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超声波探伤培训教程.doc

超声波探伤培训教程

袁爱问
2011-04-13 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《超声波探伤培训教程doc》,可适用于工程科技领域

培训教材之理论基础第章​ 无损检测概述无损检测包括射线检测(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)和涡流检测(ET)等五种检测方法。主要应用于金属材料制造的机械、器件等的原材料、零部件和焊缝也可用于玻璃等其它制品。射线检测适用于碳素钢、低合金钢、铝及铝合金、钛及钛合金材料制机械、器件等的焊缝及钢管对接环缝。射线对人体不利应尽量避免射线的直接照射和散射线的影响。超声检测系指用A型脉冲反射超声波探伤仪检测缺陷适用于金属制品原材料、零部件和焊缝的超声检测以及超声测厚。磁粉检测适用于铁磁性材料制品及其零部件表面、近表面缺陷的检测包括干磁粉、湿磁粉、荧光和非荧光磁粉检测方法。渗透检测适用于金属制品及其零部件表面开口缺陷的检测包括荧光和着色渗透检测。涡流检测适用于管材检测如圆形无缝钢管及焊接钢管、铝及铝合金拉薄壁管等。磁粉、渗透和涡流统称为表面检测。第章​ 超声波探伤的物理基础第一节基本知识超声波是一种机械波机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动称为机械振动。振动的传播过程称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波就是一种机械波。机械波主要参数有波长、频率和波速。波长:同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长波源或介质中任意一质点完成一次全振动波正好前进一个波长的距离常用单位为米(m)频率f:波动过程中任一给定点在秒钟内所通过的完整波的个数称为频率常用单位为赫兹(Hz)波速C:波动中波在单位时间内所传播的距离称为波速常用单位为米秒(ms)。由上述定义可得:C=f即波长与波速成正比与频率成反比当频率一定时波速愈大波长就愈长当波速一定时频率愈低波长就愈长。次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波在同一介质中的传播速度相同。它们的区别在主要在于频率不同。频率在~Hz之间的能引起人们听觉的机械波称为声波频率低于Hz的机械波称为次声波频率高于Hz的机械波称为超声波。次声波、超声波不可闻。超声探伤所用的频率一般在~MHz之间对钢等金属材料的检验常用的频率为~MHz。超声波波长很短由此决定了超声波具有一些重要特性使其能广泛用于无损探伤。​ 方向性好:超声波是频率很高、波长很短的机械波在无损探伤中使用的波长为毫米级超声波象光波一样具有良好的方向性可以定向发射易于在被检材料中发现缺陷。​ 能量高:由于能量(声强)与频率平方成正比因此超声波的能量远大于一般声波的能量。​ 能在界面上产生反射、折射和波型转换:超声波具有几何声学的上一些特点如在介质中直线传播遇界面产生反射、折射和波型转换等。​ 穿透能力强:超声波在大多数介质中传播时传播能量损失小传播距离大穿透能力强在一些金属材料中其穿透能力可达数米。第节​ 波的类型及波速测量一.波的类型根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等。​ 纵波L介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波称为纵波用L表示。当介质质点受到交变拉压应力作用时质点之间产生相应的伸缩形变从而形成纵波凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质能承受位伸或压缩应力液体和气体虽不能承受拉伸应力但能承受压应力产生容积变化。因此固体、液体和气体都能传播纵波。钢中纵波声速一般为ms。纵波一般应用于钢板、锻件探伤。​ 横波S(T)介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波用S或T表示。当介质质点受到交变的剪切应力作用时产生剪切形变从而形成横波只有固体介质才能承受剪切应力液体和气体介质不能承受剪切应力因此横波只能在固体介质中传播不能在液体和气体介质中传播。钢中横波声速一般为ms。横波一般应用于焊缝、钢管探伤。​ 表面波R当介质表面受到交变应力作用时产生沿介质表面传播的波称为表面波常用R表示。又称瑞利波。表面波在介质表面传播时介质表面质点作椭圆运动椭圆长轴垂直于波的传播方向短轴平行于波的传播方向椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成即纵波与横波的合成因此表面波只能在固体介质中传播不能在液体和气体介质中传播。表面波的能量随深度增加而迅速减弱当传播深度超过两倍波长时质点的振幅就已经很小了因此一般认为表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。表面波一般应用于钢管探伤。​ 板波在板厚与波长相当的薄板中传播的波称为板波。根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。板波一般应用于薄板、薄壁钢管探伤。二.超声波声速测量对探伤人员来说用探伤仪测量声速是最简便的用这种方法测声速可用单探头反射法或双探头穿透法可用于测纵波声速和横波声速。