由于鈦合金具有高強度、耐腐蝕、耐熱等優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，特別是鈦合金管的使用，因此對鈦合金管道進(jìn)行必要的檢測和維護(hù)來保證其使用安全也變得越來越重要。目前國內(nèi)外針對內(nèi)部結(jié)垢問題大都采用的是人工定期拆管檢查，這樣的檢測方式不僅效率低，還增加了企業(yè)的成本。超聲波測厚技術(shù)是檢測行業(yè)厚度測量工程中的一個重要部分，能夠有效且快捷地完成厚度的測量。
本文通過對超聲耦合系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合鈦合金管坯特點、自動超聲測厚系統(tǒng)和壁厚砂帶修磨裝置的關(guān)系，對鈦合金管坯超聲檢測機構(gòu)的機械部分進(jìn)行了設(shè)計。
鈦合金管超聲波液浸測厚法及耦合系統(tǒng)研究
1.1 縫管材超聲波液浸法測厚基本原理
超聲波液浸法指的是探頭發(fā)射的聲波經(jīng)過一段液體層后再進(jìn)入工件的檢測方法。
當(dāng)被檢管材沿其軸線穿過檢測區(qū)時，套住管材的容器充滿液態(tài)耦合劑，超聲探頭發(fā)出與管材軸線垂直的超聲波聲束，通過耦合劑傳播到管材表面上，在管材外表面一部分形成反射波，一部分透射后繼續(xù)在管體內(nèi)傳播。反射波再通過耦合劑傳播至探頭后，經(jīng)聲電轉(zhuǎn)化形成外表面回波脈沖，另一部分透射波傳播至內(nèi)下表面時也會形成反射波，其中的一部分又會在內(nèi)外表面多次反射，進(jìn)而形成多次回波信號。
根據(jù)超聲波脈沖法測厚的基本原理，液浸法所測得的壁厚值h為：
其中，t1為探頭接收到外表面反射回波的時間，t2為探頭接收到一次透射回波的時間。
液浸法檢測，探頭不直接接觸工件，因此對工件表面粗糙度要求不高，探頭也不易磨損。并且聲波的發(fā)射和接收都比較穩(wěn)定，探測結(jié)果重復(fù)性好，便于自動化檢測的實現(xiàn)。
1.2超聲波耦合系統(tǒng)
1.2.1耦合劑的選擇
耦合劑必須具備的性質(zhì)：
對晶片和工件的濕潤性和中性;適當(dāng)?shù)恼扯?、流動性；聲特性阻抗與工件的聲特性阻抗相近；不會對工件產(chǎn)生腐蝕，無毒；透聲性能好，價格低廉。水浸檢測能夠提供均勻的耦合，還能使探頭避免摩擦和磨損。
鑒于水浸法已成功應(yīng)用于超聲波探傷，有其現(xiàn)實可行性，且水對人體無害，對鈦合金無腐蝕性，同時遵從工業(yè)應(yīng)用低成本的原則，我們選擇水作為耦合劑。
1.2.2超聲波耦合方式的選擇
在超聲波液浸法測厚系統(tǒng)中，探頭與工件間的耦合方式分為直接接觸法、充液法、局部液浸法和全沒液浸法四種。
分析可得直接接觸法不適用于自動檢測，充液法存在摩擦問題，局部液浸法需要良好的密封，因此本文選擇如圖1.2所示的全沒液浸法的耦合方式。
全沒液浸法就是將試件整個浸沒在水槽或水箱中的方法，探頭用夾具固定，超聲波束中心通常應(yīng)垂直于試件的檢測面或地面。
1.3探頭到管坯表面距離的計算
為了將探頭激勵信號與被測表面的回波反射信號區(qū)分開來，保證探頭能夠進(jìn)行有效范圍的檢測，減少其掃描盲區(qū)，要求探頭和被檢測面之間的距離足夠長。當(dāng)水層厚度較小時，聲波在探頭與試件間的延遲時間將短于在試件中的延遲時間，在試件后壁回波到達(dá)之前將會出現(xiàn)不希望有的二次界面回波。
由于實際聲場近場區(qū)軸線上聲壓分布較為均勻，聲能變化小，若管坯內(nèi)外表面正好處在近場區(qū)內(nèi)，可以有效提高測量的精度和準(zhǔn)確性。因此，必須要設(shè)計合理的耦合水層厚度。
①衰減對耦合水層厚度S影響的計算
鑒于底面回波會在管壁中多次反射的緣故，超聲檢測儀器在設(shè)計時通常會設(shè)定當(dāng)?shù)趎次所發(fā)射的超聲波脈沖衰減至0后再發(fā)射第n+1次超聲波脈沖。因此，兩次界面波之間的距離即為超聲波脈沖在管壁內(nèi)反射n次的距離。由前述超聲波測厚理論可知，脈沖反射法測厚的實質(zhì)是測量兩相鄰反射回波之間的經(jīng)歷時間T。因此，若把超聲波在管壁內(nèi)8次反復(fù)傳播的時間設(shè)計為小于等于第一次界面波的返回時間，由T水=T鈦， (式中T為超聲波在介質(zhì)中的傳播時間，S'為聲波傳播距離，V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度)，可得：式中，t為管坯平均壁厚。
②近場距離N對水層厚度影響的計算
水的近場距離為：
鈦合金的近場距離為：
兩種介質(zhì)接觸時，鈦合金中的近場距離為：
因此，從保證測量裝置水腔容積和檢測裝置靈活性的角度出發(fā)，探頭至管坯表面距離定在S~N是較為合理的選擇。
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