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表面SH波探伤法的开发及其应用

1前言

焊缝的超声波探伤一般都是采用横波斜探头,这种横波多数是用PZT系列压电陶瓷经过有机玻璃楔块将纵波在探测面上转换成垂直振动的横波(SV波),因为纵波能够在液体中传播,所以界面上的耦合介质可以选用各种液体。但是,在现代钢结构建筑中多采用L型坡口带垫板的T型接头,船闸、水库中使用的弧形闸门和启闭门也多是由T型焊缝和十字接头角焊缝焊接而成,薄板对接焊缝根部的Ⅰ型未焊透用一般斜探头不易检查,形状回波和缺陷回波难以区别。如果在腹梁上还有铆接之类的障碍物存在,更是妨碍斜探头的探伤,我国水电部门对T型焊缝根部未焊透间隙还有特殊要求。为解决此类问题本文介绍声波仅在近表层一定深度与表面平行传播的表面SH波探伤法,该方法与折射横波在第二介质产生大于或等于90°折射的表面波不同,表面波仅在近表层和表面上传播,传播厚度在1/4以下波长已经很弱。它与折射纵波在第二介质产生大于或等于90°折射的爬波也不同,爬波不适合于远距离探测。

2SH波的产生和界面耦合

SH波是由晶片横波入射又经楔块和界面横波折射而成,它不同于一般的斜探头纵波入射及横波折射,而在界面上作为耦合介质的液体又不能传播横波,所以耦合剂的选择是一大难题。另一个问题是:为使用方便,要求像一般斜探头那样在被检工件接触面倾斜声波射入,这个问题用一定声速和衰减小的材料做楔块即可解决。第三个问题是如何选用切变模式振动的晶片,在压电材料中选择合适的极化方向,极化后的晶片产生切变模式的振动,构成切变模式的换能器件。这方面的材料在单晶材料中有铌酸锂(LiNb03),它具有很高的居里点(1210℃),能在高温下工作,具有良好的机械性能,机械品质因数QM很高,不溶于水,化学稳定性好,在超声技术中得到广泛的应用。它是无色或略带淡绿色的透明晶体,它有4种主要切割方式,按切变模式振动的有2种:X切割和163°Y切割,有高的机电耦合系数,分别达到0.68和0.62,虽然夹在厚度方向的电场能激发2个厚度切变模式,但其中的一个比另一个强得多。这方面材料在压电陶瓷中更富有多方面的适应性,因为压电陶瓷物理性质坚硬,能够施加或承受很大应力,化学性质稳定,不受潮湿或其它大气条件的影响,制作方法压电陶瓷与绝缘陶瓷相似,几乎可以制成任何需要的形状和大小,并且极化时可以自由选择极化方向。例如锆钛酸铅系列PZT-7A相对介电常数小、老化小,选择合适的极化方向后适合于制造切变模式的换能器件。

3表面SH波探伤法和探头

3.1表面SH波探伤法

如图1所示为表面SH波探伤法的概略示意图。由探头产生横波,横波在楔块中传播至试块,在试块中一如原样的向前传播。在试块中传播的横波主要是沿试块的表面正下方与表面平行向前传播。因此对于垂直于试块表面的裂纹将有较大的回波出现。

SH波探伤法的特征主要有以下几点:①表面SH波探伤法有利于检出表层部位的缺陷。②因为横波的耦合介质问题,探头移动的扫查有困难。③应用的例子较少,不能够解析所发生的现象。④在判断缺陷的高度尺寸时,同时判断缺陷的位置(深度方向的位置)有困难。⑤由于探头中是横波,要经界面传播到试块中则信噪比差。⑥耦合介质稳定后得到重复性高的数据有困难。⑦不需要注意基本的模式变换。⑧与探伤面垂直的面状缺陷超声波正好垂直入射。

3.2表面SH波探头

这种探头的形状、构造一般和斜探头探伤时所使用的横向垂直偏振波(SV波)相同,但不同的是晶片的振动方向不同。其振动频率多采用2 MHz和5 MHz。晶片尺寸多为5 mm×5 mm。为解决此问题在探头和工件的接触面之间进行了如图2所示的改进,以保证短时间内回波高度达到稳定。

另外为了达到在楔块内既要衰减小又要防止不必要的振动会降低信噪比的目的,采用了丙烯酸树脂楔块。

3.3耦合介质

推广SH波探伤法开始最大的问题是找不到合适的耦合介质,与市售的油性耦合介质相比,采用蜂蜜或雨水对超声波的传递或获得的超声波信号的信噪比更为有用。后来开发了SH波专用的耦合介质,如后述的SHN10,并且改进了扫查操作,在使用的温度范围上注意有所区分,因为探伤灵敏度随着温度的变化有10 dB程度的变化范围。对于SH波专用的耦合介质的改进,不适合于使用不溶性介质的工件,开发了油性耦合介质。这些耦合介质的接触表面通常为钢,使其具有和水溶性耦合介质同等以上的性能。表1列出了表面粗糙度不同的工件以及表面有薄涂层的工件使用水溶性和油溶性专用耦合介质时探伤灵敏度降低的情况。

