淺談埋藏裂紋的檢測

淺談埋藏裂紋的檢測

1混合式罪犯裂紋檢測方法主要分為3個步驟服務(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)。而埋藏型裂紋由于其隱蔽性,如果不及時進行檢測和測量,造成的后果往往是不可預(yù)知的,因此對埋藏裂紋的高度進行測量就顯得尤為重要。目前運用超聲測定埋藏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、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;端點衍射波法由于衍射波的強度很弱,往往難以發(fā)現(xiàn),對儀器的精度要求較高。相對于以上幾種方法,端點反射回波法(以下簡稱端點反射法)是較為可行的方法。本文對端點反射法及波型轉(zhuǎn)換法進行了介紹,且用試驗驗證了其可行性和測量的精確度。2測量原理2.1表面線下裂紋的高度當超聲波入射到裂紋端部時,有一部分將沿著原路反射,稱為端部反射波;由惠更斯原理,橫波在裂紋尖端會形成次波源而產(chǎn)生衍射,稱為端部衍射波;如果端部有一反射面與入射波方向垂直,則反射波的強度很大,衍射波強度減弱甚至消失。端點反射法就是依據(jù)此來測量裂紋的高度。如圖1所示,垂直于表面的埋藏裂紋高度為h,裂紋端部與根部的聲程為w1和w2,探頭折射角為β,工件高度為T,則:h=(w2-w1)cosβ(1)如果上端點是由一次波探測到,而下端點是由二次波(一次反射波)探測到,如圖2所示。設(shè)下端點一、二次波的總聲程為L,工件厚度為T,那么L中一次波聲程為:T/cosβ;二次波聲程為:L-(T/cosβ);則w2=L-2[L-(T/cosβ)],所以有:h=(w2-w1)cosβ=2T-(w1+L)cosβ(2)準確測定聲程和探頭的折射角(或探頭K值)及工件厚度,就可以準確地計算出裂紋高度h。2.2表面波沿裂紋方向傳播如圖3所示,當超聲波入射到裂紋型缺陷的端部時,一部分沿原路返回從而被探頭接收到(S波),一部分發(fā)生波型轉(zhuǎn)換,變?yōu)楸砻娌?并沿著裂紋平面?zhèn)鞑?當?shù)竭_裂紋的根部時,一部分被直接反射沿裂紋高度方向反向傳播,另一部分在裂紋根部尖端處繞射,也沿著裂紋高度方向反方向傳播,兩者到達裂紋頂端時再次發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并被探頭所接收到(R波),由于裂紋的寬度很小,因此兩種表面波沿裂紋方向的傳播時間認為是相同的。因此在探傷儀上所接收到的只有一次R波,探傷儀上顯示的S波在R波之前(如圖4所示),如果將儀器的時間基準設(shè)置為入射橫波的速度,則裂紋的高度H可以由下式確定:H=(CR/CS)×ΔW(3)式中CR——表面波速度CS——橫波速度3測試3.1使用健康試驗、檢測和測試塊3.1.1不同透聲斜契中聲程的測量本試驗采用汕頭超聲研究所生產(chǎn)的CTS-3600數(shù)字式超聲探傷儀,通過閘門方式準確計算出聲程。端點反射法采用折射角為45°、60°、70°橫波斜探頭,頻率均為2.5MHz,波型轉(zhuǎn)換法采用聚焦探頭(2.5Z10K1-DR50),頻率為2.5MHz。試驗開始前,將各探頭K值進行準確測量,并將儀器的掃描速度設(shè)置為1∶1,調(diào)整延遲及零點,將透聲斜契中的聲程移至原點之外,以便準確計算聲程。若需雙探頭測量時,還需自行設(shè)置一簡易探頭架,用于固定探頭及方便探頭移動。3.1.2試驗塊的表面缺陷用45號鋼制作了兩套裂紋試塊,試塊尺寸為360mm×10mm×10mm,每套試塊中埋藏有垂直于表面的裂紋,其深度值分別為:2,3,5,7,9,12mm。3.2試驗結(jié)果3.2.1器門結(jié)構(gòu)聲程的裂紋高度前后移動探頭,找到裂紋端點反射的最大幅度回波,利用儀器閘門方式記下聲程,代入式(1)或者式(2),計算所得出的裂紋高度。端點反射法測量的裂紋高度結(jié)果見表1。由表1可知,端點反射法測量的誤差均在±1mm之內(nèi)。3.2.2裂紋的測量取定移動探頭并同時調(diào)整儀器的分辨率找到最高反射回波(S波),將S波的高度調(diào)節(jié)為滿屏的50%,利用儀器記下其聲程w1,調(diào)節(jié)衰減提高儀器靈敏度,看S波后面出現(xiàn)的R波,前后掃查,R波就在熒光屏時基線上與S波一起向同一方向移動,同樣將S波的高度調(diào)節(jié)為滿屏的50%,記下聲程w2,代入式(3)即可得出此方法測量的裂紋高度,為了測量的準確性,沿著裂紋長度方向平行移動探頭,對裂紋高度進行三次測量取平均值,結(jié)果如表2所示。由表2可知,波型轉(zhuǎn)換法測量的誤差也在±1mm之內(nèi)。3.3測量結(jié)果對比分別對以上兩種方法所得出的結(jié)果作曲線擬合,如圖5,6所示。對兩種方法的誤差(以絕對值作為參考值)進行比較,如圖7所示。由圖5,6可以看出,此兩種方法測量結(jié)果與實際值均有較好的線性關(guān)系,說明這兩種方法均可行且比較準確。由擬合曲線的斜率可得出,相對于波型轉(zhuǎn)換法而言,端點反射法具有更好的擬合度,測量精度更高。由表1可以得出,采用端點反射法時折射角為45°探頭具有較高的測量精度。探頭折射角越大(也即K值越大)對測量精確度的影響也就越明顯。實際測量中,建議采用K值較小的探頭。由圖7可以看出,裂紋高度在5～7mm時,兩種方法具有較高的測量精確度。4試驗儀器及設(shè)備為了準確測定埋藏裂紋的高度,達到較高的測量精度,若能滿足以下條件,將有利于試驗工作。(1)試塊表面具有一定光滑度,建議達到入射波長的1/15或1/30為佳,與探頭耦合性越好試驗精度越高,耦合劑采用普通機油即可;(2)低于2mm的缺陷,往往測量不夠準確,這可能跟儀器的精確度及分辨率有關(guān),因此應(yīng)該保證裂紋具有可觀的高度;(3)探頭應(yīng)選用較低的頻率,由試驗還可以看出,選用較小K值的橫波斜探頭有助于試驗精度的提高;(4)在裂紋附近區(qū)域最好不要有其他缺陷,如氣孔、夾渣、裂紋等,否則