超声检测中的波形识别与缺陷定性

实践经验 超声检测中的波形识别与缺陷定性 吴德新,杨小林 (中国人民解放军空军第一航空学院,信阳 464000) IDENTIFICATION OF WAVEFORMS AND DEFECTS IN ULTRASONIC INSPECTION WU De2xin , YANG Xiao2lin (The First Aeronautical Institute of the Chinese PLA Air Force , Xinyang 464000 , China) 中图分类号:TG115. 28 文献标识码:B 文章编号:100026656(2002)0720312203 超声检测技术中对缺陷评定的三大关键内容是 缺陷的定位、 定量和定性。缺陷定位与定量方法已较 成熟,而对缺陷定性仍存在许多实际困难。目前,在 原位检测中应用最广泛的是A型超声脉冲反射式检 测仪,根据其示波屏显示的缺陷回波静态波形与动态 波形,再结合具体产品或材料特点和制造工艺等来评 估缺陷的性质。缺陷的超声波反射特性取决于缺陷 的取向和几何形状、 相对超声波传播方向的长度和厚 度、 缺陷的表面粗糙度、 缺陷内含物以及缺陷性质等, 还与所用超声检测系统特性有关,因此,超声检测中 获得缺陷的超声响应是一个综合响应。如何观察波 形并把反映缺陷性质的有用信息从综合响应中分离 出来,这对缺陷的定性评定尤为重要。 1 脉冲干扰噪声的识别与波形分析 1. 1 脉冲噪声的来源 在超声波探伤中,脉冲干扰噪声的来源很广泛。 首先是检测仪器,质量较差的仪器工作时性能不稳 定,自身会产生脉冲干扰噪声。在超声波探伤现场, 如果电源的输出不稳定将会干扰检测仪器,引起脉 冲噪声。多种仪器(如探伤仪、 示波屏、 频谱仪和计 算机等)组合或同一地点多台不同检测仪器联机运 行(如超声与涡流组合探伤)时,仪器之间也会互相 干扰而产生脉冲噪声。此外,强烈的机械振动与冲 击也会导致脉冲干扰噪声的产生1。 1. 2 脉冲噪声的特征分析 (1)偶然性 在超声波探伤中出现的脉冲噪声 收稿日期:2001201225 无规则可循,不可重复,具有强烈的偶然性。由于脉 冲噪声的产生原因多种多样,因此其出现的时间间 隔数量、 幅度及频率等均随机变化且多种多样。 (2)满幅性 超声波探伤仪示波屏上的脉冲噪 声幅度很大,常达饱和状态。图1为水浸法探伤中 出现的电脉冲干扰噪声。其中S为工件的界面回 波,P1P4为饱和脉冲噪声,n1和n2属脉冲噪声, 但其来源可能与饱和脉冲噪声不同。 图1 探伤仪示波屏上的脉冲干扰噪声 (3)单峰性 超声波探伤中的缺陷回波信号是 由多次反射波组成的。但在实践中发现,示波屏上 观察到的波形实质是这些反射波的包络,而脉冲噪 声则是孤立的单峰。因此,各脉冲噪声之间不能形 成缺陷波F那样的包络(图 2) 。 (4)频率范围广 采用傅里叶变换方法,将超 声波探伤信号进行离散化处理,可得到离散频谱 x ( k) = N -1 n =0 x ( n) w kn N 0kn -1 将上式用于图1所示的原始信号,可得图3所 示的频谱。由此可见,脉冲噪声频率分布很广,不只 是一个中心频率,产生的机理不同,就有不同的中心 213 第24卷第7期 2 0 0 2年7月 无损检测 NDT Vol. 24 No. 7 July 2 0 0 2 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图2 缺陷回波与脉冲噪声的波形区别 图3 图1所示信号的频谱 频率与带宽。 2 波型转换噪声干扰的识别 超声波在奥氏体不锈钢或其它粗晶材料中传播 时,粗大晶粒的界面会使声波发生散射,并引起波型 转换,从而在荧光屏上产生杂乱的草状波,称为噪 声。噪声波幅随晶粒尺寸增长而升高。材料中的缺 陷反射波往往会湮没于噪声杂波中而无法分辨,导 致细小缺陷的检测受到限制。噪声电平是衡量晶粒 度大小的指标,其测量方法是,首先使增益为最大 值,抑制为零位,将声程与被探工件的底面回波达到 80 %基准波高度,用公式求得工件的噪声电平。由 材料晶粒度的大小判断波形中晶粒散射而产生的波 型转换噪声,进而判断草状杂波2。 3 不同被检材料中不同缺陷的波形分析 3. 