焊接自动化论文超声波探伤在设备焊接缺陷中的监测和分析.doc

毕业论文：超声波探伤在设备焊接缺陷中的检测和分析毕 业 论 文系 别： 电子与信息工程系 专业名称： 焊接技术及自动化 论文题目：超声波探伤在设备焊接缺陷中的监测和分析 学生姓名 杨岩峰 指导老师： 评 阅 人： 成 绩： 2012年 6 月 2 日 第一章 绪论1.1超声波探伤简介超声波探伤也叫超声检测、超声波检测，是无损检测的一种。无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验不见的表面和内部质量进行检查的一种检测手段，nondestructive testing（缩写ndt）。 机械振动在介质中的传播过程叫做波，人耳能够感受到频率高于16赫兹，低于20000赫兹的弹性波，所以在这个频率范围内的弹性波又叫声波。频率小于10赫兹的弹性波又叫次声波，频率高于20000赫兹的弹性波叫做超声波。次声波和超声波人耳都不能感受。 超声波的特点：1、超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。2、超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射。3、超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。4、超声波的能量比声波大得多。5、超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。 超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。 1.2超声波探伤的基本原理超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波就是一种机械波。机械波主要参数有波长、频率和波速。波长?：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长，波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离，常用单位为米(m)；频率f：波动过程中，任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数称为频率 ，常用单位为赫兹(hz)；波速c：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，常用单位为米/秒（m/s）。由上述定义可得：c=? f ，即波长与波速成正比，与频率成反比；当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。它们的区别在主要在于频率不同。频率在2020000hz之间的能引起人们听觉的机械波称为声波，频率低于20hz的机械波称为次声波，频率高于20000hz的机械波称为超声波。次声波、超声波不可闻。超声探伤所用的频率一般在0.510mhz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为15mhz。超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。1. 方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波象光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷。2. 能量高：由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于一般声波的能量。3. 能在界面上产生反射、折射和波型转换：超声波具有几何声学的上一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。4. 穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。1.3超声波探伤设备的介绍超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（裂纹、疏松、气孔、夹杂等）的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工程现场。广泛应用在锅炉、压力容器、航天、航空、电力、石油、化工、海洋石油、管道、军工、船舶制造、汽车、机械制造、冶金、金属加工业、钢结构、铁路交通、核能电力、高校等行业。超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤的重要设备，了解这些设备的原理、构造和作用及其主要性能的测试方法是正确选用探伤设备进行有效探伤的保证。一 超声波探伤仪1.作用超声波探伤仪的作用是产生电振荡并加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。2.分类按缺陷显示方式分类，超声波探伤仪分为三种。