无损检测基础知识(全).ppt

无损检测基础知识侯文科 无损检测定义在不损坏试件的前提下 以物理或化学方法为手段 借助先进的技术和设备器材 对试件的内部及表面的结构 性质 状态进行检查和测试的方法 而用人的肉眼为手段称之为宏观检查 无损探伤 是无损检测早期阶段的名称 其涵义是探测和发现缺陷 无损检测 是当前阶段的名称 其内涵不仅仅是探测缺陷 还包括探测试件的一些其他信息 例如结构 性质 状态等 并试图通过测试掌握更多的信息 无损评价 是将进入或目前正在进入的新阶段的名称 其内涵不仅仅是探测缺陷 探测试件的结构 性质 状态 还要获取更全面 更深刻的 更准确的综合信息 例如缺陷的形状 尺寸 位置 取向 内容特 缺陷部位的金相组织 残余应力等 概述 常用常规无损检测方法射线检测超声检测磁粉检测渗透检测涡流检测声发射检测现代无损检测技术的发展新的检测理论计算机技术的发展产生新的检测手段 TOFD磁记忆超声成像等 概述 无损检测的目的一 保证产品质量通过无损检测方法可以探测出许多肉眼很难看见的细小缺陷 在容器和其他产品制造的过程检验和最终质量检验中普遍采用 采用破坏性检测 在检测完成的同时 试件也被破坏了 因此破坏性检测只能进行抽样检验 与破坏性检测不同 无损检测不需损坏试件就能完成检测过程 因此无损检测能够对产品进行百分之百检验或逐件检验 二 保障使用安全即使是设计和制造质量完全符合规范要求的容器 在经过一段时间使用后 也有可能发生破坏事故 这是由于苛刻的运行条件使设备状态发生变化 例如由于高温和应力的作用导致材料蠕变 由于温度 压力的波动产生交变应力 使设备的应力集中部位产生疲劳 由下腐蚀作用使壁厚减薄或材质劣化等等 上述因素有可能使设备中原来存在的 制造规范允许的小缺陷扩展开裂 或使设备中原来没有缺陷的地方产生样或那样的新生缺陷 最终导致设备失效 为了保障使用安全 对在用锅炉压力容器 必须定期进行检验 及时发现缺陷 避免事故发生 概述 三 改进制造工艺在产品生产中 为了了解制造工艺足否适宜 必须事先进行工艺试验 在工艺试验中 经常对工艺试样进行无损检测 并根据检测结果改进制造工艺 最终确定理想的制造工艺 例如 为了确定焊接工艺规范 在焊接试验时对焊接试样进行射线照相 随后根据检测结果修正焊接参数 最终得到能够达到质量要求的焊接工艺 又如 在进行铸造工艺设计时 通过射线照相探测试件的缺陷发生情况 并据此改进浇口和冒口的位置 最终确定台适的铸造工艺 四 降低生产成本在产品制造过程中进行无损检测 往往被认为要增加检测费用 从而使制造成本增加 可是如果在制造过程中间的适当环节正确地进行无损检测 就是防止以后的工序浪费 减少返工 降低废品率 从而降低制造成本 例如 在厚板焊接时 如果在焊接全部完成后再无损检测 发现超标缺陷需要返修 要花费许多工时或者很难修补 因此可以在焊至一半时先进行一次无损检测 确认没有超标缺陷后再继续焊接 这样虽然无损检测费用有所增加 但总的制造成本降低了 又如 对铸件进行机械加工 有时不允许机加上后的表面上出现夹渣 气孔 裂纹等缺陷 选择在机加工前对要进行加工的部位实施无损检测 对发现缺陷的部位就不再加工 从而降低了废品率 节省了机加工工时 无损检测注意事项1 与破坏性检测相配合无损检测技术自身还有局限性 对一个工件 材料 机器设备的评价 必须把无损检测的结果与破坏性检测的结果互相对比和配合 才能作出准确的评定 例如液化石油气钢瓶除了无损检测外还要进行爆破试验 锅炉管子焊缝 有时要切取试样做金相和断口检验 2 正确选择检测时机在进行无损检测时 必须根据无损检测的目的 正确选择无损检测实施的时机 例如 要检查高强钢焊缝有无延迟裂纹 无损检测实施的时机 就应安排在焊接完成24h以后进行 要检查热处理工艺是否正确 就应将无损检测实施时机放在热处理之后进行 3 合理选择无损检测方法必须在检测前 根据被检物的材质 结构 形状 尺寸 预计可能产生什么种类 什么形状的缺陷 在什么部位 什么方向产生 根据以上种种情况分析 然后根据无损检测方法各自的特点选择最合适的检测方法 例如 钢板的分层缺陷因其延伸方向与板平行 就不适合射线检测而应选择超声波检测 检查工件表面细小的裂纹就不应选择射线和超声波检测 而应选择磁粉和渗透检测 在保证充分安全性的同时要保证产品的经济性 4 各种无损检测方法综合应用不要只采用一种无损检测方法 而尽可能多的同时采用儿种方法 以便保证各种检测方法互相取长补短 从而取得更多的信息 另外 还应利用无损检测以外的其他检测所得的信息 利用有关材料 焊接 加工工艺的知识及产品结构的知识 综合起来进行判断例如 超声波对裂纹缺陷探测灵敏度较高 但定性不准是其不足 而射线的优点是对缺陷定性比较准确 两者配合使用 就能保证检测结果既可靠又准确 无损检测可发现缺陷的类型缺陷的分类按加工阶段分原材料缺陷 如裂纹 夹杂物等制造过程缺陷 又称工艺缺陷 如裂纹 夹渣 气孔 未焊透等使用过程中缺陷 如裂纹 减薄 氢损伤 氢鼓泡 氢致裂纹 腐蚀等 按检测对象分 铸件 气孔 夹渣 夹砂 密集气孔 冷隔 密集气孔 缩孔和疏松 裂纹锻件 缩孔和缩管 非金属夹杂物 夹砂 龟裂 锻造裂纹 白点钢管 纵裂纹 横裂纹 表面划伤 翘皮和折叠 夹杂和分层钢棒 内部缺陷 芯部裂纹 偏析 白点 非金属夹杂物 外部缺陷 线状缺陷 裂纹 钢板 分层 裂纹 线状缺陷 非金属夹杂物 