一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测方法和装置与流程

本发明属于超声检测领域，具体涉及一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测方法和装置。

背景技术：

重型燃气轮机运行过程中的扭矩主要通过轮盘之间压紧面的摩擦力进行传递，拉杆螺栓是重型燃气轮机中将轴头和各级轮盘压紧成为一个整体的关键部件，拉杆螺栓必须有足够大的预紧力才能保证转子安全可靠的运行。同时，拉杆螺栓在运行过程中还需要承受热载荷和离心力的作用。拉杆螺栓的安全与否直接影响重型燃气轮机机组的安全运行。

常用的拉杆螺栓超声检测方法多采用纵波直探头、小角度纵波探头和横波斜探头。纵波直探头检测方法对于螺纹齿底的裂纹可以做到有效检测，但是对于未发展超出螺纹齿底的齿面裂纹无法进行检测；小角度纵波探头和横波斜探头一定程度上克服了纵波直探头无法检测齿面裂纹的缺点，但是对于尺寸较小的齿面裂纹往往无法进行有效检测。目前对于螺纹齿面小裂纹还没有一种有效的检测方法。

技术实现要素：

本发明所要检测的技术问题是提供一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测方法和装置，实现对拉杆螺栓齿面微小裂纹的有效检测，提前发现拉杆螺栓的薄弱环节，确保拉杆螺栓的安全。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测装置，包括超声波探伤仪、小角度横波聚焦探头和对比试块；其中，

小角度横波聚焦探头包括探头外壳、背衬、压电晶片、声阻抗匹配层和探头接插件；其中，探头外壳具有一端开口的中空腔体，用于封装探头内部器件，是探头的骨架；声阻抗匹配层设置在探头外壳的开口端，背衬设置在探头外壳内，并与声阻抗匹配层贴合，压电晶片镶嵌在声阻抗匹配层与背衬之间；声阻抗匹配层使得压电晶片与耦合面形成夹角，保证压电晶片发射的超声波倾斜入射到声阻抗匹配层与被检工件的界面，在工件内形成预定角度的声束；压电晶片与背衬贴合，用于将电能转换为声能，通过压电晶片振动发射超声波，当超声波作用到压电晶片上时，将压电晶片受迫振动产生的形变转换为相应的电信号；背衬用于吸收压电晶片向后发出的超声波，减小超声脉冲宽度，提高纵向分辨力；探头接插件设置在探头外壳相对于开口端的一端外侧，且压电晶片的电极面通过导线连接至探头接插件，在工作过程中通以高频脉冲电流；

对比试块包括连接在一起且一体化成型的螺纹段和光杆段；其中，螺纹段的螺牙上开设有人工裂纹，螺纹段端面、光杆段端面以及光杆段圆周面均为超声探头的耦合面；

检测时，超声波探伤仪通过探头连接线与小角度横波聚焦探头的探头接插件连接，小角度横波聚焦探头的声阻抗匹配层通过耦合剂与对比试块的耦合面耦合。

本发明进一步的改进在于，小角度横波聚焦探头发射的超声波型为横波，通过在拉杆螺栓螺纹齿面反射产生变型纵波，通过反射的变型纵波对拉杆螺栓螺纹齿面裂纹进行检测。

本发明进一步的改进在于，小角度横波聚焦探头横波的折射角度范围为1°～3°。

本发明进一步的改进在于，小角度横波聚焦探头聚焦焦点直径小于螺纹齿间距，聚焦深度与待检测部位的深度一致。

本发明进一步的改进在于，小角度横波聚焦探头为接触式聚焦探头，耦合面在拉杆螺栓螺纹段的端面上。

本发明进一步的改进在于，小角度横波聚焦探头的频率为2.5mhz～5mhz。

本发明进一步的改进在于，耦合剂的粘度保证横波的有效传递，使得小角度横波聚焦探头能够在耦合面来回移动而耦合稳定，且具有良好的透声性能和润湿性能。

本发明进一步的改进在于，对比试块上的人工裂纹与待检测拉杆螺栓相同位置的螺栓螺纹面上加工的齿底切槽和齿面切槽，且切槽深度和长度依据所要检测到的最小裂纹加工。

一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测方法，该方法基于上述一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测装置，包括以下步骤：

