超聲法測量表面開口裂紋高度的研究

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）是最危險的，結(jié)果往往是災(zāi)難。同時，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度是次要的。據(jù)統(tǒng)計,鍋爐壓力容器的損壞大部分是由于零件內(nèi)部裂紋擴展所致,英國曾對10萬個壓力容器進行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)由于裂紋擴展所造成的破壞占總數(shù)的89.3%,因此對裂紋的檢測和對裂紋類缺陷的高度進行精確的測量,是運用斷裂力學(xué)進行在役零件壽命評估的前提,也是評估正確與否的基礎(chǔ)。而表面開口裂紋,由于它的開放狀態(tài)和較容易被發(fā)覺,對其高度的測量就顯得尤為重要。目前運用超聲測定表面開口裂紋高度的常用方法主要有橫波串列式雙探頭法、相對靈敏度法(包括6dB,20dB法)、端點衍射波法和端點反射回波法。然而,橫波串列式雙探頭法操作復(fù)雜,回波難以確認;相對靈敏度法測得的高度值是裂紋高度的指示值,與實際值有較大的誤差;端點反射回波法由于其測量的精度不高特別是對低高度的裂紋測量誤差較大,限制了它的應(yīng)用。相對于以上幾種方法,端點衍射波法是較為可行的方法。本文運用端點衍射法自行設(shè)計了測量方案,且試驗驗證了其可行性和高的測量精確度。1原理和測量方案1.1衍射波產(chǎn)生機理超聲波在傳播過程中遇到裂紋等缺陷時,由于缺陷邊緣的激發(fā)會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,產(chǎn)生衍射波,如圖1所示。利用來自裂紋兩端的超聲衍射波傳播時間的不同來測量裂紋自身高度,這種方法稱為超聲波端點衍射法,也稱為超聲衍射波時間渡越技術(shù)(Time-of-flight)。1.2dsdx+h本試驗采用雙探頭測量法,且兩探頭間距在測量過程保持一致。如圖2,將兩個K值相同的橫波斜探頭置于缺陷兩側(cè),作一發(fā)一收。發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波在缺陷的端部產(chǎn)生衍射波,被接收探頭接收,衍射波的聲程S可由下式表示:S=S1+S2=(L2?x)2+h2???????????√+(L2+x)2+h2???????????√(1)S=S1+S2=(L2-x)2+h2+(L2+x)2+h2(1)式中L——探頭入射點間距h——裂紋尖端至表面的垂直距離x——裂紋尖端在表面上投影點至探頭入射點中分線的距離由于dSdx|x=0=0,d2Sdx2＞0dSdx|x=0=0,dS2dx2＞0,所以當x=0時,S值有極小值,即對稱時,聲程S最小,這意味著此時衍射波幅度相對最大(與非對稱情況相比),因為聲程取最短距離時幅度相對最大。又因為:dSdx=?11+h2/(L2?x)2√+11+h2/(L2+x)2√(2)dSdx=-11+h2/(L2-x)2+11+h2/(L2+x)2(2)所以當L?x時,dS/dx≈0。這就意味著,當不對稱情況不太嚴重時,衍射波聲程是不變的。此時,可將聲程S的表達式中的x值去掉,即L,S和h的關(guān)系近似為:h=(S/2)2?(L/2)2?????????????√(3)h=(S/2)2-(L/2)2(3)試驗中,可以通過測量聲程S和探頭入射點間距L,就可以通過計算得出裂紋的測量高度,這種方法適用于檢測高度≥3mm的表面開口裂紋。