夹渣 折叠 偏析等使用缺陷 应力腐蚀 氢损伤 蠕变损伤 疲劳裂纹 摩擦 冲刷等 各种检测方法易检出的缺陷MT 表面 近表面裂纹 剖口分层 夹杂物等PT 表面开口性裂纹 针孔等ET 表面和近表面裂纹 夹杂物等RT 体积状缺陷和与射线入射方向一致 平行 的面型缺陷UT 垂直于声束的平面状缺陷 裂纹 未熔合 未焊透 及大的体积状缺陷AE 检测在负载状态下裂纹等缺陷的张口位移 发展 情况 1 6无损检测技术人员的任务总体任务是为预防设备及构件在使用中由于损坏而影响到人身安全的重大事故 因此 必须不断地努力学习 钻研技术 为提高自己职责范围内的检测和判断正确能力而努力 熟悉标准规范 能正确理解和应用 确保在同一标准规范的一致的评定结果 能重复再现 能编制检测工艺 正确选择检测方法 并有熟练的操作技术 认真贯彻执行质量管理体系规定的岗位职责和国家对NDT人员资格的规定 保持高度的责任心和敬业精神 一射线检测 射线检测是利用射线探测零件内部缺陷的无损探伤方法 利用X射线 射线和中子射线易于穿透物体和穿透物体后的衰减程度不同 使胶片感光程度的不同来探测物体内部的缺陷 对缺陷的种类 大小 位置等进行判断 射线检测主要适用于体积型缺陷 如气孔等的检测 在特定的条件下 也可检测裂纹 未焊透 未熔合等缺陷 工业应用的射线检测技术有三种 X射线检测 r射线检测 中子射线检测 射线的种类很多 其中广泛用于锅炉压力容器焊缝和其他工业产品 结构材料的缺陷检测的是x射线和 射线 射线检测是工业无损检测的一个重要专业门类 射线检测最主要的应用是探测试件内部的宏观几何缺陷 探伤 射线照相法是指用x射线或 射线穿透试件 试件中因缺陷存在影响射线的吸收而产生强度差异 通过测量这种差异来探测缺陷 并以胶片作为记录信息的器材的无损的检测方法 该方法是最基本的 应用最广泛的一种射线检测方法 x射线和 射线都是波长极短的电磁波 从现代物理学波粒二相性的观点看也可将其视为能量极高的光子束流 两者基本区别在于x射线是从x射线管中产生的 而 射线是从放射性同位素的原子核中放射出来的 射线的特性X射线和 射线均为电磁波 波长范围均在0 001 lnm之间 比可见光的波长短 频率高 穿透力强 具有以下特性 不可见 以直线传播 不带电荷 不受电场和磁场的影响 能穿透物体并被物质吸收而使自身强度衰减 能产生光化学作用 使胶片感光 能使物质电离 使某些物质产生荧光 能产生生物效应 对生命细胞有杀伤作用 射线检测基本原理射线照相法探伤是利用物质在密度不同 厚度不同时对射线的吸收程度不同 即使射线的衰减程度不同 就会使零件下面的底片感光不同的原理 实现对材料或零件内部质量的照相探伤 当射线穿过密度大的物质 如金属或非金属材料时 射线被吸收得多 自身衰减的程度大 使底片感光轻 当射线穿过密度小的缺陷 空气 时 则被吸收得少 衰减小 底片感光重 这样就获得反映零件内部质量的射线底片 1 1射线照相法的原理 x射线管是一种两极电子管 将阴极灯丝通电 使之白炽 电子就在真空中放出 如果两极之间加几十千伏以至几百千伏的电压 叫做管电压 时 电子就从阴极向阳极方向加速飞行 获得很大的动能 当这些高速电子撞击阳极时 与阳极金属原子的核外库仑场作用 发生轫致幅射而放出x射线 由x射线管所发出的x射线能谱为连续谱 因其波长分布是连续的 连续谱的最短波长 min与管电压千伏值 kVP 的关系为 min 12 4 kVP管电压越高 最短波长 min的值就越小 平均波长越短 x射线的能量越高 线质越硬 穿透物质时衰减越少 穿透力越强 所以在射线检测时 一般是根据试件的材质和厚度来选择管电压 x射线的强度大致与管电压的平方和管电流的大小成正比 x射线的强度越大 射线是通过放射性同位素的衰减产生的同位素都存在半衰期 一般要求用于 射线探伤的放射性同位素的半衰期为几个月常用的放射性同位素主要有Co60 Ir192等 图7 2 5x射线照相原理 射线特性1 通过物体会衰减2 能使胶片感光 射线照相的原理如图所示 厚度为T厘米的物体中有厚度为 T厘米的缺陷时 x射线透过无缺陷部位的底片的黑度为D 而x射线透过有缺陷部位的底片黑度应为D D 把这种曝过光的胶片在暗室中经过显影 定影 水洗和干燥 再将干燥的底片放在观片灯上观察 根据底片上有缺陷部位与无缺陷部位的黑度图象不一样 就可判断出缺陷的种类 数量 大小 射线照相设备可分为 x射线探伤机 高能射线探伤设备 射线探伤机三大类 x射线探伤机有携带式 移动式两类 携带式x射线机主要用于现场射线照相 管电压一般小于320kV 最大穿透厚度约50mm 移动式x射线机用在透照室内的射线探伤 它具有较高的管电压和管电流 管电压可达450kV 最大穿透厚度约100mm 高能射线探伤设备主要有加速器等 射线机由射线源 盛装源容器 操作机构 支撑和移动机构组成 1 2射线检测设备 1 3射线照相工艺 为得到高的缺陷检出率 照相规范的选择应注意以下几点 1 透照方式的选择和K值控制 按射线源 工件和胶片之间的相互位置关系 透照方式分为纵缝透照法 环缝外透法 环缝内透法 双壁单影法和双壁双影法五种 其中双壁单影法用于小直径的容器或大口径管子焊缝 双壁双影法用于 89以下管子对接环焊缝 除了管道和无法进入内部的小直径容器只能采用双壁透照外 大多数容器壳体的焊缝照相都采用单壁透照 透照时可以把射线源放在外面而把胶片贴在内壁 