超声波无损检测第8章

1、超声检测,娄旭耀,河南省锅炉压力容器安全检测研究院,2011年6月,第七章 板材和管材超声检测,7.1钢板超声检测,薄板常用板波检测法（5.3.4）；,中厚板垂直入射法（垂直板面入射的纵波直探头检测法）,板材分类(从超声检测的角度) ： 薄板40mm,7.1.1钢板中常见缺陷 分层、折叠和重皮、白点、裂纹 分层是板坯中缩孔、夹渣等在轧制过程中未融合而形成的分离层。存在于内部 分层破坏了钢板的整体连续性，影响钢板承受垂直板面的拉应力作用的强度。 这些缺陷有的是钢水本身产生，如脱氧时加脱氧剂造成，或炼钢炉混入钢水中的耐火材料等，这些缺陷在钢锭中位置没有一定规律，故出现在钢板中位置也无序。 分层是以

2、上缺陷轧制而成，大多与钢平行，且具有固定走向。为平面状缺陷，严重时形成完全剥离的层状裂纹，对小的点状夹杂物则形成小的局部分层。,折叠和重皮钢板表面局部形成互相折合的双层金 属。存在于表面 白点是钢板在轧制后冷却过程中氢原子来不及扩散而形成的，白点的断裂面呈白色，多出现在厚度大于40mm的钢板中。存在于内部 裂纹轧制工艺和温度不合适时造成。存在于钢板表面，偶尔在内部。裂纹较少见，如轧制工艺稳定，这类缺陷不常见。,7.1.2 检测方法 中厚板一般采用脉冲反射式垂直入射法检测，耦合方式有直接接触法和水浸法。采用的探头有聚焦或非聚焦的单晶直探头、双晶直探头。 采用单晶直探头检测，在调节检测仪扫描线时，

3、一般采用多次底波反射法，即在示波屏上显示多次反射底波。这样不仅可以根据缺陷波来判定缺陷情况，而且可根据底波衰减情况来判定缺陷情况。只有当板厚很大时才采用一次底波或二次底波法。一次底波法示波屏上只出现钢板界面回波与一次底波，只考虑界面回波与底波B1之间的缺陷波。,采用底波多次反射法探伤应满足下面三条件： 1.工件的探伤面与底面互相平行，确保产生多次反射。（如工件加工倾斜就不合适）； 2.钢板材质晶粒度必须均匀，保证无缺陷处底面多次反射波次数的稳定。（各次相同）； 3.材质对超声波的衰减要小。保证反射底波有足够数量，以利探伤观察。一般碳钢、不锈钢均能满足这些条件。,无缺陷,7.1.2.1直接接触法

4、 探头通过薄层耦合剂与工件接触进行检测。当探头位于被检对象完好区（无缺陷）时，显示屏上显示多次等距离的底波，无缺陷波。,小缺陷,当探头位于缺陷较小的区域（缺陷截面小于声束截面积）时，显示屏上缺陷回波与底波共存，底波有所下降。,大缺陷,当探头位于缺陷较大区域（缺陷截面大于等于声束截面积）时，显示屏上只有缺陷的多次反射波，底波消失。,与液浸法区别是耦合层较薄，耦合剂/钢板的界面反射波在始脉冲宽度以内在显示屏上看不到。,在钢板检测中值得注意的是：当板厚较薄且板中缺陷较小时，各次底波之前的缺陷波开始几次逐渐升高，然后在逐渐降低。这种现象是由于不同反射路径声波互相叠加造成的，因此称为叠加效应，如图所示。

5、,图中F1只有1条路径，F2比F1多三条路径，F3比F1多五条路径。路径多，叠加能量多，缺陷回波高。但当路径进一步增加时，衰减也迅速增加，这时衰减的影响比叠加效应更大，因此缺陷回波高。但当路径进一步增加时，衰减也迅速增加，这时衰减的影响比叠加效应更大，因此缺陷波升高到一定程度后又逐渐降低。 在钢板检测中，若出现叠加效应，一般应根据F1来评价缺陷。只有当板厚20mm时，才以F2来评价缺陷，这主要是为了减小近场区的影响。 叠加效应条件：a 小缺陷 b 中心部位 c 一般25mm以下（10-25）mm。,7.1.2.2液浸法（充液耦合法）,为使钢板上（耦合液体/钢）下（钢板底面）表面的多次反射波不互

6、相干扰，常调整液体层厚度使耦合液体/钢界面的反射波和钢板底面多次反射波重合，这种方法称为多次重合法,如图所示。,液浸法是探头与钢板通过一层耦合液体（常用水）来耦合如图所示。,当耦合液体/钢界面的界面波S第2、3、4次反射波分别与钢板的第1、2、3次底波一一重合时，称为一次重合法；当耦合液体/钢界面的第2、3、4次反射波分别与钢板的第2、4、6次底波重合时，称为二次重合法。依此类推,一般较为常用的是四次重合法。液浸法超声波检测中，耦合液体层厚度的确定可由（7.1）式通过计算求得：,h耦合液体层厚度 n重合次数（即一次重合法n=1、二次重合法n=2） c液耦合液体中的声速 c钢钢中的声速 T钢板厚

7、度,例1：用超声波水浸法检测厚度为32mm的钢板，若采用四次重合法检测，求水层厚度？,应用水浸多次重合法检测不仅可以减小近场区的影响，而且可以根据多次底波衰减情况来判断缺陷严重程度，一般常用四次重合法。,对充水直探头的要求： 为满足多次重合法要求，水层厚度要连续可调。 调至不同厚度时，必须保证发射的声束与钢板表面垂直。 充水探头内水套管内径必须大于最大水层厚度时声束直径。 进出水口位置应大于最大水层可调厚度，且出水口应小于进水口，保证 水套充满水。 探伤时应及时注意排除水中气泡。或采用消泡剂去除气泡。,7.1.3板材超声波检测过程,7.1.3.1表面要求 钢板检测时表面为轧制面，当表面比较粗糙

