超声波无损探伤

第三章超声波探伤本章将重点讲述超声波的性质，直接接触法超声波探伤；简单介绍超声波探伤设备。第一节超声波的产生、性质及衰减第二节超声波探伤设备简介第三节超声波探伤原理及其应用第四节直接接触法超声波探伤超声波探伤第一节超声波的产生、性质及衰减声波及其分类–声波是一种机械波，它的频率（通常用字母f表示）范围很宽，按照人的听力极限，将声波划分为三种：即次声波、声波和超声波。其中：当f＜20Hz时，叫做次声波；当f为20Hz～20kHz时，叫做声波；当f＞20kHz时，叫做超声波。注：声波是人耳可以听得见的，而次声波和超声波则是人耳听不见也感觉不到的。一、超声波的产生与接收目前金属探伤中最常用的产生超声波的方法是压电法。超声波的产生与接收是利用超声波探头中压电晶片的压电效应来实现的。探伤使用的超声波频率一般为0.5～10Mz，其中以2～5Mz最为常用。压电法是利用压电晶体（水晶、钛酸钡、锆钛酸铅和硫酸锂）来产生超声波。用压电晶体切出的晶片称为压电晶片。压电晶片具有压电效应，即晶片受拉应力或压应力作用而变形时，会在晶片表面出现电荷；反之，在电荷或电场作用下，晶片会发生变形，前者称为正压电效应；后者称为逆压电效应。超声波是由压电晶片的逆压电效应产生的。一、超声波的产生与接收二、超声波的性质1、超声波具有良好的指向性2、超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播3、异质界面上的透射、反射、折射和波形转换4、具有可穿透物质和在物质中有衰减的特性1、超声波具有良好的指向性直线性–在弹性介质中能象光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。–超声波在固定的介质中传播速度是常数束射性–声源发出的超声波能集中在一定区域内定向辐射。2、超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播超声波也有不同的波形，并且各类型波的传播介质、传播速度和本身具有的特点也不完全相同。(表3-1、表3-2)超声波在同一介质中传播时，纵波速度最快，横波次之，表面波最慢。对同一频率在同一介质中传播的超声波纵波波长最长，横波次之，表面波最短。由于探测缺陷的分辨力（超声波分辨相邻缺陷的能力）与波长有关，波长越短分辨力越高，因此表面波的分辨力最高，横波次之，纵波最低。波形定义传播介质应用范围纵波(L)质点振动方向与波的传播方向相同固体、液体、气体钢板、锻件、焊缝横波(S)质点振动方向与波的传播方向垂直固体焊缝、钢管表面波(R)质点仅在固体表面作椭圆形运动固体表面钢板、钢管、锻件表面表3—1各类型超声波的主要特点材料种类密度(g/cm3)纵波CL(m/s)横波CS(m/s)铝2.762603080铸铁7.356003200钢7.859503230铜8.947002260有机玻璃1.1827301460陶瓷2.456003500机油0.921400—水(20℃)1.01500—空气0.0012340—表3—2常见固体材料的声速3、异质界面上的透射、反射、折射和波形转换垂直入射：透射、反射和绕射倾斜入射：反射、折射和波形转换4、具有可穿透物质和在物质中有衰减的特性1．散射引起的衰减–超声波在传播过程中，遇到不均匀的和各向异性的金属晶粒时则会在界面上发生散乱反射、折射和波形转换，从而消耗超声波的能量，这种衰减称为散射衰减。2．介质吸收引起的衰减–由于质点之间的相对运动和相互摩擦使部分声能转换为热能，通过热传导引起衰减，这种衰减称为介质吸收引起的衰减。3．声束扩散引起的衰减–超声波在传播过程中会发生扩散，且随传播距离的增加，扩散程度也将会增大。声束扩散导致声束的截面增大，从而使单位面积上的声能减小。这种形式引起的超声波能量衰减称为扩散衰减。第二节超声波探伤设备简介一、探头二、超声波探伤仪三、试块一、探头1、直探头2、斜探头3、探头的主要参数与型号1、直探头声束垂直于被检工件表面入射的探头称为直探头。直探头用于发射和接收纵波。