管座焊縫超聲掃查位置的研究

1平板工件聲程根據(jù)操作要求，厚壁容器采用螺紋盤的側(cè)壁焊接，形狀為插入式管座焊接。超聲檢測(cè)時(shí),探頭在筒體上垂直于管座焊縫沿圓周進(jìn)行掃查(圖1)。如圖1所示,θc角表示探頭軸線與筒體軸線夾角;12點(diǎn)位置:θc=0°(相當(dāng)于檢測(cè)筒體環(huán)縫,與探測(cè)平板焊縫相似,此時(shí)曲率最小為0);9點(diǎn)位置:θc=90°(相當(dāng)于檢測(cè)筒體縱縫,此時(shí)曲率最大)。因此,對(duì)管座焊縫進(jìn)行掃查時(shí),探頭所在不同位置,對(duì)應(yīng)的曲率也不同,介于0點(diǎn)至12點(diǎn)位置之間不斷變化。圖2是平板工件與曲面工件聲程示意圖。由圖2可以看出,相同厚度的曲面工件與平板工件相比,曲面工件的聲程大于平板工件的聲程。而且曲面的曲率不同,對(duì)應(yīng)的聲程也不同。因此對(duì)管座焊縫進(jìn)行掃查時(shí),探頭的位置不斷變化,對(duì)應(yīng)的曲率也不斷變化,聲程也隨之發(fā)生變化。即對(duì)應(yīng)一個(gè)確定聲程的反射,在不同的位置,可能是不同的反射信號(hào)。這將影響到對(duì)缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別。2接頭折射角與接頭軸線相垂直聲程(S)除與筒體內(nèi)徑r、外徑R及斜探頭折射角β有關(guān)外,還與探頭軸線與筒體軸線夾角θc有關(guān)。因厚壁容器的超聲檢測(cè)只采用直射法,所以在這里只研究一次聲程的計(jì)算。2.1聲束入射到筒體內(nèi)壁的幾何關(guān)系假設(shè)探頭在0點(diǎn)位置(θc=0°),相當(dāng)于檢測(cè)筒體環(huán)縫,則S0=S平=R?rcosβ=R-rcosβ。如探頭在9點(diǎn)位置(θc=90°),相當(dāng)于檢測(cè)筒體縱縫。當(dāng)探頭和筒體尺寸一定時(shí),由幾何關(guān)系可知(圖2),聲束入射到筒體內(nèi)壁時(shí),其入射角β′大于探頭折射角β,即:φ=β′?βR?sinβ=r?sinβ′β′=sin?1(sinβr/R)φ=sin?1(sinβr/R)?βφ=β′-βR?sinβ=r?sinβ′β′=sin-1(sinβr/R)φ=sin-1(sinβr/R)-β∴S90=R?rcosφcosβ=R?rcos[arcsin(sinβr/R)?β]cosβS90=R-rcosφcosβ=R-rcos[arcsin(sinβr/R)-β]cosβ(1)2.2透照速率半徑以上討論了當(dāng)θc=0°、θc=90°時(shí)一次聲程的情況。而在圖1所示的0點(diǎn)到12點(diǎn)之間,一次聲程需考慮在不同的θc值所對(duì)應(yīng)的曲率變化。因管座焊縫被0點(diǎn)到6點(diǎn)、3點(diǎn)到9點(diǎn)二條線分割成相同的4個(gè)象限,所以只研究其中的1個(gè)象限即可知道其他象限的情況。下面以12點(diǎn)到9點(diǎn)之間,即0°<θc<90°這個(gè)象限為例進(jìn)行分析。當(dāng)探頭在0°<θc<90°任一點(diǎn)進(jìn)行掃查時(shí),即聲束軸線與筒體軸線夾角為θc時(shí),聲束軸線與筒體相交的截面為橢圓,筒體外徑長(zhǎng)RL,由幾何關(guān)系可知:RL=RsinθcRL=Rsinθc。根據(jù)前面推導(dǎo)式(1)可知,一次聲程與焊縫所在曲面的曲率半徑R′有關(guān)。由高等數(shù)學(xué)知識(shí)可知,曲線上任一點(diǎn)的曲率K與該點(diǎn)的曲率半徑ρ的關(guān)系為:ρ=1K=(1+y′2)3/2|y′′|ρ=1Κ=(1+y′2)3/2|y″|由橢圓方程可導(dǎo)出:圖3所示焊縫邊緣外表面處E點(diǎn)處的曲率半徑ρ:ρ=(RL2cos2α+R2sin2α)3/2R?RL=Rsinθc(cos2αsin2θc+sin2α)3/2(2)ρ=(RL2cos2α+R2sin2α)3/2R?RL=Rsinθc(cos2αsin2θc+sin2α)3/2(2)焊縫邊緣內(nèi)表面處G點(diǎn)處的曲率半徑ρ內(nèi):ρ內(nèi)=(rL2cos2α+r2sin2α)3/2r?rL=rsinθc(cos2αsin2θc+sin2α)3/2(3)ρ內(nèi)=(rL2cos2α+r2sin2α)3/2r?rL=rsinθc(cos2αsin2θc+sin2α)3/2(3)式中的α為筒體開孔中心線OC與焊縫邊緣處OE的夾角,可由開孔半徑L及筒體內(nèi)徑確定,tanα=Lrtanα=Lr。將式(2)、式(3)代入式(1),即可推導(dǎo)出當(dāng)探頭在任一點(diǎn)進(jìn)行掃查時(shí)所對(duì)應(yīng)的一次聲程Sθc:Sθc=ρ?ρ內(nèi)cos[arcsin(sinβρ內(nèi)/ρ)?β]cosβ=R?rcos[arcsin(sinβr/R)?β]cosβ?sinθc[cos2αsin2θc+sin2α]3/2=R?rcos[arcsin(sinβr/R)?β]cosβ?sinθc[cos2(arctanLr)sin2θc+sin2(arctanLr)]3/2Sθc=ρ-ρ內(nèi)cos[arcsin(sinβρ內(nèi)/ρ)-β]cosβ=R-rcos[arcsin(sinβr/R)-β]cosβ?sinθc[cos2αsin2θc+sin2α]3/2=R-rcos[arcsin(sinβr/R)-β]cosβ?sinθc[cos2(arctanLr)sin2θc+sin2(arctanLr)]3/23種多模式法對(duì)于厚壁容器的管座焊縫超聲檢測(cè),不同于平板焊縫的超聲檢測(cè),多用聲程來(lái)判定反射信號(hào),但由于不同位置的曲率變化,造成一次聲程也隨之變化。在實(shí)際檢測(cè)中大多采用手工作圖法根據(jù)聲程來(lái)確定反射信號(hào)的位置,從而確定是否為焊接缺陷。但這種方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。如果借助現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)編程,根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型,在確定管座焊縫的參數(shù)后,只需輸入探頭聲束軸線與筒體軸線夾角θc,就可以計(jì)算出管座焊縫