超声法测量表面开口裂纹高度的研究

超声法测量表面开口裂纹高度的研究

服务零件和焊接件中存在不同程度的裂纹缺陷。断裂力学证明，具有锋利边缘的平面缺陷（如裂缝）是最危险的，结果往往是灾难。同时，还证明了与压裂零件的损坏距离以外的其他缺陷之间的距离是重要的尺寸，而平方零件表面的裂缝长度是次要的。据统计,锅炉压力容器的损坏大部分是由于零件内部裂纹扩展所致,英国曾对10万个压力容器进行调查,发现由于裂纹扩展所造成的破坏占总数的89.3%,因此对裂纹的检测和对裂纹类缺陷的高度进行精确的测量,是运用断裂力学进行在役零件寿命评估的前提,也是评估正确与否的基础。而表面开口裂纹,由于它的开放状态和较容易被发觉,对其高度的测量就显得尤为重要。目前运用超声测定表面开口裂纹高度的常用方法主要有横波串列式双探头法、相对灵敏度法(包括6dB,20dB法)、端点衍射波法和端点反射回波法。然而,横波串列式双探头法操作复杂,回波难以确认;相对灵敏度法测得的高度值是裂纹高度的指示值,与实际值有较大的误差;端点反射回波法由于其测量的精度不高特别是对低高度的裂纹测量误差较大,限制了它的应用。相对于以上几种方法,端点衍射波法是较为可行的方法。本文运用端点衍射法自行设计了测量方案,且试验验证了其可行性和高的测量精确度。1原理和测量方案1.1衍射波产生机理超声波在传播过程中遇到裂纹等缺陷时,由于缺陷边缘的激发会产生衍射现象,产生衍射波,如图1所示。利用来自裂纹两端的超声衍射波传播时间的不同来测量裂纹自身高度,这种方法称为超声波端点衍射法,也称为超声衍射波时间渡越技术(Time-of-flight)。1.2dsdx+h本试验采用双探头测量法,且两探头间距在测量过程保持一致。如图2,将两个K值相同的横波斜探头置于缺陷两侧,作一发一收。发射探头发出的超声波在缺陷的端部产生衍射波,被接收探头接收,衍射波的声程S可由下式表示:S=S1+S2=(L2−x)2+h2−−−−−−−−−−−√+(L2+x)2+h2−−−−−−−−−−−√(1)S=S1+S2=(L2-x)2+h2+(L2+x)2+h2(1)式中L——探头入射点间距h——裂纹尖端至表面的垂直距离x——裂纹尖端在表面上投影点至探头入射点中分线的距离由于dSdx|x=0=0,d2Sdx2＞0dSdx|x=0=0,dS2dx2＞0,所以当x=0时,S值有极小值,即对称时,声程S最小,这意味着此时衍射波幅度相对最大(与非对称情况相比),因为声程取最短距离时幅度相对最大。又因为:dSdx=−11+h2/(L2−x)2√+11+h2/(L2+x)2√(2)dSdx=-11+h2/(L2-x)2+11+h2/(L2+x)2(2)所以当L≫x时,dS/dx≈0。这就意味着,当不对称情况不太严重时,衍射波声程是不变的。此时,可将声程S的表达式中的x值去掉,即L,S和h的关系近似为:h=(S/2)2−(L/2)2−−−−−−−−−−−−−√(3)h=(S/2)2-(L/2)2(3)试验中,可以通过测量声程S和探头入射点间距L,就可以通过计算得出裂纹的测量高度,这种方法适用于检测高度≥3mm的表面开口裂纹。实验室测试精度可以达到±1mm,但缺点是衍射波的强度很弱,较难发现,所以用衍射波测量裂纹高度有一定的难度,对操作要求较高。2测试2.1裂纹试块的制作本试验采用数字式超声探伤仪CTS-3600,试验使用的探头型号包括2.5Z8×12K1,2.5Z8×12K1.5,2.5Z8×12K2和2.5Z8×12K2.5,每种型号各一对,一发一收。探头声束轴线与探头楔块底面的交点称为探头的入射点,商品斜探头都在壳体侧面标有入射点位置和K值,由于探头制作工艺偏差和使用磨损,入射点与实际K值都与标称值有一定偏差,探头入射点位置及实际K值的测量直接影响到裂纹高度测量值的精确度,本实验采用CSK-IA标准试块法,具体的操作过程可以参考文献。本试验测得的A、B两组斜探头入射点位置如表1所示。本试验所使用的裂纹试块材质为45#钢,外形尺寸均为:300mm×30mm×50mm,共4套,裂纹开口所在面为300mm×30mm组成面。每块预制的裂纹高度分别为:2,3,5,7,9,11,13,15,17,20mm。裂纹试块其它参数包括:垂直度<0.03,平行度<0.02,Ra≤1.6,裂纹宽<0.1mm。裂纹试块的化学分析报告为:C:0.46%;Cr:0.010%;S:0.016%;P:0.014%;Mn:0.65%;Si:0.27%。金相分析晶粒度为8级。2.2透声世界中裂纹的测量在裂纹试块上进行了测高试验,文中以上表面开口裂纹为测量对象进行研究。先调节仪器的扫描速度为1∶1,并将透声楔中的声程移出原点之外。实时调整仪器各参数并左右移动探头,试验过程中保持两探头入射点关于裂纹尖端投影点的对称,改变两探头之间的间距L,寻找衍射波,并使之幅度达到最大。记下其声程S及入射点间距L,再利用式(3)计算裂纹高度。试验结果列于表2～5。3试验结果的分析(1)测量误差与接头k值、k值比对本试验运用K=1,1.5,2,2.5四种探头分别对不同高度裂纹进行了测量,测量的误差随探头K值的不同而有所不同,表6所示为不同K值探头测量的平均误差比较,图3所示为不同K值探头对不同高度裂纹测量误差的对比,本试验取各测量误差的绝对值。由表6可以看出:K值越小的探头,其测量的平均误差越小,当探头K值为2.5时,测量的平均误差超出了1mm。由图3可以看出:K=1的探头具有较小的测量误差,且K值越大,测量误差有增大的趋势,K=1,1.5时,对各裂纹的测量误差均保持在1mm以内,因此,实际应用中为了获得更高的精确度,建议采用K=1或K值较小的探头。另需要注意的是,当裂纹高度<3mm时,K=1的探头无法进行测量,而K=2.5的探头可以测量到高度≥2mm的裂纹。这是由于受检测技术的分辨力所限制,分辨率极限是由声束宽、脉冲长度和对缺陷的入射角所控制,较大的K值具有较大的入射角,因此能检测到高度较小的裂纹。(2)测量误差对比本试验运用4组探头分别对不同高度的裂纹进行了测量,由于测量的数据有一定的离散性,故对于同一高度的裂纹,取不同探头测量误差的平均值进行对比。图4为测量误差的比较及变化趋势。由图4可以得出:端点衍射法对于不同高度的裂纹其测量误差浮动不大,也即说明端点衍射法对于高度越大的裂纹测量准确度较高,低高度裂纹测量准确度偏低。端点衍射法对于裂纹高度是有选择性的,对于高度越大的裂纹适应性较好。4裂纹的测量结果(1)介绍了裂纹高度测量的端点衍射法方案,采用双探头一发一收模式,且在测量过程中保持间距不变,当两探头关于裂纹面对称时,衍射波幅度最大。通过试验测量得到的声程S及探头间距L就可以通过计算得