zg0cr13ni4mo超聲波衰減系數(shù)的測(cè)定

zg0cr13ni4mo超聲波衰減系數(shù)的測(cè)定

超聲波檢測(cè)具有靈敏度高、滲透性強(qiáng)、檢測(cè)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。它可以根據(jù)缺陷波形的特性來判斷缺陷的性質(zhì)，因此也被廣泛應(yīng)用于大傾角縫紉機(jī)的檢測(cè)。材料的衰減系數(shù)是影響超聲波檢測(cè)的一個(gè)重要因素,由于鑄鋼件自身特點(diǎn),其聲速、衰減系數(shù)與普通鋼不同,超聲波在鑄鋼件中傳播時(shí)聲速與衰減系數(shù)均會(huì)發(fā)生變化,分析、掌握這種變化可以優(yōu)化超聲波檢測(cè)工藝參數(shù),也是進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)的理論指導(dǎo)基礎(chǔ)。目前測(cè)量固體的聲速和衰減系數(shù)的方法主要有脈沖反射法、直接接觸法、脈沖透射插入法。本研究以新型鑄鋼材料ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼為例,以脈沖反射法,利用超聲波聲壓、聲程乘積的自然對(duì)數(shù)與聲程成線性關(guān)系,來測(cè)量鑄鋼件超聲波衰減系數(shù),并研究衰減系數(shù)與探頭參數(shù)中晶片直徑、頻率關(guān)系,對(duì)優(yōu)化水電站大型鑄鋼件超聲波檢測(cè)工藝參數(shù)有重要指導(dǎo)意義,對(duì)保證檢測(cè)質(zhì)量十分有益。1試驗(yàn)材料和方法1.1試驗(yàn)塊及設(shè)備試件材質(zhì)為哈爾濱電機(jī)廠常用的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪材料ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼,規(guī)格為160mm×100mm×25mm(長(zhǎng)×寬×厚),為了便于對(duì)比普通鋼的衰減系數(shù),選取材質(zhì)為45#鋼的試塊,規(guī)格為200mm×160mm×30mm,所有檢測(cè)面的粗糙度均為3.2μm,端面平整,且平行,平行度在0.025mm以內(nèi)。試驗(yàn)儀器采用武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份公司生產(chǎn)的漢威HS616型,探頭采用A型脈沖反射式反射縱波直探頭,型號(hào)與規(guī)格見表1。耦合劑為機(jī)油,表面補(bǔ)償為0dB。1.2超聲波衰減系數(shù)測(cè)定利用漢威HS616e型超聲波探傷儀,選用ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼試塊、45#鋼試塊,分別測(cè)出各底波反射回波80%時(shí)儀器增益值,通過公式計(jì)算超聲波衰減系數(shù)。通過對(duì)比分析探頭頻率、晶片尺寸對(duì)超聲波衰減系數(shù)的影響,研究鑄鋼件超聲波檢測(cè)衰減系數(shù)測(cè)量新方法及其最佳頻率、探頭晶片尺寸選擇方式。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1球面波的衰減方程超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),隨著距離的增加,超聲波能量逐漸衰減的現(xiàn)象,叫做超聲波衰減。引起超聲波衰減的主要原因是波束擴(kuò)散、晶粒散射及介質(zhì)吸收。擴(kuò)散衰減取決于波陣面的形狀,與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān),平面波不擴(kuò)散;柱面波波束向四周擴(kuò)散,存在擴(kuò)散衰減,聲壓與距離的平方根成反比;球面波向四面擴(kuò)散,存在擴(kuò)散衰減,聲壓與距離成反比。散射衰減與材質(zhì)的晶粒密切相關(guān),當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時(shí),散射衰減嚴(yán)重,被散射的聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭,在示波器上引起草狀回波,使信噪比下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒缺陷回波。