​ 反射法测纵波声速声速按下式计算:声速C=d(T​t)t=T–T式中d工件厚度t由探头晶片至工件表面传输时间T由探头晶片至工件底一次波传输时间T由探头晶片至工件底二次波传输时间​ 穿透法测纵波声速声速按下式计算:声速C=d(T​t)t=T–T式中d工件厚度t由探头晶片至工件表面传输时间T由探头晶片至工件底一次波传输时间T由探头晶片至工件底二次波传输时间​ 反射法测横波声速用半圆弧测横波声速按下式计算:声速C=d(T​t)t=T–T式中d半圆半径长度t由探头晶片至半圆弧探测面传输时间T由探头晶片至圆弧面一次波传输时间T由探头晶片至圆弧面二次波传输时间第节​ 波的若干概念.​ 波的迭加与干涉​ 波的迭加原理当几列波在同一介质中传播时如果在空间某处相遇则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成在任意时刻该质点的位移是各列波引起的位移的矢量和。几列波相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传播方向继续前进好象在各自的途中没有遇到其他波一样这就是波的迭加原理又称波的独立性原理。波的迭加现象可以从许多事实观察到如两石子落水可以看到两个石子入水处为中心的圆形水波的迭加情况和相遇后的传播情况。又如乐队合奏或几个人谈话人们可以分辨出各种乐器或各人的声音这些都可以说明波传播的独立性。​ 波的干涉两列频率相同振动方向相同位相相同或位相差恒定的波相遇时介质中某些地方的振动互相加强而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。波的迭加原理是波的干涉现象的基础波的干涉是波动的重要特征。在超声波探伤中由于波的干涉使超声波源附近出现声压极大极小值。.​ 惠更斯原理和波的衍射惠更斯原理如前所述波动是振动状态的传播如果介质是连续的那么介质中任何质点的振动都将引起邻近质点的振动邻近质点的振动又会引起较远质点的振动因此波动中任何质点都可以看作是新的波源。据此惠更斯提出了著名的惠更斯原理:介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面。波的衍射(绕射)波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象称为波的衍射或波的绕射。当D<<时波的绕射强反射弱缺陷回波很低容易漏检当D>>时反射强绕射弱声波几乎全反射。波的绕射对探伤即有利又不利。由于波的绕射使超声波产生晶料绕射顺利地在介质中传播这对探伤有利但同时由于波的绕射使一些小缺陷回波显著下降以致造成漏检这对探伤不利。一般超声波探伤灵敏度约为。.​ 超声场的特征值充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质叫超声场超声场具有一定的空间大小和形状只有当缺陷位于超声场内时才有可能被发现。描述超声场的特征植(即物理量)主要有声压、声强和声阻抗。声压P超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P与没有超声波存在时的静态压强P之差称为该点的声压用P表示(P=PP)。声压幅值p=cu=c(fA)其中介质的密度c波速u质点的振动速度A声压最大幅值f频率。超声场中某一点的声压的幅值与介质的密度、波速和频率成正比。在超声波探伤仪上屏幕上显示的波高与声压成正比。声阻抗Z超声场中任一点的声压p与该处质点振动速度u之比称为声阻抗常用Z表示。Z=pu=cuu=c由上式可知声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。由u=PZ可知在同一声压下Z增加质点的振动速度下降。因此声阻抗Z可理解为介质对质点振动的阻碍作用。超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。声强I单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强常用I表示。I=Zu=P(Z)当超声波传播到介质中某处时该处原来静止不动的质点开始振动因而具有动能同时该处介质产生弹性变形因而也具有弹性位能声能为两者之和。声波的声强与频率平方成正比而超声波的频率远大于可闻声波。因此超声波的声强也远大于可闻声波的声强。这是超声波能用于探伤的重要原因。在同一介质中超声波的声强与声压的平方成正比。.​ 分贝的概念与应用​ 概念由于在生产和科学实验中所遇到的声强数量级往往相差悬殊如引起听觉的声强范围为~–瓦厘米最大值与最小值相差个数量级。显然采用绝对量来度量是不方便的但如果对其比值(相对量)取对数来比较计算则可大简化运算。分贝就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。通常规定引起听觉的最弱声强为I=–瓦厘米作为声强的标准另一声强I与标准声强I之比的常用对数称为声强级单位是贝尔(BeL)。实际应用时贝尔太大故常取贝尔即分贝(dB)来作单位。(如取自然对数则单位为奈培NP)=lg(II)(Bel)=lg(II)=lg(PP)(dB)在超声波探伤中当超声波探伤仪的垂直线性较好时仪器屏幕上的波高与声压成正比。这时有=lg(PP)=lg(HH)(dB)这时声压基准P或波高基准H可以任意选取。​ 应用分贝用于表示两个相差很大的量之比显得很方便在声学和电学中都得到广泛的应用特别是在超声波探伤中应用更为广泛。例如屏上两波高的比较就常常用dB表示。例如屏上一波高为%另一波高为%则前者比后者高=lg(HH)=lg()=(dB)用分贝值表示回波幅度的相互关系不仅可以简化运算而且在确定基准波高以后可直接用仪器的增益值(数字机)或衰减值(模拟机)来表示缺陷波相对波高。第节​ 波的反射、透射及衰减超声波从一种介质传播到另一种介质时在两种介质的分界面上一部分能量反射回原介质内称为反射波另一部分能量透过界面在另一种介质内传播称为透射波。