超声波探伤第6讲

1、第四章超声波探伤方法和通用探伤技术超声波探伤方法虽然很多,各种方法的操作也不尽相同,但它们在探测条件、耦合可与补偿、仪器的调节、缺陷的定位、定量、定性等方面却存在一些通用的技术问题。掌握这些通用技术对于发现缺陷并正确评价是很重要的。§4.1超声波探伤方法概述一、按原理分类超声波探伤方法按原理分类,可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。1、脉冲反射法超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检试件内,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。按照判断缺陷情况的回波性质,脉冲反射法还可分为：(1)缺陷回波法根据仪器示波屏上显示的缺陷探伤图形进行判断的探伤,称为缺陷回波法。该方法是反射法的

2、基本方法。图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，在底面光滑且与探测面平行的条件下,探伤图形中只有表示发射脉的始波T及底面回波B两个信号，表示缺陷的回波F。 (2)底面回波高度法当试件的材质和厚度不变时,底面回波高度应是基本不变的。如果试件内存在缺陷,底面回波高度会下降甚至消失,如图所示。这种依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的探伤方法,称为底面回波高度法。底面回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的灵敏度较低,因此,实用中很少作为一种独立的探伤方法,而经常

3、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。(3)底面多次回波法当透入试件的超声波能量较大,而试件厚度较小时,在试件完好无缺陷的情况下,超声波可在探测面与底面之间往复传播多次,示波屏上出现多次底波。这种依据底面回波次数,而判断试件有无缺陷的方法,即为底面多次回波法。 底面多次回波法主要用于厚度不大的,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二次回波法。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,如图4.4所示。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脚探头进行探测,图4.4(a)为无缺

4、陷时的波形,因4.4(b )为有缺陷时的波形。 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或半波长的整数倍时,由于入射波和反射波的相位相同,则引起共振,因而仪器可显示出共振频率点,用相邻的两个共振频率之差,由以下公式算出试件厚度。 式中：一一第n点的共振频率； C一一被检试件的声速；一一试件厚度。当试件内存在缺陷时,将改变试件的共振频率。依据试件的共振特性,来判断缺陷情况的方法称为共振法。共振法常用于试件测厚。二、按波形分类根据探伤采用的波型,可分为以下几种方法。1、 纵波法使用直探头发射纵波,进行探伤的方法,称为纵波法。此法常将波束垂直入射至试件探测面

5、,以不变的波型和方向透入试件,所以又称为垂直入射法,简称垂直法。如图4.5所示。 垂直法分为单晶探头反射法、双晶探头反射法和穿透法。常用的是单晶探头反射法,垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的探伤,该法对与探测面平行的缺陷检出效果最佳,由于仪器盲区和分辨力的限制,只能发现试件内部离探测面一定距离以外的缺陷。在同一介质中传播时,纵波速度大于其它波型的速度,穿透能力强,晶界反射或散射的敏感性较差,所以可测试工件的厚度是所有波型中最大的,而且可用于粗晶材料的探伤。由于垂直法探伤时,波型和传播方向一般不变,所以缺陷定位比较方便。2、横波法将纵波通过模块、水等介质倾斜入射至试件探测面,利用波型转换得

6、到横波进行探伤的方法,称为横波法。由于透入试件的横波束与探测面成锐角,所以又称斜射法. 此方法主要用于管材,焊缝的探伤。其它试件探伤时,则作为一种有效的辅助手段,用以发现垂直探伤法不易发现的缺陷。3、表面波法使用表面波进行探伤的方法,称为表面波法。这种方法主要用于表面光滑的试件。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，声束反应敏感，并被大量地衰减。利用此特点，观察缺陷回波高度的变化,对缺陷定位。对各类反射体波高度的试验表明：除了糟的回波与其深度成正比(仅在2倍波长以内时)外,其余缺陷回波与其大小没有明显的联系,而且,球、圆槽等反射体

