表面粗糙度对超声检测的影响研究

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1、54结构强度研究2010年第2期表面粗糙度对超声检测的影响研究彭智伟石磊张德俭徐矛张雪奇(中航工业飞机强度研究所六室，西安)摘要：通过模拟试验，测量不同表面粗糙度下带有人工平底孔铝合金试件的回波高度，通过计算分析，确定表面补偿量，以保证探伤灵敏度和检测结果的准确性。关键词：表面粗糙度；表面补偿量；探伤灵敏度随着航空、航天工业的迅速发展，材料的内部由于表面粗糙度的存在，声波入射到工件表质量检测的重要性日益凸显，超声检测是检查材面将产生散射和折射等系列复杂变化，从而使声料内部缺陷较为有效的方法之一。尤其是重要结波能量衰减；如果粗

2、糙度过大，大部分声波将不能构件，对其内部允许存在最小缺陷尺寸要求非常进人工件中，在荧光屏上显示出的回波高度下降，严格，例如：《变形金属超声检验方法》信噪比降低，易导致缺陷漏检l2]。因此，研究表面(GJB1580A一2004)中A级验收中规定允许的最粗糙度与声压之间的衰减关系，建立不同粗糙度大缺陷尺寸为~2mm平底孔当量。下的表面补偿量，为提高检测效率及缺陷评价的准确性和可靠性提供依据。1超声检测原理由声源产生的脉冲波被引入被检测的试件中后，若材料是均质的，则声波沿一定的方向，以恒定的速度向前传播。当遇到两侧声阻抗有差异的界

3、面时，则部分声能被反射。这种界面可能是材料中某种缺陷(不连续)，如裂纹、分层、孔洞等，也可能是试件的外表面与空气或水的界面。反射的程度取决于界面两侧声阻抗差异的大小，在金属与气体的界面上几乎全部反射。通过检测和分析图1放大的工件实际表面反射脉冲波信号的幅度、位置等信息，可以确定缺陷的存在，评估其大小、位置。l_1]3表面补偿量公式的建立2表面粗糙度定义3．1声压传播公式当探测距离X三三=3N(N为近场区长度)，声压在机械加工过程中，由于切削会留下切痕，切P为：削过程中切屑分离时的塑性变形，工艺系统中的P一-Po$(1)高频振

4、动，刀具和已加工表面的磨擦等等原因，会^』I使被加工零件的表面产生许多微小的峰谷，这些式中：P。是探头波源的起始声压；S是为探头波微小峰谷的高低程度和间距状况称为表面粗糙源面积；是超声波在介质中传播的波长；X是声度。图1给出了工件表面的实际轮廓。波传播距离。收稿日期：2009—09—082010年第2期彭智伟：表面粗糙度对超声检测的影响研究3．2条件假设户一(3)为便于问题探讨，作如下假设，把涂抹耦合剂后的工件表面粗糙层看作均匀介质(图2，介质式中：是超声波在介质1中传播的波长；z是粗糙层厚度。1)，其厚度用R⋯表示(R为轮

5、廓最大高度，指在取样长度L范围内，轮廓峰顶线和谷底线之间把M点看作为新的波源点，则由M点反射的距离)。把工件除去表面粗糙度层的剩余体看回介质1介质2交界面B点声压值：作表面完全光滑的另一均匀介质(图2，介质2)，z一(4)超声波垂直入射到两介质组成的界面时全透射，式中：是平底孔面积；是平底孔埋深。M为2．0ram平底孔(M点见图3)。声波从B点到c点传播时，声压满足式(1)。把式(4)代入式(1)，求得此时在介质1中传播的相应距离z相当一2z2[22+(1-A2)zl3／s'~l，即声波在介质2中传播2z。距离后的声压衰减量

6、相当于声波在介质1中传播z[z+(一。)1]／s'A1距离后的衰减量。把z—l+z相当一z1+。zz+(-A)z]／s'A1，即代换过后相当于把介质2介质1看作一个整体介质代人式(1)图2表面粗糙层与工件轮廓示意图得C点声压，即回波声压：3．3表面补偿量公式推导过程超声波在介质1和2中传播过程如图3。。一}(5)PLPlP3对于理想的表面粗糙度为零的工件，当厚度为z时由M点反射回来的回波声压为：探粗MBC糙一(6)层体则表面补偿增益△为：A：⋯201gP3p3图3声波在介质1和2中传播不意图2g罢(7)根据假设，粗糙层厚度z

7、(z一R)和工件厚度z是定值。声波从介质1向介质2传播时，4试验验证由于波源的起始声压P。不变，传播介质发生改变，设a为超声波在粗糙层中的衰减系数，则可假4．1。值的确定设同一坐标系下超声波在介质2中的传播声压公采用HS500便携式数字超声波探伤仪，式为：2．5P20Z探头，耦合剂为机油。制作的对比试块P一(2)材质为铝合金，直径50mm，平底孔埋深125mm，A2』T“表面粗糙度R。分别为1．6m(其R为8m)和式中：P。是探头波源的起始声压；S是为探头波源2．4m(其R为10~m)，R。为1．6m的试块表面积；z是超声波

8、在介质2中传播的波长；n为待面粗糙度相当于CSK一工A标准试块的表面粗定参数。糙度。声波传播至A点时，A点距离、声压值同时以表面粗糙度R为1．6m的试块做为标满足在介质1和介质2中的传播公式，把=：=z，准，用超声仪测量其底面波高，使平底孔反射波高P1一户。s／a11代入式(2)得口一(1