组成：–压电元件：产生和接收超声波–吸收块：吸收杂波–保护膜：保护元件不受磨损–壳体：安装上述元件2、斜探头利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头。用于发射和接收横波。组成：–探头蕊(压电元件和吸收块组成，与直探头相似)–斜楔块–壳体斜楔块斜楔块由有机玻璃制成，它与工件组成固定倾斜的异质界面，使压电元件发射的超声波通过波形转换，使在工件中传播的只有折射横波。斜楔块的角度不同就使得入射工件的超声波的角度不同，因而可以探测不同厚度的工件。通常斜探头是以横波在钢中的折射角标称：γ=400、450、500、600、700；或以折射角的正切值标称：k=tgγ=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。3、探头的主要参数与型号1）探头K值–K值大小决定声束入射工件的方向和在工件中的传播途径，可以依据该值进行缺陷的定位计算，因此探头使用磨损后应重新测量K值。2）前沿长度–声束入射点至探头前端面的距离称为前沿长度。3、探头的主要参数与型号2.5B20Z5P6x6K3直探头圆晶片直径(mm)钛酸钡陶瓷晶片基本频率2.5Mz斜探头k=3以K值表示的斜探头方形晶片尺寸基本频率5.0Mz锆钛酸铅陶瓷晶片二、超声波探伤仪分类：–按超声波的连续性分类：脉冲波、连续波和调频波三种。–按缺陷显示方式分类：探伤仪分为A型显示（缺陷波幅显示）、B型显示（缺陷侧视图象显示）、C型显示（缺陷俯视图象显示）和3D型显示（缺陷三维图象显示）三种。–按超声波的通道数目：按超声波的通道数目又可将其分为单通道和多通道两种。焊缝探伤中广泛使用的是A型显示脉冲反射式单通道超声波探伤仪。试块试块是按一定用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件。它是探伤标准的一个组成部分，是判定探伤对象的重要尺度。超声波探伤的灵敏度通过试块来确定。试块分为标准试块和对比试块。标准试块CSK—IB试块的主要用途：–利用R100mm圆弧面测定探头入射点和前沿长度，利用Φ50mm孔的反射波测定斜探头折射角或K值。–校验探伤仪的水平线性和垂直线性。–利用Φ1.5mm横通孔的反射波调整探伤灵敏度，利用R100mm圆弧面调整探测范围。对比试块（RB试块）RB试块主要用于绘制距离—波幅曲线，调整探测范围和扫描速度，确定探伤灵敏度和评定缺陷大小。试块有三种，分别适用于不同的板厚。第三节超声波探伤原理及应用直接接触法超声波探伤–垂直入射法–斜角探伤法液浸法超声波探伤垂直入射法垂直入射法（简称垂直法）是采用直探头将声束垂直入射工件表面进行探伤。该法是利用纵波进行探伤，故又称纵波法垂直法探伤能发现与探伤面平行或近似于平行的缺陷，适用于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的工件。斜角探伤法斜角探伤法（简称斜射法）是采用斜探头将声束倾斜入射工件表面进行探伤。该法是利用横波进行探伤，故又称横波法。斜角探伤法能发现与探测表面成角度的缺陷，常用于焊缝、环状锻件、管材的检查。–直射法：在0.5跨距的声程以内，超声波不经底面反射而直接对准缺陷的探伤方法，又称一次波法。–一次反射法：超声波只在底面反射一次而对准缺陷的探伤方法，又称二次波法。第四节直接接触法超声波探伤一、探伤前的准备二、实时探伤操作三、缺陷性质估判和定位四、焊缝质量评定一、探伤前的准备1、检验等级的确定2、探伤面及探伤方法的选择3、探头的选择4、探伤仪的调节1、检验等级的确定GB/T11345—1989标准中把检验划分为A、B、C三个级别：A级—检验时完善程度最低，难度系数最小。适用于普通钢结构检验。B级—检验时完善程度一般，难度系数较大。适用于压力容器检验、船舶等。C级—检验时完善程度最高，难度系数最大。适用于核容器与管道等检验。各检验等级的的检验范围见表3—7。