在界面上声能(声压、声强)的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律。.​ 单一界面的反射和透射声能的变化与两种介质的声阻抗密切相关设波从介质(声阻抗Z)入射到介质(声阻抗Z)有以下几种情况:​ Z>Z声压反射率小于透射率。如水钢界面。​ Z>Z声压反射率大于透射率。如钢水界面。声强反射率及透射率只与Z、Z的数值有关与从哪种介质入射无关。​ Z>>Z声压(声强)几乎全反射透射率趋于。如钢空气界面。​ ZZ此时几乎全透射无反射。因此在焊缝探伤中若母材与填充金属结合面没有任何缺陷是不会产生界面回波的。.​ 薄层界面的反射和透射此情况主要对探头保护膜设计具有指导意义。当超声波依次从三种介质Z、Z、Z(如晶片保护膜工件)中穿过则当薄层厚度等于半波长的整数倍时通过薄层的声强透射与薄层的性质无关即好象不存在薄层一样当薄层厚度等于四分之一波长的奇数倍且薄层声阻抗为其两侧介质声阻抗几何平均值(Z=(ZZ))时超声波全透射.​ 波型转换和反射、折射定律当超声波倾斜入射到界面时除产生同种类型的反射和折射波外还会产生不同类型的反射和折射波这种现象称为波型转换。​ 纵波斜入射​ 横波入射.​ 超声波的衰减超声波在介质中传播时随着距离增加超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减。引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收​ 扩散衰减超声波在传播过程中由于波束的扩散使超声波的能量随距离增加面逐渐减弱的现象叫做扩散衰减。超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状与介质的性质无关。​ 散射衰减超声波在介质中传播时遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象称为散射衰减。散射衰减与材质的晶粒密切相关当材质晶粒粗大时散射衰减严重被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头在屏上引起林状回波(又叫草波)使信噪比下降严重时噪声会湮没缺陷波。​ 吸收衰减超声波在介质中传播时由于介质中质点间内磨擦(即粘滞性)和热传导引起超声波的衰减称为吸收衰减或粘滞衰减通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减不包括扩散衰减。第节​ 超声波发射声场和规则反射体的回波声压超声波探头(波源)发射的超声场具有特殊的结构只有当缺陷位于超声场内时才有可能被发现.​ 圆盘波源辐射的纵波声场在不考虑介质衰减的条件下当离波源较远处轴线上的声压与距离成反比与波源面积成正比。近场区波源附件由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区。近场区声压分布不均是由于波源各点至轴线上某点的距离不同存在波程差互相迭加时存在位相差而互相干涉使某些地方声压互相加强另一些地方互相减弱于是就出现声压极大极小值的点。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度用N表示。N=(Ds)()Ds()远场区波源轴线上至波源的距离x>N的区域称为远场区。远场区轴线上的声压随距离增加单调减少。当x>N时声压与距离成反比近似球面波的规律。因为距离x足够大时波源各点至轴线上某一点的波程差很小引起的相位差也很小这样干涉现象可以略去不计所以远场区不会出现声压极大极小值。近场区在两种介质中分布实际探伤时有时近场区分布在两种不同的介质中如水浸探伤超声波先进入水然后再进入钢中当水层厚度较小时近场区就会分布在水、钢两种介质中。设水层厚度为L则钢中剩余近场区长度N为N=Ds()–Lcc式中c介质水中波速c介质钢中波速介质钢中波长。在近场区内实际声场与理想声场存在明显区别实际声场轴线上声压虽也存在极大极小值但波动幅度小极值点的数量也明显减少。.​ 横波声场目前常用的横波探头是使纵波斜入射到界面上通过波形转换来实现横波探伤的当入射角在第一、第二临界角之间时纵波全反射第二介质中只有折射横波。横波声场同纵波声场一样由于波的干涉存在近场区和远场区当x≥N时波束轴线上的声压与波源面积成正比与至假想波源的距离成反比类似纵波声场。当横波探头晶片尺寸一定时K值增大近场区长度将减小。.​ 规则反射体的回波声压在实际探伤中一般采用反射法即根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小。然而工件中的缺陷形状性质各不相同目前的探伤技术还难以确定缺陷的真实大小和形状回波声压相同的缺陷的实际大小可能相差很大为此特引用当量法当量法是指在同样的探测条件下当自然缺陷回波与某人工规则反射体回波等高时则该人工规则反射体的尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸。自然缺陷的实际尺寸往往大于当量尺寸。超声波探伤中常用的规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等。回波声压公式(考虑介质衰减因素):.​ AVG曲线AVG曲线是描述规则反射体的距离、回波高及当量大小之间关系的曲线A、V、G是德文距离、增益和大小的字头缩写英文缩写为DGS。AVG曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整。以横坐标表示实际声程纵坐标表示规则反射体相对波高用来描述距离、波幅、当量大小之间的关系曲线称为实用AVG曲线。