2.2.2 垂直表面的内部裂纹

　　如图3所示，对于垂直表面的内部裂纹，如果上端点和下端点都是由一次波探测到(如图3，A)，一次波声程分别为W1和W2，则其自身高度h为：

　　h = (w2- w1)×cosβ ------(2)

　　如果上端点是由一次波探测到，而下端点是由二次波探测到(如图3，B)，设一、二次波的总声程为L2。如果工件厚度为T，那么L2中一次波声程为：T/ cosβ; 二次波声程为：L2-(T/ cosβ);则：

　　W2 = L2-2 ×(L2-(T/ cosβ)) ------(3)

　　2.2.3 倾斜的内部裂纹

　　如图4所示，对于有倾角的的内部裂纹，如果上端点和下端点都是由一次波探测到(如图4，A)，一次波声程分别为W1和W2，则其自身高度h为： {nextpage}

　　hˊ= (w2- w1)×cosβ ------(4)

　　如果上端点是由一次波探测到，而下端点是由二次波探测到(如图4，B)，且工件厚度为T，那么总声程L2中一次波声程为：T/ cosβ;总声程L2中二次波声程为：L2-(T/ cosβ);则：

　　W2 = L2 - 2 ×(L2-(T/ cosβ)) ------(5)

　　hˊ= (w2- w1)×cosβ

　　利用公式(1)--(5)进行声程的数字化处理，为提高h 的测量精度，工件厚度T和探头K值必须精确测量。

　　3. 超声信号分析仪和分析软件

　　超声信号分析仪实际上是一台带有采样装置(频率为30兆)和超声信号接入装置的工控计算机，具有计算机的全部功能。超声信号从CTS-22型超声波探伤仪接入。

　　分析软件采用可视界面技术，在 WINDOWS环境下均可运行，软件设计以 JB 4730-94 标准为依椐。

　　4. 研究结果

　　4.1 模拟裂纹定量测量分析

　　线切割模拟裂纹试块如图2、图3、图4所示，用超声信号分析仪和分析软件对其自身(垂直)高度进行测量。测量了64个不同类型的线切割模拟裂纹，实测结果与误差如表1所示。

　　表1 信号分析法自身高度测量数据

　　序号垂直高度测量模拟裂纹个数绝对误 差(mm)相对误 差(%)

　　单 个平均最 小最 大平 均

　　127-0.09;-0.254;-0.35;-0.66 +0.3; +0.6; +0.650.414.533.020.5

　　248-0.87;-0.82;-0.5

　　+0.82;+0.23;+0.22;+0.586

　　+0.40.555.521.7513.8

　　3510-0.93;-0.5;-0.72

　　+0.13;+0.6;+0.9; +0.65;+0.9

　　+0.918;+0.40.662.618.413.2

　　4613-0.23;-0.83;-0.5; -0.16;-0.22

　　-0.12;-0.812

　　+0.15;+0.54;+0.8; 0.4;+0.5

　　+0.0470.410.813.8 6.8

　　5813-0.2;-0.15;-0.8; -0.48;-0.39

　　-0.74;-0.26;-0.824;-0.15

　　-0.5; -0.67

　　+0.19;+0.1620.421.910.3 5.3

　　61213-0.5;-0.9;-0.17; -0.94;-0.72

　　-0.1;-0.62;-0.82;-0.95-0.5

　　+0.12;+0.5;+0.750.580.87.9 4.8

　　4.2 自然裂纹定位定量测量分析

　　总共制作了38块自然裂纹(有表面开口裂纹和埋藏裂纹)试块，用端点反射回波数字信号测量法对其全部检测，并将其中七块(试块为板、管，缺陷性质为表面和埋藏)解剖验证，所得数据如表2和表3：

　　表2 自然裂纹端点反射法检测结果

　　试块号试块厚度缺陷位置缺陷长度

　　(射线测量)缺陷预制垂直高度实测高度

　　110表面1522.46/2.5

　　420表面533.47 / 2.74 / 3.79

　　1544表面121011.62

　　1716(管)表面1633.02

　　2010埋藏2222.74 / 2.17

　　3344埋藏 53.54 /3.29

　　3515(管)埋藏1524.27 / 3.485

　　解剖验证的方法如下：

　　(1) 用常规超声检测方法对裂纹进行定位，在试块表面用细钻头打上标记，显示裂纹长度和位置; {nextpage}

　　(2) 对试块采用MO丝(10-15丝)进行线切割，切割方向垂直于焊缝，间距为1-2mm，且将每一薄片编号;

