第4讲 第四章 超声波检测

本节重点：1.超声波探伤的定义；2.A型显示超声波探伤原理；3.垂直法探伤图解说明；4.斜角探伤法图解说明；5.探伤仪的主要性能参数及其实际意义;6.金属组织对超声波探伤的影响;7.常见焊缝缺陷性质的估判。第四章超声波检测第四章超声波检测4.1超声波探伤把高频声波（通常为l-6兆赫），即超声波脉冲从探头射入被检物，如果其内部有缺陷，则一部分入射的超声波在缺陷处被反射，利用探头能接收信号的性能，可以不必损坏被检物而检出缺陷的部位及其大小。这种检测方法叫做超声波探伤。人耳可听得见的声波的频率范围，大致是20赫至20千赫。频率比20千赫更高的声波叫超声波。用于检测的超声波，频率为400kHz(0.4MHz)~25MHz，其中用得最多的是1～5MHz的超声波。蝙蝠能发射超声波脉冲，并能接收和识别从电线等障碍物或昆虫等反射回来的被，因此它不会碰撞障碍物，又能捕食昆虫。超声波检测大多用的是脉冲反射法，它与蝙蝠一样，用的是一种较简单的形式。在金属探伤中之所以使用高频率超声波，是因为(1)指向性好，能形成窄的波束；(2)波长短，小的缺陷也能够很好地反射；(3)距离的分辨能力好，缺陷的分辨率高。4.2超声波的发生及其性质发生超声波探伤所用的高频超声波，可用压电材料。压电材料主要采用水晶、钛酸钡、锆钛酸铅和硫酸锂。要使这些压电材料能发生超声波，可把它切成能够在一定额率下共振的片子，这种片子叫做晶片。第四章超声波检测如图所示，当高频电压加于晶片两面电极上时，由于逆压电效应，晶片会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动。若晶片与工件表面有良好耦合时，机械振动就以超声波形式传播进去，这就是发射。第四章超声波检测反之，当晶片受到超声波作用（遇到异质界面反射回来）而发生伸缩变形时，正压电效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，这就是接收。利用压电效应使探头（压电晶片）发射或接收超声波，就使发现缺陷成为可能。因此，探头（压电晶片）是一较为理想的电声换能器。超声波的种类空气中传播的声波只有疏密波，这叫做纵波。在水下也只有纵波传播，可是在固体中传播的除了纵波之外还有横波。第四章超声波检测因固体能承受剪应力，所以可以传播同介质粒子的振动方向和波的传播方向相垂直的横波（参看下图）。此外还有在表面传播的表面波和在薄板中传播的板波，它们都可用于探伤。第四章超声波检测纵波是用垂直探头发生的。超声纵波是向与探头接触的面相垂直的方向传播的（参看下图)。第四章超声波检测横波通常是用斜探头发生的，如图所示，斜探头是将晶片贴在有机玻璃制的斜楔上构成的。晶片振动发生的纵波在斜楔中前进，而在探伤面上发生折射，通常使用的斜探头发生的超声波在被检物中折射后传播的只有横波。第四章超声波检测声速空气中的声速为340米/秒，水中的声速为1500米/秒。钢中纵波的声速为5900米/秒，横波的声速为3230米/秒。声速是由传播介质的弹性系数和密度以及声波的种类来决定的，它与频率和晶片没有关系。下表所示是几种介质中的声速。第四章超声波检测4.3超声波探伤操作一、脉冲反射法超声波探伤法中，有根据缺陷的回波和底面的回波来进行判断的脉冲反射法，有根据缺陷的影形来判断缺陷情况的穿透法，还有由被检物所发生的超声驻波束判断缺陷情况或者判断板厚的共振法（前者用的是脉冲波，后两者都是连续波）。可是，目前脉冲反射法是用得最多的主要方法。脉冲反射法，在垂直探伤时用纵波，在斜射探伤时用横波，把超声波射入被检物的一面（在检测面与探头之间用油等作耦合剂使接触良好），然后接收从缺陷处反射回来的回波，根报回波来判断缺陷的情况。图3-8所示是脉冲反射式超声波探伤仪的一种。第四章超声波检测第四章超声波检测第四章超声波检测根据回波的表示方式不同，脉冲反射法又可分为A型显示、B型显示、C型显示和3D显示法等。1．A型显示超声波探伤原理A型脉冲反射式超声波探伤仪(见后图)接通电源后，同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路。