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粗糙表面超声探伤耦合剂的研究

摘要:在超声探伤中,经常遇到测试面较粗糙。如用常规耦合剂时,其耦合剂损耗大,声能透过率低,探伤效果较差。本文介绍了一种适合在粗糙表面上进行超声探伤的耦合剂,其声学性能优于其他类型的耦合剂,应用到球墨铸铁曲轴超声探伤中,效果很好,由于其制备方法简单,成本低,使用损耗小,可较大地提高超声探伤灵敏度,具有很好的应用前景。

关键词:粗糙表面;超声探伤;耦合剂

粗糙表面超声探伤耦合剂的研究

前言

  在常规超声检测中,探头声源与工件之间必须填充耦合介质以实现声能的传递。它在工件与探头接触面上具有排除空气,充填不平的凹坑和间隙并兼有防磨方便移动的功能。通常在检测部位先涂耦合剂,再放上探头进行检测。在对粗糙表面、斜面、顶部、弯曲表面及垂直平面检测时,一般的耦合剂流失严重,耦合损耗大,声能透过率减小,从而使检测灵敏度降低,若使用润滑脂、黄油等,又会给涂沫、回收带来麻烦,清洗也不方便。

  粗糙表面耦合剂是采用亲水性的聚合物,用甘油或水作载体配制而成的。它的声阻抗与透声性均有较大的提高,从而提高了检测灵敏度,由于该耦合剂制备简单,使用损耗少,因此成本较低,在粗糙表面状态上超声波检测中可保证耦合损耗小,声能通过率增加,提高检测灵敏度,具有很好的应用前景。

1 粗糙表面耦合剂的研制

  耦合剂在工件表面的流失损耗主要取决于它的湿润性。从减少流失损耗的角度考虑应减少耦合剂与工件的湿润性[1],因此选用表面张力较大的水与甘油作载体制备粗糙表面耦合剂,其表面张力分别为72.68×10-5N/cm和69.9×10-5N/cm,而水的成本低廉,可大大降低耦合剂成本,甘油的透声性较好,可制备高灵敏度的耦合剂。粗糙表面耦合剂是不溶于有机溶剂亲水性强的聚合物。在制备表面张力较大的粗糙表面耦合剂时,聚合物虽然是亲水性的,但它与甘油等载体的亲和力较弱,配制有一定难度,需改进常规溶剂的配制方法。除严格控制化学反应温度、浓度、pH值等因素外,还需改变其作用条件、搅拌方式。本方法采用功率超声振动乳化装置来配制溶液的新方法,使行溶液里的颗粒非常细小,可使载体与聚合物产生稳定的化合态。放置较长时间也不会产生沉淀现象。从而保证耦合剂的稳定。

  实验中采用江苏张家港市港威超声仪器厂生产的CG-60型超声振动乳化机,该机带有一容量为2升的不锈钢容器,功率可达60W。它采用自激式电路选频调节回路,具有结构合理、体积小、重量轻、工作稳定、价格比高等特点,非常适合化学试剂的配制。粗糙表面超声探伤用耦合剂具体配制过程如下:

  用海藻酸钠5份,加蒸水80℃100份,纯甘油30份,放入超声乳化机容器内,再加入甲醛(防腐剂)0.1份,启动超声乳化机,容器下放置的大功率超声换能器即将超声波振动能量引入溶液中,使溶液中产生“空化”作用,将溶液中的颗粒破碎得非常细小,达到乳化的目的。所谓“空化”作用是指当超声波这种交变声压在液体中传播时出现稀疏密集状态。在密集状态时,液体受到正压力(约几个大气压),而在稀疏状态时,液体受到拉力即负压力。一般液体都含有一定的气体,在稀疏状态时,气泡增长,并吸收更多的液体中分离出来的气体,而当再压缩时,气泡不断缩小,在此过程中,液体质点的运动是与逐渐减小的气泡半径成反比的,因此,当半径趋于零时,质量运动速度在理论中应趋于无穷大,如果这一快速度运动的气泡闭合时突然停止,则集中微小容器内的动能就要释放出来,一部分变为压缩能。此时,从闭合泡的中心向外传播一个球形冲突波,在这一点压力下有数十个大气压,若超声频率为20kHz左右时,这种空化作用也是每秒钟进行两万次左右。仪器设置有0~1小时连续可调的定时器,一般设置15~20分钟即可,最后加入硝酸钠(防锈剂)0.03份,再通电作用5~10分钟即成。

2 粗糙表面耦合剂的性能

2.1 声学性能

  由于超声换能器与工件的声阻抗较高,因此提高粗糙表面耦合剂的声阻抗就可改善换能器与工件之间的耦合,即该耦合剂应与工件声阻抗尽量接近,表1列出几种常用介质、耦合剂声阻抗的比较,由表中可见粗糙表面耦合剂,具有较高的声阻抗,其中“1”样品声阻抗最高,耦合效果最好。

