CN111610253A - 一种超声爬波探头缺陷回波定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声爬波探头缺陷回波定位装置及方法，装置包括分块A，分块A包括右端的分块C，分块A的前侧面设置有刻度线A，分块C位于刻度线A右侧，分块A左侧焊接有分块B，分块B上侧面设置有人工刻槽，分块B前侧面设置有刻度线B，刻度线B位于所述人工刻槽右方，分块A和所述分块B上方均设置有超声爬波探头，超声爬波探头内部设置有楔块，楔块上设置有压电晶片，超声爬波探头通过信号线连接有超声波探伤仪。本方法可以方便、快速、精准的测量超声爬波探头入射点及延时，解决了超声爬波探头无法在普通试块上测量延时和入射点的问题，进而可以发现缺陷水平位置的精准定位。

Description

一种超声爬波探头缺陷回波定位装置及方法

技术领域

本发明涉及超声爬波探头技术领域，具体来说，涉及一种超声爬波探头缺陷回波定位装置及方法。

背景技术

金属材料表面开口裂纹和近表面埋藏裂纹被认为是极其危险的缺陷，它破坏了金属材料的完整性，降低了工件的安全系数。超声爬波探头产生的是一种沿材料表面近表面传播的压缩波，对表面和近表面裂纹非常敏感。且由于纵波为主要分量，爬波受工件表面刻痕、不平整、凹陷、液滴等的干扰要比表面波小，因此，爬波广泛的应用于金属部件焊缝、汽轮机叶片、曲轴等钢材零部件的表面开口裂纹和近表面埋藏裂纹的无损检测。而要实现缺陷水平位置的精确定位，必须精确测量超声爬波探头的入射点及延时。目前常用超声爬波探头是利用波型转换原理制成。探头主要由压电晶片、楔块、吸声材料等组成。当探头内部压电晶片发射的纵波在楔块与金属材料界面发生波型转换产生的纵折射角为90°时，即产生爬波。

但是，由于爬波沿金属材料表面传播，且在钢中的折射纵横波同时存在，试验人员无法像普通横波探头一样，在常规CSK-ⅠA标准试块上通过找到圆弧面最高回波快捷精准的测得探头入射点及延时，这影响了缺陷水平位置的精准定位。

针对上述技术问题，目前并未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种超声爬波探头缺陷回波定位装置及方法，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种超声爬波探头缺陷回波定位装置，包括分块A，所述分块A包括右端的分块C，所述分块A的前侧面设置有刻度线A，所述分块C位于所述刻度线A右侧，所述分块A左侧焊接有分块B，所述分块B上侧面设置有人工刻槽，所述分块B前侧面设置有刻度线B，所述刻度线B位于所述人工刻槽右方，所述分块A和所述分块B上方均设置有超声爬波探头，所述超声爬波探头内部设置有楔块，所述楔块上设置有压电晶片，所述超声爬波探头通过信号线连接有超声波探伤仪。

进一步的，所述分块A和所述分块C的材质均为有机玻璃，所述分块 B的材质为20钢。

其中，所述分块C的形状为1/4圆形。

进一步的，所述分块A最高点与最低点之间的距离、所述分块B最高点与最低点之间的距离均为100mm，所述分块A最左端与最右端之间的距离、所述分块B最左端与最右端之间的距离均为400mm，所述分块A最前端与最后端之间的距离、所述分块B最前端与最后端之间的距离均为25mm。

