CN109115876B - 超声波无损检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波无损检测方法，超声波斜探头朝着工件发出超声波，超声波达到工件时，工件的表面产生表面波，移动超声波斜探头，对工件进行扫描，同时在工件表面设置沿着表面波传播方向滚动的滚动体，滚动体具有在滚动过程中与工件表面呈线型贴合的曲面，且曲面上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍。还公开了一种超声波无损检测装置，包括超声波斜探头和滚动体，滚动体表面设置有在滚动时与工件呈线型贴合的曲面，曲面上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍。本发明能够削弱障碍物和棱边反射表面波而产生的回波信号对超声波检测缺陷回波的判断造成的干扰，提高检测效率，保证检测的准确性。

Description

超声波无损检测方法及装置
技术领域
本发明涉及超声波无损检测技术领域，具体涉及一种超声波无损检测方法及装置。
背景技术
表面波是当固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时，质点作相应的纵横向复合振动；此时，质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行。
在对工件进行超声波检测时，为了增加扫查横截面积，提高工作效率，条件允许时应尽量采用较大折射角(K值)、高标称频率探头。其中，《承压设备无损检测》NB/T47013.3-2015中第6.3.6.1款规定：斜探头的折射角(K值)、标称频率的选取可参照下表1的规定，条件允许时应尽量采用较大折射角(K值)探头。
6.4.3.2规定：斜探头标称频率一般采用4MHz～5MHz,当管壁厚度大于15mm时，采用2MHz～2.5MHz的探头。
6.4.3.3规定：斜探头的折射角(K值)的选取可参照下表2的规定。
表1推荐采用的斜探头折射角(K值)和标称频率
工件厚度t/mm 折射角(K值) 标称频率/MHz
≥6～25 63°～72°(2.0～3.0) 4～5
＞25～40 56°～68°(1.5～2.5) 2～5
＞40 45°～63°(1.0～2.0) 2～2.5
表2斜探头折射角(K值)的选择
管壁厚度t/mm 探头折射角(K值) 探头前沿/mm
≥6～25 63°～72°(20～3.0) 4～5
＞25～40 56°～68°(1.5～2.5) 2～5
＞40 45°～63°(1.0～2.0) 2～2.5
但斜探头的折射角(K值)越大，固体介质表面越容易产生表面波。由于工件表面不是绝对平滑的，具有一定的粗糙度，存在许多不同形状的棱边。表面波传播途中碰到棱边时，若棱边曲率半径R大于5倍波长，表面波可不受阻拦完全通过，当R逐渐变小时，部分表面波能量被棱边反射；当R小于等于波长时反射能量很大。高标称频率斜探头指向更好，反射能量更高；反射能量逾高，在超声波无损检测中仪器示波屏回波信号逾高。在各种工件制造中工件表面避免不了产生R小于等于5倍波长各种障碍物、棱边，所以在超声波无损检测中仪器示波屏产生高低不等的回波信号，这些表面波高低不等的回波信号对超声波检测缺陷回波的判断造成极大的干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超声波无损检测方法及装置，能够削弱障碍物和棱边反射表面波而产生的回波信号对超声波检测缺陷回波的判断造成的干扰，提高检测效率，保证检测的准确性。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：超声波无损检测方法，超声波斜探头朝着工件发出超声波，超声波达到工件时，工件的表面产生表面波，移动超声波斜探头，对工件进行扫描，同时在工件表面设置沿着表面波传播方向滚动的滚动体，滚动体具有在滚动过程中与工件表面呈线型贴合的曲面，且曲面上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍。
进一步地，所述曲面上涂覆有耦合剂。
进一步地，所述滚动体包括内衬和乳胶套，所述曲面设置在乳胶套上。
进一步地，所述滚动体的移动速度与超声波斜探头的移动速度一致。