8、或氧化皮较为严重时，应做适当的处理，如用钢丝刷及打磨等。一般选取钢板的任意一个轧制面进行检测，如有需要也可选上下两个轧制面进行检测。,7.1.3.2探头选用 探头的频率一般为2.5MHz5MHz，这是因为钢板的晶粒比较细，较高的频率可以获得较高的分辨力。一般探头的直径为10mm30mm，对于较大面积的钢板为提高工作效率可采用较大直径的探头，对于较薄的钢板为减小近场区影响应使用双晶直探头或采用小直径的探头, 探头选用应符合表7.1的要求。,表7.1板材超声波检测探头选用,探头的结构形式主要根据板厚来确定。板厚较大时，常选用单晶直探头。板厚较薄时可选用双晶直探头，因为双晶直探头主要用于检测厚度62

9、0mm的钢板。,7.1.3.3试块选用原则 1、板材检测使用的标准试块CB阶梯试块，适用于板厚小于等于20mm钢板检测；,2、板材检测使用的标准试块CB平底孔试块，适用于板厚大于20mm的钢板检测。,3、当板厚不小于三倍近场区时，且板材上下两个表面平行也可取钢板无缺陷完好部位的第一次底波来校准灵敏度，其结果应与平底孔试块校准灵敏度的要求相一致。,7.1.3.4仪器系统的校准 1、扫描速度调节（检测范围） 扫描速度的调节应保证足够的检测范围，以便可以观察多次底波或缺陷波的情况。 2、灵敏度的调节 在钢板检测中一般用阶梯试块、平底孔试块、钢板底波法来进行灵敏度的调节。 a、 CB标准试块法 板厚2

10、0mm时，利用CB阶梯试块调节检测灵敏度时，探头对准试块与工件等厚（或不小于钢板板厚的近似厚度）处将第一次底波高度调整到满刻度的50%，再提高10dB作为基准灵敏度。,b、CB标准试块法 利用平底孔试块调节检测灵敏度时，探头对准表7.2规定的平底孔，调节仪器使平底孔反射波达到显示屏满刻度的50%作为基准灵敏度。,表7.2CB标准试块,c、底波法 还可利用多次底波来调节灵敏度，例如要求示波屏上出现五次底波，那么B5达到50%即可。板厚不小于探头的3倍近场区时，也可取钢板无缺陷完好区域的第一次底波达基准波高（一般为显示屏满刻度的50%），但底波法调节的灵敏度应与表7.2要求的灵敏度相一致。,扫查灵

11、敏度扫查时扫查灵敏度一般在基准灵敏度的基础上提高6dB，在测定缺陷当量时应将灵敏度调回基准灵敏度。,7.1.3.5扫查 扫查方式：常用的扫查方式有全面扫查、列线扫查、边缘扫查、格子扫查。,1、全面扫查 探头移动方向沿垂直于钢板压延方向对钢板做100%的全面积扫查，相邻两次扫查的覆盖面积一般不小于探头直径的15%，见图a）。对于要求较高的钢板常采用这种扫查方式。,2、列线扫查 在钢板上划出垂直于钢板压延方向的等间距的平行线（如有需要也可沿平行于钢板的压延方向进行），一般列线间距不大于100mm，见图b）。探头沿这些平行线进行扫查，在发现缺陷时再在缺陷周围扩大扫查范围，但在钢板剖口预定线两侧各50

12、mm（当板厚超过100mm时，以板厚的一半为准）内应作100%扫查。,3、边缘扫查 在钢板边缘的一定范围内做全面积扫查，见图c）。这个范围一般由相关的标准、规范给出。,4、格子划线扫查 在钢板周边50mm范围内做全面积扫查，其余部分画成方格子线，一般取100mm100mm或200mm200mm，探头沿格子线扫查，在发现缺陷时再在缺陷周围扩大扫查范围。见图(d）,7.1.3.6缺陷的判别与测定,1.缺陷判别,在钢板检测中一般根据缺陷波和底波来判别钢板中的缺陷情况，满足下列条件之一的均作为缺陷予以标识和记录：,a） 缺陷第一次反射波F150%； b）第一次底波B1100%，第一次缺陷反射波F1与第

13、一 次底波B1之比F1/ B150%； c）第一次底波B150%。,2.缺陷的测定,检测中达到要求记录水平的缺陷应测定其位置、大小、并估判缺陷的性质。,1）缺陷位置测定：根据缺陷波对应的水平刻度值和扫描速度确定缺陷的深度，根据发现缺陷时探头的位置确定缺陷的平面位置。,2）缺陷大小的测定：一般使用绝对灵敏度法测定缺陷的大小。在板材超声波检测中常按下述方法测定缺陷的范围和大小。 a）检出缺陷后，应在它的周围继续进行检测，以确定缺陷范围。 b）用双晶直探头确定缺陷的边界范围或指示长度时，探头的移动方向应与探头的隔声层相垂直，并使缺陷波下降到基准灵敏度条件下显示屏满刻度25%或使缺陷第一次反射波波高与

14、底面第一次反射波高之比为50%。此时探头中心的移动距离即为缺陷的指示长度，探头中心点即为缺陷的边界点。两种方法测得的结果以较严重者为准。 c）用单直探头确定缺陷的边界范围或指示长度，移动探头使缺陷第一次反射波波高下降到基准灵敏度条件下显示屏满刻度25%或使缺陷第一次反射波波高与底面第一次反射波高之比为50%。此时探头中心的移动距离即为缺陷的指示长度，探头中心点即为缺陷的边界点。两种方法测得的结果以较严重者为准。,d）按底面第一次反射波（B1）波高低于满刻度50%确定的缺陷在测定缺陷的边界范围或指示长度时，移动探头（单直探头或双直探头）使底面第一次反射波升高到显示屏满刻度的50%。此时探头中心的

15、移动距离即为缺陷的指示长度，探头中心点即为缺陷的边界点。,此外在测定缺陷的大小时还应注意叠加效应的识别。所谓叠加效应是指在薄板中当缺陷较小时，缺陷反射波从第一次开始，第二次、第三次反射波逐渐增高，增高到一定程度以后的反射波又逐渐降低的现象。,3.缺陷性质的识别：,根据缺陷反射波和底波特点来估计缺陷的性质。,分层：缺陷波形陡直，底波明显下降或完全消失。,折叠：不一定有缺陷波，但始脉冲加宽，底波明显下降或消失。,白点：波形密集尖锐活跃底波明显降低，次数减少，重复性差，移动探头，回波此起彼伏。,7.1.3.7缺陷的评定与质量分级,JB/T 4730.3-2005标准根据缺陷的性质、指示长度、指示面积

