超聲法測(cè)量表面開(kāi)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(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)行精確的測(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)。而表面開(kāi)口裂紋,由于它的開(kāi)放狀態(tài)和較容易被發(fā)覺(jué),對(duì)其高度的測(cè)量就顯得尤為重要。目前運(yùn)用超聲測(cè)定表面開(kāi)口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)衍射波法和端點(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)反射回波法由于其測(cè)量的精度不高特別是對(duì)低高度的裂紋測(cè)量誤差較大,限制了它的應(yīng)用。相對(duì)于以上幾種方法,端點(diǎn)衍射波法是較為可行的方法。本文運(yùn)用端點(diǎn)衍射法自行設(shè)計(jì)了測(cè)量方案,且試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和高的測(cè)量精確度。1原理和測(cè)量方案1.1衍射波產(chǎn)生機(jī)理超聲波在傳播過(guò)程中遇到裂紋等缺陷時(shí),由于缺陷邊緣的激發(fā)會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,產(chǎn)生衍射波,如圖1所示。利用來(lái)自裂紋兩端的超聲衍射波傳播時(shí)間的不同來(lái)測(cè)量裂紋自身高度,這種方法稱為超聲波端點(diǎn)衍射法,也稱為超聲衍射波時(shí)間渡越技術(shù)(Time-of-flight)。1.2dsdx+h本試驗(yàn)采用雙探頭測(cè)量法,且兩探頭間距在測(cè)量過(guò)程保持一致。如圖2,將兩個(gè)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(diǎn)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(diǎn)至探頭入射點(diǎn)中分線的距離由于dSdx|x=0=0,d2Sdx2＞0dSdx|x=0=0,dS2dx2＞0,所以當(dāng)x=0時(shí),S值有極小值,即對(duì)稱時(shí),聲程S最小,這意味著此時(shí)衍射波幅度相對(duì)最大(與非對(duì)稱情況相比),因?yàn)槁暢倘∽疃叹嚯x時(shí)幅度相對(duì)最大。又因?yàn)?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(dāng)L?x時(shí),dS/dx≈0。這就意味著,當(dāng)不對(duì)稱情況不太嚴(yán)重時(shí),衍射波聲程是不變的。此時(shí),可將聲程S的表達(dá)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(yàn)中,可以通過(guò)測(cè)量聲程S和探頭入射點(diǎn)間距L,就可以通過(guò)計(jì)算得出裂紋的測(cè)量高度,這種方法適用于檢測(cè)高度≥3mm的表面開(kāi)口裂紋。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試精度可以達(dá)到±1mm,但缺點(diǎn)是衍射波的強(qiáng)度很弱,較難發(fā)現(xiàn),所以用衍射波測(cè)量裂紋高度有一定的難度,對(duì)操作要求較高。2測(cè)試2.1裂紋試塊的制作本試驗(yàn)采用數(shù)字式超聲探傷儀CTS-3600,試驗(yàn)使用的探頭型號(hào)包括2.5Z8×12K1,2.5Z8×12K1.5,2.5Z8×12K2和2.5Z8×12K2.5,每種型號(hào)各一對(duì),一發(fā)一收。探頭聲束軸線與探頭楔塊底面的交點(diǎn)稱為探頭的入射點(diǎn),商品斜探頭都在殼體側(cè)面標(biāo)有入射點(diǎn)位置和K值,由于探頭制作工藝偏差和使用磨損,入射點(diǎn)與實(shí)際K值都與標(biāo)稱值有一定偏差,探頭入射點(diǎn)位置及實(shí)際K值的測(cè)量直接影響到裂紋高度測(cè)量值的精確度,本實(shí)驗(yàn)采用CSK-IA標(biāo)準(zhǔn)試塊法,具體的操作過(guò)程可以參考文獻(xiàn)。本試驗(yàn)測(cè)得的A、B兩組斜探頭入射點(diǎn)位置如表1所示。本試驗(yàn)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(kāi)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(bào)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(jí)。2.2透聲世界中裂紋的測(cè)量在裂紋試塊上進(jìn)行了測(cè)高試驗(yàn),文中以上表面開(kāi)口裂紋為測(cè)量對(duì)象進(jìn)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(diǎn)之外。實(shí)時(shí)調(diào)整儀器各參數(shù)并左右移動(dòng)探頭,試驗(yàn)過(guò)程中保持兩探頭入射點(diǎn)關(guān)于裂紋尖端投影點(diǎn)的對(duì)稱,改變兩探頭之間的間距L,尋找衍射波,并使之幅度達(dá)到最大。記下其聲程S及入射點(diǎn)間距L,再利用式(3)計(jì)算裂紋高度。試驗(yàn)結(jié)果列于表2～5。3試驗(yàn)結(jié)果的分析(1)測(cè)量誤差與接頭k值、k值比對(duì)本試驗(yàn)運(yùn)用K=1,1.5,2,2.5四種探頭分別對(duì)不同高度裂紋進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)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(cè)量的平均誤差比較,圖3所示為不同K值探頭對(duì)不同高度裂紋測(cè)量誤差的對(duì)比,本試驗(yàn)取各測(cè)量誤差的絕對(duì)值。由表6可以看出:K值越小的探頭,其測(cè)量的平均誤差越小,當(dāng)探頭K值為2.5時(shí),測(cè)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(cè)量誤差,且K值越大,測(cè)量誤差有增大的趨勢(shì),K=1,1.5時(shí),對(duì)各裂紋的測(cè)量誤差均保持在1mm以內(nèi),因此,實(shí)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(dāng)裂紋高度<3mm時(shí),K=1的探頭無(wú)法進(jìn)行測(cè)量,而K=2.5的探頭可以測(cè)量到高度≥2mm的裂紋。這是由于受檢測(cè)技術(shù)的分辨力所限制,分辨率極限是由聲束寬、脈沖長(zhǎng)度和對(duì)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(cè)到高度較小的裂紋。(2)測(cè)量誤差對(duì)比本試驗(yàn)運(yùn)用4組探頭分別對(duì)不同高度的裂紋進(jìn)行了測(cè)量,由于測(cè)量的數(shù)據(jù)有一定的離散性,故對(duì)于同一高度的裂紋,取不同探頭測(cè)量誤差的平均值進(jìn)行對(duì)比。圖4為測(cè)量誤差的比較及變化趨勢(shì)。由圖4可以得出:端點(diǎn)衍射法對(duì)于不同高度的裂紋其測(cè)量誤差浮動(dòng)不大,也即說(shuō)明端點(diǎn)衍射法對(duì)于高度越大的裂紋測(cè)量準(zhǔn)確度較高,低高度裂紋測(cè)量準(zhǔn)確度偏低。端點(diǎn)衍射法對(duì)于裂紋高度是有選擇性的,對(duì)于高度越大的裂紋適應(yīng)性較好。4裂紋的測(cè)量結(jié)果(1)介紹了裂紋高度測(cè)量的端點(diǎn)衍射法方案,采用雙探頭一發(fā)一收模式,且在測(cè)量過(guò)程中保持間距不變,當(dāng)兩探頭關(guān)于裂紋面對(duì)稱時(shí),衍射波幅度最大。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到的聲程S及探頭間距L就可以通過(guò)計(jì)算得