（光学工程专业论文）压力容器堆焊层下微裂纹超声波检测技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文讨论了金属容器内壁耐腐蚀性奥氏体堆焊层下微裂纹的超声波检测技术。 由于堆焊层的材料性能和结梅，超声声束在堆焊层中传播时会出现波束扭曲，超声 声束方向发生偏转，同时超声波在堆焊层传播时出现较大的散射波，产生较大的噪 声信号，导致超声能量衰减，使得检测灵敏度下降，特射是对堆焊层下的微裂纹的 检测能力低下，同时缺陷的准确定位和定量也较为困难。 本课题对超声声束在堆焊层及层下区域的传播特性进行详细地分析，并根据理 论分析的结果，研制了超声波堆焊层微裂纹下的检测探头，通过大量的实验测试和 研究，形成了有效的堆焊层下微裂纹的定量技术。在超声波检测技术中，纵波在 4 0 0 - 5 0 0 时扭曲较小，有利于超声波的定量和定位将堆焊层下微裂纹的检测分为缺 陷的检出和缺陷的定量具有较好的针对性采用由复合晶片制作的双晶纵波窄脉冲 聚焦超声波探头可以较好地解决堆焊层下微裂纹超声检测中的问题。对于裂纹的检 出采用7 0 0 双晶纵波探头具有较高的检测灵敏度。而对于裂纹的定量采用尖端衍射技 术并采用4 5 0 双晶纵波探头具有较高的准确性采用该检测技术可以形成有效的堆焊 层下微裂纹的定量技术，特别是高度测量技术，对堆焊层下微裂纹可准确损4 量的高 度最小可达5 m m 。 对于堆焊层下微裂纹的检测，采用超声波检测技术可以得至4 较好的结果，提高 了对堆焊层下微裂纹的检测与定量能力该检测技术具有实际的应用价值，可以直 接应用于容器堆焊层的检测中 关键诃：超声检测技术、堆焊层下裂纹、尖端衍射技术、定量 华中葶辜技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e su l w a s o n i ed e t e c f i o na n ds i z i n gt e c h n i q u ef o rc r a c ku n d e r c l a d d i n gi nt h ep r e s s t l r ev e s s e l t h es t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a lo fc l a d d i n gi sc o a r s e - g r a i nm e t a lw i t h 搬娃s o 缸o p i c p r o p e r t y a n i s o t r o p i cm a t e r i a l sh a v ep h y c p r o p e r t i e sw h i c hv a r y 弼氇d i r e c t i o n s ot h e a n i s o t r o p yi nu l t r a s o n i cv e l o c i t yc a u s e sv a r i o u 8p r o b l e m so fi n s p e c t i o nu n d e rc l a d d i n g s u c h 箍b e a md e v i a t i o n , r e f i a c t i o n , a t t e n u a t i o na n ds c a t t e r i n g a c c o r d i n g l y , t h e r ea l em o r e d i f f i c u l t i e st oe x a l 凼c l a d d i n gw i t hu l t r a s o n i ct e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yf o rs i z i n g o nt h eb a s i so f d i s c u s s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa u m e n i t i cg r a i ns t r u c t m e , n a l y s i n g a n dc o m p a r i n gt h e1 1 1 t r a s o u n dp r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fd i f f e r e n tw a v em o d e ss u c ha s a t t 髓u a t i o n , s c a t t e r i n gr a y t r a c i n g , a n ds p u r i o u ss i g n a l s i nt h ea n i s o t r o p i c i s o t r o p i c m a t e r i a l ac o n c r e t eu l t r a s o n i ce x a m i n a t i o nt e c h n o l o g yf o rc r a c ku n d e rc l a d d i n gi s p r o p o s e d , i n c l u d i n gc h o i c eo f p r o b ep a r a m