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裂纹具有受外力易扩展特征,是焊缝中危害性最大的一类缺陷。根据断裂力学理论,当裂纹达到临界尺寸,在外加载荷作用下,易发生瞬时断裂,造成重大安全事故。超声检测具有对面积型缺陷敏感、定位与定量精度高等优点,而得到广泛应用。其中,脉冲反射法是依靠缺陷回波幅值实现缺陷的定位、定量,受人为影响较大、定位定量精度低。近年来,超声衍射时差法(Time of Flight Diffraction,TOFD)和相控阵超声检测技术(Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT)等超声检测技术逐步应用于工程检测,TOFD依靠缺陷上下端点衍射声时差实现缺陷定量,对壁厚方向裂纹定量有明显优势。PAUT通过计算机控制不同阵元发射与接收超声波的相对延迟,从而实现声束的偏转与聚焦。鉴于检测原理不同,上述三种方法在缺陷定量方面存在差异。本文针对合金钢Q235内部人工预制裂纹,通过建模仿真与实验测试,对比研究脉冲回波法、TOFD与PAUT缺陷检出率及定量精度,为工程应用中检测方法的选择提供依据。主要研究内容如下:(1)在厚度100 mm合金钢Q235模型内部中,以10 mm为梯度,设置9个高度3.0 mm裂纹。仿真结果表明,三种超声检测技术均可实现所有裂纹检出。脉冲反射法的裂纹高度定量误差约为1.00 mm,与裂纹埋深无关。TOFD定量精度最高,检测误差小于0.10 mm。PAUT定量检测误差随裂纹埋深增加而增大,最大为0.85 mm。加工深度10 mm、50 mm、90 mm、高度3.0 mm的人工槽进行实验验证,TOFD与PAUT实验与仿真结果具有较好一致性;受加工形貌影响,脉冲反射法的实验定量精度偏低。(2)在厚度30 mm的模型中,15 mm深处设置了高度分别为1.0 mm、2.0 mm、3.0mm、4.0 mm和5.0 mm的5个裂纹。仿真结果表明,脉冲反射法对于1.0 mm的裂纹不能检出,TOFD与PAUT可以检出全部预设裂纹。脉冲反射法定量误差随着裂纹高度增加而增大。TOFD定量误差小于0.10 mm,定量精度最高。PAUT定量误差随着裂纹高度的增加而减小。加工高度2.0 mm、3.0 mm、5.0 mm人工槽进行实验验证,TOFD与PAUT实验与仿真结果具有较好一致性;脉冲反射法实验定量误差,随着人工槽高度增加受加工形貌的影响程度逐渐减小。(3)在厚度30 mm的模型内部,深度15 mm处,-60°~60°区间内,设置了以15°为梯度,长度为3.0 mm的9个倾斜裂纹。仿真结果表明,三种超声检测技术均可检出全部预设裂纹。脉冲反射法长度定量误差在0.15-1.29 mm范围内波动。TOFD定量误差随裂纹倾斜角度增大而增大。PAUT正取向裂纹定量精度高于负取向裂纹。定量误差小于0.31 mm,且角度定量误差小于±2°。加工±60°、±30°、0°人工槽进行实验验证,TOFD与PAUT结果与仿真模拟结果具有较好一致性;受裂纹加工形貌影响,脉冲反射法的实验定量精度偏低。对比研究发现,对于垂直裂纹,当工件厚度小于50 mm时,选择TOFD与PAUT定量精度相当,但对于裂纹尺寸小于2.0 mm时,PAUT定量误差会加大。对于倾斜裂纹,最好选择PAUT进行定量研究。