16、来进行缺陷的评定与质量分级，规定如下：,1.缺陷的评定,1）缺陷的指示长度的评定规则 单个缺陷按其指示的最大长度作为该缺陷的指示长度。若单个缺陷的指示长度小于40时，可不作记录。,2）单个缺陷指示面积的评定规则 单个缺陷的指示面积=缺陷的指示长度缺陷的指示宽度(与长度方向垂直的最大尺寸) a）一个缺陷按其指示的面积作为该缺陷的单个指示面积。 b）多个缺陷其相邻间距小于100或间距小于相邻较小缺陷的指示长度（取其最大值）时，以各缺陷面积之和作为单个缺陷指示面积。 c）指示面积不计的单个缺陷见表7.3,3）缺陷面积百分比的评定规则 在任一1m1m的检测面积内，按缺陷面积所占的百分比来确定。如钢板面

17、积小于1m1m，可按比例折算。,2.质量分级 1）钢板质量分级见表7.3。 2）在剖口预定线两侧各50（当板厚超过100时，以板厚的一半为准）内，缺陷的指示长度大于或等于50时，应评为级。 3）在检测过程中，检测人员如确认钢板中有白点、裂纹等危害性缺陷存在时，应评为级。,表7.3 钢板质量分级,7.2复合钢板超声波检测,7.2.1复合钢板的加工及主要缺陷,复合板是由基板和复合层板组成的。基板通常采用碳钢、低合金钢板或不锈钢板，复合层板通常采用不锈钢、钛及钛合金、铝及铝合金、镍及镍合金、铜及铜合金板。复合层板用来提高耐磨、耐腐蚀等性能，基板用来保证复合板的强度。,基板和复合层板的结合采用轧制法、

18、爆炸复合法和堆焊法等。,复合板中的缺陷主要是复合层板和基板结合层界面上的未结合，未结合部分的缺陷呈完全脱开或不完全脱开状态。超声波检测主要是检测基板和复合层板结合状态的。 脱层（脱接） 复合不良,7.2.2复合钢板的超声波检测过程,7.2.2.1探头选用 探头的选用应按表7.1的规定进行。常用单晶直探头或双晶直探头进行纵波检测 ，检测频率2.55.0MHz，探头直径一般不大于25mm。,7.2.2.2耦合方式,耦合方式可采用直接接触法或液浸法。,7.2.2.3检测面,一般从基板侧表面进行检测，需要时也可以从复合板材侧进行检测。,7.2.2.4扫查方式,a) 扫查方式可采用100%扫查或沿钢板宽

19、度方向，间隔为50mm的平行线扫查； b) 根据合同、技术协议书或图样的要求，采用其他扫查形式； c) 在坡口预定线两侧各50mm内应作100%扫查。,7.2.2.5基准灵敏度的确定,将探头置于复合钢板完全结合部位，调节第一次底波高度为显示屏满刻度的80%。以此作为基准灵敏度。,7.2.2.6未结合区的测定,第一次底波高度低于显示屏满刻度的5%，且明显有未结合缺陷反射波存在时（5%），该部位称为未结合区。移动探头，使第一次底波升高到显示屏满刻度的40%，以此时探头中心作为未结合区边界点。,7.2.2.7未结合缺陷的评定和质量分级,不同的标准对未结合缺陷的评定与质量分级有不同要求，JB/T 47

20、30.3-2005标准对未结合缺陷的评定和质量分级的规定如下：,1.缺陷指示长度的评定 一个缺陷按其指示的最大长度作为该缺陷的指示长度。若单个缺陷的指示长度小于25mm时，可不作记录。,2.缺陷面积的评定 多个相邻的未结合区，当其最小间距小于等于20mm时，应作为单个未结合区处理，其面积为各个未结合区面积之和。,3.未结合率的评定 未结合区总面积占复合板总面积的百分比。,4.质量分级评定 1)复合钢板质量分级评定按表7.4的规定。,表7.4 复合钢板质量等级评定,2)在剖口的预定线两侧各50mm的范围内，未结合的指示长度大于或等于25mm时，定级为级。,7.2.3复合钢板超声波检测的反射波分析

21、,复合板的基板和复合层板即使完全结合，由于复合层板的声阻抗和基板的声阻抗一般不相同，因此对复合板作纵波垂直检测时，在基板和复合层板的结合界面上会产生反射波，超声波检测仪显示屏上同时收到界面反射波和底面反射波。,复合板纵波垂直检测时超声波的传播路径和检测图形见示意图，图中I、I1为界面反射波， I2为界面多次反射波；B为底面反射波，B1的传播路径较为复杂：一条是I1经复合板表面反射然后在界面处透射，而后经基板底面反射，这个反射波在界面处透射最后回到复合板表面；另一条是B经复合板表面反射后，在界面处再次反射并回到复合板表面。设界面的声压反射率（取决对值）为r,按第二章第六节讲述的理论，即：,钛复合

22、钢板纵波垂直检测时的超声传播路径和反射波示意图 7.4,表7.5表示由计算得出的基板和几种复合层材料组成的界面的声压反射率。这里基材（钢）的声阻抗取46106kg/m2s。,表7.5 基板（钢）和复合层板的界面声压反射率,在图7.5中,如以I1/B或I/B作表示界面反射波大小的指标,则其间关系如下:,用表7.4中的数值用式（5-3）计算I/B,结果见表7.5,表7.5 界面反射波的大小,由此表可知, 复合层板是18-8不锈钢的复合板,界面反射波极小,几乎看不到.而复合层板是铝和钛的 复合板,界面反射波就相当大.图7.4是按复合层板是钛的情况画出来的,7.3 无缝钢管超声波检测,钢管按其加工方法

