超聲檢測是一項比較完善和成熟的技術。對不同材料需采用不同的檢測方法,以求達到快速、可靠地檢測出材料組織中的缺陷,為生產工藝的調整提供準確依據。
近,筆者對一種新開發的準納米硬質合金棒材進行了超聲檢測,結合實際生產需要,設計了一套小型機械設備,實現了對該棒材的半自動檢測。
1檢測方法的確定
首先根據材料的組織特性選定超聲檢測的頻率。該材料內部晶粒相對較小,由于生產的特點決定了缺陷基本上以微細裂紋和細小氣孔為主,因此選用頻率為10 mhz的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片,以進一步設計相應的線聚焦探頭。檢測儀器選用汕頭超聲研究所的cts223型超聲探傷儀。
因為缺陷有可能存在于材料表面或內部,所以有必要設計兩個探頭對材料進行超聲檢測。對于內部缺陷,采用垂直入射法檢測,即入射聲波垂直于棒材外圓切線;對于表面缺陷,采用水平偏移法檢測。
1.1材料聲速的測定
檢測前先用超聲測厚儀對該材料的聲速進行測定。通過測定發現該材料在軸向和徑向上的聲速存在差異,也就是說,該材料內部是各向異性的。但聲速的差異對超聲檢測的影響不是太大,另外,從盡量減少試驗誤差考慮,選擇軸向聲速作為檢測過程中的參考值。為此挑選了三種不同直徑的硬質合金棒材,測得其軸向長度分別為91.2,92.4和84.2 mm,用超聲測厚儀在5 920 m/s縱波聲速下測得的長度分別為90.1,88.8和80.1 mm。
現假設三種材料中的縱波聲速分別為v1,v2和v3,有
從以上三個不同數值基本上確定了該材料的聲速范圍,為方便起見,選取6 160 m/s作為該硬質合金材料的縱波聲速,又根據vl≈1.83vs(vl和vs分別表示縱波和橫波聲速)可以得出該硬質合金材料中的橫波聲速約為3 366 m/s。
1.2水平偏移法
首先假設被測棒材的半徑為r,如圖1所示,采用橫波探測表面缺陷,產生橫波的條件是
將各聲速代入上式,可得縱波入射角α滿足的條件為
不難得出當硬質合金內的橫波折射角度是45°時,如果棒材表面存在缺陷,則接收到的缺陷回波強。據此就可推算出需要的入射角,即
可見,滿足式(5)要求。
由圖1可以得到換能器軸心與棒材軸線偏移的距離x為
2聲透鏡的設計
線聚焦探頭聲透鏡的幾何焦距f為[1]
式中 r———聲透鏡的幾何半徑
n———聲折射率
n=vl水/vl鏡
幾何焦距fop與聲學焦距fac的關系為
式中n為近場長度。由式(9)可較方便地求出聲透鏡的聲學焦距,從而進一步求出聚焦探頭的線聚焦寬度w,即
式中 λ———波長
d———線聚焦探頭寬度或直徑
由圖1可知,聲透鏡在耦合介質中的聚焦點內半角θ為
聲透鏡焦點落在水平軸線以下和以上的情況如圖1和2所示。中心、右邊緣和左邊緣聲波入射角可由下式計算[2]
當焦點落在水平軸線以下,φ<θ/2時,α>η>γ;當φ=θ/2時,α=η>γ;當φ>θ/2時,η>α>γ。
此時右邊緣入射角大,左邊緣入射角小,棒材內折射橫波的焦距隨φ值的增加而增大,可能直達棒材的外表面,這樣可大大提高探傷靈敏度,但是因為檢測面積太小,所以檢測速度就會受到影響,而且對檢測儀器要求也高.
當焦點落在水平軸線以上,φ<θ/2時,則α>γ>η;φ=θ/2時,α=γ>η;φ>θ/2時,γ>α>η。此時左邊緣折射角大,右邊緣折射角小。由圖2可見,左右側聲線相對快速向中間集中,到達棒材外壁時面積較大,使檢測靈敏度降低。
當φ=0°時,兩側的入射角相等,即η=γ<α。此時焦點正好位于水平軸線上。而此時的l1也被稱為佳聲程。橫波在棒材外表面上的檢測面積與縱波入射到棒材外表面上的面積相等。
通過上述分析得出,當焦點正好位于水平軸線上時檢測效果較好。
由圖1可知,要使得換能器與硬質合金棒材之間水層的第二次回波出現在棒材下表面回波的右側,水層的深度l1需滿足以下條件
式中l2為超聲波橫波從入射點至棒材下表面的聲程,由圖2可知
由式(15)和(16)可得透鏡焦距f應滿足的條件為
進一步分析以上各式可以發現,聲透鏡焦距f、中心內半角θ和聲透鏡寬度d都是由入射角α和γ以及被檢棒材直徑決定,而不是任意選定的。θ值不可取得太大。否則中心點入射角和兩側入射角相差就會很大,這是在探傷中不希望出現的;另外還會使棒材在轉動過程中產生上下跳動,使得超聲波內外側入射點位置產生較大變化,從而影響探傷結果。
另一方面,θ值又不能取得太小,否則在相同晶片寬度情況下,焦距就會變得很大,使得超聲波能量產生不必要的損失,從而影響探傷結果。選擇晶片寬度d時,希望α和γ之間的差值<1°。
3半自動檢測的實現
解決了以上若干問題后,根據實際需要設計了一套小型機械設備,以實現半自動檢測。
如圖3所示,探頭固定塊夾持一個探頭可在被測棒材徑向自由移動,并能較準確地控制移動距離。為提高檢測靈敏度,減少檢測盲區,盡量使用小螺紋調節,選用螺距為1 mm的細螺紋(圖4),刻度盤均分成20份,調節旋鈕每轉動一個格,探頭就將前進或后退0.05 mm,基本可以滿足需要。
該設備中的棒材轉動速度還要和超聲波的脈沖頻率相匹配,以保證不發生漏檢。
假設棒材旋轉的速度為n,聲束的有效檢查區域為δ(單位為rad),缺陷通過有效檢查區域的時間t為
為保證能有效檢測,在時間t內要有一次以上聲脈沖發射,適當降低棒材轉速即可增加聲脈沖發射次數。另外,為保證不漏檢,用手沿棒材軸向移動的速度不能太快,也就是說,當棒材旋轉一周后,探頭移動的距離不能大于探頭的直徑。在該項目中使用的是可調速電動機驅動,可根據實際情況進行調節,避免了這一影響。
4實際檢測結果
在實際生產過程中,檢測了表1所示的幾種棒材。為保證不漏檢,每一種棒材都反復檢測2~3遍。檢出的缺陷有①材料生產過程中預留在棒材內部的
需要說明的是,檢測不僅能夠發現以上缺陷,而且可以通過確定缺陷的起始和終止位置確定它的長度,從而為判斷材料合格與否提供依據。
5結束語
以上研究及實踐證明,使用超聲波來檢測準納米級硬質合金棒材的缺陷是可行的。
參考文獻:
[1] 克勞特克洛默j,克勞特克洛默h.超聲檢測技術[m].廣州:廣東科技出版社,1984.
[2] 彭應秋,朱 惠,鄭開勝.薄壁管探傷中水聲程公式分析[j].無損檢測,1998,20(3):65-68半自動超聲檢測硬質合金棒材缺陷
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