称为外透法 也可以把射线源放在里面而胶片贴在外面 称为内透法 外透法的优点是操作比较方便 内透法的优点是透照厚度差小 在满足透照厚度比K值的情况下 一次透照长度较大 透照厚度比K的含义见图7 2 8 由图中关系可知 K T T 7 2 8 arcos 1 K 7 2 9 1 4射线照相规范 标准规定 锅炉压力容器焊缝射线照相 纵缝的K值不得大于1 03 环缝的K值不得大小于1 1 限制透照厚度比 也就间接控制了横向裂纹检出角 使之不致过大 过大的 角有可能导致横向裂纹漏检 采用源在内的透照方式 其 角比源在外方式小得多 尤其是源在中心的内透法 K值为1 角为0 是最佳透照方式 2 射线能量的选择 愈是使用低能量的射线 吸收系数 值就愈大 从而可以得到 D较大的缺陷图象 为了达到这一目的 在采用X射线时要尽可能降低管电压 在采用 射线时 则要选择能量较低的 射线源 但是降低管电压会导致射线穿透力减小 因而不能得到黑度足够的底片 所以降低管电压也是有一定限度的 完整的说法是 在能穿透工件的前提下尽可能地降低x射线管电压 3 透照距离的选择 焦距 射线源到胶片的距离 愈大 被检物体和胶片贴得愈紧 几何不清晰度愈小 在选择透照距离时 应将焦距选得大一些 但是由于射线的强度I与焦距F的平方成反比 所以不能把焦距选得过大 不然透照时 射线强度将不够 所以焦距的选择应在满足几何不清晰度要求的前提下合理选择 一般在透照中 焦距的选择大多在600 800mm间 4 曝光量的选择 曝光量E为射线强度I与曝光时间t的乘积 即E I t 曝光量的大小要能保证足够的底片黑度 如果管电压偏高 那么小的曝光量也能使底片达到规定黑度 但这样的底片灵敏度不够好 所以焦距为600mm时X射线照相的曝光量一般选择15mA min以上 5 胶片与增感屏的选择 高梯噪比胶片具有细颗粒 高梯度 其底片对比度 D大 颗粒度小 裂纹检出灵敏度高 检测高强度钢焊缝 或用 射线探伤时 宜选择此种胶片 照相时根据射线能量选择不同厚度的铅箔增感屏或其它金属增感屏 铅箔吸收射线后放出二次电子 由于这种电子对胶片易于感光 因此用铅箔时感光度可提高2 7倍 而且铅箔能吸收散乱射线 使散射比n减小 从而提高底片的对比度 6 底片黑度控制 黑度D值增大 胶片G值也增大 因此一般来说 应使底片黑度D大些 但黑度过大 观片灯亮度不够就不容易看清了 所以底片黑度也不宜太大 一般规定底片黑度为1 5 4 0D的范围内 7 象质计 透度计 的应用象质计是用来检查透照技术和胶片处理质量的 衡量该质量的数值是底片上能识别出的最细钢丝的线编号 我国标准规定使用线型象质计 用底片上必须显示的最小钢丝直径与相应的象质指数来表示照相的灵敏度 所谓射线照相的灵敏度是射线照相能发现最小缺陷的能力 射线照相灵敏度分为绝对灵敏度和相对灵敏度 绝对灵敏度是指射线透照某工件时能发现最小缺陷的尺寸 如JB4730标准中规定B级照相时 母材厚度 3mm时 应能辨认出 0 1mm的钢丝 这就是绝对灵敏度表示法 射线照相的相对灵敏度K用透照方向上所能发现缺陷的最小厚度尺寸 D与该处的穿透厚度d的百分比表示 即 7 2 11 目前标准规定的象质指数 换算成相对灵敏度 其值大约在1 2 之间 评片是射线检测最重要的一道工序 供评定的底片本身质量必须合格 对底片的质量要求包括 1 底片的黑度应在规定范围内 影像清晰 反差适中 灵敏度符合标准要求 标准规定的x射线底片黑度为1 5 4 0 射线底片黑度为1 8 4 0 灵敏度应能识别标准规定的象质指数 2 标记齐全 摆放正确 必须摆放标记有设备号 焊缝号 底片号 中心标记和边缘标记等标记应距焊缝边缘5mm 3 在评定区内无影响评定的伪缺陷 如划伤 水迹 折痕 压痕 静电感光 显影斑纹 霉点等 评定项目包括缺陷定性 定量和定位 对照标准评出工件质量等级 写出探伤报告 1 5底片评定 由于射线对人体具有危害性 所以在射线照相中 防护是很重要的 有关标准对职业放射性工作人员剂量当量限值作了规定 职业放射性的人员年剂量当量限值为50毫希沃特 非职业放射性的人员年剂量当量限值为5毫希沃特 射线防护主要措施有三种 屏蔽防护 距离防护和时间防护 在实际探伤中 可根据当时的条件选择 为了得到更好的效果 往往是三种防护方法同时使用 1 6射线的安全防护 射线检测的优点和局限性概括如下 1 检测结果有直接记录 底片 由于底片上记录的信息十分丰富 且可以长期保存 从而使射线照相法成为各种无损检测方法中记录最真实 最直观 最全面 可追踪性最好的检测方法 2 可以获得缺陷的投影图象 缺陷定性定量准确 各种无损检测方法中 射线照相对缺陷定性是最准的 在定量方面 对体积型缺陷 气孔 夹渣类 的长度 宽度尺寸的确定也很准 其误差大致在零点几毫米 但对面积型缺陷 如裂纹 未熔合类 如缺陷端部尺寸 高度和张口宽度 很小 则底片上影像尖端延伸可能辨别不清 此时定量数据会偏小 3 体积型缺陷检出率很高 而面积型缺陷的检出率受到多种因素影响体积型缺陷是指气孔 夹渣类缺陷 一般情况下 直径在试件厚度的1 以上的体积型缺陷可以检出 在薄试件中 可检出缺陷的最小尺寸受人眼分辨率的限制 可达0 5mm或更小 面积型缺陷是指裂纹 未熔合类缺陷 其检出率的影响因素包括缺陷形态尺寸 透照厚度 透照角度 透照几何条件 源和胶片种类 像质计灵敏度等 