温度变化对超声爬波检测表面裂纹的影响研究_史启帅.pdf

第 2 卷 第 2 期2 0 2 3 年 4 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.2April 2 0 2 3温度变化对超声爬波检测表面裂纹的影响研究史启帅1，罗国伟2，涂占宽1，李剑3，姚 宁4，王旭华5，唐军6（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司 工电部，北京 100844；3.中国铁路太原局集团有限公司 原平工务段，山西 原平 034199；4.国铁物资有限公司，北京 100073；5.中国铁路济南局集团有限公司 工务部，济南 250000；6.中国铁路成都局集团有限公司 工电检测所，成都 610036）摘要：采用超声爬波检测技术对在役钢轨焊缝进行检测，对在役钢轨焊缝表面疲劳裂纹检测针对性强，效果显著，并且检测效率明显提高。现场应用表明：在不同温度下，压电超声爬波探头对表面裂纹的检测效果存在差异。通过试验研究了温度变化对爬波检测表面裂纹的影响，总结了温度对爬波检测灵敏度的影响规律，并提出了解决方案，对研究压电超声爬波探头的适用范围和选用方法具有指导意义。关键词：超声；爬波；温度；声速；灵敏度中图分类号：TG115.28 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.02.0131 概述 1.1超声爬波检测技术当超声倾斜入射到异质界面时，会产生反射、折射和波形转换现象。当超声纵波从介质1倾斜入射至介质2时（如图1所示），介质2中纵波折射角L与纵波入射角的关系如式（1）所示：sin/sin L=CL1/CL2（1）其中，CL1为介质1中纵波声速，CL2为介质2中纵波声速。当超声纵波从有机玻璃以第一临界角附近的角度（27.630）入射至检测面时，被检工件中不仅存在折射表面纵波，还存在折射横波。通常把横波的波前称为头波，把沿检测面下一定距离处在横波和表面纵波之间传播的峰值波称为爬波，其波前如图 2 虚线所示1。超声爬波检测对工件表面状态不敏感，受划痕、锈蚀凹陷、油层等表面状态干扰小，适用于检测表面和近表面缺陷，且操作简便，波形易于识别，有利于提高检测效率和伤损判别准确性1-4。1.2超声传播衰减与温度的关系引起超声传播衰减的主要原因有声束的扩散、材料中的晶粒或其他微小颗粒对声波的散射、介质的吸收。其中，扩散衰减取决于波阵面的形状，当声束截面不断扩大时，单位面积上的声能或声压随传播距离的入射纵波介质1介质2反射横波LsLs反射纵波折射纵波折射横波图1纵波倾斜入射到界面上的行为示意图入射纵波纵波头波纵波有机玻璃被检工件27.68033图2爬波的产生示意图1文章编号：2097-0846（2023）02006905收稿日期：20230202；修回日期：20230309基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目（2022YJ207）第一作者：史启帅（1983），男，工程师。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷增大逐渐减弱；吸收衰减取决于传声材料的性质，一方面超声传播时由于介质的黏滞性造成质点间的内摩擦，使一部分声能转变成热能；另一方面由于介质的热传导，介质的稠密部分和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗。可以得出，除声场外，材料的密度、弹性性质的改变均可对超声传播的衰减产生影响，而温度变化对材料的密度与弹性性质等有直接影响1。1.3超声爬波检测应用的相关研究因在役钢轨焊缝疲劳裂纹除轨头核伤外均具有表面开裂的特点，因此，采用超声爬波技术对在役钢轨焊缝实施检测具有较强的针对性，且有利于提高焊缝检测效率。线路钢轨温度随昼夜和季节的改变差异较大，必然要求爬波检测效果对温度的变化具有一定的适应性。