偽缺陷信號。這個前移的信號產(chǎn)生原因分析如下:(1)K=1,tgβ=1,β=45°λL1=CL1/f=1.1mmλT2=CT2/f=1.3mmsinα=(CL1/CT2)sinβ=0.598,α=37.0°代入(1)、(2)式,計(jì)算得:β1=38.7°,β2=51.6°θ=13.0°封頭厚度H=47mm則聲束下邊緣掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生回波信號的聲程L1=H/cosβ1=60.2mm中心聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號的聲程L=H/cosβ=66.5mm上邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號的聲程L2=H/cosβ2=75.7mm這樣,下邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上(L1/L)H≈43mm處;上邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上(L2/L)H≈54mm處,與實(shí)際情況很接近。(2)K=2,tgβ=2,β=63.4°sinα=(CL1/CT2)sinβ=0.8α=49.1°λL1=CL1/f=1.1mmλT2=CT2/f=1.3mm代入(1)、(2)式,計(jì)算得:β1=55.7°,β2=73.0°θ=17.3°則聲束下邊緣掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生回波信號的聲程L1=H/cosβ1=83.4mm中心聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號的聲程L=H/cosβ=105.1mm聲束上邊緣掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生回波信號的聲程L2=H/cosβ2=160.7mm這樣,下邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上(L1/L)H≈37mm處,比中心聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上的位置47mm前移了10mm,要是不了解超聲場的擴(kuò)散特性,實(shí)際探傷中,很容易將這個前移的信號當(dāng)作缺陷信號而造成誤判;上邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上(L2/L)H≈72mm處,比實(shí)際厚度47mm的后移量達(dá)25mm之多。從上述(1)、(2)的分析可見,擴(kuò)散角越大,探測厚度越大,則表面回波信號的前移或后移量也越大,越容易造成誤判。3擴(kuò)散聲束清潔缺陷的一般情況3.1中心聲束回波信號的探測投射方式的確定以上2.1、2.2分析的都是擴(kuò)散聲束的上、下邊緣掃到焊縫內(nèi)表面的極端情況。以下分析聲束擴(kuò)散對一般位置缺陷定位的影響。試塊上調(diào)定的儀器,在實(shí)際焊縫探傷中會產(chǎn)生定位偏差。這是由于試塊上的反射體是標(biāo)準(zhǔn)反射體,只要將聲程按中心聲束的折射角換算成垂直深度、水平距離就可以了。但是在實(shí)際焊縫中,由于缺陷表面狀況、缺陷取向很不規(guī)則,這就不僅要考慮中心聲束,還要考慮中心聲束兩側(cè)的擴(kuò)散聲束的影響。雖然擴(kuò)散聲束的聲壓不如中心聲束的聲壓高,但是,實(shí)際缺陷的表面狀況、缺陷取向有可能更有利于擴(kuò)散聲束垂直反射或更接近于垂直反射,而彌補(bǔ)聲壓比中心聲束聲壓低的不足。這樣如果仍然把由擴(kuò)散聲束掃查到的回波信號當(dāng)作中心聲束掃查到的回波信號,于是就產(chǎn)生定位偏差。弄清了超聲場的擴(kuò)散特性后就可以通過作圖法準(zhǔn)確地確定出缺陷的真實(shí)位置。在試塊上按聲程調(diào)定探傷儀,如圖5所示,從兩個不同的方向各探測一次就能確定出缺陷位置。以第一次的探頭入射點(diǎn)O1為圓心,以示波屏上回波信號的聲程L1為半徑畫弧,分別與聲束上、下邊緣相交于A1、B1兩點(diǎn),則缺陷的真實(shí)位置必然在A1B1這段圓弧上。再以第二次的探頭入射點(diǎn)O2為圓心,以示波屏上回波信號的聲程L2為半徑畫弧,分別與上、下邊緣相交于A2、B2兩點(diǎn),則缺陷的真實(shí)位置又必然在A2B2這段圓弧上。這兩段圓弧必定有一個交點(diǎn),即F0點(diǎn),就是實(shí)際缺陷的真實(shí)位置。只要在內(nèi)、外兩個表面的任意兩個側(cè)面各探測一次,并每次在示波屏上出現(xiàn)回波信號,通過以上的作圖法就能準(zhǔn)確地確定出實(shí)際缺陷的真實(shí)位置。(二次聲程掃查到的實(shí)際缺陷的定位,只要在一次聲程的反射點(diǎn)將反射聲束延長相交于一點(diǎn),再以這點(diǎn)作為圓心,其它與一次聲程的缺陷定位法相同。)3.2度級數(shù)設(shè)某一折射角為β0的聲束掃查到某一焊縫內(nèi)部缺陷F0,在探傷儀示波屏上的深度讀數(shù)為h。雖然,聲束上、下邊緣的β2、β1通過計(jì)算能求得,但實(shí)際掃查到缺陷的聲束折射角β0是不知道的,而實(shí)際探傷中卻把折射角為β0的聲束掃查到的缺陷F0當(dāng)作是被折射角為β的中心聲束掃查到的缺陷F,這就勢必造成定位偏差。(1)深度之差h值h值h示波屏上缺陷深度讀數(shù)h=聲程L0cosβ而L0=h0/cosβ0則h0=hcosβ0/cosβ示波屏上深度讀數(shù)與真實(shí)深度之差h=h-h0=(cosβ-cosβ0)h/cosβ當(dāng)cosβ≥cosβ0即β0≥β時h=h-h0≥0h≥h0表示示波屏上讀數(shù)h比真實(shí)深度h0后移△h,這是中心聲束以上部分的聲束掃查到缺陷的情況。當(dāng)cosβ<cosβ0即β0<β時h=h-h0<0h<h0表示示波屏上讀數(shù)h比真實(shí)深度h0前移△h,這是中心聲束以下部分的聲束掃查到缺陷的情況。(2)水平定位偏移tg缺陷距探頭入射點(diǎn)的水平定位距離X=htgβ缺陷距探頭入射點(diǎn)的真實(shí)距離X0=h0tgβ0水平距離之差△X=X-X0=htgβ-h0tgβ0=(sinβ-sinβ0)h/cosβ當(dāng)β0≥β,△X≤