虽然如此 一般可以说厚试件中的裂纹检出率较低 但对薄试件 除非裂纹或未熔合的高度和张口宽度极小 否则只要照相角度适当 底片灵敏度符合要求 裂纹检出率还是足够高的 1 7关于射线照相法特点的概括 4 适宜检验厚度较薄的工件而不适宜较厚的工件 因为检验厚工件需要高能量的射线探伤设备 300KV便携式X射线机透照厚度一般小于40mm 420KV移动式X射线机和Ir192 射线机透照厚度均小于100mm 对厚度大于100mm的工件照相需使用加速器或Co60 因此是比较困难的 此外 板厚增大 射线照相绝对灵敏度是下降的 也就是说对厚工件采用射线照相 小尺寸缺陷以及一些面积型缺陷漏检的可能性增大 5 适宜检测对接焊缝 检测角焊缝效果较差 不适宜检测板材 棒材 锻件 检测角焊缝的透照布置比较困难 摄得底片的黑度变化大 成像质量不够好 不适宜检验板材 棒材 锻件的原因是板材 锻件中的大部分缺陷与板平行 射线照相无法检出 此外棒材 锻件厚度较大 射线穿透比较困难 效果也不好 6 有些试件结构和现场条件不适合射线照相 由于是穿透法检验 检测时需要接近工件的两面 因此结构和现场条件有时会限制检测的进行 例如有内件的容器 有厚保温层的容器 内部液态或固态介质未排空的容器等均无法检测 采用双壁单影法透照虽然可以不进入容器内部 但只适用于直径较小的容器 对直径较大 一般大于1000mm 的容器 双壁单影法透照很难实施 此外射线照相对源至胶片的距离 焦距 有一定要求 如焦距太短 则底片清晰度会很差 7 对缺陷在工件中厚度方向的位置 尺寸 高度 的确定比较困难 除了一些根部缺陷可结合焊接知识和规律来确定其在工件中厚度方向的位置 很多缺陷无法用底片提供的信息定位 缺陷高度可通过黑度对比的方法作出判断 但精确度不高 尤其影像细小的裂纹类缺陷 其黑度测不准 用黑度对比方法测定缺陷高度的误差较大 8 检测成本高 射线照相设备和透照室的建设投资巨大 穿透能力40mm 钢 的300KV便携式X射线机至少需8万元 穿透能力100mm 钢 的420KV移动式X射线机至少需60万元 穿透能力100mm 钢 的Ir192 射线机至少需6万元 穿透能力大于100mm 钢 的60Co至少需50万元 加速器则需100万元以上 透照室按其面积 高度 防护等级等设计条件的不同 建设费用在数十万乃至数百万 此外 与其它无损检测方法相比 射线照相的材料成本 胶片 冲洗药液等 人工成本也是很高的 9 射线照相检测速度慢 一般情况下定向X射线机一次透照长度不超过300mm 拍一张片子需10分钟 射线源的曝光时间一般更长 射线照相从透照开始到评定出结果需数小时 与其它无损检测方法相比 射线照相的检测速度很慢 效率很低 但特殊场合的特殊应用另当别论 例如周向X射线机周向曝光或 射线源全景曝光技术应用则可以大大提高检测效率 10 射线对人体有伤害 射线会对人体组织造成多种损伤 因此对职业放射性工作人员剂量当量规定了限值 要求在保证完成射线探伤任务的同时 使操作人员接受的剂量当量不超过限值 并且应尽可能的降低操作人员和其他人员的吸收剂量 防护的主要措施有屏蔽防护 距离防护和时间防护 现场照相因防护会给施工组织带来一些问题 尤其是 射线 对放射同位素的严格管理规定将影响工作效率和成本 工业CT 工业CT是工业用计算机断层成像技术的简称 它能在对检测物体无损伤条件下 以二维断层图像或三维立体图像的形式 清晰 准确 直观地展示被检测物体内部的结构 组成 材质及缺损状况 被誉为当今最佳无损检测技术 工业CT技术涉及了核物理学 微电子学 光电子技术 仪器仪表 精密机械与控制 计算机图像处理与模式识别等多学科领域 是一个技术密集型的高科技产品 工业CT广泛应用在汽车 材料 航天 航空 军工 国防等产业领域 为检测航天运载火箭及飞船航空发动机 大型武器的检测 地质结构的分析以及机械产品质量的重要检测手段 二超声波检测 超声波在介质中的传播方式随振源在介质上施力方向与声波传播方向不同分为纵波 横波和表面波 声波属于机械波范畴 超过人耳听觉 16Hz 20KHz 频率大于20千赫兹的声波叫超声波 用于工业检测的超声波 频率为0 4 25兆赫兹 其中用得最多的是1 5兆赫兹 较低频率用于检测粗晶材料和衰减较大的材料较高频率用于检测细晶材料和要求高灵敏度处 超声波具有频率高 波长短 传播能量大 穿透力强 指向性好的特点 超声波在均匀介质中沿直线传播 遇到界面时发生反射和折射 并且可以在任何弹性介质 固体 液体和气体 中传播 在工业超声波探伤中传播介质主要是固体 液体作为藕合剂以减少声能损失 超声波检测实际上就是利用超声波通过两种介质的界面时发生反射和折射的特性来探测零件内部的缺陷 超声波检测方法按波的传播方式分为脉冲反射法和透射法 目前用得最多的是脉冲反射法 在显示超声信号方面 目前用得最多而且较为成熟的是A显示 脉冲反射波法是利用脉冲发生器发出的电脉冲激励探头晶体产生超声脉冲波 超声波以一定的速度向零件内部传播 遇到缺陷的波发生反射 得到缺陷波 其余的波则继续传播至零件底面后发生反射 得到底波 探头接收发射波 缺陷波和底波 放大后显示在荧光屏上 2 1超声波的发生及其性质 1 超声波的发生和接收超声波探伤用的高频超声波是通过压电换能器获得的 所谓压电效应是指将电振动转换成机械振动或将机械振动转换成电振动物理现象 压电材料主要采用石英 