超声波无损检测装置，包括机架和设置在机架上的超声波斜探头，所述机架上设置有滚动体，所述滚动体表面设置有在滚动时与工件呈线型贴合的曲面，所述曲面上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍；所述滚动体的轴向方向与超声波斜探头的超声波发射方向垂直。
进一步地，所述机架上设置有高度调节机构，所述滚动体安装于高度调节机构的底部。
进一步地，所述高度调节机构为呈倒L形的弹性片，所述弹性片的水平部与机架固定连接，所述滚动体设置于弹性片的竖直部下端。
进一步地，所述滚动体包括内衬和乳胶套，所述曲面设置在乳胶套上。
进一步地，所述机架内部设置有安装腔，机架的侧壁设置有与机架螺纹配合的压紧螺栓，所述超声波斜探头位于安装腔中且压紧螺栓压紧超声波斜探头。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：检测时，在工件的表面设置一个沿着表面波传播方向滚动的滚动体，滚动体曲面上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍，当表面传播时，滚动体能够作为表面波传播的载体，辅助表面波的传播，不会对表面波造成反射，表面波可不经过工件表面的障碍和棱边，而不受阻拦地完全通过滚动体，避免工件表面存在的棱边对表面波传播造成的干扰，削弱障碍物和棱边反射表面波而产生的回波信号对超声波检测缺陷回波的判断造成的干扰，提高检测效率，保证检测的准确性。
附图说明
图1为超声波无损检测装置的整体示意图；
图2为滚动体的一种结构示意图；
图3为滚动体的另一种结构示意图；
图4是另一种高度调节机构的示意图。
图5是超声波无损检测装置的使用示意图。
附图标记：1—超声波斜探头；2—滚动体；21—曲面；22—乳胶套；23—内衬；3—机架；4—高度调节机构；41—丝杆；42—门型支架；43—上支撑螺母；44—下支撑螺母；5—压紧螺栓；100—工件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的超声波无损检测方法，根据《承压设备无损检测》NB/T47013.3-2015的规定进行，并通过在检测时增加一个滚动体2辅助表面波的传播，以削弱障碍物和棱边反射表面波而产生的回波信号对超声波检测缺陷回波的判断造成的干扰，具体地：
超声波斜探头1朝着工件100发出超声波，超声波达到工件100时，工件100的表面产生表面波，移动超声波斜探头1，对工件100进行扫描，同时在工件100表面设置沿着表面波传播方向滚动的滚动体2，滚动体2具有在滚动过程中与工件100表面呈线型贴合的曲面21，且曲面21上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍。剩下的检测过程为现有超声波无损检测的常规操作。
超声波斜探头1为现有技术，依据《承压设备无损检测》NB/T47013.3-2015中第6.3.6.1、6.4.3.2款以及6.4.3.3款的规定，根据工件厚度或者管壁厚度确定超声波斜探头1的折射角(K值)以及标称频率f。
滚动体2能够在工件100的表面滚动，滚动时，滚动体2的曲面21与工件100表面呈线型贴合，即曲面21与工件100表面接触的部分为一条直线24。具体地，工件100的表面可以是平面，如板型工件、长方体形的工件，滚动体2采用圆柱体，圆柱体的圆周面即曲面21，具体如图2所示。工件100的表面也可以是曲面，如管件，滚动体2的结构如图3所示，其曲面21的横截面呈圆形，纵截面呈圆弧形。
曲面21上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍，图2和图3所示曲面21的横截面呈圆形，该圆的曲率半径大于表面波波长的5倍，以保证表面波能够无损地通过滚动体2，避免发生反射而产生干扰波。曲面21的横截面的曲率半径确定过程为：
曲率半径R＞5*表面波波长λ，
λ＝CR/f
其中，CR为表面波波速；
f为频率，现行规范规定：f＝2.5～5MHZ；
又∵Cs＞CR
式中，Cs为横波波速；只与工件100的材质有关，钢材的横波波速Cs钢＝3230m/s,且Cs钢＞Cs铝＞Cs铜，即钢材的横波波速大于铝的横波波速，铝的横波波速大于铜的铝的横波波速，钢、铝、铜是十分常用的材质，大部分工件100均采用钢、铝或铜材质，因此，只要按照钢的横波波速确定曲率半径R之后，就能够满足绝大部分工件100的检测要求，当工件100采用其他的材质时，再根据材质的波速重新计算曲率半径R。