鑄鋼件組織晶粒粗大,散射衰減比較嚴(yán)重。由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間摩擦和熱傳導(dǎo)引起的超聲波衰減稱為吸收衰減。通常所說介質(zhì)衰減是指吸收衰減和散射衰減。由于實(shí)際應(yīng)用的超聲波探頭波源近似活塞振動(dòng),在各個(gè)同性介質(zhì)中輻射的波稱為活塞波,當(dāng)距離波源的距離足夠大時(shí),活塞波近似球面波,因此,一般取球面波衰減方程,對(duì)于球面波:式中:Px為超聲波在材料中傳播一段聲程x后的聲壓;x為聲程;P1為距離為單位1處的聲壓;a為介質(zhì)衰減系數(shù),NP/mm;e為自然對(duì)數(shù)的底,2.718。對(duì)式(1)進(jìn)行變換得到式(2)。由式(2)可知,對(duì)于球面波而言,lnPxx與衰減系數(shù)ax服從線性關(guān)系,曲線與距離為單位1處的聲壓P1有關(guān)。衰減系數(shù)為式(2)方程的斜率,則通過測(cè)量不同深度下回波波幅,通過式(2)即可推導(dǎo)出衰減系數(shù)a。衰減系數(shù)a只考慮了介質(zhì)散射和吸收衰減,未涉及擴(kuò)散衰減,對(duì)于金屬材料等固體介質(zhì)而言,介質(zhì)衰減系數(shù)a等于散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)之和。對(duì)于厚度小于200mm板材,可以利用薄板工件衰減系數(shù)測(cè)定公式進(jìn)行測(cè)定:式中:m、n為底波的反射次數(shù);Bm、Bn為第m、n次底波高度;δ為反射損失,每次反射損失約為(0.5~1.0dB);x為薄板的厚度。式(3)未考慮擴(kuò)散衰減,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)根據(jù)薄板厚度來確定波的次數(shù),使聲波傳播距離在波束未擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)。通過實(shí)際超聲波探傷近似球面波方程推導(dǎo)的衰減方程(2)與式(3)比較可知,利用式(2)測(cè)量,則可以不必測(cè)得反射損失,而利用式(3)測(cè)量,則必須先測(cè)得反射損失δ。利用式(2)對(duì)衰減系數(shù)進(jìn)行測(cè)定,測(cè)量所選用的試塊上一定反射次數(shù)的波幅高度80%時(shí)增益值,通過式(2)在Origin軟件上作圖,模擬式(2)的線性方程,lnPxx隨聲程x變化關(guān)系如圖1所示,測(cè)量出的lnPxx隨聲程x服從線性關(guān)系,隨著聲程增加,lnPxx成線性減少,推導(dǎo)出式(2)的斜率,即為所測(cè)的衰減系數(shù)a。2.2晶片直徑對(duì)衰減系數(shù)的影響圖2a為縱波直探頭頻率為1MHz時(shí),由式(2)測(cè)量推導(dǎo)出的衰減系數(shù)與晶片直徑變化關(guān)系圖,從圖2a可知,材料衰減系數(shù)與超聲檢測(cè)探頭的晶片尺寸有關(guān),對(duì)于頻率為1MHz縱波直探頭,在晶片直徑范圍為14~28mm時(shí),其衰減系數(shù)隨晶片直徑先降低后增大,在晶片直徑為20mm時(shí)衰減系數(shù)最小,對(duì)于ZG0Cr13Ni4Mo鑄鋼件,其衰減系數(shù)比普通45#鋼要大,這是由于鑄鋼件晶粒比較粗大,散射衰減和吸收衰減較嚴(yán)重所致。圖2b為縱波直探頭頻率為5MHz時(shí),利用式(2)推導(dǎo)出的衰減系數(shù)與晶片直徑變化關(guān)系圖,從圖2b可知,材料衰減系數(shù)與超聲檢測(cè)探頭的晶片尺寸有關(guān),對(duì)于頻率為5MHz縱波直探頭,在晶片直徑為10~20mm范圍內(nèi)變化時(shí),其衰減系數(shù)隨晶片直徑先增大后減少,在晶片直徑為14mm時(shí),其衰減系數(shù)最大。2.3衰減系數(shù)隨頻率的變化由圖3可知,材料衰減系數(shù)與超聲檢測(cè)探頭的頻率有關(guān),在試驗(yàn)頻率為1~5MHz范圍內(nèi),衰減系數(shù)隨著頻率增加而增加,在2~5MHz頻率范圍內(nèi),隨著頻率增加,衰減系數(shù)增加趨勢(shì)變緩。