钛酸钡 锆钛酸铅和硫酸锂 通常在超声波探伤中只使用一个晶片 这个晶片既作发射又作接收 2 超声波的种类 超声波在不同介质中传播的波型不同 空气中和水中只有声波的介质质点振动方向与传播方向一致的波能传播 叫做纵波 因固体介质能承受剪切应力 所以可在其中传播多种波型 除了纵波外还有介质质点振动方向和波传播的方向垂直的波 叫做横波 此外 还有在固体介质的表面传播的表面波和在薄板中传播的板波 它们都可用来探伤 3 超声波特征参数 声速 声速是由传播介质的弹性系数 密度以及声波的种类决定的 它与频率和晶片没有关系 水中的声速约为1500米 秒 钢中纵波的声速约为5900米 秒 横波的声速约为3230米 秒 表面波的声速约为3007米 秒 波长 波在一个周期内或者说质点完成一次振动所经过的路程称为波长 用 表示 根据频率f和波速C的定义 三者有下式关系 C f 超声场 被超声所充满的空间范围称为超声场声压 超声场某一点某一顺时所具有的压强与没有超声波存在时的静态压强之差声强 在垂直于超声波传播方向上单位面积单位时间内通过的超声能量 声阻抗 密度与声速的乘积 分贝 是声压与声强的计量单位 3 超声场及其特征量 4 界面的反射和透射 当超声波传到缺陷 被检物底面或者异种金属结合面 即两种不同声阻抗的物质组成的界面时 会发生反射 1 垂直入射时的反射和透射R Z2 Z1 Z2 Z1 D 2Z2 Z2 Z1 2 斜射时的反射和透射 5 指向性 声束集中向一个方向幅射的性质 叫做声波的指向性 高频超声波具有良好的指向性 这有利于超声波探伤发现缺陷 确定缺陷位置 如图7 3 5所示 晶片发出的超声波 在某一个范围内 声速是不扩散的 可是 发射到一定距离后 由于晶片的制约力减弱 波束就扩散了 超声波探头的声场中 在一定角度 中包含了大部分的超声波能量 这个角度就叫做指向角 或叫半扩散角 指向角 0与超声波波长 晶片直径D的关系为 0 arcsin 1 12 D 7 3 8 频率愈高 即波长愈短 晶片愈大 则指向角就愈小 目前实际应用的探头 其指向角在几度到十几度之间 7 小物体上的超声波反射 当超声波碰到缺陷时 会反射和散射 可是 如果缺陷的尺寸小于波长的一半时 由于衍射 波就会绕过缺陷传播 这样波的传播就与缺陷的存在与否没有关系了 因此 在超声波探伤中 缺陷尺寸的检出极限约为超声波波长的一半 缺陷的尺寸愈大 愈容易反射 但由于缺陷形状和方向不同 其反射的方式也有所不同 超声波与光波十分相似 具有直线前进的性质 其反射的方式如图7 3 6所示 假如超声波垂直地入射到平面状的反射体 如裂纹 时 大部分反射波都返回到晶片 可以得到很高的缺陷回波 可是球形缺陷 如气孔 的反射波因为是各个方向的反射 回到晶片的反射波较少 所以缺陷回波较低 另外 虽然是平面状缺陷 但如果是倾斜的话 也可能几乎没有反射波返回晶片 从超声波入射面 即探伤面 的对面 即工件的底面 反射回来的超声波叫做底面回波 2 2超声波检测的原理和方法 超声波的垂直入射纵波探伤和倾斜入射的横波探伤是超声波探伤中两种主要探伤方法 两种方法各有用途互为补充 纵波探伤主要能发现与探测面平行或稍有倾斜的缺陷 主要用于钢板 锻件 铸件的探伤 斜射的横波探伤 主要能发现垂直于探测面或倾斜较大的缺陷 主要用于焊缝的探伤 2 垂直探伤法 2 斜射探伤法 在斜射法探伤中 由于超声波在被检物中是斜向传播的 超声波是斜向射到底面 所以不会有底面回波 因此 不能再用底面回波调节来对缺陷进行定位 而要知道缺陷位置 需要用适当的标准试块来把示波管横坐标调整到适当状态 通常采用CSK 1A和横孔试块来进行调整 三种调节方法 深度 距离 声程 2 3试块 试块的用途 用试块作为调节仪器 定量缺陷的参考依据 是超声探伤的一个特点 超声探伤的试块上有各种已知的特征 例如特定的尺寸 规定形状和尺寸的人工缺陷 如平底孔 横通孔 凹槽等 试块在超声探伤中的用途主要有三方面 1 确定合适的探伤方法 在超声探伤中 可以应用在某个部位有某种人工缺陷 平底孔 槽等 的试块来摸索探伤方法 在这种试块上摸到的探伤规律和方法 可应用到与试块同材质 同形式 同尺寸的工件探伤中去 2 确定探伤灵敏度和评价缺陷大小 对于不同种类 不同厚度 不同要求的工件 需要不同的探伤灵敏度 为了确定探伤时的灵敏度 就需要带有各种人工缺陷的试块 用人工缺陷的波高来表示探伤灵敏度 这是试块常用的一种方法 为了评价工件中某一深度处缺陷大小 用试块中同一深度各种尺寸的人工缺陷与之相比较 这就是探伤中应用的缺陷当量法 3 校验仪器和测试探头性能 通过试块可以测试仪器声或探头的性能 以及仪器和探头连接在一起的系统综合性能 试块的种类根据试块的用途 可分为三大类 1 调节仪器及测试探头的试块 如标准规定的CSK 1A试块 2 纵波探伤用试块 人工缺陷为平底孔 3 横波探伤用试块 人工缺陷为横孔 如标准中规定的CSK A和 A试块 2 4超声波检测工艺要点 1 检测方法的分类超声波探伤有多种分类方法 1 按原理分类 超声波探伤按原理来分 有脉冲反射法 穿透法和共振法三种 目前用得最多的是脉冲反射法 2 按显示方式分类 按超声波探伤图形的显示方式分 有A型显示 B型显示 C型显示等 目前用得最多的是A型显示探伤法 3 按探伤波型分类 按超声波的波型来分 脉冲反射法大致可分为纵波探伤法 直射探伤法 横波探伤法 