WO2021082587A1 - 一种鸟形试块 - Google Patents
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Abstract
一种鸟形试块,包括鸟嘴结构(1)、1/4圆柱体(2)和第一平板(3),鸟嘴结构(1)和第一平板(3)分别与1/4圆柱体(2)的第二平面和第三平面固定连接,第二圆弧形面与第一圆弧形面相接。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差系列的鸟形试块相配合,实现空心锻件纵向缺陷的超声波探伤的准确定位。鸟形试块标定的探伤仪和探头的性能,满足了探伤仪和探头准确校准目的,更有利于曲面锻件的超声波缺陷定位探伤。
Description
本发明属于空心类锻件周向面方向的斜入射超声波探伤,入射点、角度、水平、垂直、声程的精度定位领域,具体涉及一种鸟形试块。
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,船形试块和牛角试块的作用主要为探头标定水平线性、垂直线性、动态范围、灵敏度余量、分辩力、盲区、入射点和折射角等,要求探头的检测面为平面。而鸟形试块与船形试块(或牛角试块)的作用基本相同,但鸟形试块标定的探头,其检测面为曲面。
实际生产过程中,锻件需要探伤的检测面通常为平面和曲面,以平面作为检测面的探伤工作,探伤仪和探头标定采用船形试块和牛角试块;以曲面作为检测面的探伤工作,探伤仪和探头标定全世界范围内没有标准检测试块。
曲面锻件的超声波周向斜探测缺陷的精确定位,在国际上一直没有标准试块调试。如何确定曲面锻件探伤中,探头的入射点、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无损检测,国际上采用的探伤方法主要是,在内径缺口上获得的第一个反射的峰值,与外径缺口上获得的第一个反射的峰值之间连接一条线,作为振幅的基准线。但是,这种探伤方法无法保证零部件缺陷的精度定位,且现有的标准试块均无法满足周向斜探测曲面锻件的无损检测过程中,探头的入射点、角度、扫描速度及零点标定工作。
因此,需要一种新的检测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标准试块均无法满足探头的入射点、角度、扫描速度及零点标定的缺陷,提供一种在周向斜探测曲面锻件的无损检测过程中,用于探头的入射点、角度、扫描速度及零点标定的鸟形试块。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明的鸟形试块采用如下技术方案:
一种鸟形试块,包括鸟嘴结构、1/4圆柱体和第一平板;
所述鸟嘴结构的纵截面包括依次首尾相接的第一圆弧AC、第二圆弧CB和第一线段BA,所述第二圆弧CB的圆心为A点,半径为r,所述第一圆弧AC的圆心为O点,半径为R,其中,R大于r,所述第一圆弧AC形成第一圆弧形面,所述第一线段BA形成第一平面;
所述1/4圆柱体包括第二平面、第三平面和第二圆弧形面,所述第二圆弧形面的圆心轴线通过所述O点,半径为R;
所述第一平板包括第一上侧面;
所述第一平面与所述第二平面固定连接,所述第一上侧面与所述第三平面固定连接,所述第二圆弧形面与所述第一圆弧形面相接。
其中,r/2R=cos(β),β为第二圆弧CB对应的圆心角。
优选的,β=80°。此时,r/2R=Cos(80°)=0.174。
优选的,第一平板3的高度为30mm±0.1mm,R不小于25mm。常见斜探头最大晶片尺寸为13×13mm2,探头产生的超声波频率f为2.5MHz,因此λ=C/f=3230×103/2.5×106=1.29mm,其中λ为超声波在晶片中传播的波长,C为超声波在晶片中传播的传播速度。由于探头角度测量时,探头与反射面之间的声程需大于超声波近场区长度,以避免由于超声波近场区影响,而造成的测量结果误差,所以必须保证X≥N=d2/(4×λ)=132/(4×1.29)=32.8mm,其中,X表示探头与反射面之间的声程,N表示超声波的近场区长度,d表示探头镜片的弧面直径。
