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1前言 焊縫的超聲波探傷一般都是采用橫波斜探頭,這種橫波多數是用PZT系列壓電陶瓷經過有機玻璃楔塊將縱波在探測面上轉換成垂直振動的橫波(SV波),因為縱波能夠在液體中傳播,所以界面上的耦合介質可以選用各種液體。但是,在現代鋼結構建筑中多采用L型坡口帶墊板的T型接頭,船閘、水庫中使用的弧形閘門和啟閉門也多是由T型焊縫和十字接頭角焊縫焊接而成,薄板對接焊縫根部的Ⅰ型未焊透用一般斜探頭不易檢查,形狀回波和缺陷回波難以區別。如果在腹梁上還有鉚接之類的障礙物存在,更是妨礙斜探頭的探傷,我國水電部門對T型焊縫根部未焊透間隙還有特殊要求。為解決此類問題本文介紹聲波僅在近表層一定深度與表面平行傳播的表面SH波探傷法,該方法與折射橫波在第二介質產生大于或等于90°折射的表面波不同,表面波僅在近表層和表面上傳播,傳播厚度在1/4以下波長已經很弱。它與折射縱波在第二介質產生大于或等于90°折射的爬波也不同,爬波不適合于遠距離探測。 2SH波的產生和界面耦合 SH波是由晶片橫波入射又經楔塊和界面橫波折射而成,它不同于一般的斜探頭縱波入射及橫波折射,而在界面上作為耦合介質的液體又不能傳播橫波,所以耦合劑的選擇是一大難題。另一個問題是:為使用方便,要求像一般斜探頭那樣在被檢工件接觸面傾斜聲波射入,這個問題用一定聲速和衰減小的材料做楔塊即可解決。第三個問題是如何選用切變模式振動的晶片,在壓電材料中選擇合適的極化方向,極化后的晶片產生切變模式的振動,構成切變模式的換能器件。這方面的材料在單晶材料中有鈮酸鋰(LiNb03),它具有很高的居里點(1210℃),能在高溫下工作,具有良好的機械性能,機械品質因數QM很高,不溶于水,化學穩定性好,在超聲技術中得到廣泛的應用。它是無色或略帶淡綠色的透明晶體,它有4種主要切割方式,按切變模式振動的有2種:X切割和163°Y切割,有高的機電耦合系數,分別達到0.68和0.62,雖然夾在厚度方向的電場能激發2個厚度切變模式,但其中的一個比另一個強得多。這方面材料在壓電陶瓷中更富有多方面的適應性,因為壓電陶瓷物理性質堅硬,能夠施加或承受很大應力,化學性質穩定,不受潮濕或其它大氣條件的影響,制作方法壓電陶瓷與絕緣陶瓷相似,幾乎可以制成任何需要的形狀和大小,并且極化時可以自由選擇極化方向。例如鋯鈦酸鉛系列PZT-7A相對介電常數小、老化小,選擇合適的極化方向后適合于制造切變模式的換能器件。 3表面SH波探傷法和探頭 3.1表面SH波探傷法 如圖1所示為表面SH波探傷法的概略示意圖。由探頭產生橫波,橫波在楔塊中傳播至試塊,在試塊中一如原樣的向前傳播。在試塊中傳播的橫波主要是沿試塊的表面正下方與表面平行向前傳播。因此對于垂直于試塊表面的裂紋將有較大的回波出現。 SH波探傷法的特征主要有以下幾點:①表面SH波探傷法有利于檢出表層部位的缺陷。②因為橫波的耦合介質問題,探頭移動的掃查有困難。③應用的例子較少,不能夠解析所發生的現象。④在判斷缺陷的高度尺寸時,同時判斷缺陷的位置(深度方向的位置)有困難。⑤由于探頭中是橫波,要經界面傳播到試塊中則信噪比差。⑥耦合介質穩定后得到重復性高的數據有困難。⑦不需要注意基本的模式變換。⑧與探傷面垂直的面狀缺陷超聲波正好垂直入射。 3.2表面SH波探頭 這種探頭的形狀、構造一般和斜探頭探傷時所使用的橫向垂直偏振波(SV波)相同,但不同的是晶片的振動方向不同。其振動頻率多采用2 MHz和5 MHz。晶片尺寸多為5 mm×5 mm。為解決此問題在探頭和工件的接觸面之間進行了如圖2所示的改進,以保證短時間內回波高度達到穩定。 另外為了達到在楔塊內既要衰減小又要防止不必要的振動會降低信噪比的目的,采用了丙烯酸樹脂楔塊。 3.3耦合介質 推廣SH波探傷法開始最大的問題是找不到合適的耦合介質,與市售的油性耦合介質相比,采用蜂蜜或雨水對超聲波的傳遞或獲得的超聲波信號的信噪比更為有用。