　　(3) 对裂纹自身高度最高处及附近切片进行表面抛光处理，并用读数显微镜观察、测量裂纹二端点间的垂直高度值(测量数据见表3)，对自身高度最高处切片做低倍照相记录;

　　(4) 上述试块端点反射法测量结果，用B显示软件显示裂纹的位置和各项数值，比较实际误差并作误差分析(因篇幅有限，只发表二个试件的低倍照相和B显示，见图5和图6);

　　表3 自然裂纹解剖测量与比较结果

　　试块编号 工件厚度 缺陷类型 预制高度 切片编号 解剖测量高度 端点反射法检测高度 误差 备注

　　1 10 表面 2 1-7 2.00 2.46*

　　2.5

　　1-5 2.46

　　1-6 3.03

　　4 20 表面 3 4-5 2.10 2.74 3.47*

　　3.79 +0.10

　　+0.42

　　4-6 2.13

　　4-7 2.15

　　4-8 3.37

　　15 44 表面 10 15-5 8.28 11.62* +3.02 见注2

　　15-3 8.58

　　15-4 8.6

　　17 16(管) 表面 3 17-4 3.37 3.02* -0.35

　　17-3 3.95

　　17-5 4.27

　　17-6 4.30

　　20 10 埋藏 2 20-10 0.1 2.17*

　　2.74+0.27

　　+0.84

　　20-11 0.64

　　20-6 1.18

　　20-4 1.4

　　20-5 1.9

　　33 44 埋藏 5 33-10 2.3 3.29

　　3.54*

　　33-11 2.3

　　33-4 2.82

　　33-5 3.06

　　33-14 3.7

　　33-15 3.7

　　35 15(管) 埋藏 2 35-5 1.65 3.49

　　4.27* +0.45

　　35-6 3.0

　　35-2 3.34

　　35-1 3.82

　　注：1. *有B显示;

　　2. 15#试块焊缝根部裂纹表面开口状态十分复杂底部反射波很杂，操作者较难正确判断缺陷波，故造成较大的操作误差。

　　图5 1#试块裂纹低倍照片和B显示

　　图6 20# 试块裂纹低倍照片与B显示

　　4.3 试块解剖裂纹测量结果与端点反射法测量结果的比较

　　图7 显示了试块解剖后裂纹实际测量结果与端点反射法测量结果之间的关系，图中粗线表示的是实际测量得到的最小垂直高度与最大垂直高度之间的范围。由于自然裂纹面不是规则的矩形面，其高度起伏变化。所以解剖测量到的和系统检测到的高度都有一定的随机性，所测高度只是其中的一部分，精确的确定检测误差是很困难的。我们按以下三种情况分析检测误差：

　　(1) 如果系统检测结果在最小垂直高度与最大垂直高度之间，我们认为系统检测结果符合实际状况;

　　(2) 如果系统检测结果小于最小垂直高度，我们认为系统检测结果具有负误差;

　　(3) 如果系统检测结果大于最大垂直高度，我们认为系统检测结果具有正误差;

　　各号试块系统检测结果与实际测量结果之间的关系及检测误差如图7所示，图中表示的是绝对误差。

　　5. 结论与展望

　　(1) 采用声程数字处理技术的端点反射回波法，对提高裂纹自身(垂直)高度测量精度是非常有效的。具有原理简单、测量重复性好、操作方便快捷和实用性强等优点。对于自身(垂直)高度大于等于2mm的平面型缺陷(裂纹类)，其测量精度(平均绝对误差)可控制在1mm以内,相对误差随高度的变化而变化。其精度优于模拟超声探伤仪的深度定位法[1];

　　(2) 自行研制的超声信号分析仪和分析软件不仅具有模拟超声仪器和一般数字式超声仪器的功能，还具有频谱分析、强大的数据管理和报告编辑功能(将另文发表);

　　(3) 试验研究表明探头质量对检测精度有一定的影响[2];

　　(4) 利用超声信号分析系统，可以扩大试验研究范围，特别是薄壁材料(如小口径管焊缝)的超声检测方面的研究。