进一步的，所述刻度线B与所述分块B最左端之间的距离为100mm。

进一步的，所述人工刻槽最高点与最低点之间的距离为2mm，所述人工刻槽最左端与最右端之间的距离为0.5mm，所述人工刻槽最前端与最后端之间的距离为15mm。

本发明还提供了一种超声爬波探头缺陷回波定位方法，包括如下步骤：

S1：将标定声程以及超声波在有机玻璃中的声速输入到超声波探伤仪中；

S2：前后移动超声爬波探头，找出超声爬波探头的入射点，并量出超声爬波探头前端至分块C圆弧边缘的距离；

S3：在超声波上对超声爬波探头的探头延时进行标定，得到探头延时；

S4：将超声爬波探头的入射点、超声爬波探头入射点距探头前端距离、超声爬波探头的探头延时以及超声波在钢中的声速输入到超声波探伤仪中；

S5：将超声爬波探头的入射点与分块B前侧面的刻度线B重合，使超声波爬波沿分块B上端面传播；

S6：当超声波探伤仪上显示波形时，利用超声波探伤仪的闸门读出波形的距离，得到超声爬波探头前端分别至人工刻槽、分块B上的仪器显示位置；

S7：根据步骤S6得到的数据，计算回波波幅最高时超声爬波探头的探头前端距人工刻槽的距离，记为计算值；

S8：用钢板尺手动测量回波波幅最高时超声爬波探头的探头前端距人工刻槽的距离，记为测量值；

S9：比较计算值与测量值，当二者数据相对误差的范围在5％内时，数据可接受。

进一步的，在步骤S3中，调节超声波显示声程为100mm时，对探头延时进行标定。

进一步的，在步骤S1-S3中，根据超声波的传播声程与声速的关系，超声波在分块A和分块C中，存在如下关系式：

t_o＝t_总1-(L₀+L₁)/2730，即，t_o＝t_总1-(L₀+L₁)/2730，

其中，L₀为超声波爬波探头入射点距探头前端距离；L₁为回波波幅最高时探头前端距圆弧端面的距离；t₀为超声波在超声爬波探头内的传播时间；t_总1为本次超声波在超声爬波探头和分块C中总的传播时间，超声波在有机玻璃中的声速2730(m/s)。

进一步的，在步骤S4-S7中，根据超声波的传播声程与声速的关系，超声波在分块B中，存在如下关系式：

(L₀+L_2计算)/5900+t_o＝t_总2，即，L_2计算＝(t_总2-t_o)×5900-L₀，

其中，L_2计算为超声爬波探头前端距人工刻槽的距离的计算值，t_总2为本次超声波在超声爬波探头和分块B中总的传播时间，超声波在钢中的声速5900(m/s)。

本发明的有益效果：本发明提供了一种装置及方法，解决了超声爬波探头无法在普通试块上测量延时和入射点的问题，操作简便，可以方便、快速、精确的测量超声爬波探头的入射点位置及超声波在探头内的延时，进而可以发现缺陷水平位置的精准定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位装置的试块结构示意图；

图2是根据本发明实施例所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位装置及方法的使用结构示意图。

图中：

1、分块A；2、分块B；3、分块C；4、刻度线A；5、刻度线B；6、人工刻槽；7、压电晶片；8、楔块；9、超声爬波探头；10、超声波探伤仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，根据本发明实施例所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位装置，包括分块A1，分块A1包括右端的分块C3，分块A1的前侧面设置有刻度线A4，分块C3位于刻度线A4右侧，分块A1左侧焊接有分块B2，分块B2上侧面设置有人工刻槽6，分块B2前侧面设置有刻度线B5，刻度线B5位于人工刻槽6右方，分块A1和分块B2上方均设置有超声爬波探头 9，超声爬波探头9内部设置有楔块8，楔块8上设置有压电晶片7，超声爬波探头9通过信号线连接有超声波探伤仪10。

在一具体实施例中，分块A1和分块C3的材质均为有机玻璃，分块B2 的材质为20钢。

优选的，分块C3的形状为1/4圆形。

优选的，分块C3的半径为100mm。

优选的，半径为标定声程。

优选的，分块A1上刻度线A4以左部分的形状和分块B2的形状均为方形。

在一具体实施例中，分块A1最高点与最低点之间的距离、分块B2最高点与最低点之间的距离均为100mm，分块A1最左端与最右端之间的距离、分块B2最左端与最右端之间的距离均为400mm，分块A1最前端与最后端之间的距离、分块B2最前端与最后端之间的距离均为25mm。