1)根据待检拉杆螺栓的材质和规格加工对比试块，并在对比试块上加工人工裂纹；

2)在对比试块耦合面上均匀涂抹耦合剂，将聚焦深度范围与待检部位深度一致的小角度横波聚焦探头连接超声波探伤仪并置于耦合面上使其良好耦合；

3)移动小角度横波聚焦探头使横波声束在螺纹齿面上发生反射产生变型纵波，利用变型纵波对相对位置的螺纹齿面待检测部位的人工裂纹进行检测，使人工裂纹的波幅达到满屏的80％为基准波高，以此作为检测灵敏度；

4)对待检拉杆螺栓进行超声检测，若待检测部位的回波波高没有超出基准波高，判定该检测部位没有裂纹；若待检测部位的回波波高超出基准波高，定位齿面裂纹位置，并判定该待检拉杆螺栓的检测部位有裂纹。

本发明进一步的改进在于，小角度横波聚焦探头在检测过程中以保证入射声束与探头前沿所组成的端面与螺纹垂直；

小角度横波聚焦探头在检测过程中前后移动的精度要求较高，同时配置相应的距离测量和探头夹具；

小角度横波聚焦探头入射点进行标记，使操作者能够实时掌握超声波束的入射位置；

小角度横波聚焦探头发射的超声横波为能够在螺纹齿面进行波型转换的sv横波。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测装置，采用小角度横波聚焦探头，利用横波在螺纹齿面上发生波型转换产生纵波的原理，使纵波直接对螺纹齿面裂纹进行检测。这种方式可以改变超声波入射的角度，使超声波从更有利于检测的方向入射，保证了对螺纹齿面裂纹的有效覆盖和检测，能有效检测出螺纹齿面小裂纹。

本发明提供的一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测方法，利用拉杆螺栓螺纹齿面上sv横波变型为纵波，利用变换角度后的变型纵波对螺纹齿面裂纹进行检测，具有检测灵敏度高的优点，可有效检测出目前其他技术无法检测出的螺纹齿面小裂纹。

附图说明

图1为本发明一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测装置的结构示意图。

图2为本发明有齿面裂纹的拉杆螺栓普通螺纹超声检测波形图。

图3为本发明无齿面裂纹的拉杆螺栓普通螺纹超声检测波形图。

图4为本发明小角度横波聚焦探头的结构示意图。

图5为本发明对比试块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

参照图1、图4和图5，本发明提供的一种拉杆螺栓普通螺纹(牙型角为60°)齿面裂纹超声检测装置，包括超声波探伤仪1、小角度横波聚焦探头2和对比试块3。

其中，小角度横波聚焦探头2包括探头外壳201、背衬202、压电晶片203、声阻抗匹配层204和探头接插件205；其中，探头外壳201具有一端开口的中空腔体，用于封装探头内部器件，是探头的骨架；声阻抗匹配层204设置在探头外壳201的开口端，背衬202设置在探头外壳201内，并与声阻抗匹配层204贴合，压电晶片203镶嵌在声阻抗匹配层204与背衬202之间；声阻抗匹配层204使得压电晶片203与耦合面形成夹角，保证压电晶片203发射的超声波倾斜入射到声阻抗匹配层204与被检工件的界面，在工件内形成预定角度的声束；压电晶片203与背衬202贴合，用于将电能转换为声能，通过压电晶片203振动发射超声波，当超声波作用到压电晶片203上时，将压电晶片203受迫振动产生的形变转换为相应的电信号；背衬202用于吸收压电晶片203向后发出的超声波，减小超声脉冲宽度，提高纵向分辨力；探头接插件205设置在探头外壳201相对于开口端的一端外侧，且压电晶片203的电极面207通过导线206连接至探头接插件205，在工作过程中通以高频脉冲电流。

对比试块3包括连接在一起且一体化成型的螺纹段301和光杆段302；其中，螺纹段301的螺牙305上开设有人工裂纹，螺纹段端面308、光杆段端面303以及光杆段圆周面304均为超声探头的耦合面。