23、分为无缝钢管和焊接管，无缝钢管加工有热轧和冷拔两种方法，焊接管加工有螺旋焊缝和直缝电焊钢管两种方法，本节介绍碳钢和低合金钢及奥氏体不锈钢无缝钢管的超声波检测。,7.3.1无缝钢管的常见缺陷,无缝钢管加工方法有热轧（挤压无缝钢管）和冷拔，无缝钢管中缺陷与加工方法有关。无缝钢管中常见缺陷有裂纹、折迭、分层等；折迭属表面缺陷；裂纹存在于无缝钢管的内部和表面；分层属内部缺陷，本节介绍的超声波检测方法不适用于分层缺陷的检测。,7.3.2无缝钢管的常用检测方法,无缝钢管中缺陷按其方向有纵向缺陷和横向缺陷，钢管的检测主要针对纵向缺陷。检测纵向缺陷时超声声束应由钢管外圆横截面中心线一侧倾斜入射，在管壁内沿周向

24、呈锯齿形传播（如图7.6所示）。检测横向缺陷时超声声束应沿轴向倾斜入射呈锯齿形传播（如图7.7所示）。在实际检测时，通常希望管材中存在的波形单一，形成的A型显示波形清晰简单，以便于缺陷信号的正确判断和解释。因此将管材检测的倾斜入射声束入射角选择在第一临界角和第二临界角之间，使管材中只存在横波进行检测且声束轴线能扫查到内壁。无缝钢管检测按耦合方式分为接触法和液浸法，下面介绍两种方法的特点。,图7.6 管壁内声束的周向传播,图7.7 管壁内声束的轴向传播,7.3.2.1接触法检测,接触法检测使用与钢管表面吻合良好的斜探头。管材曲率半径小时，接触法检测耦合不良，声束严重扩散，灵敏度低，一般采用聚焦探

25、头、将有机玻璃斜楔块加工成与管材表面吻合良好的曲面,也可在探头前加装与管材吻合良好的滑块（见图7.8）等方法提高检测灵敏度。接触法检测效率低、探头损耗大适用于单件小批量及规格多的情况。,接触法检测为保证管材内只有横波并使横波扫查到管材内壁（见图7.9）斜探头的折射角按下面方法确定：,1.材内只有横波,2.横波检测到管材内壁,3.时满足管材内只有横波并检测到内壁的条件为,式中：CL有有机玻璃中的纵波声速 CS钢钢中的横波声速 r检测的管内径 R检测的管外径,例题2：用单斜探头直接接触法检测32540mm无缝钢管，求探头的最大K值？ 已知：D0=325mm T=40mm 求:,解:,满足检测钢管内

26、壁的最大折射角,例题2：用单斜探头直接接触法检测32540mm无缝钢管，求探头的最大K值？ 已知：D0=325mm T=40mm,解:,满足检测钢管内壁的最大折射角,答:探头的最大K值为1.15。,求:,7.3.2.2液浸法,将液浸纵波探头置于液体中，利用纵波倾斜入射到液体/钢界面，当入射角在第一临界角和第二临界角之间时，在管材内对纵向缺陷进行全横波检测，见图7.10（图中所示反射波表示的是相对位置，实际检测中它们不会同时出现在显示屏上）。液浸法耦合效果好、检测速度快、灵敏度高、探头损耗小、特别适用于对小径管的全周长自动化检测。这里简单介绍一下液浸法的几个工艺参数的选择：,1.偏心距：探头声束

27、轴线与管材中心轴线的水平距离。控制偏心距就可以控制入射角。,偏心距的范围由两个条件决定，一是保证声束轴线能够检测到管材内壁，二是保证全横波检测。,声束轴线检测内壁的条件：,全横波检测的条件：,同时满足上述条件时：,偏心距的范围,耦合液体如果用水，将水和钢中的声速代入有,实际工作总常取偏心距的平均值即,式中：cL液液体中纵波声速,cL钢钢中纵波声速,cS钢钢中横波声速,R小径管外半径,r小径管内半径,X偏心距,2.液体层厚度：液体层厚度要保证液体/钢界面的第二次反射波位于管子的内壁缺陷的一次波和二次波之后，这样便于对缺陷的识别。如果用水作为耦合液体的话，由水和钢的声速可知水层厚度大于管材中横波声

28、程的一半就能满足上述要求，即：,3.焦距f:,4.聚焦探头声透镜的曲率半径,：,以有机玻璃探头水耦合为例,式中：,声透镜中纵波声速,藕合液体中纵波声速,藕合液体中焦距,7.3.3无缝钢管的超声波检测过程,管材的超声波检测以纵向缺陷为主，一般当合同双方有约定或技术文件有规定时才进行横向缺陷的检测。这里主要介绍纵向缺陷的检测。,7.3.3.1探头选用： 液浸法检测使用线聚焦或点聚焦纵波探头。接触法检测使用与钢管表面吻合良好的斜探头或聚焦斜探头。单个探头压电晶片长度或直径小于或等于25mm。探头频率为2.5MHz7.0MHz。 7.3.3.2试块选用 选用与被检管材规格相同，材质、热处理及表面状态相

29、同或相似的管材制成，试块上不得有影响人工反射体显示的缺陷。对比试块上的人工反射体为尖角槽，尖角槽的位置和尺寸如图3.27和表7.7所示。,7.3.3.3基准灵敏度的确定 直接接触法横波基准灵敏度的确定，可直接在对比试样上将内壁人工V形槽的反射波高度调到显示屏满刻度的80%，再移动探头，找出外壁人工V形槽的最大反射波，在显示屏上标出，连接两点即为距离-波幅曲线，作为检测时的基准灵敏度。 液浸法基准灵敏度按下述方法确定： 1.水层距离应根据横波在钢中的声程和聚焦探头的焦距 （ ）来确定；,表7.7 钢管超声波检测纵向缺陷的人工试块上的人工反射体尺寸,2.调整时，一面用适当的速度转动管子，一面将探头