1 铸钢件 铸件内部普遍为不致密枝晶,其结构组织不均 匀且晶粒粗大,声波在晶界面和不均匀结构处会产 生散射,示波屏上往往产生杂乱无章的丛状回波。 由于铸件形状复杂,往往在示波屏上产生外轮廓直 射或迟到回波,使杂波与缺陷波难以分辨。由于铸 件产生缺陷的位置有一定的规律性和重复性,因此 可对易产生缺陷的重点部位作针对性探伤。 铸件探伤常用脉冲回波反射法。工件无缺陷时 出现底波次数多,且波幅呈指数衰减,各底波间隔大 致相等(图4a) ;当工件有疏松等缺陷时,散射等因 (a)(b)(c) 图4 铸件多次脉冲反射法检测波形 素使声能衰减而底波反射次数减少(图4b) ;若工件 内部有大面积缺陷(如疏松、 夹杂和气孔等)则底波 消失,只出现杂波(图 4c) 。 (1)气孔 有单个、 密集和链状等球状或椭圆 形气孔,表面光滑。波形特征是反射波峰高,面陡 峭,敏感性强,波峰单一,根部清晰,对底波影响不 大。探头移动时,单个气孔为一个较稳定的单脉冲 波(图5a) ,链状气孔会产生连续不断的缺陷波(图 5b) ,密集气孔则为数个缺陷波(图 5c) 。 (a)(b)(c) 图5 气孔波形 (2)夹渣 典型特征是带有棱角,回波较弱,不 同方位探测回波变化较大。 (3)缩孔 密集缩孔呈树枝状,中心缩孔呈管 状。波形特征是一波多峰,幅度高,对底波有明显 影响。 (4)冷裂纹 脆性断口表面较光;塑性断口表 面粗糙。回波特征是回波较高,对底波影响明显,移 动探头时波形此起彼伏,变化较大。 3. 2 锻钢件 (1)残余缩孔 呈连续或断续条状,回波反射 较强。探头移动时多个回波此起彼伏,圆周方向探 测均能发现,严重时影响底波。 (2)夹杂 呈连串状,回波呈丛状(图6a) ,波幅 一般较低,但有一两个较高的波,探头移动时此起彼 落,显得杂乱,可与白点缺陷波形(图 6b) 相比较。 (a)(b) 图6 锻件夹杂及白点波形示意图 313 吴德新等:超声检测中的波形识别与缺陷定性 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. (3)孔性裂纹和冷裂纹 形状是撕裂状断口,脆性 较光,塑性较粗糙。回波呈丛状,底部较宽,波峰清 晰有分枝,缺陷波对底波有明显影响。降低灵敏度, 缺陷波下降速度比底波慢。 (4)疏松 疏松对声波有显著吸收和散射作 用,使底波显著降低,甚至消失。严重疏松有时无缺 陷波出现,移动探头有时出现波幅很低的不稳定蠕 动波形。提高灵敏度,会出现一些微弱而杂乱的波 形,但无底波,其波形特征见图7。 (5)白点 波形往往呈密集形状,白点斑点内 有锯齿状小裂纹。超声波探伤时,在中心部位出现 林状波形,其波形显示很清晰,尖锐。降低灵敏度, 缺陷波仍然显得高而清晰。密集白点对超声波反射 影响强烈,对底波影响大,出现在锻件的大截面段, 其波形呈根部清晰的林状间波(图 8) 。 图7 疏松波形图8 白点波形 3. 3 轧制钢棒 (1)缩孔 冒口端条状分布,多出现在碳结构 钢中,对底波有明显影响,圆周方向探测能发现。 (2)内部裂纹 多出现在高速钢中,寒冷季节 比高温季节易出现,圆周方向探测波形变化较大,对 底波影响明显。 3. 4 对接钢焊缝 (1)凝固性裂纹 呈星状,出现在焊道的起弧、 收弧部位和热影响区,多出现在表面。 (2)冷却裂纹 呈折线状,端部较细,淬硬性好 的钢材中易产生,由残余应力偏大和金属内部组织 偏硬引起,回波较高,波峰较宽,多峰(图 9) 。 (a)(b) 图9 裂纹波形 (3)裂纹 (层状撕裂)多产生在尺寸较厚的T 型焊缝或角焊缝上,回波特征同上。 (4)未焊透 呈线状或条状,一般在焊缝中部 和根部,是垂直于钢板的面状缺陷,波形见图10。 图10 未焊透波形图11 焊缝中的夹渣波形 (5)未熔合 包括坡口和层间未熔合,片状缺陷类 似裂纹,但表面比裂纹光滑。探头折射角合适时回 波较高,从焊道两侧探时,反射幅度不同。 (6)夹渣 包括点状夹渣(点渣)和条状夹渣 (条渣 ) , 夹渣带有一定棱角,条渣呈条状连续或断续 分布。点渣回波有方向性,与气孔不同,条渣多呈锯 齿状,反射率偏低,根部较宽,好像树枝一样,主干旁 边有小枝峰(图 11) 。 (7)气孔 呈空心球状,单个气孔回波(图 12a) 幅度不高,波形稳定;密集气孔常出现一簇反射回波 (图12b) ,从不同方位探测,回波幅度变化不大。 (a)(b) 图12 气孔波形 4 波形信号的判断方法 4. 1 分布状态判断法 分布状态判断法是根据缺陷的分布状态和几何 位置判断其性质。在现役飞机超声检测中,多采用 该方法对缺陷进行定性。白点多出现在锻件大截面 段的偏析带上,群集分布。未焊透必在焊缝的根部。 4. 2 回波个数判断法 把缺陷分为单个或多个,以便确定其危害程度。 4. 3 回波高度判断法 最大回波高度可作为判断缺陷性质的依据,如 超声波对裂纹较敏感,探测面合适时其回波较高,反 射强烈。铸件中的疏松和锻件中的粗晶不可能有较 高回波。 4. 4 回波根部判断法 根据回波的宽度或其根部特征来对缺陷性质及 种类进行判断。气孔、 点渣、 白点和脆性断口的冷裂 纹根部较干净,铸件上的缩孔、 焊缝上的条渣和塑性 断口的裂纹则为多峰,根部也带有小波。 (下转第316页) 413 吴德新等:超声检测中的波形识别与缺陷定性 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 为防止生锈,用宽20mm、 厚2mm和0. 5mm的 不锈钢扁钢,12mm不锈钢管,四块20mm20mm 6mm钢块以及棘轮,小钢丝绳和紧箍。 1. 3 构造 以 377mm管为例,探伤专用架形状如图3。 图3 1.凹槽 2.不锈钢管 3.棘轮 4.钢块 取 两 条 厚2mm ,长300mm扁 钢,弯 成 与 377mm管外弧相贴切。取四块20mm20mm 6mm钢块,中间钻 6mm孔,垂直焊在扁钢的两端。 为使射线束中心穿过管的圆心并有一定的倾斜角 度,根据透照焦距和射线机的大小,按图2和图3在 实际钢管上量出垂直不锈钢管的长度,按图3进行 焊接,用小钢丝绳和棘轮将探伤架固定在管子上。 取200mm长扁钢一条,弯成与射线机机身相 贴切,焊在与管子平行的两条不锈钢管位置上,另取 厚0. 5mm扁钢将射线机机身用紧箍固定在探伤架 一端。制作两个凹槽,焊在另一端的两条不锈钢管 上,将射线机底端手柄固定在上面,探伤架制成。 2 应用和局限 透照方式采用双壁单影,先划分好焊缝探伤等 份,射线机固定在探伤架上,探伤架固定在管子上, 射线机窗口的中心对准有效透照范围焊缝中心的对 称位置,这时射线束中心就穿过管子的圆心,可以进 行透照。拍完第一张片,松开棘轮,探伤架转动一定 角度至另一张拍片位置,拉紧棘轮,使探伤架固定, 进行第二次拍照。 用此探伤架对某地供热500多米埋地管线的 76道焊缝拍摄500多张片,取得预想的效果。 由于各种规格管子的弧度不一样,所以一个探 伤架只适合一种规格的管子,这是该探伤架的局限。 3 结束语 用此探伤专用架在大径管焊缝探伤时,透照完 一张底片,然后移动到另一个位置进行第二次透照 的时间,一般 3min ,大大节省探伤时间,工作效率 得到了提高。在探伤过程中,射线机与焊缝的倾角 和透照焦距是保持不变的,故透照参数可保持不变, 透照底片的质量大大提高。制作一个探伤架的费用 很低,经济高效。 (上接第314页) 4. 5 动态波形判断法 判断动态波形的特征是缺陷定性中很重要的方 法。焊缝中裂纹在转角扫查时则有明显的上下错动 现象,而未焊透转角扫查时则无多峰错动现象。在 轴类锻件中区分残余缩孔或轴心裂纹时,轴向平移 轴心裂纹在同一截面360 扫查则回波差别很大。 4. 6 静态波形判断法 不同缺陷有不同的代表性静态波形特征,如轴 类锻件中的粗晶是中心带上有一段草状波,偏析是 在离中心等距的两个对称位置上有两束丛状波,根 部不清晰,反射较弱。焊缝中的条渣则有多个波峰, 根部不清晰。 4. 7 底波影响判断法 危险性缺陷或较大缺陷(如锻件上的裂纹、 缩孔 和残余缩孔)对底波有明显的吸收。 4. 8 更换探头试验法 用不同探头尽可能找出缺陷的最强反射面,便 于判断,在精密扫查时,可用聚焦探头和双晶探头。 用一发一收斜探头可判断材料内部面状或体状缺 陷。用两个辐射方向相同、 间距固定的斜探头作串 列式扫查,较易发现垂直于焊缝底波的大而平缺陷。 5 结束语 上述脉冲干扰信号和转换噪声的分析以及各种 材料中