后來開發了SH波專用的耦合介質,如后述的SHN10,并且改進了掃查操作,在使用的溫度范圍上注意有所區分,因為探傷靈敏度隨著溫度的變化有10 dB程度的變化范圍。對于SH波專用的耦合介質的改進,不適合于使用不溶性介質的工件,開發了油性耦合介質。這些耦合介質的接觸表面通常為鋼,使其具有和水溶性耦合介質同等以上的性能。表1列出了表面粗糙度不同的工件以及表面有薄涂層的工件使用水溶性和油溶性專用耦合介質時探傷靈敏度降低的情況。 其中水溶性耦合介質對0.5 mm深的刻槽反射回波增益值為57.6 dB。高粘度油溶性耦合介質對0.5 mm刻槽反射回波的增益值為63.8 dB,低粘度油溶性耦合介質對0.5 mm刻槽反射回波的增益值為80.2 dB。可知改進型的油溶性耦合介質有良好的耦合效果。 4表面SH波探傷法對十字型焊縫根部間隙的測量 4.1測量方法 表面SH波測量用試板和狹縫間隙校準分別如圖3和圖4所示,試板材質SM490A,試板中兩翼板和中板均厚14 mm。為了討論根部間隙的大小,分別制作了和根部間隙相當的狹縫寬度,計有0.2 mm,3mm矩形,3 mm梯形和5 mm梯形共4種,狹縫長度均為10 mm。其中寬度為0.2 mm的狹縫在其背面用電火花加工一個 2小孔是設置 0.1 mm焊絲用的,它對狹縫面而來的回波不產生影響,因為它在狹縫的背面。0.2 mm的狹縫測量時用來調整起始位置。 表面SH波探頭采用晶片為5 mm×5 mm的5SHA90探頭,中心頻率4.58 MHz,如圖4所示,在探測距離Y為20 mm～100 mm的試板表面上確認能獲得穩定的探測結果。超聲波探傷儀采用SM300(島津制作)。耦合介質采用橫波耦合專用的SHN10,探傷靈敏度調整為狹縫面回波幅度的80%。Y的距離取中板表面到探頭前沿的距離,圖4(a)表示在20 mm～80 mm之間,中間每隔20 mm以機加工的方式制作調整用的輔助試板,便于對時間軸線進行精確調整。校準如圖4(a)所示,狹縫寬度的精確值用0.2 mm狹縫校準。狹縫寬度的測量由于受Y距離測量誤差的影響,如圖4(b)所示,可以采用4種長度的調整板進行調整,以便于對Y距離的測量誤差進行分析。在測量時如圖5所示,確定脈沖波的前緣位置有一定的困難,所以取回波高度的20%作為門檻值,它和由狹縫表面反射回波前緣的垂直交點取作聲束的路徑W。 4.2測量結果 將距離Y由20.0 mm～80.0 mm每隔20 mm變化一級,共變化4級,這4種試板每一組可測定出4個數值,如圖5所示,橫軸表示探測聲程W,縱軸表示回波高度。由探頭到不同狹縫表面的距離為W,由探頭到中板表面的距離為Y,它們之間的測量誤差為0.1 mm。因為這個范圍內Y距離對狹縫寬度的測定值影響很小,所以它和探頭前沿到中板表面測定值是一樣的。 當距離Y取40.0 mm時,在這里為了提高測量精度,對回波中心10 mm測量范圍內展開后用時間軸的滿屏表示,此時相對于狹縫寬度為0.2 mm的初始值,其它3個狹縫的探測距離W分別為37.1mm、36.9 mm和35.0 mm。假設狹縫的寬度為g,則Y和W的差值即超聲波檢測的狹縫寬度,可由下式算出:g=Y-W(1) 狹縫寬度的SH波測定值和試板解剖后的實際測定值如表2所示,由表可知,SH波測定值分別為2.9 mm、3.1 mm和5.0 mm,檢測結果和實際解剖結果在±0.1 mm誤差范圍內完全一致。 5表面SH波探傷法的應用例 對于表面SH波探傷法和一般的斜探頭探傷法相比較有以下幾個優點:①垂直于探傷面的平面型缺陷比較容易檢出。②探頭和缺陷之間的表面上如有焊接的障礙物存在,也不影響表面SH波在近表層的傳播和對缺陷回波的反射,如圖6所示。③超聲波的傳播僅在近表面層進行。④如探頭和缺陷之間的探測距離相當遠,也能夠獲得相當清晰的缺陷反射回波。以下介紹各種焊接件探傷的應用例。 5.1T型接頭L型坡口中缺陷回波的差別 建筑物用的鋼結構件多采用T型接頭L型坡口的焊接方式,這種方式在橫波斜探頭探傷法中(SV波探傷法),缺陷的反射回波和焊接部位的形狀回波容易同時存在,不易判別。此時如果采用表面SH波探傷法則容易判別,如圖7所示。 