扫描电路受触发开始工作产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平(X轴)偏转板，使电子束发生水平偏转，在示波屏上产生一条水平扫描线(又称时间基线)。与此同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波。超声波在工件中传播遇到缺陷和底面发生反射，回波为同一探头或接收探头所接收并被转变为电信号，经接收电路放大和检波，加至示波管垂直(Y轴)偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的相应位置上产生缺陷波F、底波B。第四章超声波检测第四章超声波检测由于仪器水平扫描线的长短与扫描电压有关，而扫描电压与时间成正比，因此反射波的位置能反映声波传播的时间，即反映声波传播的距离，故由此可以反映缺陷的位置。又由于反射波幅度的高低与接收的电讯号大小有关，电讯号的大小取决于接收的反射声能多少，而反射声能又与缺陷反射面的形状和尺寸有一定关系，因此反射波幅度的高低将间接的反映出缺陷的大小，故由此可以对缺陷定量和评价。简言之，A型显示脉冲反射法超声波探伤目前应用最广，其主要特点是示波屏上纵座标代表反射波的振幅，横坐标代表超声波的传播时间。它虽不能实现缺陷成像的目的，但却是脉冲回波超声波成像的基础。第四章超声波检测2．B型显示超声波探伤基本原理B型显示是脉冲回波超声波平面成像的一种。它是以亮点显示接收信号，以示波屏面代表被探伤对象由探头移动线和声束决定的截面。纵坐标代表声波的传播时间，横坐标代表探头的水平位置，它可以显示出缺陷在横截面上的二维特征。完成这种显示的探头动作方式称为B扫描。3．C型显示超声波探伤基本原理C型显示是脉冲回波超声波平面成像的一种，它是以亮点或暗点显示接收信号。示波屏面所表示的是被探伤对象某一定深度上与声束相垂直的一个平面投影像，一幅画面只能显示同一深度上不同位置的缺陷。完成这种显示的探头动作方式称为C扫描。为保证成像精确度，一般都采用水浸法探伤。第四章超声波检测早期C型显示的缺点是只能检测出缺陷的长度和宽度，而不能测出其埋藏深度，现改用彩色荧光屏显示，以不同颜色来表示埋藏深度，弥补了上述的不足。第四章超声波检测4．3D显示超声波探伤基本原理B型显示和C型显示的不足之处是对于缺陷的深度和空间分布不能一次记录成像，而3D显示技术能把B、C显示相结合产生一个准三维的投影图象，因此，它能使缺陷的大小、形状及空间位置以三维平面象形式表示，给人以直观感觉，缺陷就如处在透明体内一样，一目了然。左图是拍摄的铝合金氧化膜3D显示图像，外框线表示扫描时超声波对试样的作用空间，底部白色区域相应于C型显示的无缺陷部分，黑色区域表示缺陷（氧化膜）在底部的投影，中间三个白色块表示缺陷（氧化膜）。二、直接接触法超声波探伤的基本方法1、垂直探伤法垂直探伤法的原理如下图所示。把脉冲振荡器发生的电压加到晶片上，晶片振动发生超声波脉冲；如果被检物是铁或钢的话，就以6000米/秒左右的固定速度在内部传播，超声波脉冲的一部分从缺陷反射回到晶片（叫做缺陷回波）。不碰到缺陷的超声波脉冲就在被检物底面反射回来（叫做底面回波）。第四章超声波检测第四章超声波检测在示波管上可以得到如下图所示的波形图。在这个波形图上，就可以看出有没有缺陷、缺陷的部位及其大小。第四章超声波检测当直探头在探伤面上移动时，无缺陷处示波屏上只有始波T、底波B(图a)；若探头移到有缺陷处且缺陷反射面比声束小时，则示波屏上出现始波T、缺陷波F和底波B(图b)；当探头移到大缺陷处（缺陷比声束大）时，则示波屏上只出现始波T、缺陷波F(图c)。显然，垂直法探伤能发现与探伤面平行或近于平行的缺陷。设探伤面到缺陷的距离为x，材料厚度为t，从示波管T到F的长度为LF，从T到B的长度为LB（在这里是测从脉冲的前沿到前沿之间的长度），因为声速在被检物中是一个定值，因此可得出下式：第四章超声波检测由这个公式，可以正确地求出缺陷的位置。另外，因缺陷回波高度hF是随缺陷的增大而增高的。所以可由hF来估计缺陷大小。