小规格钛棒的超声无损检测工艺研究

3.0 李琳琳 2024-09-30 9 4 2.04MB 43 页 15积分

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小规格钛棒的超声无损检测工艺研究

摘要

钛合金棒材在航空工业中使用十分广泛，比如航空发动机的压气机叶片等，其质

量好坏将严重影响叶片的使用性能和安全性，因此钛合金棒材超声检测技术的研究将

对航空发动机叶片制造质量水平的提高提供有力的支持。在超声检测中，对于小规格的

钛棒，存在着曲率大、声束入射情况复杂、杂波水平过高等一系列问题，如何选择合理

的探伤工艺，就成为急需解决的问题。

通过对钛合金棒材试块的检测实验来对工艺进行检验，试块做好了人工反射体，经

过实验表明本次选择的工艺能够满足探伤要求。按照理论计算选择的探头能够更好的进

行探伤，具有较高的灵敏度和信噪比，由公式计算出的波束偏移距离和角度是符合实际

情况的。采用水浸聚焦法对小规格钛棒的检测来说，是一种很适合的方法。

关键词：小规格钛棒，水浸聚焦，超声检测工艺

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小规格钛棒的超声无损检测工艺研究

Abstract

In the aviation industry, the minor diameter bar of titanium alloy use very extensively,

such as the vane of Press spirit machine of the aviation delivers motive. It will Serious

influence the usability and security of vane. So the disquisition on ultrasonic inspection of a

minor diameter bar of titanium alloy will provide emollient support for improving the level

of producing the vane. In the field of ultrasonic inspection, there are some problem in the

inspection of the bar of titanium alloy. For example, the big curvature, the intricate Incidence

of acoustic beam and the overfull clutter and so on, how to constitute a rational technique of

inspection is becoming a problem of needing solve immediately.

We validate the technique through inspecting the coupon which make of titanium alloy,

the coupon have some normative artificial defect. Through the experimentation, we affirm

the technique is doable. The transducer which we choose through theoretic have the better

effect, it have better sensitivity and Signal-to-Noise. The Swept distance of beam and angle

which calculated through expressions is right. Adopting the method of immersion focusing.

To the inspection of the minor diameter bar of titanium alloy, adopting the method of

immersion focusing very appropriate.

K e y w o r d s : Te c h n i q u e o f u l t r a s o n i c, T h e m i n o r d i a m e t e r b a r o f t i t a n i u m a l l o y ,

Focus in water

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小规格钛棒的超声无损检测工艺研究
目   录
 引言
1 超声检测技术简介..............................................1
2 水浸聚焦超声波探伤发展与应用..................................2
3 钛棒超声检测的现状和存在问题..................................4
4 本课题研究内容与意义..........................................5
 棒材超声探伤的理论基础
1 超声检测理论基础..............................................8
2 小直径棒材检测理论基础.......................................14
3 水浸超声波探伤的理论基础.....................................18
 选择工艺的介绍
1  检测标准....................................................21
2  仪器的选择..................................................23
3  探头的选择..................................................23
4  试块的应用..................................................27
5  钛棒探伤的实施方法..........................................28
 试验测试及结果分析
1  试验前数据准备..............................................34
2  组成硬件介绍................................................36
3  实验步骤....................................................38
4  试样检测结果与分析..........................................39
5 实验结论.....................................................42
参考文献.................................................43
致    谢.................................................44
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小规格钛棒的超声无损检测工艺研究

