超声检测应用

2-2-4超声检测应用 常采用超声波检查的产品形式有锻件、铸件、焊接件，复合材料和其他材料等。主要应用有两方面：原材料或新构件的生产型检测；在役设备的检测。

(1)锻件检测 锻件中缺陷大致分为由铸锭中缺陷引起的和锻造过程中所产生的两种类型，常见缺陷如下。

A缩孔铸锭冷却收缩时形成的孔洞，锻造前切头量不足而残留下来，常见于轴类锻件一端、并位于横截面中心，具有较大的体积和轴向长度。B缩松铸锭冷却收缩时形成不致密和小孔穴，单个尺寸很小，呈弥散分布，当锻件锻压比不足时未能焊合，这种缺陷一般也在锻件中心。C夹杂物根据其来源和牲质可分为：内在非金属夹杂物、外来非金属夹杂物和金属夹杂物。内在非金属夹杂物尺寸较小，常被钢液漂浮、位于钢锭的最后凝固区域。外来非金属夹杂物尺寸较大，位置不固定。D裂纹裂纹种类甚多，形成的原因不一。

为了确保探头和工件表面接触良好，被探表面最好经过机械加工，使表面粗糙度达到要求。如不能进行机械加工，工件的被检表面也应该用砂轮或其它工具打磨，除掉表面的氧化皮、油污、锈蚀和斑痕等不利于超声检测的障碍物。在锻件超声检测中，发现缺陷的能力与缺陷在工件中的取向关系极大，在检测前必须熟悉锻件的加工艺，分析缺陷在锻件中存在的形式，并选取最佳探测面。注意事项：1频率选择：大型锻件在热处理前由于晶粒粗大，只能采用频率为0.5～1MHz的探头检测，而淬火、回火后则可用2～5MHz频率。国内常用的检测频率是2.5MHz，国外常用的为2～2.5MHz。用得最广泛的探伤方法是纵波脉冲反射法，必要时对径向缺陷也可用斜探头作横波检测。

2锻件中最常见的缺陷是非金属夹杂与裂纹，这两种缺陷在检测中仅用反射波高度和缺陷深度指示比较难以区分，还必须从移动探头时得到的图形变化来补充。夹杂物一般位于锻件中心部位或环状部位，其波型大多表现为数量很多、大小不一的密集反射波。裂纹一般更规则、更分散，其大小比非金属夹杂物均匀，而且与锻造方向有关。与夹杂物相比，裂纹反射波间的基线明显地分开。裂纹区的反射波衰减显著，为了使差异更明显，有时采用5MHz频率。

3轴类锻件、运转时转速很高，承受较大载荷的如发动机主轴、汽轮机及发电机的转子轴以及柴油机曲轴等。为保证轴类锻能正常工作，必须用超声检测其内部缺陷，所用频率通常为2.5MHz，用直探头在轴的圆周上进行检测，可有效地检测轴的内部缺陷。4锻件毛面探伤的困难在于表面有较厚的氧化皮和表面粗糙度已超过声波波长，造成超声散射。解决的办法是采用非接触的电磁超声检测或采用低频和大直径聚焦声束法。(2)铸件检测铸件中的常见缺陷：(1)针孔和气孔：一般都发生在其吸附物或发生源附近，也有是因浇注不善引起的。（2）缩孔和缩松：金属凝固时，由于收缩会形成缩孔和缩松，缩孔是因金属液不能充分补充而产生的。缩松是分散的缩孔，在工件中表现为多孔性疏松部分。（3）砂眼与渣眼：大多是由于浇注系统设计不当形成的，砂型不均匀、浇注时除渣不够、操作不当等也都可能形成砂眼或渣眼。（4）热裂纹：铸件各部分冷却速度不同，其热应力超过材料强度时铸件产生裂纹，裂纹发生在应力最大的部位，可能在表面，也可能在内部。（5）粗晶和树枝晶：与锻件相比，铸件内部晶粒一般比较粗大，并存在组织的各向异性。（6）粗糙表面：铸件的铸态表面比较粗糙。由于铸件中晶粒粗大和组织不致密，超声波在铸件中传播时衰减比较大，穿透性能较差。因此，与其它工件相比必须特别注意材料的衰减系数。随着晶粒粗大，金属结晶方向上的弹性各向异性变得明显，使不同方向上的声速造成差异，最大甚至可达5.5%。而且，铸件内不同位置上组织的致密性也不一致，使铸件超声检测时定位困难。铸件的铸态表面比较粗糙，不容易得到良好的声耦合，因此铸件的检测灵敏度比较低，难以检出比较小的缺陷。为提高铸件超声检测的可靠性，研究超声波在铸件粗大晶粒组织中的传播机理和铸造缺陷的检测方法，已经成为热门的研究课题。

