韓曉華，張 薇，楊 陽(yáng)，孟令華，董 欣

（1.山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)寧 272017；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.遼寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

0 引 言

近年來，以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的安全評(píng)定技術(shù)，在保障設(shè)備安全運(yùn)行方面發(fā)揮了重要的作用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，該技術(shù)受到了較多的關(guān)注并有所發(fā)展[1-2]。進(jìn)行安全評(píng)定的重要前提是必須測(cè)定缺陷的尺度，尤其是裂紋長(zhǎng)度和高度。材料在使用過程中產(chǎn)生的裂紋絕大多數(shù)是從外表面開始的，例如疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋。在加工過程中產(chǎn)生的裂紋也有很大一部分是從表面開始的，例如淬火裂紋和磨削裂紋。所以需要測(cè)定高度的裂紋當(dāng)中有很大一部分是表面裂紋，在許多情況下，裂紋是經(jīng)過磁粉、滲透、或目視檢測(cè)被確認(rèn)之后，由主管部門提出要求測(cè)量裂紋高度。為了測(cè)定裂紋高度，曾經(jīng)開發(fā)過多種測(cè)量方法，例如直流電位差法和交流電位差法。這兩種方法常常統(tǒng)稱“四探針法”，國(guó)外稱交流電位差法為 ACPD（alternative current potential drop）。對(duì)這兩種方法曾經(jīng)做過大量的研究[3]，但是由于探針與工件間的接觸電阻變化大，很難控制，加之裂紋引起的電位差除與裂紋高度有關(guān)之外，還與裂紋形狀和緊閉程度有較強(qiáng)的依賴關(guān)系，一般情況下電位差法的測(cè)量誤差較大，目前這兩種方法已經(jīng)消失。近年來，最熱門的測(cè)定裂紋高度的技術(shù)是衍射時(shí)差法（time of flight diffraction，TOFD）[4-5]。TOFD 大量應(yīng)用于焊縫探傷，并非用于測(cè)定裂紋高度，本文研究一種用透射波半高度法來測(cè)量裂紋高度的方法。

1 測(cè)量方法及其原理

為了滿足測(cè)量裂紋高度的要求，提出一種用普通的超聲探傷儀和普通的斜探頭測(cè)定裂紋高度的方法，對(duì)這種方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并取名為“透射波半高度法”。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：不需要專用設(shè)備，只要是從事超聲探傷業(yè)務(wù)的單位都有條件作這種測(cè)量；無盲區(qū)，無論裂紋在工件厚度方向位置如何，都能測(cè)量它的高度；表面裂紋和內(nèi)部裂紋都能測(cè)量，還能測(cè)量?jī)A斜裂紋的傾斜角度[6]。與TOFD方法相比，這種方法的主要缺點(diǎn)是測(cè)量誤差稍大，根據(jù)測(cè)量線切割槽深度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果估計(jì)，測(cè)量裂紋高度的誤差大約在±2mm。

簡(jiǎn)單地說，透射波半高度法就是用兩支探頭，分別用來發(fā)射和接收超聲脈沖，利用裂紋對(duì)聲束的遮擋作用測(cè)量裂紋高度，如圖1所示。

圖1 透射波半波高度法測(cè)量裂紋高度示意圖

透射波半高度法測(cè)量裂紋高度的前提是工件的兩個(gè)相對(duì)的表面要互相平行。如圖1所示，將兩支相同的斜探頭耦合到工件表面上，一個(gè)（ST）用于發(fā)射，另一個(gè)（SR）用于接收。在工件的完好區(qū)域，當(dāng)兩個(gè)探頭發(fā)射點(diǎn)之間距離L滿足式（1），并且兩者的聲軸重合，此時(shí)收到的透射波幅度達(dá)到最高值Pmax。