7、直径愈大,回波反而下降,对于与表面平行的平直缺陷,表面波几乎无法发现。表面缺陷,有的可以用肉眼看出,有的用磁粉或渗透法检测效果更好,所以表面波法的实际应用,通常是那些己为其它部件复盖的部位,或肉眼不易检测的深孔、内腔等部件的表面缺陷检查。4、板波法使用板波进行探伤的方法,主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件探伤,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。三、按探头数目分类1、单探头法使用一个探头兼作发射和接收超声波的探伤方法称为单探头法。单探头法操作方便,大多数缺陷可以检出,是目前最常用的一种方法。单探头法探伤,对于与波束轴线垂直的

8、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,由于绕射现象而难以检出,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。2、双探头法使用两个探头进行探伤的方法称为双探头法。一个发射,个接收,主要为发现单探头法难以检出的缺陷,并提高测定缺陷大小、类型的准确程度。双探头法又可根据两个探头排列方式和工作方式作进一步分类。按排列方式分类：(1) 并列式：两个探头并列放置,探伤前两者作同步又同向地移动。一般结构的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4.7()所示。分割式探头的原理,

9、就是将两个并列的探头组合在一起,具有较高的分辨能力和信噪比,适用于薄试件、近表面缺陷粗晶材料的探伤。 (2)交叉式：两个探头轴线交叉,两线相交之点应为要探测的部位,如图4.7(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。 (3)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4.7(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。(4)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4.7(d )所示。此

10、种探伤方法主要用来发现与探测面垂直的片状缺陷。(5) z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4.7(C )所示。此种探伤方法用来发现与探测面垂直的片状缺陷(如厚焊缝的中间未焊透)。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。3、多探头法使用两个以上的探头成对地组合在一起进行探伤的方法,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探伤速度或发现各种取向的缺陷。通常应由多通道仪器和自动扫描装置来配合。如图4.8所示。四、按擦头接触方式分类依据探伤时探头与试件的接触方式,可以分为以下几种方法

11、。1、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。2、液浸法将探头和工件浸于液体中的探伤方法。此液体起耦合剂作用,若用水作耦合剂,则称为水浸法。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。液浸法的探伤方式按接触类型分类,(1)浸没式被检试件全部授没于液体之中,适用于体积不大,形状复杂的试件探伤,如图4.9(a)所

12、示。(2)局部水浸法把被检试件的一部分浸设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。局部水浸法又分为喷液式通水式和满溢式。 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4.9（b）所示。 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4.9(c)所示。 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4.9(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。§4.2仪器与探头的选择探测

13、条件的选择一般是指仪器、探头、耦合和扫描方式等方面的选择。正确选择探测条件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。实际探伤中一般根据工件结构形状、加工工艺和技术要求来选择探测条件。一、探伤仪的选择超声波探伤仪是超声波探伤的主要设备。目前国内外探伤仪种类繁多,性能各异,探伤前应根据探测要求和现场条件来选择探伤仪。一般根据以下情况来选择仪器。1、对于定位要求高的情况,应选择水平线性误差小的仪器。2、对于定量要求高的情况,应选择垂直线性好,衰减器精度高的仪器。3、对于大型零件的探伤,应选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的仪器。4、为了有效地发现近表面缺陷和区分相邻缺陷,应选择盲区小

14、、分辨力好的仪器。5、对于室外现场探伤,应选择重量轻,荧光屏亮度好,抗干扰能力强的携带式仪器。此外要求选择性能稳定,重复性好和可靠性好的仪器。二、探头的选择超声波探伤中,超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。探头的种类很多,结构型式也不一样。探伤前应根据被探对象的形状、衰减和技术要求来选择探头。探头的选择包括探头型式、频率、晶片尺寸和斜探头K值的选择等。1、探头型式的选择常用的探头型式有直探头、斜探头(横波)、表面波探头、双晶(分割)探头等。一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的形式,使声束轴线尽量与缺陷垂直。直探头只能发射和接收纵波,波束轴线垂直于探测面,主要用于探

15、测与探测面平行的缺陷,如锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。斜探头是通过波形转换来实现横波探伤的。主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷。如焊缝中的未焊透、夹渣、未溶合等缺陷。表面波探头用于探测工件表面缺陷,双晶探头用于探测工件近表面缺陷。聚焦探头用于水浸探测管材或板材。2、探头频率的选择超声波探伤频率在0.510MHz之间,选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因素。(1)由于波的绕射,使超声波探伤灵敏度约为,因此提高频率,有利于发现更小的缺陷。(2)频率高,脉冲宽度小,分辨力高。有利于区分相邻缺陷。(3)由可知,频率高,波长短,则半扩散角小,声束指向性好,能量集中,有利于发现缺陷并对缺陷定位

16、。(4)由N=可知,频率高,波长短,近场区长度大,对探伤不利,(5)由可知,频率增加,衰减急剧增加。由以上分析可知,频率的高低对探伤有较大的影响。频率高,灵敏度和分辨力高,指向性好,对探伤有利。但频率高,近场区长度大,衰减大,又对探伤不利。实际探伤中要全面分析考虑各方面的因素,合理选择频率。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等,一般选用较高的频率,常用2.55.0MHz。对于晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率,常用。0.52.5MHz如果频率过高,就会引起严重衰减,示波屏上出现林状回波,信噪比下降,甚至无法判伤.3、探头晶片尺寸的选择

17、探头圆晶片尺寸一般为中1020mm,晶片大小对探伤也有一定的影响,选择晶片的尺寸时要考虑以下因素。(1)由可知,晶片尺寸增加,半扩散角减少,波束指向性变好,超声波能量集中,对探伤有利。(2)由N=可知,晶片尺寸增加,近场区长度迅速增加,对探伤不利。(3)晶片尺寸大,辐射的超声波能量大,探头未扩散区扫查范围大,远距离扫查范围相对变小,发现远距离缺陷能力增强。以上分析说明晶片大小对声束指向性,近场区长度,近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大的影响。实际探伤中,探伤面积范围大的工件时,为了提高探伤效率宜选用大晶片探头。探伤厚度大的工件时,为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。探伤小型工件时

18、,为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头。附表面不太平整,曲率较大的工件时,为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。4、横波斜探头K值的选择在横波探伤中,探头的K值对探伤灵敏度、声束轴线的方向,一次波的声程(入射点至底面反射点的距离)有较大的影响。由图1.35可知,对于用有机玻璃斜探头探伤钢工件, (K=0.84)左右时,声压往复透射率最高,即探伤灵敏度最高。由K=可知,K值大, 大,一次波的声程大。因此在实际探伤中,当工件厚度较小时，应选用较大的K值,以便增加一次波的声程,避免近场区探伤。当工件厚度较大时,应选用较小的K值,以减少声程过大引起的衰减,便于发现深度较大处的缺陷。在焊缝探伤中,还要保

19、证主声束能扫查整个焊缝截面。对于单面焊根部未焊透,还要考虑端角反射问题,应使K=0.71.5,因为K<0.7或K>1.5,端角反射率很低,容易引起漏检。 §4.3耦合与补偿超声耦合是指超声波在探测面上的声强透射率。声强透射率高,超声耦合好。为了提高耦合效果,在探头与工件表面之间施加的一层透声介质称为耦合剂。耦合剂的作用在于排除探头与工件表面之间的空气,使超声波能有效地传入工件,达到探伤的目的。此外耦合剂还起到减少摩擦的作用。一般耦合剂应满足以下要求：1.能润湿工件和探头表面,流动性、粘度和附着力适当,不难清洗。2.声阻抗高,透声性能好。3.来源广,价格便宜。4.对工件无腐

20、蚀,对人体无害,不污染环境。5.性能稳定,不易变质,能长期保存。超声波探伤中常用耦合剂有机油、变压器油、甘油、水、水玻璃等。它们的声阻抗如下：耦合剂 机油 水 水玻璃 甘油ZKg/·s 1.28 1.5 2.17 2.43 由此可见,甘油声阻抗高,耦合性能好,常用于一些重要工件的精确探伤。但价格较贵,对工件有腐蚀作用。水玻璃的声阻抗较高,常用于表面粗糙的工件探伤。但清洗不太方便,且对工件有腐蚀作用。水的来源广,价格低,常用于水浸探伤,但易使工件生锈。机油和变压器油粘度、流动性、附着力适当,对工件无腐蚀、价格也不贵,因此是目前应用最广的耦合剂。 此外,近年来化学浆糊也常用来作耦合剂,耦

21、合效果比较好。二、影响声耦合的主要因素影响声耦合的主要因素有：耦合层的厚度,耦合剂的声阻抗,工件表面光洁度和工件表面形状。1、耦合层厚度的影响如图4.10所示,耦合层厚度对耦合有较大的影响。当耦合层厚度为的奇数倍时,透声效果差,耦合不好,反射回波低。这与声强透射率公式1.25导出的结果是一致的。 2、表面光洁度的影响由图4.11可知,工件表面光洁度对声耦合有显著的影响。对于同一耦合剂,表面光洁度低，耦合效果差,反射回波低。声阻抗低的耦合剂,随光洁度的降低,耦合效果低得更快。但光洁度也不必太高,因为光洁度太高,耦合效果无明显增加,而且使探头因吸附力大而移动困难。一般要求工件表面的光洁度在47之间

22、。3、耦合剂声阻扰的影响由图4.11还可以看出,耦合剂的声阻抗对耦合效果也有较大的影响。对于同一探测面,即光洁度一定时,耦合剂声阻抗大,耦合效果好,反射回波降低小。例如表面光洁度m时,Z=2.4的甘油耦合回波比Z=1.5的水耦合回被高67dB。4、工件表面形状的影响工件表面形状不同,耦合效果不一样,其中平面耦合效果最好,凸曲面次之,凹面最差。因为常用探头表面为平面,与曲面接触为点接触或线接触,声强透射率低。特别是凹曲面,探头中心不接触,因此耦合效果更差。不同曲率半径的耦合效果也不相同,曲率半径大,耦合效果好。三、表面耦合损耗的测定和补偿在实际探伤中,当调节探伤灵敏度用的试块与工件表面光洁度、曲

23、率半径不同时,往往由于工件耦合损耗大而使探伤灵敏度降低。为了弥补耦合损耗，必须增大仪器的输出来进行补偿。 1.耦合损耗的测定为了恰当地补偿耦合损耗,应首先测定工件与试块表面耦合损耗的分贝差。一般测定耦合损耗差的方法为：在表面耦合状态不同,其他条件(如材质、反射体、探头和仪器等相同的工件和试块上测定二者回波或穿透波高分贝差。下面以横波斜探头为例来说一、二次波探伤时耦合损耗的测定方法。所谓一次波是指底面反射点至入射点的距离,二次波是指底面反射点至探测面反射点的距离,如图4.13所示。一次被探伤又称直射法,二次被探伤又称一次反射法。一、二次被对应的水平距离为一倍跨距,常用1S表示。首先制作两块材质与

24、工件相同、表面状态不同的试块。一块为对比试块、光洁度同试块,另一块为测定试块,表面状态同工件。分别在两块同深度处加工相同的长横孔反射体,然后将探头分别置于两试块上,如图4.12所示,测出二者长横孔回被高度的dB差,此dB即为二者耦合损耗差。以上是一次波探伤时耦合损耗差的测定法。当用二次波探伤时,常用一发一收的双探头穿透法测定。当工件与试块厚度、底面光洁度相同时,只需在同样探测条件下用穿透法测定二者反射波高的dB即可。当工件厚度小于试块厚度时,如图4.13所示。图中分别为工件上一倍跨距(1S)和两倍跨距（2S）测试点的底面反射波高,R为试块上一倍跨距（1S）测试点底面反射波高,在两波峰之间连一直

