zg0cr13ni4mo超声波衰减系数的测定

zg0cr13ni4mo超声波衰减系数的测定

超声波检测具有灵敏度高、渗透性强、检测速度快、成本低等优点。它可以根据缺陷波形的特性来判断缺陷的性质，因此也被广泛应用于大倾角缝纫机的检测。材料的衰减系数是影响超声波检测的一个重要因素,由于铸钢件自身特点,其声速、衰减系数与普通钢不同,超声波在铸钢件中传播时声速与衰减系数均会发生变化,分析、掌握这种变化可以优化超声波检测工艺参数,也是进行超声波无损检测的理论指导基础。目前测量固体的声速和衰减系数的方法主要有脉冲反射法、直接接触法、脉冲透射插入法。本研究以新型铸钢材料ZG0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢为例,以脉冲反射法,利用超声波声压、声程乘积的自然对数与声程成线性关系,来测量铸钢件超声波衰减系数,并研究衰减系数与探头参数中晶片直径、频率关系,对优化水电站大型铸钢件超声波检测工艺参数有重要指导意义,对保证检测质量十分有益。1试验材料和方法1.1试验块及设备试件材质为哈尔滨电机厂常用的水轮机转轮材料ZG0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢,规格为160mm×100mm×25mm(长×宽×厚),为了便于对比普通钢的衰减系数,选取材质为45#钢的试块,规格为200mm×160mm×30mm,所有检测面的粗糙度均为3.2μm,端面平整,且平行,平行度在0.025mm以内。试验仪器采用武汉中科创新技术股份公司生产的汉威HS616型,探头采用A型脉冲反射式反射纵波直探头,型号与规格见表1。耦合剂为机油,表面补偿为0dB。1.2超声波衰减系数测定利用汉威HS616e型超声波探伤仪,选用ZG0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢试块、45#钢试块,分别测出各底波反射回波80%时仪器增益值,通过公式计算超声波衰减系数。通过对比分析探头频率、晶片尺寸对超声波衰减系数的影响,研究铸钢件超声波检测衰减系数测量新方法及其最佳频率、探头晶片尺寸选择方式。2试验结果与分析2.1球面波的衰减方程超声波在介质中传播时,随着距离的增加,超声波能量逐渐衰减的现象,叫做超声波衰减。引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射及介质吸收。扩散衰减取决于波阵面的形状,与介质的性质无关,平面波不扩散;柱面波波束向四周扩散,存在扩散衰减,声压与距离的平方根成反比;球面波向四面扩散,存在扩散衰减,声压与距离成反比。散射衰减与材质的晶粒密切相关,当材质晶粒粗大时,散射衰减严重,被散射的声波沿着复杂的路径传播到探头,在示波器上引起草状回波,使信噪比下降,严重时会淹没缺陷回波。铸钢件组织晶粒粗大,散射衰减比较严重。由于介质中质点间摩擦和热传导引起的超声波衰减称为吸收衰减。通常所说介质衰减是指吸收衰减和散射衰减。由于实际应用的超声波探头波源近似活塞振动,在各个同性介质中辐射的波称为活塞波,当距离波源的距离足够大时,活塞波近似球面波,因此,一般取球面波衰减方程,对于球面波:式中:Px为超声波在材料中传播一段声程x后的声压;x为声程;P1为距离为单位1处的声压;a为介质衰减系数,NP/mm;e为自然对数的底,2.718。对式(1)进行变换得到式(2)。由式(2)可知,对于球面波而言,lnPxx与衰减系数ax服从线性关系,曲线与距离为单位1处的声压P1有关。衰减系数为式(2)方程的斜率,则通过测量不同深度下回波波幅,通过式(2)即可推导出衰减系数a。衰减系数a只考虑了介质散射和吸收衰减,未涉及扩散衰减,对于金属材料等固体介质而言,介质衰减系数a等于散射衰减系数和吸收衰减系数之和。对于厚度小于200mm板材,可以利用薄板工件衰减系数测定公式进行测定:式中:m、n为底波的反射次数;Bm、Bn为第m、n次底波高度;δ为反射损失,每次反射损失约为(0.5~1.0dB);x为薄板的厚度。式(3)未考虑扩散衰减,现场应用时根据薄板厚度来确定波的次数,使声波传播距离在波束未扩散区域内。通过实际超声波探伤近似球面波方程推导的衰减方程(2)与式(3)比较可知,利用式(2)测量,则可以不必测得反射损失,而利用式(3)测量,则必须先测得反射损失δ。