Page 56 - 无损检测2021年第十二期

孟亦圆, 等:

表面裂纹深度和取向的临界折射纵波检测

件的现场检测 [ 3 ] 。 L CR 波能量渗透深度可达1.5~ θ CR= arcsin ( v 0 v l ( 2 )
/ )
1.8倍波长, 可覆盖表面及更大深度范围 [ 4 ] , 已被用 此时折射纵波即为 L CR 波。裂纹表面 L CR 波
于金属及非金属的残余应力检测及早期力学损伤评 检测原理如图2所示, 试验所用有机玻璃楔块和碳

价中 [ 5-7 ] 。在宏观缺陷检测方面, DJERIR 等 [ 8 ] 通过 钢中的纵波声速分别为 2730m · s 和 5930m ·
-1
波幅值来辨别铝块表面的开口槽, 对应检 -1 为27.4° 。
接收L CR s , 经计算 θ CR

测深度为5~10mm 。田方园等 [ 9 ] 以深度为0.5~

2.5mm , 与声束方向具有不同夹角的垂直表面裂纹
波幅值的变化规律, 发现
为对象, 研究了对应 L CR
波幅值随裂纹深度、 角度的增加而逐渐减小, 说
L CR
波在表面裂纹检测方面有较大潜力。需要指
明L CR
出的是, 影响裂纹检测的因素较多, 裂纹取向、 深度等
波特征参量的影响规律尚未明确, 不同参量的
对L CR
图2 表面裂纹L CR 波检测原理示意
关联关系及裂纹的声学响应机制仍需进一步明确。
以带有不同深度、 取向表面裂纹的碳钢试块为 1.2 检测方案
波检测方法分析裂纹深度、 取 选用两块相同的碳钢作为试验材料, 厚度为
研究对象, 基于 L CR
55mm , 采用线切割方式分别加工垂直表面开口型
向对波形特征的影响规律, 探讨基于信号幅值和 B
裂纹与倾斜于表面的开口型裂纹, 裂纹宽度均为
扫描成像的裂纹表征方法。
0.2mm , 其中倾斜裂纹透壁长度均为10mm , 垂直

1 检测原理及检测方案 表面开口裂纹长度分别为1 , 2 , 4 , 8mm , 表面裂纹

波基本原理 缺陷位置如图3所示。采用相同规格的 A542S-SM
1.1 L CR
超声波在异质界面发生的折射和反射如图1所 型超 声 探 头 发 射 和 接 收 L CR 波, 其 中 心 频 率 为

示, 当一束超声纵波倾斜入射至两种不同材料界面 2.25MHz , 采用5800PR 型超声脉冲发射接收器激

时, 一部分能量反射回介质Ⅰ , 另一部分能量折射进 励超声探头, 采用 DPO4032 型数字示波器采集时
入介质Ⅱ 。由于界面声阻抗差异, 介质Ⅱ中将同时 域波形数据。超声波倾斜入射至“ 楔块 / 试样” 界面,
出现折射纵波和横波, 相应的折射角与入射角的关 折射后在试样内部产生的 L CR 波平行于试样表面

系符合 Snell 定律, 即 传播至接收探头。采用 Omniscan MX2 型超声检
波发射
测仪对试件表面进行 B 扫描成像, 其中L CR
v 0 v l v s
= = ( 1 ) 接收探头沿x 方向摆放, 裂纹与x 负方向夹角为 θ 。
sinθ 0 sinθ l sinθ s
分别 检测时以0.1mm 为步进沿x 方向扫描, 移动过程
式中: θ 0 为纵波在介质Ⅰ中的入射角; θ l 和θ s
为横波在介 中以恒定压力保证探头与试样间的良好耦合, 数据
为纵波和横波在介质Ⅱ中的折射角; v s
分别为纵波在介质 Ⅰ 和介
质Ⅱ中的声速; v 0 和v l
质Ⅱ中的声速。
, 则 折 射 角 大 于 入 射 角。当
因此, 若 v l>v 0
即为第一临界角, 记
θ l =90° 时, 相应的入射角θ 0
, 则有
为θ CR

图1 超声波在异质界面发生的折射和反射示意 图3 表面裂纹缺陷位置示意

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2021年 第43卷 第12期

无损检测