超聲場擴散聲束對焊縫超聲波入射角的影響

超聲場擴散聲束對焊縫超聲波入射角的影響

1聲速ct2—理論分析在焊接超聲干燥劑中，只考慮超聲介質(zhì)的功能，而忽視了聲段的影響，導(dǎo)致實際誤差的定位偏差，甚至出現(xiàn)誤差和遺漏。文獻指出:斜射波在其入射平面內(nèi),橫波聲束的兩個半擴散角是不對稱的。設(shè)中心聲束的折射角為β,當使用矩形聲源時(見圖1):sinα=(CL1/CT2)sinβα=arcsin[(CL1/CT2)sinβ]sinβ1=sinβ1?(λL1/b)2??????????√?(λT2/b)cosα(1)sinβ2=sinβ1?(λL1/b)2??????????√+(λT2/b)cosα(2)sinα=(CL1/CΤ2)sinβα=arcsin[(CL1/CΤ2)sinβ]sinβ1=sinβ1-(λL1/b)2-(λΤ2/b)cosα(1)sinβ2=sinβ1-(λL1/b)2+(λΤ2/b)cosα(2)式中α—為中心聲束的入射角β—中心聲束的折射角β1—下邊緣聲束的折射角β2—上邊緣聲束的折射角θ下=β-β1—下半擴散角θ上=β2-β—上半擴散角θ=θ上+θ下—超聲場的擴散角b—探頭斜面長度CL1—縱波在探頭斜楔內(nèi)的聲速CT2—橫波在被探材料中的聲速當使用圓形聲源時:sinβ1=sinβ1?(1.22λL1/D)2??????????????√?(1.22λT2/D)cosα(3)sinβ2=sinβ1?(1.22λL1/D)2??????????????√+(1.22λT2/D)cosα(4)sinβ1=sinβ1-(1.22λL1/D)2-(1.22λΤ2/D)cosα(3)sinβ2=sinβ1-(1.22λL1/D)2+(1.22λΤ2/D)cosα(4)其中,D為晶片直徑,其它符號意義同矩形聲源。當用K=2,13×13mm,2.5MHz的斜探頭探鋼焊縫時,已知有機玻璃的探頭斜楔CL1=2730m/s,鋼中橫波聲束CT2=3230m/s。λL1=CL1/f=1.1mmλT2=CT2/f=1.3mmtgβ=2β=63.4°sinα=(CL1/CT2)sinβ=0.756α=49.1°代入(1)、(2)式,計算得:β1=55.7°,β2=73.0°θ上=β2-β=9.6°θ下=β-β1=7.7°可見,超聲場存在一定的擴散角。如果忽略了擴散聲束的影響,勢必產(chǎn)生定位偏差。2分析和驗證生產(chǎn)的實踐2.18缺陷信號的出現(xiàn)位置探測條件:CTS—22型超聲波探傷儀;上述探頭;CSK-IA、CSK—ⅢA試塊;CG-85藕合劑;按垂直深度1∶1調(diào)定探傷儀。在筒體外表面進行超聲波探傷,探傷中發(fā)現(xiàn)在示波屏刻度16mm處經(jīng)常出現(xiàn)一個回波信號,而用沾藕合劑的手指在焊縫內(nèi)表面輕輕拍擊反射點,信號明顯跳動,說明不是焊縫內(nèi)部缺陷,這已多次為X射線檢驗和實際剖析所證實。如果不考慮聲束擴散的話,即只考慮中心聲束,則內(nèi)表面一次回波信號應(yīng)出現(xiàn)在22mm左右(因為要考慮焊縫余高)。這個出現(xiàn)在示波屏刻度讀數(shù)16mm處的看似缺陷回波,實際上卻不是缺陷回波的信號究竟是如何產(chǎn)生的?可從理論上加以分析。因為β1=55.7°,β=63.4°β2=73.0°聲程L1=H/cosβ1=35.5mmL=H/cosβ=44.7mm(筒體厚度H=20mm)L2=H/cosβ2=68.4mm下邊緣聲束掃到表面焊波后,如果在示波屏上出現(xiàn)回波信號,則應(yīng)出現(xiàn)在(L1/L)H≈16mm處(見圖2);上邊緣聲束掃到內(nèi)表面焊波后,如果在示波屏上出現(xiàn)回波信號,則應(yīng)出現(xiàn)在(L2/L)H≈30mm處(見圖3),這個信號初看起來,更象是缺陷回波。不過,出現(xiàn)在30mm處的信號出現(xiàn)的機率比16mm處的信號出現(xiàn)機率要小一些,因為折射角越小,越趨近于垂直內(nèi)表面。以上分析說明,在80m3貯罐的實際探傷中在示波屏刻度的16～30mm之間都有可能出現(xiàn)下表面回波信號,因此具有極大的迷惑性。實際焊縫探傷中可鉆入筒體在焊縫內(nèi)表面用沾藕合劑的手指輕輕拍擊反射點,如果信號不跳動,則這個回波信號一般是焊縫內(nèi)部缺陷;如果信號明顯跳動,則這個位于示波屏上的16mm處的回波信號只是超聲場擴散聲束的下邊緣掃到焊縫內(nèi)表面焊波而引起的前移偽缺陷信號;位于示波屏上30mm處的回波信號,可用水平定位和手指拍擊的方法判斷是焊縫內(nèi)部缺陷還是擴散聲束的上邊緣掃到焊縫內(nèi)表面焊波而引起的后移偽缺陷信號。如果判定為內(nèi)部缺陷,可用本文3.1的作圖法求出實際缺陷的真實位置?？傊?在80m3貯罐焊縫的實際探傷中用一次聲程掃查而出現(xiàn)在示波屏刻度讀數(shù)16～30mm之間的回波信號,可能是焊縫內(nèi)部缺陷信號,也可能是偽缺陷信號,究竟是內(nèi)部缺陷信號,還是超聲場擴散引起的表面回波信號(要先排除表面結(jié)構(gòu)反射信號),這要借助于超聲波探傷經(jīng)驗、不同的探傷措施和表面狀況來決定。可采用內(nèi)、外表面雙側(cè)、更換不同角度、不同頻率的探頭以及從焊接冶金過程產(chǎn)生缺陷的機理等來分析、判斷。二次聲程掃查出現(xiàn)在示波屏上的回波信號,經(jīng)與上述一次聲程掃查相同的方法進行分析和驗證,其結(jié)果與上述分析、驗證的結(jié)果一致。2.2聲束下邊緣掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號探傷儀CTS-22型,探頭K=1,K=2,13×13mm,頻率f=2.5MHz藕合劑CG-85,試塊CSK-ⅠA、CSK—ⅢA,按垂直深度1∶1調(diào)定儀器。如圖4在探傷過程中,發(fā)現(xiàn)在示波屏刻度讀數(shù)47mm處的前后出現(xiàn)一個回波信號。因為這個回波信號的位置比表面位置前移了幾個、十幾個甚至二十幾個毫米,因此一時難以判定是什么回波信號。經(jīng)過整圈探傷后發(fā)現(xiàn),這條焊縫大部分區(qū)段都出現(xiàn)這種信號,并經(jīng)過反復(fù)試驗,終于證實這個前移的信號不是缺陷信號。最后經(jīng)X射線檢驗,進一步證實了這個前移的信號不是缺陷信號而是偽缺陷信號。這個前移的信號產(chǎn)生原因分析如下:(1)K=1,tgβ=1,β=45°λL1=CL1/f=1.1mmλT2=CT2/f=1.3mmsinα=(CL1/CT2)sinβ=0.598,α=37.0°代入(1)、(2)式,計算得:β1=38.7°,β2=51.6°θ=13.0°封頭厚度H=47mm則聲束下邊緣掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生回波信號的聲程L1=H/cosβ1=60.2mm中心聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號的聲程L=H/cosβ=66.5mm上邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號的聲程L2=H/cosβ2=75.7mm這樣,下邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上(L1/L)H≈43mm處;上邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上(L2/L)H≈54mm處,與實際情況很接近。