66超声波检测

第十章超声波检测第一节超声波检测的物理基础振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。频率在16~2×104Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波;低于16Hz的机械波,称为次声波;高于2×104Hz的机械波,称为超声波。如图10-1。当超声波由一种介质入射到另一种介质时,由于在两种介质中传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。第一节超声波检测的物理基础一、超声波的波形及其转换由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同,声波的波型也不同。通常有:①纵波——质点振动方向与波的传播方向一致的波;②横波——质点振动方向垂直于传播方向的波;③表面波——质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播,表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量,应多采用纵波。纵波、横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度,气体中声速为344m/s,液体中声速在900~1900m/s。当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时,除有纵波的反射、折射外,还发生横波的反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波。二、超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质,在两个介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射,如图10-2所示。由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时,入射角α的正弦与折射角的正弦之比,等于入射波在第一介质中的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比,21sinsincca三、超声波的衰减声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。Px=P0e-αx（10-2）Ix=I0e-2αx（10-3）式中:Px、Ix——距声源x处的声压和声强;x——声波与声源间的距离;α——衰减系数,单位为Np/m（奈培/米）。声波在介质中传播时,能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收,在理想介质中,声波的衰减仅来自于声波的扩散,即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的,介质吸收声能并转换为热能。超声波探伤设备一般由超声波探伤仪、探头和试块组成。第二节超声波检测设备超声波探头又称压电超声换能器，是实现电-声能量相互转换的能量转换器件。一、探头的种类由于工件形状和材质、探伤目的及探伤条件等不同，因而将使用各种不同形式的探头。在焊缝探伤中常用的探头有以下几种：1．直探头声束重直于被探工件表面入射的探头称为直探头。它可发射和接收纵波。由压电元件、吸收块、保护膜和壳体等组成。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。它可发射和接收横波。它由探头蕊、斜楔块和壳体等部分组成。K=tgγ=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。3．水浸聚焦探头它是一种由超声探头和声透镜组合而成的探头。4．双晶探头双晶探头又称分割式TR探头，主要用探测近表面缺陷和薄工件的测厚。二、探头的主要参数焊缝超声波探伤常使用斜探头。斜探头的主要性能如下：1．折射角γ(或探头K值)γ或K值大小决定了声束入射工作的方向和声波传播途径，是为缺陷定位计算提供的一个有用数据。2．前沿长度声束入射点至探头前端面的距离称前沿长度，又称接近长度。它反映了探头对有余高的焊缝可接近的程度。能力知识点1超声波探头3．声轴偏离角探头主声速轴线与晶片中心法线之间的夹角称为声速轴线偏向角。三、探头型号探头型号由五部分组成，用一组数字和字母表示，其排列顺序如下：（1）基本频率单位为MHz。（2）晶片材料常用的晶片材料（压电材料）及其代号见表。（3）晶片尺寸圆形晶片为晶片直径；方形晶片为晶片长度×宽度；分割探头晶片为分割前的尺寸。（4）探头种类用汉语拼音缩写字母表示，直探头也可以不标出，主要种类见表所示。（5）探头特征斜探头为其K值或γ，单位为°。超声波探伤仪是探伤的主体设备，主要功能是产生超声频率电振荡，并以此来激励探头发射超声波。同时，它又将探头接收到的回波电信号予以放大、处理，并通过一定方式显示出来。一、超声波探伤仪的分类1．按超声波的连续性可将探伤仪分为脉冲波、连续波和调频波探伤仪三种。2．按缺陷显示方式，可将探伤仪分为A型显示（缺陷波幅显示）、B型显示（缺陷俯视图像显示）、C型显示（缺陷侧视图像显示）和３D型显示（缺陷三维图像显示）超声波探伤仪等。3．按超声波的通道数目又可将探伤仪分为单通道和多通道超声波探伤仪两种。前者是由一个或一对探头单独工作；后者是由多个或多对探头交替工作，而每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。二、A型脉冲反射式超声波探伤仪1．工作原理接通电源后，同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路。扫描电路受触发后开始工作，产生的锯齿波电压加至示波管水平（x轴）偏转板上，使电子束发生水平偏转，从而在示波屏上产生一条水平扫描线（又称时间基线）。