CN112684014B - 一种杯形试块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种杯形试块，包括曲柱杯结构、直柱杯结构和第一平板，所述曲柱杯结构的横截面包括依次首尾相接的第一圆弧AB、第一线段BC、第二线段CD、第二圆弧DE和第三线段EA；所述直柱杯结构的横截面包括依次首尾相接的第三圆弧AH、第四线段HG、第五线段GF、第六线段FE和第三线段EA；所述第一平板包括上表面。本发明显著提高了超声波斜入射缺陷的精确定位，大大提高了凹曲面锻件超声波周向斜入射检测的水平，同时可以与各种圆弧半径50mm差系列的杯形试块相配合，实现空心锻件纵向缺陷的超声波探伤的准确定位。利用本发明的杯形对比试块标定的仪器比例，满足了仪器准确校准目的，更有利于凹曲面锻件的超声波缺陷定位探伤。
Description
技术领域
本发明属于凹曲面类锻件周向面方向斜入射超声波探伤入射点、角度、水平、垂直、声程的精度定位领域，具体涉及一种杯形试块。
背景技术
超声波探伤仪和探头的标定工作，目前主要的标准试块为V1(IIW1)船形试块和V2(IIW2)牛角试块，它们的作用主要为水平线性、垂直线性、动态范围、灵敏度余量、分辩力、盲区、探头的入射点、折射角等，探头的检测面为平面。而杯形试块与船形试块（或牛角试块）的作用基本相同，但探头的检测面均为凸曲面。工件面的形状通常为平面和曲面，平面作为检测面的探伤工作，其仪器和探头标定为船形试块和牛角试块；曲面作为检测面的探伤工作，其仪器和探头标定全世界范围内没有检测试块。
凹曲面锻件的超声波周向斜探测缺陷精确定位，在国际上一直没有标准试块调试。如何确定曲面锻件检测的入射点、角度、扫描速度及零点，成为无损检测领域重大难题。油气钻采设备零部件周向斜探测缺陷的检测，国际上采用的探伤方法主要是内外径缺口上获得的第一个反射的峰值之间连接一条线，建立振幅的基准线。但对缺陷的精度定位无法保证，现有的对比试块均无法满足角度、速度及零点标定工作。
因此，需要一种新的对比试块来解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术中的对比试块均无法满足入射点、扫描速度及零点标定的缺陷，提供一种可以对周向斜探测曲面锻件入射点、角度、声速及零点标定的杯形试块。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的杯形试块采用如下技术方案：
一种杯形试块，包括曲柱杯结构、直柱杯结构和第一平板，
所述曲柱杯结构的横截面包括依次首尾相接的第一圆弧AB、第一线段BC、第二线段CD、第二圆弧DE和第三线段EA，
所述第一圆弧AB的圆心为O点，半径为R；
所述第二圆弧CD的圆心为A点，半径为r；
所述直柱杯结构的横截面包括依次首尾相接的第三圆弧AH、第四线段HG、第五线段GF、第六线段FE和第三线段EA，
所述第三圆弧AH的圆心为O点,半径为R；
所述第六线段FE与所述第三线段EA垂直；
其中，所述O点位于A点的上方；
所述第一圆弧AB形成第一圆弧形面，所述第二圆弧DE形成第二圆弧形面；
所述第三圆弧AH形成第三圆弧形面，所述第六线段FE形成第六平面；
所述第三线段EA形成第一平面；
所述第三圆弧形面与所述第一圆弧形面相接，所述第三平面和第一平面固定连接；
所述第一平板包括上表面；
所述上表面与所述第六平面固定连接。
优选的，还包括支撑结构，所述支撑结构为平板，所述支撑结构与所述曲柱杯结构对应设置，所述支撑结构与所述第一平板的侧面固定连接。
优选的，r≥R。
优选的，r=R+5mm。
优选的，所述第一平板的厚度为30mm±0.1 mm。常见斜探头最大晶片尺寸为13×13mm2，探头频率为2.5MHz，因此λ=C/f=/=1.29mm。由于探头角度测量时，探头与反射孔之间声程须大于2倍探头近场区距离，可以避免近场区影响而造成的测量结果误差，所以必须N≥d2/(4×λ)=132/(4×1.29)=32.8mm。又因为圆弧形半径R一般是大于30mm，因此满足探头角度测量误差最低要求。
优选的，所述杯形试块的两个端面之间的距离为所述杯形试块的厚度，所述杯形试块的厚度为不小于25mm。本发明中，所述杯形试块的厚度为25mm±0.1 mm或50mm±0.1mm。其中，本发明中杯形试块的两个端面均为平面。
优选的，所述第三圆弧形面与所述第一圆弧形面的相接线为所述杯形试块的凹部，所述杯形试块的前后两端的凹部均设置有矩形刻线。
优选的，所述矩形刻线的长度为10mm，深度为3mm。
优选的，所述第一圆弧形面设置有弧长度刻线。弧长度刻线用于方便观察超声波探头前引或入射点。