铸钢件：铸钢件的超声检测相对比较容易，这是因为一般铸钢件中的衰减不是特别大，因此声的穿透性还是可以的。用超声波检测奥氏体铸钢件比较困难，因为它的晶粒粗大，晶界反射出现的林状回波使缺陷的反射波受到干涉。目前比较有效的办法是采用窄脉冲探头和聚焦探头。铸铁件：与铸钢件相比，超声波对铸铁工件的穿透性较差，容易产生林状回波，探伤比较困难。不过不同铸铁件对超声波的穿透性的影响不一样，灰口铸铁由于有粗大的片状石墨，超声的穿透性极差，探伤非常困难。球墨铸铁的球状石墨对超声穿透性的影响就小一些，白口铁的超声穿透性相对最好，甚至频率高一些也能探伤。目前球墨铸铁的超声检测比普遍，而且可以评定其内部组织状况。有色金属铸件：种类繁多，其缺陷存在的情况也就更为多样，与铸钢件相比，探伤困难较大。特别是被检材料与内部缺陷之间，特性阻抗的差别小，缺陷反射率较低，检测更为困难。铝合金铸件的各向异性很小，因此尽管有时晶粒很粗大，但仍能进行超声检测。

实例：以球墨铸铁连杆为例，采用频率为2.5MHz，直径为12mm探头，进行超声检测。该连杆质量可按探伤结果分为7个等级，6级质量最好，0级最差。0级：无背面回波、缺陷(缩松和夹杂物)面积大于等于30×15(mm)。1级：只有一次背面超声回波，此时的缺陷面积在10×10(mm)左右。2级：只有2次背面超声回波，此时的缺陷面积在5×10(mm)左右。3级：只有3次背面超声回波、此时的缺陷面积呈分散分布。4级：有4次背面回波，有4～5个小缺陷。5级：有5次背面回波，有1～2个小缺陷。6级：有6次或更多次底面回波，无缺陷。(3)焊缝检测常用的焊接接头型式有对接、角接、丁字按和搭接4种，如图所示。超声检测中最常遇到的是对接接头，其次是角接接头和丁字接接头，搭接接头较少。焊接前常把连接端面加工成合适的形状，称为坡口形式，如图所示焊接缺陷：因焊接不当，焊缝及热影响区产生缺陷。按缺陷分布位置可分为外部缺陷和内部缺陷，如图外部缺陷：包括未焊透、咬边、焊瘤、表面裂纹、烧穿等。咬边。是在焊缝边缘母材上被电弧烧熔的凹槽，焊瘤。是正常焊缝外多余的焊着金属。

内部缺陷：包括夹渣、夹杂物、未焊透、未熔合、气孔、裂纹等。气孔。对材料静强度影响不大，但也不允许密集气孔的存在。夹渣和夹杂物。焊后残留在焊缝中的熔渣和焊接冶金反应产生的杂质，如氧化物等称为夹渣和夹杂物。其形态无一定规律可循。未焊透。焊接时接头根部未完全熔透而残留的原坡口部分叫未焊透。未熔合。熔焊时焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分叫未熔合。裂纹：情况复杂，生成部位不一，造成开裂的因素很多。裂纹常产生于低合金高强度钢中，有时在焊后才发生的称为延时裂纹。裂纹的危害性最大，是超声检测的重要检测对象，超声检测对裂纹和未焊透则非常敏感。注意事项：

1 由于焊缝有余高、表面凹凸不平，而且焊缝中的危险性缺陷大多与探测面接近垂直或形成一定角度，故主要用横波对焊缝进行检测。频率选择。用横波斜探头在焊缝两侧扫查，探头频率一般采用 2～2.5MHz，为了提高检测分辨力有时也可采用 5MHz。角度选择。斜探头的角度主要由工件厚度决定，当然也要考虑 焊缝形状、缺陷位置和方向，使超声束尽可能与 缺陷相垂直。2 适用于超声检测的焊缝从材质来看，主要有软钢、低合金钢、镍钢和不锈钢。软钢和低合金钢焊缝的组织一般比较细。当采用电渣焊时，由于冷却慢晶粒变粗，超声衰减显著，而且出现林状回波，使超声检测变得困难。若是仅仅为了检出未熔合等显著损害使用性能的缺陷，可采用低频探伤。奥氏体不锈钢焊缝的晶粒非常粗大，在采用横波斜探头时出现林状反射波，衰减显著，一般情况下很难检出缺陷。目前比较有效的办法，是采用脉冲宽度窄的宽频带纵波斜探头、分割型探头或聚焦探头，以改善信噪比。3 当焊缝具有倾角的缺陷时，即使从一侧检测不能检出的缺陷，多数情况下也能从另一侧检出。因而一般由于不知道所包含缺陷的形状和是否倾斜，在粗探伤时应尽可能从两侧进行探伤。实例对接焊缝的检测：主要利用w字形横波，即在内外表面间的多次反射波。扫查必须用直射法0.5跨距以内)和一次反射法(0.5～l跨距)。为了提高测定的精度，尽量用直射法，缩短声程。为了提高再现性与可靠性，还必须从焊缝的另一侧进行扫查。对指向性高的缺陷，只能从一个方向得到较好的指示。利用这种扫查方法，除横向裂纹外可以检出一且其它缺陷。探头的扫查前端必须从连接补强的焊缝边界位置开始。如果焊缝中间有大而平的裂纹与探测表面垂直或有类似状态的未熔合时，仅用一个探头不能充分检出缺陷，此时要采用串列法工件太厚时，仅从单面探伤时声程过长，因而必须从两面进行探伤，如图T字型焊缝的检测：可采用斜角和垂直探伤相结合法，例如图中的K形坡口与T型对接焊缝为检测焊缝根部的焊透程度及有无叠层，从位置A用直探头进行探伤。另从位置B用斜探头对焊缝进行探伤，也可以从位置C进行斜角探伤。角焊缝超声检测：探头位置与扫查方式，如图搭接焊缝的检测：探头位置与扫查方式，如图可能引起干扰的信号： 由于焊缝的外形复杂，检测时除缺陷回波外，可能产生各种非缺陷干扰信号，例如余高的回波。 在有垫板的单面焊中，如果一侧的底面反射波在一次反射的位置上，而另一侧的反射波在一次反射的位置之后，这有可能是垫板引起的反射 无垫板的单面焊底部有反射波时，若从焊缝两侧测到的当量值相差悬殊，可能是错边引起。焊角和咬边在探伤时，反射波容易与内部缺陷混淆(4)管材检测