∴Cs/f＞CR/f＝λ
λ＜Cs钢/f
f取最小值，
即λ＜3.23/2.5＝1.292mm
根据曲率半径R＞5*1.292mm，得到：
R＞6.46mm
R取6.5mm即可。
超声波斜探头1需要来回移动，对工件100的表面进行多次扫描，以保证对工件100进行全面的检测，滚动体2的长度大于或等于超声波斜探头1每次扫描时对工件100的检测宽度。
如图5所示，检测时，超声波斜探头1在工件100表面移动，移动方向为D向，同时朝工件100发出倾斜的超声波，超声波的方向为A向，超声波到达工件100表面时，工件100表面产生表面波，表面波沿着工件100的表面传播，传播方向为B向。在工件100表面设置滚动体2，滚动体2沿着表面波传播方向滚动，滚动体2的滚动方向为C向，C向与B向为同一个方向。当表面波传递至滚动体2时，表面波通过曲面21与工件100表面的接触线运动至曲面21上，这样滚动体2的曲面21替代工件100的表面作为表面波传递的介质，避免工件100表面上的障碍、棱边等反射表面波而产生干扰波信号，削弱对超声波检测缺陷回波的判断造成的干扰，提高检测效率，保证检测的准确性。
所述滚动体2包括内衬23和乳胶套22，所述曲面21设置在乳胶套22上。所述曲面21上涂覆有耦合剂。内衬23可采用不锈钢等金属材质，乳胶为多孔型材料，能够更好吸附耦合剂，保证滚动体2与工件100表面的耦合使表面波可不受阻拦完全通过。
所述滚动体2的移动速度与超声波斜探头1的移动速度一致，保证滚动体2与超声波斜探头1的运动始终保持协调。
超声波无损检测装置，如图2所示，包括机架3和设置在机架3上的超声波斜探头1，所述机架3上设置有滚动体2，所述滚动体2表面设置有在滚动时与工件100呈线型贴合的曲面21，所述曲面21上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍；所述滚动体2的轴向方向与超声波斜探头1的超声波发射方向垂直。
机架3用于固定滚动体2和超声波斜探头1，采用板材以及杆件焊接成型。滚动体2表面设置有在滚动时与工件100呈线型贴合的曲面21，即在使用时，曲面21与工件100表面的接触部分为直线，滚动体2滚动时，曲面21始终能够与工件表面接触。工件100的表面可以是平面，也可以是曲面，那么曲面21的形状与工件100的表面形状适配，当工件100的表面为平面时，滚动体2的结构如图2所示；当工件100的表面为曲面时，滚动体2的结构如图3所示。
曲面21上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍，曲面21的图2和图3所示曲面21的横截面呈圆形，该圆的曲率半径大于表面波波长的5倍，以保证表面波能够无损地通过滚动体2，避免发生反射而产生干扰波。经过计算可知，曲面21上任意位置的横截面的曲率半径大于或等于6.5mm时，就能够满足钢材质、铝材质和铜材质的工件100的超声波无损检测要求。
滚动体2的轴向方向与超声波斜探头1的超声波发射方向垂直，是为了保证滚动体2的滚动方向与表面波的传播方向一致。具体地：
如图5所示，检测时，超声波斜探头1在工件100表面移动，移动方向为D向，同时朝工件100发出倾斜的超声波，超声波的方向为A向，超声波到达工件100表面时，工件100表面产生表面波，表面波沿着工件100的表面传播，传播方向为B向。在工件100表面设置滚动体2，滚动体2沿着表面波传播方向滚动，滚动体2的滚动方向为C向，C向与B向为同一个方向。当表面波传递至滚动体2时，表面波通过曲面21与工件100表面的接触线运动至曲面21上，这样滚动体2的曲面21替代工件100的表面作为表面波传递的介质，避免工件100表面上的障碍、棱边等反射表面波而产生干扰波信号，削弱对超声波检测缺陷回波的判断造成的干扰，提高检测效率，保证检测的准确性。
滚动体2可以高度固定地安装在机架3上，为了便于调节曲面21与工件100表面的压力，保证曲面21与工件100表面的贴合程度，所述机架3上设置有高度调节机构4，所述滚动体2安装于高度调节机构4的底部。检测时，通过调节机构4调节滚动体2与工件100表面的压紧力，调节时观察仪器示波屏，滚动体2与工件100表面接触时，示波屏上显示的表面波回波高度明显降低或消失，滚动体2与工件100表面分离时，示波屏表面波回波高度明显增高，即可确认该信号为表面波被反射而产生的回波信号，滚动体2的高度固定后，示波屏表面波回波消失，即可进行正式检测。