5.2端部固定用翼梁焊縫上未焊透缺陷的檢出 建筑用鋼結構在焊接部位居多的場合,為焊接加強板往往存在多條短的焊縫。為此在焊接的端部多采用鋼制的翼梁,采用這種固定用鋼制翼梁能夠提高工作效率,改善端部形狀。但是采用這種固定翼梁在焊接部位容易發生的缺陷如圖8所示,缺陷集中在端部,一般用橫波斜探頭進行鋸齒形的前后掃查,但是對于帶有翼梁的構件的未焊透缺陷,除了缺陷有相當長度的以外,幾乎不能夠檢出。 實際上用橫波斜探頭探傷時,是將探頭置于探傷面最端部(離端部7 mm時晶片的振幅減小一半),缺陷回波的檢出包括外延部分需要將探頭傾斜一定的角度才能進行。但是仍不能夠檢出缺陷時,在距離端部50 mm的范圍內,可將探傷靈敏度提高6dB進行檢查。 然而對于這些缺陷,采用如圖8(b)所示的表面SH波探傷法,其檢出率能夠大幅度的提高。統計說明,對具有端部缺陷的建筑用焊接構件30件(僅限于表面SH波探傷法)和另一批47件兩次實驗結果來看,表面SH波探傷法對端部缺陷的檢出率分別為82.1%和84.1%,而用一般的橫波斜探頭探傷法(包括擺動探頭角度)其有效的檢出率僅有30.6%。對同一部位的缺陷用一般橫波斜探頭法(SV法)和表面SH波探傷法探測,超聲波A型顯示的兩種波形如圖9所示。由圖9可知表面SH波探傷法有相當高的回波高度。但從超聲波的波形特征來看,SH波探傷法雜波(包括楔塊內回波和接觸面回波)相當高。 5.3從較遠距離對焊接裂紋的檢出(最大距離5m) 對于鋼筋水泥建筑構件和純鋼架結構建筑構件,在整體破壞性試驗后所看到的損傷,多數場合是在柱和梁的接合部產生。由于這種結構破壞后內側多有內裝修材料覆蓋,壓力容器和管道檢修時外側也多有耐火材料覆蓋,所以有時候需要遠距離探測構件中的焊接缺陷。從檢測的結果看,長度在幾十mm程度的裂紋,從2 m以外的距離有檢出的可能。對于吊裝的橫梁、桁架上產生的疲勞裂紋的檢出,在5 m以外的距離也能夠對數十毫米程度的貫穿性裂紋檢出。 5.4鋼板腐蝕情況的遠距離側檢測 和焊縫中的裂紋用SH波遠距離探傷情況相同,對鋼板中腐蝕情況用SH波遠距離檢出,也存在這種可能性。通過對試板用機加工制造出了腐蝕模擬缺陷,并用SH波進行了試驗,證明了這一點。實驗條件如下:模擬試板平放時為一塊左右長2000mm×前后寬1000 mm×厚度30 mm的鋼板,表面SH波探頭置于鋼板右側(距離右側邊沿120 mm),從前到后每50 mm一個測點,共19個測點。模擬缺陷兩處在鋼板左側,分別為 200×19 mm深和 100×9.5 mm深兩個盲孔,圓心均距左側邊沿400mm,距探測點1480 mm,兩模擬盲孔圓心間距400mm,盲孔圓心距上下兩邊沿均300 mm。探測結果模擬腐蝕缺陷的回波特征為不尖銳的叢狀,相對比較小,其中與附近的雜波相比,小塊模擬腐蝕高出8dB,大塊模擬腐蝕高出10 dB;與路徑不經過模擬腐蝕缺陷的端面回波相比,小塊模擬腐蝕缺陷比它低10 dB,大塊模擬腐蝕缺陷比它低4 dB。 5.5薄板對接焊縫的探傷 板厚在幾毫米至十幾毫米的金屬薄板,采用表面SH波探傷法有可能進行全部橫斷面的探傷檢查。實際上是從薄板焊縫的某一側面進行一組探頭的全部橫斷面的探傷,探傷方法如圖10所示,采用一組橫排的表面SH波探頭同時進行固定探傷,得到的是整個薄板焊縫A型顯示的合成波形。由于不必進行前后移動式的掃查,這樣大幅度減少了前后掃查時的數據,就手動探傷法來說,表示結果也容易理解。但是在薄板探傷時容易受到表面粗糙和涂層的影響,這是需要注意的。 6結束語 本文介紹了表面SH波探傷技術的特點,這種探頭開發中晶片的種類、激化方法,楔塊選取和加工中的注意事項,耦合介質的特殊性,采用表面SH波檢測十字接頭角焊縫對根部間隙尺寸的實驗方法和實驗結果,以及用表面SH波在實際構件上探傷的特殊性和應用范圍。但是因為在應用上是一項新技術,有許多問題還需要進一步研究,如入射角的選取和檢測的深度范圍之間的關系,缺陷的定性、定量和位置確定等。 摘自：中國計量測控網
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