水平井身管检测方法的研究

水平井身管检测方法的研究

1身管检测的质量射击时，心脏是步枪的重要组成部分，它给手榴弹的初速和发射方向带来了。它的工作条件是较为恶劣和苛刻的,不仅要承受高压高温火药气体的作用,还要经受高速运动弹丸对它的作用。身管的质量和技术情况直接影响着使用安全、射击效果和火炮寿命。因而,身管的检测在整个火炮的制造与验收以及大修检查中有着十分重要地位。由于身管在热处理前和加工后,都需要严格检查其外表和内部是否存在裂纹、夹杂、离层等缺陷,然而通常所采用的磁力探伤和荧光探伤等方式,虽能很好的探测到身管近表面的缺陷,但由于这些方法本身均存在着诸如探测有效深度浅、灵敏度不高等不足,不能准确、灵敏的探测到身管内部所存在的缺陷。超声探伤以其较好的探测厚度和较高的灵敏度,恰好可以弥补这一不足,更有效的对身管进行检测。2探伤后的检测由于身管是管状型材,采用超声波对其进行检测要比检测普通板状材料复杂的多。用超声探伤对身管检测时,可以采用接触法和水浸法两种方式。所谓接触法就是指探头与身管表面直接接触进行探伤的方法,如图1所示。为了实现良好的声耦合,这种方法不仅要求探头按身管的规格制成圆弧形,使探头与身管的探测面完全吻合,而且,身管表面需涂敷耦合剂。对于纵向缺陷,探头按图1(a)放置,沿身管圆周方向探测。对于横向缺陷,探头按图1(b)放置,沿身管轴向探测。但是这种方法是平面声束投射到曲面上,声束各点的入射角度差别较大,使管内折射波型较为复杂,所以必将导致探测灵敏度降低和增大内外壁探测灵敏度的差别,且曲率半径愈小,此种现象愈严重,所以这种检测方式并不十分理想。下面介绍水浸法对身管检测。所谓水浸法探伤是指探头与身管不接触,二者之间以水作为耦合介质进行探伤的方法,如图2所示。身管水浸法探伤仍以横波为主,由于超声波在水与身管的交界面发生反射使声能产生衰减,实际传入身管内部的横波能量相对较弱。所以,它有效探测范围要比接触法小。为了探测身管整个圆周,必须使探头与身管作相对转动。可分为管子旋转前进,探头不动;管子直线前进,探头旋转;管子旋转,探头直线移动等形式。2.1生折射和波型转换的原理水浸法探伤在身管中激发横波是利用纵波倾斜入射时在两种介质界面上发生折射和波型转换的原理来实现的。水浸法采用特制的纵波探头,使其偏离管子中心入射,如图2所示,因而在水与管子的交界面产生折射和波型转换,当探头和身管配置得适当时,便可在身管中激发出纯横波。2.2主要工艺和参数的选择2.2.1探伤灵敏度分析在身管探伤中,可采用两种声束聚焦方式。一种是线聚焦,即将超声波束聚焦成一条直线。另一种是点聚焦,即将超声波束聚焦成一个圆点。在探头与身管相对旋转速度相同的情况下,线聚焦探头可以较快地完成对身管圆周的扫查。因此,前者探伤速度快,后者探伤速度慢。但是,由于声能分布情况不同,两种探头的探测结果也不相同。例如使用同频率同直径的线聚焦和点聚焦探头,分别探测相同深度和宽度而不同长度的纵向人工伤,根据试验结果,可以做出如图3所示的曲线。从曲线可以看出,点聚焦探头比线聚焦探头的探伤灵敏度高,线聚焦探头不宜探测短伤,并由实验得出,线聚焦探头只适于探测近似聚焦线长度以上的长伤。由于对身管的检测要求较高,所以采用点聚焦方式探测。2.2.2冲变窄、波形清晰探伤频率的选择,主要应考虑频率与聚焦效果的关系。由于采用点聚焦探头时,频率提高,可以使声束的焦点变小、脉冲变窄、波形清晰,这对身管的探伤显然是有利的。但是由于焦点愈小,探伤声束沿身管轴向螺旋扫描的螺距也就愈小,所以探伤速度将受到影响。另外,探伤频率提高,不仅对探伤仪直接提出了较高的要求,而且对机械传动装置的精度也间接地提出了更高的要求,因此,探伤频率不能盲目地提高,身管水浸法探伤的频率通常选用2.5～10MHz。2.2.3仪器重复频率如前所述,身管水浸法探伤是在探头与身管相对旋转下进行的。在动态下,为了防止缺陷的漏检,还必须使超声脉冲能够覆盖身管的周身。因此对仪器重复频率有一定的要求。