超声检测方法分类与特点.ppt

第5章 超声检测方法分类与特点,哈尔滨锅炉厂有限责任公司 王占富,概述,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。,超声波探伤方法图例,5.1 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。 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。,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。 图5-2,图52是缺陷回波探伤法的基本原理，当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，探伤图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图52a)所示。若试件中存在缺陷，在探伤图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F如图5一2b)所示。,底波高度法：依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的探伤方法，称为底波高度法。 图5-3,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，但是要求被探试件的探测面与底面平行，耦合条件一致。由于该方法检出缺陷定位、定量不便，灵敏度较低，因此，实际中很少作为一种独立的探伤方法，而经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的和小而密集的缺陷。,多次底波法：依据底面回波次数，而判断试件有无缺陷的方法，即为多次底波法。 图5-4,多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、探测面与底面平行的试件探伤，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。,5.1.2 衍射时差法,定义： 衍射时差法超声检测 Time Of Flight Diffraction TOFD 方法利用缺陷端点的衍射波信号探测和测量缺陷的尺寸 TOFD基本结构：一发一收双探头 宽角度纵波斜探头（通常）,2、TOFD检测设备举例,3、TOFD检测显示示例,A扫描显示 TOFD图像,4、物理基础衍射,衍射（续）,缺陷,衍射波,衍射波,入射波,反射波,特点： 1、全方位 2、低能量,发射探头,接收探头,埋藏缺陷的检测原理,扫查面开口缺陷的检测原理,发射探头,接收探头,无直通波,底面开口缺陷的检测原理,发射探头,接收探头,层间缺陷的检测原理,发射探头,接收探头,TOFD检测图像灰度图,幅度,时间,时间,将每一个A扫描信号转化为灰度线， 沿探头的运动方向拼接成二维灰度图,TOFD扫查方式,非平行扫查 平行扫查 偏置非平行扫查,1、表面开口裂纹,2,1,2、X形坡口根部未焊透,1,2,3,4,3、V形坡口根部未焊透,根部未焊透,1,2,3,4、密集气孔,1,2,5、横向裂纹,1,2,3,4,1,2,3,6、根部未焊满,1,2,3,7、层间未熔合,8、根部未熔合,TOFD technique,Lack of root fusion defect,9、根部凹陷,TOFD technique,Root Concavity defect,10、根部过厚,TOFD technique,Over penetration defect,TOFD优点,与脉冲反射法超声检测和射线检测相比，TOFD的主要优点在于： （1）能探测不利取向的缺陷，缺陷检出率高； （2）超声波束覆盖区域大； （3）缺陷高度测量精确； （4）实时成像，快速分析； （5）非基于波幅，波幅影响小； （6）快速、安全、方便。,荷兰焊接协会的对比试验 POD 缺陷检出率 FCR 误报率 R可靠性,TOFD局限性,（1）由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的宽度，处于此范围的缺陷波难以被发现，因此在扫查面和底面存在几毫米的表面盲区； （2）TOFD信号较弱，易受噪声影响； （3）倾向于“过分夸大”中壁缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等； （4）TOFD数据分析对检测人员要求高。,5.1.3 穿透法,穿透法是采用一发一收双探头分别放置在试件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来检测试件缺陷的方法 图5-5,穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探测，图55a)为无缺陷时的波形，图55b)为有缺陷时的波形。,5.1.4 共振法,依据试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。常用于试件测厚。 若频率可调的连续超声波在被检工件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差可算出试件厚度。 共振法测厚的原理见4.1.5，目前已很少使用共振法测厚。,5.2 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。,2019/7/24,39,5.2.1 A型显示 如4.1.1中所述，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。 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/T 4730.32005标准规定的就是A型脉冲反射法超声检测，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。,5.2.2 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体，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。 超声成像的研究历史 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。,1B、C、D扫描成像 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,3. ALOK超声成像,4 相控阵和S扫描成像,5.3 按波型分类的超声检测方法,纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等 5.3.1 纵波法 使用纵波进行检测的方法，称为纵波法。 1纵波直探头法 单晶直探头脉冲反射法、双晶直探头脉冲反射法和穿透法 垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的检测 2. 纵波斜探头法 将纵波倾斜入射至试件探测面，利用折射纵波进行检测的方法 探头移动范围较小、检测范围较深的一些部件; 粗晶材料 ; TOFD,纵波法的优点： a.垂直入射，对与探测面平行的缺陷检出效果最佳。 b.对于同一介质，纵波传播速度大于其它波型的速度，对相同频率而言波长最长，因而穿透能力强，可探测工件的厚度是所有波型中最大的；晶界反射或散射的敏感性较差，可用于粗晶材料的探伤。 c.纵波法探伤时，波型和传播方向不变，所以缺陷定位比较方便。 纵波法的缺点： a.难于发现垂直于或接近垂直于探测面的缺陷。 b. 于盲区和分辨力的限制，其中反射法只能发现试件内部离探测面一定距离以外的缺陷。 垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的探伤。,5.3.2 横波法,将纵波倾斜入射至试件探测面，利用波型转换得到横波进行检测的方法，称为横波法。由于入射声束与探测面成一定夹角，所以又称斜射法。 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。检测其它试件时，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。,产生的两种方式 一种是接触法时采用斜探头，由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。,2019/7/24,49,横波法的优点： a.倾斜入射，能探测垂直于或接近垂直于探测面的缺陷。 b.同一介质中同一频率的超声波波长较短，灵敏度相对较高。 横波法的缺点： a.正因为波长较短，在介质中的衰减较大，探测距离较短。 b.倾斜入射，缺陷定位相对较复杂。,5.3.3 表面波检测,使用表面波进行检测的方法，称为表面波法。 表面、近表面缺陷 1表面波的性质 传播 运动状态 速度 能量分布 2、表面波的产生 （1）Y切石英法 （2）纵波折射法 3人工反射体的反射特点 （1）柱孔 （2）横孔 （3）沟槽 （4）棱边的反射,5.3.3 表面波检测,4影响表面波传播的其他因素 油 表面光洁度和材料组织 圆柱曲面 5表面波检测的应用 （1）强度法检测表面裂纹 扫描速度调整 灵敏度调整和定量 直角棱边反射波 （2）时延法测量表面裂纹的纵向尺寸 特点：利用裂纹开口处的反射信号和裂纹尖端处的反射信号在传播时间上的差值作为测定裂纹纵向尺寸的信息，而不是裂纹反射信号的强度。 双探头法 单探头法 只适用于测量表面开口缺陷,2019/7/24,53,表面波波长比横波波长还短，因此衰减也大于横波。同时，它仅沿表面传播，对于表面上的复层、油污、不光洁等，反应敏感，并被大量地衰减。利用此特点可以通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化，对缺陷定位。,5.3.4 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试件检测。板波充塞于整个试件，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 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试件检测。 板波充塞于整个试件，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。 根据质点振动情况分类 根据边界条件分类 根据板的变形分类 2板波的产生 选择不同的板波型式 探头入射角 入射角可根据被探测工件的板厚乘所用频率 和选用的波型，由特定的曲线图上查出,5.3.4 板波检测,3兰姆波的传播特点 （1）衰减的非单调变化 （2）反射时兰姆波波型的变化 （3）板波回波信号的宽度 4板波检测的一般程序 a、尽可能选用宽的发射脉冲 b、制作一个与被测板材料相同的对比试块 c、选择合适的波型 根据波型、频率乘板厚的数值，从相应的图中查得入射角 d、根据入射角选择合适的探头，在试块上调整扫描速度 e、根据人工缺陷的反射，选择合适的探测灵敏度 f、检测时注意点,5.3.5.爬波法,产生：当纵波从第一介质以第一临界角附近的角度（30以内）入射于第二种介质时，在第二介质中不但存在表面纵波，而且还存在斜射横波，通常把横波的波前称为头波，把沿介质表面下一定距离处在横波和表面波之间传播的峰值波称为纵向头波或爬波。 爬波受工件表面刻痕、不平整、凹陷、液滴等的干扰较小，有利于检测表面下的缺陷。,2019/7/24,57,5.4 按探头数目分类的检测方法,5.4.1 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。 对于与波束轴线垂直的片状缺陷和立体型缺陷的检出效果最好。 与波束轴线平行的片状缺陷难以检出。 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。,5.4.2 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。,2019/7/24,60,a.并列式 两个探头并列放置，探伤时两者作同步移动。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，以便发现与探测面倾斜的缺陷，如图a)所示。分割式探头就是将两个并列的探头组合在一起，具有盲区小、较高的分辨能力和信噪比，适用于薄试件，近表面缺陷的探伤。,2019/7/24,61,b.交叉式 两个探头轴线交叉，交叉点为要探测的部位，如图b)所示。此种探伤方法可用来发现与探测面垂直的片状缺陷，在焊缝探伤中，常用来发现横向缺陷。,2019/7/24,62,c. V型串列式 两探头相对放置在同一面上，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，如图c)所示。此种探伤方法主要用来发现与探测面平行的片状缺陷。,2019/7/24,63,d. K型串列式 两探头以相同的方向分别放置于试件的上下表面上。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，如图d)所示。此种探伤方法主要用来发现与探测面垂直的片状缺陷。,2019/7/24,64,e. 串列式 两探头一前一后，以相同方向放置在同一表面上，一个探头发射的声波被缺陷反射的回波，经底面反射进入另一个探头，如图e)所示。此种探伤方法用来发现与探测面垂直的片状缺陷(如电渣焊厚焊缝的破口边沿未熔合)。两个探头在一个表面上移动，操作比较方便，是一种常用的探测方法。,5.4.3 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,5.5 按探头接触方式分类的检测方法,接触法、液浸法和电磁耦合法。 5.5.1 接触法和液浸法 直接接触法 探头与试件探测面之间，涂有很薄的耦合剂层，因此可以看作为两者直接接触，这种探伤方法称为直接接触法。 此方法操作方便，探伤图形较简单，判断容易，检出缺陷灵敏度高，是实际探伤中用得最多的方法。但是，直接接触法探伤的试件，要求探测面光洁度较高。,2019/7/24,67,液浸法 将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行探伤的方法，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。 液浸法探伤，探头不直接接触试件，所以此方法适用于表面粗糙的试件，探头也不易磨损，耦合稳定，探测结果重复性好，便于实现自动化探伤。 液浸法按探伤方式不同又分为全浸没式和局部浸没式。,2019/7/24,68,a全浸没式 b喷液式 c通水式 d 满溢式,2019/7/24,69,全浸没式 被检试件全部浸没于液体之中，适用于体积不大，形状复杂的试件探伤，如图a)所示。,2019/7/24,70,局部浸没式 把被检试件的一部分浸没在水中或被检试件与探头之间保持一定的水层而进行探伤的方法，适用于大体积试件的探伤。局部浸没法又分为喷液式、通水式和满溢式。 a.喷液式：超声波通过以一定压力喷射至探测表面的液流进入试件，称为喷液式如图b)所示。 b.通水式：借助于一个专用的有进水、出水口的液罩，以使罩内经常保持一定容量的液体，这种方法称为通水式，如图c)。 c.满溢式：满溢罩结构与通水式相似，但只有进水口，多余液体在罩的上部溢出，这种方法称为满溢式，如图d)所示。 根据探头与试件探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。,5.5.1 接触法和液浸法,接触法和液浸法特点比较： （1）接触法优点： （2）接触法缺点： （3）液浸法优点： （4）液浸法缺点： 在实际检测时，应根据应用