锻件超声检测中的几个问题

关云峰

(中国第一重型机械股份公司重装技术质量部，黑龙江161042)

作者简介：关云峰(1956—)，男，高级工程师。主要从事机械制造业NDT工作。

1 检测核电RPV中子测量管

1.1 方法原理

该管规格为∅45.5 mm×∅15.5 mm，材质为不锈钢，人工反射体为管内、外表面纵向60°V形槽，槽深为0.43 mm±0.04 mm。由于t(壁厚)/D(外径)= 15 mm/45.5 mm=0.33>0.263(0.23

1.2 检测试验

1.2.1 仪器、探头

CTS-22检测仪，探头为4 MHz、∅16 mm直径、水中线聚焦、焦距50 mm。

1.2.2 参数设计、计算

(1)符号意义及几何分析见图1，求L、S、X、H值。

求L：参看图1，由正弦定理得：

r/Sinβ2=R/Sin90°

β2=19.9°

由波型转换与反射、折射定律得[1]：

Sinθ÷(5 800×103)mm/s(工件纵波声速)= Sinβ2÷(3 230×103)mm/s(工件横波声速)

θ=37.7°=β1(等腰三角形两个底角)

由正弦定理得：

L/Sin(180-θ-β1)=R/Sinθ

L=36.1 mm

求S：由正弦定理得：

r/Sinβ2=S/Sin(90°-β2)

S=21.4 mm

求X：由图1及波型转换与反射、折射定律得[1]：

Sinα=X/R

Sinα÷(1 470×103)mm/s(水声速)=

Sinβ1÷(5 800×103)mm/s

X= 3.5 mm

选择：H= 30 mm。

(2)计算界面波，纵波、横波槽反射传播时间，以便确定各反射波在示波屏的显示位置。

水/钢界面两次回波的时间间隔(单程)为：30 mm÷(1 470×103) mm/s=20.4 μs。

工件中纵波传播的时间(单程)为：36.1 mm÷(5 800×103) mm/s=6.2 μs

工件中横波传播的时间(单程)为：21.4 mm÷(3 230×103) mm/s= 6.6 μs

工件中纵波、横波总传播时间(单程)为：6.2 μs+6.6 μs = 12.8 μs

由此可确定管内、外壁槽反射波在示波屏时间位置如图2。

1.2.3 灵敏度调节及扫查

调水层厚度至30 mm，并调整探头聚焦线与试块切槽方向平行，用扫查架旋钮调整偏心距至

X—偏心距 H—水层厚度 S—横波声程L—纵波声程 r—管内径 R—管外径图1 水浸检测Figure 1 Water immersion test

图2 槽反射位置及灵敏度调节Figure 2 Notch reflection position and sensitivity adjustment

3.5 mm左右。缓慢旋转试管至内、外壁槽反射出现在如图2所示的时基处。调节内外壁槽反射高度约50%FSH，以此作为扫查灵敏度。分别按顺时针、逆时针方向旋转工件，以不少于20%的扫查覆盖率对工件进行扫查。

2 小角度探头的时基校准方法

2.1 意义

为了使声束周向扫查到筒形工件内孔面，有些工件须使用小角度(横波折射角小于33.2°)斜波束探头检测。由于工件中同时存在纵波和横波，如图3所示，使得时基校准变得复杂，下述方法有效解决了这一问题。

2.2 测折射角

按常规方法确定探头的入射点后，在v形槽试块上测折射角。同一探头在铁素体钢中产生的纵波折射角约为横波折射角的2倍，常用小角度探头折射角如下：

βs= 20°

则βl= arc sin (5 920/3 230×sin 20°)= 39°

βs= 25°

则βl= arc sin (5 920/ 3 230×sin 25°)= 51°

βs= 30°

则βl= arc sin (5 920/3 230×sin 30°)= 66°

(1)测横波折射角

选择槽试块，如图4。在试块上找出位置 1(最大反射波高处)，测出Ps及T的尺寸，求出折射角：

βs= arc tgPs/T

由于Psβs，故可知βs为横波折射角。

(2)测纵波折射角

如图4，找出位置2(最大反射波高处)，测出Pl，求出折射角：

βl= arc tgPl/T

可知βl为纵波折射角。

图3 工件中同时存在纵波(L)及横波(S)Figure 3 Longitudinal wave (L) and shear wave(S) occurred inworkpiece at the same time

图4 测探头折射角Figure 4 Refraction angles of probes

2.3 USN60数字仪器的时基校准

输入探头的标称角度后，在CSK-ⅠA试块R100 mm处前后移动探头，找出最高反射波。由于Cl(纵波声速)>Cs( 横波声速)，因此在相同声程(100 mm)处，显示屏左侧第一个最大反射波即为纵波反射，第二个较高反射波为横波反射，见图5。

同理，在CSK-ⅠA试块R50 mm处前后移动探头，荧光屏左侧第一个最高反射波即为纵波反射。由于横波反射较低，难于分辨，可以这样确定：先在仪器小读取框中读出纵波声程值，然后在纵波右侧用闸门寻找横波并在小读取框中读出其声程值，将纵波与选取的横波声程值进行比较。设横波的传播时间为Ts， 纵波的传播时间为Tl， 则有：