a型：a型显示是一种波形显示，探伤仪的屏幕的横坐标代表声波的传播距离，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。b型：b型显示是一种图象显示，屏幕的横坐标代表探头的扫查轨迹，纵坐标代表声波的传播距离，因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。c型：c型显示也是一种图象显示，屏幕的横坐标和纵坐标都代表探头在工件表面的位置，探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而当探头在工件表面移动时，屏上显示出被探工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。目前，探伤中广泛使用的超声波探伤仪都是a型显示脉冲反射式探伤仪。二 探头超声波的发射和接收是通过探头来实现的。下面介绍探头的工作原理、主要性能及其及结构。1. 压电效应某些晶体材料在交变拉压应作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。超声波探头中的压电晶片具有压电效应，当高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能(机械能)，探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换为电能。不难看出超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转换，因此常把探头叫做换能器。2. 探头的种类和结构直探头用于发射和接收纵波，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如板材、锻件探伤等。斜探头可分为纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头，常用的是横波斜探头。横波斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝、汽轮机叶轮等。当斜探头的入射角大于或等于第二临界角时，在工件中产生表面波，表面波探头用于探测表面或近表面缺陷。双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波，另一块用于接收超声波。根据入射角不同，分为双晶纵波探头和双晶横波探头。双晶探头具有以下优点：（1） 灵敏度高（2） 杂波少盲区小（3） 工件中近场区长度小（4） 探测范围可调双晶探头主要用于探伤近表面缺陷。聚焦探头种类较多。3. 探头型号探头型号的组成项目及排列顺序如下：基本频率-晶片材料-晶片尺寸-探头种类-特征三 试块按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样，通常称为试块。试块和仪器、探头一样，是超声波探伤中的重要工具。1 试块的作用（1） 确定探伤灵敏度超声波探伤灵敏度太高或太低都不好，太高杂波多，判伤困难，太低会引起漏检。因此在超声波探伤前，常用试块上某一特定的人工反射体来调整探伤灵敏度。（2） 测试探头的性能超声波探伤仪和探头的一些重要性能，如放大线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头的入射点、k值等都是利用试块来测试的。（3） 调整扫描速度利用试块可以调整仪器屏幕上水平刻度值与实际声程之间的比例关系，即扫描速度，以便对缺陷进行定位。（4） 评判缺陷的大小利用某些试块绘出的距离-波幅-当量曲线（即实用avg）来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特别是3n以内的缺陷，采用试块比较法仍然是最有效的定量方法。此外还可利用试块来测量材料的声速、衰减性能等。2.试块的分类（1） 按试块来历分为：标准试块和参考试块。（2） 按试块上人工反射体分：平底孔试块、横孔试块和槽形试块1.4国内外超声波探伤的现状、发展无损检测技术已经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为 5%，国防、宇航、原子能产品为 12%一 18%，火箭为 20%。例如，德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力。可见现代工业是建立在无损检测基础上的说法并不为过。 随着电子技术的迅速发展，使超声波无损探伤技术和仪器也得到了相应发展与应用。早在 1929年苏联萨哈诺夫提出利用穿透法检查固体内部结构，以后利用连续超声波在实验室研究成功。随着声纳技术的发展，美、英两国分别于 1944 年和 1964 年研制成功脉冲反射式超声波探伤仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的探伤。80 年代，随着大规模集成电路和微机技术的快速发展，1983 年德国krautkramer 公司推出第一台便携式数字化超声波探伤仪 usd1 型，采用的是 z80cpu，尽管有许多不足，但已显示出数字化超声波探伤仪强大的生命力。我国 50 年代初引进苏联超声波探伤仪，60年代初期先后形成了一些批量生产的厂家，80 年代初，国内各生产厂研制生产的超声波探伤仪的主要技术指标均有大幅度地提高，较好地满足了超声波探伤技术的需要。如汕头超声电子(集团)公司在1980 年推出了 cts - 22 型超声波探伤仪，其主要性能指标与当时国际同类仪器水平相当。 近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多突破性进展。比如，用户友好界面操作系统软件；各种扫描成象技术；多坐标、多通道的自动超声检查系统；超声机器人检测系统等。无损检测的标准化和规范化，检测仪器的数字化、智能化、图象化、小型化和系列化工作也都取得了较大发展。我国已经制订了一系列国标、部标及行业标准，而且引进了 iso，atsm 等一百多个国外标准。无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间仍存在很大差距。具体表现在以下几个方面：1. 检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术向自动化、智能化、图象化的进展。由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，而年轻的检测人员缺乏切实的实践经验，这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。2. 专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备有待改进。从而导致目前我国产品的质量普遍存在较大问题，据测算，我国不良品的年损失约 2000 亿元。更严重的后果是产品的竞争能力差，影响产品进入国际市场。3. 对无损检测技术领域的信息技术应用重视不够。我国对无损检测信息技术的建设工作还处在相当薄弱的阶段。4. 无损检测的标准和规范多而杂。第二章超声波探伤方法超声检测方法分类的方式有多种，较常用的有如下几种：1、按原理分类：脉冲反射法、衍射时差法（tofd）、穿透法、共振法。2按显示方式分类：a型显示和超声成像显示（可细分为b、c、d、s、p型显示等）。3按波型分类：纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。4、按探头数目分类：单探头法、双探头法、多探头法。5、按探头与试件的接触方式分类：接触法、液浸法、电磁耦合法。6、按人工干预的程度分类：手工检测、自动检测。 每一个具体的超声检测方法都是上述不同分类方式的一种组合，如最常用的：单探头横波脉冲反射接触法（a型显示）。每一种检测方法都有其特点和局限性，针对每一检测对象所采用的不同的检测方法，是根据检测目的及被检工件的形状、尺寸、材质等特征来进行选择的。2.1按原理分类的超声检测方法超声检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、衍射时差法、穿透法和共振法。2.1.1脉冲反射法超声波探头发射脉冲波到被检工件内，通过观察来自内部缺陷或工件底面反射波的情况来对试件进行检测的方法，称为脉冲反射法。脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。1.缺陷回波法根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。该方法以回波传播时间对缺陷定位，以回波幅度对缺陷定量，是脉冲反射法的基本方法。如图所示为缺陷回波检测的基本原理，当工件完好时，超声波可顺利传播到达底面，检测图形中只有表示发射脉冲t及底面回波b两个信号，如图a所示。若工件中存在缺陷，则在检测图形中，底面回波前有表示缺陷的回波f，如图b所示。2.底波高度法当工件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。如果工件内存在缺陷，底面回波会下降甚至消失，如图所示。这种依据底面回波的高度变化判断工件缺陷情况的检测方法，称为底波高度法。 底波高度法的特点在于同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区，但是要求被检工件的检测面与底面平行，耦合条件一致。该方法检出缺陷定位定量不便，灵敏度较低，因此，实用中很少作为一种独立的检测方法，而是经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的、小而密集的缺陷，对于锻件采用直探头纵波检测法时常使用，如由缺陷引起的底波降低量。3.多次底波法当透入工件的超声波能量较大，而工件厚度较小时，超声波可在检测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波b1、b2、b3、。如果工件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底波回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波，如图所示。这种依据多次底面回波的变化，判断工件有无缺陷的方法，称为多次底波法。多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、检测面与底面平行的工件检测，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。2.1.2衍射时差法 衍射时差法（time of flight diffraction,简称tofd）,是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式，该方法最早于20世纪70年代由英国原子能管理局国家无损检测研究中心的哈威尔实验室的m.g.silk根据超声波衍射现象首先提出来的。缺陷处的衍射现象如图所示。 tofd技术的物理原理 衍射现象是tofd技术采用的基本物理原理。 衍射现象的解释：波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，根据惠更斯原理，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。 tofd工作原理tofd技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。tofd方法一般将探头对称分布于焊缝两侧。在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，因为声速小于纵波，因而一般会迟与底面反射波到达接收探头。tofd技术优越性a）一次扫查几乎能够覆盖整个焊缝区域（除上下表面盲区），可以实现非常高的检测速度；b）可靠性要好，对于焊缝中部缺陷检出率很高；c）能够发现各种类型的缺陷，对缺陷的走向不敏感；d）可以识别向表面延伸的缺陷；e）采用d-扫描成像，缺陷判读更加直观；f）对缺陷垂直方向的定量和定位非常准确，精度误差小于1mm；g）和脉冲反射法相结合时检测效果更好，覆盖率100%；tofd技术局限性：a）近表面存在盲区，对该区域检测可靠性不够b）对缺陷定性比较困难c）对图像判读需要丰富经验d）横向缺陷检出比较困难e）对粗晶材料，检出比较困难f）对复杂几何形状的工件比较难测量2.1.3穿透法穿透法是采用一发一收双探头分别放置在工件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来检测工件缺陷的方法。穿透法如图所示，其中（a）为无缺陷时的波形，（b）为有缺陷时的波形。2.1.4共振法依据工件的共振特性来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。常用于工件测厚。目前很少使用共振法测厚。测厚原理，从超声波理论可知，超声波（连续波）垂直入射到平板工件底面，当工件厚度为的整数倍时，反射波与入射波互相叠加，形成驻波，产生共振。这时工件厚度与波速、频率的关系为： 即： 式中 工件厚度； 工件中波长； 工件中波速；工件中第n次共振频率当n=1时，所得为工件的基频率。测得两个相邻的共振频率后，可由下式得到工件的厚度： 2.2 a型显示和超声成像按超声信号的显示方式，可将超声检测方法分为a型显示和超声成像方法，其中超声成像显示按成像方式的不同又可再分为b、c、d、s、p型显示等。2.2.1 a型显示a型显示是一种波形显示，是将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来，横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表信号幅度。a型显示是最基本的一种信号显示方式。此时，示波管的电子束是振幅调制的。换言之，a型显示的内容是探头驻留在工件上某一点时，沿声束传播方向的回波振幅分布。结合脉冲反射法的a型显示超声检测是目前用的最多的一种方法，目前特种设备行业常用的jb/t4730.3-2005标准规定的就是a型脉冲反射式超声波检测，采用该方法时，检测结果受检测人员的素质、经验等人为因素影响较大。2.2.2 超声成像方法超声成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。由于声波可以穿透很多不透光的物故利用声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息，超声成像技术将这些信息变成人眼可见的图像，即可以获得不透光物体内部声学特性分布的图像。物体的超声图像可提供直观和大量的信息，直接显示物体内部情况，且可靠性、复现性高，可以对缺陷进行定量动态监控。一般而言，超声成像方法是基于a型显示形成的工件不同截面的图像显示，大都具有自动数据采集、自动数据处理和自动作出评价的功能。超声成像方法发展到现代，主要采用扫描接收信号、再进行图像重构的方式，因此又称为超声扫描成像技术，起初主要为b、c扫描成像，随后为检测焊缝而开发出d、p扫描（投影扫描成像）；因为相控阵技术的出现，又出现s扫描（扇形扫描成像）等。而对应的，a型显示又可称为a扫描显示。1. b、c、d扫描成像 b扫描显示的是与声束传播方向平行且与工件的测量表面垂直的剖面；d扫描所显示的是与声束平面及测量表面都垂直的剖面；c扫描所显示的则是工件的横断面。 b、c、d扫描成像设备较简单、操作容易，已成为最普及的三种超声成像方法。其中的b扫描广泛用于医疗诊断，俗称b超。现在用于无损检测也取得了良好的效果。2. p扫描成像p扫描是“投影成像扫描”的简称，是专为检测焊缝而开发的其工作原理如图所示。两个斜探头位于焊缝两侧并按事先规划好的方式扫描，扫查可手动或自动。测到的声波以1db甚至更小的精度记录与硬盘上，然后，将测得的结果送入p扫描处理器，它以声线理论为基础进行计算，并将计算结果以两个投影图的方式显示：一个是俯视图，投影面平行于表面；另一个是侧视图，投影面平行于焊缝，且垂直于表面。因此，p扫描实际上是一种同时显示c扫描图像（侧视）和d扫描图像（侧视）的商品化成像系统。在图中w是焊缝加上其热影响区的宽度，h是焊缝厚度。为帮助正确判别缺陷，p扫描显示时，在两个视图的下方有一个附加的显示图。该图显示出以分贝标度的回波振幅大小，该振幅是沿焊缝宽度方向测得的所有回波振幅的最大值，显示图中的虚线表示两个视图中的显示阀值，该显示图有些类似a扫描显示。p扫描原理2.3 按波型分类的超声检测方法根据检测采用的波型，超声检测方法可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。2.3.1 纵波法使用纵波进行检测的方法，称为纵波法。在同一介质中传播时，纵波速度大于其他波型的速度，穿透能力强，对晶界反射或散射的敏感性不高，所有可检测工件的厚度是所有波型中最大的，而且可用于粗晶材料的检测。1. 纵波直探头法 使用纵波直探头进行检测的方法，称为纵波直探头法。波束垂直入射至工件检测面，以不变的波型和方向透入工件，所以又称垂直入射法，简称垂直法，如图所示。垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的检测，该法对于与检测面平行的缺陷检测效果最佳。由于垂直法检测时，波型和传播方向不变，所以缺陷定位比较方便。2.纵波斜探头法将纵波倾斜入射至工件检测面，利用折射纵波进行检测的方法，称为纵波斜探头法。此时，入射角小于第一临界角1，工件中即有纵波也有横波，由于纵波传播速度快，几乎是横波的两倍，因此可利用纵波来识别缺陷和定量，但注意不要与横波信号混淆。一般来说，小角度纵波斜探头常用来检测探头移动范围较小、检测范围较深的一些部件，如从螺栓端部检测螺栓，多层包扎设备的环焊缝等。对于粗晶材料，如奥氏体不锈钢焊接接头的检测，也常采用纵波斜探头法检测。在tofd检测技术中，使用的探头一般也为纵波斜探头。2.3.2 横波法将纵波倾斜入射至工件检测面，利用波型转换得到横波进行检测的方法，称为横波法。由于入射声束与检测面成一定夹角，所以又称斜射法。斜射声束的产生通常有两种方式，一种是接触法时采用斜探头，有晶片发出的纵波通过一定倾角的斜楔到达接触面，在界面处发生波型转换，在工件中产生折射后的斜射横波声束；另一种是利用水浸直探头，在水中改变声束入射到检测面时的入射角，从而在工件中产生所需波型和角度的折射波。横波法主要用于焊接接头和管材的检测，是目前特种设备行业中应用最多的一种方法。检测其他工件时，则作为一种有效的辅助手段，用以发现与检测面有一定倾角的缺陷。2.3.3 表面波检测使用表面波进行检测的方法，称为表面波法。对于近表面缺陷的检测，表面波是有效的检测方法。1.表面波的性质表面波只在物体表面下几个波长范围内传播，当其沿表面传播的过程中遇到表面裂纹时，表面波的传播如图所示：表面波传播到表面裂纹的情况图（1） 一部分声波在裂纹开口处仍以表面波的型式被反射，并沿物体表面返回。（2） 一部分声波仍以表面波的型式沿裂纹表面继续向前传播，传播到裂纹顶端时，部分声波继续以表面波的型式沿裂纹表面向前传播。（3） 一部分声波在表面转折处或裂纹顶端转变为变形纵波和变形横波，在物体内部传播。在表面波检测中，主要利用表面波的上述特性来检测表面和近表面裂纹。表面波传播时，表面层质点的运动状态具有纵波和横波的综合特性，质点运动轨迹是限于xoz平面内的椭圆，如图表面波传播示意图2.3.4 板波检测使用板波进行检测的方法，称为板波法。主要用于薄板、薄壁管等形状简单的工件检测。板波充塞于整个工件，可以发现内部的和表面的缺陷。但是检出灵敏度除取决于仪器工作条件外，还取决于波的形式。1. 板波的种类板中传播的超声波受板面的影响，当频率、板厚、入射超声波的速度之间满足一定的关系时，声波就能顺利通过。狭义的讲，板波仅指板中传播的兰姆波，广义的讲也包括圆棒、方钢和管中传播的波。根据考虑方面的不同，板波可按如下几个方面分类：（1）根据质点震动情况分类 质点振动方向与表面平行的横波（简称sh波）射向边界面时，反射波仍然是sh波。sh波如果射向薄板，就在薄板中产生sh波。如在板中传播的波中既有振动方向与板面垂直的横波，又含有振动方向与板面平行的纵波时，这种板波叫兰姆波。兰姆波中质点实际上是做椭圆运动。（2）给根据边界条件分类 板面与空气接触时，理论上可按与真空相接触处理；板的一面或两面与固体或液体接触时情况比较复杂。2.兰姆波检测的一般程序（1）尽可能选用宽的发射脉冲。如有可能，用频谱分析方法或其他方法测定探头发射的超声频谱，以便选择窄频带脉冲。（2）制作一个与被测板材料相同的对比试块。试块长度可选为20mm、30mm等，厚度应与被测板相同，板上制作人工缺陷。（3）选择合适的波形。例如，若需传播距离大，应选取以纵波成分为主的板波波形；若需测定板与其他介质粘结的良好程度，可选取以横波成分为主的板波波形。先根据频率乘板厚的数值在群速度图上选择群速度随频率变化缓慢的板波波形，再根据波形、频率乘板厚的数值，从相应的图中查的入射角。（4）根据入射角选择合适的探头，在试块上调整扫描速度。用试块端面反射脉冲信号，观察所选兰姆波的衰减特性，注意是否有非单调特性。（5）根据人工反射体的反射，选择合适的检测灵敏度。（6）检测时，当发现端面信号前面有信号出现时，用手指拍打确定缺陷确切的位置。所选耦合剂黏度要稍大些，避免到处流淌。2.4 按探头数目分类的超声检测方法2.4.1单探头法使用一个探头兼作发射和接收超声波的检测方法称为单探头法。单探头法操作简便，可检出大多数缺陷，是目前最常用的一种方法。单探头法检测，对于与波束轴线垂直的面状缺陷和立体型缺陷的检出效果最好。与波束轴线平行的面状缺陷难以检出。当缺陷与波束轴线倾斜时，则根据倾斜角度的大小，能够收到部分回波或者因反射波束全部反射在探头之外而无法检出。2.4.2 双探头法使用两个探头（一个发射，一个接收）进行检测的方法称为双探头法。主要用于发现单探头法难以检出的缺陷。双探头法又可根据两个探头排列方式和工作方式，进一步分为并列式、交叉式、v型串列式、k型串列式、串列式等，双探头的排列方式1. 并列式两个探头并列放置，检测时两者作同步同向移动。但直探头作并列放置时，通常是一个探头固定，另一个探头移动，以便发现与检测面倾斜的缺陷，双晶探头的原理，就是将两个并列的探头组合在一起，具有较高的分辨力和信噪比，适用于薄工件、近表面缺陷的检测。2. 交叉式两个探头轴线交叉，交叉点为要检测的部位，此种检测方法可用来发现与检测面垂直的面状缺陷，在焊缝检测中，常用来发现横向缺陷。3. v型串列式两探头相对放置在同一平面上，一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波刚好落在另一个探头的入射点上，此中检测方法主要用来发现与检测平面平行的面状缺陷。4. k型串列式两探头以相同的方向分别放置于工件的上下表面上。一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波进入另一个探头，此种检测方法主要用来发现与检测面垂直的面状缺陷。5. 串列式两探头一前一后，以相同方式放置在同一表面上，一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波经底面反射进入另一探头，此种检测方法用来发现与检测面垂直的片状缺陷（如厚焊缝的中间未焊透、窄间隙焊缝的坡口面未熔合等）。这种检测方法的特点是，不论缺陷时处在焊缝的上部、中部或根部，其缺陷声程始终相等，从而缺陷信号在荧光屏上的水平位置固定不变；上、下表面存在盲区；两个探头在一个表面上沿相反的方向移动，用手工操作较困难，需要设计专用的扫查装置。2.4.3 多探头法使用两个以上的探头组合在一起进行检测的方法，称为多探头法。多探头法的应用，主要是通过增加声束来提高检测速度或发现各种取向的缺陷。通常与多通道仪器和自动扫查装置配合，如图所示。多探头法2.5 按探头接触方式分类的超声检测方法 依据检测时探头与工件的接触方式，可分为接触法、液浸法和电磁超声。2.5.1 接触法和液浸法探头与工件检测面之间，涂有很薄的耦合剂层，因此可以看做为两者直接接触，这种检测方法称为直接接触法，或简称接触法。将探头和工件浸与液体中以液体作耦合剂进行检测的方法，称为液浸法。耦合剂可以是水，也可以是油。当以水为耦合剂时，称为水浸法。液浸法检测，探头不直接接触工件，所以此方法适用于表面粗糙的工件，探头也不易磨损，耦合稳定，检测结果重复性好，便于实现自动化检测。液浸法按检测方式不同，又分为全浸没式和局部浸没式。（1）全浸没式 被检工件全部浸没于液体之中，适用于体积不大，形状简单的工件检测。（2）局部浸没式 把被检工件的一部分浸没在水中或被检工件与探头之间保持一定的水层而进行检测的方法，适用于大体积的检测。局部浸没法又分为喷液式、通水式和满溢式。1）喷液式 超声波通过以一定压力喷射至检测表面的水柱耦合方式。2）通水式 借助于一个专用的有进水、出水口的液罩，使液罩内经常保持一定容量的液体，这种方法称为通水式。3）满溢式 满溢式液罩结构与通水式相似，但只有进水口，多余液体从罩的上部溢出，这种方法称为满溢式。根据探头与工件检测面之间液层的厚度，液浸法又可分为高液层法和低液层法。1. 接触法和液浸法特点比较（1） 接触法优点 多为手工检测，操作方便；设备简单，适用于现场检测，且成本较低；直接耦合，入射声能损失小，可以提供较大的厚度穿透能力；在相同的检测参数下，可比液浸法提供更高的检测灵敏度。（2）接触法缺点 手工操作受人为因素影响较大，耦合不易稳定；要求被检表面的粗糙度较小。（3）液浸法优点 探头与被检工件不接触，超声波的发射和接收均较稳定，表面粗糙度的影响较小；通过调节探头角度，可方便的改变探头发射的声束方向；可缩小检测盲区，从而可检测较薄的工件；探头不直接接触工件，探头损坏的可能性较小，探头寿命长；便于实现聚焦声束检测，满足高灵敏度、高分辨率检测的需要；便于实现自动检测，减少影响检测可靠性的人为因素。（4）液浸法缺点 超声波在液体和金属表面的反射，损失了大量能量，需采用较高的增益。当检测高衰减材料或大厚度材料时，可能没有足够的能量。在较高增益下，还可能出现噪声干扰。在实际检测时，应根据应用的对象、目的和场合，结合两种方法的优缺点综合选择。2.6 手工检测和自动检测按人工干预的程度分类，超声检测可分为手工检测和自动检测。2.6.1 手工检测手工检测一般指由操作者手持探头进行的a型脉冲反射式超声检测。手工检测方便易操作，大量应用于特种设备的相关行业，对于保证产品质量起了重要作用，我国机械行业标准jb/t4730.3-2005主要的适用范围即为手工检测。但是，也要看到，手工检测结果受操作者的人为因素影响比较大，假定在仪器探头等其他一切硬件条件均满足工艺的情况下，这时操作者的责任心、情绪状态、扫查探头的方式和手法、技术水平等均会直接关系到缺陷的检出率和缺陷判断的准确率，同时检测过程中的超声信号无法连续记录，检测结果的可靠性、复现性难以保证。2.6.2 自动检测自动检测指使用自动化超声检测设备，在最少的人工干预下进行并完成检测的全部过程。一般指采用自动扫查装置，或在检测过程中可自动记录声束位置信息、自动采集和记录数据的检测方式。在自动检测中，检测结果受人因素影响较小。若满足以下任何一个条件，可称为自动检测：（1）采用自动扫查装置。探头固定于机械扫查装置上，扫查装置或工件按照设定的方式运动，从而完成超声检测全过程。如钢管制造企业采用的无缝钢管自动超声检测，炼钢厂采用的板材自动超声检测等。（2）自动记录声束位置信息、自动采集和记录数据。为跟踪和记录探头位置，自动超声设备必须配备位置传感器，一般采用编码器或声定位技术，但相控阵方法是个例外，因为相控阵可以采用电子扫描以替代机械扫描。在扫查过程中，自动超声设备应能够自动采集超声信号以及相对应的位置信息，并以不可更改的方式记录下来。一般也使用扫查装置，按照驱动扫查装置的动力而言，可分为马达驱动和人驱动。若采用马达驱动，称为全自动；若采用人驱动，则称为半自动。全自动和半自动均简称为自动检测。超声成像技术涉及二维或三维成像，成像算法中需要超声信号以及相对应的位置信息，因此都属于自动超声检测。自动检测技术是超声检测技术的重要应用和发展方向，在欧美国家的锅炉压力容器制造中，出现逐渐替代射线检测的现象和趋势。第三章 脉冲反射法超声检测技术脉冲反射法超声检测在检测条件、耦合与补偿、仪器的调节、缺陷的定位、定量、定性等方面都有一些通用的技术，掌握这些通用技术对于发现缺陷并正确评价是很重要的。脉冲反射法超声检测的基本步骤是：检测前的准备，仪器、探头、试块的选择，仪器调节与检测灵敏度确定，耦合补偿，扫查方式，缺陷的测定、记录和等级评定，仪器和探头系统复核等。3.1 检测面的选择和准备1.检测面的选择原则 ： 当一个确定的工件存在多个可能的声入射面时，首先要考虑缺陷的最大可能取向。根据缺陷的可能取向，选择入射超声波的方向，使声束轴线与缺陷的主反射面接近垂直。检测面的选择应该与检测技术的选择相结合: （1） 锻件：纵波垂直入射检测，检测面选与锻件流线相 平行的表面； （2）棒材：入射面为圆周面，纵波检测位于棒材中心区的、延伸方向与棒材轴向平行的缺陷；横波检测位于表面附近垂直于表面的裂纹，或沿圆周延伸的缺陷。 需要从多个检测面入射检测：（1） 变形过程使缺陷有多种取向时；（2）单面检测存在盲区，而另一面检测可以弥补时；（3）单面检测灵敏度不能在整个工件厚度范围内实现时。2. 检测面的准备 保证检测面能提供良好的声耦合。去除松动的氧化皮、毛刺、油污、切削或磨削颗粒等。如果个别部位不可能清除，应作出标记并留下记录，供质量评定时参考。 3.2 仪器与探头的选择正确选择仪器和探头对于有效的发现缺陷，并对缺陷定位、定量和定性是至关重要的。实际检测中要根据工件结构形状、加工工艺和技术要求来选择仪器与探头。3.2.1 检测仪器的选择目前国内外检测仪器种类繁多，性能各异，检测前应根据检测要求和现场条件来选择检测仪器。一般根据以下情况来选择仪器：(1) 对于定位要求高的情况，应选择水平线性误差小的仪器。(2) 对于定量要求高的情况，应选择垂直线性好，衰减器精度高的仪器。(3) 对于大型零件的检测，应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。(4) 为了有效的发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨力好的仪器。(5) 对于室外现场检测，应选择重量轻、荧光屏亮度好、抗干扰能力强的携带式仪器。此外要求选择性能稳定、重复性好和可靠性好的仪器。3.2.2 探头的选择超声检测中，超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。探头的种类很多，结构形式也不一样。