查询相关文献，各行业对爬波检测技术的研究应用主要集中于对爬波在固定环境下检出能力及其对缺陷的定性、定位的应用研究，但未发现对压电超声爬波探头在不同温度下的检测效果及其灵敏度变化的具体描述。2 试验方案 超声检测效果可通过对人工反射体的测试直观体现。技术参数包括检测灵敏度、信噪比等，通过总结变化规律并约束这些技术参数即可满足现场实际检测应用需求。为得到有效实用的数据，设计以下试验方案进行测试。2.1试验材料以加工探头常用的有机玻璃作为原材料，按NB/T 47013.320155规定的尺寸加工CSK-A试块1块，具体尺寸如图3所示，与常规CSK-A试块（45号钢试块）一起用于测试不同温度下的纵波声速。另在钢轨母材轨头部位取样，加工1块人工刻槽伤损试块，模拟工件表面裂纹类缺陷，用于测试不同温度下仪器对于不同刻槽的灵敏度、信噪比等，具体尺寸如图4所示。2.2测试装备（1）温控设备采用上海索谱HDG-9030型电热恒温鼓风干燥箱，温度分别控制在-10、0、10、20、30、40、60 进行测试。（2）超声探伤仪使用武汉中科KW-4C数字式增益型设备，其屏幕显示回波高度与仪器示数（dB）成正比。2.3方案与数据（1）如图5所示，利用超声探伤仪的校准功能，采用纵波直探头（频率4 MHz，晶片尺寸20 mm）测试不同温度下的有机玻璃和钢中的纵波声速。测试结果取3次测试数据平均值，如表1所示。图5纵波声速测试示意图 12511095K2.0 K2.5 K3.0R10R100R50K1.5K1.01.53510514044(a)侧视图(b)俯视半剖面图405030022003020251610015231513通孔66图3CSK-A试块尺寸图5（单位：mm）表1不同温度下有机玻璃和钢中纵波声速测试数据温度/-1001020304060有机玻璃中纵波声速CL1/（ms-1）2 7492 7352 7212 6922 6512 6092 533钢中纵波声速CL2/（ms-1）5 9415 9355 9315 9255 9195 9115 901声速比值CL2/CL12.162.172.182.202.232.272.33404040(a)俯视图(b)侧视图0.2宽刻槽40302.50.54.01.0图4人工刻槽伤损试块尺寸图（单位：mm）70第 2 期史启帅等：温度变化对超声爬波检测表面裂纹的影响研究（2）采用压电超声爬波探头（频率4 MHz，晶片尺寸10 mm5 mm，双晶片左右排布）。将探头与人工刻槽试块共同控制在同一恒温条件下，分别找到各人工刻槽最佳反射波并调整至满屏幕80%高度，记录超声探伤仪对应的示数（dB）和噪声在屏幕上的高度百分比。测试结果取3次测试数据平均值，如表2所示。3 数据分析 3.1温度对声速的影响声速是一个重要的声学参数，确定被检工件内超声波的声速，对于缺陷的定位、定量分析有重要的意义。引起声速变化的因素不仅与超声波的波形有关，还与传声介质自身的密度、弹性模量等性质有关。纵波在无限大固体介质中的声速与自身性质之间的关系见式（2）：CL=E（1-）/（1+）（1-2）（2）其中，CL为纵波声速，ms-1；E为介质的弹性模量，Pa；为介质的密度，kgm-3；为介质的泊松比。对于给定的材料、特定的波形，声速是一个常数。但是，当介质本身温度、应力等发生变化时，介质的密度、弹性性质会有相应的变化，从而引起声速改变6。本试验的纵波声速值仅与试块自身的特性有关。将表1数据的温度作为横轴、声速作为纵轴，有机玻璃和钢中纵波声速随温度变化曲线如图6、图7所示，可明确发现，随着温度上升，有机玻璃和钢中的纵波声速均呈现下降趋势，这与通常情况下的固体声速随着温度的升高而降低的规律一致1。钢中纵波声速CL2从5 941 m/s下降至5 901 m/s，其10 mm声程的传播时间从1.683 s延长到1.695 s，造成声程误差仅约+0.07 mm。可见，温度差异造成的声速差异对工务现场超声检测定位应用的影响微乎其微。爬波与纵波声速相近，因此温差引起的声速改变造成的定位误差对现场实际应用来说可忽略不计。