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粗糙表面超聲探傷耦合劑的研究
粗糙表面超聲探傷耦合劑的研究
 
摘要：在超聲探傷中，經(jīng)常遇到測(cè)試面較粗糙。如用常規(guī)耦合劑時(shí)，其耦合劑損耗大，聲能透過率低，探傷效果較差。本文介紹了一種適合在粗糙表面上進(jìn)行超聲探傷的耦合劑，其聲學(xué)性能優(yōu)于其他類型的耦合劑，應(yīng)用到球墨鑄鐵曲軸超聲探傷中，效果很好，由于其制備方法簡(jiǎn)單，成本低，使用損耗小，可較大地提高超聲探傷靈敏度，具有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：粗糙表面；超聲探傷；耦合劑
前言
　　在常規(guī)超聲檢測(cè)中，探頭聲源與工件之間必須填充耦合介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)聲能的傳遞。它在工件與探頭接觸面上具有排除空氣，充填不平的凹坑和間隙并兼有防磨方便移動(dòng)的功能。通常在檢測(cè)部位先涂耦合劑，再放上探頭進(jìn)行檢測(cè)。在對(duì)粗糙表面、斜面、頂部、彎曲表面及垂直平面檢測(cè)時(shí)，一般的耦合劑流失嚴(yán)重，耦合損耗大，聲能透過率減小，從而使檢測(cè)靈敏度降低，若使用潤(rùn)滑脂、黃油等，又會(huì)給涂沫、回收帶來麻煩，清洗也不方便。
　　粗糙表面耦合劑是采用親水性的聚合物，用甘油或水作載體配制而成的。它的聲阻抗與透聲性均有較大的提高，從而提高了檢測(cè)靈敏度，由于該耦合劑制備簡(jiǎn)單，使用損耗少，因此成本較低，在粗糙表面狀態(tài)上超聲波檢測(cè)中可保證耦合損耗小，聲能通過率增加，提高檢測(cè)靈敏度，具有很好的應(yīng)用前景。
1　粗糙表面耦合劑的研制
　　耦合劑在工件表面的流失損耗主要取決于它的濕潤(rùn)性。從減少流失損耗的角度考慮應(yīng)減少耦合劑與工件的濕潤(rùn)性［1］，因此選用表面張力較大的水與甘油作載體制備粗糙表面耦合劑，其表面張力分別為72.68×10-5N/cm和69.9×10-5N/cm，而水的成本低廉，可大大降低耦合劑成本，甘油的透聲性較好，可制備高靈敏度的耦合劑。粗糙表面耦合劑是不溶于有機(jī)溶劑親水性強(qiáng)的聚合物。在制備表面張力較大的粗糙表面耦合劑時(shí)，聚合物雖然是親水性的，但它與甘油等載體的親和力較弱，配制有一定難度，需改進(jìn)常規(guī)溶劑的配制方法。除嚴(yán)格控制化學(xué)反應(yīng)溫度、濃度、pH值等因素外，還需改變其作用條件、攪拌方式。本方法采用功率超聲振動(dòng)乳化裝置來配制溶液的新方法，使行溶液里的顆粒非常細(xì)小，可使載體與聚合物產(chǎn)生穩(wěn)定的化合態(tài)。放置較長(zhǎng)時(shí)間也不會(huì)產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象。從而保證耦合劑的穩(wěn)定。
　　實(shí)驗(yàn)中采用江蘇張家港市港威超聲儀器廠生產(chǎn)的CG-60型超聲振動(dòng)乳化機(jī)，該機(jī)帶有一容量為2升的不銹鋼容器，功率可達(dá)60W。它采用自激式電路選頻調(diào)節(jié)回路，具有結(jié)構(gòu)合理、體積小、重量輕、工作穩(wěn)定、價(jià)格比高等特點(diǎn)，非常適合化學(xué)試劑的配制。粗糙表面超聲探傷用耦合劑具體配制過程如下：
　　用海藻酸鈉5份，加蒸水80℃100份，純甘油30份，放入超聲乳化機(jī)容器內(nèi)，再加入甲醛(防腐劑)0.1份，啟動(dòng)超聲乳化機(jī)，容器下放置的大功率超聲換能器即將超聲波振動(dòng)能量引入溶液中，使溶液中產(chǎn)生“空化”作用，將溶液中的顆粒破碎得非常細(xì)小，達(dá)到乳化的目的。所謂“空化”作用是指當(dāng)超聲波這種交變聲壓在液體中傳播時(shí)出現(xiàn)稀疏密集狀態(tài)。在密集狀態(tài)時(shí)，液體受到正壓力(約幾個(gè)大氣壓)，而在稀疏狀態(tài)時(shí)，液體受到拉力即負(fù)壓力。一般液體都含有一定的氣體，在稀疏狀態(tài)時(shí)，氣泡增長(zhǎng)，并吸收更多的液體中分離出來的氣體，而當(dāng)再壓縮時(shí)，氣泡不斷縮小，在此過程中，液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是與逐漸減小的氣泡半徑成反比的，因此，當(dāng)半徑趨于零時(shí)，質(zhì)量運(yùn)動(dòng)速度在理論中應(yīng)趨于無(wú)窮大，如果這一快速度運(yùn)動(dòng)的氣泡閉合時(shí)突然停止，則集中微小容器內(nèi)的動(dòng)能就要釋放出來，一部分變?yōu)閴嚎s能。此時(shí)，從閉合泡的中心向外傳播一個(gè)球形沖突波，在這一點(diǎn)壓力下有數(shù)十個(gè)大氣壓，若超聲頻率為20kHz左右時(shí)，這種空化作用也是每秒鐘進(jìn)行兩萬(wàn)次左右。儀器設(shè)置有0～1小時(shí)連續(xù)可調(diào)的定時(shí)器，一般設(shè)置15～20分鐘即可，*后加入硝酸鈉(防銹劑)0.03份，再通電作用5～10分鐘即成。
2　粗糙表面耦合劑的性能
2.1　聲學(xué)性能
 　　由于超聲換能器與工件的聲阻抗較高，因此提高粗糙表面耦合劑的聲阻抗就可改善換能器與工件之間的耦合，即該耦合劑應(yīng)與工件聲阻抗盡量接近，表1列出幾種常用介質(zhì)、耦合劑聲阻抗的比較，由表中可見粗糙表面耦合劑，具有較高的聲阻抗，其中“1”樣品聲阻抗*高，耦合效果*好。
表1　某些介質(zhì)、耦合劑的密度、聲速及聲阻抗比較
 
