大厚度奥氏体钢焊缝超声检测用纵波斜射双晶探头研制 郑 中 兴 摘 要 介绍了垂直深度达120 mm的J型奥氏体钢焊缝超声 检测用纵波斜射双晶探头的设计参数和应用实例.
关键词 奥氏体钢焊缝 超声检测 纵波斜射 T-R探头
分类号 TG115.285 TB552 Development and Application of Longitudinal Waves
Angle Beam T-R Probes for the Ultrasonic Inspection
of Austenitic Steel Welds in Big Thickness Zheng Zhongxing
(College of Sciences, Northern Jiaotong University, Beijing 100044) Abstract This paper introduced the ultrasonic inspection of vert ical depth within the limits of 120mm J-type in austenitic steel weld, and made use of longitudinal waves angle beam T-R probes for parameter design and appli cable example.
Key words austenitic steel weld ultrasonic inspection longitud inal waves angle beam T-R probe 奥氏体钢焊接工艺由于具有良好的机械强度、韧性和耐腐蚀性等特点而被广泛应用.但由于焊缝材料属于粗晶材料,尤其是对大厚度奥氏体钢焊缝内在质量的超声检测,在国内外一直是个难题.其主要原因是焊接材料在金属凝固期间生成了纤维状或树枝状的晶体,其晶粒的大小依赖于结晶的速度、杂质的分散状态和温度梯度的变化.这种类型的结晶造成在特殊的方位上晶体的生长占优势.其中的树枝状结晶往往和焊缝的侧面相垂直,其直径在0.1~0.5 mm,长度可达10 mm.这种粗晶结构对超声传播衰减很大,林状回波的出现降低了信噪比,树枝状晶体的存在甚至使得超声传播的路径发生变化.因此,对这类焊缝中的缺陷定位和定量有相当大的困难.
晶粒对超声散射的程度依赖于超声波长和晶粒尺寸的比值,而且和晶界的形状,晶界面上炭化物的析出状态等因素有关.具体说在超声波的声束确定的前提下,散射的强弱和超声声束与晶粒轴线之间的夹角有关.在焊缝的坡口融合面上,对承受超声作用的纤维状组织中的晶轴方位角来讲,大量的晶轴构成了纤维状组织的轴线方向,它们和传播的超声波的方向应大致一致.用斜射声束对奥氏体钢焊缝进行检测时,尽管声束的指向性和纤维状组织的轴线方向并不总是理想的,但它进入焊缝中的声束指向角选择在45°~70°之间比较合适.选用纵波斜射比选用横波斜射衰减要小.当然,如果母材是非奥氏体钢,它对声波的衰减,无论纵波和横波,都要比奥氏体钢焊缝小得多.
解决上述问题的关键是需要采用一种特殊的方法使强干扰噪声即奥氏体钢晶界上的散射尽量地减少.常用的方法是采用双晶探头、聚束探头、大直径探头和宽频带窄脉冲探头,而且要采用1 MHz左右的低频.其中重要的是纵波斜射的双晶探头,这种探头的灵敏度范围是指两个指向声束交叉的区域.根据国内外的有关报道[1~4],这种探头 的最大垂直探测深度为60~80 mm,我们研制的用于三峡水电站的J 型奥氏体钢焊缝检测的垂直探测深度在120~140 mm的大直径、低频双晶纵波斜射探头尚未见报道.
特别需要提出的是,有关纵波斜射双晶探头的设计参数和计算方法,各研制单位很不统一,国家也缺乏这方面的标准规范,这在一定程度上影响了这项技术的发展. 1 纵波斜射双晶探头设计的基本原理和参数计算
我们设计的纵波斜射双晶探头因采用了一发一收的T-R方式,增长了传播路径,消除了近场范围的噪声,采用1 MHz的低频大晶片(38 mm×17 mm)纵波斜射,探测深度范 围增大至120~140 mm,衰减明显减小.探测垂直深度为140 mm、直径为3 mm横孔,有足够灵敏 度.
有关探头的设计参数计算国内没有统一的模式,算法也很不相同.对声场的声压从物理学角度,我们采用了克希荷夫(Kirchhoff)的衍射原理,通过富朗霍夫(Fraun-hofer)近似计算,并在具体设计时,对指向性声瓣的表达式sin y/y和bl(δ) 进行适当的修正,给出了双晶探头在远场中的声压分布.这里需要说明的是:首先,原方程式在求解βk、βst、β′、δ中,出现了k/t这个参数,但对它重要的物理意 义未于说明,我们进行了解释;其次,原作者提出方程式对任意情况是不可解的,所以需要采用替代法确定晶片的尺寸a和b.这样做相当麻烦,由于未知数较多,从而产生了在设计中究竟应当先求哪个未知数的问题.我们在求解时,首先由已设探测深度Df求出相对于水平面的左右倾角δ(此时,入射点到隔声层的垂直距离为预设值),再由已知h求晶片中心到入射点的声程s(此时,由晶片中心到探头接触面的垂直距离h可由已设的探头楔块后边角的高度E1求出.先求出这两个参数,其它探头楔块设计的几何参数通过10个几何参数公式,就相对比较好求.
计算远场声压时,采用的富朗霍夫近似计算公式[2]如下
如图1和图2所示,这里β′为晶片的前向倾角;δ为晶片相对于水平面的左右横向倾角;βk为晶片在楔块中的实际入射角;a为某一侧晶片的长度; b为某一侧晶片的宽度;cl,st为钢中纵波声速;cl,k和ct,k分别为楔块中的纵波 和横波声速;ρk 和ρst分别为有机玻璃楔块和钢中的密度;f为探头的探测频率;bl(β)和b l(δ)分别为与前向倾角和左右倾角的指向声束有关的表达式.bl(δ)的具体公式可以用和bl(β)相类 似的表达式导出.
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