实用AVG曲线可由以下公式得到:不同距离的大平底回波dB差Δ=lgPBPB=lgXX不同距离的不同大小平底孔回波dB差Δ=lgPfPf=lgDfXDfX同距离的大平底与平底孔回波dB差Δ=lgPBPf=lgλXπDfDf用以上公式计算绘制实用AVG曲线时要统一灵敏度基准。第节​ 仪器、探头和试块超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤的重要设备了解这些设备的原理、构造和作用及其主要性能的测试方法是正确选用探伤设备进行有效探伤的保证。.​ 超声波探伤仪作用超声波探伤仪的作用是产生电振荡并加于换能器(探头)上激励探头发射超声波同时将探头送回的电信号进行放大通过一定方式显示出来从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。分类按缺陷显示方式分类超声波探伤仪分为三种。A型:A型显示是一种波形显示探伤仪的屏幕的横坐标代表声波的传播距离纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置由反射波的幅度可以估算缺陷大小。B型:B型显示是一种图象显示屏幕的横坐标代表探头的扫查轨迹纵坐标代表声波的传播距离因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C型:C型显示也是一种图象显示屏幕的横坐标和纵坐标都代表探头在工件表面的位置探头接收信号幅度以光点辉度表示因而当探头在工件表面移动时屏上显示出被探工件内部缺陷的平面图象但不能显示缺陷的深度。目前探伤中广泛使用的超声波探伤仪都是A型显示脉冲反射式探伤仪。A型脉冲反射式模拟超声波探伤仪的一般原理.​ 探头超声波的发射和接收是通过探头来实现的。下面介绍探头的工作原理、主要性能及其及结构。​ 压电效应某些晶体材料在交变拉压应作用下产生交变电场的效应称为正压电效应。反之当晶体材料在交变电场作用下产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。超声波探头中的压电晶片具有压电效应当高频电脉冲激励压电晶片时发生逆压电效应将电能转换为声能(机械能)探头发射超声波。当探头接收超声波时发生正压电效应将声能转换为电能。不难看出超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转换因此常把探头叫做换能器。​ 探头的种类和结构直探头用于发射和接收纵波主要用于探测与探测面平行的缺陷如板材、锻件探伤等。斜探头可分为纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头常用的是横波斜探头。横波斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷如焊缝、汽轮机叶轮等。当斜探头的入射角大于或等于第二临界角时在工件中产生表面波表面波探头用于探测表面或近表面缺陷。双晶探头有两块压电晶片一块用于发射超声波另一块用于接收超声波。根据入射角不同分为双晶纵波探头和双晶横波探头。双晶探头具有以下优点:()​ 灵敏度高()​ 杂波少盲区小()​ 工件中近场区长度小()​ 探测范围可调双晶探头主要用于探伤近表面缺陷。聚焦探头种类较多。​ 探头型号探头型号的组成项目及排列顺序如下:基本频率晶片材料晶片尺寸探头种类特征.​ 试块按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样通常称为试块。试块和仪器、探头一样是超声波探伤中的重要工具。.​ 试块的作用()​ 确定探伤灵敏度超声波探伤灵敏度太高或太低都不好太高杂波多判伤困难太低会引起漏检。因此在超声波探伤前常用试块上某一特定的人工反射体来调整探伤灵敏度。()​ 测试探头的性能超声波探伤仪和探头的一些重要性能如放大线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头的入射点、K值等都是利用试块来测试的。()​ 调整扫描速度利用试块可以调整仪器屏幕上水平刻度值与实际声程之间的比例关系即扫描速度以便对缺陷进行定位。()​ 评判缺陷的大小利用某些试块绘出的距离波幅当量曲线(即实用AVG)来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特别是N以内的缺陷采用试块比较法仍然是最有效的定量方法。此外还可利用试块来测量材料的声速、衰减性能等。试块的分类()​ 按试块来历分为:标准试块和参考试块。()​ 按试块上人工反射体分:平底孔试块、横孔试块和槽形试块试块的要求和维护​ 常用试块简介(仪器使用时重点讲解)IIW(CSKIA)CSCSKIIIA第节​ 仪器和探头的性能及其测试仪器和探头的性能包括仪器的性能、探头的性能以及仪器与探头的综合性能。仪器的性能仅与仪器有关如仪器的垂直线性、水平线性和动态范围等。探头的性能仅与探头有关如探头入射点、K值、双峰、主声束偏离等。仪器与探头的综合性能不仅与仪器有关而且与探头有关如分辨力、盲区、灵敏度余量等。.​ 仪器的性能及其测试​ 垂直线性仪器的垂直线性是指仪器屏幕上的波高与探头接收的信号之间成正比的程度。垂直线性的好坏影响缺陷定量精度。​ 水平线性仪器水平线性是指仪器屏幕上时基线显示的水平刻度值与实际声程之间成正比的程度或者说是屏幕上多次底波等距离的程度。仪器水平线性的好坏直接影响测距精度进而影响缺陷定位。​ 动态范围动态范围是指仪器屏幕容纳信号大小的能力。.​ 探头的性能及其测试​ 斜探头入射点斜探头的入射点是指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对缺陷定位和测定探头的K值。注意试块上R应大于钢中近场区长度N因为近场区同轴线上的声压不一定最高测试误差大。