高度调节机构4可采用现有任意的调节机构，具体地：
如图4所示，高度调节机构4可以包括竖直的丝杆41，丝杆41的下端连接门型支架42，滚动体2的两端通过销轴安装在门型支架42内，丝杆41的上端贯穿机架3的顶板，顶板上方设置有上支撑螺母43，顶板下方设置有下支撑螺母44，上支撑螺母43和下支撑螺母44均与丝杆41螺纹配合。调节时，旋转上支撑螺母43和下支撑螺母44，将丝杆41松开，然后上下移动丝杆41，调节到位后，旋紧上支撑螺母43和下支撑螺母44，即可使丝杆41保持固定。
此外，如图1和图5所示，所述高度调节机构4为呈倒L形的弹性片，所述弹性片的水平部与机架3固定连接，所述滚动体2设置于弹性片的竖直部下端。弹性片采用韧性好、变形后不会自动回复的材质。使用时，用手指向下按动弹性片，使滚动体2与工件100表面充分接触，正常对平面(曲面)工件100进行超声波检测扫描,并轻轻弹动弹性片，观察仪器示波屏，滚动体2与工件100表面接触时，示波屏上显示的表面波回波高度明显降低或消失，滚动体2与工件100表面分离时，示波屏表面波回波高度明显增高，即可确认该信号为表面波被反射而产生的回波信号，滚动体2的高度固定后，示波屏表面波回波消失，即可进行正式检测。采用弹性片作为调节滚动体2与工件100表面压力的工具，操作非常方便快捷，能够保证较高的检测效率。
所述滚动体2包括内衬23和乳胶套22，所述曲面21设置在乳胶套22上，检测时，在乳胶套22表面涂上耦合剂，乳胶为多孔型材料，能够更好吸附耦合剂，保证滚动体2与工件100表面的耦合使表面波可不受阻拦完全通过。此外，乳胶套22具有弹性，能够更好地调节曲面21与工件100表面的压力。
超声波斜探头1可通过任意一种固定方式安装在机架3上，优选的，所述机架3内部设置有安装腔，机架3的侧壁设置有与机架3螺纹配合的压紧螺栓5，所述超声波斜探头1位于安装腔中且压紧螺栓5压紧超声波斜探头1。

Claims (9)

1.超声波无损检测方法，包括超声波斜探头(1)朝着工件(100)发出超声波，其特征在于，超声波达到工件(100)时，工件(100)的表面产生表面波，移动超声波斜探头(1)，对工件(100)进行扫描，同时在工件(100)表面设置沿着表面波传播方向滚动的滚动体(2)，滚动体(2)具有在滚动过程中与工件(100)表面呈线型贴合的曲面(21)，且曲面(21)上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍。
2.根据权利要求1所述的超声波无损检测方法，其特征在于，所述曲面(21)上涂覆有耦合剂。
3.根据权利要求1所述的超声波无损检测方法，其特征在于，所述滚动体(2)包括内衬(23)和乳胶套(22)，所述曲面(21)设置在乳胶套(22)上。
4.根据权利要求1所述的超声波无损检测方法，其特征在于，所述滚动体(2)的移动速度与超声波斜探头(1)的移动速度一致。
5.超声波无损检测装置，包括机架(3)和设置在机架(3)上的超声波斜探头(1)，其特征在于，所述机架(3)上设置有滚动体(2)，所述滚动体(2)表面设置有在滚动时与工件(100)呈线型贴合的曲面(21)，所述曲面(21)上任意位置的横截面的曲率半径大于表面波波长的5倍；所述滚动体(2)的轴向方向与超声波斜探头(1)的超声波发射方向垂直。
6.根据权利要求5所述的超声波无损检测装置，其特征在于，所述机架(3)上设置有高度调节机构(4)，所述滚动体(2)安装于高度调节机构(4)的底部。
7.根据权利要求6所述的超声波无损检测装置，其特征在于，所述高度调节机构(4)为呈倒L形的弹性片，所述弹性片的水平部与机架(3)固定连接，所述滚动体(2)设置于弹性片的竖直部下端。
8.根据权利要求5所述的超声波无损检测装置，其特征在于，所述滚动体(2)包括内衬(23)和乳胶套(22)，所述曲面(21)设置在乳胶套(22)上。
9.根据权利要求5所述的超声波无损检测装置，其特征在于，所述机架(3)内部设置有安装腔，机架(3)的侧壁设置有与机架(3)螺纹配合的压紧螺栓(5)，所述超声波斜探头(1)位于安装腔中且压紧螺栓(5)压紧超声波斜探头(1)。
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