名　　稱
密度ρ
(103kg/m3)
聲速VL
(m/s)
聲阻抗ρCL
(105kg/m2.s)常見介質(zhì)
鑄鐵
7.2
4500
3.28
鋼
7.7
5900
4.45
有機(jī)玻璃
1.18
2730
3.22
鈦酸鋇陶瓷
5.56
5100
2.84
鈦
4.58
5900
2.74
鋁
2.7
6300
1.70
水(20℃)
1
1480
1.48
變壓器油
0.92
1390
1.28
30＃機(jī)油
0.9
1400
1.26
純甘油
1.27
1800
2.39
水玻璃(100%)
1.7
2350
4.00
捷力達(dá)水基耦合劑
1.25
1980
2.48
德國(guó)KK公司ZG耦合劑
1.32
2130
2.81
粗糙表面耦合劑
　
1＃
1.38
2.70
2.99
2＃
1.30
2071
2.69
3＃
1.28
2153
2.75
4＃
1.15
2142
2.46
 

2.2　檢測(cè)工件表面粗糙度和耦合劑
 　　耦合效果除了與耦合材料性質(zhì)、耦合層厚度及耦合層中超聲波波長(zhǎng)λ有關(guān)外［2］，檢測(cè)工件表面粗糙度也是影響耦合損耗的重要因素。
　　表2列出厚度80毫米的球墨鑄鐵試樣在使用2.5P14直探頭，并用不同耦合劑測(cè)試其底面回波高度(B)的差異比較，測(cè)試儀器選用南通友聯(lián)PXUT-22型數(shù)字超聲波探傷儀。
表2　檢測(cè)工件表面粗糙度與底面回波高度比較(分貝)
 