此外在缺陷很大时，可以移动探头，按显示缺陷的范围来求出缺陷的延伸尺寸。BFLLtx2、斜角探伤法斜角探伤法是采用斜探头将声束倾斜入射工件探伤面进行探伤的方法，简称斜射法，又称横波法。当斜探头在探伤面上移动时，无缺陷时示波屏上只有始波T(图a)，这是因为声束倾斜入射至底面产生反射后，在工件内以“W”形路径传播，故没有底波出现；当工件存在缺陷而缺陷与声束垂直或倾斜角很小时，示波屏上将显示出始波T、缺陷波F(图b)；当斜探头接近板端时，声束将被端角反射回来，在示波屏上将出现始波T和端角波B’(图c)。第四章超声波检测3、探头的耦合方法耦合方法可以大致分为直接耦合法和水浸法两种。水浸法又可以分为完全水浸法和局部水浸法。直接耦合法，是用液体充满探头与被检物表面之间的空隙，为了使超声波很好地传入被检物，应涂上耦合剂。被检物表面光滑时，可使用机油、合成浆糊和水作耦合剂。表面粗糙时，可使用甘油或者水玻璃作耦合剂。水浸法，是使探头与被检物之间通过水层作介质来传播超声波。因为不会受被检物表面状态的影响，所以能够进行稳定的探伤。完全水浸法是把被检物完全浸没在水槽中的方法。局部水浸法是把被捡物的一部分浸没在水中的探伤方法。第四章超声波检测4、探伤仪的主要性能参数①水平线性是指扫描线上显示的反射波距离与反射体距离成正比的程度，它关系到缺陷定位是否准确。水平线性误差ΔL≤2%②垂直线性是指示波屏反射波幅与接收回波信号电压成正比关系的程度，它关系到缺陷定量是否准确。Δe≤8%。③动态范围市示波屏上回波高度从满幅（100％）降至消失时仪器衰减器的变化范围，其值越大可检出缺陷越小。动态范围应≥26dB。第四章超声波检测④灵敏度余量是在规定条件下的探伤灵敏度至仪器最大灵敏度的富裕量。一般应大于60dB。⑤分辨率超声探伤系统能够区分两个相邻而不连续的缺陷能力。一般通过试块测得，要求不低于15dB。⑥盲区是在规定探伤灵敏度下从探伤面至能够测出缺陷的最小距离，也是仪器和探头的组合性能，表征系统的近距离分辨能力，随着探伤灵敏度的提高，盲区也随之增大。第四章超声波检测5、标准试块有各种各样的标准试块和对比试块用来调整探伤灵敏度、测试范围和进行探头性能试验等，各种标准试块如图所示。第四章超声波检测三、超声波探伤的适用范围第四章超声波检测第四章超声波检测四、金属组织对超声波探伤的影响①金属是小晶粒的集合体随着结晶方向的不同，在其中的声速也有所不同，所以当超声波射到各个晶粒时，会引起微小的反射和散射。这些反射波在观测时就呈现为草状回波。②反射还造成被检物中传播的超声波的衰减，并减少多次反射的脉冲次数。金属晶粒越大，这种衰减和草状回波越显著，引起信噪比（是指有用的信号与无用的噪声杂波之比）的下降，有时甚至完全不能出现缺陷回波。遇到这种情况可以降低频率，使波长加大，来改善信噪比。可是，用这种办法并非都能完全解决问题。18-8不锈钢的铸件和焊缝、大型铸钢件等就是由于这种草状回波和衰减给探伤带来困难，甚至不能探伤。第四章超声波检测第四章超声波检测五、焊缝缺陷性质的估判由于焊接接头的超声波探伤受焊缝余高的限制，同时又有缺陷方向性的要求，主要采用斜角探伤法，但在某些场合也辅以垂直入射法探伤（如T型接头腹板和翼板间未焊透等的探伤）。焊缝中缺陷的性质与其产生的部位、大小和分布情况有关。因此，可根据缺陷波的大小、位置、探头运动时波幅的变化特点，并结合焊接工艺情况对缺陷性质进行综合判断。但这在很大程度上要依靠检验人员的实际经验和操作技能，因而较难掌握。这里仅作简单介绍：(1)气孔单个点状气孔回波高度低，波形为单峰，较稳定。从各个方向探测，反射波的高度大致相同，但稍一移动探头就消失；密集气孔会出现一簇反射波，其波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落现象。第四章超声波检测第二章超声波检测(2)夹渣点状夹渣回波信号与点状气孔类似；条状夹渣回波信号多呈锯齿状，由于其反射率低，波幅不高且形状多呈树枝状，主峰边上有小峰。探头平移时，波幅有变动，从各个方向探测时，反射波幅不相同。(3)未焊透由于反射率高（厚板焊缝中该缺陷表