超声检测方法分类与特点

第5章超声检测方法分类与特点哈尔滨锅炉厂有限责任公司王占富2020/4/162概述超声检测方法分类的方式有多种，较常用的有如下几种：1、按原理分类：脉冲反射法、衍射时差法（TOFD）、穿透法、共振法。2．按显示方式分类：A型显示和超声成像显示（可细分为B、C、D、S、P型显示等）。3．按波型分类：纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。4、按探头数目分类：单探头法、双探头法、多探头法。5、按探头与试件的接触方式分类：接触法、液浸法、电磁耦合法。6、按人工干预的程度分类：手工检测、自动检测。每一个具体的超声检测方法都是上述不同分类方式的一种组合，如最常用的：单探头横波脉冲反射接触法（A型显示）。每一种检测方法都有其特点和局限性，针对每一检测对象所采用的不同的检测方法，是根据检测目的及被检工件的形状、尺寸、材质等特征来进行选择的。2020/4/163超声波探伤方法图例并列式交叉式V形式K型式串列式表面下横波超声波探伤方法脉冲波法连续波法单探头法反射法液浸法双探头法共振法直接接触法穿透法检测分层性缺陷及衰减较大的材料测厚及测腐蚀性斜角探伤法纵波法垂直入射纵波法斜入射纵波斜射法横波法板波法纵波垂直法横波法表面波法板波法爬波法串列式法不锈钢焊缝与螺检检测管材检测薄板检测钢板、锻件、铸件等材料内部检测缺陷回波法底波高度法多次底波法检测焊缝、管材、筒体锻件、板材等检测表面及近表面缺陷检测薄板、薄壁管、复合材料表面下纵波检测粗糙表面下缺陷检测与探测面垂直的缺陷多探头及双探头法图5-12020/4/1645.1按原理分类的超声检测方法超声检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、衍射时差法、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工件内，通过观察来自内部缺陷或工件底面反射波的情况来对试件进行检测的方法，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。2020/4/165⑴缺陷回波法：根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。图5-22020/4/166图5－2是缺陷回波探伤法的基本原理，当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，探伤图形中只有表示发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图5—2a)所示。若试件中存在缺陷，在探伤图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F如图5一2b)所示。2020/4/167⑵底波高度法：依据底面回波的高度变化判断试件缺陷情况的探伤方法，称为底波高度法。图5-32020/4/168底波高度法的特点在于同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区，但是要求被探试件的探测面与底面平行，耦合条件一致。由于该方法检出缺陷定位、定量不便，灵敏度较低，因此，实际中很少作为一种独立的探伤方法，而经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的和小而密集的缺陷。2020/4/169⑶多次底波法：依据底面回波次数，而判断试件有无缺陷的方法，即为多次底波法。图5-42020/4/1610多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、探测面与底面平行的试件探伤，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。2020/4/16115.1.2衍射时差法定义：衍射时差法超声检测TimeOfFlightDiffractionTOFD方法利用缺陷端点的衍射波信号探测和测量缺陷的尺寸TOFD基本结构：一发一收双探头宽角度纵波斜探头（通常）2020/4/16122、TOFD检测设备举例2020/4/16133、TOFD检测显示示例A扫描显示TOFD图像2020/4/16144、物理基础－衍射缺陷上的每一点形成新的子波源称为衍射入射波2020/4/1615衍射（续）缺陷衍射波衍射波入射波反射波特点：1、全方位2、低能量2020/4/1616发射探头接收探头直通波直通波上端点下端点底面反射波底面反射波埋藏缺陷的检测原理2020/4/1617扫查面开口缺陷的检测原理发射探头接收探头缺陷下尖端底面反射波底面反射波直通波中断无直通波2020/4/1618底面开口缺陷的检测原理发射探头接收探头直通波直通波缺陷上尖端底面反射波中断无底面反射波2020/4/1619层间缺陷的检测原理发射探头接收探头直通波直通波底面发射波底面发射波反射波反射信号2020/4/1620TOFD检测图像——灰度图白+黑-幅度时间时间将每一个A扫描信号转化为灰度线，沿探头的运动方向拼接成二维灰度图2020/4/1621TOFD扫查方式非平行扫查平行扫查偏置非平行扫查发射探头接收探头探头架移动方向XY+Y－焊缝发射探头接收探头探头架移动方向XY+Y－焊缝发射探头接收探头探头架移动方向XY+Y－焊缝2020/4/16221、表面开口裂纹21122020/4/16232、X形坡口根部未焊透123412342020/4/16243、V形坡口根部未焊透根部未焊透1231232020/4/16254、密集气孔123122020/4/16265、横向裂纹12341231232020/4/16276、根部未焊满1231232020/4/16287、层间未熔合1232020/4/16298、根部未熔合TOFDtechniqueLackofrootfusiondefect2020/4/16309、根部凹陷TOFDtechniqueRootConcavitydefect2020/4/163110、根部过厚TOFDtechniqueOverpenetrationdefect2020/4/1632TOFD优点与脉冲反射法超声检测和射线检测相比，TOFD的主要优点在于：（1）能探测不利取向的缺陷，缺陷检出率高；（2）超声波束覆盖区域大；（3）缺陷高度测量精确；（4）实时成像，快速分析；（5）非基于波幅，波幅影响小；（6）快速、安全、方便。