埋藏裂纹高度的超声无损测定

　　1　前言

　　在役零件和焊接构件不同程度地存在着裂纹类缺陷,断裂力学研究证明,带有尖锐边缘的平面缺陷(如裂纹)危险性最大,导致的后果往往是灾难性的,同时还证明了受压零件中裂纹型缺陷距表面及其他缺陷的距离等都是关键性的尺寸,而平行于零件表面的裂纹长度是次要的。据统计,锅炉压力容器的损坏大部分是由于零件内部裂纹扩展所致,英国曾对10万个压力容器进行调查,发现由于裂纹扩展所造成的破坏占总数的89·3%,因此对裂纹的检测和对裂纹类缺陷的高度进行精确测量,是运用断裂力学进行在役零件寿命评估的前提,也是评估正确与否的基础^[1]。而埋藏型裂纹由于其隐蔽性,如果不及时进行检测和测量,造成的后果往往是不可预知的,因此对埋藏裂纹的高度进行测量就显得尤为重要。

　　目前运用超声测定埋藏裂纹高度的常用方法主要有横波串列式双探头法、相对灵敏度法(包括6dB,20 dB法)、端点衍射波法、端点反射回波法。然而,横波串列式双探头法操作复杂,回波难以确认;相对灵敏度法测得的高度值是裂纹高度的指示值,与实际值有较大的误差;端点衍射波法由于衍射波的强度很弱,往往难以发现,对仪器的精度要求较高[^2]。相对于以上几种方法,端点反射回波法(以下简称端点反射法)是较为可行的方法。本文对端点反射法及波型转换法进行了介绍,且用试验验证了其可行性和测量的精确度。

　　2　测量原理

　　2·1　端点反射法测量原理

　　当超声波入射到裂纹端部时,有一部分将沿着原路反射,称为端部反射波;由惠更斯原理,横波在裂纹尖端会形成次波源而产生衍射,称为端部衍射波;如果端部有一反射面与入射波方向垂直,则反射波的强度很大,衍射波强度减弱甚至消失。端点反射法就是依据此来测量裂纹的高度[3]。如图1所示,垂直于表面的埋藏裂纹高度为h,裂纹端部与根部的声程为w1和w2,探头折射角为β,工件高度为T,则:

　　准确测定声程和探头的折射角(或探头K值)及工件厚度,就可以准确地计算出裂纹高度h。

　　2·2　波型转换法测量原理

　　如图3所示,当超声波入射到裂纹型缺陷的端部时,一部分沿原路返回从而被探头接收到(S波),一部分发生波型转换,变为表面波,并沿着裂纹平面

　　传播;当到达裂纹的根部时,一部分被直接反射沿裂纹高度方向反向传播,另一部分在裂纹根部尖端处绕射,也沿着裂纹高度方向反方向传播,两者到达裂纹顶端时再次发生波型转换并被探头所接收到(R波),由于裂纹的宽度很小,因此两种表面波沿裂纹方向的传播时间认为是相同的。因此在探伤仪上所接收到的只有一次R波,探伤仪上显示的S波在R波之前(如图4所示),如果将仪器的时间基准设置为入射横波的速度,则裂纹的高度H可以由下式确定^[4]: