脉冲反射法超声测通用技术

1、第6章脉冲反射法超声检测通用技术 超声波检测通用的技术：探测条件、耦合与补偿、仪器的调节、缺陷的定位、定量、定 性。 基本步骤：a.检测前的准备。 b. 仪器、探头、试块的选择。 c. 仪器调节与检测灵敬度确定。 d. 耦合补偿。 e. 扫查方式。 f. 缺陷的测定、记录和等级评定。 g. 仪器和探头系统复核。 6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。 多个检测面入射检测：变形过程使缺陷有多种取

2、向；单面检测存在盲区；单面检测灵 敬度不能在整个工件厚度范围内实现时。 例如： 锻件：缺陷大多平行与表面，通常采用纵波垂直入射检测，检测面可选为与锻件流线 相平行的表面； 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。 2. 检测面的准备：保证检测面能提供良好的声耦合。 6.2 仪器和探头的选择 正确选择仪器和探头对于有效地发现缺陷，并对缺陷定位、定量和定性是至关重要的。 实际检测中根据工件结构形状、加工工艺和技术要求选择仪器与探头 6.2.1检测仪器的选择 探伤要求仪器性能 定位要求高 水平线性误差小

3、 定量要求高 垂直线性好，衰减器精度高 大型零件检测 灵敬度余量高，信噪比高，功率大 发现近表面缺陷和区分相邻缺陷能力强 盲区小，分辨率好 室外现场检测重量轻，显示屏亮，抗干扰能力强，便携式 6. 2. 2探头的选择 根据被检对象的形状、声学特点和技术要求来选择探头。 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。 1探头型式：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

4、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 超声波检测频率范圉为0.510MHz,选择频率时应考虑的因素： 检测灵敏度：检测灵敬度约为1/2 X,频率高可提高检测灵敬度。 分辨力：频率高，脉冲宽度小，分辨力高。 声束指向性：久=血1.22勒,频率高，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，检测灵 敬度高，相对的检测区域小。 近场区长度：N =巴,频率高，近场区长度增加。 4/1 衰减：J=C2FiFf,频率高，衰减增加，信噪比下降。 缺陷反射指向性：

5、对于面积状缺陷，频率太高会形成显著的反射指向性，超声波不是近 于垂直入射到面状缺陷上，检出率降低。 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. 探头带當 宽带探头：脉冲宽度较小，深度分辨率好，盲区小，灵墩度较低； 窄带探头：脉冲较宽，深度分辨率变差，盲区大，灵敬度较高，穿透能力强。 4. 探头晶片尺寸 晶片面积500mm2,圆晶片4)25mm,选择晶片尺寸时应考虑的因素:

6、 晶片大小影响：声束指向性、近场区长度、近距离扫查范圉、远距离缺陷检出能力。 (1) 声束指向性：q严sinl.22*，晶片尺寸大，半扩散角小，声束指向性好，超声波 能量集中，对声束轴线附近的缺陷检出有利。 r)2 (2) 近场区长度：N=罕,晶片尺寸大，近场区长度增加，对检测不利。 4A (3) 扫查范围：晶片尺寸大，辐射超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，发现远 距离缺陷能力增加。 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

7、响缺陷检出率、检测灵敬度、声束轴线方向，一次波的声 程。 实际检测，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。 6.3耦合剂的选用 6.3.1耦合剂 超声IS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。 6.3.2影响声耦合的主要因素 1. 耦合层厚度：厚度为X/4的奇数倍时，透声效果差；为入/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，

8、要求工件检测面RaW6.3um，见图6-2。 3. 耦合剂声阻抗：对耦合效果有较大的影响，见图6-2。 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。 6.4纵波直探头检测技术 6.4.1检测设备的调整 调整内容：比仪器的扫描速度调整：b.检测灵敬度调整。 调整U的：保证在确定的检测范圉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LI的：比使时基线显示的范围足以包含需检测的深度范围； b.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：a.根据所需扫描声程范围确定时基扫描线比例: b.