又因为第一圆弧AC的半径R不小于32.8-30=2.8mm,因此,可以保证探头与反射面之间的声程,大于超声波近场区长度将满足探头角度测量误差最低要求。
优选的,所述第二圆弧形面与所述第一圆弧形面的相接线为所述鸟形试块的顶部,在所述鸟形试块的两个端面上,且处于顶部的位置均设置有矩形刻线。
优选的,在所述鸟形试块的两个端面上,沿所述第二圆弧形面和第一圆弧形面的弧形方向均设置有角度刻线。角度刻线用于方便观察超声波探头角度。
优选的,所述角度刻线的角度是以线段OA为零度刻线,以O点为圆形的圆心角。
优选的,所述矩形刻线正下方设置有直径为3mm的圆孔。
优选的,所述圆孔的上圆弧顶点至所述矩形刻线起点A点的距离为r/2。
优选的,所述支撑结构的宽度为0.83r。
优选的,所述鸟嘴结构的宽度为0.98r。
有益效果: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为50mm差系列的鸟形试块相配合,实现空心锻件纵向缺陷的超声波探伤的准确定位。利用本发明的鸟形试块标定的探伤仪和探头,满足了探伤仪和探头准确校准目的,更有利于曲面锻件的超声波缺陷定位探伤。
图1为本发明鸟形试块的主视图;
图2为本发明鸟形试块的左视图;
图3为本发明鸟形试块的使用示意图;
图4为本发明鸟形试块的高度尺寸示意图;
图5为本发明鸟形试块的另一尺寸示意图。
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。
需要说明的是,本申请实施例提供的一种鸟形试块,在使用过程中,鸟形试块的摆放方式如图1所示,所述第一平板3的第一下侧面平水平放置,为了便于描述所述鸟形试块的结构,将图1中的竖直方向作为鸟形试块的高度方向,将图1中的水平方向作为鸟形试块的宽度方向,将图1中垂直于纸面的方向作为鸟形试块的厚度方向。
参见图1,本发明实施例提供的鸟形试块,包括鸟嘴结构1、1/4圆柱体2和第一平板3。
鸟嘴结构1的纵截面包括依次首尾相接的第一圆弧AC、第二圆弧CB和第一线段BA,第二圆弧CB的圆心为A点,半径为r,第一圆弧AC的圆心为O点,半径为R,其中,R大于r,第一圆弧AC形成第一圆弧形面,第一线段BA形成第一平面。
1/4圆柱体2包括第二平面、第三平面和第二圆弧形面,第二圆弧形面的圆心轴线通过O点,半径为R。
第一平板3包括第一上侧面。
所述第一平面与所述第二平面固定连接,所述第一上侧面与所述第三平面固定连接,第二圆弧形面与第一圆弧形面相接。
优选的,所述鸟形试块还包括支撑结构4,支撑结构4为平板状构造,支撑结构4与鸟嘴结构1对应设置,即所述支撑结构4处于所述鸟嘴结构1的正下方,支撑结构4与第一平板3的侧面固定连接,支撑结构4的第二下侧面与第一平板3的第一下侧面平齐。
优选的,支撑结构4的厚度与第一平板3的厚度相同。但是不局限于所述支撑结构4的厚度与第一平板3的厚度相同,也可以将所述支撑结构4的厚度设计为与所述第一平板3的厚度不相同,两者厚度相同时,有利于鸟形试块的摆放与使用,但是也可以将两者的厚度设置为不一致,例如,型号规格较大的鸟形试块,可以将所述支撑结构4的厚度设置的更大,以保证鸟形试块能够稳定的摆放。
优选的,r/2R=cosβ,β为第二圆弧CB对应的圆心角。
优选的,β=80°。此时,r/2R=Cos80°=0.174。
优选的,第一平板3的高度为30mm±0.1mm,R不小于25mm。常见斜探头最大晶片尺寸为13×13mm
2,探头产生的超声波频率f为2.5MHz,因此λ=C/f=3230×10
3/2.5×10
6=1.29mm,其中λ为超声波在晶片中传播的波长,C为超声波在晶片中传播的传播速度。由于探头角度测量时,探头与反射面之间的声程需大于超声波近场区长度,以避免由于超声波近场区影响,而造成的测量结果误差,所以必须保证X≥N=d
2/(4×λ)=132/(4× 1.29)=32.8mm,其中,X表示探头与反射面之间的声程,N表示超声波的近场区长度,d表示探头镜片的弧面直径。
又因为第一圆弧AC的半径R不小于32.8-30=2.8mm,因此,可以保证探头与反射面之间的声程,大于超声波近场区长度将满足探头角度测量误差最低要求。
优选的,第二圆弧形面与第一圆弧形面的相接线为鸟形试块的顶部,鸟形试块的顶部前后两侧均设置有矩形刻线5。矩形刻线5的长度为5mm或者10mm,深度为3mm。