​ 斜探头K值和折射角斜探头K值是指被探工件中横波折射角的正切值。注意测定斜探头的K值或折射角也应在近场区以外进行。​ 探头主声束偏离和双峰探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度称为主声束的偏离。平行移动探头同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰。探头主声束偏离和双峰将会影响对缺陷的定位和判别。​ 探头声束特性探头声束特性是指探头发射声束的扩散情况常用轴线上声压下降dB时探头移动距离(即某处的声束宽度)来表示。.​ 仪器和探头的综合性能及其测试​ 灵敏度超声波探伤中灵敏度一般是指整个探伤系统(仪器和探头)发现最小缺陷的能力。发现缺陷愈小灵敏度就愈高。仪器的探头的灵敏度常用灵敏度余量来衡量。灵敏度余量是指仪器最大输出时(增益、发射强度最大衰减和抑制为)使规定反射体回波达基准高所需衰减的衰减总量。灵敏度余量大说明仪器与探头的灵敏度高。灵敏度余量与仪器和探头的综合性能有关因此又叫仪器与探头的综合灵敏度。​ 盲区与始脉冲宽度盲区是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离。盲区内的缺陷一概不能发现。始脉冲宽度是指在一定的灵敏度下屏幕上高度超过垂直幅度%时的始脉冲延续长度。始脉冲宽度与灵敏度有关灵敏度高始脉冲宽度大。​ 分辨力仪器与探头的分辨力是指在屏幕上区分相邻两缺陷的能力。能区分的相邻两缺陷的距离愈小分辨力就愈高。​ 信噪比信噪比是指屏幕上有用的最小缺陷信号幅度与无用的噪声杂波幅度之比。信噪比高杂波少对探伤有利。信噪比太低容易引起漏检或误判严重时甚至无法进行探伤。第章​ 常用探伤方法和技术第节​ 探伤方法概述.​ 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。​ 脉冲反射法超声波探头发射脉冲波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。脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。​ 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。穿透法常采用两个探头一收一发分别放置在试件的两侧进行探测。​ 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的整数倍时将引起共振仪器显示出共振频率。当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时将改变试件的共振频率依据试件的共振频率特性来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。共振法常用于试件测厚。.​ 按波形分类根据探伤采用的波形可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。​ 纵波法使用直探头发射纵波进行探伤的方法称为纵波法。此时波束垂直入射至试件探测面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。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。由于盲区和分辨力的限制其中反射法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探测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。​ 横波法将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至试件探测面利用波型转换得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法不易发现的缺陷。​ 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。表面波波长很短衰减很大。同时它仅沿表面传播对于表面上的复层、油污、不光洁等反应敏感并被大量地衰减。利用此特点可通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化对缺陷定位。​ 板波法使用板波进行探伤的方法称为板波法。主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件探伤。探伤时板波充塞于整个试件可以发现内部和表面的缺陷。​ 爬波法.​ 按探头数目分类​ 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最常用。​ 双探头法使用两个探头(一个发射一个接收)进行探伤的方法称为双探头法主要用于发现单探头难以检出的缺陷​ 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。.​ 按探头接触方式分类​ 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此法称为直接接触法。此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。但对被测试件探测面的粗糙度要求较高。​ 液浸法将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行探伤的方法称为液浸法。耦合剂可以是油也可以是水。液浸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。液浸法分为全浸没式和局部浸没式。