9、零位调节，将声程零位设置在所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 仪器的扫描范圉和延迟旋钮，使两个信号的前沿分别位于相应的水平刻度 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：在确定的声程范圉内发现规定大小缺陷的能力。一般根据产品技术要求或 有关标准规定要求。 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敬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，使示波屏上人匸反射体的

10、最高 反射回波达到基准高度。 注意问题：工件厚度xv3N或不能获得底波情况时，较为适宜。 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，并对灵敬度进行补偿。 (2) 工件底波调整法：根据匸件底面回波与同深度的人工缺陷(如平底孔)回波分 贝差A dB为定值的原理进行的。 p2Ax dB理论计算公式：4 = 20lg= 20lg-(x$3N) P,ttD/ 式中：x匸件厚度，mm： Df要求探出的最小平底孔尺寸，mm。 注意问题：只能用于厚度x$3N的工件，要求工件具有平行底面或圆柱底面， 且底面光洁干净。 3传输修正值的测定 在利用试块调节检测灵敏度时，当工件

11、表面状态和材质衰减与对比试块存在差异时采取 的一种补偿措施。 测定方法：通过试块的底波与工件底波进行比较，取其比值的分贝值。 要求：试块与工件均有相互平行的大平底表面。 测定方法： (1) 试块和工件厚度相同： 使试块的一次底面回波Bi和工件的一次底面回波B?达到同一基准高度时 的衰减器读数为W (dB)和V2 (dB) 0 AdB=VrV2(衰减型) dB 二 V2-V1(增益型) (2) 试块和工件厚度不同： 按上述步骤测得AdB,再测得试块与工件的声程不同引起的底波高度的分 贝差 V3： Vf=20lg 勺 式中：x工件厚度，mm： Xj试块厚度，mm。 传输修正值为：A dB + V3

12、。 4工件材质衰减系数的测定 U的：在检测大厚度工件的情况下，用计算法调整灵敏度和评定缺陷当量时，计算材 质衰减引起的信号幅度差。 方法：在工件无缺陷完好区域，选取三处检测面与底面平行且有代表性的部位测定第 一次底面回波(B：或BJ幅度和第二次底面回波(B,或BJ幅度为同一基准高度 时的衰减器读数的dB差值，按下列公式计算衰减系数& o (1) 当 x W 3N 时：a=( Bn 一 Bin-20lg )/2x(m-n)； in (2) 当 x$3N 时：a=(B,-B2-6)/2x 6. 4. 2扫查 扫查：移动探头是声束覆盖到工件上需检测的所有体积的过程。 扫查方式：探头移动方式、扫查速度

13、、扫查间距。 扫查灵敬度：为了保证缺陷的检出，防止因耦合不稳使缺陷显示幅度过低而漏检，扫 查时将调整好的一起灵墩度在再增益46dB。 （1）扫查方式：按探头移动方向、移动轨迹来描述。 考虑：声束覆盖范圉和根据受检工件的形状、缺陷的可能取向和延伸方向， 尽量使缺陷能够重复显现，并使动态波形容易判别。 全面扫查：对工件全部体积进行扫查，探头在整个检测面上沿一定方向移动， 移动时相邻的间距需保证声束有一定的重叠量。 局部扫查：以间隔较大的间距进行扫查，或只扫查丄件的某些部位。 分区扫查：体积大、形状复杂的工件，将工件分成儿个部分（区）分别进行扫 查。 双晶探头检测时，扫查方式需要考虑扫查方向与隔声层

14、方向平行或垂直进行。 （2）扫查速度：探头在检测面上移动的相对速度。 扫查速度的上限与探头的有效声束宽度和重复频率有关。 扫查速度v为：v 4入 6.5横波斜探头检测技术 6.5.1检测设备的调节 1 探头入射点和折射角的测定 2扫描速度的调节：声程调节法、水平调节法、深度调节法。 (1) 声程调节法：示波屏上的水平刻度值T与横波声程X成比例。T： X=l： n (2) 水平调节法：示波屏上的水平刻度值T与反射体的水平距离C成比例。T n (3) 深度调节法:示波屏上的水平刻度值T与反射体的深度d成比例。T :QI： n 3. 距离一波幅曲线的制作和灵敏度调整 距离一波幅曲线：相同大小的反射体