2020/4/1633荷兰焊接协会的对比试验POD缺陷检出率FCR误报率R可靠性2020/4/1634TOFD局限性（1）由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的宽度，处于此范围的缺陷波难以被发现，因此在扫查面和底面存在几毫米的表面盲区；（2）TOFD信号较弱，易受噪声影响；（3）倾向于“过分夸大”中壁缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等；（4）TOFD数据分析对检测人员要求高。2020/4/16355.1.3穿透法穿透法是采用一发一收双探头分别放置在试件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来检测试件缺陷的方法图5-52020/4/1636穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放置在试件的两侧进行探测，图5－5a)为无缺陷时的波形，图5－5b)为有缺陷时的波形。2020/4/16375.1.4共振法依据试件的共振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。常用于试件测厚。若频率可调的连续超声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，用相邻的两个共振频率之差可算出试件厚度。共振法测厚的原理见4.1.5，目前已很少使用共振法测厚。2020/4/16385.2A型显示和超声成像按超声信号的显示方式，可将超声检测方法分为A型显示和超声成像方法，其中超声成像显示按成像方式的不同又可再分为B、C、D、S、P型显示等。2020/4/16395.2.1A型显示如4.1.1中所述，A型显示是一种波形显示，是将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来，横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表信号幅度。A型显示是最基本的一种信号显示方式。此时，示波管的电子束是振幅调制的。换言之，A型显示的内容是探头驻留在工件上某一点时，沿声束传播方向的回波振幅分布。脉冲反射法的A型显示超声检测是目前用的最多的一种方法，目前特种设备行业常用的JB/T4730.3－2005标准规定的就是A型脉冲反射法超声检测，采用该方法时，检测结果受检测人员的素质、经验等人为因素影响较大。2020/4/16405.2.2超声成像方法超声成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。由于声波可以穿透很多不透光的物体，故利用声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息，超声成像技术将这些信息变成人眼可见的图像，即可以获得不透光物体内部声学特性分布的图像。物体的超声图像可提供直观和大量的信息，直接显示物体内部情况，且可靠性、复现性高，可以对缺陷进行定量动态监控。一般而言，超声成像方法是基于A型显示形成的工件不同截面的图像显示，大都具有自动数据采集、自动数据处理和自动作出评价的功能。超声成像的研究历史超声成像方法发展到现代，主要采用扫描接收信号、再进行图像重构的方式，因此又称为超声扫描成像技术，起初主要为B、C扫描成像，随后为检测焊缝而开发出D、P扫描（投影扫描成像）；因为相控阵技术的出现，又出现S扫描（扇形扫描成像）等。而对应的，A型显示又可称为A扫描显示。2020/4/16411．B、C、D扫描成像B、C、D扫描成像设备较简单、操作容易，已成为最普及的三种超声成像方法。其中的B扫描广泛用于医疗诊断，俗称B超。现在用于无损检测也取得了良好的效果。2020/4/16422.P扫描成像2020/4/16433.ALOK超声成像2020/4/16444相控阵和S扫描成像2020/4/16455.3按波型分类的超声检测方法纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等5.3.1纵波法使用纵波进行检测的方法，称为纵波法。1．纵波直探头法单晶直探头脉冲反射法、双晶直探头脉冲反射法和穿透法垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的检测2.纵波斜探头法将纵波倾斜入射至试件探测面，利用折射纵波进行检测的方法探头移动范围较小、检测范围较深的一些部件;粗晶材料;TOFD2020/4/1646纵波法的优点：a.垂直入射，对与探测面平行的缺陷检出效果最佳。b.对于同一介质，纵波传播速度大于其它波型的速度，对相同频率而言波长最长，因而穿透能力强，可探测工件的厚度是所有波型中最大的；晶界反射或散射的敏感性较差，可用于粗晶材料的探伤。c.纵波法探伤时，波型和传播方向不变，所以缺陷定位比较方便。纵波法的缺点：a.难于发现垂直于或接近垂直于探测面的缺陷。b.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。垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的探伤。2020/4/16475.3.2横波法将纵波倾斜入射至试件探测面，利用波型转换得到横波进行检测的方法，称为横波法。由于入射声束与探测面成一定夹角，所以又称斜射法。横波法主要用于焊接接头和管材的检测，是目前特种设备行业中应用最多的一种方法。检测其它试件时，则作为一种有效的辅助手段，用以发现与检测面有一定倾角的缺陷。2020/4/1648产生的两种方式一种是接触法时采用斜探头，由晶片发出的纵波通过一定倾角的斜楔到达接触面，在界面处发生波型转换，在工件中产生折射后的斜射横波声束；另一种是利用水浸直探头，在水中改变声束入射到检测面时的入射角，从而在工件中产生所需波型和角度的折射波。2020/4/16492020/4/1650横波法的优点：a.倾斜入射，能探测垂直于或接近垂直于探测面的缺陷。b.同一介质中同一频率的超声波波长较短，灵敏度相对较高。横波法的缺点：a.正因为波长较短，在介质中的衰减较大，探测距离较短。b.倾斜入射，缺陷定位相对较复杂。2020/4/16515.3.3表面波检测使用表面波进行检测的方法，称为表面波法。表面、近表面缺陷1．表面波的性质传播运动状态速度能量分布2、表面波的产生（1）Y切石英法（2）纵波折射法3．人工反射体的反射特点（1）柱孔（2）横孔（3）沟槽（4）棱边的反射2020/4/16525.3.3表面波检测4．影响表面波传播的其他因素油表面光洁度和材料组织圆柱曲面5．表面波检测的应用（1）强度法检测表面裂纹扫描速度调整灵敏度调整和定量直角棱边反射波（2）时延法测量表面裂纹的纵向尺寸特点：利用裂纹开口处的反射信号和裂纹尖端处的反射信号在传播时间上的差值