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宝钢宽厚板超声波探伤简介 厚板厂 石云峰 2004年9月,超声波探伤的基本知识 厚板超声波探伤介绍 厚板自动超声波探伤设备介绍 厚板自动超声波探伤设备的信号处理技术 厚板超声波探伤标准和代码介绍,目 录,1.1、超声波探伤概述 超声波探伤简称UT，与射线探伤（RT）、电磁探伤（ET）、磁粉探伤（MT）、渗透探伤（PT）并称为五大无损检测方法，而超声波探伤则是其中应用最广的一种方法。 1.1.1、超声波探伤的发展 人类直到十九世纪才知道自然界还存在耳朵听不见的声音； 泰坦尼克号海难事故直接启动了超声波检测技术的发展，当时要求及时检测水下的冰山等障碍物。 一次世界大战另一类更为危险的水下障碍物潜艇，再一次推动了超声波检测技术的发展； 二次世界大战后，尤其是电子技术的发展，使超声波探伤技术不断走向成熟和实用化。,超声波探伤的基本知识,1.1.2、超声波探伤与其它探伤方法的比较（1）,超声波探伤的基本知识,1.1.2、超声波探伤与其它探伤方法的比较（2）,超声波探伤的基本知识,超声波探伤的基本知识,1.2、超声波的定义 超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中传播而形成的波动。 超声波与可闻声波有许多类似的特性，两者之间的主要区别是超声波的频率较高。 声波以其波动频率划分如下： 次声波 f103MHz 人耳不可闻,1.3、超声波检测的应用 超声波检测可以应用在不同形态的材料上，例如：铸件、锻件、冲压件和焊接件等，其另一个优点是可以检测很多不同种类的材料，例如塑料、铁磁性和非铁磁性材料、玻璃等等。 被检工件的很多信息可以通过超声波检测来获得。例如，工件的厚度、工件内部是否存在不连续性缺陷。一些现代的超声波设备可以将工件的声学特性与机械性能联系起来，例如可以用超声波来检测材料的硬度和抗拉强度。 不仅在工业方面，在医学方面超声波检测技术也得到了非常广泛和成功的应用。,超声波探伤的基本知识,1.4、超声波的产生 1.4.1、压电效应 超声波的产生是利用某些物质特定的物理效应来实现的，有机械方法、热致伸缩法、磁致伸缩法、电磁超声法等，用得最多的是利用压电转换效应产生超声波。,当在某些晶体的一定的方向上施加交流电压时，晶体会产生机械变形，称为正压电效应。 反之当晶体受到一定方向的机械应力而产生变形时也会在其表面形成电荷，称为负压电效应。,超声波探伤的基本知识,1.4.2、超声波探头（换能器） 超声波探头是超声波探伤的核心，它负责产生超声波能量，同时负责接收自工件返回的超声波能量，并将其转换成电信号。,超声波探伤的基本知识,探头的核心是压电晶片，晶片本体不导电，因此在其两个表面镀上金属作为电极。 晶片持续振动会造成检测信号变宽，影响探伤的准确性，因此在晶片后面必须填充背衬料，吸收超声能量，产生阻尼作用，使振动迅速停止。,1.4.2、超声波探头（换能器） 超声波探头分为直接接触式和水浸式两种。 直接接触式探头必须在晶片前安装耐磨材料，对晶片进行保护。 水浸式探头对于探头的密封性能有较高要求，前表面一般用环氧树脂等高分子材料制造，由于与工件接触的可能性很小，所以不需要对压电元件进行保护。 探头的外壳结构使之能够承受一定的外力，但仍很娇贵，背衬材料或晶片损坏，甚至只要有一点剥离都会造成整个探头失效。,超声波探伤的基本知识,超声波探伤的基本知识,1.5、超声波的波型 1.5.1、纵波（Longitudinal Wave） 波的传播方向与质点振动方向相平行。 纵波可在固体、液体和气体中传播。,1.5.2、横波（Shear Wave） 波的传播方向与质点振动方向相垂直。 横波只能在固体中传播。 横波在焊缝探伤、钢管 探伤等领域有广泛应用。,超声波探伤的基本知识,1.5.3、表面波（Rayleigh wave） 质点振动轨迹是一个椭圆，既有垂直振动分量，又有水平振动分量。 表面波只能在固体的表面传播，表面波的生成很不容易，同时它也比较容易受到表面杂物的干扰和衰减，因此在现场应用较少。,超声波探伤的基本知识,1.5.4、板波（Lamp Wave） 板波是在板厚与波长相当的平板状固体中传播的声波，质点的振动方向也是一个椭圆，振动将在整个板厚范围内进行。 由于超声波在钢材中的波长一般仅为几毫米，因此板波探伤一般适用于板厚10mm以下的薄板材。,超声波探伤的基本知识,1.5.5、超声波的频率、波速和波长 超声波的波速主要取决于超声波的波型和工件的材质。在同一介质中，纵波波速最快，横波其次，表面波速度最慢。 频率、波速和波长存在以下关系式：,=波长 c=波速 f频率,超声波的能检出的最小缺陷与声波的半波长相当，因此提高超声波检测频率有助于提高探伤灵敏度。,超声波探伤的基本知识,1.6、超声波探伤的原理 超声波探伤的过程就是利用一定的方法产生超声振动能量，并将该能量引入被检工件，通过检测从工件中返回的超声波能量，对其进行分析后得出 工件的有关信息， 如工件中的不连续、 厚度等。 超声波探伤常 用的方法有两种， 脉冲反射法和透射 法，脉冲反射法更 为常用。,超声波探伤的基本知识,1.6.1、脉冲反射法检测原理 探头放置在工件的一个表面，该探头同时用作超声波发射器和接收器。 脉冲反射法通过检测缺陷反射能量的有无和大小实现探伤。,超声波探伤的基本知识,1.6.2、透射法检测原理 透射法使用两个探头，分别放置在被检工件相对的两个检测面，一个探头作为超声波发射器，另一个作为接收器。 透射法通过测定缺陷对超声波正常传播的遮挡形成的声影大小确定缺陷是否存在及其大小。,超声波探伤的基本知识,1.6.3、超声波探伤的缺陷判定原理 利用脉冲反射法可以确定缺陷的当量大小和埋藏深度。 缺陷的埋藏深度X,超声波探伤的基本知识,缺陷的当量面积A,v超声波波速 t声速传播时间 超声波波长 P0超声波初始声压,1.6.4、耦合剂 探伤用频率范围内的超声波能量无法在空气中顺利传播，为了将超声波能量导入材料，需要在换能器和被检表面间施加耦合剂。 耦合剂的作用就是排除换能器与被检表面间存在的空气，将超声波能量顺利引入。 常用的耦合剂是水，也可以用机油、甘油或化学浆糊等作为耦合剂。,超声波探伤的基本知识,1.7、超声波探伤的盲区 1.7.1、探头近场盲区 超声波声束的分布分为近场区和远场区，在近场区内由于强烈的干涉作用，使超声波能量形成复杂的分布，很难用于缺陷的检测和定量，形成探头固有的盲区。近场区的长度为：,超声波探伤的基本知识,N=近场区长度 D=晶片直径 =波长 f=频率,1.7.1、探头近场盲区 探头的近场区长度N与检测频率成正比，因此从减少盲区的角度考虑，应当选用较低的检测频率。 另外可以通过在晶片前加装透声楔的方法，使近场区位于透声楔内，减少检测盲区。 1.7.2、探伤扫查盲区 自动超声波探伤设备由于设备元器件的布置以及机械部件的动作延迟等，会造成工件某些部分无法被超声波声束有效覆盖，形成探伤盲区。 可以通过优化工艺和设备结构的设计缩小探伤扫查盲区。,超声波探伤的基本知识,1.8、影响超声波探伤的因素 1.8.1、缺陷本身的影响 1.8.1.1、缺陷形状的影响 平面形、孔形、球形缺陷反射超声波的能力有很大差异。 1.8.1.2、缺陷取向的影响 缺陷反射面一般不会与入射声束相垂直，两者间的角度会显著影响缺陷反射声能，当倾斜角为2.5时，只有10%的能量返回，当倾斜角为12时，基本没有声波返回探头。 1.8.1.3、缺陷粗糙度的影响 会使超声波在缺陷表面产生漫反射，使声波反射的规律产生变化。,超声波探伤的基本知识,1.8.1.4、缺陷性质的影响 钢材中不同性质的缺陷，如白点、气孔、裂缝等，由于其声学性能与钢材本体差别很大，因此超声波在其界面上会近似产生全反射。但是钢材中的含非金属物的夹杂、夹渣等缺陷，反射超声波的能力就相对弱一些。 1.8.1.5、结论 超声波探伤只是一种当量检测，无法确定缺陷真正的形状和大小，探伤不合只是表示缺陷的程度超出了设定的基准当量。,超声波探伤的基本知识,1.8.2、工件的影响 1.8.2.1、工件表面粗糙度的影响 工件表面粗糙一方面造成超声波能量进入工件困难，使缺陷回波和底面回波降低。另一方面将形成不规则的界面反射，使界面波变宽，探伤表面盲区增大。,超声波探伤的基本知识,1.8.2.2、工件组织结构的影响 当工件晶粒的大小与超声波波长尺度相当时，会引起超声波能量在晶粒界面的漫反射，加剧超声波能量的衰减，一方面形成杂波信号，掩盖缺陷信号，另一方面会使缺陷回波和底面回波降低甚至消失。,超声波探伤的基本知识,2、厚板超声波探伤简介 2.1、厚板超声波探伤方法 厚板超声波探伤主要采用纵波脉冲反射法，只有当用户有特殊要求时，才会采用横波脉冲反射法。 2.2、厚板超声波探伤的特点 2.2.1、采用间隔扫查法 厚板表面积较大，要人工进行100%覆盖扫查非常耗费人力，因此通常采用有一定间隔的格子线扫查或平行线扫查方式。 扫查线的间隔取决于需要检出的最小缺陷的长度。 2.2.2、板边探伤要求高,厚板超声波探伤简介,2.3、厚板超声波探伤用探头 2.3.1、单晶直探头 发射和接收超声波信号共用一块晶片； 适宜于厚度大于12mm的钢板； 采用直接接触法或局部水浸法耦合。 2.3.2、双晶直探头 超声波的发射和接收各使用一块晶片； 适宜于厚度不大于60mm的钢板； 对于板厚为1260mm间的钢板，推荐采用双晶直探头； 采用水膜耦合法，水膜厚度一般为0.30.8mm。,超声波探伤的基本知识,2.4、厚板超声波探伤用探伤仪 2.4.1、手动超声波探伤仪 常用的探伤仪为A扫描脉冲反射式便携式探伤仪 厚板探伤为了降低劳动强度，通常采用小车式超声波探伤仪 小车式超声波探伤仪可以分为单通道和多通道两种 目前数字式探伤仪得到越来越广泛的使用，它具有灵敏度漂移小、智能化程度高、缺陷闸门自动跟踪、探伤参数及结果信息可以保存等优点，是今后手动超声波探伤仪的发展趋势。,厚板超声波探伤简介,2.4.2、自动超声波探伤设备 采用多通道自动检测方式，可以有效提高超声波探伤的作业效率 目前国际上较多使用的技术是使用双晶直探头，对厚度560mm的钢板进行自动检测； 厚板自动超声波探伤的发展趋势是引入智能化的探伤结果自动判定系统。,厚板超声波探伤简介,2.5、人工缺陷与标准试块 2.5.1、人工缺陷 超声波探伤是一种当量判定法，当量的基准就是由人工缺陷确定的，在实用上就是一些具有特定声学特性人工反射体。 常用的人工缺陷有平底孔、竖通孔、横通孔、人工刻槽和模拟缺陷等。在纵波脉冲反射法探伤中，最为常用是平底孔（Flat Bottom Hole）缺陷，通常简称FBH。,厚板超声波探伤简介,2.5.1、人工缺陷 平底孔最重要的两个参数是孔径D和埋藏深度A。,平底孔人工缺陷对于反射面的粗糙度、反射面与钻孔轴线的垂直度、反射面与检测面的平行度有着非常高的要求。 所有类型的人工缺陷的制作、测量和验收都有详细的标准，只有符合标准的人工缺陷才能作为超声波探伤的当量基准。,厚板超声波探伤简介,2.5.2、标准试块 在实际探伤时，人工缺陷是制作在试块上的，因此超声波探伤以各种标准试块和对比试块作为比较的依据，以试块上的人工缺陷作为声学参照和比较的基准。 试块分为标准试块和对比试块两种，由国际和国内权威机构推荐、确定和通过使用的称为标准试块，其用途较广，具有较高的权威性。 对比试块是根据使用者根据需要自行设计、制作和使用的试块，其用途单一。,厚板超声波探伤简介,2.5.3、厚板探伤用试块 厚板探伤常用的试块分为两类，平底孔试块和阶梯形试块。 平底孔试块适用于单晶直探头，阶梯形试块适用于双晶直探头。,不同标准对于平底孔试块的选用规定各不相同，JIS G0801标准规定采用的试块为STB-N1（适用于板厚60mm）和STB-G（适用于板厚60mm）系列标准试块，而GB2970标准则采用专用的5.0mmFBH试块。,厚板超声波探伤简介,3、厚板自动超声波探伤设备介绍 从总体上分，超声波探伤设备可以分为机械、仪表、电气和公辅装置四大部分。,机械部分 仪表部分 电气部分 公辅装置,自动超声波探伤设备介绍,超声波探伤设备总图,能介分配单元,预冷装置,激光板端测量装置,压下辊,缺陷喷标装置,板边探伤小车,板体探伤小车,测长装置,除水装置,自动超声波探伤设备介绍,预冷装置,由辊道间上下表面的三排喷嘴组成 在宽度方向上划分为四个区域 根据钢板宽度自动选择开启的预冷区域 采用密封罩，防止蒸汽影响探伤,自动超声波探伤设备介绍,除水装置,共有前后两套除水装置 前除水装置去除上表面预冷水 前除水装置采用辊刷和橡皮刮板双重除水 后除水装置去除钢板下表面耦合水 