1、XX大学毕业设计文献翻译与原文题 目： 超声检测缺陷高度的方法讨论学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 六 月 利用超声波确定铁素体钢焊缝内部的纵向裂纹的大小摘要：在结构组件内部往往有裂纹，因此必须通过可靠的程序确定它们的大小。需要通过专业的超声检测技术估算这些裂纹在厚度方向上的高度，传统的脉冲回波技术在纵向裂纹的定量评价有很大的局限性，因为它会受到反射率和耦合系数等变化的影响。本研究的目的是依据传播时间而不是反射振幅来提高内部裂纹高度测量的精确度。已经研究出了一种独特的方法能够产生已知高度在2.5毫米到18毫米之间且15毫米长
2、的疲劳裂纹这些裂纹在矩形钢试块中产生并且随后通过焊接嵌入预定位置。这些含有被嵌入纵向裂缝的焊接试块在传播时间如(a)裂纹端点反射法和(b)波型转换法的基础上通过超声技术被用来检测。可知使用这两种技术都是非常合适的，因为估算的缺陷高度与真实的缺陷高度之间的精确度仅相差1毫米。关键词：内部裂缝 裂缝高度 断裂力学参数1. 引言当裂纹尺寸因负载而超过临界尺寸之时，焊接结构就会失效。利用断裂力学的理论可以确定原先存在的裂纹是否会扩展到不能服役的程度。在估算断裂力学参量如应力强度因子时，知道裂纹的确切位置结构和大小是非常重要的。有很多种方法来检测表面裂纹但只有为数不多的方法能检测内部裂纹。近年来，超声探
3、伤仪和换能器的性能得到了提升。其中最有前景的方向是开发计算机和微处理器在数字探伤仪中的应用。这不仅能降低检测成本也有助于简化用于确定投影距离跳跃距离缺陷深度、尺寸和衰减系数的计算。回波高度、声程长度、缺陷的位置和大小在显像管或液晶屏上数字化地实时显现，完全消除了人为失误的可能。许多利用超声波传播时间的方法最终能提高对缺陷大小确定的精确度。若干种利用体波的技术已被提出。但本文只对用于估算缺陷高度的这两种方法进行概述。2试块的准备试块的制备主要包括在钢试块中产生疲劳裂纹与埋置这些裂纹在预定的位置。边缘刻有11毫米的槽且90毫米宽16毫米厚(如图1)的含碳钢块用1276号拉伸强度试验机进行疲劳载荷试
4、验。选择适当的疲劳载荷参数使得在疲劳试验起始时工作应力强度因子能故超过临界应力强度因子以便让材料和裂纹扩展能够在第二阶段的一个较低的水平。在计算临界强度因子时K的取值范围可由K=Y（a）1/2.注意式中是应力振幅，a是裂纹长度，Y是相关系数。一些试块有两条平行的裂纹从初始的槽口发散开来。当裂纹从槽口发散至其长度达到了要求时，试块就会被切成300毫米长且缺口边缘取出缺口并留下所需尺寸的裂纹。裂纹长度的测量用过轮廓投影仪完成。加工后试块的厚度和裂纹的长度，在焊接之前就需要进行精确的测量，因为这些数据可以给出裂纹的尺寸并最终用于确定内部裂纹的长度。得到的边缘裂纹的尺寸如表1所示。图一：试块中裂纹的制
5、备表一：边缘裂纹的尺寸试块边缘裂纹的编号I裂纹的长度（毫米）II裂纹的长度（毫米）A15.1B19.35C211.75.4D218.32.5E27.54.73内部裂纹为了在焊缝中的预计位置得到纵向裂纹以便检测和用超声波测量尺寸，因此把边缘裂纹埋置在32毫米的板中大约在中厚层处，然后按正常的步骤检测表面。因此采用熔化极气体保护电弧焊。相关步骤如图2所示。裂纹试块(16毫米的钢板)和另一个同样厚度的板焊接起来以便在一面埋置裂纹，如表2(a)和(b)所示。为了给另一面嵌入裂纹，一片32毫米宽度的裂纹提取和焊接的两盘32毫米之间，如表2(c)和(d)所示。在焊接过程中K型坡口需要避免在有裂纹的试板边缘
6、制备。这种几何结构在克服变形的问题时时有用的。当埋置裂纹在32毫米板中所需的位置后，通过给试块射线照相确定其位置。表2中列出了包含了纵向裂纹的试块的详细参数。含裂纹的试块利用基于传播时间的两种技术估算裂纹高度。它们分别为端点反射法和波型转换法。图2：焊接内部裂纹第一和第二阶段表二：真实的内部裂纹的高度试块编号I裂纹的高度（毫米）II裂纹的高度（毫米）15.129.35311.72.4418.32.557.54.74端点反射法当声束以特定的角度射向一处裂纹，会得到从缺陷边缘反射的回波，如图3所示。在该方法中，缺陷的高度可从，由超声波的发射处到缺陷末端得到回波峰值的位置和所使用探头的折射角。当满足