优选的，所述第三圆弧形面上设置有角度刻线。角度刻线用于方便观察超声波探头移动角度。
有益效果：本发明的杯形试块显著提高了超声波斜入射缺陷的精确定位，大大提高了曲面锻件超声波周向斜入射检测的水平，同时可以与各种圆弧半径50mm差系列的杯形试块相配合，实现凹曲面锻件纵向缺陷的超声波探伤的准确定位。利用本发明的杯形对比试块标定的仪器比例，满足了仪器准确校准目的，更有利于曲面锻件的超声波缺陷定位探伤。
附图说明
图1为本发明的杯形试块的主视图；
图2为本发明的杯形试块的左视图；
图3为本发明的杯形试块的使用示意图。
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明的一种杯形试块，包括曲柱杯结构1、直柱杯结构2和第一平板3，
曲柱杯结构1的横截面包括依次首尾相接的第一圆弧AB、第一线段BC、第二线段CD、第二圆弧DE和第三线段EA，
第一圆弧AB的圆心为O点，半径为R；
第二圆弧CD的圆心为A点，半径为r。第一线段BC与第二线段CD垂直，
直柱杯结构2的横截面包括依次首尾相接的第三圆弧AH、第四线段HG、第五线段GF、第六线段FE和第三线段EA，
第三圆弧AH的圆心为O点,半径为R；
第六线段FE与第三线段EA垂直。第四线段HG和第五线段GF垂直。其中，第一线段BC和第四线段HG的长度均大于等于5mm。优选的，第一线段BC和第四线段HG的长度相同。
其中，O点位于A点的上方；
第一圆弧AB形成第一圆弧形面，第二圆弧DE形成第二圆弧形面；
第三圆弧AH形成第三圆弧形面，第六线段FE形成第六平面；
第三线段EA形成第一平面；
第三圆弧形面与第一圆弧形面相接，第三平面和第一平面固定连接；
第一平板3包括上表面；
上表面与第六平面固定连接。
优选的，还包括支撑结构4，支撑结构4为平板，支撑结构4与曲柱杯结构1对应设置，支撑结构4与第一平板3的侧面固定连接。支撑结构4的底面与第一平板3的下表面平齐。其中，第一平板3的厚度与支撑结构4的厚度差大于等于5mm。
优选的，r≥R。
优选的，r=R+5mm。
优选的，第一平板3的厚度为30mm±0.1 mm。常见斜探头最大晶片尺寸为13×13mm2，探头频率为2.5MHz，因此λ=C/f=3230×103/2.5×106=1.29mm。由于探头角度测量时，探头与反射孔之间声程须大于2倍探头近场区距离，可以避免近场区影响而造成的测量结果误差，所以必须N≥d2/(4×λ)=132/(4×1.29)=32.8mm。又因为圆弧形半径R一般是大于30mm，因此满足探头角度测量误差最低要求。
优选的，杯形试块的两个端面之间的距离为杯形试块的厚度，杯形试块的厚度为不小于25mm。本发明中，杯形试块的厚度为25mm±0.1 mm或50mm±0.1 mm。其中，本发明中杯形试块的两个端面均为平面。
优选的，第三圆弧形面与第一圆弧形面的相接线为杯形试块的凹部，杯形试块的前后两端的凹部均设置有矩形刻线5。优选的，矩形刻线5的长度为10mm，深度为3mm。
优选的，第一圆弧形面设置有弧长度刻线。弧长度刻线用于方便观察超声波探头前引或入射点。
优选的，第三圆弧形面上设置有角度刻线。角度刻线用于方便观察超声波探头移动角度。
本发明中：
第一平板3与直柱杯结构2相接的平面为上表面；
第一平板3远离直柱杯结构2的平面为下表面；
上表面和下表面之间的距离为第一平板3的厚度；
直柱杯结构2的两个端面均为平面，直柱杯结构2的高度为杯形试块的厚度；
曲柱杯结构1的两个端面均为平面，曲柱杯结构1的高度为杯形试块的厚度；
第一平板3的两个相对侧表面之间的距离为杯形试块的厚度，其中，两个相对侧表面分别与直柱杯结构2的两个端面相接；
第一线段BC和第四线段HG均与第一平板3平行，第一线段BC或第四线段HG为杯形试块的顶部，顶部与第一平板3的下表面之间的距离为杯形试块的高度。优选的，第一线段BC与第一平板3的下表面之间的距离和第四线段HG与第一平板3的下表面之间的距离相同。
本发明显著提高了超声波斜入射缺陷的精确定位，大大提高了凹曲面锻件超声波周向斜入射检测的水平，同时可以与各种圆弧半径50mm差系列的杯形试块相配合，实现凹曲面锻件纵向缺陷的超声波探伤的准确定位。利用本发明的杯形对比试块标定的仪器比例，满足了仪器准确校准目的，更有利于曲面锻件的超声波缺陷定位探伤。
实施例1
曲面锻件入射点、角度、声速及零点标定对比试块称为杯形试块，杯形试块厚度等于2" (50mm)，宽度为2R+10mm，高度为2R+35mm。曲柱杯结构由半径R和半径r组成, R不大于r，其中R为小半径，r为大半径。按照r=R+5mm进行设计，曲柱杯结构制作参数见下表1所示。直柱杯结构的上表面和/或下表面的角度长刻线位置P的计算公式：P=R×Sin（β）；其中β为20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°。角度短刻线位置P的计算方法同角度长刻线，短刻线分别为25°、35°、45°、55°、65°、75°，角度刻线位置P参数见下表2。
