超聲檢測(cè)斜探頭l

超聲檢測(cè)斜探頭l

在a-橫向波的直接接觸法中檢測(cè)焊接頭的超聲波時(shí)，斜檢測(cè)的前距離l0和k值是一個(gè)非常重要的參數(shù)?，F(xiàn)行多數(shù)超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,l0的測(cè)量誤差≤±1mm,K值的測(cè)量誤差≤±0.1。多年的現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)使筆者感到,在不考慮探頭磨損并固定其他相關(guān)條件的情況下,l0和K值隨著測(cè)試聲程而變化,并不總是一個(gè)恒定值。為了獲得l0和K值隨測(cè)試聲程變化的規(guī)律,筆者在特定測(cè)試方式和條件下對(duì)多個(gè)不同規(guī)格探頭的l0和K值進(jìn)行了測(cè)定。1測(cè)試測(cè)試以JB4730.3—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)超聲波檢測(cè)》作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。1.1標(biāo)準(zhǔn)l0的測(cè)試焊接接頭超聲檢測(cè)的探頭前沿l0通常在CSK-ⅠA試塊上測(cè)試,通過(guò)同心圓弧面反射的回波位置來(lái)確定,如圖1所示。當(dāng)探頭1找到圓弧面最高回波時(shí),得探頭前沿l0的測(cè)試值為:l0=R?l1(1)l0=R-l1(1)在某些情況下也可利用CSK-ⅢA試塊上的橫孔反射體的回波位置,通過(guò)計(jì)算確定l0,如圖2所示。分別找出兩反射體A和B的最高回波,固定探頭,量得探頭端面至試塊端面的距離l1和l2,根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系得:K=l0+l4?40h1(2)K=l0+l2?40h2(3)Κ=l0+l4-40h1(2)Κ=l0+l2-40h2(3)由于h2=2h1,可得:l0=l2+40?2l4(4)l0=l2+40-2l4(4)1.2標(biāo)準(zhǔn)3.2回波位置的測(cè)定測(cè)試K值時(shí),若已測(cè)出斜探頭的前沿l0,可通過(guò)CSK-ⅠA試塊上的同心階梯圓孔反射體的回波位置計(jì)算確定,如圖1探頭2所測(cè):K=l3+l0?3530(5)Κ=l3+l0-3530(5)也可在CSK-ⅢA試塊上,通過(guò)測(cè)量一定深度的橫孔反射體的回波位置計(jì)算確定(圖2):K=l4+l0?40h1(6)Κ=l4+l0-40h1(6)若尚未測(cè)出斜探頭的前沿l0,可在CSK-ⅢA試塊上測(cè)定兩個(gè)不同深度的橫孔反射體的回波位置計(jì)算確定(圖2),由式(2)和(3)得:K=l2?l4h2?h1(7)Κ=l2-l4h2-h1(7)2超聲波探傷測(cè)試所有選用探頭的主聲束垂直方向上需要無(wú)雙峰,即用長(zhǎng)輸管線標(biāo)準(zhǔn)試塊(SGB試塊)上的?2mm×20mm橫通孔測(cè)試,測(cè)試時(shí)使反射回波位于示波屏上80%～100%的區(qū)域,隨著探頭瞬時(shí)移動(dòng)可明顯地識(shí)別出探頭的波峰位置;水平方向上的偏離角均≤2°(用CSK-IA試塊的棱角測(cè)試)。選用的超聲波探傷儀為CST-22型,其水平線性誤差<1%,垂直線性誤差<5%。測(cè)試期間最低溫度為34℃,最高溫度為38℃。3接頭k值的測(cè)量為了控制測(cè)試的偶然性誤差,每一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)均為3次測(cè)試的平均值,且使每次最高回波的波峰分布于示波屏上的80%～100%的區(qū)域,以便于識(shí)別。測(cè)試的探頭前沿精確到±1mm。大晶片探頭的K值的計(jì)算精度為±0.01(并不表明其實(shí)際精度),小晶片探頭的K值計(jì)算精度為±0.1。為了對(duì)探頭磨損造成的測(cè)量誤差進(jìn)行評(píng)估,在測(cè)量結(jié)束后對(duì)所用探頭采用相同的測(cè)量條件和測(cè)量方式進(jìn)行復(fù)核,其相應(yīng)的l0和K值未表現(xiàn)出明顯的差異性。4標(biāo)準(zhǔn)反射體的選擇選擇SGB試塊上R25及R50mm圓弧面、CSK-ⅠA試塊的R50及R100mm圓弧面作為測(cè)定前沿l0的標(biāo)準(zhǔn)反射體。