一般情况下,重复频率应满足下式:f≥2πRn/△L(1)式中f—重复频率(周/秒)R—身管半径(mm)n—探头与身管相对旋转速度(r/s)L—每次发射的声脉冲所能检查身管周向的有效宽度(mm)2.2.4入射角的确定入射角的确定如图4所示,为了使折射纵波(L1)不进入管内,使仪器荧光屏上不出现折射纵波的缺陷反射信号,要求纵波折射角βL1≥90°,即要求:α1≥sin−1CL1CL2(2)α1≥sin-1CL1CL2(2)式中α1—声束入射角CL1—水中纵波声速CL2—身管中纵波声速这时的入射角为身管中得到纯横波即纵波全反射的入射角,称为第一临界角。另外,为了探测管内壁的缺陷,折射横波必须投射到管内壁上,因此水中纵波入射角还必须使折射横波的折射角满足:βs≤sin−1rRβs≤sin-1rR式中βS—折射横波的折射角r—身管内半径(mm)R—身管外半径(mm)根据折射定律,入射角必须满足:α2≤sin−1(rR⋅CL1CS)(3)α2≤sin-1(rR⋅CL1CS)(3)式中α2—声波入射角CS—管中横波声速综合式(2)和式(3)可得到用横波探测身管时的入射角范围:sin−1CL1CL2≤α≤sin−1(CL1CS⋅rR)(4)sin-1CL1CL2≤α≤sin-1(CL1CS⋅rR)(4)(4)式所表示的意义是指身管探伤时,身管内既要得到纯横波,又要能够发现内外壁缺陷时入射角允许变动的范围。它与水中纵波声速、管中纵波声速、管中横波声速和身管的内径、外径有关。2.2.5焦点进入身管的尺寸上述关于入射角的选择并未考虑身管曲面对折射声束的影响,实际上由于曲面的存在将使折射后身管内声场发生较为复杂的变化,且此变化与焦点进入身管的位置有关。因此,在选择工艺参数时亦应予以考虑。应用几何光学的原理对聚焦声束进入身管后折射声场的分析可知,焦点进入身管的位置不同,折射声场的形状也不同。当焦点进入身管的尺寸太大或太小时,折射声场都会发散。这对探伤十分不利。当焦点进入身管的尺寸合适时,折射声场较为集中,因而使管壁内两次反射声束的平均宽度相似,这对探伤是有利的。从理论上讲,当聚焦声束的焦点如果正好在与声束中心轴线相垂直的身管半径上时,聚焦声束在管外壁覆盖区内的入射角的差别最小,如下式:α=sin−1LR−sin−12FLR⋅4F2−D2√(5)α=sin-1LR-sin-12FLR⋅4F2-D2(5)式中L—探头与身管的偏心距F—聚焦声束的焦距D—探头晶片直径当然,此种情况下折射横波的折射角相差也最小,从而使管中的声能最为集中,此时的探头与管子之间的配置称为最佳配置。由此可导出水声程公式:H=F−(R2−L2)−−−−−−−−√(6)Η=F-(R2-L2)(6)式中H—水声程但是,实践中发现,即使焦点进入身管的位置合适,身管内外壁相同缺陷的回波幅度也不会相等,这是由于内外壁的反射条件不同所致。从实际探伤要求出发,可略调节焦点进入身管的位置,使内外壁缺陷的回波幅度基本一致。由此可知,身管规格不同,焦点进入身管的位置亦不同。一般情况下,焦点进入身管的尺寸为0.5R～R,小径身管取上限,大径身管取下限。2.2.6晶片尺寸的影响由探头声场的基本分析可知,晶片直径愈大,声束的扩散角愈小,所以在探伤中为了尽量减小声束的扩散,要尽量选择较大的晶片尺寸。但随着晶片尺寸的增大将使聚焦后焦柱的长度缩短,这又对身管探伤不利,因此晶片直径也不宜过大。在身管探伤中常用的晶片直径或宽度为5～20mm。2.2.7图1:美国统一机制下的“两网”探头晶片至管壁的距离为水声程,也称水层厚度,如图2中所示。水声程选择的原则是使第一、二次身管表面的反射波(即界面波)均能在仪器荧光屏上出现,并具有足够的距离,在其二者之间可以分辨出二次以上伤波。3超声波束检测特点采用超声波对身管进行检测,取得了较好的结果。和其它检测方法进行比较,该探测方法主要有以下优点:(1)采用聚焦探头,显著提高探伤灵敏度,能发现当量为直径1mm或更小的缺陷(如裂纹、夹杂、未溶合等);(2)检测速度快,能立刻得到检测结果;(3)设备轻便;便于实现