式中：K——斜探頭的K值；

T——工件厚度；

β——折射角。

當(dāng)發(fā)射探頭ST位置靠近裂紋時(shí)，聲束的一部分甚至全部被裂紋遮蔽，于是透射波幅度減小，甚至完全消失。當(dāng)發(fā)射探頭位置適當(dāng)，裂紋頂點(diǎn)B恰好處在發(fā)射探頭的聲軸上，如圖2所示。此時(shí)聲束的50%被遮擋，接收探頭SR收到的透射波的幅度P降低到50%Pmax。設(shè)此時(shí)探頭發(fā)射點(diǎn)FT到裂紋的距離是X（圖1中的線段FTA），裂紋高度Hf（圖1中的線段AB）與X的關(guān)系為

測(cè)出X之后，再用式（3）計(jì)算得出裂紋高度Hf。

透射波半高度法也能用于測(cè)量?jī)A斜裂紋的高度，為此需要在裂紋左右兩側(cè)各進(jìn)行一次測(cè)量。在圖2中，線段AB表示傾斜裂紋，線段BO表示裂紋高度，即裂紋頂點(diǎn)B到工件表面的距離，ST1和ST2分別表示兩次測(cè)量的探頭入射點(diǎn)位置。在裂紋的左右兩側(cè)各測(cè)一次裂紋高度，得到的探頭發(fā)射點(diǎn)與裂紋的距離分別是X1=ST1O+AO和X2=ST2O-AO。從圖2可以看出，裂紋高度Hf（裂紋頂點(diǎn)B到工件表面的距離，即線段BO）計(jì)算公式為

裂紋傾斜角度θ，即圖2中的∠ST1-B-O，計(jì)算公式可以表示為

圖2 測(cè)量?jī)A斜裂紋高度示意圖

透射波半高度方法還能用于測(cè)量?jī)?nèi)部裂紋的高度。首先進(jìn)行透射波半高度測(cè)試，找出4個(gè)符合條件P=50%Pmax的超聲入射點(diǎn)，即圖 3中的 ST1、ST2、ST3和ST4，圖中的線段AB代表裂紋。建立X-O-Y直角坐標(biāo)系，得到上述4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)ST1（X1，0）、ST2（X2，0）、ST3（X3，0）、ST4（X4，0）。由X1、X2、X3和X4，用式（6）計(jì)算，得出裂紋端點(diǎn)A和B的坐標(biāo)XA、YA、XB和 YB，由裂紋端點(diǎn) A 和 B 的坐標(biāo) XA、YA、XB和 YB，得出裂紋高度Hf和傾斜角θ。

圖3 測(cè)量?jī)?nèi)部裂紋高度示意圖

綜上所述，透射波半高度法能測(cè)量表面裂紋和內(nèi)部裂紋的高度，包括垂直和傾斜的裂紋，并且能測(cè)量?jī)A斜裂紋的傾斜角度。這里需要指出，通常透射波半高度法不能測(cè)量比較淺的裂紋，原因是淺裂紋只能遮擋聲束的一小部分，不足50%。

2 裂紋高度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用的探傷儀是H600C型數(shù)字式超聲探傷儀，探頭是普通的斜探頭，折射角45°，頻率5MHz，晶片尺寸10mm×10mm。

裂紋高度測(cè)量實(shí)驗(yàn)是在試塊上進(jìn)行的，共有3個(gè)試塊，形狀都是長(zhǎng)條形，截面為40 mm×40 mm正方形，材質(zhì)是20#低碳鋼。No.1試塊上有3條線切割槽，槽寬0.2mm，槽從上表面開始垂直向下延伸，槽深分別是 10，20，30 mm，如圖 4（a）所示。No.2 試塊上有4條垂直向下的線切割槽，槽寬0.2mm，槽深分別是1，3，5，7 mm。No.3 試塊上有兩條傾斜的線切割槽，傾斜30°，槽深分別是5mm和23mm，槽的頂點(diǎn)到試塊表面的距離是4.33 mm和20 mm，如圖4（b）所示。制做試塊的鋼材，經(jīng)過嚴(yán)格的探傷檢驗(yàn)，保證試塊中沒有自然缺陷。

