表面波探伤法

对于近表面缺陷的检查,表面波十分有效。正如理论论述的那样,由于表面波的能量集中于表面下2个波长之内,检查表面裂纹灵敏度极高。
   
表面波的位置分布可分解为与表面垂直和平行两个方向的振动,即纵波与横波所组成的椭圆形振动。表面下2个波长深度范围之内集中总能量的99%40dB)。
   
表面波的声速约为纵波的1/2,比横波稍小(见表1)。

1

声速m/s

Cr

2980

2975

Cs

3200

3100

Cl

5900

6300


1、表面波的产生
   
表面波产生方法有着原理不同的两种方法。即Y切割石英晶体和透声楔方法。
   
常用的表面波探头采用与斜探头相似的楔块,当横波折射角为90°时,即产生表面波(见图1)。
2、表面波在表面的传播规律
2.1
、在平面上的传播
2.1.1
、油的影响
   
若在反射波传播的表面上涂上油,那么所传播的波几乎完全衰减。用手压也一样。这是因为理论上在试件的一侧为真空下求解,而有液体处理方法截然不同。另一种观点可以理解为表面波的垂直分量在液体层中引起衰减所致。用手按传播表面可以判断表面是否是裂纹或棱边的反射。同时也说明,探伤中探头前面不得有油污的重要性。
2.1.2
、表面波的反射
   
表面波遇到表面或近表面缺陷会产生反射。作为缺陷,有裂纹或体积状缺陷(气孔、夹渣)。表面波重点检查裂纹。这里不讨论体积型缺陷。
    (1)
槽矩形槽的反射(裂纹)
   
与裂纹相似的人工伤,一般刻矩形槽缺陷。(见图2)。
   
刻槽深度与回波高度关系绘于图3中。

    2)棱边反射
   
如表面波传播中遇到工件的棱边会产生反射波,也有一部能量超过棱边继续传播(见图4)。


   
表面波在棱边上的反射理论上无法解释,但实验却十分简单。棱边为直角时,反射率高。
   
3)带曲率的棱边反射
   
如果棱边倒角,其曲率半径为r,反射回波降低。图5画出反射率与曲率半径的关系。从图中可以看出直角边(r=0)反射率52%r=5时,反射率约为6%。即可以有更多能量通过圆弧面。

    AD棱边反射信号中间,有时会出现其他回波信号BC。这可能是入射波与回波干涉的结果。改变探伤频率,结果会不同。
2.1.3
、表面波所产生的变型波
   
1)表面波在边角处会产生的变型横波(S),如图7所示。其表面有一定曲率时,表面波的产生是逐点进行的(如图C所示)。产生变型波会使表面波产生衰减,变型波也会影响回波波形判断。有时也可加以利用。
2.1.4
、横波所产生的变型表面波
   
当横波传播过程中,主声束与内孔或圆角相切时会产生变型表面波。变型表面波强度较大。
   
变型表面波的产生会影响探伤波型的判断。图8是利用变型表面波探伤的实例。汽轮机叶片的叶根可利用的探伤面较少,也较窄。利用合适角度的斜探头,使之声束与圆弧面相切,此时会产生较强的 表面波,表面波沿表面传播,这样检测出F1F2处裂纹就成为可能。我们在实验室中试验和现场应用均取得较理想的效果。
3
、表面波探伤时仪器调整
3.1
、扫描速度调整
   
扫描速度调整方法与普通斜探头不一样。入射点按探头前沿(即探头端头)计算。调扫描速度时,将探头对准试块棱边,回波信号按水平距离调节成一定比例,一般前后移动探头,改变L值。例如L1=20mmL2=40mm等,利用深度旋钮,水平旋钮,当L1=20mm调节水平刻度20位置;L2=40mm,调整水平刻度40位置,即完成11调整。也可利用棱边AB一次调整完成。
3.2
、探伤灵敏度调整
   
探头对准直角棱边,调整棱边回波高度达到标准值,例如满屏的60%,再增益21dB作为探伤灵敏度。
   
对于5MHz的探头,此灵敏度相当于发现0.1mm深的裂纹。
4
、应用实例
4.1
、深度1mm以下裂纹测深度
在探伤灵敏度下,当回波高度等于21dB时,说明裂纹深度大于1mm。此时裂纹再深,回波不会再增加。当回波幅度小于21dB时,可查曲线(见图10)得知裂纹深度。例如回波幅度10dB5MHz)探头,裂纹深度为0.3mm。实用证明此法测深较准确。