其中水溶性耦合介质对0.5 mm深的刻槽反射回波增益值为57.6 dB。高粘度油溶性耦合介质对0.5 mm刻槽反射回波的增益值为63.8 dB,低粘度油溶性耦合介质对0.5 mm刻槽反射回波的增益值为80.2 dB。可知改进型的油溶性耦合介质有良好的耦合效果。

4表面SH波探伤法对十字型焊缝根部间隙的测量

4.1测量方法

表面SH波测量用试板和狭缝间隙校准分别如图3和图4所示,试板材质SM490A,试板中两翼板和中板均厚14 mm。为了讨论根部间隙的大小,分别制作了和根部间隙相当的狭缝宽度,计有0.2 mm,3mm矩形,3 mm梯形和5 mm梯形共4种,狭缝长度均为10 mm。其中宽度为0.2 mm的狭缝在其背面用电火花加工一个 2小孔是设置 0.1 mm焊丝用的,它对狭缝面而来的回波不产生影响,因为它在狭缝的背面。0.2 mm的狭缝测量时用来调整起始位置。

表面SH波探头采用晶片为5 mm×5 mm的5SHA90探头,中心频率4.58 MHz,如图4所示,在探测距离Y为20 mm~100 mm的试板表面上确认能获得稳定的探测结果。超声波探伤仪采用SM300(岛津制作)。耦合介质采用横波耦合专用的SHN10,探伤灵敏度调整为狭缝面回波幅度的80%。Y的距离取中板表面到探头前沿的距离,图4(a)表示在20 mm~80 mm之间,中间每隔20 mm以机加工的方式制作调整用的辅助试板,便于对时间轴线进行精确调整。校准如图4(a)所示,狭缝宽度的精确值用0.2 mm狭缝校准。狭缝宽度的测量由于受Y距离测量误差的影响,如图4(b)所示,可以采用4种长度的调整板进行调整,以便于对Y距离的测量误差进行分析。在测量时如图5所示,确定脉冲波的前缘位置有一定的困难,所以取回波高度的20%作为门槛值,它和由狭缝表面反射回波前缘的垂直交点取作声束的路径W。

4.2测量结果

将距离Y由20.0 mm~80.0 mm每隔20 mm变化一级,共变化4级,这4种试板每一组可测定出4个数值,如图5所示,横轴表示探测声程W,纵轴表示回波高度。由探头到不同狭缝表面的距离为W,由探头到中板表面的距离为Y,它们之间的测量误差为0.1 mm。因为这个范围内Y距离对狭缝宽度的测定值影响很小,所以它和探头前沿到中板表面测定值是一样的。

当距离Y取40.0 mm时,在这里为了提高测量精度,对回波中心10 mm测量范围内展开后用时间轴的满屏表示,此时相对于狭缝宽度为0.2 mm的初始值,其它3个狭缝的探测距离W分别为37.1mm、36.9 mm和35.0 mm。假设狭缝的宽度为g,则Y和W的差值即超声波检测的狭缝宽度,可由下式算出:g=Y-W(1)

狭缝宽度的SH波测定值和试板解剖后的实际测定值如表2所示,由表可知,SH波测定值分别为2.9 mm、3.1 mm和5.0 mm,检测结果和实际解剖结果在±0.1 mm误差范围内完全一致。

5表面SH波探伤法的应用例

对于表面SH波探伤法和一般的斜探头探伤法相比较有以下几个优点:①垂直于探伤面的平面型缺陷比较容易检出。②探头和缺陷之间的表面上如有焊接的障碍物存在,也不影响表面SH波在近表层的传播和对缺陷回波的反射,如图6所示。③超声波的传播仅在近表面层进行。④如探头和缺陷之间的探测距离相当远,也能够获得相当清晰的缺陷反射回波。以下介绍各种焊接件探伤的应用例。

5.1T型接头L型坡口中缺陷回波的差别

建筑物用的钢结构件多采用T型接头L型坡口的焊接方式,这种方式在横波斜探头探伤法中(SV波探伤法),缺陷的反射回波和焊接部位的形状回波容易同时存在,不易判别。此时如果采用表面SH波探伤法则容易判别,如图7所示。