e t e r s ，s c a n n i n gm o d e ，s i g n a la n a l y s i sa n ds i z i n g t e c b _ r f i q u e s o m es p e c i a lb l o c k sh a v eb e e nm a n u f a c t u r e df o rd e t e c t i n ga n ds i z i n gf o rf l a w su n d e r c l a d d i n g t h ef l a w su n d e rc l a d d i n gi n c l u d et h ee d m n o t c ha n ds i m i l a rn a t u r ed e f e c t si n t h et e s t i n gb l o c k s t h et e s th a sb e e nd o n eu s i n gt h el o n g i t u d i n a ld u a le l e m e n ta n g l e t r a l 磷u c o r s ( 4 5 d e g , 6 0 d e ga n d7 0 d e g ) c o m p a r i n gt h ep r a c t i c a lr e s u l t sa n di d e a l i z e d r e s u l t s ，av a l i da n dr e l i a b l eu l t r a s o n i ce x a m i n a t i o nt e c h n i q u eo fc r a c ku n d e rc l a d d i n gi s v e r i f i e d t h er e s u l to f t e s ti st h a td e f e c t sw i 墩t h eh e i g h t5 m mc a nb es i z e db y 劫d i f f r a c t i o n s i g n a lm e t h o d t h e7 0 d e gl o n g i t u d i n a ld u a le l e m e n ta n g l et r a n s d u c e r sw i l lb eu s e df o r d e t e c t i o n ，a n dt h e4 5 d e gl o n g i t u d i n a ld u a le l e m e n ta n g l et r a n s d u c e r sw i t ht i pd i f f r a c t i o n t e c h n i q u ew i t lb ef o rs i z i n g k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ce x a m i n a t i o n ，c r a c ku n d e rc l a d d i n g ，t i pd i f f r a c t i o n , s i z i n g n 独创性声明 y 10 16 7 7 5 本人声明所呈交的学位论文足我个人在导师指导f 进行的研冗工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成槊。对本文黪研究做出霓献游个人和集体，均已_ 盔 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者麓名：，：涿全 日期：弼年，月f ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 傈整并向淘家有关部f 1 或魂构送交论文豹复印件和电子叛，允许论文被焱闺和氆阕。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授敉书。 本论文属于不保密口。 中，具有极嵩的使用价 值。怒声波探伤不能检测厚度大，虽灵敏度离，速度快，成零低，能够辩缺陷进行 定位和定量。它既可以检测材料或构件的表筒缺陷，又可以检瓣其内部缺陷，尤其 是对裂纹、分层等乎覆状缺路，舆有缀强静弼靠性及检出能力。相比其他豹检测方 法，怒声波检测爨鸯一些显著静傀点 4 ) - - 辫。第一，它不受事| 辩种类酌戳制。尽管誊| 料种类的不同会影响材质对超声波的吸收及散射等不和因素，但是现代发达的工业 如工技术哥以通过制作不同频率、型号豹探头米适合不羼孵搽测条件；同砖，近年 来发袋较快的信号鲶蘧技术、魄力电子技术氇搿以通过一定的处理来减少各静衰减 因素对探伤结果的影响，提高性噪比，从而掇高缺陷自争检出率。第二，超声波探伤 可运用予金属与非金弱，导体与非导体材料a 搬测，铡始，陶瓷、塑j l 莓、建筑混凝 专| 辩等材料第纛，超声波检测不受检测藏爨的限翎。怒声波可以检国近表面的 缺陷，而且探测厚度大，一般情况下可以达至几米的深度，这也是其他探伤方法无 法比4 薹 的。第四，越声波搽伤仪般都方便易携带，对予大型豹梅律来诞，它具有 狠强静灵活性和实用性。对子夜役酶大型结梅如海上石油钻井平台、桥梁、核工娃 锅炉和压力容器等，超声波探伤威用的就相对比较广泛篇五，超声波探伤更易实 现数字他。