30、慢慢偏心，使对比试样管内、外表面人工反射体所产生的反射波幅度均达到显示屏满刻度的50%，以此作为基准灵敏度。如不能达到此要求，也可在内、外槽设立不同的报警电平。 7.3.3.4扫查方式 探头沿径向按螺旋线进行扫查。一种是探头作轴向移动，管材作转动；一种是管材不动，探头沿螺旋线运动。探头相对钢管螺旋进给的螺距应保证超声声束对钢管进行100%扫查时，有不小于15%的覆盖率。,7.3.3.5灵敏度设定 扫查时在基准灵敏度的基础上提高6dB作为扫查灵敏度。每根管材应从管材两端沿相反方向各检查一次。 7.3.3.6无缝钢管验收要求 管材检测的验收级别由供需双方或相关的技术文件确定。在检测中当发现缺陷时，

31、仪器应调回到基准灵敏度，对于缺陷反射波幅度基准灵敏度，则该管材为不合格。不合格品允许在公差范围内进行修磨，修磨后复检。,8.1锻件超声波检测 8.1.1锻件加工及常见缺陷 8.1.1.1锻件加工 锻件是由热态钢锭经锻压变形而成。锻压过程包括加热、变形和冷却。锻压的方式大致分为镦粗、拔长和滚压。镦粗是锻造时压力施加于坯料的两端，形变发生在横截面上。拔长是锻造时压力施加于坯料的外圆，形变发生在长度方向。滚压是先镦粗坯料，然后冲孔再插入芯棒并在外圆施加压力。滚压既有纵向形变，又有横向形变。其中镦粗主要用于饼类锻件，拔长主要用于轴类锻件，而筒类锻件一般先镦粗，后冲孔，再镦压。 为了改善锻件的组织性能，

32、锻后需要进行正火、退火或调质等热处理工艺。,8.1锻件超声波检测 8.1.1锻件加工及常见缺陷 8.1.1.1锻件加工 锻件是由热态钢锭经锻压变形而成。锻压过程包括加热、变形和冷却。锻压的方式大致分为镦粗、拔长和滚压。镦粗是锻造时压力施加于坯料的两端，形变发生在横截面上。拔长是锻造时压力施加于坯料的外圆，形变发生在长度方向。滚压是先镦粗坯料，然后冲孔再插入芯棒并在外圆施加压力。滚压既有纵向形变，又有横向形变。其中镦粗主要用于饼类锻件，拔长主要用于轴类锻件，而筒类锻件一般先镦粗，后冲孔，再镦压。 为了改善锻件的组织性能，锻后需要进行正火、退火或调质等热处理工艺。,8.1.1.2锻件中的缺陷 锻件

33、缺陷可分为铸锭原材料缺陷、锻造缺陷和热处理缺陷。 铸锭原材料缺陷主要有：缩孔、疏松、夹杂、白点、裂纹等。 锻造缺陷主要有：折叠、裂纹等。 热处理缺陷主要有：裂纹等。,8.1.2锻件检测方法概述 锻件检测可分为原材料检测和制造过程中的检测，产品检验及在役检验。 原材料检测和制造过程中检测的目的是及早发现缺陷，以便及时采取措施避免缺陷发展扩大造成报废。产品检验的目的是保证产品质量。在役检验的目的是监督运行后可能产生或发展的缺陷，主要是疲劳裂纹。 锻件检测应进行纵波检测，对筒形和环形锻件还应增加横波检测。,8.1.2.1纵波检测 1.原则上应从两个相互垂直的方向进行检测，尽可能地检测到锻件的全体积。

34、 2.锻件厚度超过400mm时，应从相对两端面进行100%的扫查。 8.1.2.2横波检测 锻件进行横波检测时，检测方法按JB/T4730.32005标准附录C（规范性附录）的要求进行。,8.1.2.3各类锻件检测方法 1.轴类锻件的检测 轴类锻件的锻造工艺主要以拔长为主，因而大部分缺陷的取向与轴线平行，此类缺陷的检测以纵波直探头从径向检测效果最佳。考虑到缺陷会有其它的分布及取向，因此轴类锻件检测，必要时还应辅以直探头轴向检测和斜探头周向检测及轴向检测。 直探头径向和轴向检测：如图8.1所示，直探头作径向检测时将探头置于轴的外缘，沿外缘作全面扫查，以发现轴类锻件中的常见的纵向缺陷。 图 8.1

35、 轴类锻件直探头径向、轴向检测 直探头作轴向检测时，探头置于轴的端头，并在轴端作全面扫查，以检出与轴线相垂直的横向缺陷。但当轴的长度太长或轴有多个直径不等的轴段时，会有声束扫查不到的死区，因而此方法有一定的局限性。, 斜探头周向及轴向检测：锻件中若存在片状轴向（尺寸较小且接近圆周面）及径向缺陷或轴上有几个不同直径的轴段，用直探头径向及轴向检测都难以检出的，则必须使用斜探头在轴的外圆作周向及轴向检测。考虑到缺陷的取向，检测时探头应作正、反两个方向的全面扫查，如图8.2所示。 2.长方体锻件检测 长方体锻件的锻造工艺主要是以镦粗为主，拔长为辅，缺陷主要平行于锻件长的端面。采用直探头在垂直的两端面进

36、行检测为主，以检测与端面平行的缺陷如图8.3（1）（3）位置所示。锻件侧面检测为辅，以检测与端面垂直的缺陷。如图8.3（2）位置所示。,（a）周向检测 （b）轴向检测 图8.2 轴类锻件斜探头周向、轴向检测,图8.3 长方体锻件检测,3.饼类、碗类锻件的检测 饼类和碗类的锻造工艺主要以镦粗为主，缺陷的分布主要平行于端面，所以用直探头在端面检测是检出缺陷的最佳方法。 对于饼类锻件，从端面进行检测为主，以检测出与端面平行的缺陷。锻件侧面检测为辅，以检测与端面垂直的轴向缺陷。如图8.4（a）所示。 碗类锻件的检测，参照饼类及长方体的方法进行检测。如图8.4（b）所示。,4.筒类锻件的检测 筒类锻件的

