zg0cr13ni4mo超聲波衰減系數的測定

zg0cr13ni4mo超聲波衰減系數的測定

超聲波檢測具有靈敏度高、滲透性強、檢測速度快、成本低等優(yōu)點。它可以根據缺陷波形的特性來判斷缺陷的性質，因此也被廣泛應用于大傾角縫紉機的檢測。材料的衰減系數是影響超聲波檢測的一個重要因素,由于鑄鋼件自身特點,其聲速、衰減系數與普通鋼不同,超聲波在鑄鋼件中傳播時聲速與衰減系數均會發(fā)生變化,分析、掌握這種變化可以優(yōu)化超聲波檢測工藝參數,也是進行超聲波無損檢測的理論指導基礎。目前測量固體的聲速和衰減系數的方法主要有脈沖反射法、直接接觸法、脈沖透射插入法。本研究以新型鑄鋼材料ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼為例,以脈沖反射法,利用超聲波聲壓、聲程乘積的自然對數與聲程成線性關系,來測量鑄鋼件超聲波衰減系數,并研究衰減系數與探頭參數中晶片直徑、頻率關系,對優(yōu)化水電站大型鑄鋼件超聲波檢測工藝參數有重要指導意義,對保證檢測質量十分有益。1試驗材料和方法1.1試驗塊及設備試件材質為哈爾濱電機廠常用的水輪機轉輪材料ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼,規(guī)格為160mm×100mm×25mm(長×寬×厚),為了便于對比普通鋼的衰減系數,選取材質為45#鋼的試塊,規(guī)格為200mm×160mm×30mm,所有檢測面的粗糙度均為3.2μm,端面平整,且平行,平行度在0.025mm以內。試驗儀器采用武漢中科創(chuàng)新技術股份公司生產的漢威HS616型,探頭采用A型脈沖反射式反射縱波直探頭,型號與規(guī)格見表1。耦合劑為機油,表面補償為0dB。1.2超聲波衰減系數測定利用漢威HS616e型超聲波探傷儀,選用ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼試塊、45#鋼試塊,分別測出各底波反射回波80%時儀器增益值,通過公式計算超聲波衰減系數。通過對比分析探頭頻率、晶片尺寸對超聲波衰減系數的影響,研究鑄鋼件超聲波檢測衰減系數測量新方法及其最佳頻率、探頭晶片尺寸選擇方式。2試驗結果與分析2.1球面波的衰減方程超聲波在介質中傳播時,隨著距離的增加,超聲波能量逐漸衰減的現象,叫做超聲波衰減。引起超聲波衰減的主要原因是波束擴散、晶粒散射及介質吸收。擴散衰減取決于波陣面的形狀,與介質的性質無關,平面波不擴散;柱面波波束向四周擴散,存在擴散衰減,聲壓與距離的平方根成反比;球面波向四面擴散,存在擴散衰減,聲壓與距離成反比。散射衰減與材質的晶粒密切相關,當材質晶粒粗大時,散射衰減嚴重,被散射的聲波沿著復雜的路徑傳播到探頭,在示波器上引起草狀回波,使信噪比下降,嚴重時會淹沒缺陷回波。鑄鋼件組織晶粒粗大,散射衰減比較嚴重。由于介質中質點間摩擦和熱傳導引起的超聲波衰減稱為吸收衰減。通常所說介質衰減是指吸收衰減和散射衰減。由于實際應用的超聲波探頭波源近似活塞振動,在各個同性介質中輻射的波稱為活塞波,當距離波源的距離足夠大時,活塞波近似球面波,因此,一般取球面波衰減方程,對于球面波:式中:Px為超聲波在材料中傳播一段聲程x后的聲壓;x為聲程;P1為距離為單位1處的聲壓;a為介質衰減系數,NP/mm;e為自然對數的底,2.718。對式(1)進行變換得到式(2)。由式(2)可知,對于球面波而言,lnPxx與衰減系數ax服從線性關系,曲線與距離為單位1處的聲壓P1有關。衰減系數為式(2)方程的斜率,則通過測量不同深度下回波波幅,通過式(2)即可推導出衰減系數a。衰減系數a只考慮了介質散射和吸收衰減,未涉及擴散衰減,對于金屬材料等固體介質而言,介質衰減系數a等于散射衰減系數和吸收衰減系數之和。對于厚度小于200mm板材,可以利用薄板工件衰減系數測定公式進行測定:式中:m、n為底波的反射次數;Bm、Bn為第m、n次底波高度;δ為反射損失,每次反射損失約為(0.5~1.0dB);x為薄板的厚度。式(3)未考慮擴散衰減,現場應用時根據薄板厚度來確定波的次數,使聲波傳播距離在波束未擴散區(qū)域內。通過實際超聲波探傷近似球面波方程推導的衰減方程(2)與式(3)比較可知,利用式(2)測量,則可以不必測得反射損失,而利用式(3)測量,則必須先測得反射損失δ。