2.2.2 垂直表面的內部裂紋

　　如圖3所示，對于垂直表面的內部裂紋，如果上端點和下端點都是由一次波探測到(如圖3，A)，一次波聲程分別為W1和W2，則其自身高度h為：

　　h = (w2- w1)×cosβ ------(2)

　　如果上端點是由一次波探測到，而下端點是由二次波探測到(如圖3，B)，設一、二次波的總聲程為L2。如果工件厚度為T，那么L2中一次波聲程為：T/ cosβ; 二次波聲程為：L2-(T/ cosβ);則：

　　W2 = L2-2 ×(L2-(T/ cosβ)) ------(3)

　　2.2.3 傾斜的內部裂紋

　　如圖4所示，對于有傾角的的內部裂紋，如果上端點和下端點都是由一次波探測到(如圖4，A)，一次波聲程分別為W1和W2，則其自身高度h為： {nextpage}

　　hˊ= (w2- w1)×cosβ ------(4)

　　如果上端點是由一次波探測到，而下端點是由二次波探測到(如圖4，B)，且工件厚度為T，那么總聲程L2中一次波聲程為：T/ cosβ;總聲程L2中二次波聲程為：L2-(T/ cosβ);則：

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

　　hˊ= (w2- w1)×cosβ

　　利用公式(1)--(5)進行聲程的數字化處理，為提高h 的測量精度，工件厚度T和探頭K值必須精確測量。

　　3. 超聲信號分析儀和分析軟件

　　超聲信號分析儀實際上是一臺帶有采樣裝置(頻率為30兆)和超聲信號接入裝置的工控計算機，具有計算機的全部功能。超聲信號從CTS-22型超聲波探傷儀接入。

　　分析軟件采用可視界面技術，在 WINDOWS環境下均可運行，軟件設計以 JB 4730-94 標準為依椐。

　　4. 研究結果

　　4.1 模擬裂紋定量測量分析

　　線切割模擬裂紋試塊如圖2、圖3、圖4所示，用超聲信號分析儀和分析軟件對其自身(垂直)高度進行測量。測量了64個不同類型的線切割模擬裂紋，實測結果與誤差如表1所示。

　　表1 信號分析法自身高度測量數據

　　序號垂直高度測量模擬裂紋個數絕對誤 差(mm)相對誤 差(%)

　　單 個平均最 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 自然裂紋定位定量測量分析

　　總共制作了38塊自然裂紋(有表面開口裂紋和埋藏裂紋)試塊，用端點反射回波數字信號測量法對其全部檢測，并將其中七塊(試塊為板、管，缺陷性質為表面和埋藏)解剖驗證，所得數據如表2和表3：

　　表2 自然裂紋端點反射法檢測結果

　　試塊號試塊厚度缺陷位置缺陷長度

　　(射線測量)缺陷預制垂直高度實測高度

　　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

　　解剖驗證的方法如下：

　　(1) 用常規超聲檢測方法對裂紋進行定位，在試塊表面用細鉆頭打上標記，顯示裂紋長度和位置; {nextpage}

　　(2) 對試塊采用MO絲(10-15絲)進行線切割，切割方向垂直于焊縫，間距為1-2mm，且將每一薄片編號;

　　(3) 對裂紋自身高度最高處及附近切片進行表面拋光處理，并用讀數顯微鏡觀察、測量裂紋二端點間的垂直高度值(測量數據見表3)，對自身高度最高處切片做低倍照相記錄;

　　(4) 上述試塊端點反射法測量結果，用B顯示軟件顯示裂紋的位置和各項數值，比較實際誤差并作誤差分析(因篇幅有限，只發表二個試件的低倍照相和B顯示，見圖5和圖6);

　　表3 自然裂紋解剖測量與比較結果

　　試塊編號 工件厚度 缺陷類型 預制高度 切片編號 解剖測量高度 端點反射法檢測高度 誤差 備注

　　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 見注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顯示;

　　2. 15#試塊焊縫根部裂紋表面開口狀態十分復雜底部反射波很雜，操作者較難正確判斷缺陷波，故造成較大的操作誤差。

　　圖5 1#試塊裂紋低倍照片和B顯示

　　圖6 20# 試塊裂紋低倍照片與B顯示

　　4.3 試塊解剖裂紋測量結果與端點反射法測量結果的比較

　　圖7 顯示了試塊解剖后裂紋實際測量結果與端點反射法測量結果之間的關系，圖中粗線表示的是實際測量得到的最小垂直高度與最大垂直高度之間的范圍。由于自然裂紋面不是規則的矩形面，其高度起伏變化。所以解剖測量到的和系統檢測到的高度都有一定的隨機性，所測高度只是其中的一部分，精確的確定檢測誤差是很困難的。我們按以下三種情況分析檢測誤差：

　　(1) 如果系統檢測結果在最小垂直高度與最大垂直高度之間，我們認為系統檢測結果符合實際狀況;

　　(2) 如果系統檢測結果小于最小垂直高度，我們認為系統檢測結果具有負誤差;

　　(3) 如果系統檢測結果大于最大垂直高度，我們認為系統檢測結果具有正誤差;

　　各號試塊系統檢測結果與實際測量結果之間的關系及檢測誤差如圖7所示，圖中表示的是絕對誤差。

　　5. 結論與展望

　　(1) 采用聲程數字處理技術的端點反射回波法，對提高裂紋自身(垂直)高度測量精度是非常有效的。具有原理簡單、測量重復性好、操作方便快捷和實用性強等優點。對于自身(垂直)高度大于等于2mm的平面型缺陷(裂紋類)，其測量精度(平均絕對誤差)可控制在1mm以內,相對誤差隨高度的變化而變化。其精度優于模擬超聲探傷儀的深度定位法[1];

　　(2) 自行研制的超聲信號分析儀和分析軟件不僅具有模擬超聲儀器和一般數字式超聲儀器的功能，還具有頻譜分析、強大的數據管理和報告編輯功能(將另文發表);

　　(3) 試驗研究表明探頭質量對檢測精度有一定的影響[2];

　　(4) 利用超聲信號分析系統，可以擴大試驗研究范圍，特別是薄壁材料(如小口徑管焊縫)的超聲檢測方面的研究。