管材中常见的缺陷有裂纹、夹层、夹杂、折叠及翘皮等。由于管材在热轧或冷拔过程中沿轴线方向的压延伸长，其受力和变形主要是在厚度方向上，造成缺陷方向大多数与管材轴线平行。因此在管材探伤中，根据声束轴线与缺陷反射面垂直的原则，一般采用垂直于管轴的空间斜入射的横波探伤法。对于小口径管材为了解决耦合问题，一般采用水浸法。对于大口径管，耦合和补偿问题较容易解决，可采用直接接触法。当管材厚度增大到一定程度时，折射声束就会达不到管材内壁，导致内壁及其附近的缺陷漏检管壁厚度为t，外径为D，则管材探伤条件是式中Ct-横波速度，Cl-纵波速度。对钢管而言，t/D<0.22，实际探伤时一般认为管材横波探伤的t/D值最大不超过20%当t/D值大于20%的厚壁管探伤时，可采用纵波-纵波-横波波型转换方法。使折射纵波先入射到管外壁上。这个折射纵波产生的反射横波就能够入射到厚壁管内壁上。大口径管材采用直接接触法进行探伤时，若管材曲率较大，可在探头与管壁之间配置曲率相同的滑块。对外径在50mm以下的管材采用水浸探伤时，为提高检测灵敏度可采用聚焦探头，一般采用线聚焦探头。对于管径小于10mm的薄壁管，应采用点聚焦探头。当采用聚焦探头对管材进行探伤时，为了得到尽可能高的探伤灵敏度，对水层厚度的选择还应考虑探头焦点进入管材中的位置。(5)板材检测板材内部缺陷，多为与板面平行的扁平状，对于厚板，可采用纵波探伤。板厚小于6mm的薄板可采用板波探伤。厚板用接触法探伤，往往用于小面积探伤和抽查，对于大面积和批量探伤，可采用水浸法。水浸法探伤，可以减少探头近场区的影响。还可根据钢板底面多次回波的高度变化来判定声衰减的快慢，从而确定缺陷的严重程度。也可采用穿透法对板材进行探伤。板厚小于6mm的薄板通常采用板波探伤，这是因为板波对薄板中的缺陷比较敏感，探测灵敏度高，探伤速度快，容易自动化。在板波探伤中，可分别采用不同的入射角，就会激发出不同波型的板波，适用于不同性质和位置的缺陷的检测。（6）结合层的检测 由于在分界面上会产生反射，而且反射量会随着分界面每一侧的材料而变化，所以可用超声技术评价结合面的完整性。最简单的情况是，在结合线处信号强度的增加通常就表明该处结合不良。多结合层的检测可从一个表面上完成。飞行器机身的多层“皮肤”（外壳）就是这样的实例。超声测量技术超声波测量技术，就是利用非声学参量(如密度、浓度、厚度、强度、弹性、硬度、粘度、温度等)与声学参量(声速、衰减、声阻抗)之间的关系，探索它们关系的规律。反过来，再通过声学参量来测定出上述非声学参量。例如水电站几十米高的水库水位可以用超声方法测量到±1cm的误差。石油油罐液面高度也可测到±1mm的误差。某些液体的密度可用超声方法测到万分之几的精度。极薄层厚度可以用超声方法来测定。此外，诸如超声温度计、超声流量计、超声粘度计、超声硬度计等都已在生产中获得应用。(1)声速测量声速是描述超声波在介质中传播特性的一个基本物理量，根据测量精度的不同和具体的测量条件，有很多测量超声声速的方法。当测量精度要求不高时，可采用超声波探伤仪测量声速，把超声脉冲垂直入射到已知厚度的被测工件中，根据超声脉冲回波或透射波的传播时间来计算声速。采