硬质合金棒材半自动检测

硬质合金棒材缺陷的超声半自动检测

超声检测是一项比较完善和成熟的技术。对不同材料需采用不同的检测方法,以求达到快速、可靠地检测出材料组织中的缺陷,为生产工艺的调整提供准确依据。

近,笔者对一种新开发的准纳米硬质合金棒材进行了超声检测,结合实际生产需要,设计了一套小型机械设备,实现了对该棒材的半自动检测。

1检测方法的确定

首先根据材料的组织特性选定超声检测的频率。该材料内部晶粒相对较小,由于生产的特点决定了缺陷基本上以微细裂纹和细小气孔为主,因此选用频率为10 mhz的锆钛酸铅压电陶瓷晶片,以进一步设计相应的线聚焦探头。检测仪器选用汕头超声研究所的cts223型超声探伤仪。

因为缺陷有可能存在于材料表面或内部,所以有必要设计两个探头对材料进行超声检测。对于内部缺陷,采用垂直入射法检测,即入射声波垂直于棒材外圆切线;对于表面缺陷,采用水平偏移法检测。

1.1材料声速的测定

检测前先用超声测厚仪对该材料的声速进行测定。通过测定发现该材料在轴向和径向上的声速存在差异,也就是说,该材料内部是各向异性的。但声速的差异对超声检测的影响不是太大,另外,从尽量减少试验误差考虑,选择轴向声速作为检测过程中的参考值。为此挑选了三种不同直径的硬质合金棒材,测得其轴向长度分别为91.2,92.4和84.2 mm,用超声测厚仪在5 920 m/s纵波声速下测得的长度分别为90.1,88.8和80.1 mm。

现假设三种材料中的纵波声速分别为v1,v2和v3,有

从以上三个不同数值基本上确定了该材料的声速范围,为方便起见,选取6 160 m/s作为该硬质合金材料的纵波声速,又根据vl≈1.83vs(vl和vs分别表示纵波和横波声速)可以得出该硬质合金材料中的横波声速约为3 366 m/s。

1.2水平偏移法

首先假设被测棒材的半径为r,如图1所示,采用横波探测表面缺陷,产生横波的条件是

将各声速代入上式,可得纵波入射角α满足的条件为

不难得出当硬质合金内的横波折射角度是45°时,如果棒材表面存在缺陷,则接收到的缺陷回波强。据此就可推算出需要的入射角,即

可见,满足式(5)要求。

由图1可以得到换能器轴心与棒材轴线偏移的距离x为

2声透镜的设计

线聚焦探头声透镜的几何焦距f为[1]

式中 r———声透镜的几何半径

n———声折射率

n=vl水/vl镜

几何焦距fop与声学焦距fac的关系为

式中n为近场长度。由式(9)可较方便地求出声透镜的声学焦距,从而进一步求出聚焦探头的线聚焦宽度w,即

式中 λ———波长

d———线聚焦探头宽度或直径

由图1可知,声透镜在耦合介质中的聚焦点内半角θ为

声透镜焦点落在水平轴线以下和以上的情况如图1和2所示。中心、右边缘和左边缘声波入射角可由下式计算[2]

当焦点落在水平轴线以下,φ<θ/2时,α>η>γ;当φ=θ/2时,α=η>γ;当φ>θ/2时,η>α>γ。

此时右边缘入射角大,左边缘入射角小,棒材内折射横波的焦距随φ值的增加而增大,可能直达棒材的外表面,这样可大大提高探伤灵敏度,但是因为检测面积太小,所以检测速度就会受到影响,而且对检测仪器要求也高.

当焦点落在水平轴线以上,φ<θ/2时,则α>γ>η;φ=θ/2时,α=γ>η;φ>θ/2时,γ>α>η。此时左边缘折射角大,右边缘折射角小。由图2可见,左右侧声线相对快速向中间集中,到达棒材外壁时面积较大,使检测灵敏度降低。

当φ=0°时,两侧的入射角相等,即η=γ<α。此时焦点正好位于水平轴线上。而此时的l1也被称为佳声程。横波在棒材外表面上的检测面积与纵波入射到棒材外表面上的面积相等。

通过上述分析得出,当焦点正好位于水平轴线上时检测效果较好。

由图1可知,要使得换能器与硬质合金棒材之间水层的**次回波出现在棒材下表面回波的右侧,水层的深度l1需满足以下条件

式中l2为超声波横波从入射点至棒材下表面的声程,由图2可知

由式(15)和(16)可得透镜焦距f应满足的条件为

进一步分析以上各式可以发现,声透镜焦距f、中心内半角θ和声透镜宽度d都是由入射角α和γ以及被检棒材直径决定,而不是任意选定的。θ值不可取得太大。否则中心点入射角和两侧入射角相差就会很大,这是在探伤中不希望出现的;另外还会使棒材在转动过程中产生上下跳动,使得超声波内外侧入射点位置产生较大变化,从而影响探伤结果。

另一方面,θ值又不能取得太小,否则在相同晶片宽度情况下,焦距就会变得很大,使得超声波能量产生不必要的损失,从而影响探伤结果。选择晶片宽度d时,希望α和γ之间的差值<1°。

3半自动检测的实现

解决了以上若干问题后,根据实际需要设计了一套小型机械设备,以实现半自动检测。

如图3所示,探头固定块夹持一个探头可在被测棒材径向自由移动,并能较准确地控制移动距离。为提高检测灵敏度,减少检测盲区,尽量使用小螺纹调节,选用螺距为1 mm的细螺纹(图4),刻度盘均分成20份,调节旋钮每转动一个格,探头就将前进或后退0.05 mm,基本可以满足需要。

该设备中的棒材转动速度还要和超声波的脉冲频率相匹配,以保证不发生漏检。

假设棒材旋转的速度为n,声束的有效检查区域为δ(单位为rad),缺陷通过有效检查区域的时间t为

为保证能有效检测,在时间t内要有一次以上声脉冲发射,适当降低棒材转速即可增加声脉冲发射次数。另外,为保证不漏检,用手沿棒材轴向移动的速度不能太快,也就是说,当棒材旋转一周后,探头移动的距离不能大于探头的直径。在该项目中使用的是可调速电动机驱动,可根据实际情况进行调节,避免了这一影响。

4实际检测结果

在实际生产过程中,检测了表1所示的几种棒材。为保证不漏检,每一种棒材都反复检测2~3遍。检出的缺陷有①材料生产过程中预留在棒材内部的　0.2 mm的径向和轴向细孔。②棒材内部深度为0.1 mm的微裂纹。③棒材表面深度为0.1 mm的微裂纹。检测结果较理想。

需要说明的是,检测不仅能够发现以上缺陷,而且可以通过确定缺陷的起始和终止位置确定它的长度,从而为判断材料合格与否提供依据。

5结束语

以上研究及实践证明,使用超声波来检测准纳米级硬质合金棒材的缺陷是可行的。

参考文献:

[1] 克劳特克洛默j,克劳特克洛默h.超声检测技术[m].广州:广东科技出版社,1984.

[2] 彭应秋,朱 惠,郑开胜.薄壁管探伤中水声程公式分析[j].无损检测,1998,20(3):65-68