自动化撵伤。夔着工程辑裂力学釉损伤力学豹发展及其不断瘦雳萎| 各门 学科申，不仅要对被检对象中缺陷的存在及其炎型，尺寸，形状，取囱加以检溅， 而且还隳对被检对象的使用寿命、安全性进杼评估。所有避些需求及超声波探伤技 术静蓉罗g 特点，都为超声波检溅貔发震提供了薮熬发震动力。 ， 超声波检溯技术在核工监、化工，机械锅妒容器中应糟殿其广泛f 6 。以核工韭冀 例，梭电厂中的太裂容器设备包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳服器等容器设 备在核瞧运行嘉蓼和核邀运行嚣豹捻修孛都要避器无授援测，以确定设务逡行豹完整 性，保证核设备的安全运行无援检测在榱电运行安全中麓着非常重臻的作用。怒 声波检测技术则是泼些设备检测的最主要的方法。对这些设备的检测也形成了统一 豹魏藏，并对超声波捡溺提出了及其具体豹要求1 7 卜翻。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 课题的提出和研究意义 反应堆压力容器、主回路管道等是核动力装置和核电系统的重要设备。核动力 装置的正常运行必须保证反应堆压力容器等重要设备作为安全边界的完整性 由于在核动力装置和核电反应堆运行时，第一压力边界的设备将处于高温、高 压状态下，为防止压力边界设备的内壁被腐蚀，以碳钢为主体材料盼容器或设备内 壁一般堆焊有一层不锈钢材料( 堆焊层) 加以保护。 容器或设备堆焊层是不锈钢粗晶材料，而容器壁材料为碳钢，堆焊层为多层焊 接形式在焊接过程中，交界面处是两种不同金属的熔合，母材与过渡层融合面盼 晶粒组织异常复杂，在焊接和应力的作用下，极易产生微裂纹缺陷。在特殊情况下， 由于加工工艺的变异，在堆焊层下可能会产生一定体积类缺陷，运行过程中在应力 和温度的作用下，这些缺陷有可能会引起出现裂纹类缺陷。另一方面；容器内壁的 这层堆焊层可能被磨损，在高温、高压条件下，容器内壁也可能产生裂纹类缺陷。 裂纹类缺陷的存在将可能使核安全边界受至4 破坏。 目前，在核电领域，无损检测在役检查规范中，已把堆焊层下微裂纹的检测作 为重要检查项目，特别是核电反应堆压力容器的无损检测中已明确提出要对堆焊层 及堆焊层下区域进行检测【1 0 卜【1 我国某电站压力容器下封头堆焊层有三处受到不同 程度的磨损，由于磨损区域堆焊层下可能会产生裂纹类缺陷，该电站在每次检修斯 问，都要对磨损区域进行监控检测，检查在堆焊层下是否产生缺陷，特别是裂纹缺 陷。 因此，为保证反应堆压力容器等设备部件安全边界的完整性，对反应堆压力容 器堆焊层下微裂纹的检测极为重要。 堆焊层的材料和结构使得对堆焊层及其附近区域的超声波检测变得较为复杂。 堆焊层厚度一般为6 r m m ，在这个厚度下，检测区域一般处于声波的近场区或盲区， 声波对该区域中反射体的反射规律难以确定。在这个区域里可能出现的裂纹比较微 小。由于堆焊层与母材之间存在不同材料的界面，堆焊层本身的材料晶粒粗大并呈 各向异性，而导致超声能量衰减、超声声束方向发生偏转，使得检测灵敏度下降， 华中科技大学硕士学位论文 特别是对堆焊层下的微裂纹的检测能力低下，同时缺陷的准确定位和定量也较为困 难【1 2 】 容器内壁采用奥氏体堆焊层是为了提高一般碳钢的耐腐蚀性，但该堆焊层也直 接影响了对容器的超声检测。与无堆焊层容器相比，主要存在的厨题是：需提高检 测灵敏度，以克服奥氏体堆焊层所增加的褒减；横波通过奥氏体堆焊层时薄幅变化 大，用横波探头检测时难于发现堆焊层下的小缺陷，并难于定位；厨时，粗糙的奥 氏体堆焊层表面增加了耦合损失；信号噪声大，信噪比低 1 3 压力容器堆焊层下微裂纹超声检测技术的发展与现状 对于堆焊层下微裂纹的超声检测，目前所采用的技术是按照规范的基本要求而 采用7 0 。双晶探头，包括缺陷的检出和定量。检测的灵敏度使用半圆弧槽作为基准， 缺陷定量使用了最大波幅的6 d b 或3 d b 测量技术。该技术对于一般的体积型缺陷较 为适用，而在实际应用中对于面状缺陷却存在一定的偏差，特册是定量的结果误差 较大 对于堆焊层下微裂纹的超声检测技术，国外采用的超声波技术也不尽相同。实 际对堆焊层下的裂纹的检测技术分为缺陷的检测与缺陷的定量。在缺陷的检测方面， 国外采用不同的超声波探头参数的技术都能达副一定的要求，但在缺陷的定量上， 特别是在缺陷的高度测量上，由于选取的测量手段或技术差异，其结果的可靠能力 有一定的差别。目前，在一定条件下，国外对裂纹高度的测量的最小可靠能力为4 m m 而国内对堆焊层下微裂纹的超声检测技术的研究较少，对裂纹高度的测量存在 一定的技术难度，传统的高度测量方法得出的结果与实际的高度有很大误差。而采 用新技术进行微裂纹高度的测量正在摸索和研究中。 1 4 课题的研究内容 本课题就是通过对超声声束在堆焊层及层下区域的传播特性的分析和大量的实 验研究，研究超声波堆焊层微裂纹下的检测探头，研究出堆焊层下微裂纹超声检测 专用技术，形成有效的堆焊层下微裂纹的定量技术，特别是高度测量技术，提高对 4 华中科技大学硕士学位论文 堆焊层下微裂纹的检测与定量能力。并将该技术应用予核电容器的堆焊层梭溯中。 ( 1 )分折超声波声束在壤焊层耪辩发其瓣近区域豹赞攒特性，分辑毖鞍佟籀特瞧 对实际怒声擒溅盼影晌。