圖4 No.1、No.2和No.3三個(gè)試塊的示意圖

首先將發(fā)射探頭ST和接收探頭SR放置在No.1試塊的上表面，加耦合劑，選好探頭位置，使超聲波從發(fā)射探頭傳播到接收探頭所經(jīng)過的區(qū)域無任何缺陷[7-9]。調(diào)節(jié)兩個(gè)探頭之間的間距X，滿足式（1），并調(diào)節(jié)探頭的方向，使兩個(gè)探頭的聲束中心線重合，此時(shí)透射波的幅度達(dá)到最高值Pmax。再將發(fā)射探頭ST放置在線切割槽附近，與工件耦合好。移動(dòng)接收探頭SR，使回波幅度P達(dá)到最高。如此時(shí)P＞50%Pmax，則移動(dòng)發(fā)射探頭ST減小探頭與線切割槽之間距離X，再次測(cè)量回波幅度P。反之P＜50%Pmax，則移動(dòng)發(fā)射探頭ST加大探頭與裂紋之間距離X，測(cè)量回波幅度P。多次重復(fù)上述測(cè)量，直到找出與P=50%Pmax對(duì)應(yīng)的間距X。測(cè)出X之后，再用式（3）計(jì)算得出線切割槽高度Hf。圖5是全高和半高透射波的波形。

圖5 全高和半高透射波波形

在No.2試塊上也進(jìn)行了同樣的測(cè)量，只有深度為1mm的刻槽不能達(dá)到P=50%Pmax，由于深度太淺，得到的結(jié)果總是P＞50%Pmax。這表明在本文測(cè)試條件下，透射波半高度法的下限是3mm。以上測(cè)試結(jié)果列于表1的第1～7行。

對(duì)No.3試塊上兩條傾斜的線切割槽也進(jìn)行了相同的測(cè)試，在槽的左右兩側(cè)各進(jìn)行一次測(cè)試，得到了兩個(gè)探頭發(fā)點(diǎn)到刻槽的距離X1和X2。將X1和X2代入式（4）和式（5），計(jì)算出刻槽的高度Hf和傾斜角度θ，計(jì)算結(jié)果列于表1的第8～9行。

3 結(jié)束語(yǔ)

透射波半高度法能測(cè)量表面裂紋和內(nèi)部裂紋的高度，包括垂直和傾斜的裂紋，并且能測(cè)量?jī)A斜裂紋的傾斜角度。所需設(shè)備非常簡(jiǎn)單，只是一臺(tái)普通的超聲探傷儀和兩個(gè)普通的斜探頭。

表1 人工缺陷（線切割槽）高度和傾斜角度超聲測(cè)量值與真實(shí)值對(duì)比

對(duì)深度為3～30 mm的線切割槽進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果顯示，測(cè)量誤差＜1 mm。由于裂紋的形狀要比線切割槽復(fù)雜，所以測(cè)量裂紋高度的誤差可能大一些。斷裂力學(xué)的原理和觀察裂紋的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，裂紋形狀比較平緩，因此估計(jì)測(cè)量裂紋高度的誤差為±2 mm。

根據(jù)透射波半高度法的原理不難理解，如果用點(diǎn)聚焦探頭代替普通斜探頭作為發(fā)射探頭，測(cè)量裂紋高度的下限有可能從3mm下降到1mm。更加重要的是測(cè)量誤差會(huì)大幅度地減小，原因是點(diǎn)聚焦探頭的焦斑直徑能夠小至Φ1mm甚至更小，當(dāng)探頭聲束的焦柱與裂紋前沿相交時(shí)，探頭微小的移動(dòng)會(huì)引起聲束被裂紋遮擋的比例發(fā)生很大的變化，這就導(dǎo)致測(cè)量誤差大幅度減小，裂紋形狀的影響也會(huì)減小。

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