能力知识点2超声波探伤仪与此同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲加至探头，激励压电晶片振动而产生超声波，再通过探测表面的耦合剂将超声波导入工件。超声波在工件中传播遇到缺陷或底面时会发生反射，回波被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后加至示波管垂直（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始波（表面反射波）、缺陷波F、底波B。能力知识点2超声波探伤仪2．探伤仪主要性能仪器性能将直接影响探伤结果的正确，为此规定了探伤仪的各项性能。（1）水平线性（2）垂直线性（3）动态范围试块是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件。1、试块的分类根据使用目的和要求的不同，通常将试块分成以下两大类：标准试块和对比试块。CSK-ⅠBRB-2牛角试块RB-1本课小结1.超声波探伤设备探头、超声波探伤仪、试块。2.超声波探伤仪工作原理探伤仪主要性能第三节超声波检测工艺按探头与工件接触方式分类，可将超声波探伤分为直接接触法和液浸法两种。使探头直接接触工件进行探伤的方法称之为直接接触法。使用直接接触法应在探头和被探工件表面涂有一层耦合剂作为传声介质。常用的耦合剂有机油、甘油、化学浆糊、水及水玻璃等。焊缝探伤多采用化学浆糊和甘油。垂直入射法和斜角探伤法是直接接触法超声波探伤的两种基本方法。1、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探伤面进行探伤。由于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。垂直法探伤图2、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探伤面进行探伤。由于它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。斜角法探伤液浸法是将工件和探头头部浸在耦合液体中,探头不接触工件的探伤方法。根据工件和探头浸没方式,分有全没液浸法、局部液浸法和喷流式局部液浸法等。液浸法当用水作耦合介质时,称作水浸法。水浸法探伤时,探头常采用聚焦探头,既是最常用的水浸聚焦超声波探伤。能力知识点2液浸法液浸法探伤由于探头与工件不直接接触，因此它具有探头不易磨损，且声波的发射和接收比较稳定等优点。其主要缺点是，它需要一些辅助设备，如液槽、探头桥架、探头操纵器等。超声波探伤一般包括探伤前的准备、实时探伤操作、缺陷的评定、检验结果的分级、记录与报告等过程。焊缝超声波探伤是通过探伤仪示波屏上反射回波的位置、高度、波形的静态和动态特征来显示被探焊件质量优劣的.采用超声波探伤法对焊缝探伤时,应根据焊件的材质、结构、焊接方法、使用条件、载荷等,确定不同的探伤方案。第四节超声波检测缺陷的判断一.焊缝超声波探伤由探伤准备和现场探伤两部分组成.1.编写委托检验书2.确定参加检验的人员3.检验员探伤前的准备4.现场粗探伤5.现场精探伤6.评定焊接缺陷二、检验等级的确定一般根据对焊缝探测方向的多少，把超声波探伤划分为A、B、C三个级别：A级——检验的完整程度最低，难度系数最小。适用于普通钢结构检验。B级——检验完整程度一般，难度系数较大。适用于压力容器检验。C级——检验完整程度最高，难度系数最大。适用于核容器及管道的检验。三、探伤面及探伤方法的选择1．探伤面的选择与准备2．探伤方法的选择四、耦合剂的选用接触法探伤常选用甘油、机油、化学浆糊等有一定粘度的耦合剂，有时也采用水作耦合剂。对于钢材等易锈的材料，常采用机油、变压器油等。五、探头的选择1．探头形式的选择应尽量使声束轴线与缺陷反射面相垂直。2．晶片尺寸的选择3．频率的选择4.探头角度或K值的选择焊缝探伤中，薄工件宜采用大探头K值，以拉开跨距，提高分辨力和定位精度。大厚度工件宜采用小K值探头，以减小整修面的宽度，有利于缩短声程，减小衰减损失，提高探伤灵敏度。六、探伤仪的调节仪器调节有两项主要内容，一是探伤范围和扫描速度调节；二是灵敏度调整。（一）探伤范围和扫描速度调节1．探伤范围的调节2．扫描速度的调节（1）深度1:1调节法（2）水平1:1调节法（二）探伤灵敏度的选择及其调整1．探伤灵敏度的选定2．距离-波幅曲线的制作3．探伤灵敏度的调整1．探伤条件的选择2．检验区域宽度的确定3．探头移动区的确定4．单探头的扫查方式（1）锯齿形扫查（2）基本扫查（3）平行扫查（4）斜平行扫查5.双探头扫查方式（1）串列扫查（2）交叉扫查（3）V形扫查串列式扫查能力知识点3缺陷的评定一、缺陷位置的测定测定缺陷在工件或焊接接头中的位置称之为缺陷定位。缺陷定位必须解决缺陷在探伤面上的投影位置（X、Y方向数值）。1．垂直入射法时缺陷定位缺陷定位只需测定沿工件Z轴的坐标，即缺陷在工件中的深度即可。2．斜角探伤时的缺陷定位（1）水平调节法定位（2）深度调节法定位能力知识点3缺陷的评定二、缺陷大小的测定测定工件或焊接接头中缺陷的大小和数量称为缺陷定量。1.当量法2．探头移动法三、缺陷性质的估判判定工件或焊接接头中缺陷的性质称之为缺陷定性。这里仅是简单介绍焊缝中常见缺陷的波形特征。1．气孔2．裂纹3．夹渣4．未焊透5．未熔合能力知识点4检验结果的分级距离-波幅曲线是缺陷评定与检验结果分级的依据。一、缺陷评定二、检验结果的等级分类焊缝超声检验结果分为四级：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区的非裂纹性缺陷，均评为Ⅰ级。4）最大反射波幅位于Ⅱ区的缺陷，根据缺陷的指示长度按表4-9的规定予经评级。5）反射波幅超过判废线进入Ⅲ区时缺陷，无论其指示长度如何，均评定为Ⅳ级。焊缝超声波探伤后，应将探伤数据、工件及工艺概况归纳在探伤的原始记录中，并签发检验报告检验报告是焊缝超声波检验的存档文件，经质量管理人员审核后，正本发送委托部门，其副本由探伤部门归档。探伤记录与报告应具有追踪性，并至少保存7年以上以备随时查核。探伤记录与报告的格式。探伤报告样本操作流程示意图