鍛件超聲檢測(cè)中的幾個(gè)問題

關(guān)云峰

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司重裝技術(shù)質(zhì)量部，黑龍江161042)

作者簡(jiǎn)介：關(guān)云峰(1956—)，男，高級(jí)工程師。主要從事機(jī)械制造業(yè)NDT工作。

1 檢測(cè)核電RPV中子測(cè)量管

1.1 方法原理

該管規(guī)格為?45.5 mm×?15.5 mm，材質(zhì)為不銹鋼，人工反射體為管內(nèi)、外表面縱向60°V形槽，槽深為0.43 mm±0.04 mm。由于t(壁厚)/D(外徑)= 15 mm/45.5 mm=0.33>0.263(0.23

1.2 檢測(cè)試驗(yàn)

1.2.1 儀器、探頭

CTS-22檢測(cè)儀，探頭為4 MHz、?16 mm直徑、水中線聚焦、焦距50 mm。

1.2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)、計(jì)算

(1)符號(hào)意義及幾何分析見圖1，求L、S、X、H值。

求L：參看圖1，由正弦定理得：

r/Sinβ2=R/Sin90°

β2=19.9°

由波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律得[1]：

Sinθ÷(5 800×103)mm/s(工件縱波聲速)= Sinβ2÷(3 230×103)mm/s(工件橫波聲速)

θ=37.7°=β1(等腰三角形兩個(gè)底角)

由正弦定理得：

L/Sin(180-θ-β1)=R/Sinθ

L=36.1 mm

求S：由正弦定理得：

r/Sinβ2=S/Sin(90°-β2)

S=21.4 mm

求X：由圖1及波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律得[1]：

Sinα=X/R

Sinα÷(1 470×103)mm/s(水聲速)=

Sinβ1÷(5 800×103)mm/s

X= 3.5 mm

選擇：H= 30 mm。

(2)計(jì)算界面波，縱波、橫波槽反射傳播時(shí)間，以便確定各反射波在示波屏的顯示位置。

水/鋼界面兩次回波的時(shí)間間隔(單程)為：30 mm÷(1 470×103) mm/s=20.4 μs。

工件中縱波傳播的時(shí)間(單程)為：36.1 mm÷(5 800×103) mm/s=6.2 μs

工件中橫波傳播的時(shí)間(單程)為：21.4 mm÷(3 230×103) mm/s= 6.6 μs

工件中縱波、橫波總傳播時(shí)間(單程)為：6.2 μs+6.6 μs = 12.8 μs

由此可確定管內(nèi)、外壁槽反射波在示波屏?xí)r間位置如圖2。

1.2.3 靈敏度調(diào)節(jié)及掃查

調(diào)水層厚度至30 mm，并調(diào)整探頭聚焦線與試塊切槽方向平行，用掃查架旋鈕調(diào)整偏心距至

X—偏心距 H—水層厚度 S—橫波聲程L—縱波聲程 r—管內(nèi)徑 R—管外徑圖1 水浸檢測(cè)Figure 1 Water immersion test

圖2 槽反射位置及靈敏度調(diào)節(jié)Figure 2 Notch reflection position and sensitivity adjustment

3.5 mm左右。緩慢旋轉(zhuǎn)試管至內(nèi)、外壁槽反射出現(xiàn)在如圖2所示的時(shí)基處。調(diào)節(jié)內(nèi)外壁槽反射高度約50%FSH，以此作為掃查靈敏度。分別按順時(shí)針、逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)工件，以不少于20%的掃查覆蓋率對(duì)工件進(jìn)行掃查。

2 小角度探頭的時(shí)基校準(zhǔn)方法

2.1 意義

為了使聲束周向掃查到筒形工件內(nèi)孔面，有些工件須使用小角度(橫波折射角小于33.2°)斜波束探頭檢測(cè)。由于工件中同時(shí)存在縱波和橫波，如圖3所示，使得時(shí)基校準(zhǔn)變得復(fù)雜，下述方法有效解決了這一問題。