在一具体实施例中，刻度线A4为圆心刻度线。

在一具体实施例中，刻度线B5与分块B2最左端之间的距离为100mm。

在一具体实施例中，人工刻槽6最高点与最低点之间的距离为2mm，人工刻槽6最左端与最右端之间的距离为0.5mm，人工刻槽6最前端与最后端之间的距离为15mm。

本发明还提供了一种超声爬波探头缺陷回波定位方法，包括如下步骤：

S1：将标定声程以及超声波在有机玻璃中的声速输入到超声波探伤仪 10中；

S2：前后移动超声爬波探头9，找出超声爬波探头9的入射点，并量出超声爬波探头9前端至分块C3圆弧边缘的距离；

S3：在超声波上对超声爬波探头9的探头延时进行标定，得到探头延时；

S4：将超声爬波探头9的入射点、超声爬波探头入射点距探头前端距离、超声爬波探头9的探头延时以及超声波在钢中的声速输入到超声波探伤仪10中；

S5：将超声爬波探头9的入射点与分块B2前侧面的刻度线B5重合，使超声波爬波沿分块B2上端面传播；

S6：当超声波探伤仪10上显示波形时，利用超声波探伤仪10的闸门读出波形的距离，得到超声爬波探头9前端分别至人工刻槽6、分块B2上的仪器显示位置；

S7：根据步骤S6得到的数据，计算回波波幅最高时超声爬波探头9的探头前端距人工刻槽6的距离，记为计算值；

S8：用钢板尺手动测量回波波幅最高时超声爬波探头9的探头前端距人工刻槽6的距离，记为测量值；

S9：比较计算值与测量值，当二者数据相对误差的范围在5％内时，数据可接受。

在一具体实施例中，在步骤S3中，调节超声波显示声程为100mm时，对探头延时进行标定。

在一具体实施例中，在步骤S1-S3中，根据超声波的传播声程与声速的关系，超声波在分块A1和分块C3中，存在如下关系式：

t_o＝t_总1-(L₀+L₁)/2730，即，t_o＝t_总1-(L₀+L₁)/2730，

其中，L₀为超声波爬波探头入射点距探头前端距离；L₁为回波波幅最高时探头前端距圆弧端面的距离；t₀为超声波在超声爬波探头9内的传播时间；t_总1为本次超声波在超声爬波探头9和分块C3中总的传播时间，超声波在有机玻璃中的声速2730(m/s)。

在一具体实施例中，在步骤S4-S7中，根据超声波的传播声程与声速的关系，超声波在分块B中，存在如下关系式：

(L₀+L_2计算)/5900+t_o＝t_总2，即，L_2计算＝(t_总2-t_o)×5900-L₀，

其中，L_2计算为超声爬波探头前9端距人工刻槽6的距离的计算值，t_总2为本次超声波在超声爬波探头9和分块B2中总的传播时间，超声波在钢中的声速5900(m/s)。

在一具体实施例中，超声爬波是超声波探头内部压电晶片发射的纵波在楔块与金属材料界面发生波型转换产生的纵波折射角为90°时产生的，根据斯涅耳定理，当入射角一定时，超声波在两种材料内的波型转换与反射折射定律只与二者材料的声速有关。

在一具体实施例中，楔块8与专用试块之间存在一定的夹角。

优选的，当纵波斜入射在钢中，折射纵波为90°时，探头在被检工件中产生超声爬波，根据斯涅耳定理，为满足上述要求，爬波探头的楔块倾斜角度α_L满足下列式关系：

Sinα_L/C_L1＝Sinβ_L/C_L2，则有，α_L＝Arcsin(Sinβ_L×C_L1/C_L2)。

优选的，当楔块8的材质为有机玻璃，被检工件材料为碳钢时：

C_L1＝2730m/s，C_L2＝5900m/s，令β_L＝90°，则有，

α_L＝Arcsin(Sinβ_L×C_L1/C_L2)＝Arcsin(Sin90°×2730/5900)，

得到，α_L＝27.56°，即楔块8与专用试块之间存在的夹角为27.56°。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位装置及方法，装置主要包括专用试块分块A1、分块B2、分块C3，超声爬波探头9和超声波探伤仪10，其中，专用试块是用与超声爬波探头9和楔块 8的材料声速相同或相近的材质制作。当超声爬波探头9的超声波由楔块入射到专用试块时，会在楔块8与专用试块界面发生反射及折射，由于二者材料声速相同或相近，根据斯涅耳定理，超声波入射角度与折射角度相同或相近，而不会在专用试块中产生爬波，当超声波遇到专用试块的圆弧面分块C3后会在专用试块与空气界面发生全反射，超声波按原路径返回，并被超声爬波探头9所接收，然后利用超声波探伤仪10得到波形图。定位方法为首先将标定声程以及超声波在有机玻璃中的声速输入到超声波探伤仪10中；然后前后移动超声爬波探头9，当超声波探伤仪10上第一个纵波回波获得最高反射波时，保持超声爬波探头9在检测面中心位置前后移动(探头声束轴线与试块两侧平行)，使分块C3的曲底面回波达到最高，此时，分块C3圆弧的圆心所对应超声爬波探头9上的点就是超声爬波探头 9的入射点，此时，超声爬波探头9的探头前沿长度为L₀＝100-L₁；然后在超声波上对探头延时进行标定，获取探头延时u_o(s)；并量出超声爬波探头 9前端至分块C3圆弧边缘的距离；然后接着将超声爬波探头9的入射点、超声波爬波探头9入射点距超声波爬波探头9前端距离L₀、探头延时u_o(s)、超声波在钢中的声速5900(m/s)作为已知项输入超声波探伤仪10中，利用分块B2，将超声爬波探头9的入射点与刻度线B5重合；超声波爬波沿分块B2上端面传播，遇到人工刻槽6后，一部分返回，一部分继续传播，遇到分块B2左端面时返回；超声爬波探头9依次接收两次回波，在超声波探伤仪10上显示两次回波的波形，利用超声波探伤仪10的闸门读出两个波形的距离，即为超声爬波探头9前端至人工刻槽6、分块B2的仪器显示位置。最后用钢板尺手动测量L₂的测量值，比较L_2计算值与测量的L₂值，当二者数据相对误差的范围在5％以内时，则数据可接受。

