表面波检测Word下载.docx
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这种晶片在电激励下的振动状态与表面波的位移分布一致,向X的正、负方向发出表面波。
在实际应用中,只希望向一个方向辐射表面波。
在图6-76所示的表面波探头中是利用电木或橡胶压住石英侧面和后边,以使晶片向后方辐射的表面波衰减(约衰减20dB)。
如果用声衰减系数更大的材料或适当增加衰减材料与石英后边探测面的接触面积,可以把向后辐射的表面波衰减到更小。
图6-75辐射表面波的Y切石英晶片图6-76Y切石英表面波探头
2、纵波折射法
如前所述倾斜入射至界面上的纵波,当入射角大于第二临界角时,在第二介质中既无纵波,也无横波,而在界面上出现表面波产生表面波的入射角满足下式:
Cl-透声楔中的纵波速度,Cr-被检材质的表面波速度。
用这种方法产生表面波的透声楔,在检验钢材时一般采用有机玻璃制作,按上式算出
αl=62°
~64°
。
用纵波折射法制作表面波探头,一般采用矩形压电晶片,其半扩散角可以用实测求得。
对于表面波探头,因纵波在透声楔内行程较长,近场长度基本上不出探头前沿,使用中无近场影响。
.3人工缺陷对表面波的反射
各种形状的人工缺陷对表面波的反射能力有明显的不同,对于暴露在表面上有棱角的缺陷,有较大的反射能力;
相反,对圆滑过渡的人工缺陷,反射能力较小。
此外随缺陷距表面下埋藏深度的增加,反射能力迅速下降。
了解这些情况,对表面波检测发现缺陷和判断缺陷是有必要的。
以下介绍几种人工缺陷对表面波的反射情况。
1、柱孔
柱孔垂直于探测面,孔的深度大于两倍波长。
将孔的回波波高与同距离的的直角棱边回波波高之比作为柱孔反射率(下同),结果表明,反射率与孔径之间有如图6-77所示的关系。
2、横孔
横孔平行于探测面,垂直于探测方向,孔径为1.6mm。
其反射率与它至表面的距离有如图6-78所示的关系。
图6-77柱孔对表面波的反射体图6-78横孔对表面波的反射率
3、沟槽
与探测方向垂直的表面开槽,其反射率随槽深的变化如图6-79所示。
图6-79沟槽对表面波的反射率(13mm铁板表面加工的沟槽)
(a)试验布置(b)反射率与沟槽深度的关系曲线
.4棱边的反射
1、棱边角度对回波的影响
表面波在近距离探测棱边时,不但能出现最靠近探头棱边的回波,而且有一部分声波跨越这一棱边传播到下一棱边并反射回来。
频率为2.5~5MHz的表面波,反射信号在棱角大于90°
之后才逐渐降低。
当棱角大于170°
时,该棱边反射信号约降到零值。
由此可知,如将试件中的裂纹考虑为与表面之间有可能成各种夹角的话,就必须从两个方向上探测。
2、棱边处的波型转换
当表面波传播到棱边时,会产生波型转换,变形波遇有反射条件,同样会反射回来形成干扰波检验中要注意与缺陷波的区别。
如图6-80所示,波型转换遵从反射定律。
表面波以Cr速度入射至E平面,分离出速度为Ct的横波沿AC方向反射。
由于Cr=Ct,如表面波入射角为45°
,则横波反射角也接近45°
,恰与底面垂直。
荧光屏上在A棱角与B棱角回波之间出现一变型波的反射信号。
图6-80表面波再A处产生变型横波示意图
3、棱边曲率对回波的影响
棱边曲率半径对回波波高的影响如图6-81所示。
由图可知,当曲率半径R大于5倍波长以后,表面波几乎全部跨越。
考虑到有些机械零部件需定期检查背部危险部位,设计零件时可充分利用这一原理。
R小于1倍波长时,反射信号趋于最大。
4、倾斜入射棱边时的情况
表面波相对于棱边倾斜入射时,如图6-82所示,声波向两个方向传播,满足反射、折射定律。
图6-81棱边曲率半径对回波高度的影响图6-82表面波倾斜入射棱边的情况
.5影响表面波传播的其他因素
1、油的影响
传播表面波的表面附着油层时,表面波几乎完全衰减。
这是因为表面波传播和振动状态的理论,是对固体介质的一侧为真空或气体时才成立。
如附有油层,则表面波的垂直成分向油层辐射,使其衰减。
同样的用占有油的手指压在表面波反射点或其传播的路径上,表面波也会立即衰减掉,用这种方法很容易找到反射点,可以帮助判断是缺陷的反射或是其它棱角的反射。