耦合劑
底波分貝值
檢測(cè)表面粗糙度(Rz)
25μm
50μm
砂輪打磨
粗車
100μm
黑皮
毛面
(鑄造表面)
變壓器油
+1
-1
-1
-5
-14
-15
-19
30＃機(jī)油
+1
-2
-1
-6
-15
-16
-20
純甘油(100%)
+4
0
+2
-4
-10
-12
-16
水玻璃(100%)
+3
+1
+0.5
-1
-5
-11
-14
捷力達(dá)水基耦合劑(仿德國(guó))
+2
-2
-2
-3
-8
-10
-17
德國(guó)KK公司產(chǎn)ZG耦合劑
+3
+1
0
-2
-6
-10
-15
粗糙表面耦合劑1＃
+3
+1
-1
-2
-4
-9
-13
粗糙表面耦合劑2＃
+2
+1
-2
-4
-7
-11
-14
粗糙表面耦合劑3＃
+2
0
-2
-5
-9
-14
-19
 
　　注：表中以粗糙度RZ=50μm，純甘油100%耦合劑為基準(zhǔn)，測(cè)試出的數(shù)據(jù)。
　　從表中可看出1＃號(hào)粗糙表面耦合劑靈敏度*高，說明其耦合效果*好。
3　粗糙表面耦合劑在球墨鑄鐵曲軸探傷中的應(yīng)用
　　球墨鑄鐵曲軸是內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵部件，與碳鋼相比，球墨鑄鐵具有加工余量少，制造周期短、造價(jià)低，制造同種規(guī)格的曲軸所需原料少，可使毛坯成本下降80%，而且屈服極限、耐磨損性、減振性均優(yōu)于鍛鋼，所以越來越受到人們重視。但曲軸在鑄造過程中，由于鑄造工藝操作人員素質(zhì)等因素影響，難免會(huì)出現(xiàn)鑄造缺陷，如縮孔、縮松、氣孔、夾雜等缺陷。為此生產(chǎn)廠家一般在曲軸粗加工后進(jìn)行磁粉和超聲波探傷，如果經(jīng)探傷發(fā)較大缺陷，曲軸需報(bào)廢時(shí)，為時(shí)已晚。因?yàn)闄C(jī)械加工費(fèi)已付出，還延誤工期，所以，廠家迫切希望在曲軸鑄造出來后，即進(jìn)行探傷也就是在毛面狀態(tài)時(shí)就進(jìn)行探傷，這樣就可節(jié)省大量人力、物力。
圖1　曲軸扇板試樣
　　由于曲軸的表面較粗糙，造成聲波漫反射，常規(guī)液體耦合劑填充效果差，此外，曲軸的探傷表面大多是圓弧表面，一般液體耦合劑易流失，耦合不穩(wěn)定，如采用潤(rùn)滑油、黃油等脂類耦合劑，不僅價(jià)格高，涂抹也不方便，回收**也麻煩。粗糙表面耦合劑常態(tài)下呈糊狀，它可直接對(duì)毛面、彎曲表面進(jìn)行耦合，不僅流失少，而且可保證良好的聲耦合。由于耦合劑本身有較高的聲阻抗，可以較大地提高探傷靈敏度。圖1為毛坯曲軸上切取的扇板試樣，曲率半徑為R115，中心鉆有5mm的通孔，從圓弧面測(cè)量中心孔回波信號(hào)波高值(dB值80%滿刻度)用機(jī)油耦合，其波高值為58dB、黃油為60dB、粗糙表面耦合劑為65dB?？梢?，采用黃油比機(jī)油能更好地填充粗糙表面和彎曲表面的氣隙，透聲性提高2dB，而粗糙表面耦合劑透聲性比黃油提高了5dB，比機(jī)油提高7dB，從而大大提高了探傷靈敏度。
4　結(jié)束語(yǔ)
　　粗糙表面耦合劑經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢驗(yàn)證明比較實(shí)用，效果較好。由于它呈糊狀，即使朝頂面涂抹，也不會(huì)往下滴，從而改善了工作環(huán)境。它還是不含油的水溶性物質(zhì)，清洗時(shí)用水即可，無(wú)需用有機(jī)溶劑，也不會(huì)產(chǎn)生廢水，所以對(duì)環(huán)境無(wú)污染。該耦合劑還具有防腐性能，不會(huì)使工件表面生銹。由于其制備方法簡(jiǎn)單、成本低，可較大地提高探傷靈敏度，因此，適宜在超聲探傷或其他聲學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用。