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碳精棒超声波探伤方法及工艺研究

碳精棒是一种非金属材料,在电炉炼钢中是一种重要的消耗材料。它的晶粒粗大,分子间隙较大,表面较粗糙。其常见缺陷是气孔,夹渣和裂纹。本文从NDT方面来探讨其检测方法和探伤工艺。根据无损检测的理论基础可知:涡流探伤、磁粉探伤、渗透探伤均不适合对碳精棒进行检测,而使用X射线,因碳精主要成分是碳元素,它对X射线吸收系数极小,易产生康普顿散射,又因其晶粒粗,分子间隙大,缺陷在底片上的灵敏度极低,所以漏检率很高,也不适合对其检验。

根据碳精棒的特点,从超声波理论和石墨碳衰减的频率特性曲线可知,只要解决了设备问题、超声波在传播过程中的衰减问题和超声波探伤的耦合问题,使用超声波检测碳棒是完全可行的。

1设备及材料

● 100 50碳精棒

●CTS-25型非金属超探仪

●探头三种:50KC-28100KC-40250KC-40

●耦合方式:高致密度薄膜、机油、甘油

●环氧树脂和乙二胺制作的延迟块

2实验方法

2.1延迟块

因使用探头直径较大,材料曲率较大,探头与棒材直接接触面较小,声能损失较多,易激发表面复型波,使用延迟块可以大大缩减近场区,使声能较集中,同时避免变形波。如图1。

50KC-28h=λ/2=29 mm

100KC-40h=λ/2=14.5 mm

250KC-40h=λ/2=5.8 mm

当h=nλ/2时,超声波的透过率最大。

2.2试块制作

在工件无缺陷部位截取3~5节试棒,规格 50×70 mm,采用中间疏、周边密集和1/5R间距原则,钻 3×30 mm长横孔,其钻孔理论推导较繁,故本文不赘述(图2),同时制作DAC曲线。

2.3声速测定

利用CTS-25型时间读数装置,取一试样 50×100 mm,用50KC-28探头,测量超声波通过试样时间,并计算声速(见表1)。

△T=T2-T1(1)

式中T1—两探头相接,超声波不通过碳棒的时间

T2—两探头通过碳棒对接超声波通过碳棒的时间

△T—超声波在碳棒中传播时间

C=L/△T(2)

式中C—声速,m/s

L—试件长度,mm

2.4材料衰减系数α的测定

将发射和接收探头对接,调节衰减器,使基准为80%满刻度,读出dB1;再将两探头通过试棒,使接收波仍调到80%满刻度,读出dB2,然后计算出α如下(见表2):

α= (dB1 -dB2)/L(3)

式中α—超声波在碳棒中传播时的衰减系数,dB/mm

dB1—两探头不通过碳棒对接的接受声压

dB2—两探头通过碳棒对接时的接受声压

L—碳棒长度,mm

2.5频率及探头选择原则

根据石墨碳的频率特性曲线(见图3),最好用16-200 kHz频率探头,探头尺寸大,通过材料的声能也大,频率高,扩散角θ小,指向性好,发现远距离小缺陷的能力高,但近场长度较长。本文所使用的三种探头的α、β、θ、N计算如下(见表3):

N=D2/4λ(4)

式中N—近场区长度

D—探头晶片直径

λ—波长

θ= 29λ/D(5)

式中θ—半扩散角

λ=C/f(6)

式中C—声速

f—探头振动频率

sinα=d/2R(7)

式中α—入射角

R—探头晶片半径

sinβ= sinα×C碳/C环(8)

式中β—折射角

C环—超声波在环氧树脂中的声速

C碳—碳棒中的声速

2.6“孔深—声压”曲线制作

将两探头中心对准试棒不同孔深同一直径长横孔,调节仪器,使接收的声波为80%满刻度,测量声压值(表4)。其孔深与声压曲线图见图4。

同理:可做不同的探头,不同孔径;或相同的孔径,不同的探头;或相同的探头,不同的孔径的孔深—声压曲线。

2.7“孔径—声压曲线”制作

将两探头中心对准同一深度位置不同孔径的长横孔测量其穿透声压调节仪器,使透过波声压为80%满刻度,测量声压值(表5),并用坐标表示出来(图5)。

同理:可做不同探头,不同孔位;或相同探头,不同孔位;或不同探头,相同孔位的“孔径—声压”曲线。

3探伤工艺

根据检测的碳棒的规格尺寸,选择恰当的探头,浇铸相应的延迟块,调整好仪器的扫描线,选择恰当的试块,进行穿透法超声波探伤。同时,缺陷信号参照“孔深—声压曲线”、“孔径—声压曲线”进行定量比较。

4结论与应用

通过上述理论分析和实验验证,在本文条件下利用50KC-28探头能够发现 1×30 mm的长横孔,它与平底孔的当量为: 长=π2× 4平/2λ2x即: 平=5 mm

采用100KC-40探头,可发现 1.5×30 mm长横孔,它与平底孔当量为: 长=π2× 4平/2λ2x即: 平=4 mm

采用250KC-40探头,可发现 2×30 mm长

横孔,它与平底孔当量为: 长=π2× 4平/2λ2x即: 平=3 mm

本方法采用一发一收穿透法探伤,无始脉冲展宽等因素的影响,且杂波少,对缺陷回波的分辨容易,不易产生误判和漏判,为现场探伤人员提供了有利条件。

碳精棒是一种非金属材料,广泛应用于炼钢厂和电池生产厂,但是,目前尚无国家标准或其他行业标准对其无损检测方法和结论进行规定,而是采用破坏性抽样检测,对材料是一个损失,结论也不够准确。通过上述实验和一些理论探讨得出的结论在一些工厂中得到应用,对碳精棒的质量控制起到了一定的作用,但是,对它的研究还远远不够,本文只是起到一个抛砖引玉的作用。

5误差分析

●由于探头直径大,声速较宽,探伤灵敏度较低。

●表面状态的不圆度以及耦合困难,造成超声波入射界面上的声能损失较大。

●延迟块弧顶的轴线与上平面不平行,也是造成误差的一个因素。

●工作人员操作时,因探头相互未在正面中心,以及其它人为因素,也是造成误差的原因之一。

摘自:中国计量测控网


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