斜射探伤法 表面波探伤法和板波探伤法4种 用的较多的是纵波和横波探伤法 4 按探头数量 单探头 多探头 5 按接触方法 直接接触 水浸 1 脉冲反射法超声波探头发射脉冲波到被检试件内 根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法 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 2 穿透法穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法 穿透法常采用两个探头 一收一发 分别放置在试件的两侧进行探测 3 共振法若声波 频率可调的连续波 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 当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时 将改变试件的共振频率 依据试件的共振频率特性 来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法 共振法常用于试件测厚 A B C显示 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 2基本操作探伤时机探伤方法探伤仪器探伤方向和扫除面频率的选择探头选择晶片 折射角探伤面修整耦合探伤灵敏度 2 6关于超声波检测特点的概括 超声波检测的优点和局限性概括如下 1 面积型缺陷的检出率较高 而体积型缺陷的检出率较低 从理论上说 反射超声波的缺陷面积越大 回波越高 越容易检出 因为面积型缺陷反射面积大而体积型缺陷反射面积小 所以面积型缺陷的检出率高 实践中 对较厚 约30mm以上 焊缝的裂纹和未熔合缺陷检测 超声波检测确实比射线照相灵敏 但在较薄的焊缝中 这一结论不一定成立 必须注意 面积型缺陷反射波并不总是很高的 有些细小裂纹和未熔合反射波并不高 因而也有漏检的例子 此外 厚焊缝中的未熔合缺陷反射面如果较光滑 单探头检测可能接收不到回波 也会漏检 2 适宜检验厚度较大的工件 不适宜检验较薄的工件 超声波对钢有足够的穿透能力 检测直径达几米的锻件 厚度达上百毫米的焊缝并不太困难 另外 对厚度大的工件检测 表面回波与缺陷波容易区分 因此相对于射线检测来说 超声波更加适宜检验厚度较大的工件 但对较薄的工件 例如厚度小于8mm的焊缝和6mm的板材 进行超声波检测检验则存在困难 薄焊缝检测困难是因为上下表面形状回波容易与缺陷波混淆 难以识别 薄板材检测困难除了表面回波容易与缺陷波混淆的问题外 还因为超声波探伤存在盲区以及脉冲宽度影响纵向分辨率 3 应用范围广 可用于各种试件 超声波探伤应用范围包括对接焊缝 角焊缝 T型焊缝 板材 管材 棒材 锻件 以及复合材料等 但与对接焊缝检测相比 角焊缝 T型焊缝检测工艺相对不成熟 有关标准也不够完善 板材 管材 棒材 锻件 以及复合材料的内部缺陷检测超声波是首选方法 4 检测成本低 速度快 仪器体积小 重量轻 现场使用较方便 便携式手工探伤超声波仪器有模拟式和数字式两种 模拟式仪器1 2万元 数字式仪器4 8万元 检测过程消耗材料费用很少 正常情况下 一个检测人员一天能检测数十米焊缝 检测结果当场就能得到 目前数字式仪器的体积只有词典大小 重2 3公斤 与射线仪器相比 现场使用要方便得多 5 无法得到缺陷直观图象 定性困难 定量精度不高超声波探伤是通过观察脉冲回波来获得缺陷信息的 缺陷位置根据回波位置来确定 对小缺陷 一般10mm以下 可直接用波高测量大小 所的结果称为当量尺寸 对大缺陷 需要移动探头进行测量 所的结果称指示长度或指示面积 由于无法得到缺陷图象 缺陷的形状 表面状态等特征也很难获得 因此判定缺陷性质是困难的 在定量方面 所谓缺陷当量尺寸 指示长度或指示面积与实际缺陷尺寸都有误差 因为波高变化受很多因素影响 超声波对缺陷定量的尺寸与实际缺陷尺寸误差几毫米甚至更大 一般认为是正常的 近些年来 在超声波定性和定量技术方面有一些进展 例如用不同扫查手法结合动态波形观察对缺陷定性 采用聚焦探头对缺陷定量 以及各种成像技术等等 但实际应用效果还不能令人满意 6 检测结果无直接见证记录 由于不能象射线照相那样留下直接见证记录 超声波检测结果的真实性 直观性 全面性和可追踪性都比不上射线照相 超声波检测的可靠性在很大程度上受检测人员责任心和技术水平的影响 如果检测方法选择不当 或工艺制订不当 或操作方面失误 有可能导致大缺陷漏检 而对超声波检测结果的审核或复查是困难的 因其错误的检测结果不象射线照相那样容易发现和纠正 这是超声波检测的一大不足 近年来发展的数字式超声波探伤仪虽然能记录波形 但仍不能算检测结果的直接见证记录 只有做到对检测全过程的探头位置 回波反射点位置 以及回波信号三者关联记录 才能算真正的检测直接记录 而这对于便携式超声波仪器和手工探伤方法来说 是很困难的 7 对缺陷在工件厚度方向上的定位较准确 这一条是相对于射线照相来说的 由于射线照相无法对缺陷在工件厚度方向上定位 通常对射线照相发现的缺陷用超声波检测定位 8 材质 晶粒度对探伤有影响 晶粒粗大的材料 例如铸钢 奥氏体不锈钢焊缝 未经正火处理的电渣焊焊缝等 一般认为不宜用超声波进行探伤 