25、线,则用(衰减器测得的R与连接高度差dB即为二者的表面耦合差补偿量。1、 补偿方法设测得的工件与试块表面耦合差补偿是为dB。具体补偿方法如下： 先用"衰减器"衰减dB,将探头置于试块上调好探伤灵敏度,然后再用"衰减器'增益dB (即减少dB衰减量),这时耦合损耗恰好得到补偿,试块和工件上相同反射体因波高度相同§4.5缺陷位置的测定超声波探伤中缺陷位置的测定是确定缺陷在工件中的位置,简称定位。一般可根据示波屏上缺陷波的水平刻度值与扫描速度来-对缺陷定位。一、纵波(直探头)探伤时缺陷定位仪器按1：n调节纵波扫描速度,缺陷波前沿所对的水平刻度值为、则缺

26、陷至探头的距隔为： （4.7）若探头波束轴线不偏离,则缺陷正位于探头中心轴线上。例如用纵波直探头探伤某工件,仪器按1：2调节纵波扫描速度,探伤中示披屏上水量平刻度值70处出现一缺陷波,那么此缺陷至探头的距离为：2×70=140（mm） 二、表面波探伤时缺陷定位表面波探伤时,缺陷位置的确定方法基本同纵波.只是缺陷位于工件表面,并正对探头中心轴线。例如表面波探伤某工件,仪器按1：1调节表面波扫描速度,探伤中在示波屏水平刻度60处出现一缺陷波,则此缺陷至探头前沿距离为：1×60=60 (mm) 三、横波探伤平面时缺陷定位横波斜探头探伤平面时,波束轴线在探测面处发生折射,折射角随探

27、头的K值(或入射角)而变化。工件中缺陷的位置由探头的折射角和声程确定或由缺陷的水平和垂直方向的投影来确定二由于横波扫描速度可按声程、水平、深度来调节,因此缺陷定位的方法也不一样。下面分别加以介绍。1、按声程调节扫描速度时仪器按声程1：n调节横波扫描速度,缺陷波水平刻度为。一次被探伤时,如阁4.19(),缺陷至入射点的声程 ,则缺陷在工件中的水平距离和深度为： （4.8） 二次波探伤时,如图4.19(b),缺陷至入射点的声程,则缺陷在工件中的水平距离,和深度为： （4.9）式中：T一一工件厚度；一一探头横波折射角。2、按水平调节扫描速度时仪器按水平距离1：n调节横波扫描速度,缺陷波的水平刻度值为

28、,采用K值探头探伤。一次波探伤时,缺陷在工件中的水平距离和深度为二次波探伤时,缺陷在工件中的水平距离和深度为 例如用K2横波斜探头探伤厚度T=15mm的钢板焊缝,仪器按水平1：1调节横波扫描速度,探伤中在水平刻度=45处出现一缺陷波,求此缺陷的位置。由于KT=2×15=30,2KT=60,KT<=45<2KT,因此可以判定此缺陷是二次波发现的。那么缺陷在工件中的水平距离和深度为: ×45=45（mm） ×15=7.5（mm） 3、按深度调节扫描速度时仪器深度1: n调节横波扫描速度,缺陷波的水平刻度值为,采用K值探伤。一次波探伤时,缺陷在工件中的水平距

29、离和深度为： 二次波探伤时,缺陷在工件中的水平距离和深度为：例如用K1.5横波斜探头探伤厚度T=30mm的钢板焊缝,仪器按深度1：1调节横波扫描速度,探伤中在水平刻度40处出现一缺陷波,求此缺陷的位置。由于T<<2T,因此可以判定此缺陷是二次波发现的。缺陷在工件中的水平距和深度为：=1.5×1×40=60（mm）=2×30140=20(mm) 四、横波周向探测圆柱曲面时缺陷定位前面讨论的是横波探伤中探测面为平商时的缺陷定位问题。当横波探测圆柱面时若沿轴向探测,缺陷定位与平面相同；若沿周向探测，缺陷定位则与平面不同。下面分外圆和内壁探测两种情况加以讨论。1. 外圆周向探测 如图4.20所示,外圆周向探测圆柱曲面时,缺陷的位置由深度H和弧长来确定，显然H、与平板工件中缺陷的深度d和水平距离l是有较大差别的。图4.20中AC=d (平板工件中