在魏藻穰主，潮定雉捧联下徽裂纹捡铡静蒸零憨路 和方案 ( 2 )根据超声波在堆焊层中的传播特点，设计超声检测探头的参数，克服堆焊层 检测中信擘爱敏度低、嗓声大豹状提，制作该类检测的专用探头 设诗并裁鍪疆瘟兹维簿屡霹滋试块窝实验试块，翻冬黪试块孛寇含一定大小 的面状缺陷，特别是制备带肖粪实裂纹的试块试样，甩于对所采用的稔测技 术的验诞分析。 ( 4 )通过大爨的试验测试，分析总结所制定的检测技术的有效性，形成有效的堆 弹层下徽爨绞的捡测技术秘窥囊按本。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 理论分析 2 1 超声检测技术的基础理论 2 1 1 超声波的基本理论 超声波是一种机械波，机械振动和波动是超声波检测技术的物理基础。它包括 几何声学中的反射、折射定律及波型转换理论和物理声学中波的叠加、干涉、绕射 及惠更斯原理等【1 3 】【1 4 1 在机械波理论中，产生机械波必须具备两个条件，第一要有 作机械振动的波源；第二要有能传播机械振动的弹性介质。波动过程是振动过程的 传播过程，也是振动能量的传播过程。这种能量的传播是依靠各质点的位置连续变 化来逐渐传递出去的。因此，超声波的传播也适用于波动方程： y = a c o sw ( t - x c ) = 4c o s 似叫w ( 平面余弦波在理想介质中传播) 超声波按质点的振动方向分类可分为纵波、横波、表面波、板波。按波阵面的 不同可分为平面波、柱面波和球面波。按振动时间可分为连续波和脉冲波。介质中 质点的振动方向与波的传播方向相同的波为纵波介质中质点的振动方向与波的传 播方向垂直的波为横波。当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的 波为表面波。而在板厚与波长相当的弹性薄版中传播的波为板波波源持续不断振 动所辐射的波为连续波。波源振动持续很短间歇辐射的波为脉冲波目前超声波探 伤中广泛采用的是脉冲波。 超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。对特定的介质，弹 性模量和密度是常数，因而声速也是常数。不同的介质有不同的速度超声波的波 形不同时，介质的弹性变形形式不同，声速也不一样。介质的弹性模量越大，密度 越小，则声速越大超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数。 固体介质不仅可以传播纵波也可以传播横波与表面波，但声速不同。 超声波具有一定的波动特性，即声波的叠加、干涉、绕射。当几列波在同一介 6 华中科技大学硕士学位论文 质中传播并相遇时，相遇处质点孵振动是各列波引起的分振动的合成，位移是各分 位移的矢量和。相遇艨的各弼波仍保持它们务氧啜有的特饿不变。这就是渡的叠撅 原理。在瑟基础上，形成了波的平涉现象。两刿振幅稆霹鹣稽干波形成豹驻波是波 的干涉现象的特饼在超声波探头设计中，通常压电晶片厚度嘲屹，形成驻波，产 生共振，会振幅达簸大。这是搽必辐射超声波盼效率最商。这是探头设计黔基础。 波在传播过程中遇瓣障褥耪对蕤绕过障碍钫静边缘继续兹遴豹现象为波静绕射。超 声波在传播过程中遇到障碍物时，一方面产生反射、折射，另一方面产缴绕射。当 障弱物每超声波波长x 提当舛，既有爱射又蠢绕射，由于波酌绕射使褥反射题波减 弱。程连续余质中，波动介质审任何一个质点盼振动都将萼l 起邻近质点的振动，霹 此波动中任何振动质点可以看作是新的波源。据此而形成了惠更斯原理，即介质中 波动传播巍的各点都霹爨看作是发射子波豹拔源，在其螽锤意游刻这黪乎波的毽迹 是新的波阵面。 趟声波从一种介质传播到另种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能薰 反射翻原分覆内，成为反射渡；鹦一部分能爨透过界面在努一赞会质内传撬为透射 波。巍超声波倾斜入射蓟不同介朦时，除了产生于天射波闭类型的反射波和折射渡 外，还会产生于入射波不同类型的反射波和折射波，形成波形转换。越声波倾斜入 射到誉麓分矮时，爱慰渡拆射波豹传播方尚出发射折射定撩( 麓奈尔定律 确定 1 舄i l q t t r l 。 _ 充满超声波的空间或超声振幼所涉及的部分介质为超声场。描述超声场的物理 量郄特缝篷主要有声疆，声强和声阻抗。由于麓声波在转撩过程孛有鞠嚣鳃干涉现 象，直接影响超声声场盼分布结构，而声场的缩构分布和超声的探伤结果遘接相关f 1 8 l 0 9 。农不考虑介质液减的情况下，液体介质中某一四盘原上的一点波源d & 辐射的球 覆波农莛浚源轴线上q 点萼l 起的声嚣为： 7 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 1 圆盘源轴线上声压推导图 以= 警州耐圳 揪数 凼一点波源的面积 ，- 点波源到q 点的距离 波源的起始声压 尺函减靠 - 2 户一圆频率 ( 2 一1 ) 根据叠加原理，做活塞振动的圆盘状波源上各点波源在轴线上q 点引起的声压 可以进行相互的矢量叠加。所以波源轴线上某一点的声压为 p 。舻。2 r s - m 三f 厅万删咖一柳 ( 2 2 ) 其声压幅值为： p = 2 p o s l n 三( 佰再一对 足争波源的半径 枷线上q 点至波源的距离 由上式可知当 咖三t 厨再一曲_ 嘲洲) 三。” ( 2 柳 声压p 具有极大值2 p o ； 当珈三矗：i i 一砷由哪时，声压具有极小值0 。 