底面回波法探傷應(yīng)用

閔利峰

(中冶-陜壓重工設(shè)備有限公司理化室,渭南 711711)

在縱波單直探頭接觸法探傷中,表征試件內(nèi)部缺陷的參量有兩個:缺陷回波與底面回波的衰減。但由于缺陷回波法的評定對象僅限于缺陷界面的反射回波,且定量基礎(chǔ)是聲波的垂直入射和缺陷界面類似人工缺陷界面的反射特性,對于近表面缺陷、反射界面粗糙的缺陷、相對聲束傾斜分布的缺陷以及回波特征不典型的危險性缺陷的信號顯示與缺陷的真實狀態(tài)有較大出入,易導(dǎo)致誤判[1]。筆者在探傷實踐中發(fā)現(xiàn),對于試件中的上述缺陷,底面回波的衰減與缺陷的嚴重程度成正比,在縱波單直探頭接觸法探傷中,對于探傷面與底面平行或接近平行的試件,運用底面回波法配合缺陷回波法探傷,能提高檢測人員對缺陷及工件質(zhì)量評定的準(zhǔn)確性。

1 底面回波探傷原理

超聲波探傷時,透入試件的聲波在缺陷界面會產(chǎn)生反射、散射和透射,聲波能量的分配與缺陷的大小、形狀、位向、表面粗糙度及缺陷界面的往復(fù)透射率等因素有關(guān)。底面回波的衰減變化與缺陷界面的聲壓往復(fù)透射率成反比。底面回波法就是在一定靈敏度下,通過與完好部位比對,觀察缺陷處底面回波的衰減,對缺陷及工件內(nèi)在質(zhì)量進行評定的方法。實際檢測中,導(dǎo)致底面反射回波次數(shù)減少的因素除缺陷外還包括材質(zhì)衰減、擴散衰減以及工件形狀影響(曲面、傾斜面)等。

1.1 缺陷對底面回波的影響

對于單個缺陷,當(dāng)缺陷遠遠小于超聲波波長時,由于繞射現(xiàn)象,聲能在缺陷處無損耗[1],缺陷對底波反射次數(shù)無影響;當(dāng)缺陷大于1/2波長小于聲束直徑時,缺陷底波衰減量與缺陷的尺寸成正比,與缺陷處聲能的往復(fù)透射率成反比。當(dāng)缺陷大于聲束直徑時,缺陷處的底波衰減量與缺陷處聲壓的往復(fù)透射率成反比。多個缺陷對底波次數(shù)的影響可認為是許多單個缺陷作用的累加。影響缺陷處聲壓透射率的因素中對實際探傷意義較大的是缺陷的性質(zhì)、取向與位置。

1.1.1 缺陷性質(zhì)對缺陷處聲壓透射率的影響

當(dāng)異質(zhì)薄層厚度相對于脈沖寬度很窄,入射的脈沖波在此薄層的往復(fù)透射率可以按照連續(xù)波進行分析,有以下公式[2]:

式中D為聲壓透射率;m為異質(zhì)薄層與試件聲阻抗比;d為異質(zhì)薄層厚度。由式(1)可知:

(1)當(dāng)異質(zhì)薄層厚度d為 0,1/2λ,λ,3/2λ……時,聲壓透射率具有極大值,D=100%,即聲波全透射,無反射波。當(dāng)異質(zhì)薄層厚度d為 0,1/4λ,3/4λ,5/4λ……時,聲壓透射率具有極小值,D=0,即聲波全反射,無透射波。對應(yīng)于實際檢測,D=100%時,缺陷對底面回波的衰減無影響;D=0時,由于缺陷的存在而導(dǎo)致底面回波的衰減。