4.2、深度大于1mm裂纹测深
   
深度大于1mm,回波已饱和,不再随裂纹深度增加而增加,此时裂纹测深方法有两种。 4.2.1、单探头法
   
测深原理如图11所示,回波B为裂纹端反射。AB之间声程差,即为裂纹深度。试块上,切口面平滑,B波清晰可见,人工裂纹测量精度可达±1mm

    实用上,裂纹表面不平,回波B可能观察不出来。
4.2.2
、双探头法
   
双探头法探头放置如图12所示。无裂纹时,表面波直达接收探头(单程);有裂纹时,真实裂纹直达波仍存在。绕过裂纹波为双程,裂纹深度t=L/2
   
此法比单探头有效。
4.3
、横波产生的变型波的利用
   
在一些特殊场合,使用各种探头均达不到检测裂纹的目的,可考虑使用变型表面波。如图13所示。 有些T型叶根用其他方法检查叶根裂纹F1F2十分困难。这时,选用一定角度的斜探头,在叶根侧面,前后移动探头,使主声束与圆弧面r角相切。这时,会产生变型表面波。变型表面波沿表面传播就可检查出裂纹F1F2
    F1
处于r角阴影处(盲区),横波检查不出,实验证明,变型表面波具有很高灵敏度。
4.4
、非平面探伤技术
    (1)
14中画出汽轮机叶片叶根探伤中的一种常见情况。
   
探伤面高出叶根平面,高度为h0。表面波传播中必须越过棱边AB才能检出裂纹F。如前所述,表面波越过A边,声能损失较小(约衰减6dB),但越过B角,会产生变型横波,声能损失极大。这样传播到裂纹F处声能很小,也就检不出裂纹F
   
h0≤0.5mm时,就有足够的表面波能量达到F处,即可检出裂纹F。讨论其原因,频率为5MHz的表面波波长为0.65mm。这时,会有足够的表面波能量直射到裂纹F处。
(2)
圆弧后裂纹的检测
   
如图15所示画出汽轮机叶片探伤的另一种情况。
   
表面波探头放置在叶片侧面,表面波越过棱边A继续传播,达到倒角B处(弧面)时,由于曲率半径较大,可以检查出裂纹F1,灵敏度较高。
   
圆弧处会产生波型转换。因此,无裂纹时,固有波形较杂(在F1之后),会影响裂纹F2的判伤。改变探头频率固有回波会发生位置幅度变化。在试块上试验,选择哪种探伤频率固有波形少,效果好。
5
、对表面波探头的要求
   
表面波探头探伤灵敏度较高,一般5mm晶片就有足够的灵敏度。为扩大表面波应用范围,关键是减小探头前沿尺寸。
   
我们研制生产的表面波探头技术指标如下:
   
频率:2.5MHz5MHz;
   
晶片尺寸:5×56×68×810×10mm
   
探头前沿:3mm
   
外型尺寸:长:宽:高=181015(通用型);
   
灵敏度:≥40dB(前沿距棱边20mm)
   
晶片尺寸、外型也可根据用户要求生产。

 

 





    对于近表面缺陷的检查,表面波十分有效。正如理论论述的那样,由于表面波的能量集中于表面下2个波长之内,检查表面裂纹灵敏度极高。
   
表面波的位置分布可分解为与表面垂直和平行两个方向的振动,即纵波与横波所组成的椭圆形振动。表面下2个波长深度范围之内集中总能量的99%40dB)。
   
表面波的声速约为纵波的1/2,比横波稍小(见表1)。

1

声速m/s

Cr

2980

2975

Cs

3200

3100

Cl

5900

6300


1、表面波的产生
   
表面波产生方法有着原理不同的两种方法。即Y切割石英晶体和透声楔方法。
   
常用的表面波探头采用与斜探头相似的楔块,当横波折射角为90°时,即产生表面波(见图1)。
2、表面波在表面的传播规律
2.1
、在平面上的传播
2.1.1
、油的影响
   
若在反射波传播的表面上涂上油,那么所传播的波几乎完全衰减。用手压也一样。这是因为理论上在试件的一侧为真空下求解,而有液体处理方法截然不同。另一种观点可以理解为表面波的垂直分量在液体层中引起衰减所致。用手按传播表面可以判断表面是否是裂纹或棱边的反射。同时也说明,探伤中探头前面不得有油污的重要性。
2.1.2
、表面波的反射
   
表面波遇到表面或近表面缺陷会产生反射。作为缺陷,有裂纹或体积状缺陷(气孔、夹渣)。表面波重点检查裂纹。这里不讨论体积型缺陷。
    (1)
槽矩形槽的反射(裂纹)
   
与裂纹相似的人工伤,一般刻矩形槽缺陷。(见图2)。
   
刻槽深度与回波高度关系绘于图3中。

    2)棱边反射
   
如表面波传播中遇到工件的棱边会产生反射波,也有一部能量超过棱边继续传播(见图4)。


   
表面波在棱边上的反射理论上无法解释,但实验却十分简单。棱边为直角时,反射率高。
   
3)带曲率的棱边反射
   
如果棱边倒角,其曲率半径为r,反射回波降低。图5画出反射率与曲率半径的关系。从图中可以看出直角边(r=0)反射率52%r=5时,反射率约为6%。即可以有更多能量通过圆弧面。