實驗室測試精度可以達到±1mm,但缺點是衍射波的強度很弱,較難發(fā)現(xiàn),所以用衍射波測量裂紋高度有一定的難度,對操作要求較高。2測試2.1裂紋試塊的制作本試驗采用數(shù)字式超聲探傷儀CTS-3600,試驗使用的探頭型號包括2.5Z8×12K1,2.5Z8×12K1.5,2.5Z8×12K2和2.5Z8×12K2.5,每種型號各一對,一發(fā)一收。探頭聲束軸線與探頭楔塊底面的交點稱為探頭的入射點,商品斜探頭都在殼體側(cè)面標有入射點位置和K值,由于探頭制作工藝偏差和使用磨損,入射點與實際K值都與標稱值有一定偏差,探頭入射點位置及實際K值的測量直接影響到裂紋高度測量值的精確度,本實驗采用CSK-IA標準試塊法,具體的操作過程可以參考文獻。本試驗測得的A、B兩組斜探頭入射點位置如表1所示。本試驗所使用的裂紋試塊材質(zhì)為45#鋼,外形尺寸均為:300mm×30mm×50mm,共4套,裂紋開口所在面為300mm×30mm組成面。每塊預(yù)制的裂紋高度分別為:2,3,5,7,9,11,13,15,17,20mm。裂紋試塊其它參數(shù)包括:垂直度<0.03,平行度<0.02,Ra≤1.6,裂紋寬<0.1mm。裂紋試塊的化學(xué)分析報告為:C:0.46%;Cr:0.010%;S:0.016%;P:0.014%;Mn:0.65%;Si:0.27%。金相分析晶粒度為8級。2.2透聲世界中裂紋的測量在裂紋試塊上進行了測高試驗,文中以上表面開口裂紋為測量對象進行研究。先調(diào)節(jié)儀器的掃描速度為1∶1,并將透聲楔中的聲程移出原點之外。實時調(diào)整儀器各參數(shù)并左右移動探頭,試驗過程中保持兩探頭入射點關(guān)于裂紋尖端投影點的對稱,改變兩探頭之間的間距L,尋找衍射波,并使之幅度達到最大。記下其聲程S及入射點間距L,再利用式(3)計算裂紋高度。試驗結(jié)果列于表2～5。3試驗結(jié)果的分析(1)測量誤差與接頭k值、k值比對本試驗運用K=1,1.5,2,2.5四種探頭分別對不同高度裂紋進行了測量,測量的誤差隨探頭K值的不同而有所不同,表6所示為不同K值探頭測量的平均誤差比較,圖3所示為不同K值探頭對不同高度裂紋測量誤差的對比,本試驗取各測量誤差的絕對值。由表6可以看出:K值越小的探頭,其測量的平均誤差越小,當探頭K值為2.5時,測量的平均誤差超出了1mm。由圖3可以看出:K=1的探頭具有較小的測量誤差,且K值越大,測量誤差有增大的趨勢,K=1,1.5時,對各裂紋的測量誤差均保持在1mm以內(nèi),因此,實際應(yīng)用中為了獲得更高的精確度,建議采用K=1或K值較小的探頭。另需要注意的是,當裂紋高度<3mm時,K=1的探頭無法進行測量,而K=2.5的探頭可以測量到高度≥2mm的裂紋。這是由于受檢測技術(shù)的分辨力所限制,分辨率極限是由聲束寬、脈沖長度和對缺陷的入射角所控制,較大的K值具有較大的入射角,因此能檢測到高度較小的裂紋。(2)測量誤差對比本試驗運用4組探頭分別對不同高度的裂紋進行了測量,由于測量的數(shù)據(jù)有一定的離散性,故對于同一高度的裂紋,取不同探頭測量誤差的平均值進行對比。圖4為測量誤差的比較及變化趨勢。由圖4可以得出:端點衍射法對于不同高度的裂紋其測量誤差浮動不大,也即說明端點衍射法對于高度越大的裂紋測量準確度較高,低高度裂紋測量準確度偏低。端點衍射法對于裂紋高度是有選擇性的,對于高度越大的裂紋適應(yīng)性較好。4裂紋的測量結(jié)果(1)介紹了裂紋高度測量的端點衍射法方案,采用雙探頭一發(fā)一收模式,且在測量過程中保持間距不變,當兩探頭關(guān)于裂紋面對稱時,衍射波幅度最大。通過試驗測量得到的聲程S及探頭間距L就可以通過計算得