37、锻造工艺是先镦粗，后冲压，再滚压。因此，缺陷的取向比轴类和饼类锻件中的缺陷的取向复杂。但由于铸锭中质量最差的中心部分已被冲孔时去除。因而筒类锻件的质量一般较好。其缺陷的主要取向仍与筒类的外圆表面平行，所以筒类锻件的检测仍以直探头外圆面检测为主，但对于筒壁较厚的筒类锻件，须增加斜探头检测。 1） 直探头检测：如图8.5所示，用直探头从筒体外圆面或端面进行检测。外圆检测主要是发现与轴线平行的周向缺陷。端面检测主要是发现与轴线垂直的横向缺陷。 2）双晶探头检测：如图8.5所示，为了检测筒体近表面缺陷，需采用双晶探头从外圆面或端面检测。,3）斜探头检测：对于某些重要的筒形锻件还要增加斜探头从外圆进行轴

38、向和周向检测，如图8.6所示。轴向检测为了发现与轴线垂直的径向缺陷。周向检测为了发现与轴线平行的径向缺陷。,7.其它类型的锻件，可参照上述锻件的检测方法进行检测。 8.1.3检测条件的选择 锻件检测采用脉冲反射式超声波探伤仪进行检测（模拟式仪器或数字式仪器），一般情况下以纵波直探头检测为主，对于有特殊要求的锻件，应辅以纵波双晶探头或横波探头进行检测。 8.1.3.1探头的选择 锻件超声波检测时，主要使用纵波直探头，晶片尺寸为1425mm，常用20mm。对于较小的锻件，考虑近场区和耦合损耗原因，一般采用小晶片探头。有时为了检测与检测面成一定倾角的缺陷，也可采用一定K值的斜探头进行检测。对于近距离

39、缺陷，由于直探头的盲区和近场区的影响，常采用双晶直探头检测。,锻件的晶粒一般比较细小，因此可选用较高的检测频率，单晶直探头采用2.55MHz。对于少数材质晶粒粗大衰减严重的锻件，为了避免出现“林状回波”，提高信噪比，应选用较低的频率，一般为1.02.5MHz。双晶探头的频率采用5 MHz。 8.1.3.2耦合剂选择 在锻件检测时，为了实现较好的耦合，一般要求检测面的表面的粗造度Ra不高于8.3m ，表面平整均匀，无划伤、油垢、污物、氧化皮、油漆等。 锻件检测时，常用机油、浆糊等作耦合剂，也可采用专用耦合剂。当锻件表面较粗造时也可选用甘油作耦合剂。,8.1.3.3扫查方式的选择 锻件检测时，原则

40、上应在两个相互垂直的检测面上进行全面扫查。扫查覆盖面应为探头晶片直径的15。探头移动速度不大于150mm/s。 8.1.3.4材质衰减系数的测定 在锻件尺寸较大时，材质的衰减对缺定量有一定的影响。特别是材质衰减严重时，影响更加明显。因此，在锻件检测中应进行材质衰减系数的测定。衰减系数的测定参照1.3.8.2的有关规定。 8.1.3.5试块选择 锻件检测中，要根据探头和检测面的情况选择试块。,1.单直探头标准试块 采用CS试块，其形状及尺寸应符合第3章图3.23的规定，尺寸应符合表1的规定。 表1 CS标准试块尺寸 mm,2.双晶直探头试块 a) 工件检测距离小于45mm时，应采用CS标准试块。

41、 b) CS试块的形状及尺寸应符合图3.24的规定，尺寸符合表2的规定。 3检测面是曲面时，应采用CS 标准试块来测定由于曲率不同而引起的声能损失并予以补偿，其形状和尺寸如第3章图3.25所示。 表2 CS标准试块尺寸 mm,8.1.3.6检测时机 锻件超声波检测应在热处理后进行，因为热处理可以细化晶粒，减少衰减。此外，还可以发现热处理过程中产生的缺陷。 对于带孔、槽和台阶的锻件，超声波检测应在孔、槽、台阶加工前进行。因为孔、槽、台阶对检测不利，容易产生各种非缺陷反射波。 当热处理后材质衰减仍较大且对于检测结果有较大影响时，应重新进行热处理。 8.1.4扫描速度和灵敏度的调节,8.1.4.1扫

42、描速度的调节 锻件检测前，一般根据锻件要求的检测范围来调节扫描速度，以便发现缺陷，并对缺陷定位。 扫描速度的调节可在试块上进行，也可在锻件上尺寸已知的部位上进行，在试块上调节扫描速度时，试块的材质应与工件相同或声学性能相近。 扫描速度的调节方法是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体反射回波(或一个反射体的两次反射回波)的前沿,分别对准相应的水平刻度值即可。注意，不能利用一次反射波与始波进行扫描速度的调节。 调节的扫描速度时，一般要求第一次的底波的前沿位置不超过水平极限刻度的80，以利于观察一次底波后的某些信号情况。 锻件检测一般情况下是采用纵波进行检测，因此扫描速度以纵波声程

43、按1：n的比例进行调节。,8.1.4.1扫描速度的调节 锻件检测前，一般根据锻件要求的检测范围来调节扫描速度，以便发现缺陷，并对缺陷定位。 扫描速度的调节可在试块上进行，也可在锻件上尺寸已知的部位上进行，在试块上调节扫描速度时，试块的材质应与工件相同或声学性能相近。 扫描速度的调节方法是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体反射回波(或一个反射体的两次反射回波)的前沿,分别对准相应的水平刻度值即可。注意，不能利用一次反射波与始波进行扫描速度的调节。 调节的扫描速度时，一般要求第一次的底波的前沿位置不超过水平极限刻度的80，以利于观察一次底波后的某些信号情况。 锻件检测一般情况下

44、是采用纵波进行检测，因此扫描速度以纵波声程按1：n的比例进行调节。,例：超声波检测200mm厚的工件，如何校准 扫描速度？ 1）根据工件的厚度选择扫描比例： 若取1:1，则有:200=1:1； =200，超出显示屏范围，说明此比例不行； 若取1:2，则有:200=1:2； =100，在显示屏范围，可取此比例。 或根据显示屏的范围进行比例，显示屏的范围为100，则：100:200=1:2 , 即检测此工件的扫描比例为1:2 注意：扫描比例选择时，是根据被检工件的厚度且保证底波在显示屏范围内进行确定。 2）具体调节的方法步骤： 可利用A试块尺寸为100mm进行调节， a确定B、波的位置。 :100