表1 某些介质、耦合剂的密度、声速及声阻抗比较

名  称 密度ρ

(103kg/m3) 声速VL

(m/s) 声阻抗ρCL

(105kg/m2.s)常见介质

铸铁 7.2 4500 3.28

7.7 5900 4.45

有机玻璃 1.18 2730 3.22

钛酸钡陶瓷 5.56 5100 2.84

4.58 5900 2.74

2.7 6300 1.70

水(20℃) 1 1480 1.48

变压器油 0.92 1390 1.28

30#机油 0.9 1400 1.26

纯甘油 1.27 1800 2.39

水玻璃(100%) 1.7 2350 4.00

捷力达水基耦合剂 1.25 1980 2.48

德国KK公司ZG耦合剂 1.32 2130 2.81

粗糙表面耦合剂  

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 检测工件表面粗糙度和耦合剂

  耦合效果除了与耦合材料性质、耦合层厚度及耦合层中超声波波长λ有关外[2],检测工件表面粗糙度也是影响耦合损耗的重要因素。

  表2列出厚度80毫米的球墨铸铁试样在使用2.5P14直探头,并用不同耦合剂测试其底面回波高度(B)的差异比较,测试仪器选用南通友联PXUT-22型数字超声波探伤仪。 

表2 检测工件表面粗糙度与底面回波高度比较(分贝)

耦合剂 底波分贝值 检测表面粗糙度(Rz) 25μm 50μm 砂轮打磨 粗车 100μm 黑皮 毛面

(铸造表面)

变压器油 +1 -1 -1 -5 -14 -15 -19

30#机油 +1 -2 -1 -6 -15 -16 -20

纯甘油(100%) +4 0 +2 -4 -10 -12 -16

水玻璃(100%) +3 +1 +0.5 -1 -5 -11 -14

捷力达水基耦合剂(仿德国) +2 -2 -2 -3 -8 -10 -17

德国KK公司产ZG耦合剂 +3 +1 0 -2 -6 -10 -15

粗糙表面耦合剂1# +3 +1 -1 -2 -4 -9 -13

粗糙表面耦合剂2# +2 +1 -2 -4 -7 -11 -14

粗糙表面耦合剂3# +2 0 -2 -5 -9 -14 -19

  注:表中以粗糙度RZ=50μm,纯甘油100%耦合剂为基准,测试出的数据。 

  从表中可看出1#号粗糙表面耦合剂灵敏度最高,说明其耦合效果最好。

3 粗糙表面耦合剂在球墨铸铁曲轴探伤中的应用

  球墨铸铁曲轴是内燃机的关键部件,与碳钢相比,球墨铸铁具有加工余量少,制造周期短、造价低,制造同种规格的曲轴所需原料少,可使毛坯成本下降80%,而且屈服极限、耐磨损性、减振性均优于锻钢,所以越来越受到人们重视。但曲轴在铸造过程中,由于铸造工艺操作人员素质等因素影响,难免会出现铸造缺陷,如缩孔、缩松、气孔、夹杂等缺陷。为此生产厂家一般在曲轴粗加工后进行磁粉和超声波探伤,如果经探伤发较大缺陷,曲轴需报废时,为时已晚。因为机械加工费已付出,还延误工期,所以,厂家迫切希望在曲轴铸造出来后,即进行探伤也就是在毛面状态时就进行探伤,这样就可节省大量人力、物力。


图1 曲轴扇板试样

  由于曲轴的表面较粗糙,造成声波漫反射,常规液体耦合剂填充效果差,此外,曲轴的探伤表面大多是圆弧表面,一般液体耦合剂易流失,耦合不稳定,如采用润滑油、黄油等脂类耦合剂,不仅价格高,涂抹也不方便,回收清除也麻烦。粗糙表面耦合剂常态下呈糊状,它可直接对毛面、弯曲表面进行耦合,不仅流失少,而且可保证良好的声耦合。由于耦合剂本身有较高的声阻抗,可以较大地提高探伤灵敏度。图1为毛坯曲轴上切取的扇板试样,曲率半径为R115,中心钻有5mm的通孔,从圆弧面测量中心孔回波信号波高值(dB值80%满刻度)用机油耦合,其波高值为58dB、黄油为60dB、粗糙表面耦合剂为65dB。可见,采用黄油比机油能更好地填充粗糙表面和弯曲表面的气隙,透声性提高2dB,而粗糙表面耦合剂透声性比黄油提高了5dB,比机油提高7dB,从而大大提高了探伤灵敏度。

  粗糙表面耦合剂经过现场实地检验证明比较实用,效果较好。由于它呈糊状,即使朝顶面涂抹,也不会往下滴,从而改善了工作环境。它还是不含油的水溶性物质,清洗时用水即可,无需用有机溶剂,也不会产生废水,所以对环境无污染。该耦合剂还具有防腐性能,不会使工件表面生锈。由于其制备方法简单、成本低,可较大地提高探伤灵敏度,因此,适宜在超声探伤或其他声学检测领域中应用。

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