(2)K=2,tgβ=2,β=63.4°sinα=(CL1/CT2)sinβ=0.8α=49.1°λL1=CL1/f=1.1mmλT2=CT2/f=1.3mm代入(1)、(2)式,計算得:β1=55.7°,β2=73.0°θ=17.3°則聲束下邊緣掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生回波信號的聲程L1=H/cosβ1=83.4mm中心聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號的聲程L=H/cosβ=105.1mm聲束上邊緣掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生回波信號的聲程L2=H/cosβ2=160.7mm這樣,下邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上(L1/L)H≈37mm處,比中心聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上的位置47mm前移了10mm,要是不了解超聲場的擴散特性,實際探傷中,很容易將這個前移的信號當作缺陷信號而造成誤判;上邊緣聲束掃到內(nèi)表面而產(chǎn)生的回波信號出現(xiàn)在示波屏上(L2/L)H≈72mm處,比實際厚度47mm的后移量達25mm之多。從上述(1)、(2)的分析可見,擴散角越大,探測厚度越大,則表面回波信號的前移或后移量也越大,越容易造成誤判。3擴散聲束清潔缺陷的一般情況3.1中心聲束回波信號的探測投射方式的確定以上2.1、2.2分析的都是擴散聲束的上、下邊緣掃到焊縫內(nèi)表面的極端情況。以下分析聲束擴散對一般位置缺陷定位的影響。試塊上調(diào)定的儀器,在實際焊縫探傷中會產(chǎn)生定位偏差。這是由于試塊上的反射體是標準反射體,只要將聲程按中心聲束的折射角換算成垂直深度、水平距離就可以了。但是在實際焊縫中,由于缺陷表面狀況、缺陷取向很不規(guī)則,這就不僅要考慮中心聲束,還要考慮中心聲束兩側(cè)的擴散聲束的影響。雖然擴散聲束的聲壓不如中心聲束的聲壓高,但是,實際缺陷的表面狀況、缺陷取向有可能更有利于擴散聲束垂直反射或更接近于垂直反射,而彌補聲壓比中心聲束聲壓低的不足。這樣如果仍然把由擴散聲束掃查到的回波信號當作中心聲束掃查到的回波信號,于是就產(chǎn)生定位偏差。弄清了超聲場的擴散特性后就可以通過作圖法準確地確定出缺陷的真實位置。在試塊上按聲程調(diào)定探傷儀,如圖5所示,從兩個不同的方向各探測一次就能確定出缺陷位置。以第一次的探頭入射點O1為圓心,以示波屏上回波信號的聲程L1為半徑畫弧,分別與聲束上、下邊緣相交于A1、B1兩點,則缺陷的真實位置必然在A1B1這段圓弧上。再以第二次的探頭入射點O2為圓心,以示波屏上回波信號的聲程L2為半徑畫弧,分別與上、下邊緣相交于A2、B2兩點,則缺陷的真實位置又必然在A2B2這段圓弧上。這兩段圓弧必定有一個交點,即F0點,就是實際缺陷的真實位置。只要在內(nèi)、外兩個表面的任意兩個側(cè)面各探測一次,并每次在示波屏上出現(xiàn)回波信號,通過以上的作圖法就能準確地確定出實際缺陷的真實位置。(二次聲程掃查到的實際缺陷的定位,只要在一次聲程的反射點將反射聲束延長相交于一點,再以這點作為圓心,其它與一次聲程的缺陷定位法相同。)3.2度級數(shù)設(shè)某一折射角為β0的聲束掃查到某一焊縫內(nèi)部缺陷F0,在探傷儀示波屏上的深度讀數(shù)為h。雖然,聲束上、下邊緣的β2、β1通過計算能求得,但實際掃查到缺陷的聲束折射角β0是不知道的,而實際探傷中卻把折射角為β0的聲束掃查到的缺陷F0當作是被折射角為β的中心聲束掃查到的缺陷F,這就勢必造成定位偏差。(1)深度之差h值h值h示波屏上缺陷深度讀數(shù)h=聲程L0cosβ而L0=h0/cosβ0則h0=hcosβ0/cosβ示波屏上深度讀數(shù)與真實深度之差h=h-h0=(cosβ-cosβ0)h/cosβ當cosβ≥cosβ0即β0≥β時h=h-h0≥0h≥h0表示示波屏上讀數(shù)h比真實深度h0后移△h,這是中心聲束以上部分的聲束掃查到缺陷的情況。當cosβ<cosβ0即β0<β時h=h-h0<0h<h0表示示波屏上讀數(shù)h比真實深度h0前移△h,這是中心聲束以下部分的聲束掃查到缺陷的情況。(2)水平定位偏移tg缺陷距探頭入射點的水平定位距離X=htgβ缺陷距探頭入射點的真實距離X0=h0tgβ0水平距離之差△X=X-X0=htgβ-h0tgβ0=(sinβ-sinβ0)h/cosβ當β0≥β,△X≤