2.2 測(cè)折射角

按常規(guī)方法確定探頭的入射點(diǎn)后，在v形槽試塊上測(cè)折射角。同一探頭在鐵素體鋼中產(chǎn)生的縱波折射角約為橫波折射角的2倍，常用小角度探頭折射角如下：

βs= 20°

則βl= arc sin (5 920/3 230×sin 20°)= 39°

βs= 25°

則βl= arc sin (5 920/ 3 230×sin 25°)= 51°

βs= 30°

則βl= arc sin (5 920/3 230×sin 30°)= 66°

(1)測(cè)橫波折射角

選擇槽試塊，如圖4。在試塊上找出位置 1(最大反射波高處)，測(cè)出Ps及T的尺寸，求出折射角：

βs= arc tgPs/T

由于Psβs，故可知βs為橫波折射角。

(2)測(cè)縱波折射角

如圖4，找出位置2(最大反射波高處)，測(cè)出Pl，求出折射角：

βl= arc tgPl/T

可知βl為縱波折射角。

圖3 工件中同時(shí)存在縱波(L)及橫波(S)Figure 3 Longitudinal wave (L) and shear wave(S) occurred inworkpiece at the same time

圖4 測(cè)探頭折射角Figure 4 Refraction angles of probes

2.3 USN60數(shù)字儀器的時(shí)基校準(zhǔn)

輸入探頭的標(biāo)稱角度后，在CSK-ⅠA試塊R100 mm處前后移動(dòng)探頭，找出最高反射波。由于Cl(縱波聲速)>Cs( 橫波聲速)，因此在相同聲程(100 mm)處，顯示屏左側(cè)第一個(gè)最大反射波即為縱波反射，第二個(gè)較高反射波為橫波反射，見圖5。

同理，在CSK-ⅠA試塊R50 mm處前后移動(dòng)探頭，熒光屏左側(cè)第一個(gè)最高反射波即為縱波反射。由于橫波反射較低，難于分辨，可以這樣確定：先在儀器小讀取框中讀出縱波聲程值，然后在縱波右側(cè)用閘門尋找橫波并在小讀取框中讀出其聲程值，將縱波與選取的橫波聲程值進(jìn)行比較。設(shè)橫波的傳播時(shí)間為Ts， 縱波的傳播時(shí)間為Tl， 則有：

Cl×Tl=Cs×Ts= 50 mm

Ts/Tl=Cl/Cs= 5 920 m/s ÷ 3 230m/s = 1.83

即聲程相同時(shí)，橫波所用時(shí)間為縱波所用時(shí)間的1.83倍。通過兩波聲程值的比是否為1.83，即可確定橫波反射波。見圖6。

找到了聲程100 mm及聲程50 mm的兩組波(縱波及橫波)后，即可對(duì)儀器進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)基校準(zhǔn)。通過校準(zhǔn)后儀器顯示的聲速值(Cl約在5 920 m/s ，Cs約在3 230m/s) 亦可確認(rèn)探頭標(biāo)稱的是縱波折射角度還是橫波折射角度。

圖5 用CSK-ⅠA試塊對(duì)聲程100 mm處縱波、橫波位置的確定Figure 5 The confirmation of longitudinal wave and shear wave positions located at 100 mm of acoustic range by CSK-ⅠA test piece

圖6 用CSK-ⅠA試塊對(duì)聲程50mm處縱波、橫波位置的確定Figure 6 The confirmation of longitudinal wave and shear wave positions located at 50 mm of acoustic range by CSK-ⅠA test piece

3?2mm橫孔、60°V型槽、矩形槽DAC曲線靈敏度試驗(yàn)對(duì)比

3.1 意義

核電鍛件斜波束檢測(cè)時(shí)，經(jīng)常使用的人工反射體是?2 mm橫孔、槽深為3%工件厚度的60°V型槽、1.5 mm深×1 mm寬矩形槽。三種反射體的靈敏度比較，對(duì)實(shí)際檢測(cè)有一定意義。