Cl×Tl=Cs×Ts= 50 mm

Ts/Tl=Cl/Cs= 5 920 m/s ÷ 3 230m/s = 1.83

即声程相同时，横波所用时间为纵波所用时间的1.83倍。通过两波声程值的比是否为1.83，即可确定横波反射波。见图6。

找到了声程100 mm及声程50 mm的两组波(纵波及横波)后，即可对仪器进行相应的时基校准。通过校准后仪器显示的声速值(Cl约在5 920 m/s ，Cs约在3 230m/s) 亦可确认探头标称的是纵波折射角度还是横波折射角度。

图5 用CSK-ⅠA试块对声程100 mm处纵波、横波位置的确定Figure 5 The confirmation of longitudinal wave and shear wave positions located at 100 mm of acoustic range by CSK-ⅠA test piece

图6 用CSK-ⅠA试块对声程50mm处纵波、横波位置的确定Figure 6 The confirmation of longitudinal wave and shear wave positions located at 50 mm of acoustic range by CSK-ⅠA test piece

3∅2mm横孔、60°V型槽、矩形槽DAC曲线灵敏度试验对比

3.1 意义

核电锻件斜波束检测时，经常使用的人工反射体是∅2 mm横孔、槽深为3%工件厚度的60°V型槽、1.5 mm深×1 mm宽矩形槽。三种反射体的灵敏度比较，对实际检测有一定意义。

3.2 检测试验

(1)设备

仪器：USN60；探头：WB45-2E；耦合剂：HD-UG。对比试块：两试块材质及热处理状态、表面状态均相同，如图7所示。

(2)试验方法

调整矩形槽一次反射约为80%FSH(满屏)。在此灵敏度下，分别制作∅2 mm横孔、V型槽、矩形槽DAC曲线，并绘制在同一坐标纸上，见图8。

3.3 结论

从图8可以看出，对于WB45-2E探头，在156 mm深度范围内，∅2 mm横孔的曲线灵敏度最高，1.5 mm深×1 mm宽矩形槽的曲线灵敏度最低。

4 不同槽深处60°V型槽曲线灵敏度试验对比

4.1 意义

了解2MHz-45°探头检测时，60°V型槽深与反射波高度的关系。

图7 矩形槽、V形槽、∅2 mm横孔试块(材质：16MND5)Figure 7 Specimens with rectangular notches, V shaped notches and ∅2mm cross bore (material: 16MND5)

图8 矩形槽、V形槽、∅2 mm横孔曲线灵敏度比较Figure 8 Curve sensitivities comparison of rectangular notches,V shaped notches and ∅2mm cross bore

16个60℃V形槽深度如下(单位为mm)：①t=4.8 ②t=3.6 ③t=3.9 ④t=2.7⑤t=261 ⑥t=1 ⑦t=1.5 ⑧t=2.0⑨t=2.5 ⑩t=3.0 ⑾t=3.5 ⑿t=4.0⒀t=4.5 ⒁t=5.0 ⒂t=5.5 ⒃t=6.0

图9 不同槽深试块(材质：16MND5)
Figure 9 Specimens with different notch depths (material: 16MND5)

4.2 试验方法

仪器校准后，选择适宜的灵敏度(固定仪器dB数)，分别在不同槽深的60°V型槽试块上(试块见图9)测试，测试数据见表1，并将DAC曲线绘制在坐标纸上(见图10)。

4.3 曲线灵敏度分析及结论

从试验结果表1及图10可看出：

1)反射波最高的为t=1 mm槽，其次是t=1.5 mm槽。反射波最低的是t=2 mm槽。反射波高度变化与V形槽深度的变化无可遵循的数学表达式。

图10 不同槽深(单位为mm)DAC曲线Figure 10 DAC curves of different notch depths (mm)

槽深 t/mm一次波平均反射高度/(%FSH)二次波平均反射高度/(%FSH)试 验 条 件11.522.533.544.555.569170.54046.5585954.548.5515055.53326.5151923.522.52119192020(1)设备:仪器USN60、探头WB45-2E、耦合剂UD-UG(2)环境温度:温度约10℃(3)仪器总dB数:45.6注:反射体为60°V形槽,反射点为高点。

2)t=2.5 mm、t=4.5 mm、t=5.5 mm、t=5 mm、t=4 mm、t=6 mm、t=3 mm、t=3.5 mm的一簇曲线灵敏度相差很小。表1数据t=2.5 mm槽，一次反射为46.5%FSH，在此簇曲线中反射最低。t=3.5 mm槽，一次反射为59%FSH，在此簇曲线中一次反射最高。则曲线灵敏度差计算如下： 20lg(59/46.5) ≈ 2dB

即此簇DAC曲线灵敏度最多相差2 dB。

[1] 中国特种设备检验协会编.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008：246.