(2)不同性質(zhì)的缺陷其聲阻抗不同,缺陷聲阻抗與試件聲阻抗的差值越大,缺陷處的聲壓透射率就越小,從而使缺陷處的底波衰減量也就越大。就實際應(yīng)用而言,薄層厚度在探頭設(shè)計及耦合效果分析中有理論指導(dǎo)意義[1],而對缺陷回波的影響相對較小。主要因為:①自然缺陷的厚度(相當(dāng)于公式中的異質(zhì)薄層厚度)不可能均勻一致。②由傅里葉分析可知,一個周期性脈沖可分解為常數(shù)項和無限個n倍基頻的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)之和,實際檢測中使用的脈沖波頻率有一定帶寬而非單一頻率。由于以上原因,使得缺陷處的聲壓透射受缺陷厚度影響較小,而主要取決于缺陷與基體組織的聲阻抗差異。以鍛鋼件探傷為例,通常含氣體的缺陷,如裂紋、白點、縮孔以及有氣隙存在的嚴重偏析和疏松,其聲阻抗與鋼基體聲阻抗差異巨大,因此常使底面回波次數(shù)顯著減少,嚴重時底波完全消失。一般的偏析、夾雜類缺陷(缺陷與鋼基體組織結(jié)合緊密,無氣隙存在),其聲阻抗與鋼基體聲阻抗差異不大,因此對底波影響較小[2]。

1.1.2 缺陷取向與位置對聲能往復(fù)透射率的影響

當(dāng)缺陷的取向與聲波傳播方向垂直時,缺陷處的聲壓透射率與缺陷性質(zhì)密切相關(guān),此時,缺陷對底波衰減的影響與缺陷的性質(zhì)、大小密切相關(guān);與聲波方向平行時,由于邊界效應(yīng)的影響,底波也會出現(xiàn)衰減;對于聲波方向傾斜時,由于傾斜界面存在著折射、反射和波型轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,聲能分配較為復(fù)雜,缺陷處的聲壓透射率與缺陷性質(zhì)及其相對聲束的傾角有關(guān)。其他條件相同,不同取向的缺陷對底波衰減影響由大到小的排序是:垂直于聲束方向→相對聲束方向傾斜→與聲速方向平行。缺陷位置(缺陷埋深)的不同,會使同樣大小的缺陷占聲束直徑的比例不同,從而對底波的衰減影響有差異。隨著距離的增加,缺陷對底波衰減的影響減小,這是因為聲束直徑按照D6dB=D?S/4N的規(guī)律在增大。

1.2 工件形狀對底面回波的影響

1.2.1 曲面影響

對于軸和柱類實心鍛件,徑向探傷時,因耦合方式為線接觸,減小了入射波聲能,使底波次數(shù)減少,但同時,底面的鋼/空氣凹曲面對聲波有聚焦作用,使探頭接收到的聲能增加,使底波次數(shù)增多。理論上認為這兩種作用正負抵消[1]。因此對于實心軸和柱類工件,底面多次回波法也可在探傷中應(yīng)用。而對于筒形和缸體類試件,一方面,表面耦合的線接觸減小入射聲能,另一方面底面的鋼/空氣界面對聲波有發(fā)散作用,減小了探頭接收的聲能,且隨著工件曲率的增大,這一現(xiàn)象愈加明顯。因此對于這兩種類型工件,應(yīng)用底面回波法分析時應(yīng)注意缺陷部位與完好部位在結(jié)構(gòu)上的一致性。

1.2.2 傾斜界面影響

傾斜界面的工件上下表面不平行。在鋼/空氣界面上,無論試件中有無缺陷,當(dāng)工件上、下表面夾角＞12°時,底面回波已很不明顯[2],此時已無法應(yīng)用底波衰減對缺陷及試件質(zhì)量進行評估。一般認為,底面多次回波法不適用于上下表面(探測面)不平行試件的探傷。

1.3 材質(zhì)衰減對底面回波的影響

對于晶粒粗大或奧氏體鋼試件,因試件組織對聲能衰減嚴重,正常靈敏度(指探傷靈敏度當(dāng)量)下,底波衰減已經(jīng)很顯著,此類工件應(yīng)用底面回波法分析時一方面不易找到完好對比點,另一方面底波衰減由粗晶引起還是由缺陷引起不易區(qū)別,一般也不適合用底面回波法探傷。

2 底面回波法在探傷中的應(yīng)用

2.1 適用范圍

如上文所述,在縱波接觸法鍛鋼件探傷中,底面回波法可用于探測面與底面平行、工件尺寸不是很大且材質(zhì)衰減較小的餅形、方形、實心軸、柱類以及筒形和缸體類工件的探傷。