后除水装置采用橡皮刮板,自动超声波探伤设备介绍,激光板端测量装置（1）,测量原理,自动超声波探伤设备介绍,激光板端测量装置（2）,具有两种工作模式,板端检测的低分辨率模式 钢板宽度和位置检测的高分辨率模式,自动超声波探伤设备介绍,测长装置,探伤设备前后共两套测长装置 采用双辊轮设计，减少误差,自动超声波探伤设备介绍,板体探伤小车,共有三辆板体探伤小车 每辆含有32个探头 小车上具有探头的驱动机构、供水供气管道 小车由电机驱动，可以在探伤工位和维护工位间移动,自动超声波探伤设备介绍,板边探伤小车（1）,共有三辆板边探伤小车，中间一辆是保护小车 小车采用伺服电机和绝对位置编码器精确定位,自动超声波探伤设备介绍,板边探伤小车（2）,板边探伤小车由主小车和相对小车组成 主小车由伺服电 机驱动 相对小车由平衡 气缸驱动，使小车 跟随钢板边部形状,自动超声波探伤设备介绍,压下装置,压下装置由三排压下辊组成，每排7个压下辊 板厚510mm的钢板，压下装置自动压下 压下位置正好位于探头的上方,自动超声波探伤设备介绍,缺陷喷标装置,在有缺陷部分的钢板边 部喷印条形标志 喷标位置可以调整 喷枪臂可以旋转进入维 护工位,自动超声波探伤设备介绍,仪表部分,仪表部分可以分为信号处理和数据分析两大部分。,DEU,AES,GTW,WinCC,自动超声波探伤设备介绍,信号处理部分结构示意图,自动超声波探伤设备介绍,数据分析部分结构示意图,自动超声波探伤设备介绍,电气部分,自动超声波探伤设备介绍,公辅装置,公辅装置主要包括： 耦合水系统 仪表冷却系统 空压机 水、气分配单元,自动超声波探伤设备介绍,超声波探伤设备的工作流程（1）,自动超声波探伤设备介绍,超声波探伤设备的工作流程（2）,自动超声波探伤设备介绍,4、厚板自动超声波探伤设备的信号处理技术 4.1、信号处理流程图,自动超声波探伤信号处理,4.2.1、DGS法 在仪表通道板中加载DGS曲线表，根据缺陷的深度和波高查表得出缺陷面积。 （适用于小缺陷）,4.2、缺陷面积的计算方法,自动超声波探伤信号处理,4.2.2、宽度增量法 每个脉冲的缺陷面积用一个小矩形表示，矩形的一边为脉冲间距，而另一边为由波高换算而得的宽度。,自动超声波探伤信号处理,A=缺陷面积 bFi=换算宽度 i=脉冲距离增量,自动超声波探伤信号处理,4.3、自动超声波探伤设备内已输入的探伤标准 自动超声波探伤的自动评估系统AES内已经输入了14个厚板常用的超声波探伤标准和一个工厂内控标准（自定义标准）的框架。这些标准包括： prEN 10160 SEL-072/1977 EURONORM EU-160/1984 BS5996 JIS G801 JIS G901 ASTM A 578 Level I, II, III ASME SA 578 ASTM A 435 ASME SA 435 NF A04-305 GB/T 2970 JB 4730 ISO 12094 Standard,探伤结果数据保存在Gateway计算机中； 平均每张钢板的数据量约为1.5Mbytes。,自动超声波探伤信号处理,4.4、探伤结果数据的保存,5、厚板超声波探伤标准介绍 板材探伤是超声波检测应用最早的领域之一，技术比较成熟，世界各国一般都制定的专门的厚板超声波探伤标准。 目前国际上常的标准的为EN 10160 、ASTM A435、ASTM A578、 JIS G0801等，各标准规定的具体内容和基准值虽然有时相差较大，但基本项目是大致相同的。 5.1、厚板超声波探伤标准的基本项目 5.1.1、适用范围 规定了标准适用的钢种、板厚等范围，如JIS G 0801适用于锅炉、压力容器用板，适用的板厚范围为6200mm。,厚板超声波探伤标准及代码介绍,5.1.2、探伤方法 规定了标准建议采用的探伤方法，厚板一般为纵波脉冲回射法。 5.1.3、探伤装置 主要对三个方面的内容进行详细规定： 探伤仪的性能要求 探头的选用 试块的制作和选用。,厚板超声波探伤标准介绍,5.1.4、探伤条件 主要规定的内容有以下几个方面： 探伤灵敏度的校准方法，为探伤提供一个灵敏度基准； 钢板探伤的部位，主要针对钢板中间、边部和剖口预定线三个区域进行规定，一般边部和剖口预定线区域要求100%扫查； 探伤扫查形式，厚板探伤扫查形式主要有