硬质合金棒材缺陷的超声半自动检测

　　超声检测是一项比较完善和成熟的技术。对不同材料需采用不同的检测方法,以求达到快速、可靠地检测出材料组织中的缺陷,为生产工艺的调整提供准确依据。

　　最近,笔者对一种新开发的准纳米硬质合金棒材进行了超声检测,结合实际生产需要,设计了一套小型机械设备,实现了对该棒材的半自动检测。

　　1　检测方法的确定

　　首先根据材料的组织特性选定超声检测的频率。该材料内部晶粒相对较小,由于生产的特点决定了缺陷基本上以微细裂纹和细小气孔为主,因此选用频率 为10 MHz的锆钛酸铅压电陶瓷晶片,以进一步设计相应的线聚焦探头。检测仪器选用汕头超声研究所的CTS223型超声探伤仪。

　　因为缺陷有可能存在于材料表面或内部,所以有必要设计两个探头对材料进行超声检测。对于内部缺陷,采用垂直入射法检测,即入射声波垂直于棒材外圆切线;对于表面缺陷,采用水平偏移法检测。

　　1.1　材料声速的测定

　　检测前先用超声测厚仪对该材料的声速进行测定。通过测定发现该材料在轴向和径向上的声速存在差异,也就是说,该材料内部是各向异性的。但声速的 差异对超声检测的影响不是太大,另外,从尽量减少试验误差考虑,选择轴向声速作为检测过程中的参考值。为此挑选了三种不同直径的硬质合金棒材,测得其轴向 长度分别为91.2,92.4和84.2 mm,用超声测厚仪在5 920 m/s纵波声速下测得的长度分别为90.1,88.8和80.1 mm。

　　现假设三种材料中的纵波声速分别为V ₁,V ₂和V ₃,有

　　从以上三个不同数值基本上确定了该材料的声速范围,为方便起见,选取6 160 m/s作为该硬质合金材料的纵波声速,又根据V _L≈1.83VS(V _L和V _S分别表示纵波和横波声速)可以得出该硬质合金材料中的横波声速约为3 366 m/s。

　　1.2　水平偏移法

　　首先假设被测棒材的半径为R,如图1所示,采用横波探测表面缺陷,产生横波的条件是

　　将各声速代入上式,可得纵波入射角α满足的条件为

　　不难得出当硬质合金内的横波折射角度是45°时,如果棒材表面存在缺陷,则接收到的缺陷回波最强。据此就可推算出需要的入射角,即

　　可见,满足式(5)要求。

　　由图1可以得到换能器轴心与棒材轴线偏移的距离X为