45、=1:2； =50，即B1波在显示屏50的位置，同理B2波在100的位置。,b、校准： 调节时将直探头对准A试块上厚度为100mm的底面，调节仪器上的相关旋钮将B、的前沿同时分别对准显示屏上水平刻度值50、100，此时，时基扫描线的比例正好为1:2。 8.1.4.2检测灵敏度的调节 锻件检测灵敏度是由锻件技术要求或有关标准确定的。一般不低于2平底孔当量直径。 调节锻件检测灵敏度的方法有两种，一种是波高比较法来调节，另一种是曲线比较法来调节。 1.波高比较法 有底波调节法与试块调节法两种,1）底波调节法 当锻件被检部位厚度，且锻件具有平行底面或圆柱曲面时，常用底波来调节检测灵敏度。 底波调节首先

46、要计算或查AVG曲线求得底面反射波与某平底孔反射波的分贝差，然后再进行调节。 a)计算：对于平底面或实心圆柱体底面，同距离处底波与平底孔反射波的分贝差为： （8.1） 式中 波长； 被检部位的厚度； 平底孔直径。,对于空心圆柱体，同距离处圆柱曲底面与平底孔反射波的 分贝差为： （8.2） 式中 空心圆柱体内径； 空心圆柱体外径； “+”外圆径向检测，内孔凸柱面反射； “-”内孔径向检测，外圆凹柱面反射。 b)调节：探头对准工件完好区的底面，找到反射回波，在保证衰减器有效储存（+510）dB及以上时，调“增益”使底波B1达基准波高，然后用“衰减器”增益dB，这时灵敏度就调节完成。实际检测时为了便

47、于发现缺陷可再增益510dB作为检测灵敏度，即扫查灵敏度。,例1，用2.5P20Z探头径向检测500mm的实心圆柱体锻件，CL=5900m/s，问如何利用底波调节500/2灵敏度？ 解：由题意得： 计算：500mm处底波与2平底孔反射波分贝差为： 2调节：探头对准工件完好区圆柱底面，找出反射回波，在保证衰减器有效储存量后，用“衰减器”衰减55dB，调“增益或衰减器”使底波B1达基准50高，然后用“衰减器”增益46dB，这时2灵敏度就调节好了。,例2，用2.5P20Z探头径向检测外径为1000mm，内径为100mm的空心圆柱体锻件，CL=5900m/s，问如何利用内孔回波调节450/2灵敏度？

48、解：由题意得： 计算：450mm处内孔反射波与2平底孔反射波分贝差为：,2调节：探头对准完好的内孔表面，找出反射反射波，用“衰减器”衰减45dB，调“增益”使底波B1达基准50高，然后用“衰减器”增益35dB作为检测灵敏度，此时，450/2的检测灵敏度的调节就完成了。必要时再增益6dB作为扫查灵敏度。 注意：采用底波法（计算法）调节灵敏度时，因在工件上进行调节且平底孔与工件底面的声程相同，所以不用考虑材质衰减差。灵敏度调节与实际扫查在同一面上，因此不用考虑表面耦合补偿。 2）试块调节法 单直探头检测：当锻件的厚度 或由于几何形状所限或底面粗糙时，应利用具有人工反射体的试块来调节检测灵敏度，如C

49、S系列试块。调节时将探头对准所需试块的平底孔，调“增益”使平底孔反射波达基准高即可。,值得注意的是，当试块表面形状、粗糙度与锻件不同时，要进行耦合补偿。当试块与工件的材质衰减相差较大时，还要考虑介质衰减补偿。 例1，用2.5P20Z探头检测厚度为50mm的小锻件，采用CS系列试块调节50/2灵敏度，试块与锻件表面耦合差3dB，问如何调节灵敏度？ 解：利用CS系列试块调节灵敏度的方法如下： 将探头对准CS-1试块2平底孔距离为50mm，衰减10dB，调“增益”使2回波达50高(或用“衰减器”将2平底孔反射反射波调至满显示屏的50%左右，再用“增益”将回波调至50%高。注意：此时仪器有效灵敏度余量

50、必须储存3dB10dB以上余量)，然后再用“衰减器”增益3dB，这时50/2灵敏度就调节好了。,例2，用2.5P20Z探头检测底面粗糙，厚度为400mm的锻件，问如何利用100/4平底孔试块调节400/2灵敏度？试块与工件表面耦合差6dB。 解：计算：100/4与400/2回波分贝差： 调节：探头对准100/4平底孔，找到最高回波后，衰减50dB，调“增益”使4平底孔反射波达基准高(50%)，然后用“衰减器”增益42dB，这时400/2灵敏度就调节好了。这时工件上400/2平底孔缺陷反射波正好达基准高50。,2曲线比较法 双晶直探头检测：采用双晶直探头检测时，应用数字式仪器，根据图3.24所示

51、的双晶探头平底孔试块来调节检测灵敏度。先根据需要选择相应的平底孔试块，并测试一组距离不同直径相同的平底孔的反射波，使其每个孔的最高反射波达基准波高，确认后记录相应的读数值，所有孔测试完毕后进行最终确认，从而得到一条平底孔距离波幅(dB)曲线。并以此方法测出其它孔径的曲线，从而得到一组平底孔的距离波幅(dB)曲线并以此作为灵敏度校核及工件的检测灵敏度。 注意：1)采用试块法调节检测灵敏度时，应保证试块的材质与被检工件的材质相同或声学性能相近。 2)试块与被检工件表面状态不同时，应进行表面状态耦合损失的测定，在试块上调节灵敏度后，将表面耦合损失补偿后再进行工件的超声波检测。,3)当工件的反射面粗造