检测前应根据被检对象的形状、声学特点和技术要求来选择探头。探头的选择包括探头的型式、频率、带宽、晶片尺寸和横波斜探头k值的选择等。1. 探头型式的选择一般根据工件形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择，使声束轴线尽量与缺陷垂直。纵波直探头：波束轴线垂直于探测面。主要用于检测与检测面平行或近似平行的缺陷。横波斜探头：通过波型转换来实现横波检测。主要用于检测与检测面垂直或成一定角度的缺陷。纵波斜探头：利用小角度的纵波进行检测，或在横波衰减过大的情况下，利用纵波穿透能力强的特点进行斜入射纵波检测。双晶探头：探测薄壁工件或近表面缺陷。聚焦探头：用于水浸探测管材或板材。2. 探头频率超声波检测频率范围为0.510mhz，选择频率时应考虑的因素：（1） 检测灵敏度：检测灵敏度约为1/2，频率高可提高检测灵敏度。（2） 分辨力：频率高，脉冲宽度小，分辨力高。（3）声束指向性： ，频率高，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，检测灵敏度高，相对的检测区域小。（4）近场区长度： ，频率高，近场区长度增加。（5）衰减：s=c2fd 3f 4，频率高，衰减增加，信噪比下降。（6） 缺陷反射指向性：面积状缺陷，频率太高会形成显著的反射指向性。频率的高低对检测有较大影响，实际检测中要全面分析考虑各方面的因素，合理选择频率以取得最佳平衡。对于小缺陷、厚度不大的工件，晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件，一般选择较高频率（2.510mhz）；对于大厚度工件、高衰减材料选择较低频率（0.52.5mhz）。3. 探头带宽宽带探头：脉冲宽度较小，深度分辨率好，盲区小，灵敏度较低；窄带探头：脉冲较宽，深度分辨率变差，盲区大，灵敏度较高，穿透能力强。4. 探头晶片尺寸晶片面积500mm2，圆晶片25mm。晶片大小影响：声束指向性、近场区长度、近距离扫查范围、远距离缺陷检出能力。选择晶片尺寸时应考虑的因素：（1）声束指向性； ；晶片尺寸越大，半扩散角将越小，波束指向性将越好，超声波能量就会越集中，这对声束轴线附近的缺陷检出十分有利。 （2）近场区长度； ；随着晶片尺寸的增大，近场区长度也将迅速增大，这对检测不利。 （3）扫查范围；晶片尺寸越大，辐射的超声波能量就越大，探头未扩散区扫查范围也将变大，而远距离扫查范围相对就会变小，发现远距离缺陷的能力就会增强。大晶片探头:提高检测效率，检测厚工件时有效发现远距离的缺陷；小晶片探头:检测小工件时提高缺陷定位、定量精度，检测表面不太平整或曲率较大工件时减少耦合损失。5. 横波斜探头k值：横波检测中，斜探头k值影响缺陷检出率、检测灵敏度、声束轴线方向，一次波的声程。实际检测中，工件厚度较小时，应选用较大k值，工件厚度较大时，应选用较小k值。焊缝检测中，k值的选择应考虑可能产生的与检测面的角度，并保证主声束能扫查整个焊缝截面。检测根部未焊透应考虑端角反射率问题.有机玻璃/钢界面上的声压往复透射率3.3 耦合剂的选用3.3.1 耦合剂 超声耦合：超声波在检测面上的声强透射率。 耦合剂作用：排除探头与工件表面之间的空气，使超声波有效的传入工件，达到检测的目的。3.3.2 影响声耦合的主要因素1. 耦合层厚度：厚度为/4的奇数倍时，透声效果差；为/2的整数倍或很薄时，透声效果好。2. 工件表面粗糙度：对声耦合有明显的影响，要求工件检测面ra6.3m。3. 耦合剂声阻抗：对耦合效果有较大的影响。4. 工件表面形状：平面耦合效果最好，凸曲面次之，凹曲面最差。曲率半径大，耦合效果好。耦合层厚度d对耦合的影响表面粗糙度对耦合的影响3.4 纵波直探头检测技术3.4.1 检测设备的调整调整内容：a.仪器的扫描速度调整；b.检测灵敏度调整。调整目的：保证在确定的检测范围内发现规定尺寸的缺陷，并确定缺陷的位置和大小。1. 时基线的调整调整目的：（1）使时基线显示的范围足以包含需检测的深度范围（2） 使时基线刻度与在材料中声传播的距离成一定比例，以便准确测定缺陷的深度位置。调整内容：（1）根据所需扫描声程范围确定时基扫描线比例；（2）零位调节，将声程零位设置在选定的水平刻度线上。调整方法：根据检测范围，利用已知尺寸的试块或工件上的两次不同反射波， 通过调节仪器的扫描范围和延迟旋钮，使两个信号的前沿分别位相应的水平刻度处。注意：调节扫描速度用的试块应与被检工件具有相同的声速。2. 检测灵敏度的调整检测灵敏度：在确定的声程范围内发现规定大小缺陷的能力。一般根据产品技术要求或有关标准确定。调整目的：发现工件中规定大小的缺陷，并对缺陷定量。调节方法：试块调整法和工件底波调整法。（1）试块调整法：根据工件的厚度和对灵敏度的要求选择相应的试块。将探头对准试块上的人工反射体，调整仪器，使示波屏上人工反射体的最高反射回波达到基准高度。注意问题：a.工件厚度x3n或不能获得底波情况时，较为适宜。b.试块表面状态和材质衰减是否与被检工件相近，应考虑两者的差异引起的反射波高差异值，并对灵敏度进行补偿。（2）试块计算法：对于厚度x3n的工件，可选用一块材质与工件相同