1 引言

　　超声检测技术是一种重要的无损检测技术，由于它的穿透能力强，对材料和人体无

损害，使用方便等特点，广泛地应用与现代工业领域和高技术产业之中，诸如材料工业

机械工业、石油化工、水文地质和宇航、能源等领域。世界上工业发达的国家，无一不

把无损检测技术放在重要地位上，美国前总统里根在美国无损检测学会纪念会贺词中曾

说：“没有无损检测技术，美国就不能享有众多领域中的领先地位”。而日本人认为

“现代工业是建立在无损检测的基础之上的”。无损检测技术之所以受到如此重视，是

和它在国民经济中体现出的社会效益和经济效益分不开的。它的社会效益主要体现在保

障设备安全可靠，提高使用寿命，减少和避免重大事故方面。近年来，世界上发生的多

起重大恶性事故，如铁路断轨、火车翻车、蒸汽釜爆炸、石油液化气储罐爆炸等等，直

接涉及重大的经济损失和人身按区，这些事故是可以利用无损检测技术得以避免的。

1.1 超声检测技术简介

超声检测主要原理是通过高频振动源激发产生超声波，并且通过压力或剪切应力使

质点振动向介质中传播能量，超声波在不同材料的介质中传播时，其能量分布将根据材

料的内部结构和缺陷的变化而变化，通过接收物体内部反射或散射的信息，得到材料组

织、结构和缺陷信息。

利用超声波探测物体内部的缺陷和结构最早是原苏联的萨卡洛夫于1929年提出的。

1931年德国人在专利中提出了工业应用方案。而1944年美国的F.A.Firestone发表采用超声

脉冲法的探伤仪的报告，1946年英国D.O.Sproule制成A型脉冲反射式超声波探伤仪，并

用于钢材的探伤。到了上世纪50年代，A型脉冲反射式超声探伤仪已广泛应用于世界先

进工业国家的钢铁、机械制造和造船工业领域。1964年前联邦德国Krautkramer公司研制

成功小型超声探伤仪，标志着跨入了近代超声探伤技术阶段。近现代由于超声全息、回

波频谱分析、超声探头和大规模集成电路、计算机技术的迅速发展，使得数字化、自动

化、智能化超声检测和超声成像技术变成了热点。另一方面，由于各种新型材料，特别

是高性能功能材料的发展（如先进复合材料，功能陶瓷材料，微电子材料等），使得超

声检测广泛地用于材料的物性评价和工程寿命评估，超声检测技术与断裂力学和材料科

学发生了更加深入密切的联系，在工业领域中得到广阔的用武之地。

最近几年超声检测技术的发展体现了以下几个趋向：

（1）由定性检测向定量检测和直接显示缺陷的图像发展。经过前几十年的发展，其

已经由对缺陷的定性、定量、大小判断发展到利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、

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小规格钛棒的超声无损检测工艺研究

三维图像，如最近取得初步成果的超声相控阵成像技术等等。

（2）向在线自动检测和仪器的智能化发展，其中非接触超声检测技术将获得突破性

进展。

（3）超声检测和断裂力学相结合，对于重要工程构件的寿命进行评价。

1.2 水浸聚焦超声波探伤发展与应用

超声水浸探伤是以水作为耦合介质的一种非接触式检测方法，分为全浸法和局浸法

具有波形稳定、不磨损探头、灵敏度高、分辨力强、波束可控性好、受工件表面粗糙度

影响小、便于实现自动化、尤其适合于几何形状较复杂工件的检测等优点。

下面介绍这两种方法：

（1）全浸式：被检试件全部浸没于液体之中，适用于体积不大，形状复杂的试件

探伤。

（2）局部浸没式：把被试件的一部分浸没在水中被检试件探头之间保持一定的水

层而进行探伤的方法，适用于大体积试件的探伤。局部浸没法又分为喷液式、通水式满

溢式[2]。

随着科学技术的进步，各个工业领域（特别是宇航、原子能）对无损探伤的要求越

来越高。人们不但要求在制造过程中发现缺陷、控制产品质量，而且还要求对一些已经

投入使用的重大设备进行定期检测，以便及时检查出在运行过程中出现新缺陷，并以精

度高的测量技术监视新产生的或在制造过程中业已存在的那些缺陷的变化情况，及时作

出有关设备安全性的科学判断。这种要求，在很大程度上可以归结为以好的重现性并准

确地测量缺陷尺寸这一课题。而传统的接触式超声波探伤方法满足不了这个要求。列如

当量法用于估计缺陷的最小尺寸还是可以的，但实际上人们感兴趣的缺陷最大尺寸往往

比当量给出的当量尺寸大得多，甚至大许多倍。有时，给出最小尺寸几乎是无意义的。

为了较准确地测定缺陷尺寸，人们从多种途径进行了研究。到目前为止，已经在实际中

应用的、比较成功、比较实用的方法是在水浸探伤基础上发展起来的水浸聚焦超声波探

伤法。采用这个方法，就能以预定的测量精度测定却乡的最大尺寸。此外，它还有重现

性好、信噪比高、对缺陷是否倾斜不敏感，探伤中认为因素减少了等一系列优点[3]。

在水浸探伤中，由于声波要通过一定厚度的水层再进入工件，因此，声场的特性将

发生改变充分了解在不同条件下工件内的声场分布特性，是水浸探伤方法确定的关键。

超声波在传播过程中，当声程大于近场长度N时，声束开始扩散，在水浸探伤中，由于

水与工件的声速相差较大，根据折射定律，声束将再次扩散指向性变差，当工件检测面

为凸弧面时，声束扩散更加明显，如棒材的超声波水浸探伤时，如果用普通的探头进行

检测，就会造成灵敏度降低、漏检等等问题，所以一般我们采用水浸聚焦的方法来进行

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摘要：

小规格钛棒的超声无损检测工艺研究摘要钛合金棒材在航空工业中使用十分广泛，比如航空发动机的压气机叶片等，其质量好坏将严重影响叶片的使用性能和安全性，因此钛合金棒材超声检测技术的研究将对航空发动机叶片制造质量水平的提高提供有力的支持。在超声检测中，对于小规格的钛棒，存在着曲率大、声束入射情况复杂、杂波水平过高等一系列问题，如何选择合理的探伤工艺，就成为急需解决的问题。通过对钛合金棒材试块的检测实验来对工艺进行检验，试块做好了人工反射体，经过实验表明本次选择的工艺能够满足探伤要求。按照理论计算选择的探头能够更好的进行探伤，具有较高的灵敏度和信噪比，由公式计算出的波束偏移距离和角度是符合实际情况的。采...

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