表3—7相应检验等级的主要检验项目检验等级板厚项目ABCδ≤50δ≤100δ＞100δ≤100δ＞100探头角度数量11或2222探伤面数量11或2212探伤侧数量12222串列扫查0或22母材检验11纵向缺陷探测方向与次数12或44≥610横向缺陷探测方向与次数00或40或4442、探伤面及探伤方法的选择选择探伤方法要根据工件的结构特点和采用的焊接方法的特点，并结合有关标准进行，见表3—8探伤面应根据不同的检验等级和板厚来选择，见表3—7、表3—8的规定。板厚/mm探伤面探伤方法使用K值A级B级C级≤25单面单侧单面双侧或双面单侧直射法一次反射法2.5；2.0＞25～502.5；2.0；1.5＞50～100无A级直射法1或1.5；1和1.5并用；1和2.0并用＞100双面双侧1和1.5或2.0并用表3—8探伤面及使用折射角3、探头的选择1、探头形式：焊缝探伤选用斜探头2、晶片尺寸：根据工件厚度选择，一般直径为5～40mm3、探头频率：焊缝探伤推荐采用2～2.5Hz4、探头K值：焊缝探伤中，薄工件宜采用K值大的探头；大厚度工件宜采用K值小的探头。且探头K值在每次使用前和使用过程中要重新测定。测定探头入射点–把探头放在CSK—IB试块上前后移动，找出R100mm圆弧面最高反射波，此时在斜楔块上与R100mm圆弧面圆心对应的点即为探头的入射点，同时还可求得入射点至探头底面前端的距离，即前沿长度。测定探头值–利用Φ50mm孔的反射，用同样方法找出其最高反射波，此时与入射点对应的K值，即为探头K值。探头K值测定4、探伤仪的调节探伤范围的调节扫描速度的调节探伤灵敏度的选定及其调整二、实时探伤操作1．确定检验区宽度–检验区宽度应是焊缝宽度加上焊缝两侧相当于母材厚度30％的区域，一般为10～20mm2．确定探头移动区–直射法探伤时，移动区宽度L﹥0.75P；–一次反射法时，移动区宽度L﹥1.25P3．单探头的扫查方法–锯齿形扫查、基本扫查、平行扫查、斜平行扫查4．双探头的扫查方法–串列扫查、交叉扫查和V形扫查三、缺陷性质估判气孔裂纹夹渣未焊透未熔合气孔单个气孔回波高度低，波形为单峰，较稳定，当探头绕缺陷转动时，缺陷波高大致不变，但探头定点转动时，反射波立即消失；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，会出现此起彼伏现象。裂纹缺陷回波高度大，波幅宽，常出现多峰。探头平移时，反射波连续出现，波幅有变动；探头转动时，波峰有上下错动现象。夹渣点状夹渣的回波信号类似于单个气孔。条状夹渣回波信号多呈锯齿状，波幅不高且形状多呈树枝状。探头平移和绕缺陷移动时，波幅都会发生变化。未焊透未焊透的回波波幅均较高。探平头移时，波形较稳定。在焊缝两侧探伤时，均能得到大致相同的反射波幅。未熔合当声波垂直入射该缺陷表面时，回波高度大。探头平移时，波形稳定。焊缝两侧探伤时，反射波幅不同，有时只能从一侧探测到。四、缺陷定位垂直入射法缺陷定位斜角探伤法缺陷定位–水平调节法定位–深度调节法定位垂直入射法缺陷定位用垂直入射法探伤时，缺陷就在直探头的下面，缺陷定位只需确定缺陷在工件中的深度即可。当探伤仪按1：n调节纵波扫描速度时，则有Zf=nτf水平调节法定位缺陷在探头前方的下面，其位置可用入射点至缺陷的水平距离Lf、缺陷到探伤面的垂直距离Zf两个参数来确定。探伤仪按水平1：n调节横波扫描速度–直射法探伤Lf=nτfZf=nτf/K–一次反射法Lf=nτfZf=2δ-nτf/K注意：上述公式使用时，需要根据τf与Kδ或δ的关系首先判断缺陷是有一次波还是二次波发现的。深度调节法定位缺陷在探头前方的下面，其位置可用入射点至缺陷的水平距离Lf、缺陷到探伤面的垂直距离Zf两个参数来确定。探伤仪按深度1：n调节横波扫描速度–直射法探伤Lf=KnτfZf=nτf–一次反射法探伤Lf=KnτfZ∫=2δ-nτf注意：上述公式使用时，需要根据τf与Kδ或δ的关系首先判断缺陷是有一次波还是二次波发现的。焊缝质量评定焊缝质量等级根据距离--波幅曲线进行评定1）最大反射波幅不超过评定线的缺陷，均评为Ⅰ级。2）最大反射波幅超过评定线的缺陷，检验者判定为裂纹等危害性缺陷时，无论其波幅和尺寸如何，均评为Ⅳ级。3）反射波幅位于Ⅰ区的非裂