第节​ 仪器、探头的选择及耦合与补偿.​ 探伤仪的选择.​ 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。探伤前应根据被检对象的形状、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。​ 探头型式的选择常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头、表面波探头、双晶探头聚焦探头等。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型式使声束轴线尽量与缺陷垂直。纵波直探头波束轴线垂直于探测面主要用于探测与探测面平行的缺陷如锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。横波斜探头主要用于探测与探测面垂直可成一定角度的缺陷如焊缝中未焊透、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。​ 探头频率的选择。超声波探伤频率~MHz之间选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因素:()​ 由于波的绕射使超声波探伤灵敏度约为波长的一半因此提高频率有利于发现更小的缺陷。()​ 频率高脉冲宽度小分辨力高有利于区分相邻缺陷。()​ 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。()​ 频率高波长短近场区长度大对探伤不利。()​ 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~MHz对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率常用~MHz。如果频率过高就会引起严重衰减屏幕上出现林状回波信噪比下降甚至无法探伤。​ 探头晶片尺寸的选择晶片尺寸对探伤也有一定的影响选择晶片尺寸进要考虑以下因素:()​ 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。()​ 晶片尺寸增加近场区长度迅速增加对探伤不利。()​ 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为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头探伤表面不太平整曲率较低较大的工件时为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。​ 横波斜头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。K值大一次波的声程大。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。在焊缝探伤中不要保证主声束能扫查整个焊缝截面对于单面焊根未焊透还要考虑端角反射问题应使K=~,因为K<或K>端角反射很低容易引起漏检。.​ 耦合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而耦合剂。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耦合剂还有减少磨擦的作用。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粗糙度和工件表面形状。.​ 表面耦合损耗的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粗糙度、曲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。第节​ 仪器调节和缺陷定位在实际探伤中为了在确定的探测范围内发现规定大小的缺陷并对缺陷定位和定量就必须在探测前调节好仪器。.​ 零点调节由于超声波通过保护膜、耦合剂(直探头)或有机玻璃楔块(斜探头)进入待测工件的缺陷定位时需将这部分声程移去才能得到超声波在工件中实际声程。零点一般是通过已知声程的试块进行调节如CSKIA试块中的R圆弧面(斜探头)或深mm的大平底(直探头)。.​ K值调节由于斜探头探伤时不仅要知道缺陷的声程更要得出缺陷的垂直和水平位置因此斜探头还要精确测定其K值(折射角)才能准确地对缺陷进行定位。K值一般是通过对具有已知深度孔的试块来调节如用CSKIA试块或的孔。.​ 定量调节定量调节一般采用AVG(直探头)或DAC(斜探头)。.​ 缺陷定位超声波探伤中测定缺陷位置简称缺陷定位。​ 纵波(直探头)定位纵波定位较简单如探头波束轴线不偏离缺陷波在屏幕上位置即是缺陷至探头在垂直方向的距离。​ 表面波定位表面波探伤定位与纵波定位基本类似只是缺陷位于工件表面缺陷波在屏幕上位置是缺陷至探头在水平方向的距离(此时要考虑探头前沿)。​ 横波定位横波斜探头探伤定位由缺陷的声程和探头的折射角或缺陷的水平和垂直方向的投影来确定。​ 横波周向探测圆柱面时缺陷定位周向探伤时缺陷定位与平面探伤不同。()​ 外圆探伤周向探测()​ 内壁周向探测第节​ 缺陷大小的测定和缺陷高度的测定缺陷定量包括确定缺陷的大小和数量而缺陷的大小指缺陷的面积和长度。常用的定量方法有当量法、底波高度法和测长法三种。当量法和底波高度法用于缺陷尺寸小于声束截面的情况测长法用于缺陷尺寸大于声束截面的情况。.​ 当量法测缺陷大小采用当量法确定的缺陷尺寸是缺陷的当量尺寸常用的当量法有当量试块比较法、当量计算法和当量AVG曲线法。​ 当量试块比较法当量试块比较法是将工件中的自然缺陷回波与试块上的人工缺陷回波进行比较来对缺陷定量的方法。