这是因为粗大晶粒的晶界会反射声波 在屏幕上出现大量 草状回波 容易与缺陷波混淆 因而影响检测可靠性 近年来对奥氏体不锈钢焊缝超声波探伤技术进行了专门研究 如果采用特殊的探头 纵波窄脉冲探头 降低信噪比 并制订专门工艺 可以实施奥氏体不锈钢焊缝超声波检测 其精度和可靠性基本上是能够保证的 9 工件不规则的外形和一些结构会影响检测 例如台 槽 孔较多的锻件 不等厚削薄的焊缝 管板与筒体的对接焊缝 直边较短的封头与筒体连接的环焊缝 高颈法兰与管子对接焊缝等 对锻件 一般在台 槽 孔加工前进行超声波检测 管板与筒体的对接焊缝 直边较短的封头与筒体连接的环焊缝一类结构对超声波检测的影响主要是探头扫查面长度不够 可通过增加扫查面 或采用两种角度探头 或把焊缝磨平后检测等方法来解决 不等厚削薄的焊缝或类似结构的问题是扫查面不规则 对此可通过改变扫查面 或采用计算法选择合适角度探头和对缺陷定位等方法来解决 10 探头扫查面的平整度和粗糙度对超声波检测有一定影响 一般轧制表面或机加工表面即可满足要求 严重腐蚀表面 铸 锻原始表面无法实施检测 用砂轮打磨处理表面要特别注意平整度 防止沟槽和凹坑的产生 否则严重影响 超声相控阵技术 3磁粉探伤 利用磁源对被检工件进行局部磁化 若被测工件表面光滑内部没有缺陷 磁通将全部通过被测工件 若材料表面或近表面存在缺陷时 会导致缺陷处及其附近区域磁导率降低 磁阻增加 从而使缺陷附近的磁场发生畸变 如图1所示 它们可能分为三部分 即 大部分磁通在工件内部绕过缺陷 少部分磁通穿过缺陷 还有部分磁通离开工件的上 下表面经空气绕过缺陷 磁粉堆集现象又称磁粉痕迹或叫磁痕 磁粉探伤 磁粉探伤和漏磁检测铁磁性材料和工件被磁化后 由于不连续性的存在 使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸而产生漏磁场 吸附施加在工件表面的磁粉 形成在合适光照下目视可见的磁痕 从而显示不连续的位置 形状和大小 所谓漏磁检测是指 铁磁材料被磁化后 其表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁场 通过传感器检测漏磁场来发现缺陷的无损检测技术 磁粉检测技术也是一种漏磁检测 但习惯上人们把用传感器测量漏磁通的检测方法称为漏磁检测 而把用磁粉检测漏磁通的方法称为磁粉检测 且将它们并列为两种检测方法 磁粉探伤 磁粉探伤适用范围铁磁性材料表面和近表面尺寸很小 间隙极窄 目视难以看出的不连续性 长0 1mm 宽为微米级的裂纹 未加工的原材料 加工的半成品 成品工件及在役或使用过的零部件进行探伤 还能对板材 型材 管材 棒材 焊接件 铸件及锻件进行探伤 可以发现裂纹 夹杂 发纹 白点 折叠 冷隔和疏松等缺陷 磁粉探伤 磁粉探伤的基本步骤预处理 磁化工件 施加磁悬液 观察和评定磁痕显示 退磁 后处理 磁粉探伤的优点 可检测出铁磁性材料表面和近表面的缺陷 能直观地显示出缺陷的位置 形状 大小和严重程度 具有很高的检测灵敏度 可检测微米级宽度的缺陷 单个工件检验速度快 工艺简单 成本低 污染轻 结合使用各种磁化方法 几乎不受工件大小和几何形状的影响 检测缺陷的重复性好 可检验受腐蚀的表面 磁粉探伤的局限性 只能检测铁磁性材料 只能检测表面或近表面缺陷 点状缺陷和与工件表面夹角小于20度的层不易发现 受几何形状影响 易产生非相关显示 有通电法和触头法 易烧伤工件 表面打磨 磁力线用途 假想的 用于形象地描述磁场的大小 方向和分布情况 可用磁力线的疏密程度反映磁场的大小 在磁力线密的地方磁场大 在磁力线稀的地方磁场小 磁力线上每点的切线方向与该点的磁场方向一致 磁力线的特征 磁力线是连续的闭合线 磁力线互不相交 磁力线可描述磁场的大小和方向 磁力线沿磁阻最小的路径通过 物理基础 磁场强度磁场大小和方向的总称 A m 磁通和磁通密度磁场中垂直穿过某一截面的磁力线的条数单位面积上的磁通量磁介质能影响磁场的物质顺磁性材料 抗磁性材料 铁磁性材料 物理基础 磁导率磁感应强度与磁场强度的比值 磁导率表示材料被磁化的难易程度 真空磁导率 相对磁导率磁导率不是常数 而是随磁场大小不同而改变的变量 有最大值和最小值 在一定的外加磁场强度下 材料的磁导率越高 工件越易被磁化 材料的磁感应强度越大 漏磁场强度越大磁畴铁磁性材料内部自发磁化的大小和方向基本无均匀一致的小区域 物理基础 磁化过程磁畴磁矩转动 磁畴壁发生位移 磁滞回线 铁磁性工件在交变磁场的作用下 由于在工件上磁感应强度变化滞后于磁化场的变化 形成一个叶子形的闭合回线 称为磁滞回线 物理基础 软磁材料高磁导率 低剩磁 低矫顽力 低磁阻 易退磁硬磁材料低磁导率 高剩磁 高矫顽力 高磁阻 难退磁 电流的磁场 导体外部的磁场强度 导体内部的磁场强度 交直流电磁化磁感应强度分布 交直流电磁化磁感应强度分布 钢管的直流磁化钢管的交流磁化 通电线圈的磁场 通电线圈中心的磁场强度短螺管线圈有限长螺管线圈无限长螺管线圈 漏磁场 铁磁性材料和工件磁化后 在不连续处或磁路截面变化处 磁感应线离开和进入表面形成的磁场称为漏磁场影响漏磁场大小因素外加磁场强度的影响 缺陷位置和形状的影响 深度 方向 深宽比 工件表面覆盖层的影响 工件材料及状态的影响 晶粒 含碳量 热处理 合金元素 冷加工等 磁化方法 磁场方向与发现缺陷的关系 选择磁化方法考虑的因素 