优选的,鸟形试块的两个端面均为平面。鸟形试块的两个端面之间的距离为鸟形试块的厚度,鸟形试块的厚度不小于25mm。本发明中,鸟形试块的厚度为25mm±0.1mm或50mm±0.1mm。
优选的,在所述鸟形试块的两个端面上,沿所述第二圆弧形面和第一圆弧形面的弧形方向均设置有角度刻线,角度刻线用于方便观察超声波探头角度。
优选的,所述角度刻线的角度是以线段OA为零度刻线,以O点为圆形的圆心角。
优选的,所述矩形刻线5正下方设置有直径为3mm的圆孔6。
优选的,所述圆孔6的上圆弧顶点至所述矩形刻线5起点A点的距离为r/2。
优选的,所述支撑结构4的宽度为0.83r。
优选的,所述鸟嘴结构1的宽度为0.98r。
本发明中:
第一平板3与1/4圆柱体2相接的平面为第一上侧面。
第一平板3远离1/4圆柱体2的平面为第一下侧面。
第一上侧面和第一下侧面之间的距离为第一平板3的高度。
1/4圆柱体2的两个端面均为平面。
鸟嘴结构1的两个端面均为平面。
第二圆弧形面与第一圆弧形面的相接线为鸟形试块的顶部,顶部与第一平板3的第一下侧面之间的距离为鸟形试块的高度。
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为50mm差系列的鸟形试块相配合,实现空心锻件纵向缺陷的超声波探伤的准确定位。利用本发明的鸟形试块标定的探伤仪和探头的性能,满足了探伤仪和探头准确校准目的,更有利于曲面锻件的超声波缺陷定位探伤。
实施例1
本申请实施例中,将用于曲面锻件入射点、角度、声速及零点标定的对比试块称为鸟形试块,鸟形试块厚度等于2"(50mm),所述第一平板3和所述支撑结构4的组合宽度为W=R+0.83r,高度为R+30。如图4所示,所述鸟形试块的宽度可以为R+0.83r,又或者,如图5所示,所述鸟形试块的宽度可以为R+0.98r。鸟嘴结构由半径为R和半径为r的两 个曲面包围形成,且Cos(β)=r/2R,其中R为大半径,r为小半径,β为第二圆弧CB对应的圆心角。按照r/2R=Cos(80°)=0.174进行设计,鸟嘴结构制作参数见下表1所示。1/4圆柱体端面上角度刻线分为角度长刻线和角度段刻线,角度长刻线距离O点宽度方向的距离P的计算公式:P=R×Sin(β),其中β为20°、30°、40°、50°、60°、70°或80°。角度短刻线距离O点宽度方向的距离P的计算方法同角度长刻线,角度短刻线分别为25°、35°、45°、55°、65°或75°。参见图3,为本发明鸟形试块的使用示意图,角度刻线P参数见下表2。
表1 左侧的鸟嘴形状制作参数
序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
R半径 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 |
r半径 | 17.4 | 34.8 | 52.2 | 69.6 | 87.0 | 104.4 | 121.8 | 139.2 |
表2 1/4圆柱体端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。参见图4,为本发明鸟形试块的高度尺寸示意图,试块参数见下表3。
表3 鸟形试块制作参数
备注:制作要求,R,r—半圆形,公差±0.015"(0.38mm);W—宽度,公差±0.030"(0.76mm);H—高度,公差±0.030"(0.76mm);P—角度刻线距离O点的宽度,公差±0.001"(0.25mm);I—典型试块标识;4130=典型合金标号;I=入射点,A=角度,V=声速,Z=零点;0118=01.18",金属半径,单位00.00";BSB=鸟形试块;四位:1575=大外圆半径400mm。
鸟形试块材料:鸟形试块技术指标需符合GB/T 11259及ASTM E428标准要求。