3.2 檢測(cè)試驗(yàn)

(1)設(shè)備

儀器：USN60；探頭：WB45-2E；耦合劑：HD-UG。對(duì)比試塊：兩試塊材質(zhì)及熱處理狀態(tài)、表面狀態(tài)均相同，如圖7所示。

(2)試驗(yàn)方法

調(diào)整矩形槽一次反射約為80%FSH(滿屏)。在此靈敏度下，分別制作?2 mm橫孔、V型槽、矩形槽DAC曲線，并繪制在同一坐標(biāo)紙上，見圖8。

3.3 結(jié)論

從圖8可以看出，對(duì)于WB45-2E探頭，在156 mm深度范圍內(nèi)，?2 mm橫孔的曲線靈敏度最高，1.5 mm深×1 mm寬矩形槽的曲線靈敏度最低。

4 不同槽深處60°V型槽曲線靈敏度試驗(yàn)對(duì)比

4.1 意義

了解2MHz-45°探頭檢測(cè)時(shí)，60°V型槽深與反射波高度的關(guān)系。

圖7 矩形槽、V形槽、?2 mm橫孔試塊(材質(zhì)：16MND5)Figure 7 Specimens with rectangular notches, V shaped notches and ?2mm cross bore (material: 16MND5)

圖8 矩形槽、V形槽、?2 mm橫孔曲線靈敏度比較Figure 8 Curve sensitivities comparison of rectangular notches,V shaped notches and ?2mm cross bore

16個(gè)60℃V形槽深度如下(單位為mm)：①t=4.8 ②t=3.6 ③t=3.9 ④t=2.7⑤t=261 ⑥t=1 ⑦t=1.5 ⑧t=2.0⑨t(yī)=2.5 ⑩t=3.0 ⑾t=3.5 ⑿t=4.0⒀t=4.5 ⒁t=5.0 ⒂t=5.5 ⒃t=6.0

圖9 不同槽深試塊(材質(zhì)：16MND5)
Figure 9 Specimens with different notch depths (material: 16MND5)

4.2 試驗(yàn)方法

儀器校準(zhǔn)后，選擇適宜的靈敏度(固定儀器dB數(shù))，分別在不同槽深的60°V型槽試塊上(試塊見圖9)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，并將DAC曲線繪制在坐標(biāo)紙上(見圖10)。

4.3 曲線靈敏度分析及結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果表1及圖10可看出：

1)反射波最高的為t=1 mm槽，其次是t=1.5 mm槽。反射波最低的是t=2 mm槽。反射波高度變化與V形槽深度的變化無可遵循的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

圖10 不同槽深(單位為mm)DAC曲線Figure 10 DAC curves of different notch depths (mm)

槽深 t/mm一次波平均反射高度/(%FSH)二次波平均反射高度/(%FSH)試 驗(yàn) 條 件11.522.533.544.555.569170.54046.5585954.548.5515055.53326.5151923.522.52119192020(1)設(shè)備:儀器USN60、探頭WB45-2E、耦合劑UD-UG(2)環(huán)境溫度:溫度約10℃(3)儀器總dB數(shù):45.6注:反射體為60°V形槽,反射點(diǎn)為高點(diǎn)。

2)t=2.5 mm、t=4.5 mm、t=5.5 mm、t=5 mm、t=4 mm、t=6 mm、t=3 mm、t=3.5 mm的一簇曲線靈敏度相差很小。表1數(shù)據(jù)t=2.5 mm槽，一次反射為46.5%FSH，在此簇曲線中反射最低。t=3.5 mm槽，一次反射為59%FSH，在此簇曲線中一次反射最高。則曲線靈敏度差計(jì)算如下： 20lg(59/46.5) ≈ 2dB

即此簇DAC曲線靈敏度最多相差2 dB。

[1] 中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)編.超聲檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：246.