华中科技大学硕士学位论文 因此，波源轴线上的声压随距离变化的情况如下图所示： 、 、白 p l f 0 ： v 1 t 图2 - 2 圆盘源轴线上自g 声压分布 由图可知，当x n 时，声压具有若干极值，这是因为在靠近声源处，由生源上各 点波源到轴线上某点的声程差即相位差所引起的干涉所造成的，该范围的声场叭做 近场区。最后一个声压极大值到波源的距离叫近场区长度距离大于近场区长度的 声场叫做远场区，远场区的声压随距离的增加而单调下降。当r 时 = 譬= 鲁 ( 2 - 5 ) 2 1 2 超声波声场截面的声压分布 超声波波源轴线上的声压分布情况中，没有涉及到超声波主轴线以外的各点的 声压分布规律，为了全面的研究超声波声场声压分布，有必要了解主轴线以外的声 压分布特征如图2 - 3 为某一个圆盘源声场中近场区几个固定声程处横截面上的声压 结构分布图【1 8 l 。 e 三 二f 一一一二一一 互二 厂， 一一一 哪2 i v 圈2 3 超声波近场不同位置纵截面声压分布图 由图可见，近场区声压分布状况较为复杂。在接近声源处，横截面上的平均声 压近似的等于声源的起始声压，除了轴线声压为零外，其他位置声压在平均声压附 9 3 2 1 吖 华中科技大学硕士学位论文 近有微小的波动。谯近场区范围内，随着至声源距离的增加，轴线上的声压交替的 出现极大渣秘极小俊，当x = n 2 对，轴线上熟声压为零，纛避声匿主轴舱位置声嚣 较高，掰在x = n 的靛鬻处，声舔必有一个极大德。而在盖的各截面土，偏离中心 轴线的声压逐渐的降低 来扩数联h 篇 _ 邀 岬 率中科技走学颈士学位论文 出如岛麓蠢一燕蠢 拜罩 参。萧2 辩聱 ( 2 6 ) 在y b 的来扩散区内，波柬阿以视为直径为d 的网校体，波阵面迥似平丽，所 狱波蘩不扩数。越她该区域熬声场霹戳援为警鞭波声璐，没骞臻显豹扩羧损失，平 均声援基本不变。在实际熬薄援攘伤工撵孛搿麓会导致蔚扎次霪渡高穗耀麓零穴懿 现象。距离液源的躐离石6 的麟域称为波束扩散区，扩散区内的波窳存谯扩散衰 减。声惩分毒特焱袈照波源凡籍澎状鹣不霹薅不嚣。在渡嚣城内，波束器始扩散， 这时谈毒波束w 以税为底面直径为d 盼截头褥饿体灏冀3 n 蹲，波束按照球面波 瓣建扩数。 2 1 4 滚嚣奔襞秘囊霉奔霞牵缀浚声壕懿毙竣 以上主要魑针对流体介质。依据波源做活塞振动，辐射的为连续波姆条件并结 合流体介质中质淼的运动方程、物恣方程和逐续方程遴槽接导的超声波声场分布特 煮。稚实际探魏过程上接魅懿多簿金霾及藜众瓣梅癸，搽头激发静慧声浚往筵是在 霹俸奔矮中终撩，波源秀菲均懿激发，辐射瓣蹩辣冲波涔场；嚣虽露体舞震本身瓣 应力| 藏变特点、质点位移特点及整本特性系数均与流体谢明星区别伪。所珏其内部超 声壤分布霸理慧条箨下流体静声殇分毒翼骞一定豹不麓褥魏。 如图2 - 6 为阑体介质中实鼯声场釉理想流体介质巾声场在声柬主轴线上的声压 分毒魏较蓬。 p 硒 弛 嚣2 6 安舔声璐嚣理憋声璐声援毙骏 汝胬可见，爨躐辫声源的距离足够远的聪候，理艨声场和实际声场的声隧分布 华中科技大学硕士学位论文 基本一致。这是因为，当距离声源足够远的时候，波源各点至轴线上某点的声程差 将会明显的减少，使得位相差明显减小，从而使得波的干涉大大的减弱甚至不产生 干涉。但是在近场区，二者之阎存在明显的区别。理想声场的主轴线上会出现一系 列的极大极小值，且最大值为2 p o ，最小值为0 。实际声场轴线上声压虽然也存在一 定的波动，但是极大值远远小于2 p o ，最小值也远大于0 ，同时极值的数量昵显自嘁少 2 1 5 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着距离的增加，能量会逐渐的减少，这种现象被称 之为超声波的衰减引起超声波衰减的原因主要有波束扩散衰减，晶粒散射和介质 吸收衰减【1 4 1 ( 1 ) 扩散衰减 超声波在传播的过程中，由于波束的扩散，使得超声波的能量随着距离的增加 而逐渐减弱的现象称为扩散衰减。相关研究表明超声波的扩散衰减仅取决于波阵面 的形状，与介质的性质无关。例如，平面波的波阵面为平面，波束不扩散，不存在 扩散衰减。柱面波的波阵面为同轴圆柱面，波束向四周扩散，存在扩散衰减，使得 声压与声程距离的平方根成反比球面波的波阵面为同心球面，波束向四方扩散， 存在扩散衰减使得声压和距离成反比。扩散衰减一般在近距离声场由于未扩散区的 存在而不是很明显。 ( 2 ) 散射衰减 超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射而引起的超声波 能量减少的现象称为散射衰减。工件中的密集型缺陷，铸件中的铁素体和石磨颗粒 以及多晶体材料中的晶界和位错等都可能成为散射源而引起散射衰减。被散射的超 声波在介质中一般都是按照复杂的路径进行传播，最后转化为热能。散射衰减与材 质的晶粒大小密切相关，当材质晶粒较为粗大的时候，散射衰减较为严重，被散射 的超声波将会沿着没有任何规律的传播路径传播到探头，在示波屏上形成林状的回 波，使得信噪比严重的下降，有时候甚至导致缺陷回波的淹没这也是粗晶粒材料 如奥氏体钢超声波探伤较为困难的原因所在。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 吸收衰减 超声波在介质中传播的时候，由于介质中质点问的内摩擦和热传导所引起的超 声波能量的减少被称之为吸收衰减。