    AD棱边反射信号中间,有时会出现其他回波信号BC。这可能是入射波与回波干涉的结果。改变探伤频率,结果会不同。
2.1.3
、表面波所产生的变型波
   
1)表面波在边角处会产生的变型横波(S),如图7所示。其表面有一定曲率时,表面波的产生是逐点进行的(如图C所示)。产生变型波会使表面波产生衰减,变型波也会影响回波波形判断。有时也可加以利用。
2.1.4
、横波所产生的变型表面波
   
当横波传播过程中,主声束与内孔或圆角相切时会产生变型表面波。变型表面波强度较大。
   
变型表面波的产生会影响探伤波型的判断。图8是利用变型表面波探伤的实例。汽轮机叶片的叶根可利用的探伤面较少,也较窄。利用合适角度的斜探头,使之声束与圆弧面相切,此时会产生较强的 表面波,表面波沿表面传播,这样检测出F1F2处裂纹就成为可能。我们在实验室中试验和现场应用均取得较理想的效果。
3
、表面波探伤时仪器调整
3.1
、扫描速度调整
   
扫描速度调整方法与普通斜探头不一样。入射点按探头前沿(即探头端头)计算。调扫描速度时,将探头对准试块棱边,回波信号按水平距离调节成一定比例,一般前后移动探头,改变L值。例如L1=20mmL2=40mm等,利用深度旋钮,水平旋钮,当L1=20mm调节水平刻度20位置;L2=40mm,调整水平刻度40位置,即完成11调整。也可利用棱边AB一次调整完成。
3.2
、探伤灵敏度调整
   
探头对准直角棱边,调整棱边回波高度达到标准值,例如满屏的60%,再增益21dB作为探伤灵敏度。
   
对于5MHz的探头,此灵敏度相当于发现0.1mm深的裂纹。
4
、应用实例
4.1
、深度1mm以下裂纹测深度
在探伤灵敏度下,当回波高度等于21dB时,说明裂纹深度大于1mm。此时裂纹再深,回波不会再增加。当回波幅度小于21dB时,可查曲线(见图10)得知裂纹深度。例如回波幅度10dB5MHz)探头,裂纹深度为0.3mm。实用证明此法测深较准确。

4.2、深度大于1mm裂纹测深
   
深度大于1mm,回波已饱和,不再随裂纹深度增加而增加,此时裂纹测深方法有两种。 4.2.1、单探头法
   
测深原理如图11所示,回波B为裂纹端反射。AB之间声程差,即为裂纹深度。试块上,切口面平滑,B波清晰可见,人工裂纹测量精度可达±1mm

    实用上,裂纹表面不平,回波B可能观察不出来。
4.2.2
、双探头法
   
双探头法探头放置如图12所示。无裂纹时,表面波直达接收探头(单程);有裂纹时,真实裂纹直达波仍存在。绕过裂纹波为双程,裂纹深度t=L/2
   
此法比单探头有效。
4.3
、横波产生的变型波的利用
   
在一些特殊场合,使用各种探头均达不到检测裂纹的目的,可考虑使用变型表面波。如图13所示。 有些T型叶根用其他方法检查叶根裂纹F1F2十分困难。这时,选用一定角度的斜探头,在叶根侧面,前后移动探头,使主声束与圆弧面r角相切。这时,会产生变型表面波。变型表面波沿表面传播就可检查出裂纹F1F2
    F1
处于r角阴影处(盲区),横波检查不出,实验证明,变型表面波具有很高灵敏度。
4.4
、非平面探伤技术
    (1)
14中画出汽轮机叶片叶根探伤中的一种常见情况。
   
探伤面高出叶根平面,高度为h0。表面波传播中必须越过棱边AB才能检出裂纹F。如前所述,表面波越过A边,声能损失较小(约衰减6dB),但越过B角,会产生变型横波,声能损失极大。这样传播到裂纹F处声能很小,也就检不出裂纹F
   
h0≤0.5mm时,就有足够的表面波能量达到F处,即可检出裂纹F。讨论其原因,频率为5MHz的表面波波长为0.65mm。这时,会有足够的表面波能量直射到裂纹F处。
(2)
圆弧后裂纹的检测
   
如图15所示画出汽轮机叶片探伤的另一种情况。
   
表面波探头放置在叶片侧面,表面波越过棱边A继续传播,达到倒角B处(弧面)时,由于曲率半径较大,可以检查出裂纹F1,灵敏度较高。
   
圆弧处会产生波型转换。因此,无裂纹时,固有波形较杂(在F1之后),会影响裂纹F2的判伤。改变探头频率固有回波会发生位置幅度变化。在试块上试验,选择哪种探伤频率固有波形少,效果好。
5
、对表面波探头的要求
   
表面波探头探伤灵敏度较高,一般5mm晶片就有足够的灵敏度。为扩大表面波应用范围,关键是减小探头前沿尺寸。
   
我们研制生产的表面波探头技术指标如下:
   
频率:2.5MHz5MHz;
   
晶片尺寸:5×56×68×810×10mm
   
探头前沿:3mm
   
外型尺寸:长:宽:高=181015(通用型);
   
灵敏度:≥40dB(前沿距棱边20mm)
   
晶片尺寸、外型也可根据用户要求生产。

 

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