发明原理:为了更好地确保空心类锻件周向方向的斜入射超声波探伤水平、垂直、声程的精度定位,设计了一种鸟形试块,通过先校准探头入射点和角度,其中,入射点的校准方法为:将探头的晶片贴合第二圆弧形面,并沿第二圆弧形面向第一圆弧面移动,在探头的晶片经过第二圆弧形面与第一圆弧面的交接线时,连接探头的探伤仪接收到第一个反射超声波,计算超声反射声程S1=2r,此时,将晶片上处于第二圆弧形面与第一圆弧面的交接线的点,标定为探头入射点;将探头在第二圆弧形面上移动,在探伤仪接收到第一个反射超声波时,计算超声反射声程S2=30+R×cos(β),确定探头入射点处于所述第二圆弧形面的位置,确定探头角度,,然后通过超声反射声程,以及探头接收反射超声波的时间,再校准探头速度、零点的方法,达到了曲面锻件斜入射的检测精度定位。
本发明中,在所述矩形刻线5正下方设置有直径为3mm的圆孔6,还可以用于校准晶片为平面的探头,通过将晶片为平面的探头在矩形刻线5处移动,超声波沿矩形刻线5发射,到达所述圆孔6的上圆弧顶点后反射会探头,此时,在探伤仪接收到第一个反射超声波时。进一步的,将所述圆孔6的位置设置在固定位置,例如,使所述圆孔6的上圆弧顶点至所述矩形刻线5起点A点的距离为r/2,则超声反射声程S3=r。
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差系列的鸟形试块相配合,实现空心锻件纵向缺陷的超声波探伤的准确定位。利用本发明的鸟形对比试块标定的探伤仪和探头性能,满足了探伤仪和探头准确校准目的,更有利于曲面锻件的超声波缺陷定位探伤。
Claims (15)
- 一种鸟形试块,其特征在于:包括鸟嘴结构(1)、1/4圆柱体(2)和第一平板(3);所述鸟嘴结构(1)的纵截面包括依次首尾相接的第一圆弧AC、第二圆弧CB和第一线段BA,所述第二圆弧CB的圆心为A点,半径为r,所述第一圆弧AC的圆心为O点,半径为R,其中,R大于r,所述第一圆弧AC形成第一圆弧形面,所述第一线段BA形成第一平面;所述1/4圆柱体(2)包括第二平面、第三平面和第二圆弧形面,所述第二圆弧形面的圆心轴线通过所述O点,半径为R;所述第一平板(3)包括第一上侧面;所述第一平面与所述第二平面固定连接,所述第一上侧面与所述第三平面固定连接,所述第二圆弧形面与所述第一圆弧形面相接。
- 根据权利要求1所述的鸟形试块,其特征在于:还包括支撑结构(4),所述支撑结构(4)为平板状构造,所述支撑结构(4)与所述鸟嘴结构(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,所述支撑结构(4)的第二下侧面与所述第一平板(3)的第一下侧面平齐。
- 根据权利要求2所述的鸟形试块,其特征在于:所述支撑结构(4)的厚度与第一平板(3)的厚度相同。
- 根据权利要求1所述的鸟形试块,其特征在于:r/2R=cos(β),β为第二圆弧CB对应的圆心角。
- 根据权利要求4所述的鸟形试块,其特征在于:β=80°。
- 根据权利要求1所述的鸟形试块,其特征在于:所述第一平板(3)的高度为30mm±0.1mm,R不小于25mm。
- 根据权利要求1所述的鸟形试块,其特征在于:所述鸟形试块的两个端面之间的距离为所述鸟形试块的厚度,所述鸟形试块的厚度不小于25mm。
- 根据权利要求1所述的鸟形试块,其特征在于:所述第二圆弧形面与所述第一圆弧形面的相接线为所述鸟形试块的顶部,在所述鸟形试块的两个端面上,且处于顶部的位置均设置有矩形刻线(5)。
- 根据权利要求8所述的鸟形试块,其特征在于:所述矩形刻线(5)的长度为10mm,深度为3mm。
- 根据权利要求1所述的鸟形试块,其特征在于:在所述鸟形试块的两个端面上,沿所述第二圆弧形面和第一圆弧形面的弧形方向均设置有角度刻线。
- 根据权利要求1所述的鸟形试块,其特征在于:所述角度刻线的角度是以线段OA为零度刻线,以O点为圆形的圆心角。
- 根据权利要求8所述的鸟形试块,其特征在于,所述矩形刻线(5)正下方设置有直径为3mm的圆孔(6)。
- 根据权利要求12所述的鸟形试块,其特征在于:所述圆孔(6)的上圆弧顶点至所述矩形刻线(5)起点A点的距离为r/2。
- 根据权利要求2所述的鸟形试块,其特征在于:所述支撑结构(4)的宽度为0.83r。
- 根据权利要求1所述的鸟形试块,其特征在于:所述鸟嘴结构(1)的宽度为0.98r。
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