7、以下几个条件时，使用该方法的测量精度会更高：l 声束与待测表面夹角约1015。l 表面光滑（波长的1/15至1/30最好）。l 声程较短(一般在100毫米以内)l 缺陷为开口缺陷且有明显的深度（2毫米或更多）l 应用低频（约24兆就足够了）l 聚焦探头用于汇聚声束图三 端点反射法5 实验装置为了达到这一目的，需要使用带有触屏传感器的数字数探伤仪。剪切角为4560和70的频率为4兆赫的微型探头。用0.5毫米宽的人工缺陷来进行设备校准。把增益调至最适合检测缺陷尖端。把探头对准内部裂纹前段并放在试块表面。记录峰值在显示屏40%处的一个清晰接收的回波，然后探头来回移动以便从缺陷底部得到清晰的回波。从顶
8、部到被测表面的A型扫描和声程投影距离及深度如图4显示。声束之间的声程差反映了能解释缺陷的高度的信息。当然，穿透裂纹的方向或探头摆放的错位，会延长探测时间从而产生错误。表3和图5列出了，真实的裂纹高度与用超声检测估算的高度之间的关系。表三：通过端点反射法估算的裂纹高度试块裂纹真实的裂纹高度（毫米）估算的裂纹高度（毫米）误差（毫米）A1a5.14.80.3B1a9.359.9+0.55C1a 2a11.7 5.411.5 5.60.2 +0.2D1a 2a18.3 2.518.5 2.431+0.2 0.069E1a 2a7.5 4.78.4 5.3+0.9 +0.6图4 液晶显示：（a）从缺陷始
9、端得到的反射回波；（b）从缺陷末端得到的反射回波图5 通过单点反射法确定的裂纹高度6波型转换法剪切波由于斜探头在，和图6(a)所示的缺陷相似的裂纹上发出的冲击而产生。一些剪切波从缺陷的顶部直接反射回探头(S回波)。而另一些则转换为表面波并在缺陷的上下表面间传播。波型转换后的表面波实际上是缺陷的末端，其中一些是被反射的，另一些在尖端附近被弯曲。这些表面波沿着缺陷在传播且在缺陷的顶部重新转变为剪切波并返回探头(R回波)。因为裂纹的宽度通常很窄，穿越缺陷变为表面波的所需时间几乎相同。因此只能得到R回波这一个回波。因此在液晶显示屏上会显示S回波和R回波，并且R回波与S回波相比有所延迟，如图6(a)所示
10、。然后通过调整液晶显示屏上的时基线来控制剪切波的波速，H（裂纹状缺陷的高度）由方程式(2)12决定。H =(Cr/Cs)X，式中Cr和Cs分别是表面波和剪切波的声速。图6 波型转换法当满足以下条件时，测量精度会提高：l 在平面缺陷的情况下，超声波应以25或者更大的入射角射入待测平面。最好令声束尽可能平行于缺陷表面。l 该缺陷是独立的，附近没有其它缺陷。l 用聚焦探头汇聚声束。l 缺陷是开口型缺陷，有明显的高度（1毫米以上）。l 缺陷是直线型的而非曲线。l 该方法不仅适用于平面缺陷也与体积缺陷。l 该法的测量精确度约为1毫米。7实验内容实验通过使用波形转换法计算得出了疲劳裂纹的高度。在波形转换的
11、技术当中，使用了2MHz，70的剪切波换能器与数字探伤仪组成软件共同探寻经过波型转换的回波。校准好设备，并且用1.5毫米的侧钻的孔将灵敏度调整好。将探头参数和工作参数输入单片机。然后用探头扫查待测表面，使得横波到达裂纹的顶端并产生绕裂纹的瑞利波并得到转换成的横波再被探头接收。在显示屏上会显示两个回波，一个是直接反射的波(S波)另一个是反射而得的(R波)。记录下回波高度，声程的长度和定位以便用方程(2)估算裂纹的高度。结果如表4所示。真实的裂纹高度和利用超声估算的高度之间的关系如图7所示。图7 通过波型转换法估算的裂纹的高度8结论经验证，已知大小的疲劳裂纹可在焊接件内以生成并嵌入在预定的位置，通
12、过超声检测技术用来确定裂纹的大小。此二种超声波检测技术，基于传播时间体波所需的时间和表面波所需的时间，通过研究它们的各项指数，来估算内部裂纹的高度。从计算结果可以知道通过这两种方法算得的裂纹的高度和真实的裂纹高度都可以很好地吻合。这两种方法用于研究平均高度，其精确度都能达到1毫米。用端点反射法时，探头的角度为456075测得的裂纹高度较为准确。而70时能够达到很高的精确度是因为大部分裂纹所在的深度都比较浅。这表明，裂纹反射面上的入射角会影响到裂纹高度测量的精确度。致谢：衷心感谢印度新德里的科学与工业研究理事会授予高级研究奖学金给琳达女士，并一直在经济上支持她向往的研究。作者想感谢巴拉特重型电力有限公司的经理，是他提供必须的研究设施以便我们开展研究。