此法的优点是直观易懂当量概念明确定量比较稳妥可靠。但成本高操作也较烦琐很不方便。所以此法应用不多仅在x<N的情况下或特别重要零件的精确定量时应用。​ 当量计算法当x>N时规则反射体的回波声压变化规律基本符合理论回波声压公式当量计算法就是根据探伤中测得的缺陷波高的dB值利用各种规则反射体的理论回波声压公式进行计算来确定缺陷当量尺寸的定量方法。当量AVG曲线法当量AVG曲线法是利用AVG曲线来确定工件中缺陷的当量尺寸。.​ 测长法测缺陷大小当工件中缺陷尺寸大于声束截面时一般采用测长法来确定缺陷的长度。测长法是根据缺陷波高与探头移动距离来确定缺陷的尺寸按规定的方法测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。由于实际工件中缺陷的取向、性质、表面状态等都会影响缺陷回波高度因此缺陷的指示长度总是小于或等于缺陷的实际长度。根据测定缺陷长度时的基准不同将测长法分为相对灵敏度法、绝对灵敏度法和端点峰值法。.​ 底波高度法测缺陷大小底波高度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小。当工件中存在缺陷时由于缺陷的反射使工件底波下降。缺陷愈大缺陷波愈高底波就愈低缺陷波高与底波高之比就愈大。.​ 缺陷测高第节​ 影响缺陷定位、定量的主要因素及其它目前A型脉冲反射式超声波探伤仪是根据屏幕上缺陷波的位置和高度来评价被检工件中缺陷的位置和大小了解影响因素对于提高定位、定量精度是十分有益的。一.影响缺陷定位的主要因素​ 仪器的影响仪器的水平线性的好坏对缺陷定位有一定的影响。​ 探头的影响探头的声束偏离、双峰、斜楔磨损、指向性等影响缺陷定位。​ 工件的影响工件的表面粗糙度、材质、表面形状、边界影响、温度及缺陷情况等影响缺陷定位。​ 操作人员的影响仪器调试时零点、K值等参数存在误差或定位方法不当影响缺陷定位二.影响缺陷定量的主要因素​ 仪器及探头性能的影响仪器的垂直线性、精度及探头频率、型式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影响缺陷回波高度。​ 耦合与衰减的影响耦合剂的声阻抗和耦合层厚度对回波高有较大的影响当探头与调灵敏度用的试块和被探工件表面耦合状态不同时而又没有进行恰当的补偿也会使定量误差增加精度下降。由于超声波在工件中存在衰减当衰减系数较大或距离较大时由此引起的衰减也较大如不考虑介质衰减补偿定量精度势必受到影响。因此在探伤晶粒较粗大和大型工件时应测定材质的衰减系数并在定量计算时考虑介质衰减的影响以便减少定量误差。​ 工件几何形状和尺寸的影响工件底面形状不同回波高度不一样凸曲面使反射波发散回波降低凹曲面使反射波聚焦回波升高工件底面与探测面的平行度以及底面的光洁度、干净程度也对缺陷定量有较大的影响由于侧壁干涉的原因当探测工件侧壁附近的缺陷时会产生定量不准误差增加工件尺寸的大小对定量也有一定的影响。为减少侧壁的影响宜选用频率高、晶片尺寸大且指向性好的探头探测或横波探测必要时不可采用试块比较法来定量。​ 缺陷的影响不同的缺陷形状对其回波高度有很大的影响缺陷方位也会影响到回波高度另外缺陷波的指向性与缺陷大小有关而且差别较大另外缺陷回波高度还与缺陷表面粗糙度、缺陷性质、缺陷位置等有影响。三.缺陷性质分析超声波探伤还应尽可能判定缺陷的性质不同性质的缺陷危害程度不同例如裂纹就比气孔、夹渣大得多。但缺陷定性是一个很复杂的问题实际探伤中常常根据经验结合工件的加工工艺、缺陷特征、缺陷波形和底波情况来分析估计缺陷的性质。.​ 非缺陷回波的判别超声波探伤中屏上常常除了始波、底波、和缺陷波外还会出现一些其他的信号波如迟到波、三角反射波、°反射波以及其他原因引起的非缺陷回波分析和了解常见非缺陷回波产生的原因和特点也是十分必要的。.​ 侧壁干涉纵波探伤时探头若靠近侧壁则经侧壁反射的纵波或横波与直接传播的纵波相遇产生干涉对探伤带来不利影响。一般脉冲持续的时间所对应的声程不大于λ。因此只要侧壁反射波束与直接传播的波束声程差大于λ就可以避免侧壁干射。第章​ 板材和管材超声波探伤第节​ 板材超声波探伤根据板材的材质不同板材分为钢板、铝板、铜板等实际生产中钢板应用最广这里以钢板为例来说明板材的超声波探伤工艺方法。.​ 钢板常见缺陷及探伤方法钢板是由板坯轧制而成而板坯又是由钢锭轧制或连续浇铸而成的钢板中常见缺陷有分层、折迭、白点等裂纹少见。钢板中分层、折迭等缺陷是在轧制过程中形成的因此它们大都平行于板面。根据板厚的不同将钢板分为薄板(小于mm)与中厚板(中板在~mm之间厚板大于mm)。中厚板常用垂直板面入射的纵波探伤法薄板常用板波探伤法。中厚板垂直探伤法的耦合方式有直接接触法和充水耦合法。采用的探头有单晶直探头、双晶直探头或聚焦探头。探伤钢板时一般采用多次底波反射法只有当板厚很大时才采用一次底波或二次底法。.​ 探头与扫查方式的选择​ 探头的选择包括探头频率、直径和结构形式的选择由于钢板晶粒比较细为了获得较高的分辨力宜选用较高的频率一般为~MHz。钢板面积大为了提高探伤效率宜选用较大直径的但对于厚度较小的钢板探头直径不宜过大因为大探头近场区长度大对探伤不利。一般探头直径范围为~mm。探头的结构形式主要根据板厚为确定板厚较大时常选用单晶探头板厚较薄时可选用双晶直探头因为双晶直探头盲区很小。双晶直探头主要用于探测厚度为~mm的钢板。​ 扫查方式的选择根据钢板用途和要求不同采用的主要扫查方式分为全面扫查、列线扫查、边缘扫查和格子扫查等。.​ 探测范围和灵敏度的调整第节​ 复合材料超声波探伤.​ 复合材料中常见缺陷复合材料是由母材与复合层粘合而成常的复合材料是在碳钢或低合金母材上粘接不锈钢、钛、铝、铜合金等复合层以提高钢板的耐腐蚀性。复合材料一般用轧制、粘接、爆炸和堆焊等方法制造。复合材料中常风缺陷是脱层(脱接)即复合层与母材在界面处复合不良。.