将油层擦去只剩极薄的残留油层对表面波的传播基本上没有什么影响。
表面波在传播的路径上遇着液滴,除会被衰减外,其垂直成分进入液滴后又反射折回而产生回波。
2、表面光洁度和材料组织的影响
表面光洁度对表面波的传播有明显的影响,粗糙的表面不但使声耦合不好,而且在传播过程中容易发生散射,使表面波衰减较大。
如传播方向与加工刀痕同向,一定程度上衰减少些。
粘附于材料表面的油污、铁锈、水垢以及与工件表面接触的其它物体,对表面波也有强烈的衰减作用。
与其它波型一样,材料的粗大晶粒界面对表面波也有衰减作用其晶粒度与表面波波长λ之比值愈大,衰减作用愈大。
因而对于晶粒粗大材料,采用较低的频率检测为好。
另外工件厚度对表面波的衰减作用也有关系,当厚度小于两倍表面波波长时,衰减显著增加。
表6-4中列出了光洁度一定时,衰减与频率、厚度等因素的关系,表中结果未进行扩散衰减修正。
表6-4表面波的衰减(分贝/厘米)
频率(兆赫)材料
1
1.5
2.0
2.5
3.0
5.0
13mm铁板
0.0655
0.068
0.099
0.135
0.208
0.334
1.7mm铁板
0.27
0.525
0.9mm铁板
0.21
0.438
0.25mm马口铁铁板
0.593
2.0mmL铝板
0.035
0.120
3、圆柱曲面的影响
表面波在圆柱面上沿圆周方向传播时,速度有所变化,在凸圆柱面上的传播速度大于平面上的传播速度,在凹圆柱面上的传播速度低于平面上的传播速度;
并且会发生波型转换,使表面波衰减。
柱面曲率与表面波波长之比愈大,则传播速度变化愈大,在凹柱面上衰减也愈大,反之亦然。
当柱面曲率半径与波长之比足够大(约50以上)时,在柱面上的传播情况基本上与平面相同。
.6表面波检测的应用
一般为了使检出近表面缺陷有较高的灵敏度,频率多采用5MHz,为使耦合剂不致到处流淌和影响表面波的传播,一般多采用甘油或粘度较大的机油;
为减少表面波的衰减和消除一些干扰杂波,要求表面光洁度比其它方法要高一些,一定要除锈,露出金属光泽,必要时用丙酮等有机溶剂将表面擦拭干净。
(一)强度法检测表面裂纹
1、扫描速度调整
考虑到被检工件与试块材质上的差异,最后直接在工件上调整扫描速度。
将探头垂直地对准工件的一个棱边(见图6-83),距离探头前沿40mm,荧光屏上出现棱边的反射波(位置Ⅰ);
将探头保持与棱边垂直向后移到距离65mm处,此时棱边的反射波相应右移到位置Ⅱ。
位置Ⅰ代表的声程为40mm,位置Ⅱ代表的声程为65mm。
反复调节“水平移位”和“深度”旋纽,使探头在位置Ⅰ和Ⅱ时的回波前沿分别对准水平刻度“4”和“6.5”,此时扫描速度为声程1∶1。
图6-83用工件本身的棱角调整扫描速度
2、灵敏度调整和定量
在表面波检测中,如人工试块与被检工件的材质、表面光洁度不同,就会使灵敏度调整有很大出入,最常用的是利用工件本身的直角棱边反射波作为参考信号来调整灵敏度。
直角棱边可以看作无限长和无限深的裂纹。
对于钢材直角棱边反射波的波高与有限长度、有限深度裂纹反射波的波高之比用HB/Hf表示。
对于裂纹长度L一定,欲探测的裂纹最小深度d与波长λ之比n一定(n=d/λ),HB/Hf只与距离有关;
若距离一定,HB/Hf则为一定值。
用5MHz的表面波探头检测钢,则λ=0.598mm,取n=0.17,则可探测的最小裂纹深度d=0.17λ≈0.1mm,欲探测的最小裂纹长度L=6.5mm,则HB/Hf的计算值和试验值列于表6-5中,试验用试块如图6-84所示。
表6-5HB/Hf(计算值与试验值的比较
距离
(mm)
HB/Hf(dB)
计算值
试验值
40
22.08
21
50
23.05
22
60
23.85
23
图6-84模拟裂纹试块
从表中可以看出:
试验值均低于计算值,其误差约1dB。
实用上可以用表7-5中的试验值作为直角棱边调整灵敏度的依据。
例如所用表面波的频率为5兆赫,欲探测最小裂纹长度为L=6.5mm,最小裂纹深度为d=0.17λ≈0.1mm,探测距离为40mm,则可按如下步骤调整灵敏度:
从表6-5中查得,探测距离40mm处的HB/Hf的值为21dB,探头垂直对准工件的直角棱边,探头前沿距离棱边40mm,调整仪器使棱边反射波高达到基准波高,然后增益21dB,此时,检测灵敏度调整完毕。
检测时如缺陷在40mm处的波高刚好达到基准波高,则该缺陷相当于长6.5mm、深0.1mm的人工模拟缺陷。
相同长度、不同深度裂纹反射波的波高与0.17λ深的裂纹反射波的波高之比Hf/H0.17只与以λ为单位的裂纹深度有关。
图6-85画出的是Hf/H0.17欲(删)与纹深度d的关系曲线,Hf/H0.17以分贝为单位,深度d以毫米为单位。
如前所述调好灵敏度,检测时发现一缺陷信号,移动探头使缺陷反射波正好在荧光屏时基线刻度“4”处(使缺陷声程与调灵敏度时的声程对应),调衰减器使波高降低基准波高,读取衰减器读数,根据衰减器读数在图6-85曲线上查得裂纹深度d。
此时的裂纹深度相当于长度为6.5mm裂纹的深度,如实际裂纹的深度较6.5mm短,其深度就比查得的深度要深,反之就比查得的浅。
要指出的是,这里的定量仅限于d<
2λ的裂纹深度定量,因为表面波的传播仅限于2λ的深度。
(二)时延法测量表面裂纹的纵向尺寸
前述表面波探测裂纹深度的定量方法仅适用于测量浅裂纹,其深度不超过两倍波长,更深的裂纹无法测定。
即使是浅裂纹,往往也只能定出标准人工裂纹的当量深度,与实际裂纹深度尚有一定距离。
下面介绍用表面波时延法测量表面开口裂纹深度的纵向尺寸。
这种方法的特点是利用裂纹开口处的反射信号和裂纹尖端处的反射信号在传播时间上的差值作为测定裂纹纵向尺寸的信息,而不是裂纹反射信号的强度。
所以表面光洁度、耦合状况等方面的变化对测量精度无显著影响。
其缺点是:
测出的不是裂纹尖端距表面的垂直距离h(即深度),而是裂纹的纵向尺寸h′,当裂纹倾斜时后者大于前者,如图6-86a所示。
图6-86用表面波测量裂纹深度的几种情况
1、双探头法
如图6-87所示,将两个相同的表面波探头垂直于裂纹放置在裂纹两侧,T为反射探头,R为接收探头。
随工件表面光洁度及裂纹面状况等因素的影响可能出现两种情况:
图6-87用表面波双探头测量裂纹深度
1)自T反射的表面波传到裂纹的开口处,一部分声波被反射回来(探头的这种布置方式,接收探头接收不到此反射波,荧光屏无波形显示);
一部分声波跨过裂纹直通到接收探头R,荧光屏上会显示一个直通波,其水平位置为τⅠ;
一部分声波沿着裂纹面向下绕过裂纹尖端A再往上,然后传到接收探头R,荧光屏上显示出另一个接收信号,其水平位置为τⅡ。
对于垂直于表面的裂纹,显然其纵向尺寸h可由下式表示(扫描速度按声程1∶1):
(6-38)
当然在裂纹开口C处还有变型纵波和变型横波,接收探头接收不到此反射波,荧光屏无波形显示。
2)除了发生第一种情况外,在裂纹尖端A处又产生变型横波,它垂直传到底面后又返回A处,再转为表面波并沿裂纹面传到接收探头R,荧光屏上会显示一个变型横波信号,其水平位置τⅢ。
τⅢ与τⅡ、D和h之间又下式关系(扫描速度按声程1∶1):
(6-39)
式中:
Cr、Ct—分别为表面波速度和横波速度;
D—板厚。
对于钢,取泊松比σ=0.29,则Ct/Cr=1.08,带入(7-32)式,得:
(6-40)
两种情况测得的h值可以互相核对。
2、单探头法
双探头法有时受条件限制不能采用,,(删)例如图6-86b所示。
此时可采用单探头法。
表面波自探头发出,传至裂纹开口处反射回一个信号,其在荧光屏上的水平位置为τⅠ;
传到裂纹尖端又返回一个信号,其在荧光屏上的水平位置为τⅡ;
同样,有时会收到变型横波从底面反射回的信号,它在荧光屏上的水平位置为τⅢ。
可以按下式求裂纹纵向尺寸(扫描速度按声程1∶1):
(6-41)
采用表面波时延法测量表面开口裂纹的纵向尺寸时,为了能有效地分辨各信号之间的时间差,要求仪器的距离分辨率要好,这对浅裂纹的测量尤为重要,因此仪器最后采用窄脉冲激励和宽带放大器,探头采用高阻尼窄脉冲探头。
为了减小直通波的能量,测量前要清除裂纹缝隙内的液体、腐蚀物等。
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