5.2端部固定用翼梁焊缝上未焊透缺陷的检出

建筑用钢结构在焊接部位居多的场合,为焊接加强板往往存在多条短的焊缝。为此在焊接的端部多采用钢制的翼梁,采用这种固定用钢制翼梁能够提高工作效率,改善端部形状。但是采用这种固定翼梁在焊接部位容易发生的缺陷如图8所示,缺陷集中在端部,一般用横波斜探头进行锯齿形的前后扫查,但是对于带有翼梁的构件的未焊透缺陷,除了缺陷有相当长度的以外,几乎不能够检出。

实际上用横波斜探头探伤时,是将探头置于探伤面最端部(离端部7 mm时晶片的振幅减小一半),缺陷回波的检出包括外延部分需要将探头倾斜一定的角度才能进行。但是仍不能够检出缺陷时,在距离端部50 mm的范围内,可将探伤灵敏度提高6dB进行检查。

然而对于这些缺陷,采用如图8(b)所示的表面SH波探伤法,其检出率能够大幅度的提高。统计说明,对具有端部缺陷的建筑用焊接构件30件(仅限于表面SH波探伤法)和另一批47件两次实验结果来看,表面SH波探伤法对端部缺陷的检出率分别为82.1%和84.1%,而用一般的横波斜探头探伤法(包括摆动探头角度)其有效的检出率仅有30.6%。对同一部位的缺陷用一般横波斜探头法(SV法)和表面SH波探伤法探测,超声波A型显示的两种波形如图9所示。由图9可知表面SH波探伤法有相当高的回波高度。但从超声波的波形特征来看,SH波探伤法杂波(包括楔块内回波和接触面回波)相当高。

5.3从较远距离对焊接裂纹的检出(最大距离5m)

对于钢筋水泥建筑构件和纯钢架结构建筑构件,在整体破坏性试验后所看到的损伤,多数场合是在柱和梁的接合部产生。由于这种结构破坏后内侧多有内装修材料覆盖,压力容器和管道检修时外侧也多有耐火材料覆盖,所以有时候需要远距离探测构件中的焊接缺陷。从检测的结果看,长度在几十mm程度的裂纹,从2 m以外的距离有检出的可能。对于吊装的横梁、桁架上产生的疲劳裂纹的检出,在5 m以外的距离也能够对数十毫米程度的贯穿性裂纹检出。

5.4钢板腐蚀情况的远距离侧检测

和焊缝中的裂纹用SH波远距离探伤情况相同,对钢板中腐蚀情况用SH波远距离检出,也存在这种可能性。通过对试板用机加工制造出了腐蚀模拟缺陷,并用SH波进行了试验,证明了这一点。实验条件如下:模拟试板平放时为一块左右长2000mm×前后宽1000 mm×厚度30 mm的钢板,表面SH波探头置于钢板右侧(距离右侧边沿120 mm),从前到后每50 mm一个测点,共19个测点。模拟缺陷两处在钢板左侧,分别为 200×19 mm深和 100×9.5 mm深两个盲孔,圆心均距左侧边沿400mm,距探测点1480 mm,两模拟盲孔圆心间距400mm,盲孔圆心距上下两边沿均300 mm。探测结果模拟腐蚀缺陷的回波特征为不尖锐的丛状,相对比较小,其中与附近的杂波相比,小块模拟腐蚀高出8dB,大块模拟腐蚀高出10 dB;与路径不经过模拟腐蚀缺陷的端面回波相比,小块模拟腐蚀缺陷比它低10 dB,大块模拟腐蚀缺陷比它低4 dB。

5.5薄板对接焊缝的探伤

板厚在几毫米至十几毫米的金属薄板,采用表面SH波探伤法有可能进行全部横断面的探伤检查。实际上是从薄板焊缝的某一侧面进行一组探头的全部横断面的探伤,探伤方法如图10所示,采用一组横排的表面SH波探头同时进行固定探伤,得到的是整个薄板焊缝A型显示的合成波形。由于不必进行前后移动式的扫查,这样大幅度减少了前后扫查时的数据,就手动探伤法来说,表示结果也容易理解。但是在薄板探伤时容易受到表面粗糙和涂层的影响,这是需要注意的。

6结束语

本文介绍了表面SH波探伤技术的特点,这种探头开发中晶片的种类、激化方法,楔块选取和加工中的注意事项,耦合介质的特殊性,采用表面SH波检测十字接头角焊缝对根部间隙尺寸的实验方法和实验结果,以及用表面SH波在实际构件上探伤的特殊性和应用范围。但是因为在应用上是一项新技术,有许多问题还需要进一步研究,如入射角的选取和检测的深度范围之间的关系,缺陷的定性、定量和位置确定等。

摘自:中国计量测控网


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