2.2 實際應(yīng)用

2.2.1 輔助當(dāng)量法探傷

可提高對缺陷定量及工件內(nèi)質(zhì)量評定的準(zhǔn)確性。在超聲探傷實際中,當(dāng)量法及測長法是對缺陷進行定量評估的主要手段。但當(dāng)量法是建立在缺陷以人工反射體形式存在,且其取向與聲波傳播方向垂直的基礎(chǔ)上,而實際缺陷的形狀復(fù)雜多樣,且與聲束方向或平行、或垂直、或傾斜,因此當(dāng)量法探傷時,對于缺陷尺寸的評估一般都小于缺陷的實際尺寸[3]。為了保證評估結(jié)果的準(zhǔn)確性,可在應(yīng)用當(dāng)量法的同時,參照缺陷對底波衰減的影響,結(jié)合缺陷的形狀和取向綜合分析,根據(jù)底波衰減的大小與缺陷當(dāng)量的對應(yīng)關(guān)系,判斷定量評估是否準(zhǔn)確反映了缺陷的真實狀況,是否需要其他方法輔助檢測。現(xiàn)行鑄、鍛件探傷標(biāo)準(zhǔn)一般都要求在對缺陷定量評估的同時,按照缺陷的底波衰減量來對工件質(zhì)量進行評定,JB/T 4730—2005《壓力容器無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)更是強調(diào)了底波衰減法在鍛件探傷中的重要作用。

2.2.2 判斷缺陷性質(zhì)

實際探傷中,缺陷性質(zhì)的判定對于保證產(chǎn)品質(zhì)量有重大意義。如前所述,鋼中的危險性缺陷,如裂紋、白點和縮孔中無一例外都含有氣體,缺陷處的聲壓透射率幾乎為零。當(dāng)缺陷較大或密集分布、埋深較淺時,常會使底波顯著衰減嚴重時,正常靈敏度下,底波消失,且提高靈敏度時,底波次數(shù)無明顯增加或不增加。根據(jù)底波衰減作出危險性缺陷的判斷時還需與以下對底波次數(shù)影響較大的因素相結(jié)合:①試件形狀及工件表面粗糙度,粗糙度越高,對底波衰減影響越大。②晶粒粗大及疏松,此兩者在降低探頭頻率時底波衰減明顯減少。結(jié)合缺陷回波法分析,晶粒粗大的波形為典型的草狀波,容易識別。而疏松多見中心疏松,有其分布特征,且多與鍛造設(shè)備能力有關(guān),可以識別。③嚴重偏析,從形態(tài)上來講當(dāng)點狀偏析密集時,因其中有氣隙存在,對底波次數(shù)影響較大,此類缺陷易與白點相混,但可綜合缺陷回波法判別,偏析缺陷波形虛幻,頂部不清,波與波之間難以分辨,再輔以橫波探傷,一般可識別。因此,在實際探傷中,當(dāng)遇到底面回波次數(shù)明顯減少時,若能排除儀器問題及以上因素,應(yīng)警惕危險性缺陷存在的可能,應(yīng)結(jié)合缺陷回波法綜合判斷。同時應(yīng)注意,在較大截面尺寸鍛件探傷中,當(dāng)缺陷距探頭較遠時,缺陷對底波衰減的影響趨于緩和,此時若見底波次數(shù)有明顯變化,應(yīng)給予足夠的重視。

3 探傷實例

筆者在檢測中遇到的幾種典型缺陷引起底波衰減的實例見圖1～5。從圖中可以看到,對于孔洞、裂紋和白點類缺陷,底波常有顯著衰減,能提供較可靠的判定信息。

4 結(jié)論

底面回波法在縱波接觸法探傷中,對于探測面與底面平行、尺寸不很大且無晶粒粗大現(xiàn)象的餅形、方塊狀、實心軸類、柱類鍛件及缸體和筒形鍛件的探傷有重要意義,對于缺陷性質(zhì)的判定,提高缺陷定量的準(zhǔn)確性,以及對于工件內(nèi)在質(zhì)量的評定有重要作用,應(yīng)作為一個重要手段,在實際探傷中與缺陷回波探傷法共同使用。

[1] 全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會.超聲波探傷[M].北京:勞動人事出版社,1989:128-132,11,20,57.

[2] 《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷[M].北京:水利水電出版社,1985:23-24,190-193,156.

[3] 將危平.超聲檢測學(xué)[M].武漢:武漢科技大學(xué)出版社,1991:78-79.