15、随探头距离的变化其反射波高的变化曲线。 绘制：根据时基线调节的三种方法，按相应的方法进行绘制。 4. 传输修正值的测定和补偿 传输修正值:包括试块和工件两者间材料的材质衰减以及工件表面粗糙度和耦合状态引起的 表面声能损失。 (1 )单探头测定法:采用和工件相同厚度试块测定。 (2)双探头测定法：斜入射检测用一发一收的双探头测定。 1 )工件与试块的厚度相同 2)工件厚度小于试块厚度 3)工件厚度大于试块厚度 6.5.2扫查 四种基本扫查方式：前后、左右、转向和环绕扫查。 前后左右扫查用于发现缺陷的存在； 左右扫查用于缺陷横向长度的测定； 转向扫查和环绕扫查确定缺陷的形状。 6. 5. 3缺陷的

16、评定 缺陷的评定包括：缺陷的水平位置和垂直深度的确定以及缺陷尺寸的评定。 缺陷的水平位置和垂直深度：根据缺陷反射回波幅度最大时，在时基线上缺陷回波的前 沿位置所读出的声程距离或水平、垂直距离，再按已知的探头折射角讣算得到的。 缺陷的尺寸：通过测量缺陷发射波高与基准反射体回波波高之比，以及测定缺陷的延伸 长度来进行评定的。 1. 平面工件的缺陷定位 工件中缺陷的位置山探头的折射角和声程来确定或山缺陷的水平和垂直方向的投影来确 定。三种横波扫描速度调节方法(声程、水平、深度)相对应的缺陷定位方法。 (1) 按声程调节扫描速度时 一次检测波：Lf- x/sin 0= n tjsin B df = x

17、/cos /3 = n tfcos 0 二次检测波：Lf- x/sin 0 = n t fSin B df=2T x/cos 0= 2T n rfcos 0 (2) 按水平调节扫描速度时 次检测波：Lf=n rf 二次检测波：Lf=n rf LfHTf cl =2T- = 2T- KK （3）按深度调节扫描速度时 一次检测波：Lf = Kn rf d/=n t f 二次检测波：Lf=Kn rf df = 2T - nTf 2.II1柱曲面工件的缺陷定位 沿轴向检测，缺陷定位与平面相同； 沿周向检测，缺陷定位与平面不同，分外圆和内壁检测两种情况： （1）外圓周向探测：外圆周向探测圆柱面时，缺陷的

18、位置山深度H和弧长L来确定。 当探头从圆柱曲面外壁作周向检测时，弧长L总比水平距离C值大，但深度H 总比d值小。 （2）内壁周向探测：内壁周向探测圆柱面时，缺陷的位置山深度h和弧长1来确定。 当探头从圆柱曲面内壁作周向检测时，弧长L总比水平距离C值小，但深度H 总比d值大。 （3）最大探测壁厚：当用采用横波斜探头从外圆周向检测筒体工件时且波束轴线与筒 体内壁相切时，对应的壁厚为最大探测厚度Tm,工件壁厚超过该厚度值时，超声 波束将扫查不到内壁。 不同K值探头最大检测壁厚Tm与工件外径D之比TMD为： Tm D 3. 缺陷定量：缺陷回波幅度和指示长度。 回波幅度测定：依据规则反射体的回波幅度与缺陷尺寸的关系，常用实测距离一波 幅曲线进行评定。 （1）测长法：相对灵敬度法、绝对灵敬度法和端点峰值法。 （2）缺陷自身高度的测定 1）端部最大高度法 2）6dB 法 3）横波端角反射法 4）横波串列双探头法 5）端点衍射波法 4非缺陷回波的判定 （1）工件轮廓回波 （2）端角反射波 （3）探头杂波 （4）表面波 （5）幻象波 （6）草状回波 （7）焊缝中的变形波 （8）山”形波 6.6影响缺陷定位、定量的