利用式(2)對衰減系數進行測定,測量所選用的試塊上一定反射次數的波幅高度80%時增益值,通過式(2)在Origin軟件上作圖,模擬式(2)的線性方程,lnPxx隨聲程x變化關系如圖1所示,測量出的lnPxx隨聲程x服從線性關系,隨著聲程增加,lnPxx成線性減少,推導出式(2)的斜率,即為所測的衰減系數a。2.2晶片直徑對衰減系數的影響圖2a為縱波直探頭頻率為1MHz時,由式(2)測量推導出的衰減系數與晶片直徑變化關系圖,從圖2a可知,材料衰減系數與超聲檢測探頭的晶片尺寸有關,對于頻率為1MHz縱波直探頭,在晶片直徑范圍為14~28mm時,其衰減系數隨晶片直徑先降低后增大,在晶片直徑為20mm時衰減系數最小,對于ZG0Cr13Ni4Mo鑄鋼件,其衰減系數比普通45#鋼要大,這是由于鑄鋼件晶粒比較粗大,散射衰減和吸收衰減較嚴重所致。圖2b為縱波直探頭頻率為5MHz時,利用式(2)推導出的衰減系數與晶片直徑變化關系圖,從圖2b可知,材料衰減系數與超聲檢測探頭的晶片尺寸有關,對于頻率為5MHz縱波直探頭,在晶片直徑為10~20mm范圍內變化時,其衰減系數隨晶片直徑先增大后減少,在晶片直徑為14mm時,其衰減系數最大。2.3衰減系數隨頻率的變化由圖3可知,材料衰減系數與超聲檢測探頭的頻率有關,在試驗頻率為1~5MHz范圍內,衰減系數隨著頻率增加而增加,在2~5MHz頻率范圍內,隨著頻率增加,衰減系數增加趨勢變緩。ZG0Cr13Ni4Mo鑄鋼件的衰減系數比普通鋼45#鋼大,這是由于鑄鋼件晶粒比較粗大,散射衰減和吸收衰減較嚴重所致。2.4衰減系數測定結果a對于工件厚度小于200mm薄板,目前普遍利用式(3)進行測定,但對于具體工件需要測定反射損失δ以及探頭保護模、耦合液等損失,具體測定比較困難,一般推薦使用每次反射損失約為(0.5~1.0dB),因而對衰減系數的測定難以準確定量。圖4為1MHz頻率直探頭利用式(2)測定與式(3)測定的衰減系數比較圖,利用式(3)測定時,每次反射損失δ取0.5dB。從圖4可知,在晶片直徑為14~28mm范圍內,衰減系數均遵循著隨著晶片直徑的增加先減少后增加趨勢,式(2)與式(3)測定衰減系數存在差異,在小晶片范圍內,差異較小,晶片尺寸超過20mm時,隨著晶片尺寸增加差異越明顯,這可能是由于反射損失取值差異有關,反射損失隨著晶片尺寸的變化可能存在變化,且探頭保護膜、耦合劑等損失也可能均隨著晶片尺寸的變化而變化。式(3)對整體反射損失取值一定,存在不合理的現象。而式(2)在現場檢測探頭波形式近似與球面波時,每次測定衰減系數均包含探頭實際的反射損失(包括探頭保護膜、耦合劑等損失),實際探頭波形與球面波越接近,準確性越高。同理,圖5所示為晶片直徑為20mm直探頭利用式(2)測定與式(3)測定的衰減系數比較圖,利用式(3)測定時,每次反射損失δ取0.5dB。從圖5可知,在頻率為1~5MHz范圍內,式(2)測定衰減系數均遵循著隨著晶片直徑的增加先而增加,式(3)測定的衰減系數遵循先減小后增大趨勢,式(2)與式(3)測定衰減系數存在較大差異,這可能是由于式(2)與式(3)推導原理存差異所致。式(2)推導原理為球面波聲壓衰減方程,考慮到聲壓與距離成反比關系,現場檢測探頭波形式近似于球面波時,每次測定衰減系數均包含探頭實際的反射損失(包括探頭保護膜、耦合劑等損失),實際探頭波形與球面波越接近,準確性越高。而式(3)未考慮聲程反比關系,公式推導原理存在差異,因而測量結果存在較大的差異。從上分析可知,利用式(2)測定衰減系數,考慮到現場檢測探頭近似于球面波,利用球面波聲壓衰減方程進行推導,可以不必針對具體工件表面狀況、探頭形式、耦合劑等損失情況進行專門精確測量,而直接可以測出包含各種損失下的介質衰減系數a,衰減系數a測定結果與實際波形與球面波接近的程度有關,實際波形與球面波越接近,其結果越準確。通過式(2)測定介質的整體衰減系數,具有原理簡單,操作方便,測量結果準確等特點,是測定現場工件介質衰減系數的有效新方法。3超聲波衰減系數a探頭晶片尺寸對鑄鋼件超聲波衰減系數存在影響,當晶片直徑14~20mm時,衰減系數隨晶片直徑增加而減少,當20~28mm時,又隨晶片直徑增加而增加。探頭頻率對超聲波衰減系數產生影響,衰減系數隨著頻率增加而增加,隨著頻率增加,衰減系數增加的趨勢變緩。從超聲波衰減系數影響來看,鑄鋼件縱波直探頭檢測時宜選用低頻率,晶片直徑宜選用20mm探頭。超聲波檢測