表1 左侧的曲柱杯形状制作参数
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| R半径 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 |
| r半径 | 55 | 105 | 155 | 205 | 255 | 305 | 355 | 405 |
表2直柱杯结构侧面的角度刻线位置制作参数
备注：长度单位均为mm。
粗糙度Ra≤6.3um，原材料质保书，锻造工艺，热处理参数，加工尺寸检验记录等要齐全。试块参数见下表3。
表3 对比试块制作参数
备注：制作要求，R—半圆形，公差 ±0.015"(0.38 mm)；W—宽度，公差 ±0.030”(0.76 mm) ；H—高度，公差 ±0.030” (0.76 mm) ；P—K值位置线，公差 ±0.001” (0.25mm) ；I—典型试块标识；45 = 典型金属标号；V = 凸曲面探头，K = 角度的正切，V = 声速，Z=零点；0118 =01.18"，金属半径，单位00.00"；CUPB = 杯形试块；四位：1575=凹曲面圆半径400mm。
对比试块材料：对比试块技术指标需符合GB/T 11259及ASTM E428标准要求。
发明原理：为了更好地确保凹曲面类锻件周向方向斜入射超声波探伤水平、垂直、声程的精度定位，设计了一种杯形试块，通过先校准探头入射点、角度，计算超声反射声程S1=2r或35+R+R×（1-cos（β））、S2=r，再校准探头速度、零点的方法，达到了凹曲面锻件斜入射的检测精度定位。
本发明的杯形试块显著提高了超声波斜入射缺陷的精确定位，大大提高了凹曲面锻件超声波周向斜入射检测的水平，同时可以与各种圆弧半径50mm差系列的杯形试块相配合，实现凹曲面锻件纵向缺陷的超声波探伤的准确定位。利用本发明的杯形对比试块标定的仪器比例，满足了仪器准确校准目的，更有利于凹曲面锻件的超声波缺陷定位探伤。
Claims (10)
1.一种杯形试块，其特征在于：包括曲柱杯结构（1）、直柱杯结构（2）和第一平板（3），
所述曲柱杯结构（1）的横截面包括依次首尾相接的第一圆弧AB、第一线段BC、第二线段CD、第二圆弧DE和第三线段EA，
所述第一圆弧AB的圆心为O点，半径为R；
所述第二圆弧DE的圆心为A点，半径为r；
所述直柱杯结构（2）的横截面包括依次首尾相接的第三圆弧AH、第四线段HG、第五线段GF、第六线段FE和第三线段EA，
所述第三圆弧AH的圆心为O点,半径为R；
所述第六线段FE与所述第三线段EA垂直；
其中，所述O点位于A点的上方；
所述第一圆弧AB形成第一圆弧形面，所述第二圆弧DE形成第二圆弧形面；
所述第三圆弧AH形成第三圆弧形面，所述第六线段FE形成第六平面；
所述第三线段EA分别在曲柱杯结构和直柱杯结构上形成第一平面和第三平面；
所述第三圆弧形面与所述第一圆弧形面相接，所述第三平面和第一平面固定连接；
所述第一平板（3）包括上表面；
所述上表面与所述第六平面固定连接。
2. 根据权利要求1所述的杯形试块，其特征在于： 还包括支撑结构（4），所述支撑结构（4）为平板，所述支撑结构（4）与所述曲柱杯结构（1）对应设置，所述支撑结构（4）与所述第一平板（3）的侧面固定连接。
3.根据权利要求1所述的杯形试块，其特征在于：r≥R。
4.根据权利要求1所述的杯形试块，其特征在于：r=R+5mm。
5.根据权利要求1所述的杯形试块，其特征在于：所述第一平板（3）的厚度为30mm±0.1mm。
6.根据权利要求1所述的杯形试块，其特征在于：所述杯形试块的两个端面之间的距离为所述杯形试块的厚度，所述杯形试块的厚度为不小于25mm。
7.根据权利要求1所述的杯形试块，其特征在于：所述第三圆弧形面与所述第一圆弧形面的相接线为所述杯形试块的凹部，所述杯形试块的前后两端的凹部均设置有矩形刻线（5）。
8.根据权利要求7所述的杯形试块，其特征在于：所述矩形刻线（5）的长度为10mm，深度为3mm。
9.根据权利要求1所述的杯形试块，其特征在于：所述第一圆弧形面设置有弧长度刻线。
10.根据权利要求1所述的杯形试块，其特征在于：所述第三圆弧形面上设置有角度刻线。
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