两种现场材料声速测量方法

　　目前国内外标准规定的材料声速测量方法均采用从被测工件上切割取样,精确测量试样厚度T和超声波在试样中的传播时间t后,根据关系式V = T/t,计算得出声速V[1]。采用该方法进行材料声速测量的前提是可以采用机械方法准确被测工件的厚度或从其上割取试样,但在现场对工件材料声速进行测量时,往往不允许对工件进行破坏性取样,而且由于工件结构等原因也不能采用机械方法测得工件壁厚,因此无法采用上述常规方法测量工件材料声速。对此,本文提出了两种在无需破坏工件及无需采用机械方法测量工件壁厚的基础上,利用普通数字式超声波探伤仪,采用双探头二次测量法和表面波法测量工件材料声速的方法,经试验及现场应用表明,其可以较为准确地测量材料声速。

　　1　双探头二次测量法

　　材料横波声速测量采用双探头二次测量法,仪器采用通用数字式超声波探伤仪。首先,选取一对规格、前沿、折射角等参数相同的斜探头在标准试块上测量延时后,将2个探头延时平均值输入数字式超声波探伤仪,双探头以一发一收方式相对置于被测工件表面(图1),得到底面一次反射回波后读取超声波在工件中传播的准确时间t1,工件中的超声横波速度计算如下:

　　式中:CS为工件中的横波声速,l1为探头间的距离,l10为探头1的前沿长度,l20为探头2的前沿长度,t1为超声横波在工件中传播的时间,h为工件厚度。

　　再选取一对规格、前沿、折射角等参数相同(与上一对探头折射角相差较大)的斜探头重复上述测量,得到底面一次反射回波后读取超声波在工件中传播的准确时间t2,则工件中的超声横波速度计算如下:

　　式中:l2为探头间的距离,l30为探头3的前沿长度,l40为探头4的前沿长度,t2为超声横波在工件中传播的时间,h为工件厚度。联解式(1)、式(2),即可得出CS。试验表明,采用该方法可以较为准确地测量材料横波声速,但2次测量时需要两对折射角有较大差异的探头,推荐分别采用折射角为45、63的探头。采用更大角度探头时,会产生工件底面回波游动范围较大而难以准确读取底面最高回波位置的现象,需多次测量后取回波位置平均值。测量时每对探头需具有相同折射角,并使声束保持在同一轴线上,否则会导致测得的横波声速值偏低。

　　2　表面波法

　　采用通用数字式超声波探伤仪进行工件材料表面波声速测量。首先将2个相同参数的表面波探头在被测工件上相对放置,保持声束在同一轴线,间距为0。调整仪器的显示范围及衰减后,屏幕上显示出表面波回波,再调整仪器闸门套住该回波,此时仪器显示的声程为2个探头入射点之间的距离。调整仪器延时,使此声程显示为0,即可消除探头内表面波的传播影响。调整表面波探头,使之在一条直线上且之间的距离为L。调整仪器输入的超声波声速值使该声程显示为L,此时输入的声速即为表面波在被测工件中的声速。试验表明,采用该方法可以较为准确地测量材料表面波声速,但需工件表面光滑。对于表面有氧化皮或表面较粗糙试样,测得的表面波速度明显小于经机加工的光滑表面试样的表面波速度,其原因为试样表面粗糙增加了表面波的传播路程,延长了传播时间,从而使计算得出的表面波的声速偏低。