ZG0Cr13Ni4Mo鑄鋼件的衰減系數(shù)比普通鋼45#鋼大,這是由于鑄鋼件晶粒比較粗大,散射衰減和吸收衰減較嚴(yán)重所致。2.4衰減系數(shù)測(cè)定結(jié)果a對(duì)于工件厚度小于200mm薄板,目前普遍利用式(3)進(jìn)行測(cè)定,但對(duì)于具體工件需要測(cè)定反射損失δ以及探頭保護(hù)模、耦合液等損失,具體測(cè)定比較困難,一般推薦使用每次反射損失約為(0.5~1.0dB),因而對(duì)衰減系數(shù)的測(cè)定難以準(zhǔn)確定量。圖4為1MHz頻率直探頭利用式(2)測(cè)定與式(3)測(cè)定的衰減系數(shù)比較圖,利用式(3)測(cè)定時(shí),每次反射損失δ取0.5dB。從圖4可知,在晶片直徑為14~28mm范圍內(nèi),衰減系數(shù)均遵循著隨著晶片直徑的增加先減少后增加趨勢(shì),式(2)與式(3)測(cè)定衰減系數(shù)存在差異,在小晶片范圍內(nèi),差異較小,晶片尺寸超過20mm時(shí),隨著晶片尺寸增加差異越明顯,這可能是由于反射損失取值差異有關(guān),反射損失隨著晶片尺寸的變化可能存在變化,且探頭保護(hù)膜、耦合劑等損失也可能均隨著晶片尺寸的變化而變化。式(3)對(duì)整體反射損失取值一定,存在不合理的現(xiàn)象。而式(2)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)探頭波形式近似與球面波時(shí),每次測(cè)定衰減系數(shù)均包含探頭實(shí)際的反射損失(包括探頭保護(hù)膜、耦合劑等損失),實(shí)際探頭波形與球面波越接近,準(zhǔn)確性越高。同理,圖5所示為晶片直徑為20mm直探頭利用式(2)測(cè)定與式(3)測(cè)定的衰減系數(shù)比較圖,利用式(3)測(cè)定時(shí),每次反射損失δ取0.5dB。從圖5可知,在頻率為1~5MHz范圍內(nèi),式(2)測(cè)定衰減系數(shù)均遵循著隨著晶片直徑的增加先而增加,式(3)測(cè)定的衰減系數(shù)遵循先減小后增大趨勢(shì),式(2)與式(3)測(cè)定衰減系數(shù)存在較大差異,這可能是由于式(2)與式(3)推導(dǎo)原理存差異所致。式(2)推導(dǎo)原理為球面波聲壓衰減方程,考慮到聲壓與距離成反比關(guān)系,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)探頭波形式近似于球面波時(shí),每次測(cè)定衰減系數(shù)均包含探頭實(shí)際的反射損失(包括探頭保護(hù)膜、耦合劑等損失),實(shí)際探頭波形與球面波越接近,準(zhǔn)確性越高。而式(3)未考慮聲程反比關(guān)系,公式推導(dǎo)原理存在差異,因而測(cè)量結(jié)果存在較大的差異。從上分析可知,利用式(2)測(cè)定衰減系數(shù),考慮到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)探頭近似于球面波,利用球面波聲壓衰減方程進(jìn)行推導(dǎo),可以不必針對(duì)具體工件表面狀況、探頭形式、耦合劑等損失情況進(jìn)行專門精確測(cè)量,而直接可以測(cè)出包含各種損失下的介質(zhì)衰減系數(shù)a,衰減系數(shù)a測(cè)定結(jié)果與實(shí)際波形與球面波接近的程度有關(guān),實(shí)際波形與球面波越接近,其結(jié)果越準(zhǔn)確。通過式(2)測(cè)定介質(zhì)的整體衰減系數(shù),具有原理簡(jiǎn)單,操作方便,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn),是測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)工件介質(zhì)衰減系數(shù)的有效新方法。3超聲波衰減系數(shù)a探頭晶片尺寸對(duì)鑄鋼件超聲波衰減系數(shù)存在影響,當(dāng)晶片直徑14~20mm時(shí),衰減系數(shù)隨晶片直徑增加而減少,當(dāng)20~28mm時(shí),又隨晶片直徑增加而增加。探頭頻率對(duì)超聲波衰減系數(shù)產(chǎn)生影響,衰減系數(shù)隨著頻率增加而增加,隨著頻率增加,衰減系數(shù)增加的趨勢(shì)變緩。從超聲波衰減系數(shù)影響來看,鑄鋼件縱波直探頭檢測(cè)時(shí)宜選用低頻率,晶片直徑宜選用20mm探頭。超聲波檢測(cè)