利用式(2)对衰减系数进行测定,测量所选用的试块上一定反射次数的波幅高度80%时增益值,通过式(2)在Origin软件上作图,模拟式(2)的线性方程,lnPxx随声程x变化关系如图1所示,测量出的lnPxx随声程x服从线性关系,随着声程增加,lnPxx成线性减少,推导出式(2)的斜率,即为所测的衰减系数a。2.2晶片直径对衰减系数的影响图2a为纵波直探头频率为1MHz时,由式(2)测量推导出的衰减系数与晶片直径变化关系图,从图2a可知,材料衰减系数与超声检测探头的晶片尺寸有关,对于频率为1MHz纵波直探头,在晶片直径范围为14~28mm时,其衰减系数随晶片直径先降低后增大,在晶片直径为20mm时衰减系数最小,对于ZG0Cr13Ni4Mo铸钢件,其衰减系数比普通45#钢要大,这是由于铸钢件晶粒比较粗大,散射衰减和吸收衰减较严重所致。图2b为纵波直探头频率为5MHz时,利用式(2)推导出的衰减系数与晶片直径变化关系图,从图2b可知,材料衰减系数与超声检测探头的晶片尺寸有关,对于频率为5MHz纵波直探头,在晶片直径为10~20mm范围内变化时,其衰减系数随晶片直径先增大后减少,在晶片直径为14mm时,其衰减系数最大。2.3衰减系数随频率的变化由图3可知,材料衰减系数与超声检测探头的频率有关,在试验频率为1~5MHz范围内,衰减系数随着频率增加而增加,在2~5MHz频率范围内,随着频率增加,衰减系数增加趋势变缓。ZG0Cr13Ni4Mo铸钢件的衰减系数比普通钢45#钢大,这是由于铸钢件晶粒比较粗大,散射衰减和吸收衰减较严重所致。2.4衰减系数测定结果a对于工件厚度小于200mm薄板,目前普遍利用式(3)进行测定,但对于具体工件需要测定反射损失δ以及探头保护模、耦合液等损失,具体测定比较困难,一般推荐使用每次反射损失约为(0.5~1.0dB),因而对衰减系数的测定难以准确定量。图4为1MHz频率直探头利用式(2)测定与式(3)测定的衰减系数比较图,利用式(3)测定时,每次反射损失δ取0.5dB。从图4可知,在晶片直径为14~28mm范围内,衰减系数均遵循着随着晶片直径的增加先减少后增加趋势,式(2)与式(3)测定衰减系数存在差异,在小晶片范围内,差异较小,晶片尺寸超过20mm时,随着晶片尺寸增加差异越明显,这可能是由于反射损失取值差异有关,反射损失随着晶片尺寸的变化可能存在变化,且探头保护膜、耦合剂等损失也可能均随着晶片尺寸的变化而变化。式(3)对整体反射损失取值一定,存在不合理的现象。而式(2)在现场检测探头波形式近似与球面波时,每次测定衰减系数均包含探头实际的反射损失(包括探头保护膜、耦合剂等损失),实际探头波形与球面波越接近,准确性越高。同理,图5所示为晶片直径为20mm直探头利用式(2)测定与式(3)测定的衰减系数比较图,利用式(3)测定时,每次反射损失δ取0.5dB。从图5可知,在频率为1~5MHz范围内,式(2)测定衰减系数均遵循着随着晶片直径的增加先而增加,式(3)测定的衰减系数遵循先减小后增大趋势,式(2)与式(3)测定衰减系数存在较大差异,这可能是由于式(2)与式(3)推导原理存差异所致。式(2)推导原理为球面波声压衰减方程,考虑到声压与距离成反比关系,现场检测探头波形式近似于球面波时,每次测定衰减系数均包含探头实际的反射损失(包括探头保护膜、耦合剂等损失),实际探头波形与球面波越接近,准确性越高。而式(3)未考虑声程反比关系,公式推导原理存在差异,因而测量结果存在较大的差异。从上分析可知,利用式(2)测定衰减系数,考虑到现场检测探头近似于球面波,利用球面波声压衰减方程进行推导,可以不必针对具体工件表面状况、探头形式、耦合剂等损失情况进行专门精确测量,而直接可以测出包含各种损失下的介质衰减系数a,衰减系数a测定结果与实际波形与球面波接近的程度有关,实际波形与球面波越接近,其结果越准确。通过式(2)测定介质的整体衰减系数,具有原理简单,操作方便,测量结果准确等特点,是测定现场工件介质衰减系数的有效新方法。3超声波衰减系数a探头晶片尺寸对铸钢件超声波衰减系数存在影响,当晶片直径14~20mm时,衰减系数随晶片直径增加而减少,当20~28mm时,又随晶片直径增加而增加。探头频率对超声波衰减系数产生影响,衰减系数随着频率增加而增加,随着频率增加,衰减系数增加的趋势变缓。从超声波衰减系数影响来看,铸钢件纵波直探头检测时宜选用低频率,晶片直径宜选用20mm探头。超声波检测