在固体介质中，吸收衰减相对于散射衰减几乎 可以略去不记，但是在液体介质中，吸收衰减则是衰减的主要类型。除了以上的三 种衰减类型，在波形传播的过程中，还有位错引起的衰减，磁畴壁弓i 起的衰减和残 余应力弓 起盼衰减等等。由于超声波在介质中的衰减是不可避免附且直接的影响着 最终输出信号的性能，目前关于衰减方面的研究也比较多。 2 1 6 分贝，奈贝的概念 在超声波检验过程中，为了表示声压及声强等的计算和量度，经常要用至4 分贝 和奈贝这两个概念尤其是在超声波探伤过程中，探伤仪器的荧光屏上显示的反射 波的高度大小往往是相对于某一确定的基准高度来表示的。分贝和奈贝都是两个同 量纲的参量的比值用对数表示得单位。设p l 和p 2 为两个回波的声压值，若p l p 2 用 分贝( d b ) 为单位来表示且取i x = 1 0 1 6 瓦僵米2 ，则为 分贝数n = t o l g 7 i b = 2 0 l g ( p l ，p 2 ) ( d b ) 若p i p 2 用奈9 1 0 q p ) 为单位来表示，则为： 奈贝数n = i n ( p l ，p 2 ) o 叼) 通过以上的定义式很容易推导出分贝和奈贝之间的换算关系式。即 1 n p f f i 8 6 s d b , l d b = 0 1 1 5 n p 通过将声强，声压以对数表示的方式，不但简化了 其表示方式，也解决了实际试验，工程中声强数量级差别太大的麻烦 2 1 7 超声波探伤的耦合 耦合的过程就是实现声能从探头向工件的传递。因此，耦合的相关内容在探伤 技术中占有十分重要的地位。在接触法探伤中，探头和工件的接触有两种类型：固态 接触和液态接触。 固态接触就是探头和工件之间直接足够的紧密接触，以实现声能的传递。如果 探头和工件之间具有很大的气隙，必然会较大的阻止声能的传递，因此，如果要实 现固态接触声能的有效传递，就要求探头接触面和工件表面均应该十分的光滑且需 华中科技大学硕士学位论文 要施加一定的力以实现二者的有效接触。这在实际及试验条件下往往是不容易实现 的因此，更为有效、方便和常用的方法是借助探头和工件之间的涂敷的特定的液 体来排除空气实现声能的传递。这就是液体接触，这层液体被称之为“耦合剂”。根 据相关的研究，影响耦合好坏的因素有工件表面的形态、光洁度和耦合剂的种类等 超声波检验中使用的耦合剂，从声传递的角度来说，一般要求具备以下的特征 【1 4 】：( 1 ) 容易附着在工件的表面上，具有足够的浸润性，借以排除探头和工件表面租糙 造成的空气薄层，( 2 ) 声阻抗大，尽量与被检材料的声阻抗相差小些，使得声能能够 较多的进入工件另外还要求对身体无害、没有腐蚀作用易清洗且价格低廉。目 前常见的耦合剂有水、甘油、水玻璃及机油等。 2 1 8 超声波仪器与换能器 超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，他的作用时产生电振荡并加于换能器 ( 探头) ，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定的方 式显示出来，从而得到被检部件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息【2 1 1 目前， 超声波探伤仪由原来的模拟式已逐渐被数字式超声仪所替代雎习f 2 6 1 。 超声波探伤中，超声波的产生和接收过程是一种能量转换过程，这种转换是通 过探头( 换能器) 实现的，探头的作用是将电能转换成超声能( 发射超声波) 以及 将超声能转换成电能( 接收超声波) 完成此功能的主要是薄片压电晶体晶片所具有 的压电效应，该晶体在受至拉力或压力时出现电荷，而在电场的作用下，贝q 产生弹 性变形【2 朋。 2 2 堆焊层下微裂纹超声检测技术的理论分析 所有熔焊奥氏体堆焊层都是晶粒粗大和各项异性材料。这是由于堆焊层冷凝时 生成枝状晶，晶粒未细化的缘故。在手动焊中晶粒直径一般为1 0 0 2 0 0 u r n 。反应堆 压力容器的堆焊层为粗晶不锈钢材料，其组织为柱状奥氏体粗晶，晶粒阃呈各向异 性，并形成纤维织构。该纤维织构呈现出绕其轴鲍对称性。堆焊层在冷却时，母材 方向散热条件好，因此奥氏体晶粒生长取向基本垂直木材表面【l ”。 超声波在介质中传播是在三维方向的速度大小形成的面为速度面。对于碳钢材 1 4 华中科技大学硕士学位论文 料，其晶粒呈各向厨性，超声波再在介质总的传播速度在三维方向上大小是相同的， 速度面是一个球面( 如图2 7 ) 。纵波的球面直径比横波的大而对于奥氏体不锈钢 材料，由于晶粒的各向异性，超声传播的声速大小随声束与柱状晶长轴之间的夹角 大小而变化，其速度面不再是一个球面1 1 斗( 如图2 8 ) 德裁 嶝 弋y - - j 可 - 1 。i 1 二h l r 圈2 - 7普通刚中纵波与横波的速度面 幢艟靠囊 、芒搿 稳蕊 烂谬 i 淤i 5 r 图2 - , 8堆焊层中纵波的群速度面 超声波在发生偏转是存在有两个速度，一个是与超声波传播方向一致的群速度， 一个是与波前相垂直的相速度。对于各向同性材料来说，其群速度与相速度相等， 也就是没有发生偏转或扭曲。而对于各项异性材料来说，与超声波传播方向相一致 的群速度和与波前相垂直的相速度不相等，使得超声波的传播方f 岛与波前方向不垂 直，出现一个偏转角而形成波束扭曲，声束在传播时其方向将会发生畸变。 