選擇SGB試塊上深5mm的橫孔和CSK-ⅢA試塊上深10,20,30,40,50及60mm的橫孔作為測(cè)定普通斜探頭K值的標(biāo)準(zhǔn)反射體。選擇SGB試塊上深5,10及20mm的橫孔作為小徑管焊接接頭探頭K值測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)反射體。使用CTS-22設(shè)備在上述試塊上測(cè)得的斜探頭前沿l0及K值見(jiàn)表1和表2。4.1加工工藝的前沿測(cè)試值從理論上說(shuō),斜探頭在鋼中的剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N′可以通過(guò)式(8)計(jì)算:N′=Fscosβπλs2cosα?L1tgαtgα(8)Ν′=Fscosβπλs2cosα-L1tgαtgα(8)式中Fs——波源面積;β——橫波入射角;λs2——介質(zhì)Ⅱ中的橫波波長(zhǎng);α——縱波入射角;L1——入射點(diǎn)至波源的距離。雖然計(jì)算所需參數(shù)并不總能準(zhǔn)確確定,但可用式(8)對(duì)鋼中的剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行近似估算。(1)如表1所示,1號(hào)探頭的K值標(biāo)稱值為1,與其他探頭相比,其近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度最長(zhǎng),在鋼中的剩余近場(chǎng)區(qū)聲程長(zhǎng)度>25mm,從而使R25mm回波的前沿測(cè)試值與遠(yuǎn)場(chǎng)R50mm和R100mm回波的前沿測(cè)試值有較大差異。(2)2號(hào)和3號(hào)探頭的K值測(cè)試值較為接近,其原因在于,斜探頭鋼中剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度不僅與探頭的晶片面積、頻率和K值有關(guān),而且還與晶片至聲束入射點(diǎn)的距離L1有關(guān),如式(8)所示。因這兩個(gè)探頭的晶片至聲束入射點(diǎn)的距離L1較長(zhǎng),導(dǎo)致鋼中剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度并不長(zhǎng),測(cè)試聲程<25mm。(3)4號(hào)和5號(hào)探頭K值標(biāo)稱值較大,其近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng),在鋼中的剩余近場(chǎng)區(qū)聲程長(zhǎng)度接近25mm,也使R25mm回波的前沿測(cè)試值與遠(yuǎn)場(chǎng)R50和R100mm回波的前沿測(cè)試值有一定差異。(4)由于小徑管探頭的晶片尺寸較小,K值較大,其近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度較短,在鋼中的剩余近場(chǎng)區(qū)聲程長(zhǎng)度明顯<25mm,使得R25,R50和R100mm的回波聲程均處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),其前沿距離測(cè)試值較為一致。(5)從測(cè)試結(jié)果可見(jiàn),前沿距離測(cè)量的一致性與被測(cè)反射體的聲程有關(guān)。其一致性可理解為如果某聲程處的測(cè)量平均值與該聲程附近的測(cè)量平均值的偏差越大,則該聲程處的測(cè)試值的測(cè)量一致性越差;反之一致性就越好。若被測(cè)反射體的聲程在近場(chǎng)區(qū)內(nèi),測(cè)量的一致性有較大的偏差;如果被測(cè)反射體的聲程在近場(chǎng)區(qū)外,則測(cè)量的一致性隨著聲程的增加,偏差逐漸減小。(6)當(dāng)斜探頭的晶片面積≥96mm2時(shí),不宜采用R25mm圓弧面作為反射體,否則會(huì)產(chǎn)生較大的偏差,應(yīng)采用R50或R100mm圓弧面作為反射體,以得到較好的測(cè)量一致性。(7)當(dāng)斜探頭的晶片面積≤64mm2時(shí),可采用R25,R50及R100mm的圓弧面作為反射體,其前沿的測(cè)量值均具有較好的測(cè)量一致性。但筆者建議以R25或R50mm圓弧面作為反射體。