3.2温度对灵敏度与信噪比的影响当温度从-10 上升至60 时，有机玻璃纵波声速CL1从2 749 m/s下降至2 533 m/s，钢中纵波声速CL2从5 941 m/s下降至5 901 m/s，可见有机玻璃中纵波声速CL1比钢中纵波声速CL2随温度的变化率高，CL2/CL1随温度变化曲线如图8所示。因爬波探头内压电晶片位置固定，所以纵波入射角不变，而CL2/CL1不能维持恒定，则钢中折射纵波的折射角L即会随温度变化而改变，甚至会造成超过第一临界角而使主声束无折射纵波产生，只有部分下扩散角范围内声束产生折射纵波，这会使被检工件表面下爬波声场峰值能量及分布状态发生相应改变，从而影响对最小缺陷的检测能力和仪器的信噪比，严重时可造成探头失效而产生漏检2.352.302.252.202.15温度/-100102030405060CL2/CL1图8CL2/CL1随温度的变化曲线2 8502 8002 750 2 7002 6502 6002 5502 5002 4502 400纵波声速/(ms-1)温度/-100102030405060图6有机玻璃中纵波声速CL1随温度变化曲线5 9405 9355 9305 9255 9205 9155 9105 9055 9005 895纵波声速/(ms-1)温度/-100102030405060图7钢中纵波声速CL2随温度变化曲线表2不同温度下各人工刻槽测试数据温度/-1001020304060指标仪器示数/dB噪声/%仪器示数/dB噪声/%仪器示数/dB噪声/%仪器示数/dB噪声/%仪器示数/dB噪声/%仪器示数/dB噪声/%仪器示数/dB噪声/%刻槽宽度/mm0.569.1370.3371.4572.5673.8674.6875.0211.063.7165.6266.8368.0269.8370.6374.082.555.5057.9058.5160.4163.5266.0366.624.054.3055.7057.6159.6161.6162.8264.7271高速铁路新材料第 2 卷风险。比如，温度分别在10 和60 时，0.5 mm深人工刻槽回波达到满屏幕 80%高度时的仪器示数从71.4 dB 提高至 75.0 dB，噪声从屏幕高度的 5%提高到21%，对应回波与噪声如图9、图10所示，既干扰了缺陷的定量，又增加了缺陷的辨识难度。根据表2数据，各人工刻槽反映检测灵敏度的仪器示数和噪声随温度变化曲线如图11、图12所示。仪器示数所反映的检测灵敏度变化规律根据图 11总结如下：各曲线变化规律基本相似，随着温度升高，各人工刻槽反射波在仪器上对应示数均发生了明显改变，说明声能在传播过程中衰减量随温度发生了改变。相同温度时，随着人工刻槽向试块内部深度增加，其反射能量也相应明显增大。随温度的升高，不同人工刻槽反射波在仪器上对应的示数变化为 611 dB。仪器信噪比变化规律根据图 12 总结如下：-1060 温度范围内，随温度的升高，仪器噪声逐渐提高，信噪比开始变差。-1040 温度范围内，不同人工刻槽对应噪声不高于屏幕高度的 8%，即信噪比不低于20 lg（80%/8%）=20 dB；当温度从40 上升到60 时，0.5 mm深刻槽对应噪声从屏幕高度8%提高到22%，对应信噪比从 20 dB 下降至 20 lg（80%/22%）11 dB，此时噪声会对缺陷的识别产生一定的干扰。3.3方案对策通过数据分析可得出有机玻璃声速会受温度影响，其加工的爬波探头进行检测时，温度变化对检测效果影响很大。针对这种情况，提出如下几种解决方案：（1）选取受温度变化影响小的材料加工爬波探头，以使其具有足够强的温度适应能力。（2）尽量选择工件温度与对比试块温度接近时进行检测，以保证对小缺陷的检出效果。（3）必要时，可根据检测时的温度进行灵敏度修正。通常情况下，检测人员是在室温条件进行灵敏度校准，上道检测时可在此灵敏度基础上，适当增加（或降低）一定的灵敏度作为升温（或降温）时的灵敏度补偿，补偿值可根据实际检测需求调整。4 结论 试验研究表明，温度引起材料声速的改变可造成