直探头的波束扭曲情况如下图2 - 9 所示，( a ) 为普通碳钢的波前方向，( b ) 为堆 焊层的晶粒方向与工件表面垂直时的波前方向，两者都与波束传播方向相垂直，波 华中科技大学硕士学位论文 束没有扭曲。( c ) 为堆焊层的晶粒方向与工件表面倾斜，波束因而扭曲，此时波前 方向与波束传播方向不再垂直。 片太小 嘞蝴 l ( 5 5 妙矗粒堆埠廛 l b 5 5 勃辩品粒堆焯层 ， f t 图2 - 9 直探头的波束扭曲 而斜探头的情况要复杂一些，对普通碳钢来说波束折射符合s n e l l 定律，超声传 播方向与波前垂直，波束没有扭曲。斜探头对各项异性的堆焊层，其相速度的方向与 波前垂直，可用s n e l l 定律计算。如下图2 1 0 所示 健l 方冉 冉 图2 - 1 0 各相异性情况下的s n e l l 定律 在不锈钢堆焊层中，不同波型的相速度面如图2 1 1 所示，对纵波、垂直偏振横 波和水平偏振横波的相速度面的比较可以发现，垂直偏振横波比纵波和水平偏振横波 1 6 华中科技大学硕士学位论文 受材料各向异性的影响要大得多，因此其波束扭曲将更厉害而纵波、垂直偏振横波 和水平偏振横波的波束扭曲角大小与晶轴之间的夹角也呈现不回的特点【3 l ，如图2 1 2 所示从图中可以看出，对于纵波，当波束与晶轴之闻的夹角在4 0 。一5 0 。之阿时，声 束的扭曲很小，同时在该区间的曲线点上区县的斜率也很小，可产生聚焦效应，获得 窄波束而在0 0 或9 0 0 附近，尽管声束的扭曲也较小，但曲线的斜率较大，产生散焦 效应，获得宽波束，从而检测灵敏度也低同样，对于垂直偏振横波来说，在4 5 。附 近，尽管声束的扭曲也较小，但由于曲线的斜率也较大，产生很大的散焦效应另外 它的波束扭曲也比纵波大得多 图2 - 1 1 堆焊层中不同波型的相速度面 01 0 帅5 0 砷7 0 一( a ) 豳2 - 1 2 波束扭曲角与波束相速度和晶轴夹角之问的关系 当采用折射横波的波束大于6 0 度时，在堆焊层中经常发生多束波束，除主波束 外，还存在一个或多个附加波束。这些附加波束不但降低主波束的幅度，而且往往形 1 7 柚蛐撕m o m j 事挪蛳 1 1 ， 华中科技大学硕士学位论文 成假信号显示，这些多波束情况很难消除，因而在堆焊层检测中一般不用折射角大于 6 0 度的横波。而对于纵波来说贝q 不存在，可以用折射角大于7 0 度的纵波斜探头来检 泓堆焊层。 分析堆焊层的声特性，对于堆焊层的检测，采用纵波探头包括斜探头比较合适。 当然采用纵波斜探头是必然在纵波折射角一半处跟随有一个折射横波，其强度可能与 纵波相当，因而容易造成虚假信号，对检测结果难以做出说明。以下图2 一1 3 为例， 这是纵波6 0 度入射，可以看出其紧跟其后的折射横波以及有关的波型转换。因此在 分析显示的波形时，必须考虑探头与焊缝间的位置角度和范围，特别是回波的动态波 型变化 横渡 纵波 图2 - 1 36 0 0 纵波斜探头检测时带有的横波及其波型转换 由于纵波的折射角大，波束更宽，因此其回波的动态波形也更宽更大，另外，由 于一部分声能转变为横波，因此纵波探头的检测灵敏度不如直探头，因此检测时应采 用半跨距法由于纵波波长约比横波大l 倍，因此它的半扩散角也比横波大l 倍。 图2 1 4 纵波与横波的回波动态变化 堆焊层一般焊两层，而且两层虽都为不锈钢材料，但两层材科的元素含量还有差 异，表现为材料间声阻抗有差异，超声波传播时声速将不同。而根据斯奈尔定律，超 声声束在两不同阻抗的材料界面处会产生折射，使得超声声束在原基础上传播方向又 1 8 华中科技大学硕士学位论文 有一定的偏转。特别是与母材基体相邻的不锈钢层，由予不锈钢材料与铁素体母材进 行了薅簿，会形成今熔簿嚣。该熔缮嚣静含碳等元素薰霉簪会过渡交纯，声瓣撬氇隧 之过渡变化。西蕊越声声速在该区域怒变化盼量，传播声浆在每一个声阻抗不瞄的小 区域都有一定的折射，累计所有的折射超声声束将会有一个相对较大的偏转擞值，且 该量值是很难计算 雏：浮层糖辩般为类氏体不锈镪专季毒手辩，屡多器材料，越声波在其内部传播黠声 象会由于鑫赛静教瓣嚣旋衰减。鑫器散瓣大小与不霜波蘩秘声波传撵方自鸯关，声东 通过多晶材料的晶粒边界时，由于相速度发生变化使得晶粒问的声阻抗发生变化。因 而在晶界产生部分反射。超声在多晶材料中传播时，这贱晶界反射综合起来成为极大 的散射，使声束在该种材料中传播是存在严重盼衰减，厨时也反射回较大的散射噪声， 导致超声蔫号孛孳跃杂滚瓣产生，爨瑗缀差熬售嗓毙，徐浏灵敏疫羝。 由于母材与壤群层在界面除材料融熔合，两种不同材料形成的交界蕊不可熊成为 平整的交界面。一般来说，堆焊层与本材的交界面呈一定的波浪型当声波传播到该 区域时，在某些地方若声波与交界面形成一定角度而有利乎声波的反射，就奈产生强 熬戆反射售号，遨悠信号往往会形成较离豹杂波谊号，酶低捡溅灵敏度。 由于堆浮器辩声东静羟整洚用，涤麓声声束逶过一定鬻度盼堆霹层述入铁索体基 体对缺陷定位时，存在一定的现实偏麓f 2 封嗍实际应用中应进行校正。其原理如下 图2 - 1 5 所示a 为水平位置校正，b 为蘧直位置校正，具体校正量的大小与堆焊层的 厚度有关 鎏2 - 1 5 趣声梭潮壤：薛瑟映酶显鳖毂蘸 1 9 华中科技大学硕士学位论文 校正附表：( t 为堆焊层厚度) 见表2 一l 。 表2 - 1 测试结果 入射角 4 5 。 6 0 *7 0 04 5 。