因?yàn)榫叽缭叫?其聲束指向性越差,較遠(yuǎn)聲程反射體的反射回波的最高波峰位置較難識(shí)別。4.2測(cè)量深度的確定(1)表2所示,1～4號(hào)探頭晶片尺寸較大、K值較小,測(cè)量深度為5mm的反射體時(shí),所得K值明顯小于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試值,故這些探頭在鋼中的剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng),所對(duì)應(yīng)的深度應(yīng)為5～10mm。(2)采用1～4號(hào)探頭,測(cè)量深度≥10mm的反射體,發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)試聲程從近場(chǎng)區(qū)附近向遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)延伸,K值測(cè)試值由大到小逐漸趨于一個(gè)定值。(3)采用5號(hào)探頭測(cè)量深度≥5mm的反射體,發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)試聲程的增加,K值由大到小逐漸趨向于一個(gè)定值(變化幅度由大到小)。這說(shuō)明該探頭的K值較大,在鋼中的剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度趨短,所對(duì)應(yīng)的測(cè)試深度應(yīng)略<5mm。(4)采用6和7號(hào)(晶片尺寸為8mm×12mm)探頭測(cè)量深度為5,10及20mm的反射體,發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)試聲程的增加,所得的K值逐漸變小。這說(shuō)明兩個(gè)探頭在鋼中的剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的測(cè)試深度應(yīng)<5mm。(5)采用8和9號(hào)小晶片探頭測(cè)量深度為5,10及20mm的反射體,發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)試聲程的增加,所得K值逐漸變小,但變小的幅度明顯變緩。表明兩個(gè)探頭在鋼中的剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的測(cè)試深度已明顯<5mm。(6)探頭晶片面積≥160mm2時(shí),若采用深度為5mm的橫孔反射體測(cè)試,在多數(shù)情況下,其K值測(cè)量值可能偏小或呈無(wú)規(guī)律分布;橫孔反射體的深度位于10～60mm時(shí),在多數(shù)情況下,其K值測(cè)量值會(huì)逐漸變小。(7)對(duì)于晶片面積等于96mm2的斜探頭,當(dāng)采用深度為5,10和20mm的橫孔反射體測(cè)試,在多數(shù)情況下,K值測(cè)量值逐漸變小,但變小幅度在減弱。由深5和10mm的反射體測(cè)得的測(cè)量值有較大的差異。(8)對(duì)晶片面積≤64mm2的斜探頭,采用深度為5,10和20mm的橫孔反射體測(cè)試,在多數(shù)情況下,K值測(cè)量值逐漸變小,但變小幅度在減弱。(9)超聲檢測(cè)時(shí),所選擇的橫波反射體深度應(yīng)大于近場(chǎng)區(qū)聲程所對(duì)應(yīng)的深度。對(duì)晶片面積≥160mm2的探頭,測(cè)量K值的橫孔反射體的深度應(yīng)≥10mm;晶片面積為96mm2的斜探頭,測(cè)量K值的橫孔反射的深度可為5～20mm(應(yīng)注意K值測(cè)量值隨測(cè)量深度的不同可能有較大的不同);對(duì)晶片面積≤64mm2的斜探頭,測(cè)量K值的橫孔反射體的深度可為5～20mm。(10)超聲檢測(cè)時(shí),測(cè)量K值的橫孔反射體并非越深越好。隨著測(cè)量深度的增加,最高波峰的分辨力會(huì)下降,這對(duì)晶片面積≤96mm2的小晶片探頭尤為重要(聲束指向性較差),所以小晶片探頭的K值測(cè)量反射體深度不宜>20mm。(11)超聲檢測(cè)焊接接頭時(shí),測(cè)量K值的橫孔反射體的合理深度視被檢工件的壁厚而定,盡量與其接近。應(yīng)以此橫孔深度所測(cè)得的K值測(cè)量值為準(zhǔn),并以與此壁厚最接近的相應(yīng)