​ 探伤方法复合材料探伤与一般钢板的探伤方法基本相同常用单直探头或联合双直探头进行纵波探伤。探伤时可从母材一侧探测也可从复合层一侧探测。.​ 缺陷的判别第节​ 薄板超声波探伤对于板厚小于mm的薄板如采用一般的纵波探伤法由于其板厚往往在盲区内缺陷难以分辨。目前对这种薄板一般采用兰姆波(板波)进行探伤。第节​ 管材超声波探伤、​ 管材加工及常见缺陷管材种类很多据管径不同分为小口径管和大口径管据加工方法不同分为无缝钢管和焊接管。无缝钢管是通过穿孔法和高速挤压法得到的穿孔法是用穿孔机穿孔并同时用轧辊滚轧最后用心棒轧管机定径压延平整成型。高速挤压法是在挤压机中直接挤压成形这种方法加工的管材尺寸精度高。焊接管是先将板材卷成管形然后用电阻焊或埋弧自动焊加工成型。一般大口径管多用这种方法。对于厚壁大口径管也可以由钢锭经锻造、轧制等于工艺加工而成。管材中常见缺陷与加工方法有关。无缝钢管中常见缺陷有裂纹、折迭、夹层等焊接管中常见缺陷与焊缝类似一般为裂纹、气孔、夹渣、未焊透等。锻轧管常见缺陷与锻件类似一般为裂纹、白点、重皮等。、​ 小口径管探伤小口径管是指外径小于mm的管材。这种管材一般为无缝管采用穿孔法或挤压法得到其中主要缺陷平行于管轴的径向缺陷(称纵向缺陷)有时也有垂直于管轴线的径向缺陷(称横向缺陷)。对于管内纵向缺陷一般利用横波进行周向扫查探测对于管内横向缺陷一般利用横波进行轴向扫查探测。按耦合方式不同小口径管探伤分为接触法探伤和水浸法探伤。、​ 大口径管探伤超声波探伤中大口径管一般是指外径大于mm的管材。大口径管曲率半径较大探头与管壁耦合较好通常采用接触法探伤批量较大时也可采用水浸探伤。第章​ 锻件与铸件超声波探伤锻件和铸件是各种机械设备及锅炉压力容器的重要毛坯它们在生产加工过程中常会产生一些缺陷影响设备的安全使用。铸件晶粒粗大、透声性差信噪比低探伤困难大。第节​ 锻件超声波探伤.​ 锻件加工及常见缺陷锻件是由热态钢锭经锻压变形而成。锻压过程包括加热、形变和冷却。形变大致分为镦粗、拔长和滚压。为改善锻件的组织性能锻后还要进行正火、退火或调质等热处理。锻件缺陷可分为铸造缺陷、锻造缺陷和热处理缺陷。铸造缺陷主要有:缩孔残余、疏松、夹杂、裂纹等锻造缺陷主要有:折叠、白点、裂纹等。热处理缺陷主要有:裂纹等。.​ 探伤方法概述.​ 探测条件的选择第节​ 铸件超声波探伤.​ 铸件中常见缺陷铸件是金属液注入铸入铸模中冷却凝固而成的铸件中常见缺陷有气孔、缩孔、夹杂和裂纹等。.​ 铸件探伤的特点​ 透声性差​ 声耦合差​ 干扰杂波多.​ 铸钢件探测条件的选择​ 探头:一般以纵波直探头为主辅以横波斜探头和纵波双晶探头。铸钢晶粒较粗大衰减严重宜选用较低的频率一般为~MHZ。​ 试块:铸钢件探伤常用ZGZ系列平底孔对比试块。​ 探测表面与耦合剂:铸钢件表面粗糙耦合条件差探伤前应对其表面进行打磨清理探伤时常用粘度较大的耦合剂。​ 透声性测试​ 铸钢件内外层划分第章​ 焊缝超声波探伤在焊缝探伤中不但要求探伤人员具备熟练的超声波探伤技术而且还要求探伤人员了解有关的焊接基本知识如焊接接头型式、焊接坡口型式、焊接方法和焊接缺陷等。只有这样探伤人员才能针对各种不同的焊缝采用适当的探测方法从而获得比较正确的探测结果。第节​ 焊接加工及常见缺陷锅炉压力容器及一些钢结构件主要是采用焊接加工成形。焊缝内部质量一般利用射线和超声波来检测对焊缝中裂纹、未熔合等危险性缺陷超声波探伤比射线更容易发现。.​ 焊接加工焊接过程实际上是个冶炼和铸造过程焊接接头形式主要有对接、角接、搭接和T型接头等几种。在锅炉压力容器中最常见的是对接其次是角接和T型接头搭接少见。.​ 焊缝中常见缺陷焊缝中常见缺陷有气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等。焊缝中的气孔、夹渣是立体型缺陷危害性较小而裂纹、未熔合是平面型缺陷危害性大在焊缝探伤中由于焊缝余高的影响及焊缝中裂纹、未焊透、未熔合等危险性大的缺陷往往与探测面垂直或成一定角度因此一般采用横波探伤。第节​ 中厚板对接焊缝超声波探伤。.​ 探测条件的选择​ 探测面的修整工件表面的粗糙度直接影响探伤结果一般要求表面粗糙度不大于m否则应予以修整。焊缝两侧探测面的修整宽度P一般根据母材厚度而定。厚度为~mm的焊缝采用二次波探伤探测面修整宽度为PKT(mm)厚度为大于mm的焊缝采用一次波探伤探测面修整宽度为PKT(mm)式中K探头的K值T工件厚度。耦合剂的选择在焊缝探伤中常用的耦合剂有机油、甘油、浆糊、润滑脂和水等实际探伤中用得最多的是机油和浆糊。频率选择焊缝的晶粒比较细小可选用比较高的频率探伤一般为~MHz。对于板厚较小的焊缝可采用较高的频率对于板厚较大衰减明显的焊缝应选用较低的频率。K值选择探头K值的选择应从以下三个方面考虑:()​ 使声束能扫查到整个焊缝截面()​ 使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直()​ 保证有足够的探伤灵敏度设工件厚度为T焊缝上下宽度分别为a和b探头K值为K探头前沿长度为L则有:K(abL)T一般斜探头K值可根据工件厚度来选择薄工件采用大K值以便避免近场区探伤提高定位定量精度厚工件采用小K值以便缩短声程减小衰减提高探伤灵敏度。同时还可减少打磨宽度。在条件允许的情况下应尽量采用大K值探头。探头K值常因工件中的声速变化和探头的磨损而产生变化所以探伤前必须在试块上实测K值并在以后的探伤中经常校验。探测方向的选择.​ 距离波幅曲线的绘制与应用缺陷波高与缺陷大小及距离有关大小相同的缺陷由于距离不同回波高度也不相同。描述某一确定反射体回波高度随距离变化的关系曲线称为距离波幅曲线。距离波幅曲线(简称DAC曲线)由判废线、定量线和测长线(又称评定线)组成。

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