6 0 。7 0 。 波型横波横波 横波纵波纵波纵波 水平校正c i ) o 70 so 30 1o 1o 1 垂直校正c r ) o 30 4n s0o 1o 3 根据以上的分析，总结超声波在堆焊层材料的主要传播特点为： 堆焊层材料呈各向异性，超声声束传播时会出现波束扭曲，扭曲的程度与波型和 晶轴方向有关。纵波在4 0 0 一5 0 0 时相对横波扭曲较小材料的过渡性能使得超声传播 声速发生变化而产生声束折射，也导致超声声束的偏转。综合这两个原因，超声波在 堆焊层中传播时声束将发生偏转，而且偏转角度很难计算，这对堆焊层下的缺陷检测 产生较大影响，缺陷的定量和定位比较困难卅 堆焊层材料为粗晶材料，超声波在传播时会由于粗晶出现散射以及不锈钢与碳钢 界面不规则熔合也会形成较大的散射波，出现较大的噪声信号，使得检溅灵敏度大大 降低。 华中科技大学硕士学位论文 3 堆焊层下微裂纹超声检测技术方法 3 1堆焊层下微裂纹缺陷超声检测方式 对于堆焊层下的缺陷，其主要的类型有； 堆焊层金属中的缺陷，如气孔、夹杂等； 堆焊层与母材间的未熔合，取向基本平行于木材表面； 堆焊层下母材热影响区的再生裂纹，取向基本垂直与母材表面。 对于前两种缺陷，采用目前通用的超声检测技术，即双晶直探头就可检测出来。 而且这些缺陷一般在容器投入使用前就进行了返工处理。而目前最关心的是堆焊层下 母材热影响区的在容器运行之后出现的再生裂纹。由于出现的裂纹尺寸较小，但危害 却极大，又埋藏于堆焊层下，在无损检测中的检测手段有限，而仅限于超声波检测。 根据上述的理论分析，采用超声波检测超声声束将出现一定的变异，衰减较大，形成 的噪声信号有可能将细小的微裂纹掩盏，而无法检测出来。而一旦出现裂纹，其尺寸 大小对于分析评定容器设备可继续运行起着非常重要的作用蜊。因此在堆焊层下微裂 纹缺陷的检测中，存在两个方面的要求，即裂纹缺陷的检出和裂纹缺陷的定量。 根据超声传播的主要特点，对堆焊层下的缺陷进行超声检测时，考虑以下几个方 面：第一，将堆焊层下的缺陷检测分为裂纹的检出和裂纹的定量【2 9 】【刈；第二考虑超 声声束在堆焊层中的扭曲，选择适当的超声波型和角度；第三，克服超声波在传播时 由于租晶出现散射以及不锈钢与碳钢界面不规则熔合也会形成较大的散射波，降低的 噪声信号，提高检测灵敏度。 根据以上分析，制定如下的技术方法： 采用纵波探头，纵波探头扭曲角小。横波容易出现多波束，而且衰减也较大； 探头角度为4 0 。5 0 0 ，在此角度区域内，纵波的扭曲角相对较小，有利于缺陷 的定位和缺陷的定量。同时，使用6 0 0 和7 0 0 探头增加检测能力。 采用双晶探头形式。由于堆焊层的衰减以及噪声信号影响，双晶探头可以使 能量集中，克服衰减和噪声，提高信噪比，减小其他波束的影响。 2 1 华中科技大学硕士学位论文 探头的频率采用2 4 1 v l l i z 左右。这样不会因波长过大影响分辨率，也不因频 率过大产生大的衰减。 探头的晶片性能进行约束，控制晶片触发的脉冲以科于对微小缺陷的分辨能 力。 采用聚焦式探头由于在堆焊层区域声束扭曲角大，声束衰减也较大，采用 聚焦式探头可以在层下区域集中能量，提高检测能力，特别是在靠近界面区 域，聚焦式探头可以提高微小缺陷的信噪比，突出缺陷信号3 n 。 堆焊层下裂纹的检出主要采用7 0 。双晶纵波探头尽管7 0 。纵波探头存在一定 的声束扭皓，但是对于近表面的缺陷，由于其入射角大，更容易发现处于近 表面内的缺陷，检测灵敏度高，检测能力高。 堆焊层下裂纹的定量采用尖端衍射技术，并采用4 5 纵波探头进行尺寸的测 量。 3 2 尖端衍射技术 根据惠更斯原理，在连续介质中，波动介质中任何一个质点的振动都将引起邻 近质点的振动，因此波动中任何振动质点可以看作是新的波源。即介质中波动传播 到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹是新的波 阵面。 超声波在传播过程中遇到障碍物时，一方面产生反射、折射，另一方面产生绕 射。当障碍物与超声波波长入相当时，既有反射又有绕射，由于波的绕射使得反射 回波减弱。当障碍物尺寸远小于波长时，超声波的反射有很大的减弱，而此时障碍 物作为发射子波的波源其发射的子波，即为衍射波，该衍射波在反射波减弱的情况 下信号强度凸现出来。 而对于面状障碍物，由于其边界的尺寸窄小，在其界面边缘上，超声波明显将 会被衍射。如下图所示。 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 1 衍射图示 对于裂纹类面状缺陷，其尖端容易形成衍射波，这对于测量裂纹的准确尺寸及其 有效裂纹的上下端点各自发出的衍射信号，在较高的信噪比下，可以被捕捉，而直 接得出裂纹的自身高度。 图3 - 2 尖端衍射测量原理图示 3 3 超声探头的研制 在检测技术采用了双晶探头。双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波， 另一块用于接收超声波。双晶探头具有较多的优点1 3 1 1 - 【3 3 1 ，特别是对近表面缺陷的检 测。双晶探头具有以下优点： ( 1 ) 灵敏度高：双晶探头的两块晶片，一发一收，发射晶片与接受晶片材料可 以不同，采用各自的灵敏度高的材料制成，这样可以使整个探头的灵敏度提高。 ( 2 ) 杂波少盲区小：双晶探头的发射与接收分