超声波硬度传感器在大口径管件内镀层硬度测量中的应用

　　在工业生产或国防建设中,需要对一些成品零部件进行现场无损硬度测试,传统的硬度测试方法多基于压痕法,会对被测表面产生一定程度的损伤,这些方法不适合无损检测需求,这就需要研制实用方便的新型无损测试硬度计。近十年来,无损硬度测试方法已有了重大突破。国内已研制出台式超声硬度计,但结构较复杂,不适合现场应用;在国外已经研制出便携式超声硬度计,可以方便地对材料或零部件进行无损硬度测试。目前,国内尚未发现现场便携式的硬度计。

　　1　超声波硬度传感器工作原理、特点及适用对象

　　超声波硬度传感器是利用UCI (Ultrasonic ContactImpedance)方法对维氏硬度进行评价的。其测量原理是:

　　在传感器圆形金属杆的顶端安装维氏金刚石压头,在金属杆末端加上纵向激励信号产生共振,其频率大约78 kHz。将一定大小的试验力(本方案中选9·8 N)施加在传感器上的维氏金刚石压头上,当维氏压头和被测件接触并压入其中时,金属杆的共振频率就会发生变化,这种频率的变化是压痕深度的函数。而压痕深度与材料硬度之间又有对应关系,因此测量材料硬度的问题就转化成测量频率的变化问题。与传统的硬度计相比,超声波硬度传感器具有其独特的优点:

　　1)测量速度快、测量效率高。

　　传统的台式维氏硬度计是通过将不同大小的试验力加在金刚石压头上,在被测试件上产生一个棱形压痕,再通过相应准确度的显微镜测量压痕两对角线的长度,从而查表得到所测量的维氏硬度值。超声波硬度传感器利用探头的超声波频率的变化来测量压痕深度,由于压痕深度与压痕对角线之间具有一定的数学关系,从而测量出维氏硬度值,而不需要借助显微镜,直接完成硬度测量,这就大大提高了测量的效率。

　　2)对被测试样要求低。

　　由于维氏硬度方法采用的试验力小,因而压痕尺寸极小,为了准确测量压痕对角线长度,对于被测试样表面粗糙度指标要求很苛刻,一般要求Ra≤0·05μm,而炮管等产品的表面粗糙度为Ra=1·6μm。超声波硬度法测量的是探头频率的变化,对于试样的表面光洁度要求不高。

　　3)抗干扰能力强,适于现场测量。

　　传统的维氏硬度计对工作环境要求较为严格,需要在无冲击、无振动的环境中进行。超声波硬度测量法抗干扰能力强,受周围环境的影响小,因而适合于现场测量。

　　4)应用范围广。

　　超声波传感器体积小巧、直径和长度可以根据用户的需求订制。因而便于测量特殊尺寸的试样,超声波硬度传感器适用于大型件、异型件或成品零部件的现场硬度测试,在航天、航空、机械、冶金等行业得到了广泛应用。