综上所述，本发明通过爬波探头入射点及延时测量专用试块，使爬波探头发出的超声波声束通过试块时，不发生产生的纵折射角为90°波型转换效应，进而可以获取特征反射波信号，由此可测量超声爬波探头的入射点及延时，操作简单，方便、快速、精确，解决了超声爬波探头无法在普通试块上测量延时和入射点的问题，可以精确的测量出超声爬波探头延时和入射点，进而可以实现缺陷位置的精准定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声爬波探头缺陷回波定位装置，其特征在于，包括分块A(1)，所述分块A(1)包括右端的分块C(3)，所述分块A(1)的前侧面设置有刻度线A(4)，所述分块C(3)位于所述刻度线A(4)右侧，所述分块A(1)左侧焊接有分块B(2)，所述分块B(2)上侧面设置有人工刻槽(6)，所述分块B(2)前侧面设置有刻度线B(5)，所述刻度线B(5)位于所述人工刻槽(6)右方，所述分块A(1)和所述分块B(2)上方均设置有超声爬波探头(9)，所述超声爬波探头(9)内部设置有楔块(8)，所述楔块(8)上设置有压电晶片(7)，所述超声爬波探头(9)通过信号线连接有超声波探伤仪(10)。

2.根据权利要求1所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位装置，其特征在于，所述分块A(1)和所述分块C(3)的材质均为有机玻璃，所述分块B(2)的材质为20钢。

3.根据权利要求2所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位装置，其特征在于，所述分块C(3)的形状为1/4圆形。

4.根据权利要求1所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位装置，其特征在于，所述分块A(1)最高点与最低点之间的距离、所述分块B(2)最高点与最低点之间的距离均为100mm，所述分块A(1)最左端与最右端之间的距离、所述分块B(2)最左端与最右端之间的距离均为400mm，所述分块A(1)最前端与最后端之间的距离、所述分块B(2)最前端与最后端之间的距离均为25mm。

5.根据权利要求1所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位装置，其特征在于，所述刻度线B(5)与所述分块B(2)最左端之间的距离为100mm。

6.根据权利要求1所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位装置，其特征在于，所述人工刻槽(6)最高点与最低点之间的距离为2mm，所述人工刻槽(6)最左端与最右端之间的距离为0.5mm，所述人工刻槽(6)最前端与最后端之间的距离为15mm。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的装置进行超声爬波探头缺陷回波定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将标定声程以及超声波在有机玻璃中的声速输入到超声波探伤仪中；

S2：前后移动超声爬波探头，找出超声爬波探头的入射点，并量出超声爬波探头前端至分块C圆弧边缘的距离；

S3：在超声波上对超声爬波探头的探头延时进行标定，得到探头延时；

S4：将超声爬波探头的入射点、超声爬波探头入射点距探头前端距离、超声爬波探头的探头延时以及超声波在钢中的声速输入到超声波探伤仪中；

S5：将超声爬波探头的入射点与分块B前侧面的刻度线B重合，使超声波爬波沿分块B上端面传播；

S6：当超声波探伤仪上显示波形时，利用超声波探伤仪的闸门读出波形的距离，得到超声爬波探头前端分别至人工刻槽、分块B上的仪器显示位置；

S7：根据步骤S6得到的数据，计算回波波幅最高时超声爬波探头的探头前端距人工刻槽的距离，记为计算值；

S8：用钢板尺手动测量回波波幅最高时超声爬波探头的探头前端距人工刻槽的距离，记为测量值；

S9：比较计算值与测量值，当二者数据相对误差的范围在5％内时，数据可接受。

8.根据权利要求7所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位方法，其特征在于，在步骤S3中，调节超声波显示声程为100mm时，对探头延时进行标定。

9.根据权利要求7所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位方法，其特征在于，在步骤S1-S3中，根据超声波的传播声程与声速的关系，超声波在分块A和分块C中，存在如下关系式：

t_o＝t_总1-(L₀+L₁)/2730，即，t_o＝t_总1-(L₀+L₁)/2730，

其中，L₀为超声波爬波探头入射点距探头前端距离；L₁为回波波幅最高时探头前端距圆弧端面的距离；t₀为超声波在超声爬波探头内的传播时间；t_总1为本次超声波在超声爬波探头和分块C中总的传播时间，超声波在有机玻璃中的声速2730(m/s)。

10.根据权利要求7所述的一种超声爬波探头缺陷回波定位方法，其特征在于，在步骤S4-S7中，根据超声波的传播声程与声速的关系，超声波在分块B中，存在如下关系式：

(L₀+L_2计算)/5900+t_o＝t_总2，即，L_2计算＝(t_总2-t_o)×5900-L₀，

其中，L_2计算为超声爬波探头前端距人工刻槽的距离的计算值，t_总2为本次超声波在超声爬波探头和分块B中总的传播时间，超声波在钢中的声速5900(m/s)。

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