检测时，超声波探伤仪1通过探头连接线与小角度横波聚焦探头2的探头接插件205连接，小角度横波聚焦探头2的声阻抗匹配层204通过耦合剂与对比试块3的耦合面耦合。

所述小角度横波聚焦探头2发射的超声波型为横波，通过在拉杆螺栓螺纹齿面反射产生变型纵波，通过反射的变型纵波对拉杆螺栓螺纹齿面裂纹进行检测。

所述小角度横波聚焦探头2横波的折射角度范围为1°～3°。

所述小角度横波聚焦探头2聚焦焦点直径(-6db)小于螺纹齿间距，聚焦深度与待检测部位的深度一致。

所述小角度横波聚焦探头2为接触式聚焦探头，耦合面在拉杆螺栓螺纹段的端面上。

所述小角度横波聚焦探头2的频率为2.5mhz～5mhz。

所述耦合剂的粘度保证横波的有效传递，使得小角度横波聚焦探头2能够在耦合面来回移动而耦合稳定，且具有良好的透声性能和润湿性能。

所述对比试块3上的人工裂纹与待检测拉杆螺栓相同位置的螺栓螺纹面上加工的齿底切槽306和齿面切槽307，且切槽深度和长度依据所要检测到的最小裂纹加工。

参见图1，本发明提供的一种拉杆螺栓普通螺纹齿面裂纹超声检测方法，包括以下步骤：

1)根据待检拉杆螺栓的材质和规格加工对比试块3，并在对比试块3上加工人工裂纹；

2)在对比试块3耦合面上均匀涂抹耦合剂，将聚焦深度范围与待检部位深度一致的小角度横波聚焦探头2连接超声波探伤仪1并置于耦合面上使其良好耦合；

3)移动小角度横波聚焦探头2使横波声束在螺纹齿面上发生反射产生变型纵波，利用变型纵波对相对位置的螺纹齿面待检测部位的人工裂纹进行检测，使人工裂纹的波幅达到满屏的80％为基准波高，以此作为检测灵敏度；

4)对待检拉杆螺栓进行超声检测，若待检测部位的回波波高没有超出基准波高，判定该检测部位没有裂纹；若待检测部位的回波波高超出基准波高，定位齿面裂纹位置，并判定该待检拉杆螺栓的检测部位有裂纹。

其中，小角度横波聚焦探头2在检测过程中以保证入射声束与探头前沿所组成的端面与螺纹垂直；小角度横波聚焦探头2在检测过程中前后移动的精度要求较高，同时配置相应的距离测量和探头夹具；小角度横波聚焦探头2入射点进行标记，使操作者能够实时掌握超声波束的入射位置。小角度横波聚焦探头2发射的超声横波为可在螺纹齿面进行波型转换的sv横波。

结合图1，对本发明作进一步的说明：

小角度横波聚焦探头通过探头连接线与超声波探伤仪连接，超声波探伤仪发射脉冲电流在探头压电晶片上激发出sv横波，sv横波通过耦合剂进入待检测拉杆螺栓内部，在螺栓螺纹右侧齿面发生反射现象，反射过程中分离出反射纵波(即变型纵波)和反射横波，因为sv横波以30°角入射，所以反射横波很弱，可以忽略。而反射纵波的能量很强，它会在垂直于拉杆螺栓轴线面内传播并入射螺纹左侧齿面，实现对螺纹左侧齿面裂纹的有效检测。

结合图2、3，对本发明作进一步的说明：

利用反射纵波对左侧齿面进行检测时，若待检测齿面无裂纹，反射纵波在齿面的入射角为约30°，此时沿原路返回的反射纵波能量非常弱，超声波探伤仪显示屏上只有探头sv横波在螺纹右侧齿面的山峰状反射波，波形如图2所示。若待检测齿面有裂纹，反射纵波以与裂纹面近乎垂直的角度入射，此时的纵波反射率接近100％，反射纵波沿原路返回，在右侧齿面再次发生波型转换为sv横波，最终返回探头并被接收，波形图如图3所示。

上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。