52、或与粘有其它油性物质时，应将工件反射面进行清洗或修理，以避免声波在此面上的反射损失。否则应进行反射损失的测定，并在实际检测中进行补偿。 4)使用模拟式仪器进行双晶直探头检测时，其距离波幅曲线的绘制可采用面板曲线或dB曲线进行。 8.1.5缺陷位置及大小的测定 8.1.7.1缺陷位置的测定 1.在锻件检测中，主要采用纵波直探头进行检测，因此可根据显示屏上缺陷波前沿所对的水平刻度值 和扫描速度 1：n来确定缺陷在锻件中的位置。缺陷至探头的距离（缺陷的埋藏藏深度） 为： （8.3）,2.缺陷在检测面上位置的测定： a）若缺陷的尺寸小于声束的截面尺寸，则缺陷在探头所在位置往下距离即为缺陷的位置。 b）

53、若缺陷的尺寸大于声束的截面尺寸，则以缺陷的最高波为准，以6dB法（半波高度法）确定缺陷的边界点测出缺陷的指示面积。 8.1.7.2缺陷大小的测定 在锻件检测中，对于尺寸小于声束截面的缺陷一般采用当量法定量。若缺陷位于 区域内时，常用当量计算法和当量AVG曲线法确定缺陷的当量大小；若缺陷位于 区域内时，常用试块比较法或实测AVG曲线法确定缺陷的当量大小。对于尺寸大于声束截面的缺陷一般采用测长法确定缺陷的指示面积，常用的测长法有6dB法和端点6dB法。必要时还可采用底波高度法来确定缺陷的相对大小。下面重点介绍当量计算法和6dB法在锻件检测中的应用。,1.当量计算法（适用于尺寸小于声束截面的缺陷）

54、当量计算法是利用各种规则反射体的反射波声压公式和实际检测中测得的结果（缺陷的位置和波高）来计算缺陷的当量大小。当量计算法是目前锻件检测中应用最广的一种定量方法。用当量计算法定量时，要考虑调节检测灵敏度的基准。 当用平底面的和实心圆柱体曲底面调节灵敏度时，不同距离处的大平底与平底孔回波分贝差为： （8.4） 式中 平底孔缺陷至检测面的距离； 锻件底面至检测面的距离； 材质衰减系数； 波长； 平底孔缺陷的当量直径； 底波与平底孔缺陷的反射波分贝差。,不同平底孔回波分贝差为 （8.5） 式中 平底孔1、2的dB差； 、 平底孔1、2的当量直径； 、 平底孔1、2的距离。 当用空心圆柱体内孔或外圆曲底

55、面调节灵敏度时， 当量计算公式为： （8.6） 式中 空心圆柱体的内径； 空心圆柱体的外径； “+”外圆径向检测，内孔凸柱面反射； “-”内孔径向检测，外圆凹柱面反射； 圆柱曲底面与平底孔缺陷的回波分贝差。,例1，用2.5P20Z探头检测600的实心圆柱体锻件， CL=5900m/s，=0.005dB/mm。利用锻件底波调节600/2灵敏度，底波达基准高时衰减读数为50dB，检测中在400mm处发现一缺陷，缺陷波达基准高时衰减器读数为30dB，求此缺陷的当量平底孔直径为多少？ 解：由题意得： ， =D2/4=202/42.36=42.37(mm) = 42.37=127(mm)400(mm)，

56、可进行计算； ，代入公式得：,= =1.1； = 答：此缺陷的当量平底孔直径为7.6 。,例2，用2.5P20Z探头沿外圆径向检测外径为1000mm，内径为100mm的空心圆柱体锻件，CL=5900m/s， =0.005dB/mm，检测中在200mm处发现一缺陷，其反射波比内孔反射波低12dB，求此缺陷的当量大小？ 解：由题意得： , =D2/4=202/42.36=42.37(mm) = 42.37=127(mm)200(mm)，可进行计算； ；代入公式得：,= =1.225； = 答：此缺陷的当量平底孔直径为2.8 。 此外，锻件检测中，还可利用当量AVG曲线法来测定，具体方法见第二章有关

57、内容。 2.测长法（适用于尺寸大于声束截面的缺陷） 当缺陷的尺寸大于声束截面尺寸时采用半波高度法（6dB法）测量缺陷的指示长度或指示面积。,在平面检测中，超声波检测过程中发现缺陷的尺寸大于声束截面时采用6dB法测定缺陷的指示面积或指示长度。测量时以缺陷的最高波为准，探头以直线向两侧移动，当缺陷波高降到一半时探头中心所在的点为边界点，两边界点连线的距离就是缺陷的指示长度，如探头向各方向移动当缺陷波高降到一半时，测试的各点为缺陷的边界点，所有边界点的连线即为缺陷的指示面积。如图8.7所示。 对圆柱形锻件进行周向检测时，探头的移动距离是测量长度而不再是缺陷的指示长度了，这时要按几何关系来确定缺陷的指

58、示长度，如图8.8所示。,外圆周向检测测长时，缺陷的指示长度 为： 式中 探头移动的外圆弧长（测量长度）； 圆柱体外半径； 缺陷的声程（缺陷的埋藏深度）。 内孔周向检测测长时，缺陷的指示长度 为： 式中 探头移动的内圆弧长（测量长度）； 圆柱体内半径； 缺陷的声程（缺陷的埋藏深度）。,（8.7）,（8.8）,8.1.6缺陷反射波的判别 在锻件检测中，不同性质的缺陷其反射波是不同的，实际检测时，可根据显示屏上的缺陷反射波情况来分析缺陷的性质和类型。 8.1.8.1单个缺陷反射波 锻件检测中，显示屏上单独出现的缺陷反射波称为单个缺陷反射波。如锻件中单个的夹层、裂纹等。检测中遇到单个缺陷时，要测定缺陷的位置和大小。 8.1.8.2分散缺陷反射波 锻件检测中,工件中的缺陷较多且较分散,缺陷彼此间距较大,这种缺陷反射波称为分散缺陷反射波.一般在边长为50mm的立方体内少于5个。如分散性的夹层。分散缺陷一般不太大,因此常用当量法定量,同时还要测定分散缺陷的位置。,8.1.8.3密集缺陷反射波 锻件检测中,显示屏上同时显示的缺陷反射波甚多，波与波之间的间距甚小，有时波的下沿连成一片，这种缺陷反射波称为密集缺陷反射波。 密集区缺陷的定义