工件的尺寸大小 工件的外形结构 工件的表面状态 根据工件过去断裂情况和应力分布 分析可能产生缺陷的部位和方向 选择合适的磁化方法 磁化方法分类 周向磁化 轴向通电法 触头法 中心导体法 平行电缆法 纵向磁化 线圈法 磁轭法 多向磁化 磁化电流 交流电整流电永磁体用于探伤的磁化电流可采用直流电或交流电 为了获得强磁场和安全工作 选用低压大电流 一般电压在l2V以下 电流则视零件大小校经验公式求得 采用交流电磁化可探测表面下2mm以内的缺陷 采用直流电磁化可探测表面下6mm以内的缺陷 交流磁化的优点 优点用交流电湿法检验 发现工件细微的表面缺陷灵敏度高 退磁容易 能够实现多向磁化和感应电流法磁化 电流方向不断变化有利于磁粉迁移 磁化变截面工件 磁场分布均匀 可用于评价直流电发现的磁痕 以鉴别缺陷的深浅 交流电两次磁化工序间可以不退磁 适用于对在役工件表面疲劳裂纹的检测 设备简单 交流磁化的缺点 检测缺陷的深度小 用于剩磁法检验时 受交流电断电相位的影响 有可能产生剩磁偏小使缺陷漏检 磁粉探伤设备 固定式探伤机移动式探伤机便携式探伤机 磁粉 按磁痕观察分为荧光磁粉和非荧光磁粉 按施加方式分为湿法磁粉和干法磁粉 标准试块 用途用于检验磁粉探伤设备 磁粉和磁悬液的综合性能 系统灵敏度 用于检测被检工件表面的磁场方向 有效磁化范围和大致的有效磁场强度 用于考察所用的探伤工艺规程和操作方法是否妥当 当无法计算磁化规范时 可大致确定较理想的磁化规范类型A型 C型 D型和M1型四种 A型试片的工件原理 将A型试片刻槽的一面紧贴 用透明胶纸粘贴紧 在被检工件表面 当工件磁化后 工件表面的A型试片也被磁化 并在试片刻槽处形成漏磁场 当进行湿法连续检验时 在A型试片上可以观察到与磁场方向垂直的两条清晰圆弧形磁痕 如果继续增大磁化电流 则圆弧形磁痕的长度就沿着刻槽增长 磁痕高度也增加 因此 根据A型试片上的磁痕显示 就可以判断工件表面的磁场方向和大致的有效磁场强度 磁粉探伤工艺 连续法和剩磁法在外加磁场磁化的同时 将磁粉或磁悬液施加到工件上进行磁粉探伤的方法 常用的铁磁性材料和工件一般可采用 停止磁化后 再将磁悬液施加到工件上进行磁粉探伤的方法 剩磁法主要用于经过热处理的高碳钢和合金结构钢 矫顽力在800A m 剩磁在0 8T以上者 湿法和干法将磁粉悬浮在载液中进行磁粉探伤的方法 以空气为载体用干磁粉进行磁粉探伤的方法 磁悬液是以水或油为分散介质 加入磁粉配成的悬浮液 配制浓度一般为 非荧光磁粉10 20g L 荧光磁粉1 3g L 磁化规范 制定磁化规范考虑的因素根据工件的材料 热处理状态和磁特性 确定采用连续法还是剩磁法及相应的磁化规范 根据工件尺寸 形状 表面状态和欲检缺陷的几何形状和位置 确定磁化方法 磁化电流种类 有效探伤范围及相应的磁化规范 制定磁化规范的方法 用经验公式计算 用仪器测量工件表面的磁场强度 测绘钢材磁特性曲线 用标准试片确定大致的磁化规范 退磁 原理将工件置于交变磁场中 产生磁滞回线 当交变磁场的幅值逐渐递减时 磁滞回线的轨迹也越来越小 当磁场强度降为零时工件中残留的剩磁也接近于零 退磁原因 由于铁磁性材料的顽磁性使经探伤的零件内有剩磁 剩磁会使回转零件吸附铁屑而加剧磨损和使仪表工作不正常 经磁粉探伤的零件必须退磁 退磁操作 零件磁粉探伤后还要经700 以上热处理 可不进行退磁 一般用交流电磁化的工件 用交流电退磁 退磁时电流强度应大于磁化电流强度 只要把磁化电流强度逐步减少到零工件就退磁了 而用直流电磁化的工件就用直流电退磁 退磁电流也要强过磁化电流 只要将退磁电流的方向不断来回改变 强度逐级减少到零 工件也就退磁了 把磁粉探伤后的零件从一个通交流电的螺线管中慢慢抽出 由于螺线管的磁极方向不断改变 所以工件也就退磁了 此法对用交流电磁化还是对直流电磁化的工件均适用 磁痕分析 伪显示由非漏磁场形成的磁痕称为伪显示非相关显示由于工件截面突变或材料磁导率差异等原因产生漏磁场形成的磁痕显示称为非相关显示相关显示由缺陷产生的漏磁场形的磁痕显示称为相关显示 非相关显示产生原因 磁极和电极附近因磁通密度太大产生的非相关显示 因磁化过的工件相互接触产生的磁写显示 工件截面突变产生的非相关显示 两种材料交界处因磁导率差异产生的非相关显示 局部冷作硬化使材料变硬使磁导率变化产生的非相关显示 金相组织不均匀引起磁导率差异产生的非相关显示 磁化电流过大产生的非相关显示 影响磁粉探伤灵敏度的因素 磁场大小和方向选择磁化方法的选择磁粉的性能磁悬液的浓度设备的性能工件形状和表面粗糙度缺陷的性质 形状和埋藏深度正确的工艺操作探伤人员的素质照明条件 4渗透检测 渗透检测渗透检测是一种以毛细管作用原理为基础的检测表面开口缺陷的无损检测方法 渗透探伤是基于液体的毛细管作用和固体染料在一定条件下的发光现象 原理 零件表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透后 在毛细管作用下 经过一定时间的渗透 渗透液可以渗进表面开口缺陷中 除去多余的渗透液和干燥后 再在零件表面施涂吸附介质 显象剂 同样在毛细管作用下 显象剂将吸附缺陷中的渗透液 使渗透液回到显象剂中 在一定光源下 缺陷处之渗透液痕迹被显示 从而探测出缺陷的形貌及分布状态 渗透探伤的优点 可以检测任何非松孔性材料 金属和非金属 或零件的表面开口状缺陷